文/趙俊豐·東風(fēng)雷諾汽車有限公司

淺析沖壓高速自動(dòng)化線

文/趙俊豐·東風(fēng)雷諾汽車有限公司

本文將闡述沖壓橫桿式高速自動(dòng)化線的組成及特點(diǎn)，對(duì)線首拆垛單元、板料雙料檢測(cè)、板料清洗單元、位置掃描儀及板料對(duì)中的結(jié)構(gòu)形式、功能、原理進(jìn)行了分析，對(duì)機(jī)械壓力機(jī)液壓墊的使用優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述，以及高速線的自動(dòng)化控制以及安全系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

汽車車身大型覆蓋件沖壓線是汽車生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備,其生產(chǎn)質(zhì)量和效率直接影響到汽車的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和改善勞動(dòng)條件的有效措施和主要方法。隨著我國(guó)汽車、電器產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高和生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,我國(guó)金屬?zèng)_壓行業(yè)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化勢(shì)在必行。

各種生產(chǎn)方式的比較

沖壓工藝中的生產(chǎn)方式有傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)方式(圖1所示)與自動(dòng)化生產(chǎn)方式(圖2與圖3所示)。從產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定、人員勞動(dòng)強(qiáng)度、安全生產(chǎn)、生產(chǎn)效率各方面進(jìn)行比較,自動(dòng)化生產(chǎn)方式有較大優(yōu)勢(shì),也是沖壓生產(chǎn)方式的發(fā)展趨勢(shì)。沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線又分為機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線和多工位壓力機(jī)生產(chǎn)線等方式。從沖壓線的SPM值進(jìn)行比較，機(jī)器人線一般在7～12SPM，而橫桿式高速輸送線能達(dá)到15SPM。

圖1 人工生產(chǎn)線示意圖

圖2 機(jī)械手自動(dòng)化生產(chǎn)線示意圖

圖3 橫桿式自動(dòng)化線

機(jī)械臂橫桿式?jīng)_壓自動(dòng)化生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)

整線組成

機(jī)械臂橫桿式自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線運(yùn)行循環(huán)方式為: 垛料拆垛(機(jī)械手拆垛)—板料傳輸—清洗機(jī)—板料掃描及對(duì)中—上料機(jī)器人送料—首臺(tái)壓機(jī)沖壓—下料機(jī)器人取料、送料—P2壓機(jī)沖壓—根據(jù)工序數(shù)量循環(huán)—下料機(jī)械手取料、送料—末端壓機(jī)沖壓—線尾機(jī)械手取料、放料—皮帶機(jī)輸送—人工碼垛。

功能介紹

東風(fēng)雷諾XL線包括上料裝置、拆垛單元、皮帶輸送機(jī)、清洗機(jī)、掃描對(duì)中臺(tái)、壓力機(jī)兼上下取料機(jī)械手、線尾皮帶機(jī)以及廢料輸送線組成。上料裝置是由板料升降小車和預(yù)對(duì)中臺(tái)組成，采用可循環(huán)式雙垛料臺(tái),導(dǎo)軌與壓力機(jī)平行布置,沖壓板料用行車或叉車放置在非工作垛料臺(tái)上,生產(chǎn)工人在對(duì)中臺(tái)各套零件示教的位置放入激光射線，然后進(jìn)行預(yù)對(duì)中。板料上完之后，通過板料小車底部的感應(yīng)開關(guān)對(duì)板料進(jìn)行有效信號(hào)檢測(cè)，確認(rèn)上料完畢,板料小車自動(dòng)轉(zhuǎn)換，循環(huán)使用，從而保證連續(xù)生產(chǎn);板料小車上料完成之后進(jìn)入拆垛區(qū)，板料升降小車開始舉升，然后由六組激光對(duì)射開關(guān)對(duì)板料的升降高度進(jìn)行控制，當(dāng)板料升降到合適位置時(shí)，在拆垛臺(tái)上配備的磁力分張器開始動(dòng)作。檢測(cè)伺服電機(jī)的扭矩和板料的偏移量來(lái)控制磁力分張器磁頭的前進(jìn)位置，然后通過磁力將垛料自動(dòng)拆垛成單張。這時(shí)拆垛手通過真空發(fā)生器以及端拾器吸盤進(jìn)行抓料，同時(shí)端拾器上的雙料檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)以保證每次傳遞為單張板料。接下來(lái)拆垛手將板料放置在長(zhǎng)度可調(diào)的磁性傳送帶上,傳送帶將板料送至清洗機(jī)內(nèi)進(jìn)行清洗擠干,板料是否需要清洗以及表面的余油量都是可以通過程序以及設(shè)置清洗機(jī)的擠干壓力來(lái)決定的，另外在進(jìn)入清洗機(jī)之前對(duì)板料進(jìn)行變形翹曲檢測(cè)，防止損壞清洗機(jī)擠干輥。板料清洗完之后，掃描儀對(duì)板料進(jìn)行成像，并且與原先示教好的板料位置進(jìn)行對(duì)比，將信息反饋至控制系統(tǒng)，從而控制對(duì)中臺(tái)對(duì)板料的位置進(jìn)行修正。對(duì)中臺(tái)在X方向的修正范圍為±100mm。另外能夠保證20°的旋轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)范圍，保證定位準(zhǔn)確快捷。第一臺(tái)上料機(jī)械手根據(jù)零件的示教位置,將板料準(zhǔn)確地搬運(yùn)到壓力機(jī)內(nèi)。對(duì)不同的沖壓制件每臺(tái)機(jī)械手首先需要進(jìn)行模擬示教,離線編程,對(duì)模具參數(shù)進(jìn)行保存，從而適應(yīng)多種制件的共線生產(chǎn)。四臺(tái)壓機(jī)采用同步控制，調(diào)整前后壓機(jī)位置角度偏差以及使機(jī)械手跟蹤壓機(jī)的運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)整線的同步連續(xù)生產(chǎn)，另外還可以通過Simotion軟件, 可以最大化優(yōu)化上下料與壓機(jī)運(yùn)動(dòng)之間的重合度, 達(dá)到平穩(wěn)切換其速度來(lái)縮短生產(chǎn)節(jié)拍及減少機(jī)械負(fù)荷的目的。線尾輸送采用皮帶機(jī),在生產(chǎn)線的末端放置皮帶機(jī),最后一臺(tái)壓力機(jī)的機(jī)械手直接將零件放置到皮帶機(jī)上,達(dá)到出件效果。在整線的地坑內(nèi)部安裝有廢料線，對(duì)沖壓完成的切邊料進(jìn)行輸送實(shí)現(xiàn)整線的自動(dòng)化。

壓機(jī)系統(tǒng)

整線采用的是JIER生產(chǎn)的四臺(tái)壓力機(jī)：P1(2400t)—P2(1000t)—P3(1000t)— P4(1000t)。首臺(tái)壓機(jī)主要實(shí)現(xiàn)板料的拉延功能，采用6連桿結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)滑塊在拉延時(shí)降速、回程時(shí)提速,從而有效的提高了生產(chǎn)節(jié)拍和零件的成形質(zhì)量，另外拉伸墊采用Bosch Rexroth先進(jìn)的四軸同步液壓墊，其最大拉延力能夠達(dá)到400t,液壓墊的優(yōu)點(diǎn)在于通過控制高精度的伺服比例閥對(duì)液壓墊的壓力進(jìn)行準(zhǔn)確控制，從而確保零件在成形過程中具有穩(wěn)定的拉延力,進(jìn)而保證零件的成形質(zhì)量。圖4所示為壓機(jī)結(jié)構(gòu)圖。圖5所示為液壓墊結(jié)構(gòu)圖。

圖4 壓機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖5 液壓墊結(jié)構(gòu)圖

圖4中下料機(jī)械手、線尾輸送系統(tǒng),各分系統(tǒng)間的電氣控制按照集中監(jiān)控、分散控制的原則。在各控制部分控制系統(tǒng)中,采用設(shè)備層和控制層的典型控制模式,每個(gè)層次中使用不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及軟硬件配置,以實(shí)現(xiàn)各自不同的功能。

控制系統(tǒng)

⑴總體控制方案。

本系統(tǒng)包括線首拆垛單元、清洗機(jī)、掃描對(duì)中臺(tái)、上下料機(jī)械手、線尾輸送系統(tǒng),各系統(tǒng)間的電氣控制按照集中監(jiān)控、分散控制的原則。在各控制部分控制系統(tǒng)中,采用設(shè)備層和控制層的典型控制模式,每個(gè)層次中使用不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及軟硬件配置,以實(shí)現(xiàn)各自不同的功能。

⑵控制層。

各部分控制系統(tǒng)采用具有現(xiàn)場(chǎng)總線形式的PLC控制方式,該方式具有單獨(dú)控制及連線自動(dòng)控制的功能。圖6所示為XL高速自動(dòng)化生產(chǎn)線控制網(wǎng)絡(luò)圖。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,采用西門子S7-416-2DP的PLC,現(xiàn)場(chǎng)總線采用西門子Profinet總線及工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)。每個(gè)控制部分的PLC之間及各PLC與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換采用工業(yè)以太網(wǎng)方式,供監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)使用。壓力機(jī)控制系統(tǒng)需配備Ethernet card與自動(dòng)化輸送控制系統(tǒng)接口,控制系統(tǒng)與機(jī)器人系統(tǒng)間通過Profinet現(xiàn)場(chǎng)總線形式實(shí)現(xiàn)信息交換和聯(lián)鎖對(duì)接。

圖6 XL高速自動(dòng)化生產(chǎn)線控制網(wǎng)絡(luò)圖

⑶設(shè)備層。

設(shè)備層在整個(gè)控制系統(tǒng)中處于最底層,是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),主要包括現(xiàn)場(chǎng)操作站、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢測(cè)單元(如接近開關(guān)、光電開關(guān))、現(xiàn)場(chǎng)其他輸入設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如電動(dòng)機(jī)、電磁閥)等,直接或通過現(xiàn)場(chǎng)總線與控制層中的PLC相聯(lián)系,將輸入信號(hào)發(fā)送給PLC, 并將PLC輸出指令發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。各種傳感器和閥的接線盒通過現(xiàn)場(chǎng)總線(Profinet)和相應(yīng)控制單元通訊。

圖7 XL高速輸送線安全網(wǎng)絡(luò)圖

⑷人機(jī)界面HMI

本系統(tǒng)HMI采用SIEMENS的MP377觸摸屏,在每個(gè)控制單元均配置一個(gè)觸摸屏,采用Profinet總線通訊。單元觸摸屏具有指示燈及操作按鈕(或旋鈕),可顯示錯(cuò)誤報(bào)警及自診斷等信息,與本單元相關(guān)的I/O信號(hào)在HMI上顯示,并以不同顏色區(qū)分。一旦有故障節(jié)點(diǎn),系統(tǒng)將持續(xù)報(bào)警,HMI上將在當(dāng)前畫面顯示故障點(diǎn),以便工作人員查找。

安全系統(tǒng)

安全是自動(dòng)化生產(chǎn)線的最大特點(diǎn),本系統(tǒng)采用基于德國(guó)PILZ安全PLC的SafetyBus保護(hù)系統(tǒng),并配置了完善的安全裝置,實(shí)時(shí)控制顯示安全區(qū)域狀況,及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)或停機(jī),與主PLC系統(tǒng)通訊采用Profibus總線。聲光報(bào)警單元作為整線安全系統(tǒng)的輔助工具,能夠在設(shè)備啟停、設(shè)備故障、上下料故障以及安全系統(tǒng)等各安全監(jiān)控點(diǎn)報(bào)警等異常狀況發(fā)生時(shí)，及時(shí)通知操作人員處理。整條XL高速線為全封閉結(jié)構(gòu)，任何一扇門打開，整線所有設(shè)備都無(wú)法運(yùn)行。而且整個(gè)控制系統(tǒng)的所有緊急停止信號(hào)以及壓機(jī)和高速輸送設(shè)備之間的安全聯(lián)鎖信號(hào)都連入安全PLC系統(tǒng),通過PLC程序進(jìn)行互鎖控制。圖7為XL高速輸送線安全網(wǎng)絡(luò)圖。

結(jié)束語(yǔ)

橫桿式自動(dòng)化高速?zèng)_壓線的應(yīng)用,既改善了勞動(dòng)條件,減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,又可確保生產(chǎn)安全,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,還能降低能源及原材料消耗,節(jié)省輔助加工時(shí)間,降低產(chǎn)品成本。隨著生產(chǎn)線的制作、調(diào)試周期逐步縮短,橫桿式高速自動(dòng)化生產(chǎn)線越來(lái)越為汽車主機(jī)廠所接受,成為沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線的主流。