王守業(yè)，趙立峰，趙江鋒，趙志全，田 進

（浙江燦根智能科技股份有限公司，浙江 諸暨 311804）

1 引言

紅沖加工工藝是從精鍛和熱擠壓基礎上發(fā)展起來的一種半潔凈成形加工工藝，特別是在材料延展性強的材料如銅加工中得到廣泛應用。紅沖工藝就是通過對材料的加熱，在一定的溫度下沖壓、一次成形規(guī)定的形狀。在水龍頭、閥門等水暖器件生產(chǎn)中，得到廣泛的應用。由于是在加熱中進行沖壓，所以叫做紅沖。

目前傳統(tǒng)熱鍛紅沖生產(chǎn)工藝仍然停留在半自動水平甚至是人工作業(yè)模式，質(zhì)量穩(wěn)定性差，安全、環(huán)保措施過于陳舊，危險系數(shù)大。數(shù)字式銅加工熱鍛紅沖生產(chǎn)線作為一種半潔凈的加工工藝，其生產(chǎn)效率和半成品精度，也為銅加工所青睞，被公認是最好的成形工藝。

改造傳統(tǒng)紅沖生產(chǎn)線生產(chǎn)模式，通過技術(shù)創(chuàng)新，以清潔的中頻電加熱圈取代天然氣加熱方式，研制機械手上下料裝置，大量采用多種傳感器，檢測紅料溫度、紅料位置、紅料放置位置以及其他保護檢測，實現(xiàn)紅沖過程的自動化；滿足柔性生產(chǎn)的高效性；生產(chǎn)線數(shù)字管理系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)和設備加工狀態(tài)進行數(shù)據(jù)采集，并通過內(nèi)部的數(shù)據(jù)庫和相關(guān)算法，對采集的數(shù)據(jù)進行分析，提供生產(chǎn)效率、成品率、生產(chǎn)OEE、工人生產(chǎn)考核等管理數(shù)據(jù)，為設備納入MES 系統(tǒng)提供方便。行業(yè)從事智能化改造的企業(yè)很多，但是將智能化和數(shù)字化結(jié)合，引入5G 網(wǎng)絡、制造云平臺儲存，通過數(shù)據(jù)庫平臺進行管理的提升和產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型的卻為數(shù)不多。

2 方案與技術(shù)路線

如圖1 所示，通過對數(shù)字式銅加工熱鍛紅沖生產(chǎn)線進行長期和詳細的調(diào)查，對功能、工藝要求等也制定了需求分析和實施技術(shù)路線，對需求進一步細化，技術(shù)方案進一步落實。

在理論分析方面，對生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)、柔性機械手上下料機構(gòu)、中頻加熱線圈及電源、工藝過程進行仿真和實驗研究，確定最佳的工藝路線，在工藝路線的指導下，開展機構(gòu)設計。

在機構(gòu)和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計方面，主要在模具結(jié)構(gòu)、柔性機械手及移動平臺、模塊化功能部件等方面進行設計，針對現(xiàn)有設備的結(jié)構(gòu)，增加恰當?shù)募訜釞C構(gòu)和聯(lián)接機構(gòu)，實現(xiàn)聯(lián)線生產(chǎn)。

在控制系統(tǒng)研制方面，對整機生產(chǎn)工藝和設備狀態(tài)關(guān)鍵點進行摸排，研發(fā)數(shù)字式銅加工熱鍛紅沖生產(chǎn)線生產(chǎn)管理系統(tǒng)，完成基于PLC 的數(shù)字化產(chǎn)線管理系統(tǒng)的最佳方案，以獲得能表示設備運行狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)；在控制系統(tǒng)設計上，在PLC 控制核心的基礎上，構(gòu)建穩(wěn)定的總線方式和數(shù)據(jù)協(xié)議，開發(fā)控制系統(tǒng)軟件，同時對數(shù)據(jù)進行分析和歸類，建立能表示設備實際運行狀態(tài)的數(shù)學模型，根據(jù)模型判別設備的運行狀態(tài)，并將狀態(tài)和故障隱患點發(fā)送給設備制造商，達到遠程監(jiān)控和維護的目的；開發(fā)軟件自維護和自升級接口，能實現(xiàn)軟件的自維護，并為將來的大數(shù)據(jù)應用提供通訊口和協(xié)議。

3 數(shù)字式銅加工熱鍛紅沖生產(chǎn)線總體設計

如圖2 所示，生產(chǎn)線定義為數(shù)字式銅加工熱鍛紅沖柔性生產(chǎn)線，為此，其總體布置非常重要，需要滿足生產(chǎn)節(jié)拍的上下料、模具加油潤滑、傳感器布置、數(shù)據(jù)上下傳送、數(shù)據(jù)看板設立等，尤其是銅加工溫度在400℃以上，對傳感器布置、數(shù)據(jù)采集都有影響，因此，生產(chǎn)線總線布置非常重要。

3.1 中頻加熱方式及其機構(gòu)設計

采用清潔的中頻電加熱取代燃氣或者焦炭直接熱方式，降低污染，提高加熱效率。中頻加熱主要利用材料的集膚效應，將工頻50Hz 交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l（300Hz 以上至20kHz）的電源，產(chǎn)生磁場。銅金屬放置在有交變中頻電流的感應圈里，銅表面被加熱到發(fā)紅，甚至熔化，調(diào)節(jié)頻率大小和電流的強弱就能控制加熱速度和深度。

3.2 溫度檢測裝置

以往紅沖銅料的溫度是由工人師傅根據(jù)銅料的顏色判別，溫度過高容易燒壞模具，過低輕則紅沖開裂產(chǎn)生次品，重則損壞磨具。設置紅外溫度檢測裝置，對進入模具之前的銅料進行溫度檢測，如果銅料加熱不充分，則自動剔除該銅料，防止機器在沖壓加熱不充分的銅料時造成模具損壞，同時反饋溫度控制系統(tǒng)，對中頻加溫裝置參數(shù)進行調(diào)整，滿足加溫要求。

3.3 柔性機械手

如圖3 所示，設計一種柔性6 自由度機械手，能夠?qū)崿F(xiàn)實現(xiàn)紅料的自動上料、模具噴油潤滑冷卻、自動傳送下料并輸送至模具等，在紅沖后再從模具上撿取半成平，將半成品放置在半成品框，同時將石蠟油噴射到模具，冷卻模具，避免紅料粘住模具，影響生產(chǎn)。

3.4 生產(chǎn)線控制系統(tǒng)

以PLC 為核心的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)線的集成控制；控制系統(tǒng)包括多種傳感器，對紅料溫度進行檢測，放置溫度不夠的紅料進入模具，損傷模具；對紅料位置進行檢測，使機械手能認識并正確拾取紅料；對模具狀態(tài)進行檢測，避免重復給料；此外，還有許多安全傳感器，保護設備和人員的安全。

實現(xiàn)設備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，通過有線、無線網(wǎng)絡、交換機將所有采集數(shù)據(jù)輸送至服務器。實現(xiàn)將現(xiàn)場采集的設備數(shù)據(jù)匯總，通過軟件進行解析、統(tǒng)計、計算，并生產(chǎn)相應的圖形、報表等文件。設備管理者可以通過網(wǎng)絡訪問服務器，只需在PC 端即可全面、快速了解現(xiàn)場生產(chǎn)的整體運行狀況，還可以通過手機APP 獲得同樣的信息，從而實現(xiàn)精確管理決策、及時處理生產(chǎn)現(xiàn)場異常問題。

3.5 油煙排放裝置

紅沖過程將會產(chǎn)生大量油煙氣，影響環(huán)境，本項目生產(chǎn)線研制過程中，將采取措施，安裝工業(yè)抽油煙設施，將紅沖產(chǎn)生的油煙收集起來并集中處理。

3.6 模具安全保護裝置

紅沖生產(chǎn)，模具的安全尤為重要。一套模具的研制，需花費大量經(jīng)費，而時間也尤為關(guān)鍵。模具受損主要是由于紅料的溫度偏低，或者是由于模具內(nèi)疊料，就是說模具內(nèi)上一個半成品還沒有取出，新的紅料又加進去，造成兩個紅料在模具內(nèi)沖壓。以前在人工操作程序中，模具的保護可以通過工人的視覺和經(jīng)驗來實現(xiàn)，在實現(xiàn)自動生產(chǎn)以后，模具的保護主要靠數(shù)據(jù)的采集；紅料的溫度保護主要靠紅外溫度傳感器，而疊料則主要依靠在沖床模具上增加壓力傳感器，通過沖壓過程中的沖壓力檢測，在壓力異常時，快速停止沖壓，保護模具。

4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）建立了一個數(shù)字式銅加工熱鍛紅沖生產(chǎn)線，通過各種傳感器采集數(shù)據(jù)，顯示所采集產(chǎn)量、溫度曲線、不良率等生產(chǎn)信息，提升紅沖產(chǎn)品線的智能化程度，使生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化，管理人員可在辦公室就可以知道這些數(shù)據(jù)，同時可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)安排。如圖4 所示。

（2）自動化水平高，可實現(xiàn)一鍵生產(chǎn)，只需要按一下“自動生產(chǎn)”按鈕，整條線就可以自行生產(chǎn)，一個人可以看管多條產(chǎn)線，減少人力成本，減輕員工工作強度；按下“自動換模”按鈕，備用模具可以通過軌道，自動到位而不用調(diào)節(jié)，大大提高了生產(chǎn)效率。

（3）研制了基于柔性機械手的紅沖上料裝置，將原來分散的上料機和加熱設備等集成在一起，不僅節(jié)約空間，而且大大提高了設備的穩(wěn)定性和維護安裝的方便性。

5 主要技術(shù)參數(shù)

數(shù)字式銅加工熱鍛紅沖生產(chǎn)線生產(chǎn)速率提高4s/件，產(chǎn)線不間斷工作時間24h,產(chǎn)品質(zhì)量合格率高確保在99%以上，以2 工件原料棒為例，每件以智能化紅沖后可節(jié)約原材料每件30%；實現(xiàn)無人化在線上料、送料、加熱、監(jiān)測（溫度、載荷、環(huán)保、安全）功能。進行數(shù)字化統(tǒng)計分析和在線數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。生產(chǎn)線主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

6 效果驗證

數(shù)字式銅加工熱鍛紅沖生產(chǎn)線主要社會效益在于提升傳統(tǒng)制造業(yè)的技術(shù)水平，項目在設計、改造工程中積極貫徹執(zhí)行國家有關(guān)能源、安全政策，在工藝及其他設計中采用下列節(jié)能措施：

（1）生產(chǎn)設備按工藝流程合理布置，盡量減少、避免往返運輸量；

（2）生產(chǎn)、檢測工藝路線優(yōu)良，提高材料利用率，降低損耗；

（3）選用節(jié)能設備，實行變頻裝置，節(jié)能安全；

（4）增設環(huán)保除油、除氣過濾裝置，防止環(huán)境污染。

因此，在整個生產(chǎn)過程中（下料、上料、送料、加熱、檢測、成品輸出、除油/除氣、安全、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等），主要設備均為自動化、智能化操作、無人化在線監(jiān)測裝置，通過大數(shù)據(jù)采集、分析，實施掌控整個生產(chǎn)運行，為降低環(huán)境污染、提高生產(chǎn)安全性填補了傳統(tǒng)紅沖行業(yè)的空白。運行時噪聲極低，無廢氣、廢水排放，在環(huán)保方面有其不可比擬的優(yōu)越性。為傳統(tǒng)制造業(yè)在國內(nèi)的持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

7 結(jié)論

數(shù)字式銅加工熱鍛紅沖生產(chǎn)線是水暖產(chǎn)業(yè)的基礎設備，在國計民生中有廣泛的應用領域。通過精密壓力機、加熱裝置、檢測裝置、機械臂等實現(xiàn)串聯(lián)，依據(jù)MES、ERP、OA 系統(tǒng)的相互結(jié)合，實現(xiàn)移動5G 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸存云平臺；將現(xiàn)場設備、人員、質(zhì)量、計劃、工藝流程等信息進行串聯(lián)，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)線。隨著市場對智能化需求量越來越大，憑借該產(chǎn)品高敏性、安全性、穩(wěn)定性能主要特性，這一智能化成套設備關(guān)鍵技術(shù)的突破，將持續(xù)帶動行業(yè)技術(shù)步入更高水平。