大型冲压自动线的分类与选择

文/李凤华·一汽解放汽车有限公司卡车厂

单福刚·海马轿车有限公司

大型冲压自动线的分类与选择

文/李凤华·一汽解放汽车有限公司卡车厂

单福刚·海马轿车有限公司

本文介绍了冲压自动化发展历程、当前大型冲压自动线的种类，以及各种自动化形式的组成、特点、适用情况等，并对如何选择自动化设备提出了自己的看法。

冲压自动化的演变过程

随着汽车工业的发展，大型冲压件的自动化生产形式由于能够降低劳动强度、节省人力，而且产品质量好、生产效率高，所以，应用越来越普遍，成为各汽车主机厂及大型冲压件供应商的首选。从总的方面来说，大型冲压自动化技术的发展过程是一个不断满足冲压生产企业需求的过程。而大型冲压件的自动化设备也在不断朝着高效率、高精度、柔性化、自动化、安全化、信息化方向发展。

图1为手工操作生产模式，冲压件生产过程中的上下料工作由人工完成。由于大型覆盖件体积大，重量重（有的零件毛坯重量达到约40kg），所以手工操作存在生产效率低、操作人员多、劳动强度大、冲压件质量不易保证、安全生产环境差等问题。随着人们对质量、效率、安全的追求，这种生产方式越来越不适应现代汽车大型冲压件生产的需要。大约在上世纪末，一汽大众率先在国内引进大型自动化冲压生产线，开启了我国冲压自动化生产的序幕。

各种自动化形式及特点简介

机械手上下料

一汽大众最先引进的是机械手上下料自动线，这种机械手分别安装在设备前后，其组成部分有：上料小车、拆垛机械手、清洗机（可选）、涂油机（可选）、传输皮带、对中台、上料机械手、压力机、压机间上下料机械手、压机间穿梭机、下料机械手、电气控制系统等。

图1 手工操作生产模式

图2 机械手上下料装置

简单的二维运动的机械手自动化上下料机构（图2），首先解决了人工上下料劳动强度大，质量难保证，人工成本高的问题，达到了少人化的目的。但这种结构的机械手上下料装置存在如下缺点：由于只有上下和前后移动，柔性较差；压力机之间需要两套端拾器和一个穿梭装置，较机器人投资大，效率低；需要手动更换端拾器。

该种结构的自动线目前已很少应用，但可应用于不成线的压机的自动化上下料或简单的上料需求。

机器人上下料

机器人自动生产线由上料小车、拆垛机器人、清洗机（涂油机）、传输皮带、对中台、上下料机器人、压力机、出料皮带、码垛机器人（可选）、电气控制系统等组成。

机器人冲压自动线的优点是：压力机之间只用1个机器人；压力机之间只用1套端拾器；易于自动更换端拾器；投资少；柔性大，编程灵活；占用空间小，安装简洁。其缺点是：由于机器人关节较多，柔性增加的同时刚性下降，对于大而重的零件，节拍提升受到一定限制。

由于机器人自动化上下料的生产柔性大，对模具的要求相对较低，适合用于现有压力机冲压线的自动化系统升级改造（图3）。

图3 机器人自动化

一汽解放卡车厂一车间冲压自动化生产线是国内最早应用的大型机器人自动化生产线之一，该线为利用原有冲压设备改造的生产线，线首为机械手式拆垛和上料装置，线内为机器人上下料，至今已投产13年，仍在稳定运行。目前各大机器人公司都在积极研制适应冲压件自动化生产需求的专用机器人，随着机器人技术和自动化技术的不断进步，机器人在冲压自动化中扮演的角色也将越来越重要。

多工位压力机

多工位压力机系统由拆垛装置、对中装置、三坐标送料装置、多工位压力机、出料装置等组成。多工位压机能够自动完成自坯料到成品的全过程。大型覆盖件的冲压生产一般需要由4500t以上重型多工位压力机来完成。

多工位压力机具有以下特点：⑴生产节拍为16～25件/min，是单机联线自动化的2～3倍；⑵换模时间短，节约辅助时间；⑶占地面积较小，约是单机联线长度的一半；⑷第一工位带有数控液压拉深垫；⑸只需1～2人进行生产监控；⑹配有电子伺服三坐标送料装置，适用于大批量生产；⑺安全性高；⑻对模具要求高；⑼设备一次性投资大等。

综合以上特点，多工位压机在效率、质量、少人化等方面优势显著，在国内外大型轿车主机厂及零部件生产厂有较多应用。但用于大型覆盖件的重型多工位压机，由于其投资大，对模具要求高，在国内还没有应用，国内应用较多的是中小件的多工位压机，一般吨位都在3500t以下。

高速冲压生产线

高速冲压生产线一般是指可以在常规的串联式冲压线上实施的、既有较好的产品柔性又有较高生产效率的自动冲压生产线。将多工位压力机的高生产率和串联式压力机的灵活性相结合，就形成了所谓的高速柔性冲压生产线。

高速冲压生产线的特点是：⑴高效率——每分钟可生产10～18个大型覆盖件；⑵柔性化——适应多车型、多品种共线生产；⑶自动化——拆垛、送料、成形、码垛全部实现自动化，并能实现远程通讯、故障诊断；⑷最大的灵活性，所有运动轴的动作均可编程；⑸从压机到压机实现零件直接传送，不需要中间穿梭装置；⑹直线和旋转轨迹交叠，输送速度得以加快，冲压线整线生产效率大大提高；⑺稳固的横杆式机械结构使得零件传送更加平稳，无颤动；⑻端拾器横杆上采用内置式多自由度调节装置，提高了工件在传送过程中的“变位”灵活性；⑼可减少整线设备的占地面积，降低土建投资；⑽工件所需的端拾器数量减少，端拾器成本降低，存放面积减少；⑾模块化设计使得维护保养和备品备件相应简化。

下面简单介绍一下高速冲压线几种典型形式：

⑴单臂机械手上下料。单臂机械手主要安装在前后设备中间，典型结构有瑞士坤戈的单臂机械手、斯特曼单臂机械手、舒勒横杆机械手等。

⑵双臂自动化上下料。双臂机械手有摆臂式结构、线性传输结构等，一般安装在设备左右立柱内侧，要求设备立柱间距比较大，如图4所示。

图4 双臂机械手安装

⑶七轴机器人自动上下料。目前，各大机器人生产厂家已成功开发出线性七轴、旋转七轴等高速机器人，同时在强度和刚度方面特殊设计以满足高速自动化冲压生产的需求。机器人厂家已开发出在压机两侧分别安装一个机器人，双侧机器人同步动作的自动化上下料形式，满足大型零件高生产节拍、高灵活性和高稳定性的要求。丰田公司冲压车间的自动化设备为日本小松及其合作公司的产品，应用的自动化形式即为机器人和双臂机械手相结合的形式，设备间距短，效率高。

另外混合型柔性高速冲压自动线，如线首拆垛、清洗、涂油和线尾下件为机器人，线内为横杆式机械手的自动化形式也被广泛应用。为充分利用机器人的柔性，可根据节拍和生产布局的实际需要配置机器人数量。

冲压自动线的选择

各种自动线的综合对比

从特点、生产节拍、适用场合等方面，综合分析各种自动化方式，结果见表1。

选择冲压自动线要考虑的因素

冲压自动化形式有多种，到底选择哪种自动化形式要重点考虑以下几方面内容：

⑴承担的产品及纲领。到底采用哪种自动化形式，主要取决于承担的产品及纲领。如果承担的品种较多、产量在10万辆以下，可考虑普通机器人或单臂方案，而对于大批量生产则应优先考虑效率问题。

⑵厂房条件。如果在原有厂房内改造新增冲压线，则要充分考虑厂房的高度、车间跨度、天车等因素，同时要充分考虑电气容量、水、压缩空气需求和现有容量等。如果新建厂房则不存在此问题。

表1 各种自动化形式的对比

⑶模具条件、投资及成本等。如果是在现有压机上改造还要考虑现有压机的行程、现有的模具结构等因素。如果现有压机行程和模具条件不是很好，有比较复杂的零件，则最好采用机器人结构，因为机器人柔性大，零件拾取路线灵活，能应对诸如模具转角度、前后模具不同心、模具开口空间不足等问题。

⑷自动线配置选择。自动线的主要构成基本都是一样的，主要由线首单元（拆垛、清洗、涂油、对中、上料）、线内单元（上下料）和线尾单元（下件及输送）组成。其中，线首和线尾的配置和布置方式很重要，对整个节拍和生产组织、检查环节等影响很大，要充分考虑相关因素和条件。为保证产品质量，一般自动线都要配置清洗机，用于清洗板料，但清洗机有在线配置也有离线配置。一汽大众生产线都是在线清洗，而丰田公司冲压线的清洗机则离线布置。离线清洗的优点是只洗表面件，有效利用清洗设备，减少由于清洗机故障对生产线造成的停歇，同时减小生产线长度。缺点是需要二次倒运材料，物流环节多，清洗后的材料要保证不能二次污染。究竟采用哪种方式，需要根据自己厂的总体布局、管理水平和要求来决定。另外就是线尾出料方式的选择，一般线尾都是机械手或机器人下料后放到皮带机上，由人工进行检件并装件。线尾出料方式是横传还是纵传，配置皮带机的形式和数量都需要根据自动化形式、节拍和车间的面积、检件需求来综合考虑。

结束语

随着科学技术的发展，冲压自动化也在不断推出新的技术，就目前存在的几种主要形式来说，也是适合于不同情况，各冲压生产厂应根据自己工厂厂房、设备、工装及产品、产量规模等具体条件，综合考虑节拍、通过性、经济性等问题，作出适合自己的选择。