制约自动化线生产效率提升的因素

文／党军·陕西法士特汽车传动集团有限公司

自动化和智能化近年来逐渐成为制造业主流，很多公司根据自身情况，对现有设备进行改造，或者全套引进自动化设备。无论是改造还是引进，都是锻造自动化万里长征的第一步，无论单工位或者多工位锻造，整条生产线或者局部自动化都是一个庞大的工程，需要对所有生产环节进行信号收集及联锁监控，实现对工件传输与设备控制的系统化整合。通过系统化整合减少人工、降低人力成本和提高生产效率，使生产工艺平稳可控，最终保证产品质量。

以我公司某条锻造生产线为例，整条自动化生产线主要包含备料、自动上料、加热炉加热、自动分选出料、压力机自动锻造、自动送料装置（机械手和传送带配合）、自动润滑系统、余热正火等关键节点。根据多年的自动化改造经验，将制约现有自动化线生产效率的因素总结，与大家分享。

精密下料

精密下料部分主要实现根据坯料的材质选择下料方式，应确保坯料的重量和端面的质量符合工艺要求，尤其坯料端面不能有毛刺和锯屑且倾斜度不能超过1.5°，避免端面斜度大而产生折叠等缺陷，同时为自动上料和后续锻件充满良好做好准备，避免上料过程出现卡料等故障。精密下料是自动化平稳运行的第一步，是产品一致性达标的基础，极大影响着自动线生产效率。精密下料系统如图1所示。

自动上料和加热系统

翻料机系统

精密下料后的坯料，通过传送带或者叉车，放入中频感应加热炉的料箱翻斗内，翻料机（图2）根据阶梯上料的料斗缺料信号进行翻转将料送至阶梯式自动上料机。采取阶梯上料方式；为确保能有效上料，上料过程最好配备打料系统或者料斗振动系统，确保站立的坯料自动剔除或倒下；在料斗内坯料不够时能自动报警提示操作工进行上料。

加热炉前输送系统

在传送带上坯料通过变频夹料系统、气缸推料、滚轮三种方式进入加热炉，如图3所示。送料系统配备失速卡料报警装置，来监测坯料的运行状态，坯料正常运行时，监测机构发出稳定的脉冲信号，坯料传输过程中由于卡料或者传输不畅等因素导致坯料未能按设定的速度传输时，脉冲信号异常，与PLC连接的控制系统马上报警并切断中频电源，系统报警或者停机，以确保坯料不会熔化在炉膛里，避免损坏打结炉衬。

稳定的负反馈加热炉加热

自动上料机夹辊轮或者气缸将坯料送入加热炉，棒料以连续均匀的速度通过加热感应线圈加热至设定温度。为确保生产的稳定性，整条加热炉必须实现负反馈加热，在出炉口安装红外测温仪光电检测探头，进行实时温度采集。当温度超过或者低于设定温度时，PLC自动调节补偿电压，确保坯料温度的平稳性。如果没有负反馈系统，加热炉很容易受到电网电压波动和附近设备启停的影响，导致料温不断波动，不能在要求的温度内锻造，造成过热或者欠温。

进、出炉分选系统

进入炉膛前对坯料重量进行分选，确保进入加热炉的坯料满足工艺要求。炉膛出口设置测温系统，但最好能实现炉内测温，避免炉口测温因坯料氧化导致误差较大。坯料通过快速出料系统，经过测温系统传输信号给PLC，温度显示到触摸屏上，比对后控制三路分选机构（图4）。加热过的工件唯有经过PLC判断后，才能被过热、欠温、合格三路分选装置分选流转送至下步工序，高温料和低温料分别滑入各自的滑道，符合温度要求的坯料进入锻造工序。

压机自动锻造

⑴目前高能螺旋压力机在国内使用的比较多，大多通过工业机器人实现制坯、预锻、终锻成形；系统集成了压力机、中频加热炉、工业机器人及自动喷墨等设备(图5)，该套系统必须具备完善的状态信息查看及故障报警、显示功能，能够快速判断故障并迅速解决。

⑵生产中，首先要保证坯料从加热炉出来以符合要求的横放或者竖放的状态输送到指定位置，该处位置不能随意波动，定位工装需要考虑高温环境，防止受热变形影响定位，必须保证精准定位，便于输送装置的夹爪夹持。

⑶自动输送装置（机械手）或者机器人负责将棒料从指定位置装入模腔，我们以目前大多数厂家给高能压机配套的多工位模腔为例，第一工步型腔锻造完后，锻造机械手负责将锻件从第一个型腔挪动到第二个型腔和锻造完后取出放到传送带上，锻件自动传送到压床工位指定位置。无论机械手还是机器人，相似件可以通用一种卡爪（卡爪通常还会有定位元件，用来确定工件在卡爪中的正确位置），差异大的件必须重做卡爪，每次更换品种的时候更换卡爪，将工件分类，尽量减少卡爪的投制量，同时设计的时候要考虑卡爪抓卡的部位，形状简单的水平飞边可以考虑飞边上下两侧，工件上有大面积裸露的可以考虑抓该部位，总之设计的准则就是考虑抓取位置的稳定性。

⑷高能压机必须保证锻件可以顶出型腔，顶出必须具有保持功能，而且要求顶出的工件必须平稳，每次的顶出状态一致，这样才可以确保机械手每次抓卡的位置一致，精准传输。锻件顶出的位置和高低需要技术人员根据具体情况设计，以保证顶出的锻件是平稳有利于抓取的，否则机械手会因为抓取时受力不稳而报警或者碰坏卡爪，造成生产延误。

⑸整个锻造过程是一个软系统，每个步骤保证按PLC系统的设置进行，对机器人运行轨迹进行编程，机器人的自动启动、再启动和手动操作时，必须确认必要的操作条件，确保设备不损坏，避免发生人员伤亡事故。

自动润滑

脱模剂自动喷涂系统（图6），能够根据锻件形状移动喷嘴喷洒脱模剂及吹气，在操控面板通过最合适润滑和吹气时间调整的组合，来实现最优化的喷涂。自动喷涂系统和机器人与压机实现互锁，任何一个工作的时候其他都不可以动作，机器人通过PLC集成，每次锻造完成后，卡爪拿走锻件，给自动喷雾装置信号，装置运动到模具型腔进行润滑和冷却，回位后给机器人信号，放料，开始新一轮的锻造。在整个自动润滑的过程中，最关键的是脱模剂的选择和润滑喷洒的效果（图7）。

切边冲孔工序

锻造完成后，锻件通过传输带传输到压床附近，并且实现自动定位，方便三轴摆臂手抓取，根据每个产品外形参数，选择卡具，设置机械手运行路线，先手动操作，与压床联机，使双方达到互锁，等一切调试好后，可以使用自动模式，通过机械手进行抓取放置到冲孔切边凹模上，切边压床进行切边冲孔，完成后锻件掉到床下面，传输带直接将锻件传到产品料箱，机械手取走飞边放置飞边箱内，完成一个操作循环。

生产线自动控制系统

⑴控制系统采用PLC系统控制机器人、压机等协调动作，采用触摸屏操作界面，进行各项参数设定。主要参数包括：运行程序设置、运行速度、行程、控制权限等。

⑵自动警示。整条生产线设备需要采用多处光电传感技术，提醒操作人员及保障操作安全。自动警示包括：送料缺料警示、机器人漏取料警示、机器人异常安全停机警示和压床异常安全停机警示等。

⑶设备运行模式。运行模式采用自动模式和手动模式两种，手工模式在调试时使用，自动模式在整条线都具备实现工况的条件下开始使用。所有人员必须遵守安全规则，划定机器人或者机械手运行的范围，在不确定安全状态下严禁进入，等设备调试顺畅后，所有机械手运行轨迹都要封闭。

⑷停止模式。1)切断电源停止：通过关闭操作屏上电源按钮或切断设备电源。2)紧急停止：在发生事故时使用紧急停止按钮，紧急停止按钮必须装在机械手附近，方便操作工以最快的时间停止设备，按下紧急停止按钮后使机械手的所有动作立即停止。

模具设计思路

自动化模具设计必须考虑模具寿命，快速锻造模具温升过快，模具排水排气，锻件抓取等问题。锻造工艺的设计，首先从锻造图出发，想象几种可能的锻造变形工序。对各变形工序的材料流动以及所需吨位进行计算分析后，设计模具、制模、试模、修模，最后应用于生产。尽管锻件的形状千姿百态，但通过总结也不难发现所有的形状都是由一些规则的变形样式组合得到的，这些变形样式可归类为端面矫正（对于剪床下料）正挤压、反挤压、镦粗、闭式锻造、穿孔、各种精整加工以及上述简单加工方法的组合。

⑴分体模具设计。

模具在加强热处理和模具材料提升的前提下，在工艺设计方面相应改进，将容易磨损的部分、圆角要求较小导致残余应力大的模具部分做成小法兰结构直接替换，避免做整个模具镶块，这样就大大减少了模具费用方面的损失。为保证镶块的稳定性，冲头和镶块采用过盈配合，并且冲头和内孔采用数控机床加工，最大程度增加模具精密性。

⑵模具设计后的CAE模拟分析。

锻造工艺数值模拟技术是一种较为先进的成形工艺分析与优化技术，能使工艺设计人员提早发现设计缺陷，提高设计可靠性和准确性。目前使用Creo4.0进行了锻件及模具的3D建模，然后利用DEFORM-3D v10.1进行工艺的数值模拟，确保投入试制之前工艺方案的可靠性，使成形工艺参数趋于最优。图8是我们设计的一种深型腔法兰件产品，通过模拟，找到了最佳的模具设计方案。

快速换模系统和快速换产系统

生产线配有快速换模系统，由换模小车、导轨和换模支撑台组成，压力机配有两套模座，一套在压力机上进行锻造，另一套可进行组装备用，通过这种更换方式，我们将大量的内部换模作业转化为外部作业，从而缩短设备停机时间，提高设备生产效率，如图9所示。

自动线上更换模具或者换产是辅助时间最长的，我们称之为内部作业时间。在生产过程中，我们努力将内部作业时间转化为外部作业时间。在我们初步投产时，换产调试一个产品的时间是6.5小时，经过我们进行快速换产SMED（图10）项目后，换产时间下降到2.6小时，大大提高了设备的OEE。我们主要优化了换产步骤和人员配置的标准化作业和流程，模具安装的标准化作业，内外部作业区分转化表等多项工作，将换产时间和更换模具时间大幅压缩。图11是换产过程中最大时间问题点分析和对策，逐一将最大时间进行减少，来降低换产时间。

人才梯队是自动化实现的保障

自动化降低了人的体力劳动，但是对人员的综合技能要求更高，为了让自动化线生产率提高，必须消除人为因素对生产效率和产品质量的影响，提高设备稳定性和一致性，更需要一支高素质的自动化设备保养维护团队，这个团队才是自动化线提高生产效率的核心保障。人才的投资培养，甚至更重于设备的投入。一个自动化高效率的生产，需要工艺技术人员、设备维护人员和熟练的操作技工互相配合。我公司采取自我培养和外部进修的方式，自我培养从员工进入公司之时就制定明确的培养计划，打造机电一体的培养体系；对外进行技能提高培训，加强与外部的学习和交流。

总结

工业自动化的应用越来越广泛，传统的锻造行业是高危、高污、高温行业，实现自动化生产迫在眉睫，自动化装备代替人工，合理配置生产线，使其发挥最大效益，提高产品质量，提高企业生产能力，最终推动公司由“制造”向“智造”转型。