基于自动化立体库的智能多边折弯单元

文/资明庚·珠海格力电器股份有限公司

随着我国自主工业装备领域的快速发展，越来越多具备高性能的自动化设备实现了国产化，这为推动我国制造业高质量发展提供了基础性的生产力保障，作为制造业的典型代表，钣金加工行业一直都受益于此。但与世界先进水平相比，我国制造业在自主创新、资源利用率、信息化程度等方面仍存在差距，而市场需求的日益多样化，不仅要求设备有较高的生产力水平，而且要求整个生产系统应具备较高的柔性化与快速切换能力，这就导致自动化设备在生产过程中不得不停机等待切换、高频次的物流转运以及过多的人工干预等低效问题，造成整个工厂生产成本处于较高水平。

为解决钣金加工过程中存在的上述问题，以钣金折弯加工为例，通过开发集成智能立体库与多边折弯中心相结合的钣金全自动折弯生产单元，可以运用现场总线进行通信，集成PLC 控制系统，链接MES 生产过程中信息化管理系统，其加工流程如图1 所示。钣金全自动折弯生产单元是信息化、自动化、智能化技术与多边折弯加工技术交叉融合应用的具体体现，以实现折弯生产全流程自动化、信息化为核心，是计划排程、生产作业、质量检验、仓储物流等各环节优化和整合的一种高效折弯加工制造模式。

图1 加工单元生产流程简图

集成方案设计

智能化方案设计以多边折弯中心为基础，通过WCS 自动化立体库来实现原材料与半成品的自动化对接仓储，立体库信息化接口数据系统实时将原材料坐标、尺寸、材质等基本信息传输到多边折弯中心控制系统；应用离线编程软件对相应订单零件的设计图纸进行折弯机器语言加工程序生成，并由内部网络的专用共享文件传输到MES 系统进行程序管理；使用ERP、PDM 系统进行订单的基础数据管理，MES系统从ERP 获取订单，通过TOC 条件约束等算法进行工序加工分解，自动排程到对应的线体机台，同步从PDM 系统获取相应工序的图文加工信息；折弯加工首个零件后，MES 系统质检管理推送检验需求到辖区质检员，检验合格后继续进行加工直至完成，MES 订单管理上报完工并同步将半成品入库需求下达到智能立体库，由立体库自动对接半成品入库。

整个生产过程中，各设备、光电装置通过现场总线与PLC 进行信号交换，由PLC 控制系统集中处理发出自动化设备的动作指令，各设备之间配合紧密，高效运作，MES 信息化管理系统对订单进行高效合理分解排程，减少生产切换次数，并对订单加工信息进行记录，对图文、程序、质检、设备状态等关键生产信息进行集中管理，多边折弯中心依托自动化立体库实现原材料及半成品的高效周转，形成了高效的钣金智能化折弯加工单元应用方案，主要配置如图2 所示，方案最终实现生产过程的自动化、信息化和智能化相融合，达到降低运营成本，缩短生产周期，减少不合格率的目的。

图2 加工单元主要配置示意图

控制系统与硬件配置

加工单元控制系统交互

智能钣金折弯加工单元由自动化硬件装置与智能化控制系统组成。自动化硬件装置包括原材料自动对接台车、原材料自动上料装置、多边折弯机、零件自动导出装置、光电防护装置5 个功能模块，其中多边折弯机由控制台、中心操作机、自动换模装置、液压电力控制系统和加工平台组合而成。

加工单元各硬件装置通过PLC 进行信号集成控制，控制系统包括MES+WCS+折边控制系统交互模块、光电防护+折边控制系统模块、转运台车控制+立体库智能调度模块、自动上料控制+折边控制系统模块4 个控制模块。各控制模块以折边控制系统为中心，依据设备折边运行需求发出各功能的运行指令，是智能化加工过程实现的基础，而MES+WCS+折边控制系统交互模块则是加工单元实现智能化加工的核心所在。

全自动多边折弯中心

多边折弯机是集成方案的中心设备，其在制造业中的成功应用，极大地提高了我国机床设备加工制造的能力。折弯设备分为单边折弯机和多边柔性折弯机，两者最大的区别在于生产效率不同，多边折弯机能够实现一次形成多边柔性弯曲，加工效率是普通单边折弯加工的3 倍，单边弯曲则需要工人在折弯一边后调整到另一个方向再进行折弯。

多边折弯机包括上料装置、穿梭输送装置，折边主机、操作机和出料装置等。操作机位于折边主机正前方，自动上、下料系统分别位于数控板料折边机的左右两侧。自动上、下料装置和穿梭输送装置与立体库自动对接原材料，代替人工将板材或者工件定位到加工位置，并实现零件的自动输入、输出到工作台；操作机对加工板材进行压紧、折弯送料；折边主机按照程序的机器语言代码完成板材弯曲成形工作。多边折弯机通过高精密的零件加工控制、特殊工艺模具表面处理、折边模具运行轨迹特殊控制等技术手段，保证了高效、高品质的钣金零件加工生产，多边折弯中心如图3 所示。

图3 多边折弯中心

折边过程中通过电伺服驱动系统控制折边梁运动，能够实现折边梁高速响应和快速曲线运动，折边动作快速精准，整机采用全电伺服闭环控制，精准高效，可减少人工干预，智能安全生产，实现钣金加工自动化升级和批量化生产。生产过程中零件有不同的成形特征，需通过多种折弯模具切换来实现，为解决频繁的模具切换问题，多边折弯机采用万能通用折弯模具，能够实现多厚度尺寸零件折边、叠边、台阶等复杂工艺的一次加工成形，涉及的折弯工艺包括正折、反折、无痕折圆弧、压死边、异形加工等，万能模具的应用实现了设备高柔性加工，其折弯方式如图4 所示。自动换模装置由中间避让模、标准段模、离合移动装置、旋转插片装置等部分组成，具有折边避让伸缩和长度自动调整两大功能，以便实现不同尺寸盒类零件的折弯加工。

图4 万能模具折弯方式示意图

由于材料的屈服变形，折弯尺寸也会因此受到影响，为保障折弯尺寸精度，需对零件折弯边进行折弯系数补偿，多边折弯中心采用折弯补偿自适应系统替代人工调整参数，实现柔性自动化折弯，经过编程的折弯中心能够实现金属薄板的自动折弯，控制系统根据检测的金属薄板厚度自动计算折弯补偿值，很好地保证了零件的尺寸精度，又减少了人工调整的工时投入。

原材料自动上料装置

自动上料功能是折边单元与立体库实现原材料自动对接的基础，消除了人工搬运原材料的操作，立体库自动对接上料装置如图5 所示。开启MES 与折边单元联机运行后，MES 在进行订单任务派工到折边单元的同时，也将对应订单所需的标准规格原材料信息同步到智能立体库调度中心，由调度中心按照出库任务顺序，匹配到在库所需原材料托盘的信息并将该信息自动下达到出库任务，此时只需确认机床可正常加工该任务，对应的原材料托盘则送到机床的原材料接料口，由自动上料台车对接取回原材料托盘。

图5 立库自动对接上料装置

上料台车将原材料托盘移送到自动上料位，自动上料时为适用不同板材的上料，对上料吸盘进行分区控制，避免板材的空吸现象。板材分离装置安装在上料机械手上，在取料的同时先将板材的一角掀起，抬起板材并不断抖动将板材分离的一整套动作，仿真人工分离。吸料完成后进行自动测厚，测厚主要是为再次确认原材料与订单需求原材料一致，避免误加工。最后，原材料通过上料吸盘移送到输送滚轮平台，由带夹钳的移动穿梭车将板料运送到折弯操作机的定位处，操作机配合万能模具，按照编程代码进行自动折弯。

自动化立体库的应用

自动化立体库是折边单元持续输出的补给站，更是实现全自动化折弯生产的重要保障，传统的原材料流转方式需要人工搬运、占地存放等流程，采用自动化立体库技术，实现材料的出入库自动化、材料仓储立体化、材料信息化管理、设备交互联动等，整体加工效率提升、人力成本降低、生产过程管理更加准确高效。

立体库主体由货架、操作控制系统、堆垛起重机、出入库工作台组成。通过钢结构搭建设计好的标准尺寸货位空间，货架之间的巷道中巷道堆垛起重机穿行完成存、取货工作。立体库的运行方式有两种，手动操作控制和自动运行控制，手动操作一般在设备检修、异常处理时使用，而自动控制模式则需要WCS 系统来实现，驱动自动化立体库系统使各设备装置运行则需采用现场总线通信与PLC集成的方式来实现，立体库中心监控系统如图6 所示。

图6 立体库中心监控系统界面

自动化立体库与折弯单元采用TCP/IP 的通信方式，自动化立体库负责进行指令的接收和执行。双方的通信信息包括折弯单元的动作指令、请求发送、指令接收和执行命令终端的回应。集成系统控制结构中的通信方式是：主计算机通过在系统结构中心控制室的监控CRT 系统，执行仓库管理事务，如发出存货控制、货物入库及载运指令，同时执行仓库设备和储存货物的管理。

自动化立体库的出入库任务来自于手工下单或MES 系统自动开工、报工时的出入库需求单，开工时钣金原坯料由堆垛机根据指令运送到折边单元原材料接料口，运输完成后WMS 系统自动对库位信息进行更新维护。

折弯加工单元的智能化生产过程

MES 系统计划自动排程

订单自动派工是实现折弯单元智能化加工过程的前提，而MES 系统又是车间生产管理的主要信息化系统，因此，基于特定的逻辑约束，开发MES 系统自动排程模块，通过MES 系统即可实现订单自动排程到折弯单元，基于约束条件的折弯计划排程如图7 所示。考虑到车间整体效率最大化与自动化设备利用率最大化，MES 系统需统筹整个车间的生产计划，订单按照多种排列组合方式进行优化排程，折弯单元的订单排程逻辑之一是基于原材料的料厚进行约束管理，以减少折弯刀具的切换。折弯单元的生产订单信息包括零件材质、数量、尺寸规格与编码、图文信息、程序信息、工艺流信息、加工工时等生产所必需的信息数据。

图7 基于约束条件的折弯计划排程

折弯单元的生产任务采用一备一用，即MES 系统为其同时指派两个订单，前一个订单为在制订单，后一个为预备订单，在制订单完工后，预备订单则自动转为在制订单，同时MES 与WCS 交互模块调度立体库下达原材料出库任务及上个订单原材料入库任务，进行加工前准备，通过订单原材料交叉出入库程序设定，可减少内部切换时间，提高设备稼动率。折弯单元具备自动对接上料装置、自动化换模及万能模具、自动折边功能，加工过程中无需人工干预，因此，其生产订单由MES 系统依据TOC 约束理论设定的产能限制条件，应用优先级顺序逻辑筛选出批量、非首次加工的零件订单，且按照立体库原材料进行任务排序。

折弯单元的生产加工过程

多边折弯加工单元接到MES 系统派发的生产任务后，对应的加工程序也一并通过系统自动导入，操作人员只需核对加工程序的参数、确认生产环境安全、启动该订单的生产即可，此时设备将按照程序NC 代码进行加工。若订单涉及的零件存在特殊工艺，系统将在加工前对零件进行识别，以排程到其他能加工该特征的设备。

MES 系统在收到加工单元启动该订单任务加工信息反馈时，同步派发对应订单的原材料出库任务给立体库WCS 调度系统，立体库穿梭车则将对应原材料托盘运输到加工单元接料台车对接位，此时多边折弯加工单元接到原材料到货信息，系统调度台车进行取料加工，接下来整个加工过程将无需人工干预，加工完自动进行零件输送分区，依次完成订单加工。

系统以单个订单为周期，对整个加工单元状态信息进行记录，直到订单完成，过程中自动进行报工、完工，加工集成信息化看板，方便管理者进行过程管理。

结 束 语

智能化钣金加工单元是一种自动化与信息化相融合的高效生产应用模式，基于自动化立体库的智能多边折弯单元，通过信息化集成控制的方式，充分发挥了自动化设备的加工优势，减少了生产过程中的人员投入与物流断点，实现了生产过程智能化管理，是企业整合资源进一步提升生产力的重要途径。