高速衝壓生產線設計概述

2019年02月26日 自動化生產線 239 views

學技術的快速發展使生產效率得到了極大地提高,體現在衝壓生產線上則是設備自動化的不斷提升,將生產效率本就很高的衝壓生產推向了一個新高度,並可以在提升產品質量的同時,降低批量生產條件下的單件生產成本。當前汽車生產廠的衝壓車間,大多數都采用的是高速自動化衝壓線。這些生產線在自動化程度上有較大的差異,節拍也因此有所不同,還有較大的提升空間。德國一家高檔汽車製造商正式采用的運用伺服直驅技術的衝壓線最大生產節拍已達23次/分。

設備概述

圖1 衝壓生產線布局圖

衝壓生產線可實現汽車覆蓋件及其他大型成形件的衝壓生產,整車廠的衝壓線如圖1所示,由線首係統(A)、大型壓力機(B)、搬運設備(C)、線尾係統(D)組成。從板料輸入到成形零件下線,相較於效率極低的傳統人工生產線,自動化設備的應用可起到很高的降本增效作用。

線首係統

線首上料單元將板料拆垛並輸送至第一台搬運設備的抓料位置,其完整組成為:2台上料金屬板車(帶可調磁力分張器)、料高檢測器(可以置於板車上或拆垛手橫梁)、末料檢測器、拆垛手(為機械手或機器人)、伺服送料裝置(一般為磁性傳送帶)、雙料檢測裝置、掃描器、板料清洗機、板料塗油機、對中台及其伺服控製係統。現就其中掃描器及其相關的技術進行論述。

衝壓生產線能夠正常且快速運轉,生產出高質量的零件,板料的快速、精準對中是必不可少的。光學對中台利用掃描器,運用圖像掃描技術可以提高設備的抓料精度,降低故障率。在運用不同搬運設備時,掃描器的運用有所不同。圖2所示為一種布置模式,其中A為掃描器,B為對中台。

圖2 對中台與掃描器

在使用機械臂抓取零件的衝壓線中,由於衝壓件總是在傳送皮帶上表麵的固定高度平麵上,故該技術的應用實際是一個二維平麵上的零件位置偏移定量分析。通過在橫梁上垂直安裝掃描器可以記錄經過板料的影像,後將影像傳輸至掃描器控製器,通過對標準位置與實際位置的對比,來輸出相應的信號到對中台驅動裝置,後者控製伺服電機做出相應的動作,來保證後續搬運裝置所抓板料位置的精確。如果工藝對板料的表麵清潔程度有要求,還可以通過分析板料的圖像來直接判斷是否有過量油汙等情況。

當以橫杆機器人作為壓力機間的搬運設備時,由機器人本身所具備的六軸,再輔以大梁縱向送料軸與端拾器的載體軸,可以使搬運設備具有極高的自由度,從而可以根據板料的偏移量調整自身抓料姿態。掃描器控製器所計算出板料示教位置與實際位置的偏差矢量,再經過現場總線傳輸至機器人控製係統,實現機器人的精準抓料。

壓力機

衝壓生產線中壓力機是對成形零件質量影響最大的設備,通過對每個零件設置合理的參數,可以衝壓出符合設計要求的各種汽車覆蓋件。壓力機按工作原理可分為機械式壓力機與液壓機,液壓機即利用帕斯卡原理,運用液體壓強來傳遞動力的機器,而機械式壓力機是通過機械結構(如曲柄連杆),將電機的旋轉運動轉換為滑塊的豎直運動。

液壓機

相對於機械壓力機,液壓機有著工作壓力大、工作行程可調範圍大、可在行程任意位置輸出最大壓力、速度無級調節等優點,但在工作頻率方麵則有較大的不足。在整車廠生產的衝壓產線中,由於對生產節拍的要求,液壓機不適用。

伺服壓機

機械壓力機又可以細分為伺服壓力機(也稱數控壓力機)與一般的機械式壓力機。傳統的機械式壓力機,通過變頻器控製交流電機轉速,用飛輪儲存能量、離合器控製動力傳遞,其壓力曲線一般為正弦曲線,即公稱噸位總是在下死點之前達到,且行程是固定不可調的。

伺服壓力機運用了伺服技術與傳統機械技術,通過複雜的電氣化控製係統控製滑塊的運動,伺服壓力機可以任意編程滑塊行程中某個位置的速度、壓力等,在低速運轉時也可達到壓力機的公稱噸位。國內外的一些壓力機製造廠商已在這個領域有所成果,推出了商品化的產品,並稱之為“第三代壓力機”,伺服壓力機無疑是成形裝備發展的一大方向。它的優點如表1所示。

表1 伺服壓力機的優點

熱衝壓技術

汽車輕量化是汽車的發展方向之一,汽車輕量化即在可能的範圍內盡量降低汽車的整車重量,減少燃料消耗,降低排放汙染,同時提高汽車的動力性,但又保證不降低汽車的強度和安全性能。在衝壓成形方麵,選用超高強度鋼是實現汽車輕量化的重要途徑。

常溫時,超高強度鋼塑性低、成形難度大,受冷衝壓的局限性,衝壓裂紋、幾何精度、起皺及回彈等問題難以解決,冷衝壓的生產工藝很難滿足其成形的精度要求。為此,熱衝壓技術應運而生,該技術是將板料加熱至奧氏體化溫度以上,然後進行衝壓成形,同時在壓力機內以大於27℃/s的冷卻速度進行淬火,得到馬氏體,使衝壓出的零件在機械性能與尺寸精度上達到要求。不同加熱方式的優缺點如下:

⑴輻射加熱,熱利用率低,占地廣,成本高。

⑵傳導加熱(電阻效應),加熱均勻性差,對板料要求高。

⑶感應加熱(電磁感應),熱利用率高,速度快,空間小。

由於技術原因,目前衝壓生產線的加熱設備基本還是采用輻射加熱的加熱爐,國內已有近百家企業擁有熱衝壓生產線,可生產TS1500級的汽車覆蓋件。在超高強度鋼的應用前景愈加廣闊的背景下,熱衝壓設備與技術也是一大發展方向。

搬運設備

搬運設備一般至少具備四個運動軸,通過預先示教板料位置,利用各零件專用的端拾器,實現板料在衝壓生產線上的搬運,其主要分機械手和機器人兩種。

機械手

圖3所示為一種四軸衝壓搬運機械手,自動化控製軟件識別上台壓力機滑塊位置,確認該位置機械手抓料無幹涉,之後輸出信號控製機械手運動到該零件的示教抓料位置,端拾器上的真空發生器通過吸吹氣動作來實現板料的抓取與放下,從而實現壓力機間工件的自動搬運。機械手生產線也有單臂線與雙臂線之分,與單臂線相比,雙臂線的效率更高,誤差更小,目前不少主機廠已投入使用,預計在將來會得到更加廣泛的運用。

圖3 四軸機械手

機器人

當采用機器人作為衝壓件的搬運設備時,相對機械手,機器人的自由度更多,其結構更加複雜,成本上也有較大差異。橫杆機器人就是一個典型的產品,該機器人結合橫杆技術與機器人技術,使運動軸達到8個,且生產效率更高。在一些特殊場合,如人工生產的改造線或受現場其他問題的局限,布置機器人就有其獨特優勢,某汽車廠生產線的落料壓力機即使用了FANUC的機器人作為上下料的搬運設備。

線尾係統

線尾係統(也稱線尾碼垛係統)將末位機械手搬運的板料輸送到指定位置,而後進行裝框入庫。傳統的線尾係統大多采用皮帶機運輸零件(與線首傳送帶相似),而後人工裝框,再由叉車將料框入庫。因自動化衝壓線的節拍基本可達10件/分鍾,單個碼垛工位一般無法滿足要求,故大多數生產線會對生產成品進行分流,再由人工或設備檢查零件質量後將板料裝入料框。

線尾工位是目前衝壓生產線主要用人的工位之一,且工作強度大,不利於人機工程,而叉車的頻繁轉運料框作業也有一定的碰撞風險。現介紹一種成熟的自動牽引設備——AGV小車,其自動化程度高、體積小、易控製,小車配有電磁或光學等自動導引裝置,能夠沿規定的導引路徑行駛,行進路線可由計算機或電磁軌道控製。在線尾係統合理地布置AGV小車,可以提高自動化率,降低人機幹涉的風險。

結束語

衝壓生產線的自動化程度已有了長足的提高,但隨著市場需求的提升以及新技術的不斷應用,衝壓的設備也在不停地更新換代。了解市場上各種衝壓自動化設備,理解其工作原理,可以有效地提升設備工程師的技術能力,在質量改進、產能提升、安全、節能、降低成本等方麵,不斷優化衝壓設備性能。

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