高速冲压生产线设计概述
2019/02/26 20:27:17
科学技术的快速发展使生产效率得到了极大地提高，体现在冲压生产线上则是设备自动化的不断提升，将生产效率本就很高的冲压生产推向了一个新高度，并可以在提升产品质量的同时，降低批量生产条件下的单件生产成本。当前汽车生产厂的冲压车间，大多数都采用的是高速自动化冲压线。这些生产线在自动化程度上有较大的差异，节拍也因此有所不同，还有较大的提升空间。德国一家高档汽车制造商正式采用的运用伺服直驱技术的冲压线最大生产节拍已达23 次/ 分。
设备概述
冲压生产线可实现汽车覆盖件及其他大型成形件的冲压生产，整车厂的冲压线如图1 所示，由线首系统（A）、大型压力机(B)、搬运设备(C)、线尾系统(D)组成。从板料输入到成形零件下线，相较于效率极低的传统人工生产线，自动化设备的应用可起到很高的降本增效作用。
图1 冲压生产线布局图
线首系统
线首上料单元将板料拆垛并输送至第一台搬运设备的抓料位置，其完整组成为：2 台上料金属板车（带可调磁力分张器）、料高检测器（可以置于板车上或拆垛手横梁）、末料检测器、拆垛手（为机械手或机器人）、伺服送料装置（一般为磁性传送带）、双料检测装置、扫描器、板料清洗机、板料涂油机、对中台及其伺服控制系统。现就其中扫描器及其相关的技术进行论述。
冲压生产线能够正常且快速运转，生产出高质量的零件，板料的快速、精准对中是必不可少的。光学对中台利用扫描器，运用图像扫描技术可以提高设备的抓料精度，降低故障率。在运用不同搬运设备时，扫描器的运用有所不同。图2 所示为一种布置模式，其中A 为扫描器，B 为对中台。
图2 对中台与扫描器
在使用机械臂抓取零件的冲压线中，由于冲压件总是在传送皮带上表面的固定高度平面上，故该技术的应用实际是一个二维平面上的零件位置偏移定量分析。通过在横梁上垂直安装扫描器可以记录经过板料的影像，后将影像传输至扫描器控制器，通过对标准位置与实际位置的对比，来输出相应的信号到对中台驱动装置，后者控制伺服电机做出相应的动作，来保证后续搬运装置所抓板料位置的精确。如果工艺对板料的表面清洁程度有要求，还可以通过分析板料的图像来直接判断是否有过量油污等情况。
当以横杆机器人作为压力机间的搬运设备时，由机器人本身所具备的六轴，再辅以大梁纵向送料轴与端拾器的载体轴，可以使搬运设备具有极高的自由度，从而可以根据板料的偏移量调整自身抓料姿态。扫描器控制器所计算出板料示教位置与实际位置的偏差矢量，再经过现场总线传输至机器人控制系统，实现机器人的精准抓料。
压力机
冲压生产线中压力机是对成形零件质量影响最大的设备，通过对每个零件设置合理的参数，可以冲压出符合设计要求的各种汽车覆盖件。压力机按工作原理可分为机械式压力机与液压机，液压机即利用帕斯卡原理，运用液体压强来传递动力的机器，而机械式压力机是通过机械结构（如曲柄连杆），将电机的旋转运动转换为滑块的竖直运动。
液压机
相对于机械压力机，液压机有着工作压力大、工作行程可调范围大、可在行程任意位置输出最大压力、速度无级调节等优点，但在工作频率方面则有较大的不足。在整车厂生产的冲压产线中，由于对生产节拍的要求，液压机不适用。
伺服压机
机械压力机又可以细分为伺服压力机（也称数控压力机）与一般的机械式压力机。传统的机械式压力机，通过变频器控制交流电机转速，用飞轮储存能量、离合器控制动力传递，其压力曲线一般为正弦曲线，即公称吨位总是在下死点之前达到，且行程是固定不可调的。
伺服压力机运用了伺服技术与传统机械技术，通过复杂的电气化控制系统控制滑块的运动，伺服压力机可以任意编程滑块行程中某个位置的速度、压力等，在低速运转时也可达到压力机的公称吨位。国内外的一些压力机制造厂商已在这个领域有所成果，推出了商品化的产品，并称之为“第三代压力机”，伺服压力机无疑是成形装备发展的一大方向。它的优点如表1 所示。
表1 伺服压力机的优点
热冲压技术
汽车轻量化是汽车的发展方向之一，汽车轻量化即在可能的范围内尽量降低汽车的整车重量，减少燃料消耗，降低排放污染，同时提高汽车的动力性，但又保证不降低汽车的强度和安全性能。在冲压成形方面，选用超高强度钢是实现汽车轻量化的重要途径。
常温时，超高强度钢塑性低、成形难度大，受冷冲压的局限性，冲压裂纹、几何精度、起皱及回弹等问题难以解决，冷冲压的生产工艺很难满足其成形的精度要求。为此，热冲压技术应运而生，该技术是将板料加热至奥氏体化温度以上，然后进行冲压成形，同时在压力机内以大于27℃ /s 的冷却速度进行淬火，得到马氏体，使 冲压出的零件在机械性能与尺寸精度上达到要求。不同加热方式的优缺点如下：
⑴辐射加热，热利用率低，占地广，成本高。
⑵传导加热（电阻效应），加热均匀性差，对板料要求高。
⑶感应加热（电磁感应），热利用率高，速度快，空间小。
由于技术原因，目前冲压生产线的加热设备基本还是采用辐射加热的加热炉，国内已有近百家企业拥有热冲压生产线，可生产TS1500 级的汽车覆盖件。在超高强度钢的应用前景愈加广阔的背景下，热冲压设备与技术也是一大发展方向。
搬运设备
搬运设备一般至少具备四个运动轴，通过预先示教板料位置，利用各零件专用的端拾器，实现板料在冲压生产线上的搬运，其主要分机械手和机器人两种。
机械手
图3 所示为一种四轴冲压搬运机械手，自动化控制软件识别上台压力机滑块位置，确认该位置机械手抓料无干涉，之后输出信号控制机械手运动到该零件的示教抓料位置，端拾器上的真空发生器通过吸吹气动作来实现板料的抓取与放下，从而实现压力机间工件的自动搬运。机械手生产线也有单臂线与双臂线之分，与单臂线相比，双臂线的效率更高，误差更小，目前不少主机厂已投入使用，预计在将来会得到更加广泛的运用。
图3 四轴机械手
机器人
当采用机器人作为冲压件的搬运设备时，相对机械手，机器人的自由度更多，其结构更加复杂，成本上也有较大差异。横杆机器人就是一个典型的产品，该机器人结合横杆技术与机器人技术，使运动轴达到8 个，且生产效率更高。在一些特殊场合，如人工生产的改造线或受现场其他问题的局限，布置机器人就有其独特优势，某汽车厂生产线的落料压力机即使用了FANUC 的机器人作为上下料的搬运设备。
线尾系统
线尾系统（也称线尾码垛系统）将末位机械手搬运的板料输送到指定位置，而后进行装框入库。传统的线尾系统大多采用皮带机运输零件（与线首传送带相似），而后人工装框，再由叉车将料框入库。因自动化冲压线的节拍基本可达10 件/ 分钟，单个码垛工位一般无法满足要求，故大多数生产线会对生产成品进行分流，再由人工或设备检查零件质量后将板料装入料框。
线尾工位是目前冲压生产线主要用人的工位之一，且工作强度大，不利于人机工程，而叉车的频繁转运料框作业也有一定的碰撞风险。现介绍一种成熟的自动牵引设备——AGV 小车，其自动化程度高、体积小、易控制，小车配有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，行进路线可由计算机或电磁轨道控制。在线尾系统合理地布置AGV 小车，可以提高自动化率，降低人机干涉的风险。
结束语
冲压生产线的自动化程度已有了长足的提高，但随着市场需求的提升以及新技术的不断应用，冲压的设备也在不停地更新换代。了解市场上各种冲压自动化设备，理解其工作原理，可以有效地提升设备工程师的技术能力，在质量改进、产能提升、安全、节能、降低成本等方面，不断优化冲压设备性能。