文/赵俊丰·东风雷诺汽车有限公司
本文将阐述冲压横杆式高速自动化线的组成及特点，对线首拆垛单元、板料双料检测、板料清洗单元、位置扫描仪及板料对中的结构形式、功能、原理进行了分析，对机械压力机液压垫的使用优点进行了简要的阐述，以及高速线的自动化控制以及安全系统进行了简单的说明。
汽车车身大型覆盖件冲压线是汽车生产过程中的重要设备,其生产质量和效率直接影响到汽车的质量和生产效率。冲压生产自动化是提高劳动生产率和改善劳动条件的有效措施和主要方法。随着我国汽车、电器产品质量的不断提高和生产规模的不断扩大,我国金属冲压行业实现生产自动化势在必行。
冲压工艺中的生产方式有传统的人工生产方式(图1所示)与自动化生产方式(图2与图3所示)。从产品质量的稳定、人员劳动强度、安全生产、生产效率各方面进行比较,自动化生产方式有较大优势,也是冲压生产方式的发展趋势。冲压自动化生产线又分为机械手自动化生产线、机器人自动化生产线和多工位压力机生产线等方式。从冲压线的SPM值进行比较，机器人线一般在7～12SPM，而横杆式高速输送线能达到15SPM。
图1 人工生产线示意图
图2 机械手自动化生产线示意图
图3 横杆式自动化线
整线组成
机械臂横杆式自动化冲压生产线运行循环方式为: 垛料拆垛(机械手拆垛)—板料传输—清洗机—板料扫描及对中—上料机器人送料—首台压机冲压—下料机器人取料、送料—P2压机冲压—根据工序数量循环—下料机械手取料、送料—末端压机冲压—线尾机械手取料、放料—皮带机输送—人工码垛。
功能介绍
东风雷诺XL线包括上料装置、拆垛单元、皮带输送机、清洗机、扫描对中台、压力机兼上下取料机械手、线尾皮带机以及废料输送线组成。上料装置是由板料升降小车和预对中台组成，采用可循环式双垛料台,导轨与压力机平行布置,冲压板料用行车或叉车放置在非工作垛料台上,生产工人在对中台各套零件示教的位置放入激光射线，然后进行预对中。板料上完之后，通过板料小车底部的感应开关对板料进行有效信号检测，确认上料完毕,板料小车自动转换，循环使用，从而保证连续生产;板料小车上料完成之后进入拆垛区，板料升降小车开始举升，然后由六组激光对射开关对板料的升降高度进行控制，当板料升降到合适位置时，在拆垛台上配备的磁力分张器开始动作。检测伺服电机的扭矩和板料的偏移量来控制磁力分张器磁头的前进位置，然后通过磁力将垛料自动拆垛成单张。这时拆垛手通过真空发生器以及端拾器吸盘进行抓料，同时端拾器上的双料检测装置进行检测以保证每次传递为单张板料。接下来拆垛手将板料放置在长度可调的磁性传送带上,传送带将板料送至清洗机内进行清洗挤干,板料是否需要清洗以及表面的余油量都是可以通过程序以及设置清洗机的挤干压力来决定的，另外在进入清洗机之前对板料进行变形翘曲检测，防止损坏清洗机挤干辊。板料清洗完之后，扫描仪对板料进行成像，并且与原先示教好的板料位置进行对比，将信息反馈至控制系统，从而控制对中台对板料的位置进行修正。对中台在X方向的修正范围为±100mm。另外能够保证20°的旋转角度调节范围，保证定位准确快捷。第一台上料机械手根据零件的示教位置,将板料准确地搬运到压力机内。对不同的冲压制件每台机械手首先需要进行模拟示教,离线编程,对模具参数进行保存，从而适应多种制件的共线生产。四台压机采用同步控制，调整前后压机位置角度偏差以及使机械手跟踪压机的运动,从而实现整线的同步连续生产，另外还可以通过Simotion软件, 可以最大化优化上下料与压机运动之间的重合度, 达到平稳切换其速度来缩短生产节拍及减少机械负荷的目的。线尾输送采用皮带机,在生产线的末端放置皮带机,最后一台压力机的机械手直接将零件放置到皮带机上,达到出件效果。在整线的地坑内部安装有废料线，对冲压完成的切边料进行输送实现整线的自动化。
压机系统
整线采用的是JIER生产的四台压力机：P1(2400t)—P2(1000t)—P3(1000t)— P4(1000t)。首台压机主要实现板料的拉延功能，采用6连杆结构能够实现滑块在拉延时降速、回程时提速,从而有效的提高了生产节拍和零件的成形质量，另外拉伸垫采用Bosch Rexroth先进的四轴同步液压垫，其最大拉延力能够达到400t,液压垫的优点在于通过控制高精度的伺服比例阀对液压垫的压力进行准确控制，从而确保零件在成形过程中具有稳定的拉延力,进而保证零件的成形质量。图4所示为压机结构图。图5所示为液压垫结构图。
图4 压机结构图
图5 液压垫结构图
图4中下料机械手、线尾输送系统,各分系统间的电气控制按照集中监控、分散控制的原则。在各控制部分控制系统中,采用设备层和控制层的典型控制模式,每个层次中使用不同网络结构及软硬件配置,以实现各自不同的功能。
控制系统
⑴总体控制方案。
本系统包括线首拆垛单元、清洗机、扫描对中台、上下料机械手、线尾输送系统,各系统间的电气控制按照集中监控、分散控制的原则。在各控制部分控制系统中,采用设备层和控制层的典型控制模式,每个层次中使用不同网络结构及软硬件配置,以实现各自不同的功能。
⑵控制层。
各部分控制系统采用具有现场总线形式的PLC控制方式,该方式具有单独控制及连线自动控制的功能。图6所示为XL高速自动化生产线控制网络图。为保证系统稳定可靠地运行,采用西门子S7-416-2DP的PLC,现场总线采用西门子Profinet总线及工业以太网控制系统。每个控制部分的PLC之间及各PLC与上位机之间的数据交换采用工业以太网方式,供监控系统联网使用。压力机控制系统需配备Ethernet card与自动化输送控制系统接口,控制系统与机器人系统间通过Profinet现场总线形式实现信息交换和联锁对接。
图6 XL高速自动化生产线控制网络图
⑶设备层。
设备层在整个控制系统中处于最底层,是整个控制系统的关键环节,主要包括现场操作站、现场设备检测单元(如接近开关、光电开关)、现场其他输入设备、现场执行机构(如电动机、电磁阀)等,直接或通过现场总线与控制层中的PLC相联系,将输入信号发送给PLC, 并将PLC输出指令发送到现场设备。各种传感器和阀的接线盒通过现场总线(Profinet)和相应控制单元通讯。
图7 XL高速输送线安全网络图
⑷人机界面HMI
本系统HMI采用SIEMENS的MP377触摸屏,在每个控制单元均配置一个触摸屏,采用Profinet总线通讯。单元触摸屏具有指示灯及操作按钮(或旋钮),可显示错误报警及自诊断等信息,与本单元相关的I/O信号在HMI上显示,并以不同颜色区分。一旦有故障节点,系统将持续报警,HMI上将在当前画面显示故障点,以便工作人员查找。
安全系统
安全是自动化生产线的最大特点,本系统采用基于德国PILZ安全PLC的SafetyBus保护系统,并配置了完善的安全装置,实时控制显示安全区域状况,及时发出声光报警信号或停机,与主PLC系统通讯采用Profibus总线。声光报警单元作为整线安全系统的辅助工具,能够在设备启停、设备故障、上下料故障以及安全系统等各安全监控点报警等异常状况发生时，及时通知操作人员处理。整条XL高速线为全封闭结构，任何一扇门打开，整线所有设备都无法运行。而且整个控制系统的所有紧急停止信号以及压机和高速输送设备之间的安全联锁信号都连入安全PLC系统,通过PLC程序进行互锁控制。图7为XL高速输送线安全网络图。
横杆式自动化高速冲压线的应用,既改善了劳动条件,减轻了工人劳动强度,又可确保生产安全,提高劳动生产率和产品质量,还能降低能源及原材料消耗,节省辅助加工时间,降低产品成本。随着生产线的制作、调试周期逐步缩短,横杆式高速自动化生产线越来越为汽车主机厂所接受,成为冲压自动化生产线的主流。
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