自動化和智能化近年來逐漸成為制造業(yè)主流，很多公司根據(jù)自身情況，對現(xiàn)有設(shè)備進行改造，或者全套引進自動化設(shè)備。無論是改造還是引進，都是鍛造自動化萬里長征的第一步，無論單工位或者多工位鍛造，整條生產(chǎn)線或者局部自動化都是一個龐大的工程，需要對所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行信號收集及聯(lián)鎖監(jiān)控，實現(xiàn)對工件傳輸與設(shè)備控制的系統(tǒng)化整合。通過系統(tǒng)化整合減少人工、降低人力成本和提高生產(chǎn)效率，使生產(chǎn)工藝平穩(wěn)可控，最終保證產(chǎn)品質(zhì)量。以我公司某條鍛造生產(chǎn)線為例，整條自動化生產(chǎn)線主要包含備料、自動上料、加熱爐加熱、自動分選出料、壓力機自動鍛造、自動送料裝置（機械手和傳送帶配合）、自動潤滑系統(tǒng)、余熱正火等關(guān)鍵節(jié)點。根據(jù)多年的自動化改造經(jīng)驗，將制約現(xiàn)有自動化線生產(chǎn)效率的因素總結(jié)，與大家分享。
精密下料
精密下料部分主要實現(xiàn)根據(jù)坯料的材質(zhì)選擇下料方式，應確保坯料的重量和端面的質(zhì)量符合工藝要求，尤其坯料端面不能有毛刺和鋸屑且傾斜度不能超過1.5°，避免端面斜度大而產(chǎn)生折疊等缺陷，同時為自動上料和后續(xù)鍛件充滿良好做好準備，避免上料過程出現(xiàn)卡料等故障。精密下料是自動化平穩(wěn)運行的第一步，是產(chǎn)品一致性達標的基礎(chǔ)，極大影響著自動線生產(chǎn)效率。精密下料系統(tǒng)如圖1所示。
自動上料和加熱系統(tǒng)
翻料機系統(tǒng)
精密下料后的坯料，通過傳送帶或者叉車，放入中頻感應加熱爐的料箱翻斗內(nèi)，翻料機（圖2）根據(jù)階梯上料的料斗缺料信號進行翻轉(zhuǎn)將料送至階梯式自動上料機。采取階梯上料方式；為確保能有效上料，上料過程最好配備打料系統(tǒng)或者料斗振動系統(tǒng)，確保站立的坯料自動剔除或倒下；在料斗內(nèi)坯料不夠時能自動報警提示操作工進行上料。加熱爐前輸送系統(tǒng)
在傳送帶上坯料通過變頻夾料系統(tǒng)、氣缸推料、滾輪三種方式進入加熱爐，如圖3所示。送料系統(tǒng)配備失速卡料報警裝置，來監(jiān)測坯料的運行狀態(tài)，坯料正常運行時，監(jiān)測機構(gòu)發(fā)出穩(wěn)定的脈沖信號，坯料傳輸過程中由于卡料或者傳輸不暢等因素導致坯料未能按設(shè)定的速度傳輸時，脈沖信號異常，與PLC連接的控制系統(tǒng)馬上報警并切斷中頻電源，系統(tǒng)報警或者停機，以確保坯料不會熔化在爐膛里，避免損壞打結(jié)爐襯。
穩(wěn)定的負反饋加熱爐加熱
自動上料機夾輥輪或者氣缸將坯料送入加熱爐，棒料以連續(xù)均勻的速度通過加熱感應線圈加熱至設(shè)定溫度。為確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性，整條加熱爐必須實現(xiàn)負反饋加熱，在出爐口安裝紅外測溫儀光電檢測探頭，進行實時溫度采集。當溫度超過或者低于設(shè)定溫度時，PLC自動調(diào)節(jié)補償電壓，確保坯料溫度的平穩(wěn)性。如果沒有負反饋系統(tǒng)，加熱爐很容易受到電網(wǎng)電壓波動和附近設(shè)備啟停的影響，導致料溫不斷波動，不能在要求的溫度內(nèi)鍛造，造成過熱或者欠溫。進、出爐分選系統(tǒng)
進入爐膛前對坯料重量進行分選，確保進入加熱爐的坯料滿足工藝要求。爐膛出口設(shè)置測溫系統(tǒng)，但最好能實現(xiàn)爐內(nèi)測溫，避免爐口測溫因坯料氧化導致誤差較大。坯料通過快速出料系統(tǒng)，經(jīng)過測溫系統(tǒng)傳輸信號給PLC，溫度顯示到觸摸屏上，比對后控制三路分選機構(gòu)（圖4）。加熱過的工件唯有經(jīng)過PLC判斷后，才能被過熱、欠溫、合格三路分選裝置分選流轉(zhuǎn)送至下步工序，高溫料和低溫料分別滑入各自的滑道，符合溫度要求的坯料進入鍛造工序。
壓機自動鍛造
⑴目前高能螺旋壓力機在國內(nèi)使用的比較多，大多通過工業(yè)機器人實現(xiàn)制坯、預鍛、終鍛成形；系統(tǒng)集成了壓力機、中頻加熱爐、工業(yè)機器人及自動噴墨等設(shè)備(圖5)，該套系統(tǒng)必須具備完善的狀態(tài)信息查看及故障報警、顯示功能，能夠快速判斷故障并迅速解決。⑵生產(chǎn)中，首先要保證坯料從加熱爐出來以符合要求的橫放或者豎放的狀態(tài)輸送到指定位置，該處位置不能隨意波動，定位工裝需要考慮高溫環(huán)境，防止受熱變形影響定位，必須保證精準定位，便于輸送裝置的夾爪夾持。
⑶自動輸送裝置（機械手）或者機器人負責將棒料從指定位置裝入模腔，我們以目前大多數(shù)廠家給高能壓機配套的多工位模腔為例，第一工步型腔鍛造完后，鍛造機械手負責將鍛件從第一個型腔挪動到第二個型腔和鍛造完后取出放到傳送帶上，鍛件自動傳送到壓床工位指定位置。無論機械手還是機器人，相似件可以通用一種卡爪（卡爪通常還會有定位元件，用來確定工件在卡爪中的正確位置），差異大的件必須重做卡爪，每次更換品種的時候更換卡爪，將工件分類，盡量減少卡爪的投制量，同時設(shè)計的時候要考慮卡爪抓卡的部位，形狀簡單的水平飛邊可以考慮飛邊上下兩側(cè)，工件上有大面積裸露的可以考慮抓該部位，總之設(shè)計的準則就是考慮抓取位置的穩(wěn)定性。⑷高能壓機必須保證鍛件可以頂出型腔，頂出必須具有保持功能，而且要求頂出的工件必須平穩(wěn)，每次的頂出狀態(tài)一致，這樣才可以確保機械手每次抓卡的位置一致，精準傳輸。鍛件頂出的位置和高低需要技術(shù)人員根據(jù)具體情況設(shè)計，以保證頂出的鍛件是平穩(wěn)有利于抓取的，否則機械手會因為抓取時受力不穩(wěn)而報警或者碰壞卡爪，造成生產(chǎn)延誤。⑸整個鍛造過程是一個軟系統(tǒng)，每個步驟保證按PLC系統(tǒng)的設(shè)置進行，對機器人運行軌跡進行編程，機器人的自動啟動、再啟動和手動操作時，必須確認必要的操作條件，確保設(shè)備不損壞，避免發(fā)生人員傷亡事故。
自動潤滑
脫模劑自動噴涂系統(tǒng)（圖6），能夠根據(jù)鍛件形狀移動噴嘴噴灑脫模劑及吹氣，在操控面板通過最合適潤滑和吹氣時間調(diào)整的組合，來實現(xiàn)最優(yōu)化的噴涂。自動噴涂系統(tǒng)和機器人與壓機實現(xiàn)互鎖，任何一個工作的時候其他都不可以動作，機器人通過PLC集成，每次鍛造完成后，卡爪拿走鍛件，給自動噴霧裝置信號，裝置運動到模具型腔進行潤滑和冷卻，回位后給機器人信號，放料，開始新一輪的鍛造。在整個自動潤滑的過程中，最關(guān)鍵的是脫模劑的選擇和潤滑噴灑的效果（圖7）。
切邊沖孔工序
鍛造完成后，鍛件通過傳輸帶傳輸?shù)綁捍哺浇�，并且實現(xiàn)自動定位，方便三軸擺臂手抓取，根據(jù)每個產(chǎn)品外形參數(shù)，選擇卡具，設(shè)置機械手運行路線，先手動操作，與壓床聯(lián)機，使雙方達到互鎖，等一切調(diào)試好后，可以使用自動模式，通過機械手進行抓取放置到?jīng)_孔切邊凹模上，切邊壓床進行切邊沖孔，完成后鍛件掉到床下面，傳輸帶直接將鍛件傳到產(chǎn)品料箱，機械手取走飛邊放置飛邊箱內(nèi)，完成一個操作循環(huán)。
生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)
⑴控制系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)控制機器人、壓機等協(xié)調(diào)動作，采用觸摸屏操作界面，進行各項參數(shù)設(shè)定。主要參數(shù)包括：運行程序設(shè)置、運行速度、行程、控制權(quán)限等。⑵自動警示。整條生產(chǎn)線設(shè)備需要采用多處光電傳感技術(shù)，提醒操作人員及保障操作安全。自動警示包括：送料缺料警示、機器人漏取料警示、機器人異常安全停機警示和壓床異常安全停機警示等。⑶設(shè)備運行模式。運行模式采用自動模式和手動模式兩種，手工模式在調(diào)試時使用，自動模式在整條線都具備實現(xiàn)工況的條件下開始使用。所有人員必須遵守安全規(guī)則，劃定機器人或者機械手運行的范圍，在不確定安全狀態(tài)下嚴禁進入，等設(shè)備調(diào)試順暢后，所有機械手運行軌跡都要封閉。⑷停止模式。1)切斷電源停止：通過關(guān)閉操作屏上電源按鈕或切斷設(shè)備電源。2)緊急停止：在發(fā)生事故時使用緊急停止按鈕，緊急停止按鈕必須裝在機械手附近，方便操作工以最快的時間停止設(shè)備，按下緊急停止按鈕后使機械手的所有動作立即停止。
模具設(shè)計思路
自動化模具設(shè)計必須考慮模具壽命，快速鍛造模具溫升過快，模具排水排氣，鍛件抓取等問題。鍛造工藝的設(shè)計，首先從鍛造圖出發(fā)，想象幾種可能的鍛造變形工序。對各變形工序的材料流動以及所需噸位進行計算分析后，設(shè)計模具、制模、試模、修模，最后應用于生產(chǎn)。盡管鍛件的形狀千姿百態(tài)，但通過總結(jié)也不難發(fā)現(xiàn)所有的形狀都是由一些規(guī)則的變形樣式組合得到的，這些變形樣式可歸類為端面矯正（對于剪床下料）正擠壓、反擠壓、鐓粗、閉式鍛造、穿孔、各種精整加工以及上述簡單加工方法的組合。模具在加強熱處理和模具材料提升的前提下，在工藝設(shè)計方面相應改進，將容易磨損的部分、圓角要求較小導致殘余應力大的模具部分做成小法蘭結(jié)構(gòu)直接替換，避免做整個模具鑲塊，這樣就大大減少了模具費用方面的損失。為保證鑲塊的穩(wěn)定性，沖頭和鑲塊采用過盈配合，并且沖頭和內(nèi)孔采用數(shù)控機床加工，最大程度增加模具精密性。鍛造工藝數(shù)值模擬技術(shù)是一種較為先進的成形工藝分析與優(yōu)化技術(shù)，能使工藝設(shè)計人員提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，提高設(shè)計可靠性和準確性。目前使用Creo4.0進行了鍛件及模具的3D建模，然后利用DEFORM-3D v10.1進行工藝的數(shù)值模擬，確保投入試制之前工藝方案的可靠性，使成形工藝參數(shù)趨于最優(yōu)。圖8是我們設(shè)計的一種深型腔法蘭件產(chǎn)品，通過模擬，找到了最佳的模具設(shè)計方案。
快速換模系統(tǒng)和快速換產(chǎn)系統(tǒng)
生產(chǎn)線配有快速換模系統(tǒng)，由換模小車、導軌和換模支撐臺組成，壓力機配有兩套模座，一套在壓力機上進行鍛造，另一套可進行組裝備用，通過這種更換方式，我們將大量的內(nèi)部換模作業(yè)轉(zhuǎn)化為外部作業(yè)，從而縮短設(shè)備停機時間，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，如圖9所示。
自動線上更換模具或者換產(chǎn)是輔助時間最長的，我們稱之為內(nèi)部作業(yè)時間。在生產(chǎn)過程中，我們努力將內(nèi)部作業(yè)時間轉(zhuǎn)化為外部作業(yè)時間。在我們初步投產(chǎn)時，換產(chǎn)調(diào)試一個產(chǎn)品的時間是6.5小時，經(jīng)過我們進行快速換產(chǎn)SMED（圖10）項目后，換產(chǎn)時間下降到2.6小時，大大提高了設(shè)備的OEE。我們主要優(yōu)化了換產(chǎn)步驟和人員配置的標準化作業(yè)和流程，模具安裝的標準化作業(yè)，內(nèi)外部作業(yè)區(qū)分轉(zhuǎn)化表等多項工作，將換產(chǎn)時間和更換模具時間大幅壓縮。圖11是換產(chǎn)過程中最大時間問題點分析和對策，逐一將最大時間進行減少，來降低換產(chǎn)時間。
人才梯隊是自動化實現(xiàn)的保障
自動化降低了人的體力勞動，但是對人員的綜合技能要求更高，為了讓自動化線生產(chǎn)率提高，必須消除人為因素對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的影響，提高設(shè)備穩(wěn)定性和一致性，更需要一支高素質(zhì)的自動化設(shè)備保養(yǎng)維護團隊，這個團隊才是自動化線提高生產(chǎn)效率的核心保障。人才的投資培養(yǎng)，甚至更重于設(shè)備的投入。一個自動化高效率的生產(chǎn)，需要工藝技術(shù)人員、設(shè)備維護人員和熟練的操作技工互相配合。我公司采取自我培養(yǎng)和外部進修的方式，自我培養(yǎng)從員工進入公司之時就制定明確的培養(yǎng)計劃，打造機電一體的培養(yǎng)體系；對外進行技能提高培訓，加強與外部的學習和交流。
總結(jié)
工業(yè)自動化的應用越來越廣泛，傳統(tǒng)的鍛造行業(yè)是高危、高污、高溫行業(yè)，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)迫在眉睫，自動化裝備代替人工，合理配置生產(chǎn)線，使其發(fā)揮最大效益，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)生產(chǎn)能力，最終推動公司由“制造”向“智造”轉(zhuǎn)型。
