冲压加工行业正紧跟时代潮流，从过往的单机人员密集型生产模式，迈向自动化的大型冲压线体集成应用。在这一进程中，定制化、多样化、快速交付等需求日益凸显，受到客户市场的广泛关注。同时，制造业企业也在积极采纳快速切换、精益化、自动化、信息化、智能化等先进理念和技术。为了克服传统手工生产方式中冲压线体切换效率低下的难题，本文将详细阐述一种以快速切换为核心的大型冲压线体综合应用策略。该策略融合了前沿的快速换模技术、废料自动处理装置、IFIX 数据搜集系统、工业机器人技术、400吨级的大型伺服冲压设备、光电感应技术以及智能化的集中控制系统。同时，该方案的前端与MES信息化管理系统相连接，后端则与WCS智能化仓储系统对接，共同构建了一个高效的生产应用体系。

客户市场的需求演变是企业未来战略规划的关键参考，伴随着时代的进步和全球文化交流的加深，消费者对制造业产品在个性化、多元化以及功能融合方面的需求持续增强。各类设计软件如雨后春笋般涌现，功能不断更新迭代，这直接导致了前端产品的更新换代速度加快。因此，制造业在生产环节必须随时准备应对订单变动所引发的生产资料调整问题。以冲压加工领域为例，在产品转换阶段，主要需要关注的是设备、模具、工艺以及材料的更替。然而，传统的分散式生产模式往往导致各自为政，信息流通不畅，这不利于管理者作出迅速决策。在生产环节，各种浪费现象屡见不鲜，产品质量难以得到稳定保障，这对企业的发展极为不利。特别是，在产品切换过程中，传统冲压生产线对设备产出的影响最为显著，因此，这应成为我们重点改进的方向。至于影响生产设备运行效率的各种因素，其占比情况可参考图1。

图1 传统线体生产过程影响因素占比

近年来，冲压加工行业对制造执行系统（MES）、快速模具更换技术、废料自动化处理装置、IFIX 数据搜集平台、工业机器人技术、大型伺服式冲压机械、仓库控制系统（WCS）、光电感应技术以及智能化集中控制系统的研究不断推进，因此，在新建的冲压生产线中，各种先进的软硬件集成配置正越来越全面地得到应用。大连理工大学的齐婉莎等研究人员对车间布局和生产排产环节中的精益化设计进行了深入的探讨，这一研究对于现代化大型冲压线体的整合与构建具有极其重要的借鉴价值。

凭借先进技术及快速切换精益生产理念的广泛运用，现代化冲压生产线成功实现了生产要素的精简与整合，显著降低了外部环境和人为因素的干扰，大幅提升了产品换型的效率，成为破解产品多样化切换低效难题的关键利器。

应用背景

鉴于当前形势分析，展望行业发展趋势。目前，冲压车间中规模最大的自动化生产线由6台STD-400t机器人组成，并已达到满负荷运行状态。面对客户需求的多样化增长以及设计水平的持续提升，现有冲压生产线已无法满足部分新增大型零件的生产需求。这些零件主要依赖手工单工序操作，其切换速度较慢，生产效率低下，工序周转频繁，且生产线上人员密集。厂内现有的生产线主要采用国外进口的工业机器人，而在信息化软件的应用上相对较少。此外，模具更换系统、废弃物料处理系统以及信息化集中管理看板等配套设施尚不完善，这些因素共同限制了公司在车间生产环节智能制造水平的提升。

依据公司现有的人工生产线成本，若搭建一条由6台设备组成的生产线，实行两班倒制，则需要配备24名员工。按照标准作业时长计算，这样的生产线在两班制下，最高产量可达2880件。

生产效率非常低，生产环节中必须由人工预先准备材料，班组长负责分配任务。每台机器更换不同模具生产的产品时，都需要专门的调模师傅逐一进行调试。由于调模师傅数量有限，导致很多外部切换时间。整条人工生产线每次进行切换，累计所需时间超过4小时。

劳动强度大，设备各工序间的物料转移全靠人工完成，生产过程中需要手动将原材料放入模具腔内，或取出半成品零件，存在较高的安全隐患，是典型的“四高”岗位。此外，人工生产的不确定性较多，这不利于公司产能的稳定保障。

离散式的资源分配无法达到其整体应用的最大潜力，要想提升整体的生产效益，就必须采纳快速切换的理念，整合各项资源的优势，从而最大化地发挥资源的效能。因此，考虑到公司对智能制造未来的规划以及先进冲压技术的涌现，项目整合了快速换模系统、废料自动处理设施、IFIX 数据搜集系统、工业机器人技术、400吨级的大型伺服冲压设备、光电感应装置以及智能化集中控制系统，进而深入开发以快速切换为核心理念的大型冲压生产线。该生产线的前端与MES信息化管理系统相连，后端则与WCS智能化仓储系统对接，共同构建起一个高效的智能冲压生产体系。具体的生产线配置模式可参考图2。

图2 大型冲压线体生产模式配置

智能化集成应用方案设计

精益化、信息化与自动化的融合应用是实现智能化生产的前提。冲压生产线的基础是6台400吨的伺服冲压设备，这些设备以左右紧密的方式排列，旨在消除交叉物流。线体前端紧邻原材料库，后端则靠近立体仓库，从而实现了精益生产的一流流程。此外，生产线配备了7台格力工业机器人，每台冲压设备之间以及线体的前后上下料端都各配置了一台工业机器人。MES系统直接下达线体生产计划，系统会预先编排计划，确保原材料和模具能提前准备妥当，以此缩短内部切换所需时间。模具使用一键切换的自动换模台车，片料站则实行一备一用的快速切换机制。对于不同的零件，工业机器人控制系统已预先调试好相应的动作程序。当所有信息准备完毕后，PLC集成数字化控制系统将负责各大硬件的联动控制。在冲裁作业中产生的废弃材料，会落入设备底部设置的废料收集装置，随后通过地下输送系统集中运至废料存放点。与此同时，成品零件会按照既定的节奏被取出，并装载打包，最终送往WCS立体仓库。在生产全流程中，我们运用了光电传感器、计数器和红外扫描设备来收集数据，这些数据随后通过IFIX系统进行集中处理和展示，从而便于管理者进行远程监控以及迅速应对异常情况。智能化冲压线体的集成架构，基于快速切换的理念，具体如图3所示。

图3 智能化冲压线体集成架构

冲压线体硬件配置伺服冲压设备的应用

在集成方案中，这款400吨级的大型伺服冲床构成了确保线体高精度运作的核心要素。伺服压力机，作为一款集高精度与高科技于一身的新型冲压设备，其在多个设备联动集成中的应用优势十分突出，是推动冲压生产智能化的坚实基础。由6台400吨伺服冲压设备构成的伺服冲压生产线，运用系统集成控制技术，各设备通过冲压控制信号系统实现协调一致的运作。该系统借助PLC控制系统与工业机器人控制系统实现联动，确保钣金零件的顺畅输送。此外，PLC系统还通过现场总线与IFIX系统进行信息交换，将线体各设备信息及生产状态实时传输至终端显示界面。图4展示了该大型智能化冲压生产线体的结构。

图4 大型智能化冲压生产线体

伺服压力机的核心在于伺服电机的控制及其完整的控制系统。与传统的步进电机相比，伺服电机在运行时能实现更精确的转速和位置控制。它在驱动技术、节能环保和精确控制等方面展现出显著优势。采用伺服马达驱动的压力机，其冲压力直接由伺服马达的扭力输出转换而来。低速大扭矩的伺服电机与齿轮直接驱动，省去了中间的传动变速环节，从而确保了传动过程的可靠性以及能量转换的高效率。电机的最大峰值扭矩为（此处应填写具体数值），驱动器的最大电流为3320A，额定功率为550kW。伺服压力机的传动系统主要由以下几部分构成：伺服电机、低速轴、高速轴、连接中间齿轮与齿轮轴的部件、偏心齿轮、连杆以及滑块。关键的伺服电机位于机架的后部，其安装形式为左右对称布局，旨在降低冲压作业中的振动及外界干扰；图5展示了其双电机结构。高速轴与伺服电机直接相连，并与中间齿轮实现啮合；该齿轮被固定在中间齿轮轴上，随后与偏心齿轮配合冲床废料输送机，而偏心齿轮则装配在低速轴上。连杆的一端连接在偏心齿轮上，另一端则与冲压部件的滑块相接。

图5 伺服冲压设备双电机结构

伺服电机系统配备了运行监控设备，能够对伺服电机的运作状态进行实时跟踪，确保异常情况能够迅速被发现并触发报警。在冲压作业中，借助光电感应技术，系统能够持续监控零件的生产情况，对于出现偏移的异常零件，系统会立即发出报警并停止生产。同时，相关信息会通过推送通知，告知相关技术人员进行处理。

工业机器人的应用

工业机器人的运用旨在促进快速且高效的自动化生产进程，与之相辅相成的是高速伺服冲压设备，二者共同作用，达成了冲压设备生产过程中的协同作业。线体配备了格力自主研发的GR系列工业机器人，在切换不同类型零件时，只需在系统中选择相应的动作程序，调整端拾器的挡块和吸盘位置，便能够迅速完成线体传递方式的转变，极大降低了内部切换作业，从而提高了设备的整体运行效率。针对工业机器人各类产品所使用的夹具实施通用化设计，并将这些夹具放置在生产线旁，对各类零件进行预先的示教和调试。一旦生产线硬件准备就绪，即可根据生产需求迅速切换动作程序，人工操作人员仅需对动作的精确度进行检查，并对存在偏差的动作进行微调，从而降低了机器人调试人员所需的技术水平。运用工业机器人进行生产线板料的输送与供应，切换板料的工作由位于两侧的磁力分张台车负责执行，这些台车能够自动进出、精准定位。如图6所示，工业机器人的片料站结构，当左右两侧台车上的板料种类一致时，拆垛机器人在完成一个台车料垛的拆解后，会自动转移到另一台车上继续工作，整个过程无需中断生产，这种模式特别适合单一品种的大规模生产。若批次间产品种类各异，在拆卸一车上的物料堆时，另一车将驶离生产线，并安装新的物料堆，这样不会影响到正常的生产转换时间。在上料机器人抓取片状物料的过程中，它需经历吸取和定位两个阶段，以纠正其相对位置上的误差。因此，在安装新的物料堆时，必须借助定位设备确保双物料堆的相对位置尽可能精确，从而降低对中过程中对上料机器人调整的需求。

图6 工业机器人片料站装置

工业机器人成功实现了线体伺服冲压设备间零件的传输与定位，充当了冲压设备间无缝协作的桥梁，面对锋利或厚重的钣金件亦能从容应对。该机器人所采用的集中控制系统，通过与PLC的连接，能够对信号进行统一调度和集中处理，进而实现各配套系统信号的协同联动，确保了生产的高效与高质量。

废料自动处理系统

该线体配备了地下的刮板式废料处理装置，该装置能够实时对生产过程中产生的废料进行集中输送，整个过程无需人工干预，从而有效提升了现场物流的周转速度和空间的使用效率，确保了零件冲压生产的效率。

在生产空调钣金零件时，由于存在冲孔、切边等特征结构的落料工序，难以避免，这就要求工人定期对模具腔体进行废料清理。这一过程使得设备频繁停机，不仅降低了生产线的工作效率，还影响了产品质量的稳定性。此外，在规划冲压生产线时，必须在冲压设备周围布置换模台车、机器人、供料机等必要的生产设备。若再增设废料输送装置，无疑会降低生产线空间的使用效率，同时也会加大生产线切换的难度。因此，基于快速切换的核心理念，在设计线体方案时，我们全面考量了废料处理系统的布局、处理技术以及对生产线提出的各项要求。我们旨在最大限度地减少占地面积，并消除废料处理环节对生产线运作的干扰。在建设线体地基的同时，我们同步进行了地下废料处理轨道的布置。废料通过地道进行实时运输，从而不占用地面空间，并自动完成废料的清理工作。

模具快速切换系统

模具快速切换系统具备一键式模具更换功能，显著缩短了外部等待时长，大幅提升了作业效率。该系统主要由自动换模台车、自动夹模装置、氮气弹簧、光电感应器以及集成控制系统等关键部件构成。在启动模具切换程序时，各信号指令首先在生产线终端进行处理，随后被传输至PLC集中控制系统。一旦所有切换条件均得到满足，模具便能够自动完成切换操作。

在整体方案设计中，自动化换模系统扮演着至关重要的角色。鉴于现场物流运输和压力机布局的实际需求，我们决定将换模台车与设备保持平行设置，确保每个换模工位都配备了自动化换模台车。模具的使用采取一备一用的策略，工作人员可以在生产线运行期间预先准备模具。每个模具从准备到使用，需要经过前后台车工位以及里外设备传输工位，总共涉及三个不同的位置状态。在更换不同钣金零件的模具时，集中控制系统需向自动换模装置发送允许换模的指令，随后自动完成模具的切换操作。系统在发送指令时，必须满足以下基本条件：设备滑块需滑至最低位置、设备内的上/下模具夹紧器需松开、设备滑块需回到最高位置。在收到模具切换完成的信号之前，滑块不得进行冲压动作、压机内的模具辊道需完成上升动作。自动化模具切换系统的示意图见第7图。

图7 线体模具快速切换系统

氮气弹簧是确保自动换模得以实现的诸多要素之一。当模具配备氮气弹簧后，在存放阶段，上模的重量完全由氮气弹簧承担，确保了上下模之间拥有充足的间隙。这样一来，模具在无需进入生产线的情况下即可被直接取出。同样，在模具生产完成后，它也可以在生产线外被重新放置，从而避免了占用正式换模的时间，实现了从内部切换到外部切换的转变。在传统冲压模具的使用过程中冲床废料输送机，上下模的四角位置需要人工在模具开启后手动放置刚性支撑块。由于这些支撑块具有刚性结构，它们只能在模具正式更换时，即模具完全打开后，才能被取出或置入。这一操作过程必须是在设备停止运行的情况下，由人工手动完成。

iFIX 数据采集系统

依托iFIX工程配置工具，线体各数据实现互联互通，并在屏幕上进行可视化管理；同时，引入微软的众多工业规范技术，包括COM/DCOM、VBA及OPC控件等，确保所有应用模块能够无障碍集成于单一系统之中。通过中介接口技术，这些系统可与MES系统、PLC控制器等实现信息交流。耿乙文等研究者对基于iFIX技术的软件系统与关系数据库的通信方式进行了深入研究，这一成果对线体信息化管理中iFIX技术的运用提供了关键性指导。如图8所示，线体应用的iFIX过程管理数据库系统，管理者可利用iFIX的实时监控数据，对生产过程中的潜在问题进行预先判断和干预，从而降低线体生产中的故障率，增强线体的稳定性。

图8 iFIX 过程管理数据库系统

iFIX软件整合了众多高效的图形化操作工具，现场操作人员能够迅速直观地构建面向过程的实时窗口。借助这些工具，他们能够创建出易于操作和理解的界面。在运行和组态环境中，可以迅速进行测试和画面修改。同时，软件还能持续进行实时报警和数据采集。通过PLC数据和光电感应装置的集中处理，它能够监控生产过程中线体的各项参数。此外，iFIX软件还能快速配置生产所需的相关工装、模具和原材料，有效减少线体的停机等待时间，并实现快速切换。iFIX 组态软件构建的监控系统能够展现出极高的灵活性，它通过配备的拓展模块，对系统内既有的数据采集与监控功能进行优化升级。这样的改进旨在适应公司订单在战略层面的调整或是周期性的变动。值得一提的是，这些拓展模块与原有数据兼容性良好，不会产生冲突。同时，我们还可以对现有的标准化数据进行备份，以便在需要时随时恢复并投入使用。

MES 自动排程系统

在当前订单结构复杂且生产能力受限的生产环境下，借助MES系统对生产计划进行精确预排，并对生产所需资料进行提前筹备，这是确保生产线能够迅速调整的关键支撑。

整合当前订单生产流程及资源分配，研发针对家用冲压的MES排程系统；该系统根据既定约束和排程规则，将生产线上的订单指令传递至信息控制中心；订单详情涵盖零件代码、所需数量、原材料代码、规格、模具代码（可链接至模具位置查询）、图文资料、加工时长等基本信息。李亚凯等学者对MES、SOA与柔性制造技术协同下的生产调度系统进行了探讨，详细解析了复杂订单生产流程中的调度难题，同时阐述了生产任务分配至机台的具体方法和实现路径，为生产线体分配任务提供了解决方案。鉴于此，针对产品切换时的等待问题，生产线体的生产任务采用了“一备一用”的策略，即MES系统在同一时段分配两个订单，前者为正在生产中的订单，后者为预备订单。一旦前一个订单完成生产，预备订单便会自动转为正在生产中的订单。

在三天内，预订单需上传至订单库，以供筛选，筛选依据包括但不限于制订单中的零件编码、原材料编码、模具位置及工装编码等关键信息。在此周期内，相同编码的零件订单将被合并生产。同时，通过计数器收集合格零件的下线数量，以此提醒班组长对订单进行区分并入库。此外，不同零件编码的订单还将依据相关性矩阵进行排列，从而确定最优的预备订单，以此最大限度地减少生产资料的更换。在制订单的同时，MES与WCS交互模块对立库下达原材料出库任务，并处理上一个订单的原材料入库任务。随后，进入加工前的准备工作。通过订单交叉运行，有效缩短了内部切换时间，降低了机床的待机时间，从而提升了设备的稼动率，并最终实现了高效的生产流程。产线信息化终端的实时看板如图9所示。

图9 产线信息化终端实时看板

WCS 智能仓储系统

为确保生产管理的末端环节顺利进行，我们采用了智能化的立体仓库管理系统，对下线零件实施集中化的周转与存储管理。WCS 仓储管理系统与自动化高架库构成了智能仓储系统，如图10所示。该系统不仅掌握着本立体库的仓储信息，还能搜集外协厂订单的库存状况、物资中心物料库的动态以及正在加工的物料详情。此外，它还与MES系统联动，对生产订单和库存进行精确的扣减和排放，旨在降低因生产过剩而引发的库存积压。为了解决人工审核账目及配送周期较短的问题，在确保充足库存的前提下，最大限度地利用车间生产能力，WCS仓储管理系统依据总装工序的上线时间对订单实施出库提醒，配送人员只需依据提醒完成出库确认即可。

图10 智能化立体仓储架

结束语

随着现代化市场需求日益复杂化的发展趋势，制造业迫切需要引入更加灵活的生产应用模式以确保订单的迅速交付。特别是那些采用快速切换理念的大型冲压生产线，它们整合了工厂的各类优势资源，并借助信息化系统和自动化装备的集成运用，打造出一种高效的生产应用模式。这种模式对于构建制造业的柔性化冲压生产线具有重要的借鉴价值。

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