冲压生产线的优化

生产线的优化是非常有意义的。优化后的生产线作业效率大大提高，同时可以生产更多的零件，从而降低零件的生产成本和设备的使用成本。特别是在设备投资相对较大的汽车厂冲压生产线中，优化更为重要。广州本田汽车有限公司(以下简称广州本田)于2006年建立了第二工厂，在冲压部分引进了全自动冲压生产线，主要生产雅阁轿车的外板。为降低设备成本，生产线以分体机组的方式引进，分别购买了日本萧也部的拆垛、清洗、送料装置，济南二机的压机，上海ABB公司的搬运机器人。然后，ABB的全线整合方案与其他制造商合作建立了一条自动冲压生产线(见图1)。通过单位采购，充分利用不同厂商在各自领域的优势，结合其先进技术，广州本田在采购中取得了良好的降本效果。图1广州本田二厂冲压生产线投产后遇到的问题。因为这三家是第一次合作，而且广州本田也是第一次引进机器人搬运的自动冲压生产线，所以在生产线的设计制造阶段，各设备厂商都没有充分考虑生产线的生产率。特别是在生产初期，我们在优化生产线的生产速度时遇到了很多困难，具体如下：1。设备之间的控制逻辑存在很多不一致，直接导致生产线生产节奏缓慢，比如：2007年1月，生产线上一个零件的平均生产时间为8.1s；2.全新的工厂，使用的设备与过去不同。技术人员需要花时间去掌握各种设备的特性，然后才会考虑生产节拍的优化方案；3.机器人的灵活性非常大。生产初期，操作人员不熟悉，不适应，没有优化意识。掌握优化的能力需要时间；4.不同厂家设备间的联锁信号缺乏准确性，增加了生产速度和设备间碰撞的概率，难以找到生产效率和设备安全的平衡点；5.各设备仅通过联锁信号进行优化，没有控制全线生产速度的模式和专用控制器；6.机器人没有导入同步系统，增加了硬件上的优化难度，将生产节奏限制在一定范围内。影响生产速度的因素2007年，生产线的技术人员和操作人员不断优化生产线以提高效率，并将持续改进的思想应用于现场以降低零件生产的CT值。通过不断努力，我们已经总结出一套优化生产线生产节奏的有效方法。2008年1月，第八代雅阁投产。同时，我们开始优化冲压生产线。我们只用了一个月的时间就把生产线优化到了理想状态。2008年2月，生产线生产一个零件的平均时间缩短到6.9秒。这里，我们将讨论与生产速度相关的因素以及优化生产线生产节奏的方法。在自动冲压生产线中，有两个非常重要的因素关系到生产速度，即各设备的动作速度和协调性。1.行动速度。我们在实践中发现，各设备以最大速度运行，各压机压制，各机器人同步移动时，生产线的生产速度最快。至于每个设备的速度，拆垛单元和压机的速度通常不会改变；而机器人运动速度调节的灵活性很大，成为影响生产线速度的主要因素。机器人的运动速度与机器人的运动特性密切相关。除了实际运动速度和设定值外，还与运动过程中的姿势变化和运动方式有关。特征

在保证安全的前提下，如图2所示，将第一轨迹和第二轨迹设置为近似平面运动(各轨迹中各点坐标的Z数据大致相同)，以减少机器人在运动过程中姿态的变化。图2将机器人的第一轨迹和第二轨迹设置为近似平面运动nextpage(2)机器人的运动速度用两点之间的运动来表征(见图3): Movj圆弧运动速度& gtMovl线性运动速度。当选择MOVEJ命令时，机器人将自动计算最快的圆弧轨迹。图3在两点间的运动中，机器人的MOVJ圆弧运动速度& gt> MOVL直线运动速度。知道了机器人的运动特点后，我们就可以标准化各部分的运动轨迹。导入一个新零件时，复制之前相似零件的轨迹，做简单的修改就可以得到理想的轨迹。完成这一步后，单个机器人的搬运速度可以调整到最快速度，满足《要素》中的第一个条件。2.动作的协调。如何将所有的设备以各自的最大速度混合起来，形成一条生产节奏快的生产线？即如何调整设备间动作的协调性？首先，冲压生产线的理想优化状态是怎样的？生产线的理想优化状态是各设备以自己的最大速度运行，在最短的时间内完成单个动作循环，各设备的每个动作循环只有一个等待点；在安全的前提下，前一个设备在最短的时间内启动下一个设备。从整条线来看，机器人可以同步搬运和压制(见图4)。上料后机器人开始后退时，压力机滑块启动，模具差点和机器人相撞；当滑块开始上升时，机器人立即进入取料过程，差点与模具相撞。即设备以各自的最大速度运行，彼此的启动参数都设置为最大值，可以协同动作。

优化生产线的生产节拍

为了更好地对生产线进行分析，我们把生产线划分为5个单元，减少每个零件的生产时间就是要减少每个单元的动作时间。由于拆垛单元采用了2维运动的上料手送料，因此，上料手的动作循环时间比机器人的循环时间要快，上料手单元不是生产线的瓶颈。在此，我们将主要讨论机器人单元。生产线机器人单元是指压力机与压力机后面的机器人，单元的动作时间（见图5）是指压力机冲压、机器人下料、机器人上料、机器人回到压力机等待下料的整个过程的时间。  

图5 单元时间T= t压力机冲压＋t机器人下料＋t机器人上料＋t机器人回到下料等待点

nextpage单元是生产线最重要的元素，首先将单元内的设备动作协调，使单元的动作时间最少，才能进一步使生产线的单元动作协调，达到生产线优化的效果。如何使单元的设备动作协调到达单元的动作时间最少呢？主要有三个方法：

1. 减少机器人轨迹中拾取点和放料点Z方向的距离（见图6），减少机器人在压力机里的停留时间，使机器人尽快离开压力机以及启动相关设备的下一个动作。

图6 机器人轨迹中拾取点和放料点Z方向之间的距离

2. 加快机器人上料后启动压力机冲压

机器人的优化参数里有一项可以调整机器人上料后往后退时与干涉点的距离数值，从而改变启动压力机冲压的快慢。机器人上料后启动压力机冲压最快的时机是，当机器人投料完毕开始后退时立即送出启动压力机信号。

另外，机器人启动压力机的连锁电路里对运动逻辑有个保护，叫做模具保护。意思是机器人启动压力机冲压后，压力机滑块运动到一定角度，如果机器人没有离开轨迹中的outnextpress点（见图7），连锁逻辑上会使压力机紧急停止，防止滑块与机器人碰撞，损坏模具。生产线投产初期，厂家将模具保护角度在程序中统一设为45°，这样做对优化有局限性。即使把轨迹中的outnextpress点非常靠近压力机，如果将机器人的优化参数设置为最大值，也会出现模具保护故障。站在设备安全的角度来说，对于上模、下模比较薄的模具，因为上模型面与下模型面的距离相对比较大，而压力机紧紧停止的刹车距离一般是35°，我们认为可以适当地把模具保护角度放大一点，比如60°，发生异常时也能避免相撞。这样做后，增大机器人启动压力机冲压的优化参数也不会出现模具保护干涉故障。于是，对于模具保护参数我们做了改进，在压力机每一个零件的参数中增加模具保护参数，不同的零件对应不同的参数。这样就可以使机器人投料完毕开始后退时立即送出启动压力机信号，同时也使模具保护功能正常发挥作用。

图7 机器人运动轨迹中的out-nextpress点

3. 加快压力机冲压后机器人下料

有两个方法可以加快压力机冲压后机器人下料，如图8所示。一是使轨迹中的waitunload点靠近压力机；二是减少压力机启动机器人下料的角度。

图8 先将waitunload点靠近压力机，再减少启动角度

压力机是用凸轮角度信号启动机器人下料的。启动机器人后，如果压力机紧急停止，机器人会与压力机滑块或模具发生碰撞。压力机在下死点发生异常引起紧急停止的机会最多，因为这时压力机振动最大。现在控制回路有连锁条件，如果压力机紧急停止，机器人是不会启动的。但是，故障出现时，传感器需要反应时间、PLC需要时间、总线传输需要时间以及机器人处理信号需要时间。总的来说，把启动角度减少后，加大了碰撞的可能性。机器人定位精确，即使waitunload点很接近压力机也是安全的。先将waitunload点靠近压力机，再减少启动角度，是比较好的方法。

当各个单元的动作时间达到最小后，只要把生产线的4个单元协调起来，生产线就可以达到优化的理想状态了。生产线上各个单元协调生产的时候（见图9），他们的动作时间是很相近的。

图9 生产线上各个单元协调生产时的动作时间很相近

nextpage同时，后单元比前单元要快点（见图10），才能使生产线保持一起冲压一起搬运的同节拍，所有机器人只有一个等待点状态。如果前单元比后单元要快，生产线不能出现一起冲压一起搬运的同节拍最优状态。机器人有两个等待点，等待下料和等待上料，CT值下降0.2～0.3s。

图10 后单元比前单元要快点，才能使生产线保持一起冲压一起搬运的同节拍

优化状态

我们对生产线的优化，没有在同步系统的模式下，是一种傻瓜式的优化。生产线进入同步生产方式是有条件的，只有符合初始条件的才行。生产线只有从拆垛机启动生产才可以立即进入同步生产方式，因为，从拆垛机开始启动，能够达到生产线各个单元在近似的同一时刻开始动作的效果。这时，只要各个单元的动作时间相近，生产线立即进入同步生产状态。否则，每个单元的启动时间不一样，各个单元不能协调生产，生产线不能同步。

生产线优化初期时，优化状态有三种：

（1） 生产线前面的单元动作时间比后面的单元动作时间要少；

（2） 生产线前面的单元动作时间与后面的单元动作时间大致相等；

（3） 生产线前面的单元动作时间比后面的单元动作时间要多。

第一种情况，生产线后面的单元慢；第二种情况，生产线慢速的同步生产；第三种情况，生产线前面的单元慢。当继续对生产线优化后，最终只剩下一种情况，生产线快速的同步生产。

生产线优化到最后都要碰到进入最优化状态的初始条件问题。例如冲压工艺中的停止生产线抹模，在这条生产线上就遇到进入最优化状态的初始条件问题。如果生产线按照从停止抹模的压力机开始启动整线自动生产的话，生产线上各个单元的开始动作时间不一样，各个单元的动作时间相近，生产线不能进入已经优化好的同步方式。这时，唯有采用另外一种方式，才能使生产线进入已经优化好的同步方式。如图11所示，恢复时，当整线的设备都进入自动状态后，停止拆垛机供料，拆垛单元的上料手拿着坯料暂时停止，在上料等待点等待着，其他设备正常运转；当第一台压力机的零件到达第二台机器人时，才恢复拆垛机供料，上料手才往第一台压力机投料，生产线才可以进入同步生产方式。这样做的实质是让生产线的各个单元完成当前的动作后，按照由前往后的顺序回到单元动作开始的状态，等待着下一个单元动作循环开始，从而使各单元由相同的时间启动下一个循环。这种方法很有效，生产线只要大约10s时间就可以进入预先调整好的最优化的同步生产方式。

图11 暂停上料手送料，当A1压力机的零件到达R2时才恢复上料手送料

结束语

生产线优化后，每天可以生产更多的零件；或者在产量不变的情况下提前完成当天的生产任务。为此，我们可以每天安排生产线一定的计划停机时间做其他事情，比如新车型模具调试、设备日常维护等，得到的经济效益是非常可观的。