汽車主機廠衝壓車間無人化規劃建設淺析

文 | 馬國禮

本文針對衝壓車間從原材料入庫後的自動分配、自動更換，模具標準化製造後行車實現自動識別、抓取、運輸、更換，線尾工件質量自動檢測、自動定位、分揀、裝箱，AGV 輸送至自動化倉庫（或返修區），庫區自動識別、存儲、先進先出，整個衝壓主生產過程的無人化的規劃建設的現狀和難點進行分析。

本文所述無人化，指車間主要生產、輸送過程自動化運行，如車間管理、工件返修、設備工裝的維護和保養等不在此範圍。無人化衝壓車間，即從原材料入庫後的自動分配、自動更換，模具標準化製造後行車實現自動識別、抓取、運輸、更換，線尾工件質量自動檢測、自動定位、分揀、裝箱，AGV 輸送至自動化倉庫（或返修區），庫區自動識別、存儲、先進先出，到自動輸送至焊裝生產線。

相對於其餘三大專業焊接、塗裝、總裝，衝壓的無人化難度較高，從自動化程度對比，目前國內汽車主機廠新建衝壓車間基本全面實現了自動化，但無人化的差距還較遠，目前相對來講，合資品牌的工廠無人化走在了國產品牌的前面。本文將從無人化的實現形式、現狀及存在問題等方面進行分析。

設備自動化

要實現無人化，車間所有設備必須實現自動化。對於我公司衝壓車間來說，表1中列出了主要設備目前是否實現自動化和採用形式。從表1不難看出，除了主要生產線外，其餘過程都有人員操作，相較於以往衝壓車間有一定的進步，但與無人化工廠差距較大。以我公司某一衝壓車間為例，年產雙班 8 萬輛，一條線單班生產車間人員總數 45 人，生產線為機器人自動化，與手工生產線比較，主要人員在線尾檢測、裝箱、輔助維修、設備操作等方面，人員節省可以忽略不計。

如果表 1 中所有設備均實現自動化，衝壓車間主要人員將大幅度減少，只有車間管理、工件返修、設備工裝的維護和保養等方面需要人員介入，以上崗位為輔助崗位，主要生產崗位將實現無人化。

衝壓車間全部實現無人化目前技術手段來說還存在差距，但主要作業部分實現無人化較為現實。從生產前的原材料存儲、轉運，到生產線生產、模具更換，再到生產後成品檢測、裝箱、運輸，按照正常衝壓流程，正在逐步實現無人化。至於模具維修、瑕疵產品返修、設備維修等屬於非正常的輔助工序，目前必須人工介入，也許不久的將來可以採用新技術替換人工。設備自動化是無人化的前提，但不是無人化的全部。

設計模擬化

再完美的車間，也是從規劃設計開始。有了自動化的設備，規劃設計中合理的布局、應用，模擬化的運行檢驗，是無人化工廠的基石。

隨著計算機的發展，各種軟體的推陳出新，三維模擬設計，在各個行業應用較廣，尤其在設備的設計領域。可以通過三維模擬模擬，檢查各自動化設備的佔用面積、運行軌跡、消耗時間、節拍匹配等。其次，目前模具設計全面實現了三維設計，模具相關參數對整線自動化的節拍影響非常大，所以三維模擬設計可以加入模具部分，更好的檢驗生產線的各項性能指標，特別是生產節拍。再次，隨著模具的加入，端拾器也可以實現三維設計，這樣就可以提前設計製造，縮短現場製作調試的周期。

設計模擬化，不僅可以直觀的規劃生產線設備布局，還可以做成動畫，作為車間或公司的宣傳材料，也可以整體提升公司形象。所以，設計模擬化既是無人化工廠的基石，又是未來發展的趨勢。

有了自動化的設備，完美的模擬設計，還缺少系統的管理，我稱之為管理數據化。對於衝壓車間生產，首先要有任務來源，根據不同的任務轉化為衝壓專用的數據信息，傳達至自動化設備，由設備自動執行，完成任務。

把衝壓車間生產和其餘三大工藝車間對比分析，你會發現其餘三大工藝車間屬於流水線生產模式，而衝壓車間屬於單品種批量生產，雖然對於某一種產品件來說也屬於流水線（多工序）生產，整體來看區別較大。其餘三大工藝可以按照台為單位安排生產計劃，衝壓車間要分解為件為單位，對應於某一最佳周期的最佳批量，涉及到的信息量大，包含原材料、產品件、模具、工位器具等不同組合，要實現合理的管理，必須要實現數據化，才能更好的分解、轉換、調配。

衝壓車間數據包含以下四個方面：

人員信息 姓名、職務、年齡、生日、班次、崗位狀態（在崗、出差、休假、夜班等）。

設備信息 設備編號、名稱、已運行時間、故障時間、設備狀態（生產、故障、待機等）、檢修提 醒等。

生產件信息 產品號、名稱、原材料庫存、成品庫存、已生產數、待生產數等。

工裝信息 工裝號、名稱、生產累計數、上次維修時間、預防性維修時間提醒等。

以上信息數據為基本需求，需要在實際設計過程不斷優化、完 善有了自動化的設備、模擬化的設計、數據化的管理，一個無人化的衝壓車間基本可以呈現在你面前。說起來容易，但真正在實現過程卻存在很多問題。模擬化的設計和數據化的管理目前應用較多，下面主要從設備的自動化方面進行分析存在的問題。

表 1 中的 9 種設備，目前除了第1 條衝壓自動化線（圖 3 所示）和第 9條廢料收集輸送線外，其餘在我公司都未實現自動化。

其中第 2、8 條屬於一類設備，即倉庫，目前國內應用較多，如圖 4 所示。主要包含識別、存放、取貨、管理等部分，隨著智能化的普及，完成可以實現無人化管理的倉庫部分。

第 3、4、7 條也屬於同一類，即運輸類。運輸分為空中、地面和地下三部分，目前地下廢料輸送線已經實現自動化，主要分析空中和地面運輸設備。

空中運輸主要為模具、板料等質量較大的物品，目前常用設備為行車（起重機），常用操作方式為駕駛室（俗稱空操）和手柄（俗稱地操）兩種，手柄又分為有線和無線兩種。目前空中運輸，即行車實現自動化是衝壓車間的難點，主要為精確定位和精確抓取兩方面。目前常用的行車採用變頻電機驅動，鋼製滾輪行走，因為滾動摩擦及慣性的作用，精確定位難度高。雖然採用激光測距等技術手段在提高定位精度，但應用在衝壓車間無人化，還需要實驗檢驗。目前國內汽車衝壓行業已經開始研究開發精確定位的行車。除了定位問題，就是精確抓取。模具、原材料等被抓取件存在不同的尺寸、抓取位置等問題，一個通用的抓取工具，是實現自動化的關鍵。解決以上問題，首先可以分區處理。衝壓車間的結構決定，原材料和模具不在同一跨廠房內，使用不同的行車抓取。僅模具尺寸和抓取位置的不同來說，設計專用的抓取工具就較為簡單了，可以對模具進行分兩到三種類型進行標準化設計製造，可以解決模具的抓取工具問題。板料也可以採用以上方式分類標準化，本人相信以上問題會很快解決。

地面運輸來說，目前已經有大量的應用，如總裝工藝採用的 AGV，意即「自動導引運輸車」。目前在某公司衝壓車間得到應用，如圖 5 所示。AGV 的應用，可以和自動化倉庫實現無縫對接，為衝壓車間無人化的物流系統提供了完美的解決方案。

線尾檢測，目前國內各主機廠還是以人工檢測為主，通過視覺和觸覺來判斷產品件質量是否存在缺陷，該作業人員要求經驗豐富、認真仔細，在目前高速衝壓線普及的情況下，需要加大線尾皮帶機輸送距離，增加檢驗人員數量，無疑給衝壓成本帶來了很大壓力，同時也難以實現自動化。檢測自動化是目前實現無人化的一個難點，雖然近幾年國際市場出現各種掃描、拍照等檢測設備，但對於衝壓所生產複雜的立體產品件，除了外觀，還有暗傷、變形等各種缺陷，以上設備無法直觀的判斷出相應的缺陷，還需要技術升級和發展的過程。

線尾裝箱，即產品件裝到專用工位器具中，輸送到衝壓件倉庫，供焊裝使用。目前國內某些主機廠已經開始使用機器人進行自動化裝箱，但經過了解，還是存在某些形狀複雜的產品件無法實現自動化裝箱，造成自動化裝箱難以實現的主要原因是衝壓件的負責形狀和單件低強度。但是部分產品的實現，為我們帶來了希望，隨著機器人技術的不斷發展，不遠的將來肯定能夠實現全面自動化裝箱。換一個說法，如果個別產品難以實現，可以暫時考慮外協生產，待成熟後再轉移回主機廠。

通過以上對 9 種設備的分析，目前主要難點在行車和檢測設備這兩方面，分別處於研發和部分應用階段。隨著科技的進步，不遠的將來都將實現。

汽車公司自己生產幾乎所有Class-A 表面外殼；有一些例外（比如 Porsche Macan），但是絕大多數可視車體都是在廠內衝壓車間衝壓而成，不論是鋼材還是鋁材。

基於以上分析，要全部實現，還需要工裝、輔助設備等標準化、智能化的配合。作為一名衝壓工藝規劃工程師，自從入職以來，經歷過公司多個新建、擴建、改造、搬遷等項目，但忙於項目工作，疏於對本職工作的思考。經過近期對《中國製造 2025》的學習，結合以往項目經驗，簡要分析了汽車主機廠衝壓車間無人化的規劃建設，希望通過衝壓行業從業或相關人員的努力，早日實現無人化衝壓車間，為實現安全、高效、節能、環保的汽車生產做出貢獻。

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