钣金柔性生产线技术综述

0  引言

          柔性制造技术集先进加工技术、计算机信息处 理技术和智能制造技术于一体，改变了传统机械行 业只针对批量生产、技术工艺以及自动化技术不精 益等缺点，结合大数据支持、更深层次的自动化，构成一个覆盖整个制造加工的有机系统。柔性制造 技术，一方面解决了小批量、多品种和大批量、单 一化产品加工自动化的矛盾[1]，另一方面满足市场 产品更新换代速度不断加快需求。柔性制造技术具 有生产加工率高、适应多种产品加工场景的特点， 已经成为现代机械生产设计中重要的环节[2]。

1  钣金柔性生产线的发展进程

1.1 国外发展进程

          国外对钣金柔性生产线的研究起步较早，1979 年萨瓦尼尼公司就设计出了集成物流解决方案，也 是其公司 S4+P4 柔性加工线的原型，成为了柔性 制造技术的发展历史上的里程碑。近些年来柔性生 产制造技术的发展趋势明显，钣金柔性生产线更是 趋于自动化、及智能化。除意大利的萨瓦尼尼公司 外，日本的天田株式会社（Amada）公司、芬兰的 芬宝（FINN-POWER）公司、荷兰的 WEMO 公司 等也是全球钣金柔性生产线设计及应用厂商中的 佼佼者。

          意大利萨瓦尼尼公司[3]是全球柔性加工技术应 用、研究深入的公司，其有代表性的生产线是 S4+P4 金属板材加工生产线，也是目前加工钣金件 高效的生产线。一方面，产品整合了该公司先 进的加工单元、码垛装置、运输装置；另一方面， 产品不需要额外的中间单元，极大节省了加工时 间。S4+P4 柔性加工线可实现钣金剪切、冲压、折 弯等加工，同时可通过用户编程，让其适应不同的 加工场景。

          日本的AMADA公司设计的钣金柔性折弯自动 化方案，首先通过 AR CAM 系统对折弯工件进行无 需示教的自动编程及排序[4]，根据需折弯的零件， 自动安装模具；再通过机械手夹持零件，进行折弯； 后将已折好的产品自动堆垛，准备送至后道工 序。AMADA 公司在设备本体的驱动回路上，采用 伺服电机来控制液压油供应的混合驱动结构，保证 长时间稳定加工；再加上机器本身拥有自动检测、 调整角度的 BI 系统以及根据实际板厚自动调整参 数的 TDS 系统，保证了产品生产精度，实现了无人 化加工。

           芬兰的芬宝公司（Finn-Power）主要产品为液 压折弯机，同时在钣金加工柔性生产技术方面有着 非常深入的发展研究。公司被普瑞宝公司收购后， 更成为钣金加工设备和系统领域的领头，产品覆盖 冲剪复合机、激光冲复合机等。普瑞宝公司设计的 Shear Brilliance 冲剪复合机可将一张整板直接生成 成型件，并自动设置剪刃间隙、部件和废料分拣等 功能；同时可根据部件的要求，对冲剪冲程进行优 化、可靠的部件自动分类堆垛装置。

1.2 国内发展进程

           国内在钣金加工生产方面相对于国外的发展 较为落后，也导致在钣金柔性生产线的生产应用相 对于国外也有较大差距。伴随中国制造的蓬勃发 展，航空、船舶以及机床行业也得到了高度重视， 市场对于钣金件的需求也与日俱增，钣金柔性生产 线在国内的应用随着逐渐广泛。从剪板机的性能， 到闸剪生产线的生产效率，与国外的同类产品的差 距逐渐减少[5]。在技术的不断精进同时也出现了一 大批钣金件设计、生产制造的国内企业。

          扬州安特自动化科技有限公司设计制造的的 FMS 自动化柔性产线，在实际操作过程中，一方面 可作为原材料存储库，为作业现场提供各种不同的 物料，另一方面也可作为不同加工作业之间的缓冲 存储装置。产品可根据客户的生产目标及所需的工 艺从钣金机床中选择一种，两种或三种机床或集成 系统单元与仓储系统整合，如冲床、激光切割机、 折弯机等；从半自动上料装置到含仓储连接功能实 现全自动生产。

           广东ACL力丰集团QKJ系列整平横切生产线[6] 系列的全部机械生产流程全部由进口高性能 PLC 系 统控制。其装备有高精度的补助马达间接变速装置 和 CNC 系统确保精度和可靠的液压系统确保送料 切割的准确度。该系列生产线有高效率的自动尺寸 监控功能，能制作各种卷程不同的规格，通过开卷， 调平和自动尺寸监控。

            埃斯顿自动化有限公司基于电梯智能制造生 产线，集机械加工、电气控制、及信息处理于一体 的智能生产线，包括了钣金上下料、冲孔、折弯、 涂胶、点焊、材质检测、下料码垛等功能。该生产 线实现电梯门板自动输送、采用伺服多工位移裁功 能缩短了生产时间并提高生产效率，柔性伺服送料机构满足了不同规格产品的通用性；自动化激光焊 接保证产品表面美观无变色变形，抽芯铆钉自动送 料实现无人化生产。

2  钣金柔性生产线的研究现状

            钣金柔性生产线要既满足品种多变而批量很 小的生产需求，又要迅速扩大生产能力适应产品不 断迅速更新的需求，必须充分应用柔性制造技术的 应用。除了优化升级钣金制造加工技术之外，还需 要提高上下料、自动仓储等技术水平。

2.1 钣金制造加工

          国外对钣金加工的研究起步较早，1970 年 Cincinnati 公司就生产出了自动剪板机。近些年来 随着制造、控制技术的不断完善，国外产品渐渐趋 于成熟，剪板机性能也随之提高。国外学者关于剪 板机在控制系统和剪切理论方面进行了许多研究。 Gustafsson E、Karlsson L[7]等通过连续测量中高强 度钢板剪切过程中的应变场，得到了应变场在刀具 边缘之间会出现很大的应变带；Kinefuchi M[8]等对 具有剪切边的高强度钢板试样进行了疲劳实验，考 虑了残余应力和表面粗糙度等因素，并在此基础上 提出了剪切面 S-N 曲线预测方法；Kovacic M、Balic J[9] 基于遗传算法建立了数控剪切设备的智能 CAD/ CAM 编程系统，该系统可以根据产品的 CAD 模型自 主优化加工工艺。

         国内的钣金加工研究相对于国外发展较晚，在 产品更新换代的过程出现一批深入研究钣金加工 制造的企业，如马鞍山市中亚机床制造有限公司。 国内一大批院校学者及企业专家从剪板机结构建 模分析、动力学仿真、液压系统伺服控制、剪切理 论等进行了研究。王志勇利用 ARM 和 FPGA 的硬 件平台，搭建了国产剪板机的数控系统[10]，完成了 剪板程序 G 代码、M 代码的设计，打破了国外对高 端数控剪板系统的垄断；王勇等基于多体系统理论[11] 对闸式剪板机进行误差分析，并通过误差敏感度分析 找到闸式剪板机加工过程中的误差主要来源，通过结 构优化实现了误差的减小。

2.2 钣金自动上下料

          国外关于钣金自动上下的研究、应用已经十分 成熟，其中机械手更是广泛应用在多种柔性生产线 中。汽车行业由于更新换代频率较快、生产规模较大，各大制造商充分利用适用于不同生产线的机械 手上下料机器人，如 KR-P[12]系列机器人是德国库 卡公司研发的汽车生产线专用自动上下料机器人， 国内汽车生产过程中也开始通过自动导引运输车 （AGV）替代人工搬运[13]，产品简单可靠、自动化 程度高。

          国内外的学者对机器人做了很多的研究， Williams L 等学者通过 ADAMS 的函数 STEP 仿真 分析，对如何提高自动上下料机器人的稳定性提出 了改进措施[14]；Carlisle 等学者研究仅改变机械手 视觉检测的参[15]即可完成不同原料上下料工作； Akella 等学者设计了 1 JOC(1 Joint Over Conveyor) 的单轴系统[16] ，实现在不同工作环境下将各种加 工产品在指定位置处于所需的指向，简化后续加工 时间；Lynch KM 等学者[17] 实现上述系统的简化， 提高了柔性生产线中的上下料效率。

          国内的学者关于上下料机器人的设计优化也 做了很多研究。谢志江等[18]关于如何提高机械手的 刚度、强度进行了研究，提出将机械手的截面形状 设计成方形空心结构，避免在工作过程中的共振； 林海波等[19] 为实现上下料机器人控制系统的，一 方面应用 MATLAB 和 ADAMS 进行机械手臂的数 学建模，另一方面通过力学分析验证其可靠性；陆 叶等[20]研究上下料机器人的运动轨迹，进行编程仿 真，并通过检测软件实现工作过程中 I／O 信号的 采集。

2.3 自动化立体仓储

          自动化立体仓库拥有较大存储容量，同时配合 计算机软件可节约物流资源、人工成本，因此在大 规模的生产制造生产中得到大量的应用。1959 年， 美国建成了世界上第一座立体仓库，并成功将计算 机技术于 1963 年引入立体仓储的管理工作中，开 始实现智能化、自动化管理运行[21]。直到 1974 年， 我国首座自动化立体仓储系统[22]在郑州纺织机械 厂投入使用，为国内自动化立体仓储的应用研发拉 开了序幕。随着计算机技术的不断发展，为仓储管 理也提供了智能化管理方案。美国曼哈顿软件公司 （Manhattan Associates）结合通用的系统接口和实 际成产制造方案，推出一种基于不同柔性生产线的 供应链流程平台[23] ；美国 Oracle 公司为实现自动 仓储系统管理运行、监控调度、使用方便的功能，推出套件形式的仓储管理系统。

          国内外的研究中，关于自动化立体仓储的升级 主要围绕整体构造和系统控制两方面。Subir S. Rao[24]，Geeju Moon[25]等学者为优化仓储系统任务 分配、提高生产效率，将分类存储、定位仓储等方 法运用到自动化立体仓储，改进效果显著；Vasili 等学者[26]从数学、计算机算法入手，将仓储系统数 据统计处理、智能算法分配来优化自动化立体仓储 的生产运行管理，大大节省了出库、入库的时间。

        国内方面，甄石磊结合空调生产工艺特点提出了 特点工艺的自动化解决对策[27]，并对电力系统、抽真 空子系统、码垛移栽系统的电路进行设计；王思依据 立体仓库结构设计的一般原则和设计步骤[28]，对其立 体仓库中的堆垛机做了结构优化设计，并提出优化货 架分布、输送传递的方案；张贺龙将生产应用中的控 制、检测、制造等技术[29] 进行结合，提出一种适应 于自动化立体仓储中的穿梭式小车的方案。

3  基于闸剪的钣金柔性生产线

         用板材经过切割及剪切、冲裁、弯曲及焊接等 多种工序制成的工件称之为板件。它具有质量轻、 强度和刚度好、外形美观、节约材料及能源、成本 低、生产效率高等一系列优点，被广泛应用于汽车、 家用电器、轨道车辆等热门工业部门。由于在这些 部门中，市场竞争十分激烈，产品生命周期日益缩 短，因此对加快产品更新换代的要求越来越迫切， 多品种、小批量生产已经成为重要趋势，因此，近 年来板件柔性制造系统的发展十分迅速。

        和在机床上切削加工相比较，板件制造有以下 特点：

        1）在机床上加工时间较短，仅占整个生产过 程中的极小一部分，生产过程的大部分时间耗费在 板料和成品件的运输和储存、模具的更换和调整、 废料的收集和传输、机床的调整上。工件的流线一 般为向前直线型，无需返回。

       2）模具在板料的冲裁与折弯中为关键。在板 料上冲不同的孔要用不同的模具，因此模具的快速 更换与装卡、模具的快速储存于选取均十分重要。

       3）板料是加工的对象，板料的特点是平面尺 寸较大而且厚度较小，冲裁加工时，板料的加持、 快速运送到位及精确定位；折弯和剪切时板料的快 速到位及精确定位；折弯时板料的支托与操作都是影响生产效率与产品质量的重要问题。

       4）板料的仓储、存取与运送也必须充分考虑 板料平面尺寸大的特点。

        我国制造业中的钣金制造技术已经取得了很 大的发展，但是在智能化、自动化方面仍存在一定 的不足。在研究国内外钣金加工技术、上下料机器 人以及自动仓储等方面的发展后，提出一种基于闸 剪的钣金柔性生产线，如图 7。

         如图，针对板料的成形加工设计了基于闸剪的钣 金柔性生产线，共分为：生产单元、分拣检测单元和 自动化仓储单元。生产单元包括：闸式剪板机、冲压 机和折弯机，原料通过桁架上下料机器人输送到传送 带，并在六自由度机器人的作用下依次配合各加工设 备进行加工；板材加工介绍后配合自动立体仓储系统 将产品搬入货架，完成整条生产线的加工。

         钣金柔性生产线中自动分拣、自动检测多通 过可编程控制器控制实现，从而提高分拣及检测 的效率和精度。该单元分为板材送入模块、板材 搬运模块、板材输送模块及板材分拣模块，其中 每一个模块为对应的机电系统，执行单元为设计 的气动装置，同时配备有相应的传感器，对板料 的位置、状态等进行采集，后通过 PLC 实现整 个系统的控制。

          钣金柔性生产线中自动化立体仓储系统包括 硬件组成部分和软件组成部分。其中货架 、巷道 码垛机、出入库台和输送系统属于自动化立体仓 储系统的硬件组成部分，其作业流程是：剪板机 和折弯机加工过后的板材通过输送系统送到出入 库台，出入库台登记后，由堆垛机把板材存到货 架上；软件组成为管理监控系统，其作业流程是： 通过管理系统高效合理的管理物品的出入库和库 存信息、生成相应的出入库作业，然后通过监控 系统控制执行机构实现相应的操作并把操作信息 反馈给管理系统。


4  结语

            随着经济、科技的不断发展，我国的人口红利 已不复存在，人工成本在制造业中所占比例越来越 高，这种背景下对柔性制造技术的要求越来越高。 新时期下的钣金柔性生产线主要以保证产品质量、 提升生产效率为主。生产线中的生产加工技术需要 提高，上下料设备需要适应不同加工条件，立体化 仓储系统需要实现信息化、智能化，只有全方面提 升各个柔性制造单元整个柔性生产线才能在钣金 制造市场中占据更多的市场份额。

           我国钣金数控装备及柔性生产技术进入了历 史新阶段，这就要求我们对产品进行升级优化及创 新设计，从而不断缩小与制造业发达国家之间的差 距。科学、技术的发展，促使传统机械制造业不断 发展，并给行业带来新的机遇，对高校学者、企业 技术人员提出了新的挑战。