开卷落料线规划设计思路浅谈

0 引言

冲压是传统汽车制造四大工艺中的第一步，有60%～70%的零件由冲压工艺生产实现。随着汽车行业增速放缓、原材料价格上涨等因素竞争加剧，诸多汽车生产厂家和零部件配套厂家都不约而同的深挖冲压降本潜力。在此背景下，开卷落料线的应用在成本和质量方面的优势愈发明显。

开卷落料线可实现落料件的一站式加工，将卷料直接加工成所需形状的落料件，消除了中间过程的存储和转运环节。其主要由开卷机、清洗机（可选）、矫平机、送料装置、压力机、堆垛系统、控制系统及配套辅助设施等组成[1]。其大致工艺流程为：开卷→上料→清洗（可选）→矫平→送料→落料→堆垛。工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图

下文根据公司开卷落料线的规划设计和投产经历，对开卷落料线的规划设计思路进行简单的阐述。

1 考察调研

虽然开卷落料线是比较成熟的汽车生产零件制造工艺装备，但公司没有开卷落料线的规划设计经验和应用经验，因此对行业内一些典型的企业进行了考察调研。通过对多家原材料剪切配送厂家、汽车主机厂和先进的钣金件配套厂家进行考察调研，以及与一些主流的开卷落料线设备供应厂家的技术交流，对开卷落料线的应用情况有了进一步的了解。如表1所示，钢材剪配厂作为原材料的专业加工方，主要承接主机厂的外板件原材料来料加工业务，外观质量和生产节拍要求高，产线功能较多且产线投资大；汽车主机厂主要为自身加工外板及部分内板板料，外观质量要求较高，产线功能一般，产线投资中等（部分主机厂无开卷落料线）；零部件配套厂主要为自身加工结构件板料，外观质量要求相对而言较低，节拍要求较高，产线功能较简单且投资较低。以上为考察调研的结论为大多数情况，不能一概而论。

表1 不同类型企业开卷落料线功能对比

2 投资可行性分析

企业投资是为了获得收益回报，存在一定的风险。要达到投资目的，投资前的分析论证非常关键，需综合各方面的信息进行预测，为投资提供决策依据。

开卷落料线的投资可行性分析应包含提出背景、建设目标、目标产品、产能与需求预测、投资内容和方案、投资预算、经济分析、投资风险、投资计划、投资建议和结论等内容[2]。部分内容在工艺规划设计中阐述。

3 工艺规划设计

在通过了投资可行性分析后，就可以开着工艺规划设计工作。结合投资可行性分析的内容，目标产品原材料主要为厚度为0.7～1.2 mm的冷轧板、厚度为1.2～1.8 mm的高强板和厚度为1.8～2.5 mm的酸洗板，不考虑铝板。卷料内径为φ508/610 mm，卷宽范围为 300～1 800 mm，材料强度 σs≤ 440 MPa、σs≤ 630 MPa，预测年需求量为240万件左右。项目目标为建设一条年产能300万件的开卷落料线。

3.1 开卷上料部分

开卷上料部分的作用是将卷料逐步展开，以便送入引料机[3]。其主要由备料台、上料小车、开卷机及机架组成。结合投资可行性分析中的生产节拍和压机参数，只需要一个上料小车即可满足要求。备料台和上料小车上安装有软质材料防止材料磕碰、划伤。备料台和上料小车要求承重能力≥15T，上料小车行走速度≥10 m/min。开卷机可横向移动，开卷时带有反转张力。

工作时用行车将卷料放在备料台上，备料台下的送料小车由液压缸顶起V型升降器，托起卷料至开卷机卷筒轴线等高处，送料小车沿两根钢轨由电机驱动行走靠近开卷机将卷料穿套在开卷机的卷筒上，送料到位后送料小车升降器下降并开回到备料台下，升起辅助支撑。同时开卷机卷筒涨紧卷料开始正向旋转送料。

3.2 引料机部分

经开卷机送过来的料头因未经矫平弯曲度较大，不能顺利的送入矫平机。引料机的作用是夹紧料头为初始送料提供动力，由一对辊轮（上辊和下辊）和托板组成。工作时升起进料托板托住由开卷机送过来的料头，在料头送进引料机后气缸驱动引料机的上辊压紧卷料料头，将料头送入矫平机。料头送入矫平机后，上辊由液压缸驱动升起，至此引料机进入非工作状态。

3.3 清洗机和料头剪

结合投资可行性分析，因目标产品多为非外板件的车身结构件，对外观要求相对较低，且钢厂卷料包装已满足清洁度要求，故该开卷落料线不考虑投入清洗机和料头剪，亦不预留安装位置。

3.4 矫平机

矫平机的作用是对卷料反复正反弯曲矫正，不断改变卷料弯曲方向消除材料内应力，达到矫平卷料的目的[1]。结合投资可行性分析，矫平机采用六重19辊设计。矫平机主要由机架、横梁、电机、矫平辊组成，其工作速度最大可达60 m/min。

工作时上排矫平辊连同活动横梁一起，由电机驱动蜗杆机构升起，待料头到达时再下降，矫平间隙由传感器反馈调整，矫平间隙可在主控面板上调整。

3.5 活套

开卷落料线工作时，开卷机和矫平机是连续工作的，即一直保持连续送料运动，而落料压力机工作时在模具冲裁的瞬间要求板料相对模具是完全静止的。如此势必会在矫平机和送料机之间产生材料的堆积，需在矫平机和送料机之间设置活套作为堆积材料的缓冲装置。结合送料速度和生产节拍等因素，活套地坑长度5 m、深度4 m。活套由活套坑、摆桥、液压缸及检测装置构成。

工作时升起摆桥，将矫平机送过来的料头经摆桥（摆桥上设置有滚轮）送到送料机，送料机夹紧料头后摆桥由液压缸驱动下降。工作时堆积的板料在活套坑内缓冲，活套坑内设置有光电检测装置，通过活套坑内的检测装置自动调节开卷机和矫平机的送料速度。当尾料经过矫平机后摆桥升起，作为输送平台防止尾料掉入坑内。活套坑底部设置有料架，防止设备故障失去动力时板料掉入坑底污染板料。

3.6 导向装置

为保证线体送料横向尺寸精度和调整纠偏不同宽度的板料，在活套坑后送料机前设有导向装置。导向装置主要由托辊及其两侧的立导辊组成。立导辊设置数量为8组16个，每组立导辊固定在一个滑座上，各组分别有电机经减速机和螺纹副带动滑座沿板宽方向移动，移动范围满足最大和最小板宽。

工作时立导辊由电机经减速机和螺纹副驱动张开到略大于板宽位置，在料头经过导向装置刚送到送料机时，再调整立导辊到接触板料宽度方向边缘。

3.7 送料机构

送料机的作用是精确夹送板料，满足不同模具的送料步距，为尾料送料提供动力，并有防退装置在产线故障时防止板料倒退。送料机构主要由送料辊、测量辊、伺服电机、防退料装置、伸缩辊道、尾料夹送装置等组成。送料机是生产线的关键部分，直接关系到生产质量，重复送料精度要求为±0.1 mm，送料速度最高可达140 m/min。为适应不同送料高度的模具，送料机构高度可在一定范围内调整。

工作时伸缩辊道伸向压机直至接近模具边缘，送料机上辊由液压缸驱动升起，待料头到达时上辊压住料头，上辊送料夹持力可在主控面板上调整。压住板料后测量辊根据设置的送料步距开始精确送料。伸缩棍道末端（靠近模具侧）带有尾料夹送装置，当尾料经过送料辊后尾料夹送辊开始工作送料，以减少材料浪费。

3.8 压力机

压力机为单动四点式压力机，考虑到码垛方式为机器人取料结合线体节拍，采用中大行程以满足机器人取料空间。结合投资可行性分析以及考虑取料机器人安装空间，压力机采用单工作台即可满足要求。压机滑块预留有上模夹紧器安装位置。结合工艺要求，不考虑摆剪模。压力机采用偏心曲柄结构，因机器人取料时滑块需停在上死点，故采用湿式离合器。同时压力机工作台前后两侧设置有废料滑槽，将冲裁废料排到废料输送线。

工作时压机安装有模具，当板料送料到位后，检测信号传递给压机完成一个冲次。

3.9 码垛系统

码垛系统的作用是将装在压力机上的模具冲裁好的料片移动到码垛工位，使料片整齐有序的堆堆垛。开卷落料线常见的码垛方式主要有皮带机下料、机器人下料、电磁皮带码垛下料三种方式[1]。不同的码垛方式对开卷落料模的结构要求有所差异。

3.9.1 皮带机/人工下料

工作方式：每个冲次后冲裁好的料片从模具滑出到皮带机上，在皮带机两侧由人工取料码垛或在皮带机末端设置料框，料片直接从皮带机掉入料框内。由于料片是从模具中滑出，压机可采用滑块小行程、连续工作模式，模具设计时需充分考虑料片从模具中顺利滑出。该种方式的特点为投资少，适用于中小件及对外观要求低的零件。在考察调研中个别零部件配套厂采用该种方式码垛最大节拍可达80SPM。

3.9.2 机器人下料

工作方式：每个冲次后冲裁好的料片静止在模具上，安装有端拾器的机器人伸入模腔内拾取板料，再移出模腔将板料放在堆垛台上。因机器人需要在模腔内拾取板料，要求压机滑块有较大的行程保证取料空间，同时压机采用单次工作模式。模具设计时要考虑料片在模具上的位置准确性。该种方式的特点为投资中等，技术成熟（与冲压串联自动线原理相同），适用于中大件，但换产时一般需要更换端拾器。机器人下料方式的实际应用节拍参考冲压串联自动线，即便采用七轴一般为10～12 SPM。

3.9.3 电磁皮带码垛下料

工作方式：料片在模具下料侧的皮带机上被切断，被皮带机传送到线外。皮带机上方设置有磁性皮带，当料片被传送到线外磁性皮带机下方时吸附到磁性皮带上，直至被磁性皮带传送到码垛位置时，磁性皮带机停止动作并同时失磁，料片落到码垛位置。该种方式投资较多，效率较高、适应性好，适用于大尺寸的外板件料片。在考察调研中个别板料剪切配套厂的进口设备实际应用节拍可达40 SPM[1]。

三种常见的码垛方式特点各异，投资差异较大，在可行性分析中是重点考虑的部分。综合考虑产线节拍、目标产品、生产工艺和投资经济分析，采用机器人下料的堆垛系统可极大地降低投资成本并兼顾生产效率。

堆垛系统由机器人、七轴、端拾器、码垛台车等组成。工作时，待压机完成动作滑块回到上死点前某一角度发出信号，机器人接收到信号后带动七轴和端拾器伸入模腔拾取板料，将板料转移到码垛台车上。每次抓取放料后码垛台车自动下降，直至下降500 mm装满料片后，码垛台车开出，另一个空载码垛台车开入继续生产。

3.10 开卷落料模

开卷落料模直接决定了料片的质量和经济效益。并不是所有的产品都适合开卷落料生产，在现有和即将开发的冲压产品中，结合开卷落料线主要参数，从料片尺寸、生产效率、劳动强度、材料利用率、委外加工成本等几个方面综合考虑，识别出适合在开卷落料线生产的产品，形成目标产品清单。

开卷落料模一般也是需要工艺设计和结构设计。工艺设计中除了匹配码垛方式外，首先考虑落料片的轮廓合理性，避免因料片轮廓不合理带来的如模具（刀块）结构强度问题等。其次要重点考虑料片的排样合理性，提升材料利用率，采用无废料或少废料的方式[4]。同时要考虑钢厂提供的钢卷尺寸范围，若排样方式的宽度超过或小于钢厂所提供材料尺寸范围，则方案无法实现或将产生额外的加工成本。模具结构除按公司模具设计标准设计外，还要考虑与开卷落料线的匹配，如辅助托料架、导向装置，以及在级进落料中关注导正销的设计。因采用机器人下料的堆垛方式，工艺和模具结构设计中要考虑料片在模具上的稳定性。此外，尽可能采用一模两（多）件的工艺提高生产效率。

3.11 控制系统

控制系统是生产线的大脑，负责生产线各模块的逻辑运算、动作顺序，将指令输入转化为动作输出。PLC控制系统发展至今具有使用灵活、通用性强、抗干扰能力强、接口简单、维护使用简单等特点，可用于开关量控制、模拟量控制、数字量控制、数字采集、监控和联网通讯等领域，是目前自动化生产线常用的控制方式。目前工业生产线主流控制系统有西门子控制系统、AB（罗克韦尔）控制系统、三菱控制系统等，本次规划设计拟采用AB控制系统。

生产线从功能模块上划分为三个部分：开卷矫平、压力机和码垛[5]。开卷矫平部分由型号为1769-L33ERM的PLC控制，压力机和码垛系统由型号为1769-L33ERMS的PLC控制，采用工业以太网的通讯方式。

工作时开卷矫平部分将板料送入压机完毕后发送送料完成信号给总控PLC，总控PLC经过一定的逻辑处理后再将信号发送给压机。压力机收到总控PLC的送料完成信号后，同时接收到码垛机器人准备完成信号，压力机滑块开始动作完成一个冲次。滑块完成动作后发送信号给码垛机器人，码垛机器人开始动作取料。取料完成后发送信号给开卷矫平部分，开卷矫平部分接收到信号后开始下一个送料动作。其中码垛部分的PLC是作为三个部分通讯联动的总控PLC。

综上，完成工艺规划设计后生产线主要工艺参数如表2所列。

表2 开卷落料线主要技术参数

4 工艺布局及配套设计

在工艺规划设计完成后，需考虑生产线次工艺布局规划及其配套设施，输出工艺布局图。

4.1 厂房

生产线规划位置为冲压车间开料区域，厂房为标准冲压厂房，地坪承重、厂房高度、厂房面积满足产线要求；厂房内需进行动力改造已满足产线用电要求。这里需要注意的是在规划中不能只考虑厂房高度，同时要考虑行车轨道高度。

4.2 物流规划

合理的物流规划可以最大化的发挥产线优势，保证生产运行的流畅程度，减少过度搬运的浪费。规划中要考虑卷料存放区、成品存放区、板料翻转区、托盘存放区、模具存放区、模具修理区等功能区。通过对产能等的测算，合理的规划各功能区的面积。

4.3 配套设施

大多生产线都是一个系统工程，配套设施的有无及好坏对产线运行十分重要。

4.3.1 行车

产线运行中势必存在大量的物流过程，行车是物流过程中的重要设备。该区域内原有两架行车，均为16T/32T双钩行车，考虑到产线模具重量和卷料重量等参数，16T/32T行车满足使用要求。前文提到规划也要考虑行车高度，行车轨道高13.5 m，产线最高的设备为压力机，顶高9 m，行车轨高满足要求。

4.3.2 板料翻转机

为节约模具成本，一般对称件只开发一套模具，在生产其中一边时需要翻转板料[2]。翻板机的作用就是将包扎好的板料翻转180°。翻板机主要由框架、电机、液压缸等组成。规划翻板机时需考虑翻板重量、翻板尺寸、翻板速度等，同时要考虑上料方式。

工作时将打包好的板料放入翻转机，翻转机压紧固定板料，随后进行0°到180°翻转。翻转完取出板料后可继续下一次由180°到0°的翻转，而无需由180°翻转回 0°复位。

4.3.3 废料线

废料线的作用是将开卷落料模产生的废料输送到指定区域以便集中处理。废料输送线一般由电机、支架、输送链（板）、挡板、废料滑槽等组成。规划时需根据产线生产能力计算出废料排放量，规划废料线的输送能力。

工作时提前启动废料线，压力机的每个冲次后，废料由模具废料滑槽滑出到工作台前后的废料斗中，经过废料斗排放到废料线上，输送到车间外。

5 项目实施计划管理

开卷落料线项目投资额较大，建设周期长。为使产线尽快投产产生经济效益，须进行科学合理的项目管理。

5.1 项目组织机构和主计划

为使项目顺利开展，立项后完善健全的组织机构和便于跟踪的项目主计划是首当其冲的。如图2所示，项目组织机构明确工作职责，设项目经理、项目管理员以及按工作分工划分的项目小组，如设备导入（包含配套设备）、土建公用、模具开发、现场调试等。

图2 项目组织机构示意图

项目主计划由项目中各子项工作构成，由各工作小组拟定后由项目管理员统筹审核后报项目经理批准。制定项目主计划时要注意各项工作的时间衔接，各项子工作要明确关键工作完成时间节点（里程碑），且各阶段要有交付物便于项目工作状态评估。主计划采用甘特图展示。

5.2 预算管理

为保证投资预算的受控和合理应用，要对预算进行管理。在立项时由各工作小组提交各子项工作预算，由项目管理员汇总后报项目经理审批。项目预算编制时除各子项预算外还需考虑差旅费用、辅料费用等。项目各个阶段的预算使用需经过各子项工作小组负责人严格初审，报项目管理员审核后由项目经理审批，且项目预算使用情况需定期通报。

5.3 项目会议

项目会议（例会）是项目内工作沟通协调的有效载体，能够保证项目顺利开展。因项目投资周期长，项目采取月例会的形式。例会上展示沟通的主要内容有：项目主计划各工作开展情况、项目总体进度评价、项目预算使用情况、完成工作及即将开展工作、需支持工作、项目风险识别、项目进展图片展示等。项目各工作内容有白色（正常开展）、绿色（已完成）、黄色（延迟完成或滞后但有对策）和红色（滞后无对策或风险项）四种状态。另，项目中的技术资料、会议资料等文档须妥善存档管理。

6 项目总结

项目的成功固然重要，项目中可复制借鉴的经验也同样重要。从管理角度看，一个完整的项目不仅仅是项目交付，还应该包含对项目的总结。

项目总结主要包括项目目标达成情况与实际对比、项目计划完成情况回顾、项目安全情况、项目交付质量、项目预算执行情况、项目开展运行中的经验教训、项目主要成果等。

生产线交付投产一年后，实际增加落料产能400万件/年，远超过项目预期目标。同时开卷落料线的应用带来了可观的经济效益。

7 结束语

在原材料价格上涨的背景下，越来越多的汽车零部件制造企业开始考虑开卷落料线的投资。开卷落料线的规划设计是一项系统工程，在考察调研开展投资可行性分析后进行合理的规划设计，选择最适合自身需求的方案避免过度投资，进行科学的项目管理和客观的项目总结，在满足项目目标的前提下可实现投资最小化，为行业提供了借鉴思路。