自動化和智能化近年來逐漸成為制造業主流，很多公司根據自身情況，對現有設備進行改造，或者全套引進自動化設備。無論是改造還是引進，都是鍛造自動化萬里長征的第一步，無論單工位或者多工位鍛造，整條生產線或者局部自動化都是一個龐大的工程，需要對所有生產環節進行信號收集及聯鎖監控，實現對工件傳輸與設備控制的系統化整合。通過系統化整合減少人工、降低人力成本和提高生產效率，使生產工藝平穩可控，最終保證產品質量。以我公司某條鍛造生產線為例，整條自動化生產線主要包含備料、自動上料、加熱爐加熱、自動分選出料、壓力機自動鍛造、自動送料裝置（機械手和傳送帶配合）、自動潤滑系統、余熱正火等關鍵節點。根據多年的自動化改造經驗，將制約現有自動化線生產效率的因素總結，與大家分享。
精密下料
精密下料部分主要實現根據坯料的材質選擇下料方式，應確保坯料的重量和端面的質量符合工藝要求，尤其坯料端面不能有毛刺和鋸屑且傾斜度不能超過1.5°，避免端面斜度大而產生折疊等缺陷，同時為自動上料和后續鍛件充滿良好做好準備，避免上料過程出現卡料等故障。精密下料是自動化平穩運行的第一步，是產品一致性達標的基礎，極大影響著自動線生產效率。精密下料系統如圖1所示。
自動上料和加熱系統
翻料機系統
精密下料后的坯料，通過傳送帶或者叉車，放入中頻感應加熱爐的料箱翻斗內，翻料機（圖2）根據階梯上料的料斗缺料信號進行翻轉將料送至階梯式自動上料機。采取階梯上料方式；為確保能有效上料，上料過程最好配備打料系統或者料斗振動系統，確保站立的坯料自動剔除或倒下；在料斗內坯料不夠時能自動報警提示操作工進行上料。加熱爐前輸送系統
在傳送帶上坯料通過變頻夾料系統、氣缸推料、滾輪三種方式進入加熱爐，如圖3所示。送料系統配備失速卡料報警裝置，來監測坯料的運行狀態，坯料正常運行時，監測機構發出穩定的脈沖信號，坯料傳輸過程中由于卡料或者傳輸不暢等因素導致坯料未能按設定的速度傳輸時，脈沖信號異常，與PLC連接的控制系統馬上報警并切斷中頻電源，系統報警或者停機，以確保坯料不會熔化在爐膛里，避免損壞打結爐襯。
穩定的負反饋加熱爐加熱
自動上料機夾輥輪或者氣缸將坯料送入加熱爐，棒料以連續均勻的速度通過加熱感應線圈加熱至設定溫度。為確保生產的穩定性，整條加熱爐必須實現負反饋加熱，在出爐口安裝紅外測溫儀光電檢測探頭，進行實時溫度采集。當溫度超過或者低于設定溫度時，PLC自動調節補償電壓，確保坯料溫度的平穩性。如果沒有負反饋系統，加熱爐很容易受到電網電壓波動和附近設備啟停的影響，導致料溫不斷波動，不能在要求的溫度內鍛造，造成過熱或者欠溫。進、出爐分選系統
進入爐膛前對坯料重量進行分選，確保進入加熱爐的坯料滿足工藝要求。爐膛出口設置測溫系統，但最好能實現爐內測溫，避免爐口測溫因坯料氧化導致誤差較大。坯料通過快速出料系統，經過測溫系統傳輸信號給PLC，溫度顯示到觸摸屏上，比對后控制三路分選機構（圖4）。加熱過的工件唯有經過PLC判斷后，才能被過熱、欠溫、合格三路分選裝置分選流轉送至下步工序，高溫料和低溫料分別滑入各自的滑道，符合溫度要求的坯料進入鍛造工序。
壓機自動鍛造
⑴目前高能螺旋壓力機在國內使用的比較多，大多通過工業機器人實現制坯、預鍛、終鍛成形；系統集成了壓力機、中頻加熱爐、工業機器人及自動噴墨等設備(圖5)，該套系統必須具備完善的狀態信息查看及故障報警、顯示功能，能夠快速判斷故障并迅速解決。⑵生產中，首先要保證坯料從加熱爐出來以符合要求的橫放或者豎放的狀態輸送到指定位置，該處位置不能隨意波動，定位工裝需要考慮高溫環境，防止受熱變形影響定位，必須保證精準定位，便于輸送裝置的夾爪夾持。
⑶自動輸送裝置（機械手）或者機器人負責將棒料從指定位置裝入模腔，我們以目前大多數廠家給高能壓機配套的多工位模腔為例，第一工步型腔鍛造完后，鍛造機械手負責將鍛件從第一個型腔挪動到第二個型腔和鍛造完后取出放到傳送帶上，鍛件自動傳送到壓床工位指定位置。無論機械手還是機器人，相似件可以通用一種卡爪（卡爪通常還會有定位元件，用來確定工件在卡爪中的正確位置），差異大的件必須重做卡爪，每次更換品種的時候更換卡爪，將工件分類，盡量減少卡爪的投制量，同時設計的時候要考慮卡爪抓卡的部位，形狀簡單的水平飛邊可以考慮飛邊上下兩側，工件上有大面積裸露的可以考慮抓該部位，總之設計的準則就是考慮抓取位置的穩定性。⑷高能壓機必須保證鍛件可以頂出型腔，頂出必須具有保持功能，而且要求頂出的工件必須平穩，每次的頂出狀態一致，這樣才可以確保機械手每次抓卡的位置一致，精準傳輸。鍛件頂出的位置和高低需要技術人員根據具體情況設計，以保證頂出的鍛件是平穩有利于抓取的，否則機械手會因為抓取時受力不穩而報警或者碰壞卡爪，造成生產延誤。⑸整個鍛造過程是一個軟系統，每個步驟保證按PLC系統的設置進行，對機器人運行軌跡進行編程，機器人的自動啟動、再啟動和手動操作時，必須確認必要的操作條件，確保設備不損壞，避免發生人員傷亡事故。
自動潤滑
脫模劑自動噴涂系統（圖6），能夠根據鍛件形狀移動噴嘴噴灑脫模劑及吹氣，在操控面板通過最合適潤滑和吹氣時間調整的組合，來實現最優化的噴涂。自動噴涂系統和機器人與壓機實現互鎖，任何一個工作的時候其他都不可以動作，機器人通過PLC集成，每次鍛造完成后，卡爪拿走鍛件，給自動噴霧裝置信號，裝置運動到模具型腔進行潤滑和冷卻，回位后給機器人信號，放料，開始新一輪的鍛造。在整個自動潤滑的過程中，最關鍵的是脫模劑的選擇和潤滑噴灑的效果（圖7）。
切邊沖孔工序
鍛造完成后，鍛件通過傳輸帶傳輸到壓床附近，并且實現自動定位，方便三軸擺臂手抓取，根據每個產品外形參數，選擇卡具，設置機械手運行路線，先手動操作，與壓床聯機，使雙方達到互鎖，等一切調試好后，可以使用自動模式，通過機械手進行抓取放置到沖孔切邊凹模上，切邊壓床進行切邊沖孔，完成后鍛件掉到床下面，傳輸帶直接將鍛件傳到產品料箱，機械手取走飛邊放置飛邊箱內，完成一個操作循環。
生產線自動控制系統
⑴控制系統采用PLC系統控制機器人、壓機等協調動作，采用觸摸屏操作界面，進行各項參數設定。主要參數包括：運行程序設置、運行速度、行程、控制權限等。⑵自動警示。整條生產線設備需要采用多處光電傳感技術，提醒操作人員及保障操作安全。自動警示包括：送料缺料警示、機器人漏取料警示、機器人異常安全停機警示和壓床異常安全停機警示等。⑶設備運行模式。運行模式采用自動模式和手動模式兩種，手工模式在調試時使用，自動模式在整條線都具備實現工況的條件下開始使用。所有人員必須遵守安全規則，劃定機器人或者機械手運行的范圍，在不確定安全狀態下嚴禁進入，等設備調試順暢后，所有機械手運行軌跡都要封閉。⑷停止模式。1)切斷電源停止：通過關閉操作屏上電源按鈕或切斷設備電源。2)緊急停止：在發生事故時使用緊急停止按鈕，緊急停止按鈕必須裝在機械手附近，方便操作工以最快的時間停止設備，按下緊急停止按鈕后使機械手的所有動作立即停止。
模具設計思路
自動化模具設計必須考慮模具壽命，快速鍛造模具溫升過快，模具排水排氣，鍛件抓取等問題。鍛造工藝的設計，首先從鍛造圖出發，想象幾種可能的鍛造變形工序。對各變形工序的材料流動以及所需噸位進行計算分析后，設計模具、制模、試模、修模，最后應用于生產。盡管鍛件的形狀千姿百態，但通過總結也不難發現所有的形狀都是由一些規則的變形樣式組合得到的，這些變形樣式可歸類為端面矯正（對于剪床下料）正擠壓、反擠壓、鐓粗、閉式鍛造、穿孔、各種精整加工以及上述簡單加工方法的組合。模具在加強熱處理和模具材料提升的前提下，在工藝設計方面相應改進，將容易磨損的部分、圓角要求較小導致殘余應力大的模具部分做成小法蘭結構直接替換，避免做整個模具鑲塊，這樣就大大減少了模具費用方面的損失。為保證鑲塊的穩定性，沖頭和鑲塊采用過盈配合，并且沖頭和內孔采用數控機床加工，最大程度增加模具精密性。鍛造工藝數值模擬技術是一種較為先進的成形工藝分析與優化技術，能使工藝設計人員提早發現設計缺陷，提高設計可靠性和準確性。目前使用Creo4.0進行了鍛件及模具的3D建模，然后利用DEFORM-3D v10.1進行工藝的數值模擬，確保投入試制之前工藝方案的可靠性，使成形工藝參數趨于最優。圖8是我們設計的一種深型腔法蘭件產品，通過模擬，找到了最佳的模具設計方案。
快速換模系統和快速換產系統
生產線配有快速換模系統，由換模小車、導軌和換模支撐臺組成，壓力機配有兩套模座，一套在壓力機上進行鍛造，另一套可進行組裝備用，通過這種更換方式，我們將大量的內部換模作業轉化為外部作業，從而縮短設備停機時間，提高設備生產效率，如圖9所示。
自動線上更換模具或者換產是輔助時間最長的，我們稱之為內部作業時間。在生產過程中，我們努力將內部作業時間轉化為外部作業時間。在我們初步投產時，換產調試一個產品的時間是6.5小時，經過我們進行快速換產SMED（圖10）項目后，換產時間下降到2.6小時，大大提高了設備的OEE。我們主要優化了換產步驟和人員配置的標準化作業和流程，模具安裝的標準化作業，內外部作業區分轉化表等多項工作，將換產時間和更換模具時間大幅壓縮。圖11是換產過程中最大時間問題點分析和對策，逐一將最大時間進行減少，來降低換產時間。
人才梯隊是自動化實現的保障
自動化降低了人的體力勞動，但是對人員的綜合技能要求更高，為了讓自動化線生產率提高，必須消除人為因素對生產效率和產品質量的影響，提高設備穩定性和一致性，更需要一支高素質的自動化設備保養維護團隊，這個團隊才是自動化線提高生產效率的核心保障。人才的投資培養，甚至更重于設備的投入。一個自動化高效率的生產，需要工藝技術人員、設備維護人員和熟練的操作技工互相配合。我公司采取自我培養和外部進修的方式，自我培養從員工進入公司之時就制定明確的培養計劃，打造機電一體的培養體系；對外進行技能提高培訓，加強與外部的學習和交流。
總結
工業自動化的應用越來越廣泛，傳統的鍛造行業是高危、高污、高溫行業，實現自動化生產迫在眉睫，自動化裝備代替人工，合理配置生產線，使其發揮最大效益，提高產品質量，提高企業生產能力，最終推動公司由“制造”向“智造”轉型。
