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沖壓智慧製造示範場域

摘要"

現今的金屬沖壓生產廣泛應用於各個產品領域,在各類產品零件中佔有非常重要的地位,在機械製造產業中大量產製的零組件常利用沖壓機械對薄板金屬施行沖剪、成形、彎曲、引伸和壓縮等加工,製成各種工業用及家庭用板金零件與製品,無論是精密機械、飛機、汽車、機車、船舶、軍火、鐘錶、電機、電子、家電和家俱等諸多產品零件。許多機械加工品、鑄件、壓鑄品及鍛造品到生產後期逐漸會被沖壓品取代,原因在於連續沖壓模具具有大量生產之特性,在製造上被廣泛使用。
過去臺灣沖壓模具產業在全球雖仍占有一席之地,但隨著終端產業全球設廠及在地化供應鏈趨勢下,國內需求降低。低價產品有中國大陸壟斷,高階產品出口又面臨日韓競爭,在國際上有逐漸被邊緣化的趨勢。未來沖壓模具產業應落實智慧化升級轉型,達到產品開發高品質、低成本、短交期的要求,以提升國際競爭力。因此經濟部工業局108年度委託金屬中心建置「沖壓模具產業智慧製造示範場域」,以產品高值化、製造智慧化及管理數位化為三大目標,帶領台灣模具產業與機械產業組成「國家隊」,一起為金屬加工製造產業打「世界盃」,以爭取更多的國外訂單。

關鍵詞:沖壓、伺服沖床、智慧製造

沖壓智慧製造示範場域介紹

沖壓智慧製造示範場域為了推廣國內沖壓相關機械設備,所以場域內均為國產化設備。廠內設備包含400噸伺服沖床一台、30kg六軸機器手臂一台、20kg六軸機器手臂一台、三合一送料機一台、片料機一台、雷射3D掃描儀一台、雲端監控系統一套等。各設備之簡易規格說明如圖1所示。另外此場域同時發展智慧虛擬試模、雲端模具與材料資料庫、產線資訊可視化系統等智慧製造技術。

伺服沖床

目前,沖床設備主要分為油壓式及機械式兩種。油壓沖床的優點是可以根據模具需求,客製化設計滑塊的工作曲線與行程;而缺點是因為滑塊驅動系統使用流體技術,所以生產效率低。而機械式沖床優點是生產效率高,但運行過程中滑塊的速度及加速度大,合模時衝擊力大,降低模具的使用壽命;同時因為使用飛輪與離合器驅動滑塊系統,所以滑塊工作曲線不可調整,已不能滿足現代市場發展的需要。而伺服沖床則兼具油壓沖床與機械沖床的優點,除了滑塊工作曲線不再是固定不可調外,也能擁有高生產效率。這是因為伺服沖床採用交流伺服馬達作為主要動力來源,透過伺服功能可根據製程要求進行滑塊工作曲線最佳化,這就大大提高了沖床智慧化程度和適用範圍。所以伺服機械沖床與傳統機械沖床相比,具有以下特點[1]:
1. 高度可調與控制性:由於伺服沖床的伺服馬達轉速是可以無段調節的,因此有可能在沖壓過程中實現沖壓運動和沖壓力的無段調節。因此滑塊工作曲線不再僅僅是正弦曲線,可根據不同生產工藝和模具要求進行優化設置(如圖2所示),通過程式編制實現滑塊“自由運動”,大大提高了沖床智慧化程度和適用範圍。
2. 高精度:伺服沖床可以針對產品要求選擇最合適的成形速度和滑塊工作曲線,另外伺服沖床一般均裝有滑塊位移檢測裝置和行程調節裝置,所以滑塊的任意位置可以準確控制,使得滑塊下死點精度可達到 0.01mm。因此伺服沖床可以得到更好品質的成品以提高產品的合格率,同時也可延長模具的使用壽命。
3. 生產的高效性:提高效率的常用方法是提高沖壓次數,但過分提高沖壓次數會給成形帶來不良影響,而且與潤滑狀況、震動及衝擊等因素一樣會造成模具壽命降低。而伺服沖床可以合理設計滑塊行程,提高非成形區域之工作速度,藉此提升生產效率。
4. 易維護:伺服沖床從馬達直接驅動滑塊作動,省去飛輪、離合器等裝置,因此傳動過程中的耗損大大減少,所以維護較容易。
5. 環保、節能:無飛輪、離合器等零件,簡化了機械傳動,從而可大大降低噪音。伺服沖床滑塊於上死點停止時,伺服馬達也是停止運轉,加上馬達的電力可以回收利用,所以伺服沖床的能耗,是相同工作能力的機械沖床的 40%與油壓沖床的 30%。

機器手臂

由於製造企業技術的不斷進步,對工業機器人的需求越來越大,因而工業機器人技術在製造業應用範圍也越來越廣,其標準化、模組化、網路化和智能化的程度越來越高,功能也越來越強,正在向著成套技術和裝備的方向發展。在沖壓加工產業中,沖床機械手自動化生產線成套裝備已成為自動化裝備的主流及未來的發展方向。目前在業界廣泛使用的工業機器人依據自由度可分為三種,直角坐標型機器人(Cartesian Robot)、多關節型機器人(Articulated Robot)、水平多關節機器人(SCARA Robot)。多關節型機器人較常見的有六軸機器人(如圖3所示),由於高達六個自由度,能夠讓末端端效器以較多的角度或路徑到達目標點位置。但也因為自由度高,要解出各個馬達的演算法較為困難,且必須設定較多限制條件,避免手臂以非預期的路徑到達終點位置。機械手的執行機構一般可分為手部、手臂、軀幹,各機構功能說明如下:
1. 手部:手部安裝在手臂的前端。手臂上一般設有電控用輸出輸入埠,以及氣壓用輸出接頭,可進行不同的手部控制動作。沖床機械手手部一般常用有手指型夾頭以及吸盤。手指的數量又可分為二指、三指、四指等,其中以二指用的最多。可根據夾持對象的形狀和大小,搭配合適的夾頭以適應操作的需要。吸盤式的手部,一般可分為真空吸盤或電磁式吸盤。
2. 手臂:機械手的手臂的作用是引導手部準確地抓住工件,並運送到所需的位置上。為了使機械手能夠正確地工作,手臂的2~6個自由度都要精確地定位。
3. 軀幹:軀幹是安裝手臂、動力源和各種執行機構的支架。
而機器手臂應用於沖壓產線,將可幫工廠與產線帶來以下的效益:
1. 可代替人工作業,減少勞動力。
2. 生產效率,交期可準確計算,不受人工不確定因素影響。
3. 可確保產品重複精度降低不良率。
4. 可以與其他周邊設備連線相互通訊和控制,並且可儲存多套不同生產
模式。
5. 可假日連續工作,綜合分析可在1~2年左右收回設備投資成本。
6. 避免工人從重複勞動中的疲勞所造成的工傷風險等安全事故隱患。產業災害發生率 0%(人身傷害)。...更多內容,請見《機械新刊》

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