文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床的實(shí)際應(yīng)用（連載三）

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床與各工位的送料自動(dòng)化

沖床和送料時(shí)間曲線

本文以一臺(tái)沖床中的成形品（或半成形品）和加工圖中外形成形后產(chǎn)生的廢料為對象進(jìn)行闡述。

⑴順?biāo)图庸し绞剑ㄊ褂镁聿倪M(jìn)行的步進(jìn)式加工）。如圖1所示，為伺服沖床的幾種運(yùn)轉(zhuǎn)模式。滑塊的運(yùn)轉(zhuǎn)模式主要是由下死點(diǎn)附近滑塊速度來區(qū)分，即如果改變曲軸在下死點(diǎn)的速度，也就決定了滑塊的運(yùn)轉(zhuǎn)模式。

圖1 伺服沖床的各種運(yùn)轉(zhuǎn)模式

關(guān)于圖1中下死點(diǎn)停止，可以這樣理解：因驅(qū)動(dòng)沖床伺服電機(jī)的差異滑塊能夠在下死點(diǎn)停止的時(shí)間就有所不同，有的是幾乎不能在下死點(diǎn)停止、有的可以停止到1min，一般的伺服沖床可以在下死點(diǎn)停止0.2～1.5s左右。從沖床的能力發(fā)生點(diǎn)開始到下死點(diǎn)為止伺服沖床需要有最大的扭矩來驅(qū)動(dòng)滑塊，因此這時(shí)伺服電機(jī)使用的電流量最大，強(qiáng)大的電流使電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生很大的“鐵損”，使伺服電機(jī)開始發(fā)熱。電流越大電機(jī)的回轉(zhuǎn)力就越大，發(fā)熱的程度就越高，因此技術(shù)人員希望通過電機(jī)的最大電流時(shí)間越短越好。雖然通過使用空冷、水冷等方法可以抑制伺服電機(jī)溫度上升，但電機(jī)的溫度仍可能超過100℃，如果發(fā)生了接觸足可導(dǎo)致燙傷事故的發(fā)生。

另外，控制伺服電機(jī)的IGBT模塊也會(huì)有很高的溫度，這會(huì)直接影響IGBT模塊壽命。為解決這個(gè)問題需要在伺服電機(jī)的配電盤里設(shè)置專用的冷卻裝置。伺服電機(jī)存在著諸多類似的限制，所以部分雖然被稱之為伺服沖床卻不能實(shí)現(xiàn)下死點(diǎn)的加壓停止。技術(shù)人員要在充分理解使用說明書的基礎(chǔ)上正確地使用沖床，對任何有疑問的地方，要向生產(chǎn)廠家咨詢，以防止出現(xiàn)電機(jī)被燒毀、IGBT模塊被燒毀的問題。

伺服沖床的滑塊運(yùn)轉(zhuǎn)速度要根據(jù)沖壓加工內(nèi)用的需要變化成最合適的速度。滑塊的速度改變就是讓曲軸在一周的回轉(zhuǎn)內(nèi)用不一樣的轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)，使滑塊的上下速度發(fā)生改變。為了避免此類問題產(chǎn)生，設(shè)備廠家必須對每一個(gè)模具都繪制出時(shí)間曲線圖（最佳方案是，在模具設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到自動(dòng)化裝置的送料時(shí)間等因素），使模具和成形品之間不發(fā)生干涉。然而，最終的時(shí)間曲線還要到試模以后才能決定。

⑵與送料精度有關(guān)的事項(xiàng)。在保證送料必要時(shí)間的前提下，盡量縮短送料的時(shí)間。為達(dá)到短時(shí)間內(nèi)完成送料的全過程，必須提高送料的速度。但提高送料速度，會(huì)對精度產(chǎn)生不良的影響。順?biāo)图庸r(shí)，送料精度的優(yōu)劣直接影響著成形品的精度和品質(zhì)，因此保持良好的送料精度是非常必要的。

一般來講，影響送料精度的因素主要有以下幾方面：

1)送料裝置本身的精度。驅(qū)動(dòng)送料輥輪的齒輪類齒隙比較小，驅(qū)動(dòng)送料輥輪的伺服電機(jī)可以靈活、適度地加、減速。

2)有開卷、整平機(jī)的情況，對開卷、整平機(jī)的要求與1)相同。

3)送料中心線。送料裝置的中心線與沖壓機(jī)械的中心線必須設(shè)置在同一直線上。如果不在一條直線上，開卷后的材料被送到模具時(shí)，相對于模具就是傾斜的，模具內(nèi)部的材料導(dǎo)向、送料裝置的側(cè)面導(dǎo)向等都會(huì)發(fā)生很大的抵抗，在很大程度上降低送料的精度。

4)卷料的幅寬精度。當(dāng)卷材從很寬的材料剪切成我們需要的寬度時(shí)，因剪切裝置的精度和剛度的原因剪切下來的材料幅寬會(huì)出現(xiàn)正、負(fù)誤差。在通過模具的導(dǎo)向柱時(shí)，材料過窄就會(huì)產(chǎn)生間隙，發(fā)生抖動(dòng)，使送料的精度下降。在通過模具的導(dǎo)向柱時(shí)，材料過寬會(huì)被壓縮變形，也會(huì)嚴(yán)重降低送料精度。

5)材料卷料寬度的波形。卷料幅寬方向的波紋形狀（波形鼓起）一定要小，在卷料寬度方向上2000mm的長度范圍波形鼓起也必須在2mm以下。隨著板厚的增加鼓起也會(huì)增加，嚴(yán)重時(shí)2000mm的長度范圍內(nèi)會(huì)有5mm以上的鼓起，這樣的材料就不能送料了。

6)卷料幅寬方向的厚度精度。卷材都是由很寬的壓延鋼板卷曲而成的，相對來說靠近中央（幅寬的60%前后）附近的精度比較好，幅寬方向的兩端（各20%左右）呈現(xiàn)逐漸變薄的現(xiàn)象，厚度的精度明顯變差。此時(shí)，幅寬精度比較差的卷材也會(huì)影響送料精度。

7)材料表面需要一定的摩擦。與表面非常光滑的卷材相比，表面粗糙的鋼板和送料裝置輥輪間的摩擦系數(shù)要高，所以送料精度會(huì)相應(yīng)地得到提高。需要注意的是，粗糙面壓延鋼板是在冷軋延伸時(shí)，在材料表面形成許多非常細(xì)小、微淺的凹凸。這些粗糙的面會(huì)造成軋制油的殘留，也便于拉深加工。其中，經(jīng)過除掉熱軋鋼板酸化膜的酸洗材料具有一定的摩擦系數(shù)。另外，軋制時(shí)的軋制油膜也對送料精度有一定的影響，軋制完成后如果放置時(shí)間過長，軋制油就會(huì)產(chǎn)生干燥固化現(xiàn)象，送料時(shí)材料就會(huì)與送料輥輪發(fā)生滑動(dòng)，使送料的精度下降。

⑶沖床運(yùn)轉(zhuǎn)模式與其配合的時(shí)間曲線。

1)連桿運(yùn)轉(zhuǎn)模式。曲軸式的伺服沖床從上死點(diǎn)（0°）開始，回轉(zhuǎn)一周再回到上死點(diǎn)（360°），改變曲軸在不同角度位置時(shí)伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)速度，也就意味著曲軸的回轉(zhuǎn)速度在變化，也就是說滑塊的速度也隨之發(fā)生著改變。伺服沖床一般來說由控制沖程次數(shù)改變速度變化，即使要輸入連桿式的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，也要等指定好曲軸角度位置后，再輸入設(shè)定沖程次數(shù)。然而，螺旋式伺服沖床和油壓式伺服沖床是根據(jù)行程位置來直接輸入所對應(yīng)的滑塊速度。如圖1所示，運(yùn)動(dòng)曲線中連桿運(yùn)轉(zhuǎn)模式，在一個(gè)行程中即從加工開始到加工結(jié)束的時(shí)間（成形品從上模解脫為止的曲軸角度）很長，而送料的時(shí)間（模具和運(yùn)送中的材料不產(chǎn)生干涉為止的曲軸角度）就顯得很短，要提高每分鐘的生產(chǎn)量就需要加快滑塊的上升速度，盡量縮短滑塊上升時(shí)所用的時(shí)間。

級(jí)進(jìn)模加工過程中，模具的上下模位置和材料及成形品的相對位置示意見圖2，至少從上下模接觸開始到上下模分離前必須停止送料的動(dòng)作。

圖2 上下模的位置和運(yùn)送的時(shí)間曲線

傳統(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_床大多數(shù)是采用從曲軸引出輸出軸，借助齒輪直接驅(qū)動(dòng)輥輪式送料裝置的方式。一般送料開始是從曲軸角度270°開始，到曲軸角度90°完成。輥輪驅(qū)動(dòng)采用NC控制的伺服電機(jī)，從送料開始到送料完成時(shí)間可以任意設(shè)定，無論是間歇送料還是長尺寸送料，甚至在每次行程中不一樣的送料長度都是可以做到的。

在一個(gè)行程中，伺服沖床曲軸的回轉(zhuǎn)速度可以根據(jù)加工部品的要求任意地改變。而順?biāo)图庸ぶ?，若輥輪式送料裝置也采用NC控制方式，伺服沖床的回轉(zhuǎn)速度可以任意變化的特性就能得到更加充分的發(fā)揮。

2)往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)模式。伺服沖床的往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)模式就是沖床的曲軸不需進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)，以下死點(diǎn)為中心進(jìn)行鐘擺樣的正、逆的反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，效果是縮短了行程長度、提高了每分鐘內(nèi)的行程數(shù)。在實(shí)際加工生產(chǎn)中，采用曲軸角度在90°～270°之間（即曲軸在180°范圍內(nèi)）往復(fù)或曲軸角度在120°～240°之間（即曲軸在120°范圍內(nèi)）往復(fù)的情況較多。

在級(jí)進(jìn)模加工過程中，滑塊的行程長度越短留給送料的時(shí)間就越短，那么能夠利用的曲軸角度就越狹窄。因此，要求送料裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有良好的靈敏度和高的送料精度。要求送料精度高的另一個(gè)原因是，級(jí)進(jìn)模加工中滑塊的行程短致使能對送料精度起輔助作用的導(dǎo)向銷很難使用，送料精度基本上只能靠送料裝置的送料精度來保證。所以，使用往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)模式進(jìn)行級(jí)進(jìn)模加工時(shí)，一定要NC式（含壓緊式）的送料裝置。如圖3所示，能夠?qū)嵭兴土系臅r(shí)間很短，只能范圍是120°～150°、210°～240°。

NC式的送料裝置與沖床的曲軸在機(jī)械上并沒有連接，是通過電氣信號(hào)與沖床保持同步。整個(gè)行程過程只能靠沖床發(fā)出送料開始的信號(hào)和送料完畢的信號(hào)來完成。因此，在設(shè)定伺服沖床的運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，首先必須要進(jìn)行的是送料開始時(shí)的曲軸角度和確定送料完畢時(shí)的曲軸角度。如果曲軸運(yùn)轉(zhuǎn)到設(shè)定的角度時(shí)，沒有收到從送料裝置發(fā)出的送料完畢的信號(hào)，沖床就不能啟動(dòng)。如果沖床是處于與送料裝置同步的狀態(tài)下、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)方式時(shí)，在沒有收到送料完畢的信號(hào)沖床就會(huì)停止在指定位置，必須要有一個(gè)連鎖急停信號(hào)。

滑塊的上升和下降通過曲軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，送料開始的信號(hào)要在兩個(gè)位置發(fā)出，這兩個(gè)位置是下死點(diǎn)的前面（0°～180°）一側(cè)和下死點(diǎn)后面（180°到上死點(diǎn)）一側(cè)，正轉(zhuǎn)側(cè)和反轉(zhuǎn)側(cè)是以下死點(diǎn)為中心，曲軸的角度是對稱的。送料完畢的確認(rèn)角也是以下死點(diǎn)為中心的兩個(gè)對稱位置，在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)設(shè)定時(shí)要引起注意。

圖3 往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)模式、最大拉伸深度與送料可能范圍三者之間的關(guān)系

3)壓痕模式。見圖1，壓痕模式是在下死點(diǎn)附近停止0.2～0.5s，是將模具的形狀更好地復(fù)制到材料上的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。這種方式需要在下死點(diǎn)停止，那么每分鐘的生產(chǎn)量就會(huì)減少。為了提高生產(chǎn)率就必須提高曲軸的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，由此帶來的后果就是留給送料的時(shí)間變短。

一般來講，使用壓痕模式加工的都是尺寸較小、送料長度也相對較短的產(chǎn)品。在做送料裝置起動(dòng)和送料停止與沖床的同步設(shè)定時(shí)要引起注意。另一方面使用壓痕模式加工的厚板材料較多，導(dǎo)向銷雖然可以起到一定的輔助作用，但是在使用上比較困難，所以精度良好的厚板送料裝置就顯得格外重要。卷材邊緣的剪切毛刺、寬度方向的波形鼓起等也是保證送料精度的必須不可忽視的重要因素。

4)振動(dòng)模式。振動(dòng)模式是滑塊向下死點(diǎn)下降過程中讓滑塊進(jìn)行小幅度往返上下的動(dòng)作。非常像振動(dòng)所以稱之為振動(dòng)模式，并不是滑塊本身發(fā)生了振動(dòng)，在這所謂的振動(dòng)中曲軸進(jìn)行了微小的正反反復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。用這種運(yùn)轉(zhuǎn)模式生產(chǎn)時(shí)，送料完畢的曲軸角度設(shè)定要特別注意，送料開始的角度沒有特別注意事項(xiàng)。

5)上死點(diǎn)停止模式和上死點(diǎn)不停止模式。沖壓機(jī)械采用了伺服化，送料裝置也實(shí)行了伺服化，可以把裝置作為一軸來考慮，作為整體系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。早期傳統(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_床送料長度較長，沖床每進(jìn)行一次沖壓后必須在上死點(diǎn)停止，即必須使沖床實(shí)行“斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)”。不但生產(chǎn)量下降，對離合制動(dòng)器來說也是很大的負(fù)擔(dān)，加劇了離合器、制動(dòng)器的摩擦片損耗。

上死點(diǎn)停止的運(yùn)轉(zhuǎn)模式是滑塊在上死點(diǎn)的位置停止，利用停止的時(shí)間完成送料長度較長的送料，同時(shí)還可以使用“復(fù)動(dòng)加工”的模具。在完成了這一系列的動(dòng)作后滑塊又自動(dòng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)?！皬?fù)動(dòng)加工”可以這樣理解，在滑塊上死點(diǎn)停止的時(shí)間里，切換模具內(nèi)（主要是上模內(nèi)）的部件，使一套模具起到兩套模具的效果。還可利用這種方法實(shí)現(xiàn)模具內(nèi)部產(chǎn)品的組合。模具部件的切換一般是利用空氣式或油壓式氣缸進(jìn)行，在切換所需行程長度很小的情況下也可使用電磁鐵的方法。另外，在切換開始和終了的位置必須設(shè)置“動(dòng)作完畢”的檢測器。

上死點(diǎn)不停止的運(yùn)轉(zhuǎn)模式是讓伺服沖床在送料時(shí)曲軸的回轉(zhuǎn)速度減慢，送料完成的同時(shí)再回復(fù)到高速運(yùn)轉(zhuǎn)?；瑝K不需要每周都在上死點(diǎn)停止，使生產(chǎn)效率得到提高。由于行程很短，這種運(yùn)轉(zhuǎn)模式可以切換使用復(fù)動(dòng)模具。