文/周曉東·西門子（中國）有限公司

伺服壓力機(jī)沖壓曲線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

文/周曉東·西門子（中國）有限公司

新型伺服壓力機(jī)采用幾臺(tái)大扭矩同步伺服電機(jī)來取代傳統(tǒng)壓機(jī)中的電機(jī)、飛輪、離合器和制動(dòng)器部分。利用大功率的伺服控制器來控制扭矩電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置和扭矩輸出，從而來控制滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線，在沖壓時(shí)降低速度，在回程增加速度來提高效率，根據(jù)不同的模具要求可以靈活的修改滑塊的運(yùn)動(dòng)曲線來達(dá)到高的靈活性和柔性化。伺服壓力機(jī)根據(jù)不同沖壓工藝的要求，結(jié)合了機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，克服了各自的缺點(diǎn)，同時(shí)具有7個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

⑴簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)、較少的部件（較低的慣量）、高的加速度/高的沖壓次數(shù)。

⑵通過電子凸輪曲線的設(shè)置，可以達(dá)到滑塊運(yùn)動(dòng)的柔性化，減小對(duì)機(jī)械部分的沖擊。

⑶只在沖壓過程中消耗能量。

⑷無需機(jī)械離合器，不同的操作模式。⑸零速下保壓。

⑹易于調(diào)試和更換模具。

⑺低調(diào)試和維護(hù)費(fèi)用。

伺服壓力機(jī)電氣控制解決方案主要有以下幾個(gè)技術(shù)要點(diǎn)：合理的電機(jī)選擇；滑塊運(yùn)動(dòng)曲線的自動(dòng)生成和手動(dòng)修改；能量管理系統(tǒng)；電機(jī)的同步控制；通過手輪調(diào)試得到合適的適用模具的參數(shù)并可存檔。

伺服壓力機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)是提高生產(chǎn)節(jié)拍和完成復(fù)雜的沖壓工藝，對(duì)于大型的機(jī)械伺服壓力機(jī)來說，提高生產(chǎn)節(jié)拍的需求具有更高的優(yōu)先級(jí)，但是如何充分發(fā)揮伺服壓力機(jī)的優(yōu)勢(shì)是一個(gè)不小的難題。在一個(gè)沖壓過程中，壓力機(jī)、自動(dòng)化送料系統(tǒng)和模具是完成沖壓的三個(gè)主要部分，根據(jù)壓力機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和主要模具參數(shù)，以及不同壓力機(jī)之間的自動(dòng)化送料系統(tǒng)的參數(shù)，基于生產(chǎn)設(shè)計(jì)節(jié)拍為優(yōu)化目標(biāo)，通過對(duì)伺服電機(jī)的數(shù)量、速度與扭矩的關(guān)系，與之配套的驅(qū)動(dòng)器參數(shù)，以及減速機(jī)的減速比等系列參數(shù)，建立壓力機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，利用該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析優(yōu)化計(jì)算，選擇出性價(jià)比最高的方案。

針對(duì)在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，壓力機(jī)會(huì)配套不同的模具使用的實(shí)際情況，如果只是根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)的模具參數(shù)來設(shè)計(jì)沖壓工藝曲線，由于模具參數(shù)和與之配套的自動(dòng)化送料系統(tǒng)的參數(shù)變化，此時(shí)的沖壓工藝曲線并不能發(fā)揮壓力機(jī)的最大性能，而調(diào)整這個(gè)沖壓曲線設(shè)計(jì)的變量特別多，而且很多變量之間不獨(dú)立。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作人員或工藝規(guī)劃人員來說，需要有豐富的理論基礎(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)才能修改和優(yōu)化這條曲線來提高生產(chǎn)節(jié)拍。在伺服壓力機(jī)控制系統(tǒng)的控制器里，開發(fā)一種工藝曲線軟件包，以基于對(duì)象方式編程，使得現(xiàn)場(chǎng)操作人員或曲線規(guī)劃人員只需輸入沖壓工藝中與模具和自動(dòng)化送料系統(tǒng)相關(guān)的，且從現(xiàn)場(chǎng)非常容易得到的參數(shù)，而無需關(guān)注壓力機(jī)的機(jī)械和電氣的各種參數(shù)，即可得到充分利用壓力機(jī)各種邊界條件的最優(yōu)化曲線，該曲線能讓整個(gè)沖壓系統(tǒng)的性能最大地發(fā)揮出來，從而提高生產(chǎn)效率，降低設(shè)備的能力浪費(fèi)。并通過已有壓力機(jī)進(jìn)行曲線的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化后的曲線，保證了高的生產(chǎn)節(jié)拍。本文主要介紹如何根據(jù)不同的工況設(shè)定參數(shù)得到最高的生產(chǎn)效率。曲線以偏心輪的角度和速度為輸入?yún)?shù)。

工況一：附帶兩個(gè)定義點(diǎn)的整周期模式

該工況主要適用于級(jí)進(jìn)模方式，在一個(gè)沖壓周期里，操作者只需要設(shè)定2個(gè)點(diǎn)的4個(gè)參數(shù)，成形開始點(diǎn)，即合模角度（與模具高度相關(guān)參數(shù)），合模速度（與材料特性相關(guān)參數(shù)）；成形結(jié)束點(diǎn)，即下死點(diǎn)角度，下死點(diǎn)速度。

自動(dòng)繪制沖壓曲線的特點(diǎn)是以適合材料成形的速度進(jìn)行成形，成形結(jié)束后以偏心輪最大的加速度加速返回，在回程區(qū)的某一點(diǎn)以一定的減速度開始減速直到下一個(gè)沖壓周期的成形開始點(diǎn)。在這個(gè)曲線中，要充分考慮電機(jī)的最大扭矩，電機(jī)的熱功率，機(jī)械容許的最大加速度，最大加加速度參數(shù)。

工況二：附帶四個(gè)定義點(diǎn)的整周期模式

該工況適合于模具中帶有彈簧等儲(chǔ)能元件的沖壓工藝，通過增加Pre、Post兩個(gè)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)定，能控制模具中儲(chǔ)能元件的壓縮和釋放過程，降低對(duì)這些元件的沖擊，延長(zhǎng)其使用壽命或維護(hù)周期，減少模具維護(hù)時(shí)間和降低模具維護(hù)成本。在4個(gè)點(diǎn)上，每一個(gè)點(diǎn)需要設(shè)定角度和速度兩個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)都是與模具相關(guān)，通過試模方式得到，是工藝參數(shù)中必須設(shè)定的。

圖1 成形開始、成形結(jié)束點(diǎn)和自動(dòng)繪制沖壓曲線

圖2 4個(gè)定義點(diǎn)和自動(dòng)繪制沖壓曲線

該曲線特點(diǎn)是以適合材料成形的速度進(jìn)行成形，成形結(jié)束后以模具內(nèi)儲(chǔ)能元件容許的加速度加速過post點(diǎn)讓儲(chǔ)能元件能量有序的釋放，然后以偏心輪最大的加速度加速返回，在回程區(qū)的某一點(diǎn)以一定的減速度開始減速Pre點(diǎn)，然后以模具內(nèi)儲(chǔ)能元件容許的加速度加速到成形開始點(diǎn)。在這個(gè)曲線中，要充分考慮電機(jī)的最大扭矩，電機(jī)的熱功率，機(jī)械容許的最大加速度，最大加加速度參數(shù)。該曲線在滿足成形質(zhì)量的前提下，降低對(duì)模具內(nèi)儲(chǔ)能元件的沖擊，并得到最大的沖壓節(jié)拍。

工況三：附帶四個(gè)定義點(diǎn)和送料時(shí)間定義的整周期模式

該工況適合大型汽車外覆蓋件的生產(chǎn)工藝，在大型汽車外覆蓋件的生產(chǎn)線上，通常由3～6臺(tái)壓力機(jī)組成一條沖壓線，壓力機(jī)之間通過機(jī)器人或其他送料機(jī)構(gòu)完成沖壓件在壓機(jī)之間的傳遞，在這種工況下，壓機(jī)后面送料系統(tǒng)需要壓機(jī)的打開角度，進(jìn)入壓機(jī)將完成該工序沖壓的沖壓件取出并送至下一工序的壓力機(jī)里，而壓力機(jī)前面的送料機(jī)構(gòu)需要在壓機(jī)送料結(jié)束角之前將前一工序的沖壓件送入該壓力機(jī)進(jìn)行下一次沖壓。

送料的起始角和終止角要確保壓力機(jī)的滑塊和送料系統(tǒng)的端拾器等部件不發(fā)生干涉碰撞。同時(shí)，由于送料系統(tǒng)在兩臺(tái)壓力機(jī)之間需要時(shí)間進(jìn)行傳遞，壓力機(jī)需要對(duì)送料時(shí)間進(jìn)行設(shè)定與送料系統(tǒng)匹配。

該工藝曲線中，送料起始角與終止角以及送料時(shí)間這三個(gè)參數(shù)是與送料系統(tǒng)相關(guān)，而另外4個(gè)點(diǎn)的參數(shù)與模具和材料相關(guān)，該曲線將壓機(jī)、送料系統(tǒng)和模具相關(guān)聯(lián)，又充分考慮整個(gè)控制系統(tǒng)的各種邊界條件如速度、加速度和加加速度等，使得整條線發(fā)揮最大性能。

圖3 四個(gè)定義點(diǎn)和送料時(shí)間定義和自動(dòng)繪制沖壓曲線

工況四：附帶五個(gè)定義點(diǎn)和送料時(shí)間定義

該工況適合在成形過程中需要特殊工藝的應(yīng)用場(chǎng)合，如大型鋁板或高強(qiáng)度板的沖壓過程，在成形區(qū)內(nèi)增加一個(gè)點(diǎn)，在這個(gè)點(diǎn)上滑塊速度為零，通過這個(gè)速度的變化完成特殊工藝要求，如增加一次拉伸高度等。

該工藝曲線對(duì)控制系統(tǒng)特別是伺服壓力機(jī)的主電機(jī)和主驅(qū)動(dòng)提出了更高的要求，正常情況下，主電機(jī)的扭矩在成形區(qū)內(nèi)只提供成形能量，而在這種工況下，在成形區(qū)（紅色區(qū)域）內(nèi)主電機(jī)在提供成形能量的同時(shí)還需要提供壓機(jī)整個(gè)運(yùn)動(dòng)部件減速和加速的能量，在設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮。和工況三相比，該工況在沖壓效率上有時(shí)不高。

工況五：鐘擺模式

圖4 五個(gè)定義點(diǎn)和送料時(shí)間定義和自動(dòng)繪制沖壓曲線

該工況適合沖壓行程小，要求節(jié)拍快的應(yīng)用場(chǎng)合，如最常用的開卷落料線中的落料壓力機(jī)，通過鐘擺方式可以在180°內(nèi)完成一次沖壓。和整個(gè)360°周期完成一次沖壓相比，大大提高了生產(chǎn)效率。

該工況在成形區(qū)內(nèi)可以最多增加30個(gè)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)雜的沖壓工藝設(shè)定，例如多次沖壓、靜音沖壓和震蕩沖壓等等。該工藝曲線中，優(yōu)先考慮的是沖壓特殊工藝。在這些特殊工藝中，需要在每個(gè)點(diǎn)上設(shè)定角度、速度以及停留時(shí)間。

圖5 鐘擺模式和自動(dòng)繪制沖壓曲線

結(jié)束語

本文對(duì)伺服壓力機(jī)中沖壓曲線的設(shè)定和規(guī)劃進(jìn)行了一些分析和描述，通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分考慮，結(jié)合壓機(jī)、模具和送料系統(tǒng)以及特殊沖壓工藝四個(gè)方面，使得規(guī)劃出來的曲線能充分利用系統(tǒng)中的各種邊界條件，得出最高的生產(chǎn)效率。