伺服與機械壓力機混合自動化生產線應用

文/謝衛林，廖端，馬朋超，胡奎·廣州汽車集團乘用車有限公司

伺服與機械壓力機混合自動化生產線應用

文/謝衛林，廖端，馬朋超，胡奎·廣州汽車集團乘用車有限公司

現代汽車工業生產日益呈現生產規模化、車型個性化、車型批量小、車型變化快、多車型共線生產、車身覆蓋件大型化一體化的特征。傳統機械多連桿式壓力機的拉延性能在新需求面前愈發顯得捉襟見肘。伺服壓力機技術應運而生，但整線伺服不但面臨成倍增加的成本，還面臨翻邊、修邊、沖孔工藝的設備浪費（對壓機施力形式無要求），伺服與機械混合生產線的推出有效解決了技術、成本之間的矛盾，為汽車工業、裝備工業的發展開拓了新的路徑。

謝衛林，沖壓科科長，工程師，全面負責沖壓科安全、工藝、量產和人員選拔培養工作，主要負責完成沖壓B線—伺服機械生產線前期可行性研究、開發，以及后期的安裝調試，為國內整車廠第一條用于量產的國產伺服與機械混合生產線，該項目獲得國家重大科技專項支持，擁有4項專利、發表論文多篇。

伺服與機械壓力機混合生產線概述

全伺服沖壓生產線逐漸興起，但整線伺服不但面臨成倍增加的成本，還面臨翻邊、修邊、沖孔工藝（對壓機施力形式無要求）的設備浪費；智能伺服與機械壓力機混合自動化沖壓生產線的組成是第一序（拉延序）采用伺服壓力機，后4序采用機械壓力機，中間采用高柔性化的直線七軸機器人搬運，整線運用自動化集成技術，是能夠實現智能伺服與機械混合的自動化沖壓生產線。在品質最重要的拉延工序采用伺服壓力機，可提高材料利用率，實現較復雜零件的加工工藝，提升拉延品質和模具壽命，解決了機械壓力機難以使用復雜沖壓工藝以及生產效率難以提升等問題，同時可降低沖壓噪聲，實現高質量沖壓。而在切邊、翻邊、沖孔等工序采用機械壓力機，在節省設備投資的同時實現伺服和機械壓力機匹配協調。采用整線集成后，可實現整條生產線無人化操作、“一鍵式”快速換模，大幅削減人員投資和提高生產效率，實現智能高效生產。

應用國際最先進沖壓技術，實現大批量、高質量、高智能、高效率的沖壓生產是中國自主品牌汽車沖壓生產技術的最新應用思路和重要發展方向。伺服與機械壓力機混合生產線是廣汽乘用車應用國產大型伺服壓力機和大型機械壓力機，建立的首條國產大型智能伺服與機械混合自動化沖壓生產線。該生產線可實現連續坯料拆垛、清洗上料，5序壓力機沖壓、自動化直線七軸機器人自動搬運、零件工序間自動傳送和模具自動更換、線尾皮帶輸送等功能，實現了伺服及機械壓力機混合生產線的智能化、柔性化集成。工藝布局如圖1所示。

傳統機械壓力機自動化生產線

傳統機械壓力機生產線現狀

汽車車身不僅與底盤和發動機一起構成了汽車的三大部件，而且還是決定汽車產品市場競爭力和市場壽命的主要因素之一。車身是特殊的機械產品，是結構設計、制造技術和藝術造型的結合體，車身零件沖壓成形是汽車車身制造的第一道工藝，同時也是決定車身質量的關鍵工藝。車身沖壓工藝還需要密集的資金和裝備投入以及許多高新技術支撐。可以說車身沖壓成形在一定程度上代表了整個汽車制造技術水平。

圖1 沖壓伺服機械混合生產線圖（效果圖）

近年來，汽車由精英消費逐步走向大眾消費，消費者也經歷了由認識汽車、使用汽車到享受汽車的過程，顧客對汽車外觀、操縱等各方面多樣性的需求越來越多。對大多汽車消費者而言，車身外觀是影響其對一輛汽車最直觀、最重要的認知之一，而沖壓工藝是汽車整車生產的第一工藝，其沖壓成形水平直接影響著車身外觀的質量及美觀。

基于以上，為了實現汽車輕量化、外觀復雜化，這無疑增加了沖壓工藝的難度；另外，沖壓制造過程屬于高度資本密集類型，在板件沖壓成形的拉延、切邊、修邊、沖孔、整形等工序的壓力機以及傳輸、夾持零件所需的自動化設備等方面投資龐大。同時對產品設計和工藝規劃的質量要求很高。為了保證高品質和高效率，第一工序拉延序的品質直接影響后工序，在新的車型導入時要求超過50%的調試工時在拉延工序上，研究拉延序成形精度較高的壓力機非常迫切，從而縮短調試與試運行時間，提高沖壓性能。

機械壓力機生產線的不足

傳統的機械沖壓線雖然技術成熟、可靠性高，但對復雜件成形特別是拉延深度大的工藝需求難以同時保證品質和效率，同時還存在噪聲大和能耗高的不足。

傳統的機械壓力機采用電機驅動和機械傳動，通過曲柄連桿機構或其他機構將電機的旋轉運動轉換為滑塊的往復運動。雖然電子技術和數控液壓技術得到發展，但傳統的機械壓力機在應用過程中依然存在不少缺點，如滑塊的成形時間短，成形速度不可調整，且僅能在下死點前較小的行程內產生公稱壓力；受曲柄連桿等結構強度和尺寸的限制，滑塊行程高度有限；傳動連接環節多和傳動結構本身產生側向力，不能保證滑塊長時間穩定的下死點位置和有效的導向精度；工作時機床振動大，對基礎破壞較大；結構較為復雜，加工精度要求高。其主要存在以下困難：

⑴機械式壓力機難以適應新工藝需求。更復雜的零件造型和結構，更新的材料，需要對沖壓成形過程進行更精細的參數控制。

⑵生產效率提升困難。高速模式運轉時，復雜工件成形不良率較高；為保證合格率，只能降低沖壓速度，導致汽車生產的規模效益無法快速形成。尤其是今天車型更新換代的步伐逐漸加快，快速的換代，快速的規模市場覆蓋成為了汽車銷售成敗的關鍵因素。

⑶能耗相對高、噪聲污染。沖壓過程柔性差，導致設備運轉沖擊大，產生較大的噪聲污染和較高的能源損耗。

近年來全伺服沖壓生產線逐漸興起，廣汽乘用車設計和開發了一條國產智能伺服與機械混合自動化沖壓生產線，掌握了轎車覆蓋件沖壓生產線相關智能技術及批量制造技術，并經過生產應用驗證。伺服與機械混合生產線模式成為降低成本、提升車型品質競爭力的新途徑。

新型伺服壓力機與機械壓力機混合線

伺服壓力機控制

新型伺服壓力機技術采用將控制系統分成數據層、控制層、執行層、電機與傳感器共四層的系統化設計原則，由伺服電機、伺服驅動器、伺服控制器、反饋裝置能量管理及控制單元等組成。采用大扭矩同步伺服電機取代傳統壓力機中電機、飛輪、離合器和制動器部分，利用大功率伺服控制器來控制電機的轉速、位置和扭矩，從而控制滑塊的運動曲線，在沖壓時降低速度，在回程中增加速度來提高效率，根據不同的模具可靈活修改滑塊的運動曲線實現沖壓過程中高的靈活性和柔性化。

伺服壓機配備西門子伺服控制系統，使用1主3副共4個伺服力矩電機，可通過5點控制按需規劃拉延曲線；采用2臺儲能電機儲能，節約能耗，避免電流回饋電網造成的電壓波動。

伺服與機械壓力機混合集成

系統集成是強調技術與工程的結合，以解決方案為中心，技術含量很高。本項目針對拉延序的工藝要求采用伺服壓力機及伺服傳動裝置，利用數字控制技術，通過位移傳感器檢測滑塊運動，實現閉環反饋控制方法，可任意自由、高精度地控制壓力機的滑塊運動。通過計算機程序控制滑塊的運動曲線，改變沖壓工藝曲線，實現壓力機通用性、柔性化、智能化；同時在工藝要求相對較低的后工序采用技術成熟、裝機功率較小、可靠性高、設備故障易于判斷、維護保養方便的機械壓力機，使全線壓力機在沖壓方面的優勢和潛能得到充分發揮，實現高效、高質量沖壓，同時實現了在接近或達到全線伺服壓力機線的生產效率時，一次性投資最少。

⑴伺服與機械壓力機混合線的接口信號設計。

根據伺服及機械壓力機混合沖壓生產線的主要技術指標及整線方案確定的聯線控制要求，通過系統化設計，對伺服壓力機單元的運動控制任務進行模擬試驗，最終完成符合伺服和機械壓力機混合沖壓線聯線要求的技術集成和應用示范，達到聯線控制的要求。

針對伺服壓力機與機械壓力機聯線的要求，進行控制接口設計，滿足整線集成控制對工件參數和伺服壓力機曲線存儲、調用的要求。首先，建立機械壓力機與伺服壓力機聯系控制的接口，根據控制功能需要，定義控制接口信號。其次，開發、試驗伺服壓力機與自動化上下料單元的連鎖控制接口，實現運行節拍的優化控制。

⑵伺服與機械混合自動化生產線的控制技術。

以實現伺服、機械混合沖壓線主要技術指標為中心，研究伺服及機械壓力機、自動化單元、模具的整體集成技術，從整線布置、自動化單元配置、全自動快速生產對模具設計的要求進行統籌研究；優化伺服壓力機、機械壓力機、自動化單元及模具的配置，集成整線各單元；優化沖壓曲線，換模時序，實現整線的最優配置及高效運行；為實現零件的快速過渡，研發一種生產線用過渡架；進行機器人上下料與伺服壓力機、機械壓力機上下料時序優化，結合仿真分析進行試驗驗證；設計整線運行參數的存儲、調用開發，并進行試驗、驗證，實現伺服及機械壓力機混合沖壓線運行參數的最優設置，提升混合沖壓線的整線節拍。

伺服沖壓線對電網的適應性

伺服壓力機在運行時，一個循環過程中會有頻繁的加、減速，對電網電能的需求時高時低，會產生非常高的電源峰值需求，可達額定值的幾倍到十幾倍，會對電網產生沖擊，給工廠供電帶來了難度。

在伺服系統中合理選擇和配置儲能環節，采用能量儲存和管理技術，當壓力機減速時將動能轉換成電能存儲在系統中，當壓力機加速時可以將這個能量釋放出來，使能量在系統內部流動、平衡，減小對外部電網的沖擊，從而降低對電網容量的要求，適應于標準的供電系統。

伺服與機械壓力機混合生產線的應用

2014年11月1日全世界首條伺服與機械壓力機混合沖壓生產線（圖2）在廣州汽車集團乘用車有限公司正式建成并投入使用，生產線集成拆垛、堆垛、皮帶機、直線七軸、端拾器拆卸工裝、在線清洗機等自動化設備，伺服壓力機、數控液壓墊、機械壓力機等沖壓設備。伺服與機械壓力機混合生產線投入后，深拉延板件一次合格率大幅改善、生產效率提升、新車調試機時降低，與此同時，在沖壓設備制造業也起到很好示范作用。

⑴深拉延板件一次合格率提升。

側圍、翼子板、內板件等深拉延車身覆蓋件的成形對模具、設備成形曲線等均有較為苛刻的要求，模具型面、設備參數、設備狀態稍有變化便會導致開暗裂、凹凸條等品質不良，一次成形率較低。伺服與機械壓力機混合生產線的導入打破了機械壓力機固化、統一的成形模式，可根據實際需要自主設定成形曲線、成形力，降低模具設計要求，打破一次合格率低的局面。

⑵生產效率提升。

截止2015年7月，伺服與機械壓力機混合沖壓生產線已累計生產或正在進行調試的6個車型的模具共計20套，主要以成形難度高的深拉延板件為主。平均生產節拍為每分鐘8.5件，其中大型模具的SPM為8.2～8.5；其他小型模具的SPM為8.8～9.2之間，相對于傳統全機械生產線節拍提升約1.1，效率提升達14.9%，單條生產線年產出能力增加1.49萬臺車。

⑶新車模具調試效率提升。

沖壓領域新車模具調試拉延工序往往是調試的重難點區，常規新車模具調試周期約6～8個月，結合伺服與機械壓力機混合沖壓生產線的工藝特點進行標準化后，經歷3車型的實踐，新車模具調試周期壓縮至3～4個月，縮減率約50%，大幅提升了新車導入效率。在汽車行業車型更新換代日漸頻繁的大背景下，新車導入效率提升在很大程度上提升了企業綜合競爭力。

圖2 廣汽伺服與機械壓力機混合沖壓生產線

⑷行業示范效應明顯。

目前伺服與機械壓力機混合沖壓生產線的誕生在行業內產生了不小的影響，該項技術已被國家工信部列為“國家重大專項”課題，形成行業內的示范生產基地。上海通用、長安、江淮等多家國內主流汽車廠家對伺服技術的應用表示出濃厚的興趣，其中上海通用（武漢工廠）導入一條全伺服國產沖壓生產線，預計2016年2月投入使用，伺服與機械壓力機混合沖壓生產線的示范效應已逐步顯現。

結束語

伺服與機械壓力機混合沖壓生產線的推出是為了適應不斷推陳出新的新車型對復雜型面、深拉延的高技術要求，同時成本相對較低，很好地平衡了新技術需求與成本高的矛盾。隨著汽車市場競爭日漸激烈，車型更新換代日漸頻繁，市場對能夠穩定成形復雜型面的伺服技術的需求必將日漸強烈，一條具有低成本、高效率、高智能的伺服與機械壓力機混合沖壓生產線是成本與技術兼備的選擇。伺服與機械壓力機混合生產線的推出實現了生產設備的現場應用，為汽車行業發展注入新活力。