伺服壓力機沖壓曲線的優化設計

文/周曉東·西門子（中國）有限公司

伺服壓力機沖壓曲線的優化設計

文/周曉東·西門子（中國）有限公司

新型伺服壓力機采用幾臺大扭矩同步伺服電機來取代傳統壓機中的電機、飛輪、離合器和制動器部分。利用大功率的伺服控制器來控制扭矩電機的轉速、位置和扭矩輸出，從而來控制滑塊的運動曲線，在沖壓時降低速度，在回程增加速度來提高效率，根據不同的模具要求可以靈活的修改滑塊的運動曲線來達到高的靈活性和柔性化。伺服壓力機根據不同沖壓工藝的要求，結合了機械壓力機和液壓機的優點，克服了各自的缺點，同時具有7個優點。

⑴簡單的機械結構、較少的部件（較低的慣量）、高的加速度/高的沖壓次數。

⑵通過電子凸輪曲線的設置，可以達到滑塊運動的柔性化，減小對機械部分的沖擊。

⑶只在沖壓過程中消耗能量。

⑷無需機械離合器，不同的操作模式。⑸零速下保壓。

⑹易于調試和更換模具。

⑺低調試和維護費用。

伺服壓力機電氣控制解決方案主要有以下幾個技術要點：合理的電機選擇；滑塊運動曲線的自動生成和手動修改；能量管理系統；電機的同步控制；通過手輪調試得到合適的適用模具的參數并可存檔。

伺服壓力機的最大優勢是提高生產節拍和完成復雜的沖壓工藝，對于大型的機械伺服壓力機來說，提高生產節拍的需求具有更高的優先級，但是如何充分發揮伺服壓力機的優勢是一個不小的難題。在一個沖壓過程中，壓力機、自動化送料系統和模具是完成沖壓的三個主要部分，根據壓力機的設計參數和主要模具參數，以及不同壓力機之間的自動化送料系統的參數，基于生產設計節拍為優化目標，通過對伺服電機的數量、速度與扭矩的關系，與之配套的驅動器參數，以及減速機的減速比等系列參數，建立壓力機動態數學模型，利用該數學模型進行分析優化計算，選擇出性價比最高的方案。

針對在實際的生產過程中，壓力機會配套不同的模具使用的實際情況，如果只是根據設計時的模具參數來設計沖壓工藝曲線，由于模具參數和與之配套的自動化送料系統的參數變化，此時的沖壓工藝曲線并不能發揮壓力機的最大性能，而調整這個沖壓曲線設計的變量特別多，而且很多變量之間不獨立。

對現場操作人員或工藝規劃人員來說，需要有豐富的理論基礎和現場經驗才能修改和優化這條曲線來提高生產節拍。在伺服壓力機控制系統的控制器里，開發一種工藝曲線軟件包，以基于對象方式編程，使得現場操作人員或曲線規劃人員只需輸入沖壓工藝中與模具和自動化送料系統相關的，且從現場非常容易得到的參數，而無需關注壓力機的機械和電氣的各種參數，即可得到充分利用壓力機各種邊界條件的最優化曲線，該曲線能讓整個沖壓系統的性能最大地發揮出來，從而提高生產效率，降低設備的能力浪費。并通過已有壓力機進行曲線的測試，試驗結果驗證了優化后的曲線，保證了高的生產節拍。本文主要介紹如何根據不同的工況設定參數得到最高的生產效率。曲線以偏心輪的角度和速度為輸入參數。

工況一：附帶兩個定義點的整周期模式

該工況主要適用于級進模方式，在一個沖壓周期里，操作者只需要設定2個點的4個參數，成形開始點，即合模角度（與模具高度相關參數），合模速度（與材料特性相關參數）；成形結束點，即下死點角度，下死點速度。

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

工況二：附帶四個定義點的整周期模式

該工況適合于模具中帶有彈簧等儲能元件的沖壓工藝，通過增加Pre、Post兩個點的參數設定，能控制模具中儲能元件的壓縮和釋放過程，降低對這些元件的沖擊，延長其使用壽命或維護周期，減少模具維護時間和降低模具維護成本。在4個點上，每一個點需要設定角度和速度兩個參數，這些參數都是與模具相關，通過試模方式得到，是工藝參數中必須設定的。

圖1 成形開始、成形結束點和自動繪制沖壓曲線

圖2 4個定義點和自動繪制沖壓曲線

該曲線特點是以適合材料成形的速度進行成形，成形結束后以模具內儲能元件容許的加速度加速過post點讓儲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，在回程區的某一點以一定的減速度開始減速Pre點，然后以模具內儲能元件容許的加速度加速到成形開始點。在這個曲線中，要充分考慮電機的最大扭矩，電機的熱功率，機械容許的最大加速度，最大加加速度參數。該曲線在滿足成形質量的前提下，降低對模具內儲能元件的沖擊，并得到最大的沖壓節拍。

工況三：附帶四個定義點和送料時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工藝，在大型汽車外覆蓋件的生產線上，通常由3～6臺壓力機組成一條沖壓線，壓力機之間通過機器人或其他送料機構完成沖壓件在壓機之間的傳遞，在這種工況下，壓機后面送料系統需要壓機的打開角度，進入壓機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里，而壓力機前面的送料機構需要在壓機送料結束角之前將前一工序的沖壓件送入該壓力機進行下一次沖壓。

送料的起始角和終止角要確保壓力機的滑塊和送料系統的端拾器等部件不發生干涉碰撞。同時，由于送料系統在兩臺壓力機之間需要時間進行傳遞，壓力機需要對送料時間進行設定與送料系統匹配。

該工藝曲線中，送料起始角與終止角以及送料時間這三個參數是與送料系統相關，而另外4個點的參數與模具和材料相關，該曲線將壓機、送料系統和模具相關聯，又充分考慮整個控制系統的各種邊界條件如速度、加速度和加加速度等，使得整條線發揮最大性能。

圖3 四個定義點和送料時間定義和自動繪制沖壓曲線

工況四：附帶五個定義點和送料時間定義

該工況適合在成形過程中需要特殊工藝的應用場合，如大型鋁板或高強度板的沖壓過程，在成形區內增加一個點，在這個點上滑塊速度為零，通過這個速度的變化完成特殊工藝要求，如增加一次拉伸高度等。

該工藝曲線對控制系統特別是伺服壓力機的主電機和主驅動提出了更高的要求，正常情況下，主電機的扭矩在成形區內只提供成形能量，而在這種工況下，在成形區（紅色區域）內主電機在提供成形能量的同時還需要提供壓機整個運動部件減速和加速的能量，在設計時必須充分考慮。和工況三相比，該工況在沖壓效率上有時不高。

工況五：鐘擺模式

圖4 五個定義點和送料時間定義和自動繪制沖壓曲線

該工況適合沖壓行程小，要求節拍快的應用場合，如最常用的開卷落料線中的落料壓力機，通過鐘擺方式可以在180°內完成一次沖壓。和整個360°周期完成一次沖壓相比，大大提高了生產效率。

該工況在成形區內可以最多增加30個點進行復雜的沖壓工藝設定，例如多次沖壓、靜音沖壓和震蕩沖壓等等。該工藝曲線中，優先考慮的是沖壓特殊工藝。在這些特殊工藝中，需要在每個點上設定角度、速度以及停留時間。

圖5 鐘擺模式和自動繪制沖壓曲線

結束語

本文對伺服壓力機中沖壓曲線的設定和規劃進行了一些分析和描述，通過對整個系統的各個部分考慮，結合壓機、模具和送料系統以及特殊沖壓工藝四個方面，使得規劃出來的曲線能充分利用系統中的各種邊界條件，得出最高的生產效率。