曲線仿真在伺服沖壓線生產中的應用

文/房歡歡，楊帥軍，穆宏·北京奔馳汽車有限公司

隨著汽車制造技術向智能化、節能化、柔性化方向發展，伺服沖壓線越來越多地應用于汽車沖壓生產中。伺服線中伺服壓力機以伺服電機為主要動力源，通過對伺服電機的設置實現壓機滑塊的伺服可控；機械手高度靈活，參數設置柔性，通過對伺服壓力機滑塊速度柔性配置，對機械手運行軌跡及速度優化，以及對機械手與壓機之間、機械手與機械手之間的運動擬合來實現整線沖壓效率的提升。本文基于伺服線曲線的仿真原理，利用PLS 軟件對SCHULER 伺服沖壓線的整線提升及優化進行分析，通過曲線仿真對序列化生產零件后備廂外板下部進行整線排布調整以及曲線優化并加以驗證。

為滿足日益嚴格的生產需求，伺服沖壓線正越來越多的被汽車企業采用。伺服沖壓線主要由伺服壓力機和自動化輸送設備組成。伺服壓力機采用大功率伺服電機驅動滑塊工作，對壓機工作周期內多個節點的行程及速度編程可控，以實現加工工藝要求。而自動化輸送設備在輸送過程中的方向轉角橫移方面具備良好的可調節性。伺服壓力機與輸送設備的優化擬合促使伺服沖壓線具備極高的生產效率。

下面通過對PLS 的介紹，結合曲線仿真來研究伺服沖壓線在提升整線效率、優化壓機滑塊、機械手受力以及模具工作質量方面的優勢，并且對后備廂外板下部模具的整線優化布置以及通過對該零件進行PLS 曲線仿真來實現生產的適應性、高效性以及高質量生產。

伺服線曲線仿真簡介及原理

PLS 簡介

PLS 即Press Line Simulation，意為沖壓線模擬。目前使用的V5PLS 可針對德國SCHULER 伺服沖壓線進行沖壓曲線模擬工作，實現壓機、機械手、模具和零件相互聯動生產。實現以下功能：(1)提升沖壓線工作效率，獲取更高的SPM(每分鐘完成沖次)。(2)保護沖壓設備，使機械手工作中所受力矩不超過工作中的額定力矩。(3)降低了機械手運動過程中不必要的動作以及能源、時間的浪費。(4)優化了壓機工作過程中滑塊速度，降低設備及模具的沖擊。(5)可針對模具特點進行差異化設置，最大限度地發揮模具的工作潛力。(6)平衡過程機械手送取件空間，確保機械手送取件時通過性良好。

PLS 優化原理

(1)CBF 優化原理。

伺服沖壓線機械手CrossBar Feeder，簡稱CBF。在送取件過程中，其運動軌跡及節點如圖1 所示。

圖1 機械手運行軌跡劃分

針對CBF 整個運行周期的各個節點，調整曲線的主要原則有：

①對提升過程機械手加速度進行限速,確保帶件提升的平穩性，同時降低機械手負載。

②送件曲線盡量平緩，避免CBF 瞬間負載過大，同時使零件平穩。

③對下行放件過程CBF 加速度進行限速,避免放件時速度過快導致零件變形或投料問題。

④CBF 放件回程時下擺，豎直方向過渡平穩，減小機械手豎直運行的加速度。

⑤循環停位置附近曲線平滑，減小機械手豎直運行的加速度。

⑥盡量使中間輸送部分曲線軌跡在循環停左右對稱，使兩邊運行的時間平衡。

⑦送取件點機械手角度應控制在合理范圍，角度過小機械手受力矩過大，過大通過性不良。

(2)伺服壓機優化。

圖2 為壓機工作周期與模具工作以及送取件之間的關系，通過對模具工作時間的調整以及對壓力機空行程時間的延長可有效提升CBF 的操作空間。

圖2 壓機運行周期內各節點示意圖

圖3 為設置的6 個曲線控制點，控制整個壓力機工作周期的滑塊運動。其中接觸點的速度直接影響到壓機工作的振動值，同時也影響到模具的結構安全，一般要求接觸速度不高于0.5m/s。脫離點的設定關乎模具上部機構如壓料器行程釋放對模具結構的沖擊，因此對該點速度的限制應使其不高于0.5m/s。整個過程可監控壓機滑塊凸輪扭矩如圖4 所示，圖中綠線為額定扭矩，紫線為最優扭矩，紅線為實際扭矩。要求實際扭矩不得超過額定扭矩的80%，最好不超過最優扭矩。

圖3 各節點參數設置

圖4 滑塊凸輪扭矩檢測

(3)CBF 與伺服壓力機的干涉同步調試。

沖壓線的整線生產需要對壓力機與CBF、CBF 與CBF 之間的配合進行設置。可通過調整圖5 中相位差來調整送取件時CBF 與上模或上滑塊之間的間距以及CBF 之間的最小距離(包含零件)，以此來改善、平衡各CBF 的通過性。

圖5 干涉同步調試

曲線仿真在整線提升中的運用

運用背景

BBAC 某車型后備廂外板下部設計SPM 為16。但由于原先整線排布不理想且曲線調試粗放，導致出現整線排布問題與曲線問題。

整線排布如圖6 所示，問題主要有：

圖6 后備廂外板下部工藝排布

(1)第5 臺壓機采用空工位，采用專用空工位如圖7、圖8 所示，造成制作空工位的浪費。

圖7 OP50 空工位設計

圖8 OP50 空工位實物

(2)換模時將PS5 專用空工位落出，PS6 裝載通用空工位，換模時間較長，影響生產效率。

(3)由于其余沖壓線均只有5臺壓機，而后備廂外板下部排布需要占用6 臺壓機，導致無法滿足該零件在其他沖壓線的備線生產，存在潛在的生產風險。

(4)從CBF 的動作極限上看，尚有優化空間，可將OP40 到OP60 的橫移量一次完成。

曲線問題有：(1)SPM 較高，但是生產線設備沒有限速，生產中出現零件送取時速度過快導致端拾器顫動，同時機械手瞬時負載較大。(2)現場觀察CBF2在送件時投件方向與沖壓方向存在夾角，導致生產中易出現投料不準，工序件搭定位，導致生產停機。(3)CBF 送取件過程中存在多余不必要的動作，導致沖壓線功率的浪費。(4)對壓機的滑塊曲線編輯不夠，導致壓機接觸速度較快，生產中有壓機明顯振動。

整線排布優化

按原方案為OP40 到OP50 橫移200mm，零件在OP50 空工位轉角7°，使CBF5 往OP60 投件時零件方向與OP60 沖壓方向一致，再由OP50 到OP60 橫移200mm，滿足OP60 模具生產。

現方案為：

(1)取消OP50 專用空工位，將OP60 模具轉PS5工作臺，并在PS6 搭建新的通用空工位，如圖9 所示；零件方向不變，相比OP60 模具零件間距加大200mm(左右各加大100mm)。

圖9 改進后通用空工位搭建

(2)將端拾器原CBF6 取代原CBF5，確保調整模具工序后取件順利；重新搭建CBF6，吸盤布置與原CBF 一致，可通過調整端拾器支桿確保CBF6 可滿足100mm 以上的橫移量。

PLS 仿真及提升

(1)整線效率優化。

如圖10 所示，通過V5PLS 軟件中的程序對機械手運行加速度進行限制。原曲線在無限速情況下運行時為SPM16，導入軟件進行限速后，整線SPM 不超過14.4。可見原有曲線并非真正意義上可以滿足高SPM 生產，只是在犧牲壓機模具以及機械手工作質量的前提下達到SPM 為16 的生產狀態。

圖10 曲線改進前限速前提下的SPM

通過對曲線的優化，限速情況下，整線優化效率如圖11 所示，優化后整線SPM 達到17。滿足在限速前提下提高整線生產效率的目的。

圖11 曲線改進后限速前提下的SPM

(2)機械手工作優化。

如圖12 所示，優化前所有SPM 放取件點機械手角度為0°，導致機械手運動中所受力矩較大。且由圖10 可知，目前加速度限速條件下主要是機械手SPM 值明顯降低。

圖12 優化前機械手送取件點角度

圖13 為優化后的機械手放取點姿態，放取點角度為5°，有效的改善機械手所受力矩。同時通過對各機械手運動軌跡及橫移的優化，有效提升了整線效率。

圖13 優化后機械手送取件點角度

(3)壓機工作優化。

通過PLS 對曲線做出以下幾點優化：

①部分壓機(PS3)凸輪扭矩偏大，如圖14 所示。扭矩已接近額定值的80%，長期生產易使壓機加速鈍化。優化后凸輪扭矩如圖15 所示，接近理想值可維持壓機良好工作狀態。

圖14 改進前壓機3 滑塊凸輪扭矩

圖15 改進后壓機3 滑塊凸輪扭矩

②拉延模OP10 接觸速度較快，接觸速度0.63 m/s，如圖16 所示；對PS1 壓機優化后如圖17 所示，優化后接觸速度為0.4m/s。

圖16 改進前PS1 壓機參數設置及速度監控

圖17 改進后PS1 壓機參數設置及速度監控

③為精確控制接觸點速度，原接觸點到底距離為預估值，現根據OP10 壓邊圈及后工序壓料器行程設置接觸點位置,同時脫離點除拉延為20mm 以外，后工序脫離點數值與接觸點相同。整理后的位置如表1所示。

表1 各工序模具接觸點設置

在線調試

通過在線調試，對新建端拾器及空工位進行微調使其適應生產線高速運行。調試后觀察整線排布更改及曲線優化后，機械手放取件動作柔和，整周期運行順利無多余動作，壓機工作速度較慢，通過對圖18中窗口監控壓機滑塊及底座振動值，結果如圖19、圖20 所示。由更改前后壓機振動值對比可知整線曲線優化后壓機振動值明顯降低。

圖18 滑塊及底座(工作臺)振動值監控界面

圖19 滑塊振動值(單位：mg)

圖20 壓機工作臺振動值(單位：mg)

結論

通過對PLS 曲線優化原理的分析以及對后備廂外板下部整線排布、曲線優化及調試的結果，可得出以下結論：(1)在整線零件傳輸圖設計時，盡量避免使用空工位，如因生產線問題，應采用通用空工位。(2)通過對機械手運行過程中的加速度限制，可顯著提升CBF 運行以及零件輸送的質量。(3)通過對壓機滑塊各控制點的合理設置，可有效提升壓機曲線質量，保證壓機運行效率的同時，降低對壓機及模具的沖擊。(4)通過對曲線干涉同步的合理調整，可實現壓機與CBF、CBF 之間運行的有效平衡。(5)現場調試及生產證明，曲線仿真對于伺服沖壓線生產效率及生產質量的提升有重要作用。