文/謝衛(wèi)林，廖端，馬朋超，胡奎·廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司

伺服與機械壓力機混合自動化生產(chǎn)線應(yīng)用

文/謝衛(wèi)林，廖端，馬朋超，胡奎·廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司

現(xiàn)代汽車工業(yè)生產(chǎn)日益呈現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)?；?、車型個性化、車型批量小、車型變化快、多車型共線生產(chǎn)、車身覆蓋件大型化一體化的特征。傳統(tǒng)機械多連桿式壓力機的拉延性能在新需求面前愈發(fā)顯得捉襟見肘。伺服壓力機技術(shù)應(yīng)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(shè)備浪費（對壓機施力形式無要求），伺服與機械混合生產(chǎn)線的推出有效解決了技術(shù)、成本之間的矛盾，為汽車工業(yè)、裝備工業(yè)的發(fā)展開拓了新的路徑。

謝衛(wèi)林，沖壓科科長，工程師，全面負(fù)責(zé)沖壓科安全、工藝、量產(chǎn)和人員選拔培養(yǎng)工作，主要負(fù)責(zé)完成沖壓B線—伺服機械生產(chǎn)線前期可行性研究、開發(fā)，以及后期的安裝調(diào)試，為國內(nèi)整車廠第一條用于量產(chǎn)的國產(chǎn)伺服與機械混合生產(chǎn)線，該項目獲得國家重大科技專項支持，擁有4項專利、發(fā)表論文多篇。

伺服與機械壓力機混合生產(chǎn)線概述

全伺服沖壓生產(chǎn)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(shè)備浪費；智能伺服與機械壓力機混合自動化沖壓生產(chǎn)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(shù)，是能夠?qū)崿F(xiàn)智能伺服與機械混合的自動化沖壓生產(chǎn)線。在品質(zhì)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(xiàn)較復(fù)雜零件的加工工藝，提升拉延品質(zhì)和模具壽命，解決了機械壓力機難以使用復(fù)雜沖壓工藝以及生產(chǎn)效率難以提升等問題，同時可降低沖壓噪聲，實現(xiàn)高質(zhì)量沖壓。而在切邊、翻邊、沖孔等工序采用機械壓力機，在節(jié)省設(shè)備投資的同時實現(xiàn)伺服和機械壓力機匹配協(xié)調(diào)。采用整線集成后，可實現(xiàn)整條生產(chǎn)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(chǎn)效率，實現(xiàn)智能高效生產(chǎn)。

應(yīng)用國際最先進(jìn)沖壓技術(shù)，實現(xiàn)大批量、高質(zhì)量、高智能、高效率的沖壓生產(chǎn)是中國自主品牌汽車沖壓生產(chǎn)技術(shù)的最新應(yīng)用思路和重要發(fā)展方向。伺服與機械壓力機混合生產(chǎn)線是廣汽乘用車應(yīng)用國產(chǎn)大型伺服壓力機和大型機械壓力機，建立的首條國產(chǎn)大型智能伺服與機械混合自動化沖壓生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線可實現(xiàn)連續(xù)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(xiàn)了伺服及機械壓力機混合生產(chǎn)線的智能化、柔性化集成。工藝布局如圖1所示。

傳統(tǒng)機械壓力機自動化生產(chǎn)線

傳統(tǒng)機械壓力機生產(chǎn)線現(xiàn)狀

汽車車身不僅與底盤和發(fā)動機一起構(gòu)成了汽車的三大部件，而且還是決定汽車產(chǎn)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(chǎn)品，是結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造技術(shù)和藝術(shù)造型的結(jié)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(zhì)量的關(guān)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(shù)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(shù)水平。

圖1 沖壓伺服機械混合生產(chǎn)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(jīng)歷了由認(rèn)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(rèn)知之一，而沖壓工藝是汽車整車生產(chǎn)的第一工藝，其沖壓成形水平直接影響著車身外觀的質(zhì)量及美觀。

基于以上，為了實現(xiàn)汽車輕量化、外觀復(fù)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(shè)備等方面投資龐大。同時對產(chǎn)品設(shè)計和工藝規(guī)劃的質(zhì)量要求很高。為了保證高品質(zhì)和高效率，第一工序拉延序的品質(zhì)直接影響后工序，在新的車型導(dǎo)入時要求超過50%的調(diào)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(diào)試與試運行時間，提高沖壓性能。

機械壓力機生產(chǎn)線的不足

傳統(tǒng)的機械沖壓線雖然技術(shù)成熟、可靠性高，但對復(fù)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(zhì)和效率，同時還存在噪聲大和能耗高的不足。

傳統(tǒng)的機械壓力機采用電機驅(qū)動和機械傳動，通過曲柄連桿機構(gòu)或其他機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的往復(fù)運動。雖然電子技術(shù)和數(shù)控液壓技術(shù)得到發(fā)展，但傳統(tǒng)的機械壓力機在應(yīng)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(diào)整，且僅能在下死點前較小的行程內(nèi)產(chǎn)生公稱壓力；受曲柄連桿等結(jié)構(gòu)強度和尺寸的限制，滑塊行程高度有限；傳動連接環(huán)節(jié)多和傳動結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生側(cè)向力，不能保證滑塊長時間穩(wěn)定的下死點位置和有效的導(dǎo)向精度；工作時機床振動大，對基礎(chǔ)破壞較大；結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(yīng)新工藝需求。更復(fù)雜的零件造型和結(jié)構(gòu)，更新的材料，需要對沖壓成形過程進(jìn)行更精細(xì)的參數(shù)控制。

⑵生產(chǎn)效率提升困難。高速模式運轉(zhuǎn)時，復(fù)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(dǎo)致汽車生產(chǎn)的規(guī)模效益無法快速形成。尤其是今天車型更新?lián)Q代的步伐逐漸加快，快速的換代，快速的規(guī)模市場覆蓋成為了汽車銷售成敗的關(guān)鍵因素。

⑶能耗相對高、噪聲污染。沖壓過程柔性差，導(dǎo)致設(shè)備運轉(zhuǎn)沖擊大，產(chǎn)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(chǎn)線逐漸興起，廣汽乘用車設(shè)計和開發(fā)了一條國產(chǎn)智能伺服與機械混合自動化沖壓生產(chǎn)線，掌握了轎車覆蓋件沖壓生產(chǎn)線相關(guān)智能技術(shù)及批量制造技術(shù)，并經(jīng)過生產(chǎn)應(yīng)用驗證。伺服與機械混合生產(chǎn)線模式成為降低成本、提升車型品質(zhì)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(shù)采用將控制系統(tǒng)分成數(shù)據(jù)層、控制層、執(zhí)行層、電機與傳感器共四層的系統(tǒng)化設(shè)計原則，由伺服電機、伺服驅(qū)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(tǒng)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(zhuǎn)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(jù)不同的模具可靈活修改滑塊的運動曲線實現(xiàn)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(tǒng)，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(guī)劃拉延曲線；采用2臺儲能電機儲能，節(jié)約能耗，避免電流回饋電網(wǎng)造成的電壓波動。

伺服與機械壓力機混合集成

系統(tǒng)集成是強調(diào)技術(shù)與工程的結(jié)合，以解決方案為中心，技術(shù)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(shù)字控制技術(shù)，通過位移傳感器檢測滑塊運動，實現(xiàn)閉環(huán)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(xiàn)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(shù)成熟、裝機功率較小、可靠性高、設(shè)備故障易于判斷、維護(hù)保養(yǎng)方便的機械壓力機，使全線壓力機在沖壓方面的優(yōu)勢和潛能得到充分發(fā)揮，實現(xiàn)高效、高質(zhì)量沖壓，同時實現(xiàn)了在接近或達(dá)到全線伺服壓力機線的生產(chǎn)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(shè)計。

根據(jù)伺服及機械壓力機混合沖壓生產(chǎn)線的主要技術(shù)指標(biāo)及整線方案確定的聯(lián)線控制要求，通過系統(tǒng)化設(shè)計，對伺服壓力機單元的運動控制任務(wù)進(jìn)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(lián)線要求的技術(shù)集成和應(yīng)用示范，達(dá)到聯(lián)線控制的要求。

針對伺服壓力機與機械壓力機聯(lián)線的要求，進(jìn)行控制接口設(shè)計，滿足整線集成控制對工件參數(shù)和伺服壓力機曲線存儲、調(diào)用的要求。首先，建立機械壓力機與伺服壓力機聯(lián)系控制的接口，根據(jù)控制功能需要，定義控制接口信號。其次，開發(fā)、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(xiàn)運行節(jié)拍的優(yōu)化控制。

⑵伺服與機械混合自動化生產(chǎn)線的控制技術(shù)。

以實現(xiàn)伺服、機械混合沖壓線主要技術(shù)指標(biāo)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(shù)，從整線布置、自動化單元配置、全自動快速生產(chǎn)對模具設(shè)計的要求進(jìn)行統(tǒng)籌研究；優(yōu)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(yōu)化沖壓曲線，換模時序，實現(xiàn)整線的最優(yōu)配置及高效運行；為實現(xiàn)零件的快速過渡，研發(fā)一種生產(chǎn)線用過渡架；進(jìn)行機器人上下料與伺服壓力機、機械壓力機上下料時序優(yōu)化，結(jié)合仿真分析進(jìn)行試驗驗證；設(shè)計整線運行參數(shù)的存儲、調(diào)用開發(fā)，并進(jìn)行試驗、驗證，實現(xiàn)伺服及機械壓力機混合沖壓線運行參數(shù)的最優(yōu)設(shè)置，提升混合沖壓線的整線節(jié)拍。

伺服沖壓線對電網(wǎng)的適應(yīng)性

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

在伺服系統(tǒng)中合理選擇和配置儲能環(huán)節(jié)，采用能量儲存和管理技術(shù)，當(dāng)壓力機減速時將動能轉(zhuǎn)換成電能存儲在系統(tǒng)中，當(dāng)壓力機加速時可以將這個能量釋放出來，使能量在系統(tǒng)內(nèi)部流動、平衡，減小對外部電網(wǎng)的沖擊，從而降低對電網(wǎng)容量的要求，適應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)的供電系統(tǒng)。

伺服與機械壓力機混合生產(chǎn)線的應(yīng)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(chǎn)線（圖2）在廣州汽車集團(tuán)乘用車有限公司正式建成并投入使用，生產(chǎn)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(shè)備，伺服壓力機、數(shù)控液壓墊、機械壓力機等沖壓設(shè)備。伺服與機械壓力機混合生產(chǎn)線投入后，深拉延板件一次合格率大幅改善、生產(chǎn)效率提升、新車調(diào)試機時降低，與此同時，在沖壓設(shè)備制造業(yè)也起到很好示范作用。

⑴深拉延板件一次合格率提升。

側(cè)圍、翼子板、內(nèi)板件等深拉延車身覆蓋件的成形對模具、設(shè)備成形曲線等均有較為苛刻的要求，模具型面、設(shè)備參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)稍有變化便會導(dǎo)致開暗裂、凹凸條等品質(zhì)不良，一次成形率較低。伺服與機械壓力機混合生產(chǎn)線的導(dǎo)入打破了機械壓力機固化、統(tǒng)一的成形模式，可根據(jù)實際需要自主設(shè)定成形曲線、成形力，降低模具設(shè)計要求，打破一次合格率低的局面。

⑵生產(chǎn)效率提升。

截止2015年7月，伺服與機械壓力機混合沖壓生產(chǎn)線已累計生產(chǎn)或正在進(jìn)行調(diào)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(chǎn)節(jié)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(tǒng)全機械生產(chǎn)線節(jié)拍提升約1.1，效率提升達(dá)14.9%，單條生產(chǎn)線年產(chǎn)出能力增加1.49萬臺車。

⑶新車模具調(diào)試效率提升。

沖壓領(lǐng)域新車模具調(diào)試?yán)庸ば蛲钦{(diào)試的重難點區(qū)，常規(guī)新車模具調(diào)試周期約6～8個月，結(jié)合伺服與機械壓力機混合沖壓生產(chǎn)線的工藝特點進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，經(jīng)歷3車型的實踐，新車模具調(diào)試周期壓縮至3～4個月，縮減率約50%，大幅提升了新車導(dǎo)入效率。在汽車行業(yè)車型更新?lián)Q代日漸頻繁的大背景下，新車導(dǎo)入效率提升在很大程度上提升了企業(yè)綜合競爭力。

圖2 廣汽伺服與機械壓力機混合沖壓生產(chǎn)線

⑷行業(yè)示范效應(yīng)明顯。

目前伺服與機械壓力機混合沖壓生產(chǎn)線的誕生在行業(yè)內(nèi)產(chǎn)生了不小的影響，該項技術(shù)已被國家工信部列為“國家重大專項”課題，形成行業(yè)內(nèi)的示范生產(chǎn)基地。上海通用、長安、江淮等多家國內(nèi)主流汽車廠家對伺服技術(shù)的應(yīng)用表示出濃厚的興趣，其中上海通用（武漢工廠）導(dǎo)入一條全伺服國產(chǎn)沖壓生產(chǎn)線，預(yù)計2016年2月投入使用，伺服與機械壓力機混合沖壓生產(chǎn)線的示范效應(yīng)已逐步顯現(xiàn)。

結(jié)束語

伺服與機械壓力機混合沖壓生產(chǎn)線的推出是為了適應(yīng)不斷推陳出新的新車型對復(fù)雜型面、深拉延的高技術(shù)要求，同時成本相對較低，很好地平衡了新技術(shù)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?lián)Q代日漸頻繁，市場對能夠穩(wěn)定成形復(fù)雜型面的伺服技術(shù)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(chǎn)線是成本與技術(shù)兼?zhèn)涞倪x擇。伺服與機械壓力機混合生產(chǎn)線的推出實現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用，為汽車行業(yè)發(fā)展注入新活力。