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(shù)向智能化、節(jié)能化、柔性化方向發(fā)展，伺服沖壓線越來(lái)越多地應(yīng)用于汽車沖壓生產(chǎn)中。伺服線中伺服壓力機(jī)以伺服電機(jī)為主要?jiǎng)恿υ?，通過(guò)對(duì)伺服電機(jī)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)壓機(jī)滑塊的伺服可控；機(jī)械手高度靈活，參數(shù)設(shè)置柔性，通過(guò)對(duì)伺服壓力機(jī)滑塊速度柔性配置，對(duì)機(jī)械手運(yùn)行軌跡及速度優(yōu)化，以及對(duì)機(jī)械手與壓機(jī)之間、機(jī)械手與機(jī)械手之間的運(yùn)動(dòng)擬合來(lái)實(shí)現(xiàn)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(duì)SCHULER 伺服沖壓線的整線提升及優(yōu)化進(jìn)行分析，通過(guò)曲線仿真對(duì)序列化生產(chǎn)零件后備廂外板下部進(jìn)行整線排布調(diào)整以及曲線優(yōu)化并加以驗(yàn)證。

為滿足日益嚴(yán)格的生產(chǎn)需求，伺服沖壓線正越來(lái)越多的被汽車企業(yè)采用。伺服沖壓線主要由伺服壓力機(jī)和自動(dòng)化輸送設(shè)備組成。伺服壓力機(jī)采用大功率伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊工作，對(duì)壓機(jī)工作周期內(nèi)多個(gè)節(jié)點(diǎn)的行程及速度編程可控，以實(shí)現(xiàn)加工工藝要求。而自動(dòng)化輸送設(shè)備在輸送過(guò)程中的方向轉(zhuǎn)角橫移方面具備良好的可調(diào)節(jié)性。伺服壓力機(jī)與輸送設(shè)備的優(yōu)化擬合促使伺服沖壓線具備極高的生產(chǎn)效率。

下面通過(guò)對(duì)PLS 的介紹，結(jié)合曲線仿真來(lái)研究伺服沖壓線在提升整線效率、優(yōu)化壓機(jī)滑塊、機(jī)械手受力以及模具工作質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)，并且對(duì)后備廂外板下部模具的整線優(yōu)化布置以及通過(guò)對(duì)該零件進(jìn)行PLS 曲線仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的適應(yīng)性、高效性以及高質(zhì)量生產(chǎn)。

伺服線曲線仿真簡(jiǎn)介及原理

PLS 簡(jiǎn)介

PLS 即Press Line Simulation，意為沖壓線模擬。目前使用的V5PLS 可針對(duì)德國(guó)SCHULER 伺服沖壓線進(jìn)行沖壓曲線模擬工作，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)、機(jī)械手、模具和零件相互聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)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(hù)沖壓設(shè)備，使機(jī)械手工作中所受力矩不超過(guò)工作中的額定力矩。(3)降低了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不必要的動(dòng)作以及能源、時(shí)間的浪費(fèi)。(4)優(yōu)化了壓機(jī)工作過(guò)程中滑塊速度，降低設(shè)備及模具的沖擊。(5)可針對(duì)模具特點(diǎn)進(jìn)行差異化設(shè)置，最大限度地發(fā)揮模具的工作潛力。(6)平衡過(guò)程機(jī)械手送取件空間，確保機(jī)械手送取件時(shí)通過(guò)性良好。

PLS 優(yōu)化原理

(1)CBF 優(yōu)化原理。

伺服沖壓線機(jī)械手CrossBar Feeder，簡(jiǎn)稱CBF。在送取件過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)軌跡及節(jié)點(diǎn)如圖1 所示。

圖1 機(jī)械手運(yùn)行軌跡劃分

針對(duì)CBF 整個(gè)運(yùn)行周期的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，調(diào)整曲線的主要原則有：

①對(duì)提升過(guò)程機(jī)械手加速度進(jìn)行限速,確保帶件提升的平穩(wěn)性，同時(shí)降低機(jī)械手負(fù)載。

②送件曲線盡量平緩，避免CBF 瞬間負(fù)載過(guò)大，同時(shí)使零件平穩(wěn)。

③對(duì)下行放件過(guò)程CBF 加速度進(jìn)行限速,避免放件時(shí)速度過(guò)快導(dǎo)致零件變形或投料問(wèn)題。

④CBF 放件回程時(shí)下擺，豎直方向過(guò)渡平穩(wěn)，減小機(jī)械手豎直運(yùn)行的加速度。

⑤循環(huán)停位置附近曲線平滑，減小機(jī)械手豎直運(yùn)行的加速度。

⑥盡量使中間輸送部分曲線軌跡在循環(huán)停左右對(duì)稱，使兩邊運(yùn)行的時(shí)間平衡。

⑦送取件點(diǎn)機(jī)械手角度應(yīng)控制在合理范圍，角度過(guò)小機(jī)械手受力矩過(guò)大，過(guò)大通過(guò)性不良。

(2)伺服壓機(jī)優(yōu)化。

圖2 為壓機(jī)工作周期與模具工作以及送取件之間的關(guān)系，通過(guò)對(duì)模具工作時(shí)間的調(diào)整以及對(duì)壓力機(jī)空行程時(shí)間的延長(zhǎng)可有效提升CBF 的操作空間。

圖2 壓機(jī)運(yùn)行周期內(nèi)各節(jié)點(diǎn)示意圖

圖3 為設(shè)置的6 個(gè)曲線控制點(diǎn)，控制整個(gè)壓力機(jī)工作周期的滑塊運(yùn)動(dòng)。其中接觸點(diǎn)的速度直接影響到壓機(jī)工作的振動(dòng)值，同時(shí)也影響到模具的結(jié)構(gòu)安全，一般要求接觸速度不高于0.5m/s。脫離點(diǎn)的設(shè)定關(guān)乎模具上部機(jī)構(gòu)如壓料器行程釋放對(duì)模具結(jié)構(gòu)的沖擊，因此對(duì)該點(diǎn)速度的限制應(yīng)使其不高于0.5m/s。整個(gè)過(guò)程可監(jiān)控壓機(jī)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(yōu)扭矩，紅線為實(shí)際扭矩。要求實(shí)際扭矩不得超過(guò)額定扭矩的80%，最好不超過(guò)最優(yōu)扭矩。

圖3 各節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置

圖4 滑塊凸輪扭矩檢測(cè)

(3)CBF 與伺服壓力機(jī)的干涉同步調(diào)試。

沖壓線的整線生產(chǎn)需要對(duì)壓力機(jī)與CBF、CBF 與CBF 之間的配合進(jìn)行設(shè)置?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整圖5 中相位差來(lái)調(diào)整送取件時(shí)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(lái)改善、平衡各CBF 的通過(guò)性。

圖5 干涉同步調(diào)試

曲線仿真在整線提升中的運(yùn)用

運(yùn)用背景

BBAC 某車型后備廂外板下部設(shè)計(jì)SPM 為16。但由于原先整線排布不理想且曲線調(diào)試粗放，導(dǎo)致出現(xiàn)整線排布問(wèn)題與曲線問(wèn)題。

整線排布如圖6 所示，問(wèn)題主要有：

圖6 后備廂外板下部工藝排布

(1)第5 臺(tái)壓機(jī)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(fèi)。

圖7 OP50 空工位設(shè)計(jì)

圖8 OP50 空工位實(shí)物

(2)換模時(shí)將PS5 專用空工位落出，PS6 裝載通用空工位，換模時(shí)間較長(zhǎng)，影響生產(chǎn)效率。

(3)由于其余沖壓線均只有5臺(tái)壓機(jī)，而后備廂外板下部排布需要占用6 臺(tái)壓機(jī)，導(dǎo)致無(wú)法滿足該零件在其他沖壓線的備線生產(chǎn)，存在潛在的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。

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

曲線問(wèn)題有：(1)SPM 較高，但是生產(chǎn)線設(shè)備沒有限速，生產(chǎn)中出現(xiàn)零件送取時(shí)速度過(guò)快導(dǎo)致端拾器顫動(dòng)，同時(shí)機(jī)械手瞬時(shí)負(fù)載較大。(2)現(xiàn)場(chǎng)觀察CBF2在送件時(shí)投件方向與沖壓方向存在夾角，導(dǎo)致生產(chǎn)中易出現(xiàn)投料不準(zhǔn)，工序件搭定位，導(dǎo)致生產(chǎn)停機(jī)。(3)CBF 送取件過(guò)程中存在多余不必要的動(dòng)作，導(dǎo)致沖壓線功率的浪費(fèi)。(4)對(duì)壓機(jī)的滑塊曲線編輯不夠，導(dǎo)致壓機(jī)接觸速度較快，生產(chǎn)中有壓機(jī)明顯振動(dòng)。

整線排布優(yōu)化

按原方案為OP40 到OP50 橫移200mm，零件在OP50 空工位轉(zhuǎn)角7°，使CBF5 往OP60 投件時(shí)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(chǎn)。

現(xiàn)方案為：

(1)取消OP50 專用空工位，將OP60 模具轉(zhuǎn)PS5工作臺(tái)，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(jìn)后通用空工位搭建

(2)將端拾器原CBF6 取代原CBF5，確保調(diào)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(guò)調(diào)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(yōu)化。

如圖10 所示，通過(guò)V5PLS 軟件中的程序?qū)C(jī)械手運(yùn)行加速度進(jìn)行限制。原曲線在無(wú)限速情況下運(yùn)行時(shí)為SPM16，導(dǎo)入軟件進(jìn)行限速后，整線SPM 不超過(guò)14.4?？梢娫星€并非真正意義上可以滿足高SPM 生產(chǎn)，只是在犧牲壓機(jī)模具以及機(jī)械手工作質(zhì)量的前提下達(dá)到SPM 為16 的生產(chǎn)狀態(tài)。

圖10 曲線改進(jìn)前限速前提下的SPM

通過(guò)對(duì)曲線的優(yōu)化，限速情況下，整線優(yōu)化效率如圖11 所示，優(yōu)化后整線SPM 達(dá)到17。滿足在限速前提下提高整線生產(chǎn)效率的目的。

圖11 曲線改進(jìn)后限速前提下的SPM

(2)機(jī)械手工作優(yōu)化。

如圖12 所示，優(yōu)化前所有SPM 放取件點(diǎn)機(jī)械手角度為0°，導(dǎo)致機(jī)械手運(yùn)動(dòng)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(jī)械手SPM 值明顯降低。

圖12 優(yōu)化前機(jī)械手送取件點(diǎn)角度

圖13 為優(yōu)化后的機(jī)械手放取點(diǎn)姿態(tài)，放取點(diǎn)角度為5°，有效的改善機(jī)械手所受力矩。同時(shí)通過(guò)對(duì)各機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡及橫移的優(yōu)化，有效提升了整線效率。

圖13 優(yōu)化后機(jī)械手送取件點(diǎn)角度

(3)壓機(jī)工作優(yōu)化。

通過(guò)PLS 對(duì)曲線做出以下幾點(diǎn)優(yōu)化：

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

圖14 改進(jìn)前壓機(jī)3 滑塊凸輪扭矩

圖15 改進(jìn)后壓機(jī)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(duì)PS1 壓機(jī)優(yōu)化后如圖17 所示，優(yōu)化后接觸速度為0.4m/s。

圖16 改進(jìn)前PS1 壓機(jī)參數(shù)設(shè)置及速度監(jiān)控

圖17 改進(jìn)后PS1 壓機(jī)參數(shù)設(shè)置及速度監(jiān)控

③為精確控制接觸點(diǎn)速度，原接觸點(diǎn)到底距離為預(yù)估值，現(xiàn)根據(jù)OP10 壓邊圈及后工序壓料器行程設(shè)置接觸點(diǎn)位置,同時(shí)脫離點(diǎn)除拉延為20mm 以外，后工序脫離點(diǎn)數(shù)值與接觸點(diǎn)相同。整理后的位置如表1所示。

表1 各工序模具接觸點(diǎn)設(shè)置

在線調(diào)試

通過(guò)在線調(diào)試，對(duì)新建端拾器及空工位進(jìn)行微調(diào)使其適應(yīng)生產(chǎn)線高速運(yùn)行。調(diào)試后觀察整線排布更改及曲線優(yōu)化后，機(jī)械手放取件動(dòng)作柔和，整周期運(yùn)行順利無(wú)多余動(dòng)作，壓機(jī)工作速度較慢，通過(guò)對(duì)圖18中窗口監(jiān)控壓機(jī)滑塊及底座振動(dòng)值，結(jié)果如圖19、圖20 所示。由更改前后壓機(jī)振動(dòng)值對(duì)比可知整線曲線優(yōu)化后壓機(jī)振動(dòng)值明顯降低。

圖18 滑塊及底座(工作臺(tái))振動(dòng)值監(jiān)控界面

圖19 滑塊振動(dòng)值(單位：mg)

圖20 壓機(jī)工作臺(tái)振動(dòng)值(單位：mg)

結(jié)論

通過(guò)對(duì)PLS 曲線優(yōu)化原理的分析以及對(duì)后備廂外板下部整線排布、曲線優(yōu)化及調(diào)試的結(jié)果，可得出以下結(jié)論：(1)在整線零件傳輸圖設(shè)計(jì)時(shí)，盡量避免使用空工位，如因生產(chǎn)線問(wèn)題，應(yīng)采用通用空工位。(2)通過(guò)對(duì)機(jī)械手運(yùn)行過(guò)程中的加速度限制，可顯著提升CBF 運(yùn)行以及零件輸送的質(zhì)量。(3)通過(guò)對(duì)壓機(jī)滑塊各控制點(diǎn)的合理設(shè)置，可有效提升壓機(jī)曲線質(zhì)量，保證壓機(jī)運(yùn)行效率的同時(shí)，降低對(duì)壓機(jī)及模具的沖擊。(4)通過(guò)對(duì)曲線干涉同步的合理調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)壓機(jī)與CBF、CBF 之間運(yùn)行的有效平衡。(5)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及生產(chǎn)證明，曲線仿真對(duì)于伺服沖壓線生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量的提升有重要作用。