關鍵詞：同步運動控制 沖壓自動化

沖壓是汽車整車生產的四大工藝之一，在沖壓工藝中最主要的設備是壓力機，另外還有開卷線翻轉機等其他輔助設備。壓力機有人工上下料和自動化上下料兩種方式，自動化上下料設備專業(yè)性較強，造價較高。隨著現(xiàn)代工廠對生產效率的要求不斷提高以及電氣控制技術的不斷提高，沖壓自動化技術在近十幾年也得到了飛速發(fā)展，從早期的壓力機與機械手之間依靠順序控制實現(xiàn)上下料，發(fā)展到現(xiàn)在的同步壓機與快速送料機構之間的主從控制，因而生產效率也得到大幅度地提高。沖壓自動化技術在沖壓自動化設備中，由于控制性能要求高，動態(tài)響應快，大都使用包含多軸運動控制的伺服技術?？刂破鞔蠖及壿嬁刂坪瓦\動控制兩部分功能，有些集成在一個控制器上，有些系統(tǒng)的邏輯控制和運動控制分屬兩個控制器。在傳動結構上大都使用伺服電動機通過同步帶或絲杠傳動，往復定位精度在0.5mm以內。經過多年的發(fā)展和完善，現(xiàn)在沖壓自動化設備大致有以下幾種：

1. 機械手上下料

機械手上下料的自動化機構（見圖1）一般包含拆垛裝置、對中裝置、上料機械手、下料機械手、穿梭小車等部分。其中上下料機械手和穿梭小車一般包含2～3個運動軸，由伺服電動機驅動。世界上生產機械手的廠家有美國的I SI、日本的小矢部、瑞典的ABB和臺灣的金峰等。

2. 機器人上下料

機器人上下料機構一般包含拆垛機器人、對中裝置、上下料機器人等。與機械手的主要區(qū)別在于，并不使用專用的機械手臂而是使用通用的工業(yè)機器人進行上下料的操作，一般使用載重量在60～100kg的大型工業(yè)機器人。世界上能夠生產沖壓機器人的廠家主要有日本的發(fā)那科、安川，瑞典的ABB，德國的KUKA等。

3.快速送料機構上下料

快速上下料機構是由機械手發(fā)展而來的，速度更快，是更加具有專業(yè)性的沖壓自動化的專用設備。這種結構不拘泥于機械手的二維坐標形式，其特殊的機構專用于壓機間的板料輸送，一套壓機間的輸送機構最多包含十幾個伺服電動機軸（見圖2所示）。能夠生產快速送料的廠家主要是專業(yè)的沖壓設備生產廠，如德國的舒勒和日本的小松。

機械手上下料的方式出現(xiàn)較早，但由于沒有明顯的優(yōu)勢，現(xiàn)在機械手上下料其訂貨已經越來越少。由于工業(yè)機器人發(fā)展成熟并且易于維護，機器人上下料已經越來越成為預算并不充裕的廠家首選。而快速送料是近10年逐漸興起的，其技術還不是十分成熟，但由于其速度上的巨大優(yōu)勢，以及能夠和高檔壓力機緊密結合的特點，使其必將在未來的沖壓行業(yè)中扮演重要角色。三種上下料機構特點對比見下表所示。

同步運動控制技術

同步運動控制是由伺服驅動技術延伸發(fā)展而來的。伺服驅動器驅動伺服電動機并采集反饋信號到驅動器的核心控制單元，實現(xiàn)高動態(tài)響應的運動控制。在數(shù)控加工中心和機器人的多個伺服軸依靠控制單元的插補運算，實現(xiàn)兩個軸以上的插補運動軌跡曲線，而在一些對運動控制要求更高的設備上，要求各個運動軸之間實現(xiàn)主從的同步關系，從而進一步發(fā)展出了同步運動控制技術。同步運動控制可以實現(xiàn)兩個機器人之間的協(xié)同運動。在沖壓自動化設備中，同步控制可以實現(xiàn)壓機之間的同步，壓機與快速送料機構之間的同步，使整個沖壓生產線達到最大生產效率（見圖3）。

目前很多工業(yè)控制集成商都開發(fā)出了同步運動控制功能，應用較多的是西門子的SIMOTION運動控制系統(tǒng)和力士樂的INDRAWORKS運動控制。前者在食品加工、印刷、汽車制造等領域有廣泛應用，后者在汽車制造和輪胎方面有較多應用。在沖壓自動化行業(yè)，能夠提供同步控制解決方案的有德國西門子、力士樂和日本的瑞恩。目前，在國際上，能夠使用同步控制集成技術在高檔沖壓生產線上的廠家有德國的舒勒萬家頓、日本的小松、瑞士的古德等。在國際上，這些設備制造商制造的已經投產的同步快速沖壓線有很多，主要集中在日本和歐美。在中國也有一些已經投產或正在安裝調試，其中比較具有代表性的是用于一汽轎車的舒勒沖壓線、上海通用的萬家頓沖壓線、北京現(xiàn)代的GUDEL沖壓線和起亞汽車的GUDEL沖壓線等，他們都是使用了同步技術并于近幾年投產的沖壓線。 從電氣控制上講，舒勒萬家頓和古德都是使用帶有同步控制功能的工控機作為控制核心，使用力士樂的伺服驅動器作為驅動元件，使用力士樂的伺服電動機作為執(zhí)行元件實現(xiàn)運動控制的。而壓機是如何作為主軸的呢？這信號來源于安裝在壓機凸輪上的編碼器，在整個同步控制中這個編碼器就作為主軸，其他從軸隨這個主軸按照編輯的同步曲線運動。

如圖4 所示，R_M代表壓機主軸，是一個實軸。V_M是虛擬主軸，當與壓機同步運行時，R_M與V_M耦合；當送料機構單獨運行時，R_M與V_M解耦合。V_X、V_Y、V_Z等代表送料伺服機構的送進、提升等運動方向的虛擬軸，當自動或單次循環(huán)運行時，V_X與V_M按照事先編制的凸輪曲線同步運行，實現(xiàn)送料機構的連續(xù)運動；當手動送料機構的各個軸時，V_X等與V_M解耦合。X₁、X₂等與V_X始終保持線性同步，保證多個電動機在同一個運動方向上的同步性。

圖5～圖7所示為通過軟件制作的運動曲線，曲線中的橫坐標為主軸角度，縱坐標為從軸位置，通過不同的同步曲線實現(xiàn)了送料機構各個運動方向與壓力機的可編程運動控制。圖5為一條從軸不跟隨主軸運動的同步曲線，圖6為一條從軸跟隨主軸做先加速后勻速再減速的五次方運動曲線，圖5與圖6的可編程組合實現(xiàn)了圖7所示完整的同步運動。這條曲線就是V_X，V_Y等與V_M之間同步運動所需要的曲線，為V_X、V_Y、V_Z、V_A、V_B分別編制的同步曲線如圖8所示。

結語

同步運動技術在沖壓線上的應用大大提高了生產效率，引發(fā)了沖壓行業(yè)的一場革命，大型沖壓線的整線速度由原來的每分鐘6～8件提升到了10～15件，自動化生產線的高效率得到了最大的體現(xiàn)。這種快速送料線的成本比原來機械手機器人式的自動線整線成本高出30%～40%，而生產效率提高了近一倍。對于沖壓設備廠商來說，這也是個壞消息，因為這意味著用戶不再需要那么多壓力機了，但提高生產率是現(xiàn)代工業(yè)的必然發(fā)展趨勢，其他沖壓設備生產廠商也都在研制自己的同步快速沖壓線，相信隨著控制技術的不斷發(fā)展，同步運動控制必將得到更加廣泛的應用。