伺服冲床的实际应用（连载四）

文/ 张清林·江苏中兴西田数控科技有限公司小松勇·日本小松技术士事务所

伺服冲床的实际应用（连载四）

文/ 张清林·江苏中兴西田数控科技有限公司小松勇·日本小松技术士事务所

《伺服冲床的实际应用·连载三》介绍了使用卷料进行顺送加工方式的特点和注意事项，本期主要介绍多工位搬运装置生产方式的特点。

顺送加工和多工位加工的利弊

针对不同自动化生产方式进行比较，单冲加工（手工作业），多工位搬运加工（二维或者三维搬运）和机械手搬运（冲床用机械手、多关节机械手），顺送加工（辊筒式送料机、矫平送料机、夹持式送料机）。

材料的形态

⑴单冲加工使用冲压板材定尺寸材料，如梯形材料。需要进行材料落料。

⑵多工位搬运加工冲压板材定尺寸材料，如梯形材料。需要进行材料落料。

⑶顺送加工使用卷材，较长的定尺寸材料，长度3000～4000mm）。

大小的界限

⑴单冲加工直接用手或使用夹钳工具搬运，一个人操作的情况能够搬运的素材尺寸大约是500mm×1000mm的板料。

⑵多工位搬运板料，尺寸为50～2000×3500mm。

⑶顺送加工卷材幅宽约20～1800mm。冲床驱动的情况下，送料长度在2～400mm。单独驱动的情况下送料长度在2～3000mm。

材料的厚度、材质与生产数量

⑴单冲加工材料厚度为0.2～16mm，材料的材质为钢材，铜合金，铝合金，其他几乎所有材质。生产数量是1批500个以下，总生产量10000个以上。

⑵多工位搬运材料的厚度为0.5～10mm，材料的材质为钢材，非磁性钢板，铜合金，铝合金等。但需要注意的是这类板材供给时，两张粘连在一起分离比较困难。生产数量是1批1000个以上，总生产量100000个以上。

⑶顺送加工材料的厚度为0.2～12mm，材料的材质为钢材，铜合金，铝合金等非磁性材料，几乎所有的材料都可能。对于有光泽的材料和表面要求较高的材料，要注意材料表面的保护。对于有保护膜的材料，可采用通过送料装置后再分离素材表面的保护膜，再送入模具的方法。生产数量是1批3000个以上，总生产量500000个以上。

对冲床操作人员的技能要求

⑴单冲加工对操作者的熟练程度没有严格要求。没有经验的操作人员可只进行冲床的操作。产品的品质检查、模具的检查、维修及换模等工作由具体负责人进行。

⑵多工位搬运，要求冲床操作人员具备一定的熟练程度；具备通过冲床运转中的声音、振动和送料动作的稳定性等判断运转是否正常的能力，防患于未然；具备模具维修的能力；具备产品发生缺陷时，能分析、判断其产生的原因能力；有介绍、讲解机械手功能的能力。

⑶顺送加工，要求冲床操作人员具备一定的熟练程度；具备通过冲床运转中的声音、振动和送料动作的稳定性等判断运转是否正常的能力，防患于未然；具备模具维修的能力；具备产品发生缺陷时能够分析、判断其产生的原因的能力。

最大生产速度

⑴单冲加工的最大生产速度是小件25次/min以下，大件15次/min。

⑵多工位搬运情况下，冲床驱动的机械式小型一维（往复型）多工位最大生产速度是300次/ min，小型二维多工位最大生产速度是100次/min左右；中型、大型二维多工位最大生产速度为60次/min左右；中型、大型三维多工位次/min左右。冲床机械手最大生产速度为30次/min左右，多关节机器人最大生产速度为20次/min左右。

⑶顺送加工在大多数的情况，确定最大生产速度的条件是：每次的送料长度/送料速度40mm/ min来得出最大生产速度；高精度间歇式送料机构可高达4000次/min；使用小型夹持式送料机为400次/min左右；用于厚板的开卷矫平送料机的最大生产速度为60次/min；板厚为0.1mm左右的薄板应采用拉引式生产，速度可达到200次/min左右，适用于散热片等产品）；使用长度在3000～4000mm的一定尺寸的材料时可以在冲床的两侧同时设置送料装置，这种情况下的送料速度是40次/min左右。

冲压加工的复杂性

⑴单冲加工过程中,比较容易制作出合适加工的模具，自由度较大；下模的上表面高度不需要与其他模具相同；闭模高度不需要与其他模具一致；可以根据加工的内容自由地确定加压力、加工速度、行程长度、闭模高度等规格，选择冲床的自由度高;只需要考虑一个模具内的偏心负荷；在一台冲床上也可以使用多个模具（用人工进行模具间的搬运工作）。

⑵多工位搬运过程中,模具基本上是使用单冲模具;拉深件的侧面需要开孔时可以使用楔块式的模具;用三维多工位搬运装置时，由于搬运杆具有升降功能，模具内的成形品提升机构可以省略;使用二维多工位搬运装置时，下模上表面的高度必须一致;与顺送加工相比可以加工拉深深度更大的零件;模具的维护保养比较容易;冲压后的下脚料的处理比较容易;必须按照冲压加工的每一个工位上的零件形状制作夹持零件的夹爪，而且，每一次变换产品时都要更换;模具与模具之间可以进行加工件的翻转。

⑶顺送加工过程中，不能进行较深的拉深加工（冲床行程的25%以下）,根据送料方式不同可以变化;由于卷材是从始至终连在一起的，对楔块式模具的限制较多;材料的利用率（素材重量与成品重量的比率）不好;必须在了解各个工位的负荷的基础上进行工位的分配，为避免偏心负荷有时需要设置空置工位;要有合适的按压力，上模的按压板要是可动的、分割式的，模具变得非常复杂;下脚料的处理也会受到很多限制;模具的保养比较繁琐;冲床的动态精度不好时，模具的磨损就会加快。

模具材质和模架主板材质

⑴单冲加工过程中，模具材质为SK系列、SKS系列，严格的地方使用SKD11，铜合金、铝合金等对加压力的要求不严，模具材料可以使用S55C。模架主板，可以用SS400。

⑵多工位搬运过程中，模具材质使用SKD11、SKH51，要求严格的地方使用超硬合金。模架主板，可以用SS400，S45C等。

⑶顺送加工过程中，使用SKD11、SKH51等。对于铜合金，铝合金等加压力不是太严厉的话，高速冲压加工时可以选用铝合金板，要求严格的地方使用超硬合金。模架主板，可以用SS400，S45C等。

生产率

⑴单冲加工过程中，在需要很多个工位的情况时，加工中途的半成品会增多，很难提高生产率；每个工位都需要一个人，人均生产率很低；需要很多台冲床，占地面积大，单位面积的生产率很低；每个工位、每个成形品都要经过安全确认，使每分钟内的生产数量，生产率低；生产过程中能够进行工位间的半成品检查，可以降低最终不良品数量；减少了工位之间的搬运装置，生产投资成本降低。但是每一个工位之间需要人工的搬运总体的成本并不能减少。

⑵多工位搬运过程中，无论工位数如何多都不会出现中间半成品的积压，机械所占面积的生产率高；冲床的操作人员减少，人均生产率提高；由于是自动加工，不需要工序之间的中间检查和安全确认，每分钟的生产数提高，单位时间的生产率高；让连续运转的冲床停止1～2min进行中间工序的半成品检查，降低不良品的数量;不需要工位与工位之间的搬运工作，工厂内的人工成本降低;使用多关节机器人可以实现工位间工件的翻转，因加工内容的不同比起多工位搬运机械手具有更高的自由度，但工位之间的搬运时间比多工位搬运装置要长，很难提高生产率。

⑶顺送加工过程中，无论工位数如何多都不会出现中间半成品的积压,机械所占面积的生产率高;冲床的操作人员减少,人均生产率提高;由于是自动加工，不需要工序之间的中间检查和安全确认，每分钟的生产数提高,单位时间的生产率高;让连续运转的冲床停止1～2min两分钟进行中间工序的半成品检查，降低不良品的数量;不需要工位与工位之间的搬运工作，工厂内的人工成本降低;送料精度越好就会越能提高冲床的生产效率，生产率提高。

根据上述加工内容，需要从加工内容的自由度、生产率、下脚料的多少及处理方法等，来选择冲床的自动化方式。同时，还要考虑到模具是否可以自行制作、模具的维修保养是否可以自行完成。自动化的生产虽然优点很多，但从生产成本考虑不得不采用人工传递方法来加工的情况也很多。自动化生产时，操作人员的休息时间也可进行不间断的生产，但稍有不慎或不注意就可能造成大量的不良品，在操作人员的头脑里必须时刻牢记自动化生产也同样存在一定的危险性。

另一方面，在自动化的生产中模具的温度逐渐升高，没有模具冷却的时间。加工刚刚开始，模具处在冷却收缩状态时，生产出来的产品精度是良好的、合格的，但经过一定的时间后模具温度升高、膨胀，产品的精度就会产生变化，这时产品是否还在规定的精度范围内，是否已经产生了不良品，必须在自动生产的过程中经常检查产品的精度，丝毫不得怠慢。要求操作人员有一定的熟练程度和经验。在自动化生产上的“综合管理”是非常重要和不可缺少的。

多工位搬运方式下的成形加工对送料精度要求高

影响伺服冲床加工效果的重要因素之一是送料的安定性，用多工位搬运方式和多台联机机械手进行加工时影响送料精度的因素有很多。主要有以下几个方面需要注意：

⑴材料被夹持时的偏移。

⑵送料开始时的加速度造成与夹具之间的错位。

⑶因高速搬运中搬运杆的振动造成错位。

⑷接近模具时，停止产生减速造成错位。

⑸材料放开时的错位，因夹紧错误被检出时检出器发生跳动产生的错位。

⑹因加工油的原因，发生的材料滑动。

⑺三维搬运中搬运杆下降时，发生振动而引起的错位。

⑻把材料从堆垛机上一张一张取出，送到多工位搬运机械手的规定位置时的位置错误。

⑼素材表面残留的冷轧油导致真空吸盘和被吸着材料之间的错位。

上面9个原因会引起被加工品的精度变化，也是模具被损坏的原因。把一个成形品从第一个拉深工位送到第二个拉深工位，成形品的内径要与冲头匹配，外径要能够放入第二个拉深工位凹模的内径中，之间的间隙要设计得很小。间隙是产品精度不稳定的原因，所以上述情况无论是那种情况发生，都会造成整个模具内材料位置的不正确，生产出不良产品。

图1 冲床的曲轴角度与送料时间与拉深深度的关系

多工位搬运装置下伺服冲床的运转模式与送料时间的关系

与顺送加工相同，在使用多工位搬运装置进行加工时，要充分理解送料时曲轴的角度和拉深的长度、成形件的弯曲高度的关系，正确地选择送料的时机，否则会造成重大的生产事故。曲轴从上死点（曲轴角度为“0”）开始顺时针向右转动，转动一周滑块就完成了一个行程，图1表示了一个行程中冲床曲轴的转动与送料时间范围的关系。

对于机械式冲床来说，多工位搬运装置的驱动来源于冲床的曲轴，冲床和多工位搬运装置的同步运转不会发生错位。但对于伺服冲床来说，多工位搬运装置也是伺服驱动，其同步运转是通过电气信号的连接完成的，因此电气信号的设计正确与否至关重要。驱动多工位搬运装置的伺服电机因加速、减速时的特性会使生产速度发生改变，从而造成与冲床的同步关系紊乱。生产速度快速时的同步维持，减速时的同步维持会造成不同的“误送”信号频繁出现。一般情况下，伺服式的多工位搬运冲床使用的是高速、低扭矩的伺服电机，这种电机在起动、加速、减速、停止时的速度特性要低于冲床上使用的低速、高扭矩的伺服电机。用于搬运杆上夹紧、放开、提升、下降的伺服电机同样也是适用于高速，低扭矩的伺服电机。

如图1所示，顺送加工的拉深基本上从曲轴角度120°附近开始，拉深深度大约在行程长度的25%。多工位加工方法的拉深一般从曲轴角度105°附近开始，拉深的长度大约在行程长度的37.5%。以上是曲轴模式的情况，还有连杆模式、往复模式、压痕模式、振动模式、上死点停止模式和下死点不停止模式等，这些模式各自都有不同的适合送料的角度，在进行模具设计时必须充分地考虑到。另外，同步设计时还要考虑到多工位搬运装置的夹爪等的设计。