伺服与机械压力机混合自动化生产线应用

文/谢卫林，廖端，马朋超，胡奎·广州汽车集团乘用车有限公司

伺服与机械压力机混合自动化生产线应用

文/谢卫林，廖端，马朋超，胡奎·广州汽车集团乘用车有限公司

现代汽车工业生产日益呈现生产规模化、车型个性化、车型批量小、车型变化快、多车型共线生产、车身覆盖件大型化一体化的特征。传统机械多连杆式压力机的拉延性能在新需求面前愈发显得捉襟见肘。伺服压力机技术应运而生，但整线伺服不但面临成倍增加的成本，还面临翻边、修边、冲孔工艺的设备浪费（对压机施力形式无要求），伺服与机械混合生产线的推出有效解决了技术、成本之间的矛盾，为汽车工业、装备工业的发展开拓了新的路径。

谢卫林，冲压科科长，工程师，全面负责冲压科安全、工艺、量产和人员选拔培养工作，主要负责完成冲压B线—伺服机械生产线前期可行性研究、开发，以及后期的安装调试，为国内整车厂第一条用于量产的国产伺服与机械混合生产线，该项目获得国家重大科技专项支持，拥有4项专利、发表论文多篇。

伺服与机械压力机混合生产线概述

全伺服冲压生产线逐渐兴起，但整线伺服不但面临成倍增加的成本，还面临翻边、修边、冲孔工艺（对压机施力形式无要求）的设备浪费；智能伺服与机械压力机混合自动化冲压生产线的组成是第一序（拉延序）采用伺服压力机，后4序采用机械压力机，中间采用高柔性化的直线七轴机器人搬运，整线运用自动化集成技术，是能够实现智能伺服与机械混合的自动化冲压生产线。在品质最重要的拉延工序采用伺服压力机，可提高材料利用率，实现较复杂零件的加工工艺，提升拉延品质和模具寿命，解决了机械压力机难以使用复杂冲压工艺以及生产效率难以提升等问题，同时可降低冲压噪声，实现高质量冲压。而在切边、翻边、冲孔等工序采用机械压力机，在节省设备投资的同时实现伺服和机械压力机匹配协调。采用整线集成后，可实现整条生产线无人化操作、“一键式”快速换模，大幅削减人员投资和提高生产效率，实现智能高效生产。

应用国际最先进冲压技术，实现大批量、高质量、高智能、高效率的冲压生产是中国自主品牌汽车冲压生产技术的最新应用思路和重要发展方向。伺服与机械压力机混合生产线是广汽乘用车应用国产大型伺服压力机和大型机械压力机，建立的首条国产大型智能伺服与机械混合自动化冲压生产线。该生产线可实现连续坯料拆垛、清洗上料，5序压力机冲压、自动化直线七轴机器人自动搬运、零件工序间自动传送和模具自动更换、线尾皮带输送等功能，实现了伺服及机械压力机混合生产线的智能化、柔性化集成。工艺布局如图1所示。

传统机械压力机自动化生产线

传统机械压力机生产线现状

汽车车身不仅与底盘和发动机一起构成了汽车的三大部件，而且还是决定汽车产品市场竞争力和市场寿命的主要因素之一。车身是特殊的机械产品，是结构设计、制造技术和艺术造型的结合体，车身零件冲压成形是汽车车身制造的第一道工艺，同时也是决定车身质量的关键工艺。车身冲压工艺还需要密集的资金和装备投入以及许多高新技术支撑。可以说车身冲压成形在一定程度上代表了整个汽车制造技术水平。

图1 冲压伺服机械混合生产线图（效果图）

近年来，汽车由精英消费逐步走向大众消费，消费者也经历了由认识汽车、使用汽车到享受汽车的过程，顾客对汽车外观、操纵等各方面多样性的需求越来越多。对大多汽车消费者而言，车身外观是影响其对一辆汽车最直观、最重要的认知之一，而冲压工艺是汽车整车生产的第一工艺，其冲压成形水平直接影响着车身外观的质量及美观。

基于以上，为了实现汽车轻量化、外观复杂化，这无疑增加了冲压工艺的难度；另外，冲压制造过程属于高度资本密集类型，在板件冲压成形的拉延、切边、修边、冲孔、整形等工序的压力机以及传输、夹持零件所需的自动化设备等方面投资庞大。同时对产品设计和工艺规划的质量要求很高。为了保证高品质和高效率，第一工序拉延序的品质直接影响后工序，在新的车型导入时要求超过50%的调试工时在拉延工序上，研究拉延序成形精度较高的压力机非常迫切，从而缩短调试与试运行时间，提高冲压性能。

机械压力机生产线的不足

传统的机械冲压线虽然技术成熟、可靠性高，但对复杂件成形特别是拉延深度大的工艺需求难以同时保证品质和效率，同时还存在噪声大和能耗高的不足。

传统的机械压力机采用电机驱动和机械传动，通过曲柄连杆机构或其他机构将电机的旋转运动转换为滑块的往复运动。虽然电子技术和数控液压技术得到发展，但传统的机械压力机在应用过程中依然存在不少缺点，如滑块的成形时间短，成形速度不可调整，且仅能在下死点前较小的行程内产生公称压力；受曲柄连杆等结构强度和尺寸的限制，滑块行程高度有限；传动连接环节多和传动结构本身产生侧向力，不能保证滑块长时间稳定的下死点位置和有效的导向精度；工作时机床振动大，对基础破坏较大；结构较为复杂，加工精度要求高。其主要存在以下困难：

⑴机械式压力机难以适应新工艺需求。更复杂的零件造型和结构，更新的材料，需要对冲压成形过程进行更精细的参数控制。

⑵生产效率提升困难。高速模式运转时，复杂工件成形不良率较高；为保证合格率，只能降低冲压速度，导致汽车生产的规模效益无法快速形成。尤其是今天车型更新换代的步伐逐渐加快，快速的换代，快速的规模市场覆盖成为了汽车销售成败的关键因素。

⑶能耗相对高、噪声污染。冲压过程柔性差，导致设备运转冲击大，产生较大的噪声污染和较高的能源损耗。

近年来全伺服冲压生产线逐渐兴起，广汽乘用车设计和开发了一条国产智能伺服与机械混合自动化冲压生产线，掌握了轿车覆盖件冲压生产线相关智能技术及批量制造技术，并经过生产应用验证。伺服与机械混合生产线模式成为降低成本、提升车型品质竞争力的新途径。

新型伺服压力机与机械压力机混合线

伺服压力机控制

新型伺服压力机技术采用将控制系统分成数据层、控制层、执行层、电机与传感器共四层的系统化设计原则，由伺服电机、伺服驱动器、伺服控制器、反馈装置能量管理及控制单元等组成。采用大扭矩同步伺服电机取代传统压力机中电机、飞轮、离合器和制动器部分，利用大功率伺服控制器来控制电机的转速、位置和扭矩，从而控制滑块的运动曲线，在冲压时降低速度，在回程中增加速度来提高效率，根据不同的模具可灵活修改滑块的运动曲线实现冲压过程中高的灵活性和柔性化。

伺服压机配备西门子伺服控制系统，使用1主3副共4个伺服力矩电机，可通过5点控制按需规划拉延曲线；采用2台储能电机储能，节约能耗，避免电流回馈电网造成的电压波动。

伺服与机械压力机混合集成

系统集成是强调技术与工程的结合，以解决方案为中心，技术含量很高。本项目针对拉延序的工艺要求采用伺服压力机及伺服传动装置，利用数字控制技术，通过位移传感器检测滑块运动，实现闭环反馈控制方法，可任意自由、高精度地控制压力机的滑块运动。通过计算机程序控制滑块的运动曲线，改变冲压工艺曲线，实现压力机通用性、柔性化、智能化；同时在工艺要求相对较低的后工序采用技术成熟、装机功率较小、可靠性高、设备故障易于判断、维护保养方便的机械压力机，使全线压力机在冲压方面的优势和潜能得到充分发挥，实现高效、高质量冲压，同时实现了在接近或达到全线伺服压力机线的生产效率时，一次性投资最少。

⑴伺服与机械压力机混合线的接口信号设计。

根据伺服及机械压力机混合冲压生产线的主要技术指标及整线方案确定的联线控制要求，通过系统化设计，对伺服压力机单元的运动控制任务进行模拟试验，最终完成符合伺服和机械压力机混合冲压线联线要求的技术集成和应用示范，达到联线控制的要求。

针对伺服压力机与机械压力机联线的要求，进行控制接口设计，满足整线集成控制对工件参数和伺服压力机曲线存储、调用的要求。首先，建立机械压力机与伺服压力机联系控制的接口，根据控制功能需要，定义控制接口信号。其次，开发、试验伺服压力机与自动化上下料单元的连锁控制接口，实现运行节拍的优化控制。

⑵伺服与机械混合自动化生产线的控制技术。

以实现伺服、机械混合冲压线主要技术指标为中心，研究伺服及机械压力机、自动化单元、模具的整体集成技术，从整线布置、自动化单元配置、全自动快速生产对模具设计的要求进行统筹研究；优化伺服压力机、机械压力机、自动化单元及模具的配置，集成整线各单元；优化冲压曲线，换模时序，实现整线的最优配置及高效运行；为实现零件的快速过渡，研发一种生产线用过渡架；进行机器人上下料与伺服压力机、机械压力机上下料时序优化，结合仿真分析进行试验验证；设计整线运行参数的存储、调用开发，并进行试验、验证，实现伺服及机械压力机混合冲压线运行参数的最优设置，提升混合冲压线的整线节拍。

伺服冲压线对电网的适应性

伺服压力机在运行时，一个循环过程中会有频繁的加、减速，对电网电能的需求时高时低，会产生非常高的电源峰值需求，可达额定值的几倍到十几倍，会对电网产生冲击，给工厂供电带来了难度。

在伺服系统中合理选择和配置储能环节，采用能量储存和管理技术，当压力机减速时将动能转换成电能存储在系统中，当压力机加速时可以将这个能量释放出来，使能量在系统内部流动、平衡，减小对外部电网的冲击，从而降低对电网容量的要求，适应于标准的供电系统。

伺服与机械压力机混合生产线的应用

2014年11月1日全世界首条伺服与机械压力机混合冲压生产线（图2）在广州汽车集团乘用车有限公司正式建成并投入使用，生产线集成拆垛、堆垛、皮带机、直线七轴、端拾器拆卸工装、在线清洗机等自动化设备，伺服压力机、数控液压垫、机械压力机等冲压设备。伺服与机械压力机混合生产线投入后，深拉延板件一次合格率大幅改善、生产效率提升、新车调试机时降低，与此同时，在冲压设备制造业也起到很好示范作用。

⑴深拉延板件一次合格率提升。

侧围、翼子板、内板件等深拉延车身覆盖件的成形对模具、设备成形曲线等均有较为苛刻的要求，模具型面、设备参数、设备状态稍有变化便会导致开暗裂、凹凸条等品质不良，一次成形率较低。伺服与机械压力机混合生产线的导入打破了机械压力机固化、统一的成形模式，可根据实际需要自主设定成形曲线、成形力，降低模具设计要求，打破一次合格率低的局面。

⑵生产效率提升。

截止2015年7月，伺服与机械压力机混合冲压生产线已累计生产或正在进行调试的6个车型的模具共计20套，主要以成形难度高的深拉延板件为主。平均生产节拍为每分钟8.5件，其中大型模具的SPM为8.2～8.5；其他小型模具的SPM为8.8～9.2之间，相对于传统全机械生产线节拍提升约1.1，效率提升达14.9%，单条生产线年产出能力增加1.49万台车。

⑶新车模具调试效率提升。

冲压领域新车模具调试拉延工序往往是调试的重难点区，常规新车模具调试周期约6～8个月，结合伺服与机械压力机混合冲压生产线的工艺特点进行标准化后，经历3车型的实践，新车模具调试周期压缩至3～4个月，缩减率约50%，大幅提升了新车导入效率。在汽车行业车型更新换代日渐频繁的大背景下，新车导入效率提升在很大程度上提升了企业综合竞争力。

图2 广汽伺服与机械压力机混合冲压生产线

⑷行业示范效应明显。

目前伺服与机械压力机混合冲压生产线的诞生在行业内产生了不小的影响，该项技术已被国家工信部列为“国家重大专项”课题，形成行业内的示范生产基地。上海通用、长安、江淮等多家国内主流汽车厂家对伺服技术的应用表示出浓厚的兴趣，其中上海通用（武汉工厂）导入一条全伺服国产冲压生产线，预计2016年2月投入使用，伺服与机械压力机混合冲压生产线的示范效应已逐步显现。

结束语

伺服与机械压力机混合冲压生产线的推出是为了适应不断推陈出新的新车型对复杂型面、深拉延的高技术要求，同时成本相对较低，很好地平衡了新技术需求与成本高的矛盾。随着汽车市场竞争日渐激烈，车型更新换代日渐频繁，市场对能够稳定成形复杂型面的伺服技术的需求必将日渐强烈，一条具有低成本、高效率、高智能的伺服与机械压力机混合冲压生产线是成本与技术兼备的选择。伺服与机械压力机混合生产线的推出实现了生产设备的现场应用，为汽车行业发展注入新活力。