汽车大型覆盖件液压机柔性冲压生产线

时春生，李 琛，李贵闪

（1.合肥合锻智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250306）

汽车大型覆盖件液压机柔性冲压生产线

时春生1，李 琛2，李贵闪1

（1.合肥合锻智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东 济南 250306）

介绍了研发的液压机柔性冲压生产线及其关键技术，包括应用比例伺服控制技术开发的专用液压系统，基于现场总线的柔性冲压生产线控制系统，上置式电动同步调节全吨位低噪声冲裁缓冲装置等。该柔性冲压生产线速度快，控制先进，成形质量高，可满足多品种、小批量生产模式。

大型冲压生产线；液压机；关键技术；柔性；汽车

液压机柔性冲压生产线用于形状复杂、大拉伸比、高精度大型覆盖件的冲压加工，是保证汽车质量的重要装备。合肥合锻智能制造股份有限公司在产学研用合作的基础上，综合运用机械、控制、检测、液压等多学科技术，经过20余年努力，研究了液压机柔性冲压生产线中的多项关键技术，并进行集成开发应用。本项目在总结已有大型液压机床设计经验的基础上，创新应用比例伺服控制技术开发出满足薄板快速冲压和拉伸工艺的专用液压系统，冲压速度达到800mm/s；开发了基于现场总线的液压机柔性冲压生产线控制系统，集成快速换模系统、拆垛机、清洗机、对中设备、上下料机器人等设备，形成功能齐全的柔性生产线，能完成多种汽车大型覆盖件的精密冲压工艺，满足了国内汽车多品种、小批量生产模式；独创性地设计出上置式电动同步调节全吨位低噪声冲裁缓冲装置，使冲裁吨位由公称力的60%提高到100%，增大了冲裁加工能力；针对过去由于模具压边力不对称和实时变化产生的冲压工艺缺陷问题，研究了液压拉伸垫四角闭环比例调压及变压力控制技术，有效解决了精密复杂不对称工件拉伸质量难以保证的瓶颈，使冲压件废品率大大降低。

开发的液压机柔性冲压生产线具有加工质量好、效率高、柔性化及自动化程度高等特点，已成功在比亚迪、二汽、上汽、江淮、吉利、力帆等众多厂家应用，降低了汽车制造成本，有力推动了我国汽车工业发展。

1 主要创新点分析

1.1 问题与难点

汽车产量的不断增加带动汽车覆盖件冲压生产线的需求急剧增加。冲压件质量直接影响汽车制造质量。美国专家曾对50多个个案进行分析，认为冲压件尺寸产生的累积误差是造成车身总体尺寸误差变动的主要原因，主要由冲压设备控制精度低、冲压工艺落后、模具设计制造水平低等因素导致。为适应大型覆盖件精密冲压，提高液压成形生产线的生产质量和使用效率，解决不对称复杂工件局部延伸率突变应力和应变分布不均、成形过程中制件压边力多点分区调压的瓶颈问题，需要进行高品质柔性冲压生产线关键技术研究，开发满足大型覆盖件精密柔性成形的冲压装备。

1.2 解决方案

1.2.1 设计及制造技术

如图1所示，利用CAD、CAE技术，对主机结构进行优化，对关键零部件进行应力、变形分析以及寿命分析，整机进行模态分析，使主机能够在强度、刚性、寿命等方面充分满足要求。采用链式机构和模具快换技术设计了辅助移动工作台和快速换模机构，换模时间由过去5人4小时缩短为2人半小时，节省了换模准备时间；应用先进的激光测量技术检测大件直线度、圆度等形位误差，研究关键工艺对质量的影响，确保大件加工制造质量，零件加工精度相对过去同类产品提高近1倍；采用光幕、安全门等光机电一体化技术，设计了辅助机械安全装置、保护装置、防护装置，保护功能完善，连锁和冗余设计使压机工作更加安全，整机安全性能达到欧盟标准。

图1 主机结构有限元模型

1.2.2 电液比例伺服控制液压系统

为提高冲压件质量，适应多品种小批量生产工艺需要，液压系统采用电液比例伺服系统，所有压力的调整都采用比例阀通过数控系统调节，对于大流量的液压系统的比例控制必须采用闭环控制。在液压机伺服系统一体化控制技术研发方面，进行了如下技术攻关：

（1）滑块压力的精确闭环比例控制。为满足不同模具冲压需求，克服机械压力机存在死点位置的缺陷，采用比例伺服控制系统，实现滑块压力精确控制，系统设计有相应的比例压力阀和高精度压力传感器，构成闭环控制，保证模具冲压时的压力值，实现了精密冲压，经检测压力控制精度不大于±0.05MPa，零件合格率由过去的50%提高到98%。

（2）滑块位置的精确闭环控制。在精密控制系统压力的同时，液压系统设计中还增加了滑块位置闭环控制系统，该系统由位移传感器、比例换向阀等元件组成，控制算法采用PID控制理论。经检测该系统重复控制精度不大于±0.02mm。

（3）滑块快速运动控制技术，通过比例元件减少冲击。通过液压系统中的大流量充液阀系统，实现液压机快速下行、工进慢行的精密冲压要求，快进速度达到450mm/s，工作速度达到35mm/s，缩短了加工时间，提高了工作效率。

（4）液压垫闭环比例控制技术，包括四角比例调压技术、压力随数控系统连续变化的控制技术。精心设计了闭环比例控制液压垫系统，综合运用四角比例调压、压力随数控系统连续变化的控制等多种技术，实现大尺寸3800mm×1700mm液压垫的四角精密调压，经检测液压垫压力控制精度不大于±0.1MPa。

（5）压边滑块闭环比例控制技术。为实现双动拉伸液压机深拉伸工艺，设计了压边滑块闭环比例控制技术，能实现压边力的精密控制，避免了拉伸过程中的皱曲变形现象，提高拉伸件的质量。

（6）节能液压系统的设计。采用热平衡综合分析技术研究系统发热原因，采用比例泵直接控制保压过程等技术，减少能量损失。在此基础进一步采用伺服泵控制技术成功开发出全伺服控制液压机，实现最高节能50%的效果。

1.2.3 专用控制系统

如图2所示，研制了基于PLC和工控机基础上的大型数控薄板冲压液压机专用控制系统，具有模具参数数据库、远程异地信息控制、模具自动识别、故障报警及诊断、参数输入及显示界面、比例伺服系统控制算法、安全控制模块等功能。

整个生产线的控制采用主从控制。电液一体化系统采用分布控制器独立控制各个元件的闭环控制，提高控制精度，减少主控系统的计算量。对高精度的电液一体化控制系统，在分布控制器的基础上进一步通过软件模块进行优化，实现大闭环高精度控制。控制系统与电液一体化元件进行结合，根据工艺需要编制柔性控制软件，实现整个工艺流程的控制，且精确控制压力、位置、速度等。通过计算机实时采集拉深力、压边力、充液室压力、拉深滑块速度、拉深滑块位置等参数，并实时绘制各运行参数。各数据作为工件的加工过程数据，成为判定工件质量的原始数据。

图2 专用控制系统界面

控制部分采用SIEMENS S7-317 CPU系统和PROFACE 15寸HMI系统，在操作台部分和油箱部分各设置一个远程I/O站，在机身也准备设置一个远程子站，各子站与CPU主站通过PROFIBUS总线相连，减少了硬接线，提高了可靠性，同时通过PLC CPU上的DP通讯口连接到一个DP/DP耦合器，把压力机的控制网段与辅机系统的网段连接在一起，实现两个系统可分开调试，最后共享资源，组成一个完整的控制系统。

1.2.4 远程异地诊断控制技术

如图3所示，基于现场总线技术，构建了远程异地诊断系统，开发了远程异地诊断实验平台，验证远程异地诊断控制技术可靠性，并最终和大型数控双动薄板冲压液压机进行相关联机实验。保证了检测信息准确传递，较好地连接各监测设备，使诊断更可靠、有效。

图3 远程异地诊断系统硬件构成

1.2.5 全吨位低噪声冲裁缓冲技术

为了解决下置式冲裁缓冲装置仅适用于前移式工作台的缺点，经过技术攻关，开发了上置式电动同步调节全吨位低噪声冲裁缓冲装置（图4），使压机具有独特的全吨位冲裁缓冲及压力自动跟踪功能，消除了人工手动调节所带来的人为因素，减轻了劳动强度，提高了安全性能和自动化程度。

图4 全吨位低噪声冲裁缓冲装置

根据模具冲裁距离，由参数匹配优化规律合理设定缓冲位置，然后通过机械同步传动，电动调节缓冲点，用伺服电机驱动固定挡块，使其精确定位，定位精度与设置值误差在0.02mm以内。最终实现模具落料缓冲，减少了冲压瞬间的噪声，经检测噪声由过去的90dB减小到81dB。

全吨位低噪声冲裁缓冲装置解决了大型快速冲压机的最佳冲裁缓冲力自动跟踪问题，可吸收冲裁过程中产生的全部能量，降低了冲裁噪声，优化了操作环境，大大提高了压机和模具寿命，保证了压机可实现全吨位的冲裁落料功能。

1.2.6 液压机安全技术研究

充分借鉴欧盟国家的先进技术及标准，对安全PLC、安全继电器、安全光幕等产品进行应用实验，综合设计安全装置，在冗余和检控、安全等级方面提高液压机的安全性。该安全技术的研究，为大型数控薄板冲压液压机进入欧盟市场提供了保障。

1.2.7 四点数控液压垫技术

传统的液压机和机械压力机的液压垫四角压力一致，且压制时保持不变。当拉伸复杂不对称工件时，由于模具四角实际受力不均匀，容易造成工件起皱、卷边，很难保证工件的质量，成品率低。

图5 安全阀在液压系统中的应用

自主研制的液压拉伸垫四角调压控制技术，可实现比例调压，四角压力可随模具压力大小实时变压力控制功能，满足了不对称工件以及拉伸中需改变压边力时的工况要求，大大改善了冲压工艺和冲压件质量，降低了模具成本。

液压垫的压力采用比例压力阀控制，压力采集通过压力传感器实现，行程控制通过由位移传感器构成的闭环控制系统实现。保证压边力可根据需要函数控制，回路中各角的压力传感器将压力实时传递给数控系统，根据冲压工艺需要，数控系统实时控制四角压力，保证冲压件不起皱、不卷边，使成品合格率提高到98%。基于四角调压的多点拉伸液压垫如图6所示。

图6 基于四角调压的多点拉伸液压垫外观图

1.2.8 基于现场总线的网络控制系统

通过应用上下料机械手以及双驱动T型导轨移动台技术，液压机柔性冲压线配有拆垛、清洗涂油、对中设备和上下料机器人等多种辅助设备。基于现场总线的网络控制系统，形成自动化柔性冲压线，使整个冲压线按照冲压件工艺平稳、有序动作，提高了生产效率，大大降低了劳动强度。

在单机控制的基础上，通过工业以太网实现设备的网络控制和远程控制，实现冲压线系统的集中控制，网络控制自上而下具有三个层次：过程控制层，现场信号处理层，系统提供标准的PS485和RS232电气接口同智能单元（如智能仪表）连接。

系统配置有DEVICENET安全系统，该安全系统既可对简单的、分散的、安全输入/输出（例如“双手下行”、“急停”、“光幕”及控制阀等）进行扩展，又可组成柔性可编程安全回路。

关键控制环节采用冗余及相异设计。机器每次动作之前，先对主令发讯元件及主阀位进行自检，由HMI菜单选择窗口设置压机位置、压力、速度参数，经PLC的A/D、D/A模块采用PID方式对电子比例油泵、比例压力阀进行电液比例控制，组成流量、压力、位移的闭环控制系统，实现滑块位置轨迹和液压垫四角压力轨迹的跟踪。

2 实施结果

如图7所示，开发的快速薄板冲压液压机及生产线，在汽车大型覆盖件冲压工艺中成功应用，解决了不对称复杂工件局部延伸率突变、应力和应变分布不均问题，在国内汽车大型覆盖件液压机冲压线市场占有率在70%以上，压机冲裁缓冲能力由原来的60%上升为100%公称力。针对汽车覆盖件精密冲压快速生产需要，综合应用液压机主机全吨位冲裁缓冲、拉伸液压垫压边力四角分区调压等技术，解决了高速冲压液压机的稳定、精密控制等难题，保证了汽车覆盖件的精密冲压精度，实现高效安全节能生产。滑块快降、快回等指标超过常规冲压液压机1倍，达到了800mm/s，成功开发的快速薄板冲压系列液压机主机噪声降为85dB。具体性能指标如表1所示。

图7 液压机柔性冲压生产线

表1 快速薄板冲压液压机性能参数

3 主要成果

汽车大型覆盖件液压机柔性冲压生产线自行设计和制造，具有完全自主知识产权，生产线具有效率高、速度快、节能等特点。液压系统为电液比例分级控制，电气系统采用PLC+工业触摸屏控制，数显和安全功能齐全，配有自动超越程测量装置，光机电一体化程度高；持续跟踪国际前沿技术，把数字泵、压力闭环控制、上置缓冲、大液压垫双驱动T型导轨侧移移动台等新技术应用于本系列产品，推动了行业技术进步。通过产品开发，获得发明专利5项、实用新型20余项；起草的《液压机安全技术要求》通过国家标准颁布实施；该生产线获得安徽省科技进步一等奖。

汽车大型覆盖件液压机柔性冲压生产线已在比亚迪、东汽、上汽依维柯、重庆力帆、江淮汽车、铁牛集团、吉利汽车等形成示范生产线。初步估计约有上百条冲压线正在汽车主机厂和配套厂稳定应用，直接经济效益20亿元，约占国内同类产品70%的市场份额。在提高国产汽车制造水平及质量的同时，大大降低了生产成本，为民族品牌汽车的发展做出了重要贡献。相关技术还成功应用到航空航天、高速列车和核工业等高端制造领域。生产线主打产品--大型数控单双动液压机还出口到德国、俄罗斯、巴西、印度等国家，打破了发达国家在国际市场的垄断局面。

[1]翟 华，李贵闪，严建文，等.基于以太网技术的大型冲压生产线的远程监控系统设计[J].机床与液压，2012，（1）.

[2]李贵闪.快速薄板冲压液压机及冲压生产线 [J].锻造与冲压，2010，（7）.

[3]张 晔.单动薄板冲压液压机生产线柔性自动化[J].机械管理开发，2014，（5）.

[4]乔礼惠，徐 路，赵雪松.浅述液压机联线工作的控制方法[J].锻压装备与制造技术，2011，46（5）.

Flexible hydraulic press stamping line for large cover of truck

SHI Chunsheng1,LI Chen2,LI Guishan1
（1.Hefei Metalforming Intelligent Manufacturing Co.,Ltd.,Hefei 230601,Anhui China；2.Jinan Foundry and Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Jinan 230506,Shandong China）

The flexible hydraulic press stamping line has been introduced as well as its key technology,including special hydraulic system by application of proportion servo control technology,control system of flexible stamping line on the basis of fieldbus,and top-placed electricsynchronousregulating full-tonnage buffering unit for stamping noise.This line has advantages of high speed,advanced control,and high forming quality.It can satisfy the multi-kind and small batch production.

Large stamping production line;Hydraulic press;Key technology;Flexible;Vehicle

TG315.4

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.002

1672-0121（2016）06-0014-05

2016-09-12；

2016-11-05

时春生（1982-），男，高级经济师，企管部经理。E-mail：hdgczx@126.com