伺服压力机冲压曲线的优化设计

文/周晓东·西门子（中国）有限公司

伺服压力机冲压曲线的优化设计

文/周晓东·西门子（中国）有限公司

新型伺服压力机采用几台大扭矩同步伺服电机来取代传统压机中的电机、飞轮、离合器和制动器部分。利用大功率的伺服控制器来控制扭矩电机的转速、位置和扭矩输出，从而来控制滑块的运动曲线，在冲压时降低速度，在回程增加速度来提高效率，根据不同的模具要求可以灵活的修改滑块的运动曲线来达到高的灵活性和柔性化。伺服压力机根据不同冲压工艺的要求，结合了机械压力机和液压机的优点，克服了各自的缺点，同时具有7个优点。

⑴简单的机械结构、较少的部件（较低的惯量）、高的加速度/高的冲压次数。

⑵通过电子凸轮曲线的设置，可以达到滑块运动的柔性化，减小对机械部分的冲击。

⑶只在冲压过程中消耗能量。

⑷无需机械离合器，不同的操作模式。⑸零速下保压。

⑹易于调试和更换模具。

⑺低调试和维护费用。

伺服压力机电气控制解决方案主要有以下几个技术要点：合理的电机选择；滑块运动曲线的自动生成和手动修改；能量管理系统；电机的同步控制；通过手轮调试得到合适的适用模具的参数并可存档。

伺服压力机的最大优势是提高生产节拍和完成复杂的冲压工艺，对于大型的机械伺服压力机来说，提高生产节拍的需求具有更高的优先级，但是如何充分发挥伺服压力机的优势是一个不小的难题。在一个冲压过程中，压力机、自动化送料系统和模具是完成冲压的三个主要部分，根据压力机的设计参数和主要模具参数，以及不同压力机之间的自动化送料系统的参数，基于生产设计节拍为优化目标，通过对伺服电机的数量、速度与扭矩的关系，与之配套的驱动器参数，以及减速机的减速比等系列参数，建立压力机动态数学模型，利用该数学模型进行分析优化计算，选择出性价比最高的方案。

针对在实际的生产过程中，压力机会配套不同的模具使用的实际情况，如果只是根据设计时的模具参数来设计冲压工艺曲线，由于模具参数和与之配套的自动化送料系统的参数变化，此时的冲压工艺曲线并不能发挥压力机的最大性能，而调整这个冲压曲线设计的变量特别多，而且很多变量之间不独立。

对现场操作人员或工艺规划人员来说，需要有丰富的理论基础和现场经验才能修改和优化这条曲线来提高生产节拍。在伺服压力机控制系统的控制器里，开发一种工艺曲线软件包，以基于对象方式编程，使得现场操作人员或曲线规划人员只需输入冲压工艺中与模具和自动化送料系统相关的，且从现场非常容易得到的参数，而无需关注压力机的机械和电气的各种参数，即可得到充分利用压力机各种边界条件的最优化曲线，该曲线能让整个冲压系统的性能最大地发挥出来，从而提高生产效率，降低设备的能力浪费。并通过已有压力机进行曲线的测试，试验结果验证了优化后的曲线，保证了高的生产节拍。本文主要介绍如何根据不同的工况设定参数得到最高的生产效率。曲线以偏心轮的角度和速度为输入参数。

工况一：附带两个定义点的整周期模式

该工况主要适用于级进模方式，在一个冲压周期里，操作者只需要设定2个点的4个参数，成形开始点，即合模角度（与模具高度相关参数），合模速度（与材料特性相关参数）；成形结束点，即下死点角度，下死点速度。

自动绘制冲压曲线的特点是以适合材料成形的速度进行成形，成形结束后以偏心轮最大的加速度加速返回，在回程区的某一点以一定的减速度开始减速直到下一个冲压周期的成形开始点。在这个曲线中，要充分考虑电机的最大扭矩，电机的热功率，机械容许的最大加速度，最大加加速度参数。

工况二：附带四个定义点的整周期模式

该工况适合于模具中带有弹簧等储能元件的冲压工艺，通过增加Pre、Post两个点的参数设定，能控制模具中储能元件的压缩和释放过程，降低对这些元件的冲击，延长其使用寿命或维护周期，减少模具维护时间和降低模具维护成本。在4个点上，每一个点需要设定角度和速度两个参数，这些参数都是与模具相关，通过试模方式得到，是工艺参数中必须设定的。

图1 成形开始、成形结束点和自动绘制冲压曲线

图2 4个定义点和自动绘制冲压曲线

该曲线特点是以适合材料成形的速度进行成形，成形结束后以模具内储能元件容许的加速度加速过post点让储能元件能量有序的释放，然后以偏心轮最大的加速度加速返回，在回程区的某一点以一定的减速度开始减速Pre点，然后以模具内储能元件容许的加速度加速到成形开始点。在这个曲线中，要充分考虑电机的最大扭矩，电机的热功率，机械容许的最大加速度，最大加加速度参数。该曲线在满足成形质量的前提下，降低对模具内储能元件的冲击，并得到最大的冲压节拍。

工况三：附带四个定义点和送料时间定义的整周期模式

该工况适合大型汽车外覆盖件的生产工艺，在大型汽车外覆盖件的生产线上，通常由3～6台压力机组成一条冲压线，压力机之间通过机器人或其他送料机构完成冲压件在压机之间的传递，在这种工况下，压机后面送料系统需要压机的打开角度，进入压机将完成该工序冲压的冲压件取出并送至下一工序的压力机里，而压力机前面的送料机构需要在压机送料结束角之前将前一工序的冲压件送入该压力机进行下一次冲压。

送料的起始角和终止角要确保压力机的滑块和送料系统的端拾器等部件不发生干涉碰撞。同时，由于送料系统在两台压力机之间需要时间进行传递，压力机需要对送料时间进行设定与送料系统匹配。

该工艺曲线中，送料起始角与终止角以及送料时间这三个参数是与送料系统相关，而另外4个点的参数与模具和材料相关，该曲线将压机、送料系统和模具相关联，又充分考虑整个控制系统的各种边界条件如速度、加速度和加加速度等，使得整条线发挥最大性能。

图3 四个定义点和送料时间定义和自动绘制冲压曲线

工况四：附带五个定义点和送料时间定义

该工况适合在成形过程中需要特殊工艺的应用场合，如大型铝板或高强度板的冲压过程，在成形区内增加一个点，在这个点上滑块速度为零，通过这个速度的变化完成特殊工艺要求，如增加一次拉伸高度等。

该工艺曲线对控制系统特别是伺服压力机的主电机和主驱动提出了更高的要求，正常情况下，主电机的扭矩在成形区内只提供成形能量，而在这种工况下，在成形区（红色区域）内主电机在提供成形能量的同时还需要提供压机整个运动部件减速和加速的能量，在设计时必须充分考虑。和工况三相比，该工况在冲压效率上有时不高。

工况五：钟摆模式

图4 五个定义点和送料时间定义和自动绘制冲压曲线

该工况适合冲压行程小，要求节拍快的应用场合，如最常用的开卷落料线中的落料压力机，通过钟摆方式可以在180°内完成一次冲压。和整个360°周期完成一次冲压相比，大大提高了生产效率。

该工况在成形区内可以最多增加30个点进行复杂的冲压工艺设定，例如多次冲压、静音冲压和震荡冲压等等。该工艺曲线中，优先考虑的是冲压特殊工艺。在这些特殊工艺中，需要在每个点上设定角度、速度以及停留时间。

图5 钟摆模式和自动绘制冲压曲线

结束语

本文对伺服压力机中冲压曲线的设定和规划进行了一些分析和描述，通过对整个系统的各个部分考虑，结合压机、模具和送料系统以及特殊冲压工艺四个方面，使得规划出来的曲线能充分利用系统中的各种边界条件，得出最高的生产效率。