伺服沖床的實(shí)際應(yīng)用 （連載五）

文/ 張清林?江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

小松勇?日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床的實(shí)際應(yīng)用 （連載五）

文/ 張清林?江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司

小松勇?日本小松技術(shù)士事務(wù)所

多工位搬運(yùn)與最大拉深深度

通過(guò)伺服沖床進(jìn)行多工位加工運(yùn)轉(zhuǎn)方式大致分為兩種，第一種是沖床始終處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，多工位搬運(yùn)裝置與沖床滑塊的運(yùn)轉(zhuǎn)模式實(shí)現(xiàn)機(jī)械式或電氣上的同步，實(shí)現(xiàn)多工位搬運(yùn)的方式；第二種是沖床處于斷續(xù)行程狀態(tài)，在沖床停止時(shí)實(shí)現(xiàn)多工位搬運(yùn)，機(jī)械手的搬運(yùn)一般采用這種方法。

第一種連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)方式是沖床在每個(gè)行程完成后不停止，生產(chǎn)率較高。多工位搬運(yùn)裝置必須在與上模的動(dòng)作不發(fā)生干涉的前提下，才能完成從模具中取出工件和送入工件的動(dòng)作。一般的設(shè)定是在曲軸角度240°～295°之間的55°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)夾持，在300°～60°的120°之間完成送料。圖1所示為二維多工位搬運(yùn)裝置動(dòng)作與沖床曲軸的關(guān)系。

三維多工位搬運(yùn)裝置是在二維多工位搬運(yùn)裝置的基礎(chǔ)上，增加了提起和放下的動(dòng)作，那么原來(lái)二維搬運(yùn)時(shí)用來(lái)夾持的55°角中的35°就被分割出來(lái)，在曲軸的240°開始到275°之間完成夾持的動(dòng)作，留出5°的時(shí)間后開始提升，然后在提升完成前的5°開始搬運(yùn)，也就是說(shuō)在最后的5°中夾爪邊提升邊移動(dòng)。

圖1 二維多工位搬運(yùn)裝置的動(dòng)作與沖床曲軸角度的關(guān)系

圖1中標(biāo)明“最大拉伸深度H是沖床行程長(zhǎng)度S的35%”，圖中的角度分配可以看出要使搬運(yùn)裝置在實(shí)施夾持、搬運(yùn)、放下等各個(gè)動(dòng)作時(shí)，上、下運(yùn)動(dòng)的模具與夾爪、成形工件不發(fā)生干涉，最大拉深深度只能限制在沖床行程長(zhǎng)度的35%以內(nèi)。對(duì)于三維多工位搬運(yùn)裝置來(lái)說(shuō)，由于需要上升和下降的動(dòng)作，所以能夠拉深的深度中就被減少50%的升降行程高度，原因是多工位搬運(yùn)裝置在提升時(shí)要與上模的上升保持同步，必須避免與上模發(fā)生干涉。此外，二維多工位搬運(yùn)裝置的最大拉深深度是行程長(zhǎng)度350mm的35%，約122mm，同樣的行程長(zhǎng)度的沖床配置三維多工位搬運(yùn)裝置時(shí)，如果搬運(yùn)桿的提升量為80mm，提升量的50%就是40mm，因此最大拉深深度就減少了40mm，為82mm。三維搬運(yùn)時(shí)拉深深度比二維搬運(yùn)時(shí)要少，這一點(diǎn)在選擇帶有多工位搬運(yùn)裝置伺服沖床時(shí)必須引起注意。

圖1是對(duì)行程的長(zhǎng)度方向（垂直面）上與模具的干涉解析，在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，還必須有水平面的解析（圖2），充分做好分析就可以避免模具的導(dǎo)柱（或?qū)祝┡c搬運(yùn)裝置上的夾爪發(fā)生干涉。當(dāng)滑塊的行程長(zhǎng)度350mm，送料步距250mm時(shí)，圖1中的格子部分是上模與夾爪的干涉部分領(lǐng)域，上側(cè)表示上死點(diǎn)附近，下側(cè)表示下死點(diǎn)附近，特別要對(duì)下側(cè)的下死點(diǎn)附近是否會(huì)產(chǎn)生干涉要正確評(píng)價(jià)。這與模具有著密切的關(guān)系，應(yīng)與模具的設(shè)計(jì)人員一起進(jìn)行技術(shù)性討論。

機(jī)械手搬運(yùn)時(shí)的最大拉深深度

機(jī)械手搬運(yùn)分直線式搬運(yùn)和五軸多關(guān)節(jié)機(jī)械手（機(jī)器人）搬運(yùn)的兩種方式。

⑴直線式搬運(yùn)。沖床上的機(jī)械手是為提高生產(chǎn)效率而設(shè)置的專用設(shè)備。普通沖床在每個(gè)行程停止一次的斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)方式使用的情況較多，但在使用伺服沖床的情況下，就可以實(shí)現(xiàn)不間斷的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)械手搬運(yùn)方式。理論上斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)方式的最大拉深深度，可以接近滑塊行程長(zhǎng)度的50%，實(shí)際上還要受到?jīng)_床的公稱能力、發(fā)生位置和飛輪能量的制約。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)方式和斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)方式對(duì)于多工位搬運(yùn)裝置都沒有影響。

⑵多關(guān)節(jié)機(jī)械手（五軸多工位機(jī)器人）的搬運(yùn)方式。多關(guān)節(jié)機(jī)械手的動(dòng)作速度決定了沖床要實(shí)現(xiàn)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)方式，最大拉深深度是滑塊行程長(zhǎng)度的50%，同樣受上述條件的制約。

圖2 多工位搬運(yùn)裝置的動(dòng)作與上模在水平面上的干涉關(guān)系

料片的供給裝置

無(wú)論是使用多工位搬運(yùn)裝置還是機(jī)械手的搬運(yùn)方式，最初料片的供給必須準(zhǔn)確，并按照合適的時(shí)間曲線進(jìn)行，否則就會(huì)造成生產(chǎn)率低下。需要注意以下幾方面：

⑴防止兩張送料。兩張料片同時(shí)送入模具是不允許的，這要依靠沖床的檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)保證。首先，送入模具的素材一定要是單張并且確定地分離，考慮到萬(wàn)一沒有分離的情況發(fā)生，就要設(shè)置檢測(cè)裝置進(jìn)行監(jiān)視。如果料片上有油，分離就比較困難，供給誤送的幾率就比較大。

⑵定位和方向判別。要保證材料的位置放置準(zhǔn)確，就要采用模具內(nèi)設(shè)置導(dǎo)柱、壓板等方法，如果是異形素材的話還應(yīng)設(shè)置判別材料方向的感知器。

⑶模具內(nèi)的檢測(cè)器。在使用機(jī)械手進(jìn)行材料供給時(shí)，一般都采用真空吸盤來(lái)將材料吸引、把持、移動(dòng)，隨著搬運(yùn)速度的加大，真空吸盤的吸引力被加速度所擊敗，片材的位置就會(huì)發(fā)生誤差，因此需要設(shè)置誤送檢出裝置。

換模的自動(dòng)化和合理化

換模存在著一定的危險(xiǎn)性，要求有嚴(yán)格的更換程序。

⑴升模器的延長(zhǎng)導(dǎo)軌和模具的進(jìn)出裝置（圖3）。將排列著許多滾柱或滾珠的滾道放置在工作臺(tái)的溝槽內(nèi)，下部設(shè)有抬模器。通過(guò)油壓或凸輪的方法使其上升，將模具舉起離開工作臺(tái)，模具可以在滾道上實(shí)現(xiàn)輕松移動(dòng)。在工作臺(tái)的前面設(shè)置升模器的延長(zhǎng)滾道（也稱為延長(zhǎng)臂），卸模時(shí)把模具移動(dòng)到延長(zhǎng)滾道上后，再用吊車或叉車把模具移開，上模時(shí)反之。此種形式的自動(dòng)化換模裝置，可承受的重量、延長(zhǎng)滾道的強(qiáng)度一般在1000kg以下，如果模具較重，就要考慮采用較安全的移動(dòng)式工作臺(tái)的方法。

圖3 模具交換用抬模器和延長(zhǎng)滾道

⑵換模臺(tái)車。在沖床的前面或后面設(shè)置移動(dòng)式臺(tái)車，臺(tái)車高度與工作臺(tái)的高度相同，臺(tái)車上表面設(shè)置排列有滾珠的滾道，使模具能夠順利地移動(dòng)到?jīng)_床的工作臺(tái)上或從工作臺(tái)上移動(dòng)到臺(tái)車上。

⑶移動(dòng)式工作臺(tái)。采用移動(dòng)式工作臺(tái)的換模方式一般是在模具重量超過(guò)5000kg時(shí)必須使用。這種方式主要有以下特點(diǎn)：

1)移動(dòng)式工作臺(tái)的行走。在工作臺(tái)的側(cè)面安裝馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的車輪行走裝置，實(shí)行按鈕操作，在車輪內(nèi)部或在沖床的底座上設(shè)有升降功能，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)模具的交換。

2)移動(dòng)工作臺(tái)的行走方向。移動(dòng)工作臺(tái)的行走方向可以是沖床的前后左右任何方向，應(yīng)根據(jù)工廠的實(shí)際情況確定生產(chǎn)線的構(gòu)成和移動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)方向。如果是只有一面工作臺(tái)，換模需要的時(shí)間就會(huì)較長(zhǎng)，一般設(shè)置2面工作臺(tái)。兩面工作臺(tái)換模還可以采用十字形交換方式。

3)緩沖裝置的頂料銷的處理。每個(gè)成形品所需要的頂料桿位置不同，所以每更換一個(gè)產(chǎn)品都要進(jìn)行頂料銷的重新調(diào)整。大型的沖床機(jī)械大多采用移動(dòng)工作臺(tái)，頂料桿就存放在移動(dòng)工作臺(tái)的銷釘孔內(nèi)，不需要進(jìn)行頂料桿的重新調(diào)整。頂料桿是與緩沖裝置頂板的運(yùn)動(dòng)完全一致的上下運(yùn)動(dòng)，在不需要頂料桿時(shí)，在下模壓板的相應(yīng)位置上可以開出能讓頂料桿躲避的空間，使頂料桿可以自由進(jìn)出。

4)移動(dòng)工作臺(tái)上的模具夾持。在沖床的外面進(jìn)行模具交換時(shí)，使用模具夾鉗將下模鎖緊在工作臺(tái)上。模具夾鉗的夾緊是油壓式的，油壓是通過(guò)能夠伸縮自如的油管供給。

移動(dòng)工作臺(tái)的行走、升降也需要使用卷取機(jī)來(lái)保證動(dòng)力線的伸縮需要，沖床周邊自動(dòng)化裝置需要的管路、檢測(cè)裝置，使用的電源插座都是通過(guò)設(shè)置在沖床內(nèi)接口進(jìn)行自動(dòng)化連接。

⑷模具的定位和模具與工作臺(tái)結(jié)合狀態(tài)的檢測(cè)。在工作臺(tái)上有2個(gè)以上凸出的銷栓，可以對(duì)模具的底板起著導(dǎo)向和定位的作用。在自動(dòng)化交換系統(tǒng)銷栓的側(cè)面可以設(shè)置接近開關(guān)，從電氣的控制上確認(rèn)模具與工作臺(tái)是否完全結(jié)合。

⑸下腳廢料的處理（圖4）。下腳廢料的處理也是沖壓工廠的重要作業(yè)，如果出現(xiàn)滯留堵塞可能會(huì)造成生產(chǎn)停滯的嚴(yán)重后果。從模具內(nèi)排出來(lái)或取出來(lái)的下腳料，落在沖床的底座下邊或前后位置，這些下腳料的大小不一、形狀復(fù)雜，所以需要在產(chǎn)生下腳料的位置設(shè)置滑道、輸送帶等，使下腳廢料能夠順暢地排除。對(duì)于較大的下腳料還要在模具內(nèi)增加將其切斷的工位，將大的下腳廢料分割以達(dá)到不影響自動(dòng)處理的目的。

圖4 下腳廢料的處理

伺服沖床的應(yīng)用分析

伺服沖床的介紹和實(shí)際應(yīng)用至今已經(jīng)連載了2年時(shí)間了，本期作為最終篇與各位讀者再見。在日本大約20年前開始生產(chǎn)伺服沖床，到目前為止制造廠生產(chǎn)的沖床大約有80%是伺服沖床。歐洲（EU）從2000年開始迅速發(fā)展，至今仍在發(fā)展中，成熟的伺服沖床制造企業(yè)和生產(chǎn)出的臺(tái)數(shù)還不多。在中國(guó)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大趨勢(shì)，伺服沖床也表現(xiàn)出急速發(fā)展和普及的態(tài)勢(shì)，這也說(shuō)明中國(guó)已經(jīng)開始進(jìn)入了伺服技術(shù)發(fā)展的時(shí)代。先行者先得利，能夠先行一步學(xué)習(xí)、掌握伺服技術(shù)的企業(yè)將會(huì)獲得良好的回報(bào)。

截至目前，伺服沖床機(jī)械在各個(gè)沖壓生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)都表現(xiàn)出不凡的成績(jī)，但伺服沖床的性能受到評(píng)價(jià)最高的還是來(lái)源于汽車零部件的制造行業(yè)。在汽車的零部件中，使用了很多高張力、高強(qiáng)度的鋼板，這種鋼板的成形性很差，不能準(zhǔn)確地復(fù)印出模具形狀、模具的咬死等現(xiàn)象頻繁發(fā)生。面對(duì)這些問(wèn)題，解決的最好方法就是使用伺服沖床進(jìn)行加工。把高張力鋼板加熱到800～1000℃,再進(jìn)行沖壓加工的熱沖壓成形方法開始應(yīng)用。加熱的鋼板在模具內(nèi)急劇冷卻成形，一舉解決了高張力鋼板的成形難和形狀精度差的問(wèn)題，這其中伺服沖床發(fā)揮了主力作用。

另外，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化另外一個(gè)方法就是越來(lái)越多的使用復(fù)合材料，這將會(huì)給沖床帶來(lái)偏心負(fù)荷過(guò)大的嚴(yán)重問(wèn)題。解決偏心負(fù)荷問(wèn)題僅僅靠伺服沖床也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，迄今為止伺服沖床也還不能滿足金屬?zèng)_壓成形的許多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，也就是說(shuō)伺服沖床并不是萬(wàn)能。伺服沖床要根據(jù)使用需要進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造，但是如果對(duì)伺服沖床沒有足夠的理解和認(rèn)知，即使使用了良好的機(jī)能，也并不能發(fā)揮伺服沖床的實(shí)際功能，反之還有可能造成設(shè)備損壞。

無(wú)論是拉伸、彎曲、落料還是鈑金、溫鍛、冷鍛，甚至熱鍛都可能用伺服沖床來(lái)完成的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，沖床的制造廠家與使用廠家的信息溝通、技術(shù)交流和研究開發(fā)是雙方共同發(fā)展的基本條件。決不能小看了伺服沖床的發(fā)展前景，它有著龐大的空間等待我們?nèi)ラ_發(fā)和利用。

但遺憾的是，中國(guó)的伺服沖床設(shè)計(jì)和制造還停留在論文研究、樣機(jī)開發(fā)和展機(jī)展出的階段，實(shí)現(xiàn)低速高扭矩的伺服電機(jī)國(guó)產(chǎn)化和伺服沖床的量產(chǎn)還很艱難，驅(qū)動(dòng)放大器和控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)離國(guó)際上的先進(jìn)水平還相差甚遠(yuǎn)。因而，中國(guó)伺服沖床的使用也就遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有普及，人們對(duì)高價(jià)的進(jìn)口伺服沖床，還只能是望洋興嘆和心有余而力不足。在此基礎(chǔ)上，江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司擔(dān)負(fù)著這種責(zé)任和使命，在2年前已開始了引進(jìn)海外伺服專家，整合大量的人力和財(cái)力，著手了重點(diǎn)開發(fā)伺服沖床的研發(fā)隊(duì)伍，如今已經(jīng)取得了重點(diǎn)技術(shù)突破，完全實(shí)現(xiàn)了興鍛—CPTEK獨(dú)立自主民族品牌的伺服沖床國(guó)產(chǎn)化和量產(chǎn)。在交付給客戶使用后，受到了廣大客戶認(rèn)可。感謝沖壓行業(yè)的技術(shù)人員對(duì)伺服沖床知識(shí)普及和推廣的長(zhǎng)期關(guān)注，希望使用伺服沖床的廠家能在技術(shù)改造，工藝革新過(guò)程中，享受使用伺服沖床的紅利并不斷發(fā)展壯大。