機(jī)械工業(yè)第九設(shè)計(jì)研究院有限公司 (吉林長(zhǎng)春 130011)杜慶輝
隨著汽車(chē)制造業(yè)生產(chǎn)規(guī)?;?、產(chǎn)品個(gè)性化的發(fā)展,多品種、小批量、多品種共線生產(chǎn)、沖壓件大型化、一體化的發(fā)展勢(shì)頭日益明顯,這就要求生產(chǎn)產(chǎn)品所需的壓力機(jī)不僅生產(chǎn)效率高,產(chǎn)品精度高、而且能夠承受大的負(fù)載,并具有更大的柔性,能快捷地改變輸出運(yùn)動(dòng)軌跡。但傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性單一、工藝適用性差,不能滿足上述要求,急需新一代柔性機(jī)械壓力機(jī)來(lái)取代傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力機(jī)。
交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝備技術(shù)的快速發(fā)展,帶動(dòng)并催生了具有柔性化、智能化特點(diǎn),滑塊運(yùn)動(dòng)曲線可調(diào)的交流伺服驅(qū)動(dòng)壓力機(jī),適應(yīng)了高效、節(jié)能、柔性的沖壓自動(dòng)化生產(chǎn)線的需要。
日本小松公司、德國(guó)舒勒公司、西班牙法格公司以及濟(jì)南二機(jī)床都已開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)出了這種伺服壓力機(jī)(見(jiàn)圖1)。目前,伺服壓力機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了成熟應(yīng)用階段,在我國(guó)國(guó)內(nèi),一汽豐田汽車(chē)公司、廣州豐田汽車(chē)公司、華晨寶馬鐵西工廠、一汽轎車(chē)、一汽大眾、吉利汽車(chē)等均已采用了這種設(shè)備。隨著其在汽車(chē)沖壓件生產(chǎn)領(lǐng)域中的不斷應(yīng)用,顯示出來(lái)了其他壓力機(jī)所無(wú)法比擬的優(yōu)越性,已成為世界沖壓技術(shù)及裝備發(fā)展的主要潮流。
圖1 德國(guó)舒勒公司開(kāi)發(fā)的新型伺服壓力機(jī)
伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)相比傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī),具有如下特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì):
(1)柔性高 滑塊運(yùn)動(dòng)的控制實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化?;瑝K運(yùn)動(dòng)曲線可根據(jù)不同生產(chǎn)工藝和模具要求進(jìn)行數(shù)字優(yōu)化設(shè)置,通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)滑塊“自由運(yùn)動(dòng)”,大大提高了壓力機(jī)智能化程度和適用范圍,能夠?qū)崿F(xiàn)高難度、高精度加工。
(2)生產(chǎn)效率高 滑塊行程可根據(jù)生產(chǎn)工藝需要調(diào)整,根據(jù)工況和自動(dòng)化聯(lián)線的需要,在較大范圍內(nèi)數(shù)字設(shè)定滑塊行程次數(shù),進(jìn)而提高生產(chǎn)率。與傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)相比,伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)可以提高生產(chǎn)效率20%以上。
(3)精度高 由線性傳感器組成的全閉環(huán)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制。工作能量和速度的準(zhǔn)確數(shù)控,使制件精度和模具壽命顯著提高。
(4)低噪聲 伺服機(jī)械壓力機(jī)無(wú)飛輪、離合器等零件,簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng),從而可大大降低噪聲。此外,通過(guò)設(shè)定滑塊的低噪聲運(yùn)動(dòng)曲線也有助于降低沖裁噪聲。與傳統(tǒng)的沖裁相比,伺服壓力機(jī)的兩步?jīng)_裁工藝(滑塊在沖裁過(guò)程的中段停留一次,然后快速驅(qū)動(dòng)完成沖裁過(guò)程)可降低噪聲至少10dB。
(5)節(jié)能、易于維護(hù) 由于簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),潤(rùn)滑量減少;沒(méi)有離合器接合能耗,滑塊停止后,電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn),沒(méi)有了電動(dòng)機(jī)、帶輪空轉(zhuǎn),能耗顯著降低,此外電氣制動(dòng)儲(chǔ)能裝置也可使能耗大為減少。
目前廣泛應(yīng)用的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)形式主要為混合傳動(dòng)(見(jiàn)圖3),伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步帶和齒輪傳動(dòng),由曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)滑塊作上下運(yùn)動(dòng)。該種機(jī)構(gòu)形式兼具了伺服驅(qū)動(dòng)及連桿滑塊機(jī)構(gòu)的雙重優(yōu)點(diǎn),滑塊的上下運(yùn)動(dòng)無(wú)需伺服電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換,不僅能夠降低伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載,還能減緩滑塊在下死點(diǎn)附近的速度,提高產(chǎn)品的成形性,適應(yīng)連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的特性。
圖3 混合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖
(1)高容量、大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速交流伺服電動(dòng)機(jī)
采用變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù)的交流伺服電動(dòng)機(jī)(見(jiàn)圖4)是伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)的“心臟”,開(kāi)發(fā)具有高容量、大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速交流伺服電動(dòng)機(jī)勢(shì)在必行。
(2)提高交流伺服驅(qū)動(dòng)的效率并降低能耗 利用變頻調(diào)速技術(shù),減少壓力機(jī)在工作過(guò)程中交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱、提高電氣效率對(duì)于大容量、低轉(zhuǎn)速的電動(dòng)機(jī)尤為重要。
(3)提高機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率與承載能力 通過(guò)簡(jiǎn)化傳動(dòng)鏈,提高交流伺服驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)效率。通過(guò)提高伺服壓力機(jī)機(jī)械傳動(dòng)部件的傳動(dòng)效率,進(jìn)而提高承載能力以滿足伺服傳動(dòng)的要求。
圖4 交流伺服電動(dòng)機(jī)示意圖
目前,日本的小松公司、德國(guó)的舒勒公司、國(guó)內(nèi)的濟(jì)南二機(jī)床有限公司均開(kāi)發(fā)出了伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械式壓力機(jī)。日本的小松公司在中國(guó)率先將大噸位的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械壓力機(jī)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的汽車(chē)廠沖壓車(chē)間的自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線的生產(chǎn),且取得了巨大的成功。
小松公司于2006 年5 月及2007 年5 月分別將配置相同的16 000kN 伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械式壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用于廣州豐田汽車(chē)有限公司及一汽豐田汽車(chē)有限公司的沖壓車(chē)間(見(jiàn)圖5)。
圖5 伺服壓力機(jī)自動(dòng)化沖壓生產(chǎn)線
通過(guò)兩個(gè)公司沖壓車(chē)間幾年的使用情況來(lái)看,與傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力機(jī)相比,伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械式壓力機(jī)存在眾多優(yōu)點(diǎn):
(1)壓力機(jī)所需的公稱壓力降低 由于采用了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),壓力機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化,使得滑塊的剛性增加(見(jiàn)圖6),同時(shí)由于壓力機(jī)成形時(shí)的位置、速度、力矩可以閉環(huán)控制,使得壓力機(jī)的壓力損失小,因而公稱壓力降低。采用伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械式壓力機(jī)的公稱壓力為16 000kN,而采用傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力機(jī)公稱壓力則需要24 000kN。
圖6 伺服壓力機(jī)滑塊剛性增加
(2)成形的穩(wěn)定性大大提高 由于采用了伺服驅(qū)動(dòng)的模具墊,可以數(shù)控調(diào)節(jié)壓邊力,使得成形時(shí)材料的流動(dòng)性穩(wěn)定(見(jiàn)圖8)?;瑝K速度調(diào)整機(jī)構(gòu)的應(yīng)用,可以使得滑塊在下死點(diǎn)獲得穩(wěn)定的成形力。滑塊平行度調(diào)整機(jī)構(gòu)的應(yīng)用,可以使滑塊具有極強(qiáng)抗偏載能力,避免出現(xiàn)偏載的情況。
圖7 模具墊壓力—時(shí)間曲線圖
圖8 滑塊成形力曲線圖
(3)生產(chǎn)效率大大提高 由于采用了伺服驅(qū)動(dòng),滑塊行程可根據(jù)生產(chǎn)工藝需要調(diào)整,可以根據(jù)工況和自動(dòng)化聯(lián)線的需要,在較大范圍內(nèi)數(shù)字設(shè)定滑塊行程次數(shù),以提高生產(chǎn)率。同時(shí)壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,使得壓力機(jī)的間距由傳統(tǒng)的7 200mm 縮短到4 200mm,使得工件傳輸距離大大縮短,同時(shí)采用了高速的工件搬運(yùn)系統(tǒng),完全同期運(yùn)轉(zhuǎn)的壓力機(jī)及自動(dòng)化系統(tǒng)的同步技術(shù),使得生產(chǎn)效率達(dá)到16SPM,達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。
(4)伺服壓力機(jī)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化,操作更加簡(jiǎn)單伺服驅(qū)動(dòng)壓力機(jī)將傳統(tǒng)壓力機(jī)由主馬達(dá)、離合器、制動(dòng)器、飛輪、傳動(dòng)軸等組成的驅(qū)動(dòng)裝置直接由伺服馬達(dá)裝置來(lái)代替,驅(qū)動(dòng)裝置的組成部件數(shù)減少了一半,大大簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)的構(gòu)成,使得壓力機(jī)地面以上高度降低到9m 以下,壓力機(jī)地面以下深度降低到4m 以內(nèi),壓力機(jī)的體積減少了一半左右,減少了占地面積,從而可以大大降低沖壓車(chē)間廠房及基礎(chǔ)特構(gòu)的造價(jià)。
壓力機(jī)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化以及SFC (持續(xù)回饋程序圖)、ADC (模具自動(dòng)更換)等集中控制技術(shù)的應(yīng)用,使得原來(lái)需要6~8 個(gè)人操作的生產(chǎn)線,現(xiàn)在1個(gè)人就可以進(jìn)行操作,操作標(biāo)準(zhǔn)化、簡(jiǎn)單化。
(5)節(jié)能及環(huán)保方面的效果明顯 與傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力機(jī)相比,伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械式壓力機(jī)不需要循環(huán)水的消耗,同時(shí)電力的消耗量可以降低40%左右,從而大大節(jié)約能源的消耗(見(jiàn)圖9)。
圖9 電能消耗對(duì)比
由于壓力機(jī)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化,伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械式壓力機(jī)的機(jī)構(gòu)潤(rùn)滑需要的油量可以降低60%左右,從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)材的目的。
伺服式機(jī)械壓力機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲要比傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力機(jī)降低15%左右,從而減小噪聲對(duì)環(huán)境的污染。
交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓力機(jī)的自動(dòng)化、智能化水平高,改善了壓力機(jī)的工作特性,是新一代成形設(shè)備的發(fā)展方向,國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品已投入實(shí)際應(yīng)用,而目前我國(guó)這一技術(shù)尚比較落后。希望國(guó)內(nèi)的壓力機(jī)生產(chǎn)廠家及科研單位能夠迎頭趕上,加大在交流伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)械式壓力機(jī)方面的研究力度,早日實(shí)現(xiàn)交流伺服驅(qū)動(dòng)式機(jī)械壓力機(jī)的推廣應(yīng)用,為我國(guó)的壓力機(jī)行業(yè)技術(shù)水平的提升及裝備制造業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。