汽車大型覆蓋件液壓機柔性沖壓生產(chǎn)線

時春生，李 琛，李貴閃

（1.合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

汽車大型覆蓋件液壓機柔性沖壓生產(chǎn)線

時春生1，李 琛2，李貴閃1

（1.合肥合鍛智能制造股份有限公司，安徽 合肥 230601；2.濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東 濟南 250306）

介紹了研發(fā)的液壓機柔性沖壓生產(chǎn)線及其關鍵技術，包括應用比例伺服控制技術開發(fā)的專用液壓系統(tǒng)，基于現(xiàn)場總線的柔性沖壓生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，上置式電動同步調節(jié)全噸位低噪聲沖裁緩沖裝置等。該柔性沖壓生產(chǎn)線速度快，控制先進，成形質量高，可滿足多品種、小批量生產(chǎn)模式。

大型沖壓生產(chǎn)線；液壓機；關鍵技術；柔性；汽車

液壓機柔性沖壓生產(chǎn)線用于形狀復雜、大拉伸比、高精度大型覆蓋件的沖壓加工，是保證汽車質量的重要裝備。合肥合鍛智能制造股份有限公司在產(chǎn)學研用合作的基礎上，綜合運用機械、控制、檢測、液壓等多學科技術，經(jīng)過20余年努力，研究了液壓機柔性沖壓生產(chǎn)線中的多項關鍵技術，并進行集成開發(fā)應用。本項目在總結已有大型液壓機床設計經(jīng)驗的基礎上，創(chuàng)新應用比例伺服控制技術開發(fā)出滿足薄板快速沖壓和拉伸工藝的專用液壓系統(tǒng)，沖壓速度達到800mm/s；開發(fā)了基于現(xiàn)場總線的液壓機柔性沖壓生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，集成快速換模系統(tǒng)、拆垛機、清洗機、對中設備、上下料機器人等設備，形成功能齊全的柔性生產(chǎn)線，能完成多種汽車大型覆蓋件的精密沖壓工藝，滿足了國內汽車多品種、小批量生產(chǎn)模式；獨創(chuàng)性地設計出上置式電動同步調節(jié)全噸位低噪聲沖裁緩沖裝置，使沖裁噸位由公稱力的60%提高到100%，增大了沖裁加工能力；針對過去由于模具壓邊力不對稱和實時變化產(chǎn)生的沖壓工藝缺陷問題，研究了液壓拉伸墊四角閉環(huán)比例調壓及變壓力控制技術，有效解決了精密復雜不對稱工件拉伸質量難以保證的瓶頸，使沖壓件廢品率大大降低。

開發(fā)的液壓機柔性沖壓生產(chǎn)線具有加工質量好、效率高、柔性化及自動化程度高等特點，已成功在比亞迪、二汽、上汽、江淮、吉利、力帆等眾多廠家應用，降低了汽車制造成本，有力推動了我國汽車工業(yè)發(fā)展。

1 主要創(chuàng)新點分析

1.1 問題與難點

汽車產(chǎn)量的不斷增加帶動汽車覆蓋件沖壓生產(chǎn)線的需求急劇增加。沖壓件質量直接影響汽車制造質量。美國專家曾對50多個個案進行分析，認為沖壓件尺寸產(chǎn)生的累積誤差是造成車身總體尺寸誤差變動的主要原因，主要由沖壓設備控制精度低、沖壓工藝落后、模具設計制造水平低等因素導致。為適應大型覆蓋件精密沖壓，提高液壓成形生產(chǎn)線的生產(chǎn)質量和使用效率，解決不對稱復雜工件局部延伸率突變應力和應變分布不均、成形過程中制件壓邊力多點分區(qū)調壓的瓶頸問題，需要進行高品質柔性沖壓生產(chǎn)線關鍵技術研究，開發(fā)滿足大型覆蓋件精密柔性成形的沖壓裝備。

1.2 解決方案

1.2.1 設計及制造技術

如圖1所示，利用CAD、CAE技術，對主機結構進行優(yōu)化，對關鍵零部件進行應力、變形分析以及壽命分析，整機進行模態(tài)分析，使主機能夠在強度、剛性、壽命等方面充分滿足要求。采用鏈式機構和模具快換技術設計了輔助移動工作臺和快速換模機構，換模時間由過去5人4小時縮短為2人半小時，節(jié)省了換模準備時間；應用先進的激光測量技術檢測大件直線度、圓度等形位誤差，研究關鍵工藝對質量的影響，確保大件加工制造質量，零件加工精度相對過去同類產(chǎn)品提高近1倍；采用光幕、安全門等光機電一體化技術，設計了輔助機械安全裝置、保護裝置、防護裝置，保護功能完善，連鎖和冗余設計使壓機工作更加安全，整機安全性能達到歐盟標準。

圖1 主機結構有限元模型

1.2.2 電液比例伺服控制液壓系統(tǒng)

為提高沖壓件質量，適應多品種小批量生產(chǎn)工藝需要，液壓系統(tǒng)采用電液比例伺服系統(tǒng)，所有壓力的調整都采用比例閥通過數(shù)控系統(tǒng)調節(jié)，對于大流量的液壓系統(tǒng)的比例控制必須采用閉環(huán)控制。在液壓機伺服系統(tǒng)一體化控制技術研發(fā)方面，進行了如下技術攻關：

（1）滑塊壓力的精確閉環(huán)比例控制。為滿足不同模具沖壓需求，克服機械壓力機存在死點位置的缺陷，采用比例伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)滑塊壓力精確控制，系統(tǒng)設計有相應的比例壓力閥和高精度壓力傳感器，構成閉環(huán)控制，保證模具沖壓時的壓力值，實現(xiàn)了精密沖壓，經(jīng)檢測壓力控制精度不大于±0.05MPa，零件合格率由過去的50%提高到98%。

（2）滑塊位置的精確閉環(huán)控制。在精密控制系統(tǒng)壓力的同時，液壓系統(tǒng)設計中還增加了滑塊位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由位移傳感器、比例換向閥等元件組成，控制算法采用PID控制理論。經(jīng)檢測該系統(tǒng)重復控制精度不大于±0.02mm。

（3）滑塊快速運動控制技術，通過比例元件減少沖擊。通過液壓系統(tǒng)中的大流量充液閥系統(tǒng)，實現(xiàn)液壓機快速下行、工進慢行的精密沖壓要求，快進速度達到450mm/s，工作速度達到35mm/s，縮短了加工時間，提高了工作效率。

（4）液壓墊閉環(huán)比例控制技術，包括四角比例調壓技術、壓力隨數(shù)控系統(tǒng)連續(xù)變化的控制技術。精心設計了閉環(huán)比例控制液壓墊系統(tǒng)，綜合運用四角比例調壓、壓力隨數(shù)控系統(tǒng)連續(xù)變化的控制等多種技術，實現(xiàn)大尺寸3800mm×1700mm液壓墊的四角精密調壓，經(jīng)檢測液壓墊壓力控制精度不大于±0.1MPa。

（5）壓邊滑塊閉環(huán)比例控制技術。為實現(xiàn)雙動拉伸液壓機深拉伸工藝，設計了壓邊滑塊閉環(huán)比例控制技術，能實現(xiàn)壓邊力的精密控制，避免了拉伸過程中的皺曲變形現(xiàn)象，提高拉伸件的質量。

（6）節(jié)能液壓系統(tǒng)的設計。采用熱平衡綜合分析技術研究系統(tǒng)發(fā)熱原因，采用比例泵直接控制保壓過程等技術，減少能量損失。在此基礎進一步采用伺服泵控制技術成功開發(fā)出全伺服控制液壓機，實現(xiàn)最高節(jié)能50%的效果。

1.2.3 專用控制系統(tǒng)

如圖2所示，研制了基于PLC和工控機基礎上的大型數(shù)控薄板沖壓液壓機專用控制系統(tǒng)，具有模具參數(shù)數(shù)據(jù)庫、遠程異地信息控制、模具自動識別、故障報警及診斷、參數(shù)輸入及顯示界面、比例伺服系統(tǒng)控制算法、安全控制模塊等功能。

整個生產(chǎn)線的控制采用主從控制。電液一體化系統(tǒng)采用分布控制器獨立控制各個元件的閉環(huán)控制，提高控制精度，減少主控系統(tǒng)的計算量。對高精度的電液一體化控制系統(tǒng)，在分布控制器的基礎上進一步通過軟件模塊進行優(yōu)化，實現(xiàn)大閉環(huán)高精度控制?？刂葡到y(tǒng)與電液一體化元件進行結合，根據(jù)工藝需要編制柔性控制軟件，實現(xiàn)整個工藝流程的控制，且精確控制壓力、位置、速度等。通過計算機實時采集拉深力、壓邊力、充液室壓力、拉深滑塊速度、拉深滑塊位置等參數(shù)，并實時繪制各運行參數(shù)。各數(shù)據(jù)作為工件的加工過程數(shù)據(jù)，成為判定工件質量的原始數(shù)據(jù)。

圖2 專用控制系統(tǒng)界面

控制部分采用SIEMENS S7-317 CPU系統(tǒng)和PROFACE 15寸HMI系統(tǒng)，在操作臺部分和油箱部分各設置一個遠程I/O站，在機身也準備設置一個遠程子站，各子站與CPU主站通過PROFIBUS總線相連，減少了硬接線，提高了可靠性，同時通過PLC CPU上的DP通訊口連接到一個DP/DP耦合器，把壓力機的控制網(wǎng)段與輔機系統(tǒng)的網(wǎng)段連接在一起，實現(xiàn)兩個系統(tǒng)可分開調試，最后共享資源，組成一個完整的控制系統(tǒng)。

1.2.4 遠程異地診斷控制技術

如圖3所示，基于現(xiàn)場總線技術，構建了遠程異地診斷系統(tǒng)，開發(fā)了遠程異地診斷實驗平臺，驗證遠程異地診斷控制技術可靠性，并最終和大型數(shù)控雙動薄板沖壓液壓機進行相關聯(lián)機實驗。保證了檢測信息準確傳遞，較好地連接各監(jiān)測設備，使診斷更可靠、有效。

圖3 遠程異地診斷系統(tǒng)硬件構成

1.2.5 全噸位低噪聲沖裁緩沖技術

為了解決下置式?jīng)_裁緩沖裝置僅適用于前移式工作臺的缺點，經(jīng)過技術攻關，開發(fā)了上置式電動同步調節(jié)全噸位低噪聲沖裁緩沖裝置（圖4），使壓機具有獨特的全噸位沖裁緩沖及壓力自動跟蹤功能，消除了人工手動調節(jié)所帶來的人為因素，減輕了勞動強度，提高了安全性能和自動化程度。

圖4 全噸位低噪聲沖裁緩沖裝置

根據(jù)模具沖裁距離，由參數(shù)匹配優(yōu)化規(guī)律合理設定緩沖位置，然后通過機械同步傳動，電動調節(jié)緩沖點，用伺服電機驅動固定擋塊，使其精確定位，定位精度與設置值誤差在0.02mm以內。最終實現(xiàn)模具落料緩沖，減少了沖壓瞬間的噪聲，經(jīng)檢測噪聲由過去的90dB減小到81dB。

全噸位低噪聲沖裁緩沖裝置解決了大型快速沖壓機的最佳沖裁緩沖力自動跟蹤問題，可吸收沖裁過程中產(chǎn)生的全部能量，降低了沖裁噪聲，優(yōu)化了操作環(huán)境，大大提高了壓機和模具壽命，保證了壓機可實現(xiàn)全噸位的沖裁落料功能。

1.2.6 液壓機安全技術研究

充分借鑒歐盟國家的先進技術及標準，對安全PLC、安全繼電器、安全光幕等產(chǎn)品進行應用實驗，綜合設計安全裝置，在冗余和檢控、安全等級方面提高液壓機的安全性。該安全技術的研究，為大型數(shù)控薄板沖壓液壓機進入歐盟市場提供了保障。

1.2.7 四點數(shù)控液壓墊技術

傳統(tǒng)的液壓機和機械壓力機的液壓墊四角壓力一致，且壓制時保持不變。當拉伸復雜不對稱工件時，由于模具四角實際受力不均勻，容易造成工件起皺、卷邊，很難保證工件的質量，成品率低。

圖5 安全閥在液壓系統(tǒng)中的應用

自主研制的液壓拉伸墊四角調壓控制技術，可實現(xiàn)比例調壓，四角壓力可隨模具壓力大小實時變壓力控制功能，滿足了不對稱工件以及拉伸中需改變壓邊力時的工況要求，大大改善了沖壓工藝和沖壓件質量，降低了模具成本。

液壓墊的壓力采用比例壓力閥控制，壓力采集通過壓力傳感器實現(xiàn)，行程控制通過由位移傳感器構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)。保證壓邊力可根據(jù)需要函數(shù)控制，回路中各角的壓力傳感器將壓力實時傳遞給數(shù)控系統(tǒng)，根據(jù)沖壓工藝需要，數(shù)控系統(tǒng)實時控制四角壓力，保證沖壓件不起皺、不卷邊，使成品合格率提高到98%?；谒慕钦{壓的多點拉伸液壓墊如圖6所示。

圖6 基于四角調壓的多點拉伸液壓墊外觀圖

1.2.8 基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)

通過應用上下料機械手以及雙驅動T型導軌移動臺技術，液壓機柔性沖壓線配有拆垛、清洗涂油、對中設備和上下料機器人等多種輔助設備。基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，形成自動化柔性沖壓線，使整個沖壓線按照沖壓件工藝平穩(wěn)、有序動作，提高了生產(chǎn)效率，大大降低了勞動強度。

在單機控制的基礎上，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)設備的網(wǎng)絡控制和遠程控制，實現(xiàn)沖壓線系統(tǒng)的集中控制，網(wǎng)絡控制自上而下具有三個層次：過程控制層，現(xiàn)場信號處理層，系統(tǒng)提供標準的PS485和RS232電氣接口同智能單元（如智能儀表）連接。

系統(tǒng)配置有DEVICENET安全系統(tǒng)，該安全系統(tǒng)既可對簡單的、分散的、安全輸入/輸出（例如“雙手下行”、“急?！?、“光幕”及控制閥等）進行擴展，又可組成柔性可編程安全回路。

關鍵控制環(huán)節(jié)采用冗余及相異設計。機器每次動作之前，先對主令發(fā)訊元件及主閥位進行自檢，由HMI菜單選擇窗口設置壓機位置、壓力、速度參數(shù)，經(jīng)PLC的A/D、D/A模塊采用PID方式對電子比例油泵、比例壓力閥進行電液比例控制，組成流量、壓力、位移的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)滑塊位置軌跡和液壓墊四角壓力軌跡的跟蹤。

2 實施結果

如圖7所示，開發(fā)的快速薄板沖壓液壓機及生產(chǎn)線，在汽車大型覆蓋件沖壓工藝中成功應用，解決了不對稱復雜工件局部延伸率突變、應力和應變分布不均問題，在國內汽車大型覆蓋件液壓機沖壓線市場占有率在70%以上，壓機沖裁緩沖能力由原來的60%上升為100%公稱力。針對汽車覆蓋件精密沖壓快速生產(chǎn)需要，綜合應用液壓機主機全噸位沖裁緩沖、拉伸液壓墊壓邊力四角分區(qū)調壓等技術，解決了高速沖壓液壓機的穩(wěn)定、精密控制等難題，保證了汽車覆蓋件的精密沖壓精度，實現(xiàn)高效安全節(jié)能生產(chǎn)?；瑝K快降、快回等指標超過常規(guī)沖壓液壓機1倍，達到了800mm/s，成功開發(fā)的快速薄板沖壓系列液壓機主機噪聲降為85dB。具體性能指標如表1所示。

圖7 液壓機柔性沖壓生產(chǎn)線

表1 快速薄板沖壓液壓機性能參數(shù)

3 主要成果

汽車大型覆蓋件液壓機柔性沖壓生產(chǎn)線自行設計和制造，具有完全自主知識產(chǎn)權，生產(chǎn)線具有效率高、速度快、節(jié)能等特點。液壓系統(tǒng)為電液比例分級控制，電氣系統(tǒng)采用PLC+工業(yè)觸摸屏控制，數(shù)顯和安全功能齊全，配有自動超越程測量裝置，光機電一體化程度高；持續(xù)跟蹤國際前沿技術，把數(shù)字泵、壓力閉環(huán)控制、上置緩沖、大液壓墊雙驅動T型導軌側移移動臺等新技術應用于本系列產(chǎn)品，推動了行業(yè)技術進步。通過產(chǎn)品開發(fā)，獲得發(fā)明專利5項、實用新型20余項；起草的《液壓機安全技術要求》通過國家標準頒布實施；該生產(chǎn)線獲得安徽省科技進步一等獎。

汽車大型覆蓋件液壓機柔性沖壓生產(chǎn)線已在比亞迪、東汽、上汽依維柯、重慶力帆、江淮汽車、鐵牛集團、吉利汽車等形成示范生產(chǎn)線。初步估計約有上百條沖壓線正在汽車主機廠和配套廠穩(wěn)定應用，直接經(jīng)濟效益20億元，約占國內同類產(chǎn)品70%的市場份額。在提高國產(chǎn)汽車制造水平及質量的同時，大大降低了生產(chǎn)成本，為民族品牌汽車的發(fā)展做出了重要貢獻。相關技術還成功應用到航空航天、高速列車和核工業(yè)等高端制造領域。生產(chǎn)線主打產(chǎn)品--大型數(shù)控單雙動液壓機還出口到德國、俄羅斯、巴西、印度等國家，打破了發(fā)達國家在國際市場的壟斷局面。

[1]翟 華，李貴閃，嚴建文，等.基于以太網(wǎng)技術的大型沖壓生產(chǎn)線的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].機床與液壓，2012，（1）.

[2]李貴閃.快速薄板沖壓液壓機及沖壓生產(chǎn)線 [J].鍛造與沖壓，2010，（7）.

[3]張 曄.單動薄板沖壓液壓機生產(chǎn)線柔性自動化[J].機械管理開發(fā)，2014，（5）.

[4]喬禮惠，徐 路，趙雪松.淺述液壓機聯(lián)線工作的控制方法[J].鍛壓裝備與制造技術，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

時春生（1982-），男，高級經(jīng)濟師，企管部經(jīng)理。E-mail：hdgczx@126.com