大噸位數(shù)控沖床高性能智能化技術(shù)研究與應用

嚴海民+李曉華

摘 要：文章以APE-600噸數(shù)控沖床為設(shè)計改進對象，集成各個關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，結(jié)合數(shù)控先進設(shè)計平臺，充分利用數(shù)控設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、智能化控制集成技術(shù)，沖壓設(shè)備的檢測技術(shù)和傳感器，下死點控制技術(shù)等研究出具有集成創(chuàng)新的智能化數(shù)控沖床系列裝備，實現(xiàn)大噸位高精度智能數(shù)控沖床的產(chǎn)業(yè)化，帶動我國數(shù)控沖床行業(yè)向著高技術(shù)含量方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)控沖床；設(shè)計平臺；集成技術(shù)；下死點智能化

1 技術(shù)研究背景

沖床作為裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，同時也是制造業(yè)的工業(yè)母機，而以高檔數(shù)控沖床為主的先進設(shè)備，更是體現(xiàn)一個國家現(xiàn)代化工業(yè)的重要基礎(chǔ)。沖床是制造業(yè)最基本的生產(chǎn)工序，沖床工業(yè)是一個國家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。數(shù)控沖床是一種新型沖床，是機電一體化的一種體現(xiàn)，它擁有高效、柔性、精密、復合、集成等諸多優(yōu)點，是裝備制造業(yè)的主流產(chǎn)品和主力加工設(shè)備。

本文所闡述的研究與應用主要針對高端汽車及其零部件、航空航天零部件及高速自動化數(shù)控沖壓線等高端領(lǐng)域的沖壓工藝需要，進行創(chuàng)新性研究，解決其中共性關(guān)鍵技術(shù)問題，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大噸位、高精度、高速度、高穩(wěn)定可靠、柔性化高、綠色節(jié)能環(huán)保的數(shù)控沖壓系列產(chǎn)品。

2 該技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀與必要性

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

我國沖床行業(yè)發(fā)展較快，結(jié)合“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”重大專項的實施，通過引進設(shè)備、引進技術(shù)、產(chǎn)學研究等方式，新型沖床的技術(shù)取得了較大發(fā)展，在精密化、重工化、自動化、智能化、復合化的發(fā)展等各方面都有非常大技術(shù)突破。如伺服壓力機技術(shù)的開發(fā)，將壓力機主驅(qū)動由傳統(tǒng)的定量控制改為變量控制，整個沖壓周期可以任意調(diào)整，使能量分配更加合理，生產(chǎn)效率大幅提高，目前國外只有少數(shù)公司掌握該項技術(shù)，且伺服技術(shù)目前只能適用于200噸位以下沖床行業(yè)，對200噸以上機型還處于技術(shù)空白。另外，在液壓機方面，如船體板材成形數(shù)控液壓機生產(chǎn)線，由進料遙控起吊裝置、板材數(shù)控送料輸送裝置、具有五自由度的數(shù)控壓制中心、出料遙控起吊裝置和板材數(shù)控下料輸送裝置等五部分組成，實現(xiàn)對大型船體板材吊裝、輸送、彎曲、彎邊、壓筋、折邊、矯平等冷成形工序的連續(xù)加工，在規(guī)格、結(jié)構(gòu)、控制和性能方面均屬創(chuàng)新產(chǎn)品。

雖然我國沖床行業(yè)取得了長足的發(fā)展，但與日本、德國、美國等機床強國相比，國內(nèi)沖床行業(yè)的沖壓技術(shù)水平和自動化率仍然較低，產(chǎn)品的綜合性能、高科技含量、使用壽命、使用穩(wěn)定性等方面與國外先進技術(shù)水平相比任然有非常大的差距。國內(nèi)現(xiàn)在多數(shù)企業(yè)以低價走量的方式切入市場，在生產(chǎn)研發(fā)投入的費用很少，也不重視研發(fā)，技術(shù)創(chuàng)新很難得到應有的支持。大部分國產(chǎn)機械壓力機在設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性、機電一體化程度，機械的精密性化和人性化的設(shè)計等方面，與國外沖壓，制造設(shè)備有較大差距。

2.2 必要性

中國有一個比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈就是沖壓設(shè)備行業(yè)，但在高檔數(shù)控系統(tǒng)和功能部件是不夠完整的。中國也有全球第一數(shù)控沖床廠家的中國制造業(yè)的數(shù)量，但由于缺乏知名跨國公司和世界一流的廠家，真正高端的只能進口國外這些高端產(chǎn)品。而大量制成品出口這些表明，很多行業(yè)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的步伐，推動數(shù)控沖床產(chǎn)業(yè)升級并已成為一個中國機床工具行業(yè)的緊迫任務(wù)。

同時“中國制造”2025將數(shù)控機床和基礎(chǔ)制造裝備行業(yè)列為中

國制造業(yè)的戰(zhàn)略必爭領(lǐng)域之一，主要原因是其對于一國制造業(yè)尤其是裝備制造業(yè)的國際分工中的位置具有“錨定”作用：數(shù)控機床和基礎(chǔ)制造裝備是制造業(yè)價值生成的基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)躍升的支點，是基礎(chǔ)制造能力構(gòu)成的核心，唯有擁有堅實的基礎(chǔ)制造能力，才有可能生產(chǎn)出先進的裝備產(chǎn)品，從而實現(xiàn)高價值產(chǎn)品的生產(chǎn)。實現(xiàn)全面產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，實現(xiàn)中國制造到中國智造的全面轉(zhuǎn)變。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

數(shù)控沖床關(guān)鍵技術(shù)集成及產(chǎn)業(yè)化應用，是實現(xiàn)技術(shù)研發(fā)成果向經(jīng)濟效益和社會效益轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本項目將集成各個關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，結(jié)合數(shù)控先進設(shè)計平臺，充分利用數(shù)控設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化、智能化控制集成技術(shù)，沖壓設(shè)備的檢測技術(shù)和傳感器，下死點控制技術(shù)等研究出具有集成創(chuàng)新的智能化數(shù)控沖床系列裝備，實現(xiàn)大噸位高精度智能數(shù)控沖床的產(chǎn)業(yè)化，掌握核心技術(shù)，打破國外數(shù)控沖床裝備市場的壟斷地位，帶動我國數(shù)控沖床行業(yè)向著高技術(shù)含量方向發(fā)展。具體關(guān)鍵技術(shù)如下。

3.1 沖壓設(shè)備的智能化數(shù)控集成系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

采用的智能化數(shù)控集成系統(tǒng)主要是采用獨立的控制算法，內(nèi)置的邏輯控制和硬件配置，來滿足沖壓設(shè)備的數(shù)控化控制要求，同時支持遠程通訊，噸位檢測，模高調(diào)整，變頻器通訊和模擬量控制切換，變頻器參數(shù)一鍵打包等功能；配置無線通訊模塊，可對現(xiàn)場使用的沖壓設(shè)備進行實時的數(shù)據(jù)采集；系統(tǒng)與上位機顯示器采用專用的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸快，可實時顯示目前的運行狀態(tài)。

3.2 智能控制集成系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，主要有DCS、PLC、IPC三種類型的系統(tǒng)，其中，用到最多的就是PLC可編程控制系統(tǒng)，PLC系統(tǒng)主要由PLC為中心，該系統(tǒng)主要由數(shù)臺沖壓機械設(shè)備通過RS232/RS485與SCADA監(jiān)控軟件及組態(tài)工具軟件或多臺PC機內(nèi)裝HMI人機界面軟件而形成的工作站相連接，形成CIP通用工業(yè)協(xié)議，具DeviceNet/controlNet/Ethernet三層結(jié)構(gòu)。所以在高端智能沖壓設(shè)備中引入無線數(shù)據(jù)通信將成為一種主流，無線數(shù)據(jù)通信主要分為兩種，其一為短距離的無線數(shù)據(jù)通信，主要用于傳感器以及完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集；另外的長距離的無線數(shù)據(jù)通信主要應用于遠程測控中心和用于管理部門的多媒體集中監(jiān)控、遠程診斷、遠程維修服務(wù)等。同時集成技術(shù)也要貫徹在高端智能沖壓設(shè)備種種行動之中，包括研發(fā)、設(shè)計、工程實施、運行維護和周期管理。高端智能沖壓設(shè)備經(jīng)過系統(tǒng)集成和智能化控制，最終形成CIMS計算機集成制造系統(tǒng)，這將是工業(yè)現(xiàn)代化與智能化融合的高級目標，也是這項技術(shù)對高端智能沖壓設(shè)備的追求。

3.3 沖壓設(shè)備性能檢測系統(tǒng)

數(shù)控沖壓設(shè)備普遍具有往返工作頻率快，沖孔誤差小，公稱力大等特點，所以對數(shù)控沖壓設(shè)備的性能進行測試的難度非常的很大，截止目前，在國內(nèi)對工作中的數(shù)控沖壓設(shè)備和普通沖床進行性能檢測還沒有一種相對完善的方法?，F(xiàn)在大多數(shù)的壓鑄公司都是根據(jù)工作人員的經(jīng)驗來檢測，或者是通過某一方面性的性能檢測來對數(shù)控沖壓設(shè)備的精度做出檢測，這種方式稱為靜態(tài)檢測法，但是這種方法效率非常低下，同時存在很多弊端和不準確性，并且數(shù)控沖壓設(shè)備的靜態(tài)與動態(tài)特性差異非常的大，所以這種檢測手段有很大的缺陷。

針對上述問題，該項目主要參與研究與開發(fā)，并且設(shè)計一種自動化控制裝置，用于對高速運動中的數(shù)控沖壓設(shè)備進行動態(tài)檢測，并進行分析和研究。該自動化控制裝置通過運用加速度傳感器、力傳感器、速度傳感器等傳感器，將運動中的沖床沖頭的加速度、力和速度等數(shù)據(jù)信號通過A/D轉(zhuǎn)化器送入上位機相應的地址欄中，再通過上位機WINCC軟件中的控件/Winee Funetion Trend Control，利用VBS動作調(diào)用相應地址欄中的數(shù)據(jù)繪制相應的曲線，通過上位機的監(jiān)控軟件對所繪制的曲線進行分析與反饋，實現(xiàn)一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.4 傳感器關(guān)鍵技術(shù)

本項目使用的可測試的光電安全開關(guān)結(jié)合安全控制器LE20，可構(gòu)成復雜的安全保護系統(tǒng)。數(shù)目和功能視復雜程度而定。最簡單的保護系統(tǒng)包括發(fā)射器和接收器，一旦光束被遮斷，機器的危險動作就會被立即停止。在本項目的配置中，整個系統(tǒng)是一個光電安全開關(guān)串聯(lián)裝置，包括三套發(fā)射器/接收器，一個安全控制器LE20和四個屏蔽傳感器（Muting Sensors）。這套系統(tǒng)能分辨出是人還是物料進入危險區(qū)。因此，當有人進入危險區(qū)時，危險動作會被立即停止；但當物料進入時，則不會有影響。

4 結(jié)束語

本項技術(shù)研究以APE-600噸數(shù)控沖床為設(shè)計改進對象，通過沖壓設(shè)備的高端智能裝備的研發(fā)、設(shè)計、制造和應用等方面，把高性能沖壓設(shè)備的智能化、數(shù)控化與自動化技術(shù)相結(jié)合。使沖壓設(shè)備具備有感知、分析、決策和控制功能，實現(xiàn)沖壓設(shè)備的高速化、精密化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)控編程自動化、功能復合化、極端化（大型化和微型化）、成套化自動生產(chǎn)線、綠色設(shè)計與制造等等方面。為中國智造做出貢獻。

參考文獻

[1]舒曉模.沖床模高計數(shù)裝置及其應用技術(shù)研究[D].寧波大學，2013.

[2]邊起.沖床自動步進送料控制系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].浙江農(nóng)林大學，2013.

[3]秦為前.高速沖下死點精度的保障技術(shù)研究[D].南京理工大學，2012.

[4]王為達，樊瑜瑾，槐建明，等.經(jīng)濟型數(shù)控沖床PLC控制系統(tǒng)的研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013，4：34-40.

[5]黃兆哲.數(shù)控高速沖床的故障分析與研究[D].吉林大學，2013.