高速生產(chǎn)汽車模具與壓機(jī)自動化匹配研究

文/高艷冬，牟少志，李惠龍，蘆成龍，杜野·一汽-大眾汽車有限公司

本文介紹了汽車模具在高速生產(chǎn)條件下壓機(jī)凸輪自動化的設(shè)置模型，并通過實(shí)際案例展示壓機(jī)凸輪自動化設(shè)置流程。對實(shí)際生產(chǎn)過程中的自動化凸輪問題進(jìn)行剖析，給出解決措施，總結(jié)出模具高速生產(chǎn)模式下快速解決壓機(jī)凸輪自動化故障的方法。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及高速壓機(jī)(某主機(jī)廠生產(chǎn)壓機(jī)最高節(jié)拍可達(dá)到每分鐘28 次沖程)的應(yīng)用，汽車模具結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變，尤其是模具斜器的驅(qū)動方式。前期汽車模具斜器采用硬性沖擊的方式強(qiáng)制驅(qū)動工作，這樣導(dǎo)致模具導(dǎo)向磨損嚴(yán)重，尤其是在模具高速生產(chǎn)的模式下，模具的使用壽命急劇下降。為適應(yīng)高速壓機(jī)的生產(chǎn)，目前汽車模具斜器多采用氣缸柔性驅(qū)動，這種驅(qū)動方式減少了斜器導(dǎo)向的磨損，提高了模具的使用壽命。然而采用氣缸驅(qū)動的模具斜器結(jié)構(gòu)，會隨著模具生產(chǎn)節(jié)拍的提升，出現(xiàn)斜器動作與壓機(jī)自動化不匹配的現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備故障，產(chǎn)生異常停機(jī)，造成停產(chǎn)損失，有時還會使模具沖壓出的沖壓件出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，造成大量返修及廢品，導(dǎo)致生產(chǎn)成本提高。

主機(jī)廠沖壓模具的斜器大多采用氣缸驅(qū)動，為使斜器正確的運(yùn)動，需要?dú)飧子芯珳?zhǔn)的驅(qū)動，目前壓機(jī)自動化控制氣缸的動作更為精準(zhǔn)可靠，同時斜器運(yùn)動的過程中也需要壓機(jī)自動化系統(tǒng)反饋斜器的位置，要想達(dá)到上述的效果，就需要在壓機(jī)凸輪自動化中設(shè)置合適的參數(shù)。基于這些問題，筆者對高速生產(chǎn)的沖壓模具及壓機(jī)自動化進(jìn)行探索研究，尋找模具與壓機(jī)自動化快速匹配的模型，并應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的模具中，從而形成一套解決此類問題的成熟方法。

模具與壓機(jī)自動化匹配模型

模具斜器的運(yùn)動

某主機(jī)廠汽車頂蓋外板模具斜器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，生產(chǎn)過程中，上道工序壓機(jī)的機(jī)械手把工序件放到本工序模具前，本工序模具氣缸運(yùn)動推動斜器運(yùn)動至工作位置，工作位置傳感器產(chǎn)生信號，壓機(jī)凸輪自動化開始監(jiān)測斜器是否到工作位置，壓機(jī)滑塊運(yùn)行至下死點(diǎn)(壓機(jī)的下停止點(diǎn))，完成壓件任務(wù)，壓機(jī)滑塊帶動模具上模開始返回，當(dāng)上模壓料板與下模開始脫開時，氣缸驅(qū)動斜器回程到位，壓機(jī)凸輪自動化再次監(jiān)測斜器是否回程到位，當(dāng)斜器回程到位后本工序機(jī)械手把件取走，放入到下一工序，模具回到壓機(jī)的上死點(diǎn)(壓機(jī)的上停止點(diǎn))，這樣模具就完成了一次生產(chǎn)。

圖1 某車型頂蓋下模斜器結(jié)構(gòu)示意

壓機(jī)自動化的控制方式

主機(jī)廠的壓力機(jī)對氣源角度自動化的控制方式可分為機(jī)械手角度控制及壓機(jī)凸輪角度控制，兩者的原理一致，生產(chǎn)過程中使用壓機(jī)凸輪角度控制更直觀，因此生產(chǎn)過程中常用凸輪角度來控制壓機(jī)的氣源，實(shí)現(xiàn)對氣缸的控制，使模具斜器精準(zhǔn)運(yùn)動。下面主要針對壓機(jī)凸輪角度自動化的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行詳細(xì)介紹。

在圖1 所示的模具結(jié)構(gòu)運(yùn)動過程中，假設(shè)上道工序壓機(jī)的機(jī)械手把工序件放到本工序模具中時對應(yīng)的壓機(jī)凸輪角度為a 度，上模壓料板與下凸模剛接觸時對應(yīng)的凸輪角度為b 度，斜器單行程所對應(yīng)的壓機(jī)凸輪運(yùn)行角度為c 度，壓機(jī)運(yùn)行到下死點(diǎn)的角度為d 度，模具壓料板與下凸模剛脫開的角度為e 度，本工序機(jī)械手開始取件放入到下一工序時對應(yīng)壓機(jī)凸輪角度為f 度，則壓機(jī)凸輪角度的設(shè)定如下：

斜器工作時所對應(yīng)的壓機(jī)凸輪角度A 區(qū)間的設(shè)定為，當(dāng)上道工序的工序件放到本工序模具中，與模具斜器沒有干涉(即當(dāng)斜器在工作位置時，工序件放到模具內(nèi)，工序件與斜器所在的模具部件無干涉)的情況下，A 的區(qū)間見公式1。當(dāng)上道工序的工序件放到本工序模具中與斜器有干涉(即當(dāng)斜器在工作位置時，工序件放到模具內(nèi)，不能到達(dá)正確位置，工序件與斜器所在的模具部件有干涉)的情況下，A 的區(qū)間見公式2。斜器回程時所對應(yīng)的壓機(jī)凸輪角度B 區(qū)間的設(shè)定見公式3。斜器工作監(jiān)測角度C 區(qū)間的設(shè)定見公式4。斜器回程監(jiān)測角度D 區(qū)間的設(shè)定見公式5。

以上5 個公式為模具運(yùn)動與壓機(jī)凸輪角度自動化的匹配模型(以下簡稱“模型”)，實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)模型設(shè)定合適參數(shù)，實(shí)現(xiàn)模具與壓機(jī)的正確匹配，提高生產(chǎn)效率。

壓機(jī)凸輪角度設(shè)置案例

模具斜器的運(yùn)動

某車型側(cè)圍模具在主機(jī)廠高速壓機(jī)6(第六道工序壓機(jī))的生產(chǎn)節(jié)拍為每分鐘12.5 次，其下模結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圖3 為圖2 中標(biāo)注區(qū)域的斜器結(jié)構(gòu)。此斜器結(jié)構(gòu)工作原理為當(dāng)上道工序的工序件放到模具下模后，氣缸1 拉動斜器1 到工作位置，氣缸2 推動斜器2 到工作位置，壓機(jī)帶動模具的上模由上死點(diǎn)向下逐漸運(yùn)動到下死點(diǎn)，斜器3 在油氣混合裝置的作用下運(yùn)動到工作位置完成沖孔工作，上模開始回程，斜器3 在回程氮?dú)飧椎淖饔孟禄爻?，氣? 拉動斜器2 回程，氣缸1 推動斜器1 回程，上模到達(dá)上死點(diǎn)，完成一次沖孔工作。

圖2 某側(cè)圍模具下模結(jié)構(gòu)

圖3 斜器結(jié)構(gòu)示意

壓機(jī)凸輪角速度的計算

壓力機(jī)完成一次沖程(壓機(jī)上滑塊由上死點(diǎn)運(yùn)動到下死點(diǎn)，再由下死點(diǎn)返回上死點(diǎn)，為一次沖程)壓機(jī)凸輪角度經(jīng)過360°，如圖4 所示。壓機(jī)上死點(diǎn)對應(yīng)的凸模角度為0°，下死點(diǎn)與壓機(jī)曲線設(shè)定相關(guān)約200°左右(具體位置需要查看壓機(jī)運(yùn)行曲線)，圖4 所示下死點(diǎn)凸輪角度183°，當(dāng)壓機(jī)速度為每分鐘12.5 次時，凸輪平均角速度為每秒75°。

圖4 高速壓機(jī)凸輪角度曲線示意

斜器單次的運(yùn)動計算

此側(cè)圍模具氣缸為SMC 品牌氣缸，型號為CP96SDL100-0150(氣缸為CP96 系列，缸體直徑為100mm，行程為150mm)，當(dāng)模具高速生產(chǎn)時氣缸活塞桿受到負(fù)載，導(dǎo)向潤滑，導(dǎo)向間隙等因素的影響，氣缸的實(shí)際速度為該型號最小速度，由氣缸動能曲線，可知該氣缸1 的最小速度250mm/s，則斜器1 的速度為250mm/s，斜器單次運(yùn)行時間為0.6s，斜器單行程所對應(yīng)的壓機(jī)凸輪運(yùn)行角度為45°。

壓機(jī)凸輪角度區(qū)間設(shè)置

⑴ 斜器工作對應(yīng)的壓機(jī)凸輪角度設(shè)置。

本案例中由于上道工序的工序件與本工序模具的斜器有干涉，斜器工作時所對應(yīng)的壓機(jī)凸輪角度選擇為a＜A＜b-c，根據(jù)高速生產(chǎn)壓機(jī)的機(jī)械手運(yùn)行角度曲線(圖5)及機(jī)械手運(yùn)行角度與壓機(jī)角度耦合關(guān)系(圖6)，可知當(dāng)機(jī)械手5 把上道工序的工序件放到壓機(jī)6 所在的模具時，機(jī)械手角度為285°，對應(yīng)的壓機(jī)6 的凸輪角度為40°，可得氣缸1 的最小進(jìn)氣角度為40°，那么斜器1 的最小驅(qū)動角度a1=40°。由圖4 可知模具壓料板與下凸模剛接觸時的壓機(jī)凸輪角度為b1=153°，氣缸的最大驅(qū)動角度為b1-c1=153°-45°=108°，由模型可以得出斜器1 工作時所對應(yīng)的壓機(jī)凸輪角度A1的區(qū)間(40°＜A1＜108°) ，最終實(shí)際生產(chǎn)中驅(qū)動角度為60°，故A1=60°。

圖5 高速機(jī)械手5 運(yùn)行曲線示意

圖6 機(jī)械手運(yùn)行角度與壓機(jī)角度耦合關(guān)系

根據(jù)模具運(yùn)動的時序性，斜器工作時，斜器2 應(yīng)當(dāng)滯后斜器1(有利于減少斜器導(dǎo)向的磨損)一定的角度，一般取5°到10°，可得斜器2 的驅(qū)動角度A2=70°。

⑵斜器回程時對應(yīng)的壓機(jī)凸輪角度設(shè)置。

當(dāng)上模回程時由圖4 可知壓料板與下模剛脫開時對應(yīng)的壓機(jī)凸輪角度為e1=199°，可得斜器1 回程最小角度199°，通過耦合角度可知機(jī)械手6 抓件時所對應(yīng)的壓機(jī)凸輪角度為f=288 度，因此斜器1 的最大回程角度為f-c1=288°-45°=243°，由模型可得斜器1 回程所對應(yīng)壓機(jī)凸輪回程驅(qū)動角度B1的區(qū)間(199°＜B1＜243°)，最終實(shí)際生產(chǎn)中驅(qū)動角度取210°，故B1=210°。

由于斜器2 的計算原理與斜器1 相同，再根據(jù)模具運(yùn)動的時序性，回程時斜器1 應(yīng)當(dāng)滯后斜器2，斜器2 的回程角度B2=200°。在壓機(jī)的凸輪自動化控制中，自動化閥門3 控制斜器1 的驅(qū)動，自動化閥門4 控制斜器2 的驅(qū)動，可得斜器1 與斜器2 在壓機(jī)中的驅(qū)動設(shè)置。

壓機(jī)凸輪自動化監(jiān)測角度設(shè)置

當(dāng)斜器1 運(yùn)行到工作位置時對應(yīng)的開始角度為A+c=60+45=105°，由圖4 可知壓機(jī)下死點(diǎn)對應(yīng)的角度d=183°，由模型可得斜器1 的監(jiān)測角度C1區(qū)間(105°＜C1＜183°)

由于工作時斜器2 滯后于斜器1 工作(滯后10°)，可得斜器2 的監(jiān)測角度C2區(qū)間(115°＜C2＜183°)，當(dāng)斜器1 運(yùn)行到回程位置時對應(yīng)的凸輪角度為B1+c1=210°+45°=255°(210°時氣缸回氣口進(jìn)氣，f=288°，由模型可得當(dāng)斜器1 運(yùn)行到回程位置的監(jiān)測角度D1的區(qū)間(255°＜D1＜288°)

由于回程時斜器1 滯后于斜器2 工作( 滯后10 ° )， 可 得 斜 器2 的 監(jiān) 測 角 度D2區(qū) 間(245°＜D2＜288°)，在壓機(jī)的凸輪自動化監(jiān)測中，自動化監(jiān)測1 監(jiān)測斜器1 的工作行程，自動化監(jiān)測2監(jiān)測斜器2 的工作行程，自動化監(jiān)測3 監(jiān)測斜器1 的回程，自動化監(jiān)測4 監(jiān)測斜器2 的回程，由此可得斜器1 與斜器2 在壓機(jī)中的監(jiān)測設(shè)置。

生產(chǎn)過程常見問題優(yōu)化案例

斜器動作慢的優(yōu)化

某車型左側(cè)圍模具斜器采用氣缸驅(qū)動，以每分鐘14 次的節(jié)拍生產(chǎn)。在生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)斜器回程動作慢，導(dǎo)致自動化監(jiān)測報警，造成壓機(jī)停歇。

分析原因?yàn)椋?)斜器導(dǎo)向潤滑不足 ，導(dǎo)致驅(qū)動斜器的氣缸速度變慢，無法滿足快速生產(chǎn)節(jié)拍；2)斜器驅(qū)動氣缸局部損壞，導(dǎo)致氣缸驅(qū)動力不足。

解決措施為：首先，確認(rèn)產(chǎn)生問題斜器是由壓機(jī)的哪一組氣源控制，由于是斜器回程報警，問題鎖定斜器回程控制的凸輪角度為220°/230°。其次，查看壓機(jī)行程曲線，如圖7 所示，模具壓料板與凸模剛脫開時的角度為e=202°，由模型可知回程角度B＞e，所以回程角度大于202°即可，回程角度220°/230°更改為205°/215°，這樣氣缸提前運(yùn)動，彌補(bǔ)了氣缸速度變慢造成的斜器不能在有限時間內(nèi)回程的問題，模具能夠穩(wěn)定生產(chǎn)。

圖7 壓機(jī)行程曲線

斜器動作不正確案例

某車型側(cè)圍模具，生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)鈑金件表面產(chǎn)生壓痕，如圖8 所示。通過排查，問題產(chǎn)生的原因是壓料板還沒有脫開下凸模，斜器已回程，造成單板件沒有模具支撐產(chǎn)生壓痕。分析模具結(jié)構(gòu)，模具缺陷位置為斜器結(jié)構(gòu)，且為氣缸驅(qū)動，原因鎖定斜器回程驅(qū)動角度不正確。由模具的實(shí)際動作可知壓料與下凸模脫開的角度e=242°，通過模型可知斜器回程驅(qū)動角度B＞e(即B＞242°)，但實(shí)際生產(chǎn)中斜器回程的驅(qū)動角度230°/235°。斜器的運(yùn)動行程應(yīng)當(dāng)由壓機(jī)自動化監(jiān)測，當(dāng)斜器運(yùn)動不正確時，壓機(jī)應(yīng)當(dāng)報警，實(shí)際檢查發(fā)現(xiàn)壓機(jī)監(jiān)測角度沒有設(shè)置，造成壓機(jī)自動化無法監(jiān)測。

圖8 單板件表面壓痕缺陷示意

解決措施為，根據(jù)模型重新設(shè)置斜器運(yùn)動驅(qū)動角度，最終斜器回程驅(qū)動角度調(diào)整至245°/250°，沖壓件缺陷消除。根據(jù)模型重新設(shè)置模具斜器運(yùn)動在壓機(jī)凸輪自動化中的監(jiān)測區(qū)間，實(shí)現(xiàn)壓機(jī)凸輪自動化的監(jiān)測功能。

結(jié)束語

本文中模具斜器運(yùn)動與壓機(jī)凸輪自動化匹配模型，能夠應(yīng)用實(shí)際生產(chǎn)中，并且效果顯著，是一套成熟的體系，在生產(chǎn)中也需要注意以下細(xì)節(jié)：

1)設(shè)置凸輪角度時，要充分考慮模具動作的合理性，如斜器運(yùn)動先后順序(鎖止斜器與填充斜器動作的先后順序)；

2)氣缸驅(qū)動的斜器要考慮氣缸動作的延遲性，當(dāng)節(jié)拍提高時，考慮凸輪角度提前設(shè)置，使氣缸提前運(yùn)動，避免斜器動作不到位的情況發(fā)生；

3)壓機(jī)監(jiān)測角度設(shè)置時要考慮模具動作的延遲性，監(jiān)測角度要滯后斜器的驅(qū)動角度，滯后度數(shù)與壓機(jī)的速度及氣缸的速度有關(guān)；

4)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)模具動作慢時，也可臨時考慮調(diào)整凸輪角度，使斜器提前運(yùn)動達(dá)到能夠滿足臨時生產(chǎn)的狀態(tài)；

5)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)斜器傳感器監(jiān)測失效的情況，要檢查監(jiān)測功能是否開啟，監(jiān)測區(qū)間是否合理，模具傳感器的安裝位置是否在合理范圍內(nèi)。