時(shí)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(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

汽車大型覆蓋件液壓機(jī)柔性沖壓生產(chǎn)線

時(shí)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(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東 濟(jì)南 250306）

介紹了研發(fā)的液壓機(jī)柔性沖壓生產(chǎn)線及其關(guān)鍵技術(shù)，包括應(yīng)用比例伺服控制技術(shù)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(diào)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(jìn)，成形質(zhì)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(jī)；關(guān)鍵技術(shù)；柔性；汽車

液壓機(jī)柔性沖壓生產(chǎn)線用于形狀復(fù)雜、大拉伸比、高精度大型覆蓋件的沖壓加工，是保證汽車質(zhì)量的重要裝備。合肥合鍛智能制造股份有限公司在產(chǎn)學(xué)研用合作的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用機(jī)械、控制、檢測、液壓等多學(xué)科技術(shù)，經(jīng)過20余年努力，研究了液壓機(jī)柔性沖壓生產(chǎn)線中的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行集成開發(fā)應(yīng)用。本項(xiàng)目在總結(jié)已有大型液壓機(jī)床設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新應(yīng)用比例伺服控制技術(shù)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(dá)到800mm/s；開發(fā)了基于現(xiàn)場總線的液壓機(jī)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(jī)、清洗機(jī)、對中設(shè)備、上下料機(jī)器人等設(shè)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(nèi)汽車多品種、小批量生產(chǎn)模式；獨(dú)創(chuàng)性地設(shè)計(jì)出上置式電動同步調(diào)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(shí)時(shí)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(diào)壓及變壓力控制技術(shù)，有效解決了精密復(fù)雜不對稱工件拉伸質(zhì)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(jī)柔性沖壓生產(chǎn)線具有加工質(zhì)量好、效率高、柔性化及自動化程度高等特點(diǎn)，已成功在比亞迪、二汽、上汽、江淮、吉利、力帆等眾多廠家應(yīng)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(diǎn)分析

1.1 問題與難點(diǎn)

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(zhì)量直接影響汽車制造質(zhì)量。美國專家曾對50多個(gè)個(gè)案進(jìn)行分析，認(rèn)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(shè)備控制精度低、沖壓工藝落后、模具設(shè)計(jì)制造水平低等因素導(dǎo)致。為適應(yīng)大型覆蓋件精密沖壓，提高液壓成形生產(chǎn)線的生產(chǎn)質(zhì)量和使用效率，解決不對稱復(fù)雜工件局部延伸率突變應(yīng)力和應(yīng)變分布不均、成形過程中制件壓邊力多點(diǎn)分區(qū)調(diào)壓的瓶頸問題，需要進(jìn)行高品質(zhì)柔性沖壓生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)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(shè)計(jì)及制造技術(shù)

如圖1所示，利用CAD、CAE技術(shù)，對主機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對關(guān)鍵零部件進(jìn)行應(yīng)力、變形分析以及壽命分析，整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析，使主機(jī)能夠在強(qiáng)度、剛性、壽命等方面充分滿足要求。采用鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)和模具快換技術(shù)設(shè)計(jì)了輔助移動工作臺和快速換模機(jī)構(gòu)，換模時(shí)間由過去5人4小時(shí)縮短為2人半小時(shí)，節(jié)省了換模準(zhǔn)備時(shí)間；應(yīng)用先進(jìn)的激光測量技術(shù)檢測大件直線度、圓度等形位誤差，研究關(guān)鍵工藝對質(zhì)量的影響，確保大件加工制造質(zhì)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(jī)電一體化技術(shù)，設(shè)計(jì)了輔助機(jī)械安全裝置、保護(hù)裝置、防護(hù)裝置，保護(hù)功能完善，連鎖和冗余設(shè)計(jì)使壓機(jī)工作更加安全，整機(jī)安全性能達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 主機(jī)結(jié)構(gòu)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(zhì)量，適應(yīng)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(diào)整都采用比例閥通過數(shù)控系統(tǒng)調(diào)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(jī)伺服系統(tǒng)一體化控制技術(shù)研發(fā)方面，進(jìn)行了如下技術(shù)攻關(guān)：

（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(jī)械壓力機(jī)存在死點(diǎn)位置的缺陷，采用比例伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)滑塊壓力精確控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有相應(yīng)的比例壓力閥和高精度壓力傳感器，構(gòu)成閉環(huán)控制，保證模具沖壓時(shí)的壓力值，實(shí)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(shí)，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fù)控制精度不大于±0.02mm。

（3）滑塊快速運(yùn)動控制技術(shù)，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(shí)現(xiàn)液壓機(jī)快速下行、工進(jìn)慢行的精密沖壓要求，快進(jìn)速度達(dá)到450mm/s，工作速度達(dá)到35mm/s，縮短了加工時(shí)間，提高了工作效率。

（4）液壓墊閉環(huán)比例控制技術(shù)，包括四角比例調(diào)壓技術(shù)、壓力隨數(shù)控系統(tǒng)連續(xù)變化的控制技術(shù)。精心設(shè)計(jì)了閉環(huán)比例控制液壓墊系統(tǒng)，綜合運(yùn)用四角比例調(diào)壓、壓力隨數(shù)控系統(tǒng)連續(xù)變化的控制等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大尺寸3800mm×1700mm液壓墊的四角精密調(diào)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(shù)。為實(shí)現(xiàn)雙動拉伸液壓機(jī)深拉伸工藝，設(shè)計(jì)了壓邊滑塊閉環(huán)比例控制技術(shù)，能實(shí)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(zhì)量。

（6）節(jié)能液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用熱平衡綜合分析技術(shù)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(shù)，減少能量損失。在此基礎(chǔ)進(jìn)一步采用伺服泵控制技術(shù)成功開發(fā)出全伺服控制液壓機(jī)，實(shí)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(jī)基礎(chǔ)上的大型數(shù)控薄板沖壓液壓機(jī)專用控制系統(tǒng)，具有模具參數(shù)數(shù)據(jù)庫、遠(yuǎn)程異地信息控制、模具自動識別、故障報(bào)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(gè)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(dú)立控制各個(gè)元件的閉環(huán)控制，提高控制精度，減少主控系統(tǒng)的計(jì)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(chǔ)上進(jìn)一步通過軟件模塊進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)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(jìn)行結(jié)合，根據(jù)工藝需要編制柔性控制軟件，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝流程的控制，且精確控制壓力、位置、速度等。通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)繪制各運(yùn)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(zhì)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(shè)置一個(gè)遠(yuǎn)程I/O站，在機(jī)身也準(zhǔn)備設(shè)置一個(gè)遠(yuǎn)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(shí)通過PLC CPU上的DP通訊口連接到一個(gè)DP/DP耦合器，把壓力機(jī)的控制網(wǎng)段與輔機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)段連接在一起，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)可分開調(diào)試，最后共享資源，組成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。

1.2.4 遠(yuǎn)程異地診斷控制技術(shù)

如圖3所示，基于現(xiàn)場總線技術(shù)，構(gòu)建了遠(yuǎn)程異地診斷系統(tǒng)，開發(fā)了遠(yuǎn)程異地診斷實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證遠(yuǎn)程異地診斷控制技術(shù)可靠性，并最終和大型數(shù)控雙動薄板沖壓液壓機(jī)進(jìn)行相關(guān)聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)。保證了檢測信息準(zhǔn)確傳遞，較好地連接各監(jiān)測設(shè)備，使診斷更可靠、有效。

圖3 遠(yuǎn)程異地診斷系統(tǒng)硬件構(gòu)成

1.2.5 全噸位低噪聲沖裁緩沖技術(shù)

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(diǎn)，經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)了上置式電動同步調(diào)節(jié)全噸位低噪聲沖裁緩沖裝置（圖4），使壓機(jī)具有獨(dú)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(diào)節(jié)所帶來的人為因素，減輕了勞動強(qiáng)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(shè)定緩沖位置，然后通過機(jī)械同步傳動，電動調(diào)節(jié)緩沖點(diǎn)，用伺服電機(jī)驅(qū)動固定擋塊，使其精確定位，定位精度與設(shè)置值誤差在0.02mm以內(nèi)。最終實(shí)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(jī)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(jī)和模具壽命，保證了壓機(jī)可實(shí)現(xiàn)全噸位的沖裁落料功能。

1.2.6 液壓機(jī)安全技術(shù)研究

充分借鑒歐盟國家的先進(jìn)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)，對安全PLC、安全繼電器、安全光幕等產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，綜合設(shè)計(jì)安全裝置，在冗余和檢控、安全等級方面提高液壓機(jī)的安全性。該安全技術(shù)的研究，為大型數(shù)控薄板沖壓液壓機(jī)進(jìn)入歐盟市場提供了保障。

1.2.7 四點(diǎn)數(shù)控液壓墊技術(shù)

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

圖5 安全閥在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用

自主研制的液壓拉伸墊四角調(diào)壓控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)比例調(diào)壓，四角壓力可隨模具壓力大小實(shí)時(shí)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(shí)的工況要求，大大改善了沖壓工藝和沖壓件質(zhì)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(shí)現(xiàn)，行程控制通過由位移傳感器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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{(diào)壓的多點(diǎn)拉伸液壓墊如圖6所示。

圖6 基于四角調(diào)壓的多點(diǎn)拉伸液壓墊外觀圖

1.2.8 基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

通過應(yīng)用上下料機(jī)械手以及雙驅(qū)動T型導(dǎo)軌移動臺技術(shù)，液壓機(jī)柔性沖壓線配有拆垛、清洗涂油、對中設(shè)備和上下料機(jī)器人等多種輔助設(shè)備?；诂F(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，形成自動化柔性沖壓線，使整個(gè)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(qiáng)度。

在單機(jī)控制的基礎(chǔ)上，通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)控制和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)沖壓線系統(tǒng)的集中控制，網(wǎng)絡(luò)控制自上而下具有三個(gè)層次：過程控制層，現(xiàn)場信號處理層，系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)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”、“急停”、“光幕”及控制閥等）進(jìn)行擴(kuò)展，又可組成柔性可編程安全回路。

關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)采用冗余及相異設(shè)計(jì)。機(jī)器每次動作之前，先對主令發(fā)訊元件及主閥位進(jìn)行自檢，由HMI菜單選擇窗口設(shè)置壓機(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)滑塊位置軌跡和液壓墊四角壓力軌跡的跟蹤。

2 實(shí)施結(jié)果

如圖7所示，開發(fā)的快速薄板沖壓液壓機(jī)及生產(chǎn)線，在汽車大型覆蓋件沖壓工藝中成功應(yīng)用，解決了不對稱復(fù)雜工件局部延伸率突變、應(yīng)力和應(yīng)變分布不均問題，在國內(nèi)汽車大型覆蓋件液壓機(jī)沖壓線市場占有率在70%以上，壓機(jī)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(yīng)用液壓機(jī)主機(jī)全噸位沖裁緩沖、拉伸液壓墊壓邊力四角分區(qū)調(diào)壓等技術(shù)，解決了高速沖壓液壓機(jī)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(shí)現(xiàn)高效安全節(jié)能生產(chǎn)?；瑝K快降、快回等指標(biāo)超過常規(guī)沖壓液壓機(jī)1倍，達(dá)到了800mm/s，成功開發(fā)的快速薄板沖壓系列液壓機(jī)主機(jī)噪聲降為85dB。具體性能指標(biāo)如表1所示。

圖7 液壓機(jī)柔性沖壓生產(chǎn)線

表1 快速薄板沖壓液壓機(jī)性能參數(shù)

3 主要成果

汽車大型覆蓋件液壓機(jī)柔性沖壓生產(chǎn)線自行設(shè)計(jì)和制造，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，生產(chǎn)線具有效率高、速度快、節(jié)能等特點(diǎn)。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(jī)電一體化程度高；持續(xù)跟蹤國際前沿技術(shù)，把數(shù)字泵、壓力閉環(huán)控制、上置緩沖、大液壓墊雙驅(qū)動T型導(dǎo)軌側(cè)移移動臺等新技術(shù)應(yīng)用于本系列產(chǎn)品，推動了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。通過產(chǎn)品開發(fā)，獲得發(fā)明專利5項(xiàng)、實(shí)用新型20余項(xiàng)；起草的《液壓機(jī)安全技術(shù)要求》通過國家標(biāo)準(zhǔn)頒布實(shí)施；該生產(chǎn)線獲得安徽省科技進(jìn)步一等獎。

汽車大型覆蓋件液壓機(jī)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(tuán)、吉利汽車等形成示范生產(chǎn)線。初步估計(jì)約有上百條沖壓線正在汽車主機(jī)廠和配套廠穩(wěn)定應(yīng)用，直接經(jīng)濟(jì)效益20億元，約占國內(nèi)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(zhì)量的同時(shí)，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(xiàn)。相關(guān)技術(shù)還成功應(yīng)用到航空航天、高速列車和核工業(yè)等高端制造領(lǐng)域。生產(chǎn)線主打產(chǎn)品--大型數(shù)控單雙動液壓機(jī)還出口到德國、俄羅斯、巴西、印度等國家，打破了發(fā)達(dá)國家在國際市場的壟斷局面。

[1]翟 華，李貴閃，嚴(yán)建文，等.基于以太網(wǎng)技術(shù)的大型沖壓生產(chǎn)線的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2012，（1）.

[2]李貴閃.快速薄板沖壓液壓機(jī)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(jī)生產(chǎn)線柔性自動化[J].機(jī)械管理開發(fā)，2014，（5）.

[4]喬禮惠，徐 路，趙雪松.淺述液壓機(jī)聯(lián)線工作的控制方法[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，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(shí)春生（1982-），男，高級經(jīng)濟(jì)師，企管部經(jīng)理。E-mail：hdgczx@126.com