伺服沖床的實(shí)際應(yīng)用（連載四）

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

伺服沖床的實(shí)際應(yīng)用（連載四）

文/ 張清林·江蘇中興西田數(shù)控科技有限公司小松勇·日本小松技術(shù)士事務(wù)所

《伺服沖床的實(shí)際應(yīng)用·連載三》介紹了使用卷料進(jìn)行順?biāo)图庸し绞降奶攸c(diǎn)和注意事項(xiàng)，本期主要介紹多工位搬運(yùn)裝置生產(chǎn)方式的特點(diǎn)。

順?biāo)图庸ず投喙の患庸さ睦?/h2>

針對(duì)不同自動(dòng)化生產(chǎn)方式進(jìn)行比較，單沖加工（手工作業(yè)），多工位搬運(yùn)加工（二維或者三維搬運(yùn)）和機(jī)械手搬運(yùn)（沖床用機(jī)械手、多關(guān)節(jié)機(jī)械手），順?biāo)图庸ぃㄝ佂彩剿土蠙C(jī)、矯平送料機(jī)、夾持式送料機(jī)）。

材料的形態(tài)

⑴單沖加工使用沖壓板材定尺寸材料，如梯形材料。需要進(jìn)行材料落料。

⑵多工位搬運(yùn)加工沖壓板材定尺寸材料，如梯形材料。需要進(jìn)行材料落料。

⑶順?biāo)图庸な褂镁聿?，較長(zhǎng)的定尺寸材料，長(zhǎng)度3000～4000mm）。

大小的界限

⑴單沖加工直接用手或使用夾鉗工具搬運(yùn)，一個(gè)人操作的情況能夠搬運(yùn)的素材尺寸大約是500mm×1000mm的板料。

⑵多工位搬運(yùn)板料，尺寸為50～2000×3500mm。

⑶順?biāo)图庸ぞ聿姆鶎捈s20～1800mm。沖床驅(qū)動(dòng)的情況下，送料長(zhǎng)度在2～400mm。單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的情況下送料長(zhǎng)度在2～3000mm。

材料的厚度、材質(zhì)與生產(chǎn)數(shù)量

⑴單沖加工材料厚度為0.2～16mm，材料的材質(zhì)為鋼材，銅合金，鋁合金，其他幾乎所有材質(zhì)。生產(chǎn)數(shù)量是1批500個(gè)以下，總生產(chǎn)量10000個(gè)以上。

⑵多工位搬運(yùn)材料的厚度為0.5～10mm，材料的材質(zhì)為鋼材，非磁性鋼板，銅合金，鋁合金等。但需要注意的是這類板材供給時(shí)，兩張粘連在一起分離比較困難。生產(chǎn)數(shù)量是1批1000個(gè)以上，總生產(chǎn)量100000個(gè)以上。

⑶順?biāo)图庸げ牧系暮穸葹?.2～12mm，材料的材質(zhì)為鋼材，銅合金，鋁合金等非磁性材料，幾乎所有的材料都可能。對(duì)于有光澤的材料和表面要求較高的材料，要注意材料表面的保護(hù)。對(duì)于有保護(hù)膜的材料，可采用通過(guò)送料裝置后再分離素材表面的保護(hù)膜，再送入模具的方法。生產(chǎn)數(shù)量是1批3000個(gè)以上，總生產(chǎn)量500000個(gè)以上。

對(duì)沖床操作人員的技能要求

⑴單沖加工對(duì)操作者的熟練程度沒有嚴(yán)格要求。沒有經(jīng)驗(yàn)的操作人員可只進(jìn)行沖床的操作。產(chǎn)品的品質(zhì)檢查、模具的檢查、維修及換模等工作由具體負(fù)責(zé)人進(jìn)行。

⑵多工位搬運(yùn)，要求沖床操作人員具備一定的熟練程度；具備通過(guò)沖床運(yùn)轉(zhuǎn)中的聲音、振動(dòng)和送料動(dòng)作的穩(wěn)定性等判斷運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常的能力，防患于未然；具備模具維修的能力；具備產(chǎn)品發(fā)生缺陷時(shí)，能分析、判斷其產(chǎn)生的原因能力；有介紹、講解機(jī)械手功能的能力。

⑶順?biāo)图庸?，要求沖床操作人員具備一定的熟練程度；具備通過(guò)沖床運(yùn)轉(zhuǎn)中的聲音、振動(dòng)和送料動(dòng)作的穩(wěn)定性等判斷運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常的能力，防患于未然；具備模具維修的能力；具備產(chǎn)品發(fā)生缺陷時(shí)能夠分析、判斷其產(chǎn)生的原因的能力。

最大生產(chǎn)速度

⑴單沖加工的最大生產(chǎn)速度是小件25次/min以下，大件15次/min。

⑵多工位搬運(yùn)情況下，沖床驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式小型一維（往復(fù)型）多工位最大生產(chǎn)速度是300次/ min，小型二維多工位最大生產(chǎn)速度是100次/min左右；中型、大型二維多工位最大生產(chǎn)速度為60次/min左右；中型、大型三維多工位次/min左右。沖床機(jī)械手最大生產(chǎn)速度為30次/min左右，多關(guān)節(jié)機(jī)器人最大生產(chǎn)速度為20次/min左右。

⑶順?biāo)图庸ぴ诖蠖鄶?shù)的情況，確定最大生產(chǎn)速度的條件是：每次的送料長(zhǎng)度/送料速度40mm/ min來(lái)得出最大生產(chǎn)速度；高精度間歇式送料機(jī)構(gòu)可高達(dá)4000次/min；使用小型夾持式送料機(jī)為400次/min左右；用于厚板的開卷矯平送料機(jī)的最大生產(chǎn)速度為60次/min；板厚為0.1mm左右的薄板應(yīng)采用拉引式生產(chǎn)，速度可達(dá)到200次/min左右，適用于散熱片等產(chǎn)品）；使用長(zhǎng)度在3000～4000mm的一定尺寸的材料時(shí)可以在沖床的兩側(cè)同時(shí)設(shè)置送料裝置，這種情況下的送料速度是40次/min左右。

沖壓加工的復(fù)雜性

⑴單沖加工過(guò)程中,比較容易制作出合適加工的模具，自由度較大；下模的上表面高度不需要與其他模具相同；閉模高度不需要與其他模具一致；可以根據(jù)加工的內(nèi)容自由地確定加壓力、加工速度、行程長(zhǎng)度、閉模高度等規(guī)格，選擇沖床的自由度高;只需要考慮一個(gè)模具內(nèi)的偏心負(fù)荷；在一臺(tái)沖床上也可以使用多個(gè)模具（用人工進(jìn)行模具間的搬運(yùn)工作）。

⑵多工位搬運(yùn)過(guò)程中,模具基本上是使用單沖模具;拉深件的側(cè)面需要開孔時(shí)可以使用楔塊式的模具;用三維多工位搬運(yùn)裝置時(shí)，由于搬運(yùn)桿具有升降功能，模具內(nèi)的成形品提升機(jī)構(gòu)可以省略;使用二維多工位搬運(yùn)裝置時(shí)，下模上表面的高度必須一致;與順?biāo)图庸は啾瓤梢约庸だ钌疃雀蟮牧慵?模具的維護(hù)保養(yǎng)比較容易;沖壓后的下腳料的處理比較容易;必須按照沖壓加工的每一個(gè)工位上的零件形狀制作夾持零件的夾爪，而且，每一次變換產(chǎn)品時(shí)都要更換;模具與模具之間可以進(jìn)行加工件的翻轉(zhuǎn)。

⑶順?biāo)图庸み^(guò)程中，不能進(jìn)行較深的拉深加工（沖床行程的25%以下）,根據(jù)送料方式不同可以變化;由于卷材是從始至終連在一起的，對(duì)楔塊式模具的限制較多;材料的利用率（素材重量與成品重量的比率）不好;必須在了解各個(gè)工位的負(fù)荷的基礎(chǔ)上進(jìn)行工位的分配，為避免偏心負(fù)荷有時(shí)需要設(shè)置空置工位;要有合適的按壓力，上模的按壓板要是可動(dòng)的、分割式的，模具變得非常復(fù)雜;下腳料的處理也會(huì)受到很多限制;模具的保養(yǎng)比較繁瑣;沖床的動(dòng)態(tài)精度不好時(shí)，模具的磨損就會(huì)加快。

模具材質(zhì)和模架主板材質(zhì)

⑴單沖加工過(guò)程中，模具材質(zhì)為SK系列、SKS系列，嚴(yán)格的地方使用SKD11，銅合金、鋁合金等對(duì)加壓力的要求不嚴(yán)，模具材料可以使用S55C。模架主板，可以用SS400。

⑵多工位搬運(yùn)過(guò)程中，模具材質(zhì)使用SKD11、SKH51，要求嚴(yán)格的地方使用超硬合金。模架主板，可以用SS400，S45C等。

⑶順?biāo)图庸み^(guò)程中，使用SKD11、SKH51等。對(duì)于銅合金，鋁合金等加壓力不是太嚴(yán)厲的話，高速?zèng)_壓加工時(shí)可以選用鋁合金板，要求嚴(yán)格的地方使用超硬合金。模架主板，可以用SS400，S45C等。

生產(chǎn)率

⑴單沖加工過(guò)程中，在需要很多個(gè)工位的情況時(shí)，加工中途的半成品會(huì)增多，很難提高生產(chǎn)率；每個(gè)工位都需要一個(gè)人，人均生產(chǎn)率很低；需要很多臺(tái)沖床，占地面積大，單位面積的生產(chǎn)率很低；每個(gè)工位、每個(gè)成形品都要經(jīng)過(guò)安全確認(rèn)，使每分鐘內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)量，生產(chǎn)率低；生產(chǎn)過(guò)程中能夠進(jìn)行工位間的半成品檢查，可以降低最終不良品數(shù)量；減少了工位之間的搬運(yùn)裝置，生產(chǎn)投資成本降低。但是每一個(gè)工位之間需要人工的搬運(yùn)總體的成本并不能減少。

⑵多工位搬運(yùn)過(guò)程中，無(wú)論工位數(shù)如何多都不會(huì)出現(xiàn)中間半成品的積壓，機(jī)械所占面積的生產(chǎn)率高；沖床的操作人員減少，人均生產(chǎn)率提高；由于是自動(dòng)加工，不需要工序之間的中間檢查和安全確認(rèn)，每分鐘的生產(chǎn)數(shù)提高，單位時(shí)間的生產(chǎn)率高；讓連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的沖床停止1～2min進(jìn)行中間工序的半成品檢查，降低不良品的數(shù)量;不需要工位與工位之間的搬運(yùn)工作，工廠內(nèi)的人工成本降低;使用多關(guān)節(jié)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)工位間工件的翻轉(zhuǎn)，因加工內(nèi)容的不同比起多工位搬運(yùn)機(jī)械手具有更高的自由度，但工位之間的搬運(yùn)時(shí)間比多工位搬運(yùn)裝置要長(zhǎng)，很難提高生產(chǎn)率。

⑶順?biāo)图庸み^(guò)程中，無(wú)論工位數(shù)如何多都不會(huì)出現(xiàn)中間半成品的積壓,機(jī)械所占面積的生產(chǎn)率高;沖床的操作人員減少,人均生產(chǎn)率提高;由于是自動(dòng)加工，不需要工序之間的中間檢查和安全確認(rèn)，每分鐘的生產(chǎn)數(shù)提高,單位時(shí)間的生產(chǎn)率高;讓連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的沖床停止1～2min兩分鐘進(jìn)行中間工序的半成品檢查，降低不良品的數(shù)量;不需要工位與工位之間的搬運(yùn)工作，工廠內(nèi)的人工成本降低;送料精度越好就會(huì)越能提高沖床的生產(chǎn)效率，生產(chǎn)率提高。

根據(jù)上述加工內(nèi)容，需要從加工內(nèi)容的自由度、生產(chǎn)率、下腳料的多少及處理方法等，來(lái)選擇沖床的自動(dòng)化方式。同時(shí)，還要考慮到模具是否可以自行制作、模具的維修保養(yǎng)是否可以自行完成。自動(dòng)化的生產(chǎn)雖然優(yōu)點(diǎn)很多，但從生產(chǎn)成本考慮不得不采用人工傳遞方法來(lái)加工的情況也很多。自動(dòng)化生產(chǎn)時(shí)，操作人員的休息時(shí)間也可進(jìn)行不間斷的生產(chǎn)，但稍有不慎或不注意就可能造成大量的不良品，在操作人員的頭腦里必須時(shí)刻牢記自動(dòng)化生產(chǎn)也同樣存在一定的危險(xiǎn)性。

另一方面，在自動(dòng)化的生產(chǎn)中模具的溫度逐漸升高，沒有模具冷卻的時(shí)間。加工剛剛開始，模具處在冷卻收縮狀態(tài)時(shí)，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品精度是良好的、合格的，但經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后模具溫度升高、膨脹，產(chǎn)品的精度就會(huì)產(chǎn)生變化，這時(shí)產(chǎn)品是否還在規(guī)定的精度范圍內(nèi)，是否已經(jīng)產(chǎn)生了不良品，必須在自動(dòng)生產(chǎn)的過(guò)程中經(jīng)常檢查產(chǎn)品的精度，絲毫不得怠慢。要求操作人員有一定的熟練程度和經(jīng)驗(yàn)。在自動(dòng)化生產(chǎn)上的“綜合管理”是非常重要和不可缺少的。

多工位搬運(yùn)方式下的成形加工對(duì)送料精度要求高

影響伺服沖床加工效果的重要因素之一是送料的安定性，用多工位搬運(yùn)方式和多臺(tái)聯(lián)機(jī)機(jī)械手進(jìn)行加工時(shí)影響送料精度的因素有很多。主要有以下幾個(gè)方面需要注意：

⑴材料被夾持時(shí)的偏移。

⑵送料開始時(shí)的加速度造成與夾具之間的錯(cuò)位。

⑶因高速搬運(yùn)中搬運(yùn)桿的振動(dòng)造成錯(cuò)位。

⑷接近模具時(shí)，停止產(chǎn)生減速造成錯(cuò)位。

⑸材料放開時(shí)的錯(cuò)位，因夾緊錯(cuò)誤被檢出時(shí)檢出器發(fā)生跳動(dòng)產(chǎn)生的錯(cuò)位。

⑹因加工油的原因，發(fā)生的材料滑動(dòng)。

⑺三維搬運(yùn)中搬運(yùn)桿下降時(shí)，發(fā)生振動(dòng)而引起的錯(cuò)位。

⑻把材料從堆垛機(jī)上一張一張取出，送到多工位搬運(yùn)機(jī)械手的規(guī)定位置時(shí)的位置錯(cuò)誤。

⑼素材表面殘留的冷軋油導(dǎo)致真空吸盤和被吸著材料之間的錯(cuò)位。

上面9個(gè)原因會(huì)引起被加工品的精度變化，也是模具被損壞的原因。把一個(gè)成形品從第一個(gè)拉深工位送到第二個(gè)拉深工位，成形品的內(nèi)徑要與沖頭匹配，外徑要能夠放入第二個(gè)拉深工位凹模的內(nèi)徑中，之間的間隙要設(shè)計(jì)得很小。間隙是產(chǎn)品精度不穩(wěn)定的原因，所以上述情況無(wú)論是那種情況發(fā)生，都會(huì)造成整個(gè)模具內(nèi)材料位置的不正確，生產(chǎn)出不良產(chǎn)品。

圖1 沖床的曲軸角度與送料時(shí)間與拉深深度的關(guān)系

多工位搬運(yùn)裝置下伺服沖床的運(yùn)轉(zhuǎn)模式與送料時(shí)間的關(guān)系

與順?biāo)图庸は嗤?，在使用多工位搬運(yùn)裝置進(jìn)行加工時(shí)，要充分理解送料時(shí)曲軸的角度和拉深的長(zhǎng)度、成形件的彎曲高度的關(guān)系，正確地選擇送料的時(shí)機(jī)，否則會(huì)造成重大的生產(chǎn)事故。曲軸從上死點(diǎn)（曲軸角度為“0”）開始順時(shí)針向右轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一周滑塊就完成了一個(gè)行程，圖1表示了一個(gè)行程中沖床曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)與送料時(shí)間范圍的關(guān)系。

對(duì)于機(jī)械式?jīng)_床來(lái)說(shuō)，多工位搬運(yùn)裝置的驅(qū)動(dòng)來(lái)源于沖床的曲軸，沖床和多工位搬運(yùn)裝置的同步運(yùn)轉(zhuǎn)不會(huì)發(fā)生錯(cuò)位。但對(duì)于伺服沖床來(lái)說(shuō)，多工位搬運(yùn)裝置也是伺服驅(qū)動(dòng)，其同步運(yùn)轉(zhuǎn)是通過(guò)電氣信號(hào)的連接完成的，因此電氣信號(hào)的設(shè)計(jì)正確與否至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)多工位搬運(yùn)裝置的伺服電機(jī)因加速、減速時(shí)的特性會(huì)使生產(chǎn)速度發(fā)生改變，從而造成與沖床的同步關(guān)系紊亂。生產(chǎn)速度快速時(shí)的同步維持，減速時(shí)的同步維持會(huì)造成不同的“誤送”信號(hào)頻繁出現(xiàn)。一般情況下，伺服式的多工位搬運(yùn)沖床使用的是高速、低扭矩的伺服電機(jī)，這種電機(jī)在起動(dòng)、加速、減速、停止時(shí)的速度特性要低于沖床上使用的低速、高扭矩的伺服電機(jī)。用于搬運(yùn)桿上夾緊、放開、提升、下降的伺服電機(jī)同樣也是適用于高速，低扭矩的伺服電機(jī)。

如圖1所示，順?biāo)图庸さ睦罨旧蠌那S角度120°附近開始，拉深深度大約在行程長(zhǎng)度的25%。多工位加工方法的拉深一般從曲軸角度105°附近開始，拉深的長(zhǎng)度大約在行程長(zhǎng)度的37.5%。以上是曲軸模式的情況，還有連桿模式、往復(fù)模式、壓痕模式、振動(dòng)模式、上死點(diǎn)停止模式和下死點(diǎn)不停止模式等，這些模式各自都有不同的適合送料的角度，在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)必須充分地考慮到。另外，同步設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到多工位搬運(yùn)裝置的夾爪等的設(shè)計(jì)。