模具自動化氣源時序與壓機(jī)沖壓時序優(yōu)化控制

文/廖端，顏亮，黃永普，何崇順，吳爾磊·廣汽乘用車有限公司宜昌分公司

在沖壓生產(chǎn)汽車零件時，壓力機(jī)的往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動模具反復(fù)沖壓，當(dāng)壓機(jī)每次下壓時，下模內(nèi)設(shè)計的斜楔滑車機(jī)構(gòu)來保證上模下壓前滑車驅(qū)動到位。本文基于沖壓線壓機(jī)單機(jī)18SPM要求，通過增加壓機(jī)角度和機(jī)器人位置組合控制模具自動化氣源時序，優(yōu)化壓機(jī)下壓時確保下模滑車驅(qū)動到位以及機(jī)器人抓件時滑車回退到位動作。其中本文以沖壓線壓機(jī)角度控制滑車驅(qū)動導(dǎo)致滑車驅(qū)動背靠斷裂為背景，在壓機(jī)角度控制通斷、機(jī)器人位置控制通斷的傳統(tǒng)自動化氣源控制方式基礎(chǔ)上，提出一種新的自動化氣源時序控制，即機(jī)器人位置控制“通”+壓機(jī)角度控制“斷”，然后在PLC程序中新增氣源時序控制模式標(biāo)準(zhǔn)程序塊、HMI控制面板新增時序控制模式的選擇、新增滑車驅(qū)動到位傳感器以及HMI控制面板新增滑車驅(qū)動到位檢測選擇，并最終經(jīng)過12輪項目測試、整改優(yōu)化，增強(qiáng)了沖壓設(shè)備生產(chǎn)線的靈活性和快速性能。本創(chuàng)新提出了一種壓機(jī)角度和機(jī)器人位置組合控制的全新方式，解決了自動化氣源控制無法滿足模具安全使用的問題。

冷沖壓工藝，就是在室溫條件下通過裝置在壓力機(jī)里的模具對所要加工的材料施壓，使其形態(tài)發(fā)生變化產(chǎn)生分離，或者使原形態(tài)塑性變形，這樣就達(dá)到了得到所要求零件的目的，是在原材料基礎(chǔ)上的一種壓力加工模式。傳統(tǒng)沖壓機(jī)器人自動化生產(chǎn)線采用4臺壓力機(jī)，壓機(jī)間板料傳輸采用機(jī)器人抓取、投放零件。壓機(jī)的運(yùn)動方式通過主傳動裝置將主電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為滑塊的線性運(yùn)動；經(jīng)離合器接合實現(xiàn)飛輪與高速軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)一步將扭矩能量傳遞到齒輪減速系統(tǒng)，從而實現(xiàn)滑塊下行程時飛輪釋放能量做功，上行程時飛輪儲存能量，為下次滑塊沖壓做準(zhǔn)備。通過立柱導(dǎo)軌導(dǎo)向，使上模下平面與下模上平面在運(yùn)動中始終保持平行，模具隨著滑塊的運(yùn)動使工件成形，如圖1所示。

圖1 壓力機(jī)工作方式

在一些冷沖壓模具的加工中，根據(jù)模具側(cè)面的凸緣、切邊、沖孔、切凹口等空間曲線往里彎曲進(jìn)行生產(chǎn)制作時，壓力機(jī)的往復(fù)直線運(yùn)動會導(dǎo)致滑車驅(qū)動機(jī)構(gòu)在移動的過程中受到方向的限制，而選取斜楔滑車機(jī)構(gòu)來達(dá)到模具生產(chǎn)的要求不僅降低了成本，提高了效率，而且生產(chǎn)出來的沖壓模具構(gòu)造合理緊湊，質(zhì)量效率高，實現(xiàn)了沖壓模具的便捷生產(chǎn)，擴(kuò)大了沖壓模具的應(yīng)用領(lǐng)域，并推動了其創(chuàng)新的步伐。

因為制件形狀復(fù)雜多變，不可能在同一方向?qū)崿F(xiàn)完全的加工，所以在工作內(nèi)容與總體模具的沖壓方向成一定角度的時候，必須采用一種可以把沖壓方向的力改變方向的機(jī)構(gòu)。斜楔滑車機(jī)構(gòu)，包含著斜楔和滑車，其制動需要二者的相互配合運(yùn)用，它運(yùn)用在不同范圍中的目的主要是改變壓機(jī)垂直運(yùn)動的方向，斜楔滑車機(jī)構(gòu)是按照沖壓加工的需要，將壓機(jī)垂直方向的力轉(zhuǎn)變?yōu)閮A斜方向的力的一種機(jī)構(gòu)，作用主要是將垂直方向的力轉(zhuǎn)變?yōu)榕c沖壓方向成一定角度的力，如圖2、圖3所示。

圖2 斜楔滑車機(jī)構(gòu)三維圖

圖3 斜楔滑車機(jī)構(gòu)簡圖

壓機(jī)角度控制與機(jī)器人位置控制自動化氣源簡介

斜楔滑車機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是通過氣缸通氣、斷氣方式驅(qū)動，配合壓機(jī)上行、下壓動作，完成零件沖壓方向的改變，而自動化氣源控制氣缸的通氣、斷氣。自動化氣源控制方式在創(chuàng)新之前有兩種控制方式：

第一種為壓機(jī)角度控制氣源的通及斷，即壓機(jī)達(dá)到一定角度時，自動化氣源打開，斜楔滑車機(jī)構(gòu)通氣，滑車驅(qū)動到位；壓機(jī)到達(dá)另一個角度時，自動化氣源關(guān)閉，滑車回退到位。

第二種為機(jī)器人位置(也稱下料手)控制自動化氣源通及斷，即下料手到達(dá)某個軌跡點時，自化氣源打開，斜楔滑車機(jī)構(gòu)通氣，滑車驅(qū)動到位；下料手到達(dá)另一個軌跡點時，自動化氣源關(guān)閉，滑車回退到位。如圖4所示。

圖4 自動化氣源控制方式

模具自動化氣源時序與壓機(jī)沖壓時序控制創(chuàng)新過程

創(chuàng)新前的情況

⑴自動化氣源通斷采用壓機(jī)角度控制。

OP30側(cè)圍模具內(nèi)含斜楔滑車機(jī)構(gòu)，采用壓機(jī)角度控制自動化氣源通斷，壓機(jī)在30°時，氣缸正向通氣，滑車開始動作驅(qū)動到位；壓機(jī)在220°時，氣缸反向通氣，滑車開始動作回退到位。壓機(jī)下行時，上滑塊與下滑塊接觸的感應(yīng)角度為30°～160°，因此驅(qū)動氣缸必須驅(qū)動到位，時間長度為1.1秒，而由于側(cè)圍斜楔滑車機(jī)構(gòu)較大，氣源壓力一定時，驅(qū)動氣缸到位核算實際時間長度為1.8秒，遠(yuǎn)超過氣缸必須驅(qū)動到位時間，因此在上滑塊與下滑塊接觸時，下滑車驅(qū)動氣缸未驅(qū)動到位，上模驅(qū)動導(dǎo)板就與下模驅(qū)動導(dǎo)板接觸撞擊，長時間撞擊后斜面磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致斷裂風(fēng)險。

壓機(jī)在30°時氣缸通氣，單機(jī)SPM≥12時，上模驅(qū)動導(dǎo)板與下模驅(qū)動導(dǎo)板存在接觸碰撞問題，滑車驅(qū)動背靠有斷裂風(fēng)險；壓機(jī)在5°時氣缸通氣，單機(jī)SPM≥14時，上模驅(qū)動導(dǎo)板與下模驅(qū)動導(dǎo)板存在接觸碰撞問題，滑車驅(qū)動背靠有斷裂風(fēng)險；因此OP30側(cè)圍采用壓機(jī)角度控制自動化氣源通斷是不行的，如圖5所示。

圖5 斜楔機(jī)構(gòu)接觸碰撞示意

⑵自動化氣源通斷采用機(jī)器人位置(下料手)控制。

通過在下料機(jī)器人的軌跡點設(shè)置自動化氣源開啟和關(guān)閉的位置，來控制模具內(nèi)氣缸的通斷，從而實現(xiàn)斜楔滑車機(jī)構(gòu)的驅(qū)動與回退。

BP點為下料手抓件之前的點，在零件正上方30～50mm；P點為下料手機(jī)器人抓件點；AP點為下料手抓件后的點，在零件正上方30～50mm。下料手機(jī)器人按BP點→P點→AP點循環(huán)抓取板件。因此下料手控制自動化氣源通斷，即下料手在AP點時氣缸正向通氣，滑車開始動作驅(qū)動到位；下料手在BP點時，氣缸反向通氣，滑車開始動作回退到位。受OP30側(cè)圍機(jī)器人軌跡制約，BP點到P點的距離只有30mm，斜楔滑車機(jī)構(gòu)回退時間不夠，導(dǎo)致下料手抓件時掉件，此方法無法正常生產(chǎn)。如圖6、圖7所示。

圖6 機(jī)器人位置控制方式

圖7 機(jī)器人位置控制方式

模具自動化氣源時序與壓機(jī)沖壓時序差異分析

⑴時序差異分析。

壓機(jī)下壓時，正常時序上模驅(qū)動導(dǎo)板與下模驅(qū)動擋板無接觸，而異常時序上模導(dǎo)板與下模導(dǎo)板有接觸，此關(guān)鍵點為：壓機(jī)角度控制自動化氣源方式——氣缸驅(qū)動時間不足；下料手控制自動化氣源方式——氣缸回退時間不足，從表1可以看出。

表1 零件時序差異數(shù)據(jù)

⑵氣缸驅(qū)動與回退時間分析。

壓機(jī)角度在30°時控制氣缸正向?qū)?，單機(jī)SPM≥12時，上滑塊與下滑塊接觸時間長度為1.1秒，而側(cè)圍驅(qū)動氣缸到位核算實際時間長度為1.8秒＞1.1秒，上下導(dǎo)板存在接觸碰撞問題；壓機(jī)角度在5°時控制氣缸正向?qū)?，單機(jī)SPM≥14時，上滑塊與下滑塊接觸時間長度為1.3秒，而側(cè)圍驅(qū)動氣缸到位核算實際時間長度為1.8秒＞1.3秒，上下導(dǎo)板存在接觸碰撞問題。具體見表2。

表2 壓機(jī)角度及下料手控制驗證情況

創(chuàng)新改善步驟

⑴提出壓機(jī)角度和機(jī)器人位置組合控制的全新方式。

由于自動化氣源全都由壓機(jī)角度控制通斷或者下料手控制通斷是行不通的，因此可采取壓機(jī)角度控制與機(jī)器人位置組合控制，即用下料手控制氣缸正向?qū)ǎ囼?qū)動到位；用壓機(jī)角度控制氣缸反向?qū)?，滑車回退到位，具體采用情況見表3。但是此創(chuàng)新對策設(shè)備不具備此功能，需優(yōu)化程序邏輯。

表3 下料手+壓機(jī)角度組合方式控制

⑵壓機(jī)角度和機(jī)器人位置組合控制改善步驟。

1)新增氣源時序控制模式標(biāo)準(zhǔn)程序塊，見圖8所示。

圖8 新增氣源時序控制模式標(biāo)準(zhǔn)程序塊

2)HMI控制面板新增新控制模式的選擇。

新增角度打開+下料手關(guān)閉、下料手打開+角度關(guān)閉兩項選擇，如圖9所示。

圖9 HMI控制面板新增新控制模式

3)HMI控制面板新增驅(qū)動氣缸到位檢測信號情況選擇。

增加滑車回退到位檢測保護(hù)：增加滑車后退到位檢測開關(guān)，程序中增加保護(hù)程序，當(dāng)壓機(jī)下壓到目標(biāo)角度時，如果滑車還未后退到位，壓機(jī)會緊急制動，并報警滑車檢測異常。如圖10所示。

圖10 HMI控制面板新增驅(qū)動氣缸到位檢測信號情況選擇

創(chuàng)新改善驗證

⑴驗證前提。

1)自動化控制氣缸正向通氣，壓力機(jī)控制氣缸反向通氣；

2)單機(jī)滿足SPM18。

⑵下料手AP點氣缸驅(qū)動到位時間驗證如圖11所示。

圖11 下料手控制-時間采集

⑶壓機(jī)角度220°氣缸回退到位時間驗證如圖12所示。

圖12 壓機(jī)角度控制-時間采集

⑷驗證結(jié)果。

1)當(dāng)下料手經(jīng)過AP點時，氣缸正向通氣，到上模導(dǎo)板與下模導(dǎo)板接觸時，時間有3.8秒，而氣缸驅(qū)動到位所需時間為1.8秒，滿足氣缸到位時間；

2)壓力機(jī)經(jīng)過220°時，氣缸反向通氣，到下料手抓取板件，時間有2.7秒，而氣缸回程所需時間也為1.8秒，滿足氣缸回位時間。

總結(jié)

本次創(chuàng)新提出了一種能通過壓機(jī)角度和取料機(jī)器人位置組合控制自動化氣源的功能。

本創(chuàng)新欲保護(hù)點：杜絕模具上模插刀與下?；嚱佑|，根治下模滑車斷裂風(fēng)險。最新的控制模式能滿足模具自動化氣源的時序控制要求，同時也滿足現(xiàn)場自動、手動和異常處理等各種生產(chǎn)模式下的要求，在保證模具安全的基礎(chǔ)上，沖壓線的效率也會有提升12.5%。