關(guān)鍵詞：同步運(yùn)動(dòng)控制 沖壓自動(dòng)化

沖壓是汽車整車生產(chǎn)的四大工藝之一，在沖壓工藝中最主要的設(shè)備是壓力機(jī)，另外還有開(kāi)卷線翻轉(zhuǎn)機(jī)等其他輔助設(shè)備。壓力機(jī)有人工上下料和自動(dòng)化上下料兩種方式，自動(dòng)化上下料設(shè)備專業(yè)性較強(qiáng)，造價(jià)較高。隨著現(xiàn)代工廠對(duì)生產(chǎn)效率的要求不斷提高以及電氣控制技術(shù)的不斷提高，沖壓自動(dòng)化技術(shù)在近十幾年也得到了飛速發(fā)展，從早期的壓力機(jī)與機(jī)械手之間依靠順序控制實(shí)現(xiàn)上下料，發(fā)展到現(xiàn)在的同步壓機(jī)與快速送料機(jī)構(gòu)之間的主從控制，因而生產(chǎn)效率也得到大幅度地提高。沖壓自動(dòng)化技術(shù)在沖壓自動(dòng)化設(shè)備中，由于控制性能要求高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，大都使用包含多軸運(yùn)動(dòng)控制的伺服技術(shù)?？刂破鞔蠖及壿嬁刂坪瓦\(yùn)動(dòng)控制兩部分功能，有些集成在一個(gè)控制器上，有些系統(tǒng)的邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制分屬兩個(gè)控制器。在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上大都使用伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步帶或絲杠傳動(dòng)，往復(fù)定位精度在0.5mm以內(nèi)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，現(xiàn)在沖壓自動(dòng)化設(shè)備大致有以下幾種：

1. 機(jī)械手上下料

機(jī)械手上下料的自動(dòng)化機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖1）一般包含拆垛裝置、對(duì)中裝置、上料機(jī)械手、下料機(jī)械手、穿梭小車等部分。其中上下料機(jī)械手和穿梭小車一般包含2～3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。世界上生產(chǎn)機(jī)械手的廠家有美國(guó)的I SI、日本的小矢部、瑞典的ABB和臺(tái)灣的金峰等。

2. 機(jī)器人上下料

機(jī)器人上下料機(jī)構(gòu)一般包含拆垛機(jī)器人、對(duì)中裝置、上下料機(jī)器人等。與機(jī)械手的主要區(qū)別在于，并不使用專用的機(jī)械手臂而是使用通用的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行上下料的操作，一般使用載重量在60～100kg的大型工業(yè)機(jī)器人。世界上能夠生產(chǎn)沖壓機(jī)器人的廠家主要有日本的發(fā)那科、安川，瑞典的ABB，德國(guó)的KUKA等。

3.快速送料機(jī)構(gòu)上下料

快速上下料機(jī)構(gòu)是由機(jī)械手發(fā)展而來(lái)的，速度更快，是更加具有專業(yè)性的沖壓自動(dòng)化的專用設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)不拘泥于機(jī)械手的二維坐標(biāo)形式，其特殊的機(jī)構(gòu)專用于壓機(jī)間的板料輸送，一套壓機(jī)間的輸送機(jī)構(gòu)最多包含十幾個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)軸（見(jiàn)圖2所示）。能夠生產(chǎn)快速送料的廠家主要是專業(yè)的沖壓設(shè)備生產(chǎn)廠，如德國(guó)的舒勒和日本的小松。

機(jī)械手上下料的方式出現(xiàn)較早，但由于沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在機(jī)械手上下料其訂貨已經(jīng)越來(lái)越少。由于工業(yè)機(jī)器人發(fā)展成熟并且易于維護(hù)，機(jī)器人上下料已經(jīng)越來(lái)越成為預(yù)算并不充裕的廠家首選。而快速送料是近10年逐漸興起的，其技術(shù)還不是十分成熟，但由于其速度上的巨大優(yōu)勢(shì)，以及能夠和高檔壓力機(jī)緊密結(jié)合的特點(diǎn)，使其必將在未來(lái)的沖壓行業(yè)中扮演重要角色。三種上下料機(jī)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)下表所示。

同步運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

同步運(yùn)動(dòng)控制是由伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)延伸發(fā)展而來(lái)的。伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)并采集反饋信號(hào)到驅(qū)動(dòng)器的核心控制單元，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制。在數(shù)控加工中心和機(jī)器人的多個(gè)伺服軸依靠控制單元的插補(bǔ)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)軸以上的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，而在一些對(duì)運(yùn)動(dòng)控制要求更高的設(shè)備上，要求各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸之間實(shí)現(xiàn)主從的同步關(guān)系，從而進(jìn)一步發(fā)展出了同步運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。同步運(yùn)動(dòng)控制可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器人之間的協(xié)同運(yùn)動(dòng)。在沖壓自動(dòng)化設(shè)備中，同步控制可以實(shí)現(xiàn)壓機(jī)之間的同步，壓機(jī)與快速送料機(jī)構(gòu)之間的同步，使整個(gè)沖壓生產(chǎn)線達(dá)到最大生產(chǎn)效率（見(jiàn)圖3）。

目前很多工業(yè)控制集成商都開(kāi)發(fā)出了同步運(yùn)動(dòng)控制功能，應(yīng)用較多的是西門(mén)子的SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和力士樂(lè)的INDRAWORKS運(yùn)動(dòng)控制。前者在食品加工、印刷、汽車制造等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，后者在汽車制造和輪胎方面有較多應(yīng)用。在沖壓自動(dòng)化行業(yè)，能夠提供同步控制解決方案的有德國(guó)西門(mén)子、力士樂(lè)和日本的瑞恩。目前，在國(guó)際上，能夠使用同步控制集成技術(shù)在高檔沖壓生產(chǎn)線上的廠家有德國(guó)的舒勒萬(wàn)家頓、日本的小松、瑞士的古德等。在國(guó)際上，這些設(shè)備制造商制造的已經(jīng)投產(chǎn)的同步快速?zèng)_壓線有很多，主要集中在日本和歐美。在中國(guó)也有一些已經(jīng)投產(chǎn)或正在安裝調(diào)試，其中比較具有代表性的是用于一汽轎車的舒勒沖壓線、上海通用的萬(wàn)家頓沖壓線、北京現(xiàn)代的GUDEL沖壓線和起亞汽車的GUDEL沖壓線等，他們都是使用了同步技術(shù)并于近幾年投產(chǎn)的沖壓線。 從電氣控制上講，舒勒萬(wàn)家頓和古德都是使用帶有同步控制功能的工控機(jī)作為控制核心，使用力士樂(lè)的伺服驅(qū)動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)元件，使用力士樂(lè)的伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的。而壓機(jī)是如何作為主軸的呢？這信號(hào)來(lái)源于安裝在壓機(jī)凸輪上的編碼器，在整個(gè)同步控制中這個(gè)編碼器就作為主軸，其他從軸隨這個(gè)主軸按照編輯的同步曲線運(yùn)動(dòng)。

如圖4 所示，R_M代表壓機(jī)主軸，是一個(gè)實(shí)軸。V_M是虛擬主軸，當(dāng)與壓機(jī)同步運(yùn)行時(shí)，R_M與V_M耦合；當(dāng)送料機(jī)構(gòu)單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，R_M與V_M解耦合。V_X、V_Y、V_Z等代表送料伺服機(jī)構(gòu)的送進(jìn)、提升等運(yùn)動(dòng)方向的虛擬軸，當(dāng)自動(dòng)或單次循環(huán)運(yùn)行時(shí)，V_X與V_M按照事先編制的凸輪曲線同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)送料機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)手動(dòng)送料機(jī)構(gòu)的各個(gè)軸時(shí)，V_X等與V_M解耦合。X₁、X₂等與V_X始終保持線性同步，保證多個(gè)電動(dòng)機(jī)在同一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上的同步性。

圖5～圖7所示為通過(guò)軟件制作的運(yùn)動(dòng)曲線，曲線中的橫坐標(biāo)為主軸角度，縱坐標(biāo)為從軸位置，通過(guò)不同的同步曲線實(shí)現(xiàn)了送料機(jī)構(gòu)各個(gè)運(yùn)動(dòng)方向與壓力機(jī)的可編程運(yùn)動(dòng)控制。圖5為一條從軸不跟隨主軸運(yùn)動(dòng)的同步曲線，圖6為一條從軸跟隨主軸做先加速后勻速再減速的五次方運(yùn)動(dòng)曲線，圖5與圖6的可編程組合實(shí)現(xiàn)了圖7所示完整的同步運(yùn)動(dòng)。這條曲線就是V_X，V_Y等與V_M之間同步運(yùn)動(dòng)所需要的曲線，為V_X、V_Y、V_Z、V_A、V_B分別編制的同步曲線如圖8所示。

結(jié)語(yǔ)

同步運(yùn)動(dòng)技術(shù)在沖壓線上的應(yīng)用大大提高了生產(chǎn)效率，引發(fā)了沖壓行業(yè)的一場(chǎng)革命，大型沖壓線的整線速度由原來(lái)的每分鐘6～8件提升到了10～15件，自動(dòng)化生產(chǎn)線的高效率得到了最大的體現(xiàn)。這種快速送料線的成本比原來(lái)機(jī)械手機(jī)器人式的自動(dòng)線整線成本高出30%～40%，而生產(chǎn)效率提高了近一倍。對(duì)于沖壓設(shè)備廠商來(lái)說(shuō)，這也是個(gè)壞消息，因?yàn)檫@意味著用戶不再需要那么多壓力機(jī)了，但提高生產(chǎn)率是現(xiàn)代工業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì)，其他沖壓設(shè)備生產(chǎn)廠商也都在研制自己的同步快速?zèng)_壓線，相信隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，同步運(yùn)動(dòng)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。