同步運動控制在沖壓自動化中應(yīng)用

　　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，另外還有開卷線翻轉(zhuǎn)機等其他輔助設(shè)備。壓力機有人工上下料和自動化上下料兩種方式，自動化上下料設(shè)備專業(yè)性較強，造價較高。隨著現(xiàn)代工廠對生產(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，從早期的壓力機與機械手之間依靠順序控制實現(xiàn)上下料，發(fā)展到現(xiàn)在的同步壓機與快速送料機構(gòu)之間的主從控制，因而生產(chǎn)效率也得到大幅度地提高。沖壓自動化技術(shù)在沖壓自動化設(shè)備中，由于控制性能要求高，動態(tài)響應(yīng)快，大都使用包含多軸運動控制的伺服技術(shù)。控制器大都包含邏輯控制和運動控制兩部分功能，有些集成在一個控制器上，有些系統(tǒng)的邏輯控制和運動控制分屬兩個控制器。在傳動結(jié)構(gòu)上大都使用伺服電動機通過同步帶或絲杠傳動，往復(fù)定位精度在 0.5m m以內(nèi)。經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，現(xiàn)在沖壓自動化設(shè)備大致有以下幾種：

1. 機械手上下料

　機械手上下料的自動化機構(gòu)（見圖1）一般包含拆垛裝置、對中裝置、上料機械手、下料機械手、穿梭小車等部分。其中上下料機械手和穿梭小車一般包含2～3個運動軸，由伺服電動機驅(qū)動。世界上生產(chǎn)機械手的廠家有美國的I S I、日本的小矢部、瑞典的A B B和臺灣的金峰等。

2. 機器人上下料

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

3.快速送料機構(gòu)上下料

　 快速上下料機構(gòu)是由機械手發(fā)展而來的，速度更快，是更加具有專業(yè)性的沖壓自動化的專用設(shè)備。這種結(jié)構(gòu)不拘泥于機械手的二維坐標(biāo)形式，其特殊的機構(gòu)專用于壓機間的板料輸送，一套壓機間的輸送機構(gòu)最多包含十幾個伺服電動機軸（見圖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，如德國的舒勒和日本的小松。

　　機械手上下料的方式出現(xiàn)較早，但由于沒有明顯的優(yōu)勢，現(xiàn)在機械手上下料其訂貨已經(jīng)越來越少。由于工業(yè)機器人發(fā)展成熟并且易于維護，機器人上下料已經(jīng)越來越成為預(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，以及能夠和高檔壓力機緊密結(jié)合的特點，使其必將在未來的沖壓行業(yè)中扮演重要角色。三種上下料機構(gòu)特點對比見下表所示。

同步運動控制技術(shù)

　 同步運動控制是由伺服驅(qū)動技術(shù)延伸發(fā)展而來的。伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電動機并采集反饋信號到驅(qū)動器的核心控制單元，實現(xiàn)高動態(tài)響應(yīng)的運動控制。在數(shù)控加工中心和機器人的多個伺服軸依靠控制單元的插補運算，實現(xiàn)兩個軸以上的插補運動軌跡曲線，而在一些對運動控制要求更高的設(shè)備上，要求各個運動軸之間實現(xiàn)主從的同步關(guān)系，從而進一步發(fā)展出了同步運動控制技術(shù)。同步運動控制可以實現(xiàn)兩個機器人之間的協(xié)同運動。在沖壓自動化設(shè)備中，同步控制可以實現(xiàn)壓機之間的同步，壓機與快速送料機構(gòu)之間的同步，使整個沖壓生產(chǎn)線達到最大生產(chǎn)效率（見圖3）。

　　目前很多工業(yè)控制集成商都開發(fā)出了同步運動控制功能，應(yīng)用較多的是西門子的S I M O T I O N運動控制系統(tǒng)和力士樂的 I N D R A W O R K S運動控制。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。在沖壓自動化行業(yè)，能夠提供同步控制解決方案的有德國西門子、力士樂和日本的瑞恩。目前，在國際上，能夠使用同步控制集成技術(shù)在高檔沖壓生產(chǎn)線上的廠家有德國的舒勒萬家頓、日本的小松、瑞士的古德等。在國際上，這些設(shè)備制造商制造的已經(jīng)投產(chǎn)的同步快速沖壓線有很多，主要集中在日本和歐美。在中國也有一些已經(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、上海通用的萬家頓沖壓線、北京現(xiàn)代的G U D E L沖壓線和起亞汽車的 G U D E L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，舒勒萬家頓和古德都是使用帶有同步控制功能的工控機作為控制核心，使用力士樂的伺服驅(qū)動器作為驅(qū)動元件，使用力士樂的伺服電動機作為執(zhí)行元件實現(xiàn)運動控制的。而壓機是如何作為主軸的呢？這信號來源于安裝在壓機凸輪上的編碼器，在整個同步控制中這個編碼器就作為主軸，其他從軸隨這個主軸按照編輯的同步曲線運動。

結(jié)語

　同步運動技術(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)的一場革命，大型沖壓線的整線速度由原來的每分鐘6～8件提升到了 10～15件，自動化生產(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機械手機器人式的自動線整線成本高出30%～40%，而生產(chǎn)效率提高了近一倍。對于沖壓設(shè)備廠商來說，這也是個壞消息，因為這意味著用戶不再需要那么多壓力機了，但提高生產(chǎn)率是現(xiàn)代工業(yè)的必然發(fā)展趨勢，其他沖壓設(shè)備生產(chǎn)廠商也都在研制自己的同步快速沖壓線，相信隨著控制技術(shù)的不斷發(fā)展，同步運動控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。