同步运动控制在冲压自动化中的应用

随着现代工厂对生产效率的要求不断提高以及电气控制技术的不断提高，冲压自动化技术在近十几年也得到了飞速发展，从早期的压力机与机械手之间依靠顺序控制实现上下料，发展到现在的同步压机与快速送料机构之间的主从控制，因而生产效率也得到大幅度地提高。

冲压是汽车整车生产的四大工艺之一，在冲压工艺中最主要的设备是压力机，另外还有开卷线翻转机等其他辅助设备。压力机有人工上下料和自动化上下料两种方式，自动化上下料设备专业性较强，造价较高。随着现代工厂对生产效率的要求不断提高以及电气控制技术的不断提高，冲压自动化技术在近十几年也得到了飞速发展，从早期的压力机与机械手之间依靠顺序控制实现上下料，发展到现在的同步压机与快速送料机构之间的主从控制，因而生产效率也得到大幅度地提高。冲压自动化技术在冲压自动化设备中，由于控制性能要求高，动态响应快，大都使用包含多轴运动控制的伺服技术。控制器大都包含逻辑控制和运动控制两部分功能，有些集成在一个控制器上，有些系统的逻辑控制和运动控制分属两个控制器。在传动结构上大都使用伺服电动机通过同步带或丝杠传动，往复定位精度在 0.5m m以内。经过多年的发展和完善，现在冲压自动化设备大致有以下几种：

1. 机械手上下料

机械手上下料的自动化机构（见图1）一般包含拆垛装置、对中装置、上料机械手、下料机械手、穿梭小车等部分。其中上下料机械手和穿梭小车一般包含2～3个运动轴，由伺服电动机驱动。世界上生产机械手的厂家有美国的I S I、日本的小矢部、瑞典的A B B和台湾的金峰等。

2. 机器人上下料

机器人上下料机构一般包含拆垛机器人、对中装置、上下料机器人等。与机械手的主要区别在于，并不使用专用的机械手臂而是使用通用的工业机器人进行上下料的操作，一般使用载重量在60～100kg的大型工业机器人。世界上能够生产冲压机器人的厂家主要有日本的发那科、安川，瑞典的A B B，德国的KUKA等。

3.快速送料机构上下料

快速上下料机构是由机械手发展而来的，速度更快，是更加具有专业性的冲压自动化的专用设备。这种结构不拘泥于机械手的二维坐标形式，其特殊的机构专用于压机间的板料输送，一套压机间的输送机构最多包含十几个伺服电动机轴（见图2所示）。能够生产快速送料的厂家主要是专业的冲压设备生产厂，如德国的舒勒和日本的小松。

机械手上下料的方式出现较早，但由于没有明显的优势，现在机械手上下料其订货已经越来越少。由于工业机器人发展成熟并且易于维护，机器人上下料已经越来越成为预算并不充裕的厂家首选。而快速送料是近10年逐渐兴起的，其技术还不是十分成熟，但由于其速度上的巨大优势，以及能够和高档压力机紧密结合的特点，使其必将在未来的冲压行业中扮演重要角色。三种上下料机构特点对比见下表所示。

同步运动控制技术

同步运动控制是由伺服驱动技术延伸发展而来的。伺服驱动器驱动伺服电动机并采集反馈信号到驱动器的核心控制单元，实现高动态响应的运动控制。在数控加工中心和机器人的多个伺服轴依靠控制单元的插补运算，实现两个轴以上的插补运动轨迹曲线，而在一些对运动控制要求更高的设备上，要求各个运动轴之间实现主从的同步关系，从而进一步发展出了同步运动控制技术。同步运动控制可以实现两个机器人之间的协同运动。在冲压自动化设备中，同步控制可以实现压机之间的同步，压机与快速送料机构之间的同步，使整个冲压生产线达到最大生产效率（见图3）。

目前很多工业控制集成商都开发出了同步运动控制功能，应用较多的是西门子的S I M O T I O N运动控制系统和力士乐的 I N D R A W O R K S运动控制。前者在食品加工、印刷、汽车制造等领域有广泛应用，后者在汽车制造和轮胎方面有较多应用。在冲压自动化行业，能够提供同步控制解决方案的有德国西门子、力士乐和日本的瑞恩。目前，在国际上，能够使用同步控制集成技术在高档冲压生产线上的厂家有德国的舒勒万家顿、日本的小松、瑞士的古德等。在国际上，这些设备制造商制造的已经投产的同步快速冲压线有很多，主要集中在日本和欧美。在中国也有一些已经投产或正在安装调试，其中比较具有代表性的是用于一汽轿车的舒勒冲压线、上海通用的万家顿冲压线、北京现代的G U D E L冲压线和起亚汽车的 G U D E L冲压线等，他们都是使用了同步技术并于近几年投产的冲压线。

从电气控制上讲，舒勒万家顿和古德都是使用带有同步控制功能的工控机作为控制核心，使用力士乐的伺服驱动器作为驱动元件，使用力士乐的伺服电动机作为执行元件实现运动控制的。而压机是如何作为主轴的呢？这信号来源于安装在压机凸轮上的编码器，在整个同步控制中这个编码器就作为主轴，其他从轴随这个主轴按照编辑的同步曲线运动。

如图4所示Rx代表压机主轴，是一个实轴。Vy是虚拟主轴，当于压力机同步运行时，Rx与Vx耦合，当送料机构单独运行时，Rm与Vm解耦合。Vx，Vy，Vi等代表送料伺服机构的送进、提升等运动方向的虚拟轴，当自动或单次循环运行时，Vx与Vm按照事先编制的凸轮曲线同步运行，实现送料机构的联系运动；当手动送料机构的各个轴时，Vx等与Vm解耦合。

图5~图7所示用过软件制作的运动曲线中的横坐标为主轴角度，纵坐标为从轴位置，通过不同的同步曲线实现了送料机构各个运动方向的压力机的可编程运动控制。图5为一条从轴不跟随主轴运动的同步曲线，图6为一条从轴跟随主轴做先加速后匀速在减速的五次方运动曲线，图5与图6的可编程组合市县了图7所示完整的同步运动，这条曲线就是Vx，Vy等于Vx之间同步运动所需要的曲线，为Vx，Vy，Vz，Va，Ve，分别编制的同步曲线如图8所示。

结语

同步运动技术在冲压线上的应用大大提高了生产效率，引发了冲压行业的一场革命，大型冲压线的整线速度由原来的每分钟6～8件提升到了 10～15件，自动化生产线的高效率得到了最大的体现。这种快速送料线的成本比原来机械手机器人式的自动线整线成本高出30%～40%，而生产效率提高了近一倍。对于冲压设备厂商来说，这也是个坏消息，因为这意味着用户不再需要那么多压力机了，但提高生产率是现代工业的必然发展趋势，其他冲压设备生产厂商也都在研制自己的同步快速冲压线，相信随着控制技术的不断发展，同步运动控制必将得到更加广泛的应用。

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