模具自动化气源时序与压机冲压时序优化控制
文/廖端，颜亮，黄永普，何崇顺，吴尔磊·广汽乘用车有限公司宜昌分公司
在冲压生产汽车零件时，压力机的往复运转带动模具反复冲压，当压机每次下压时，下模内设计的斜楔滑车机构来保证上模下压前滑车驱动到位。本文基于冲压线压机单机18SPM要求，通过增加压机角度和机器人位置组合控制模具自动化气源时序，优化压机下压时确保下模滑车驱动到位以及机器人抓件时滑车回退到位动作。其中本文以冲压线压机角度控制滑车驱动导致滑车驱动背靠断裂为背景，在压机角度控制通断、机器人位置控制通断的传统自动化气源控制方式基础上，提出一种新的自动化气源时序控制，即机器人位置控制“通”+压机角度控制“断”，然后在PLC程序中新增气源时序控制模式标准程序块、HMI控制面板新增时序控制模式的选择、新增滑车驱动到位传感器以及HMI控制面板新增滑车驱动到位检测选择，并最终经过12轮项目测试、整改优化，增强了冲压设备生产线的灵活性和快速性能。本创新提出了一种压机角度和机器人位置组合控制的全新方式，解决了自动化气源控制无法满足模具安全使用的问题。
冷冲压工艺，就是在室温条件下通过装置在压力机里的模具对所要加工的材料施压，使其形态发生变化产生分离，或者使原形态塑性变形，这样就达到了得到所要求零件的目的，是在原材料基础上的一种压力加工模式。传统冲压机器人自动化生产线采用4台压力机，压机间板料传输采用机器人抓取、投放零件。压机的运动方式通过主传动装置将主电机的旋转运动转换为滑块的线性运动；经离合器接合实现飞轮与高速轴同步运转，进一步将扭矩能量传递到齿轮减速系统，从而实现滑块下行程时飞轮释放能量做功，上行程时飞轮储存能量，为下次滑块冲压做准备。通过立柱导轨导向，使上模下平面与下模上平面在运动中始终保持平行，模具随着滑块的运动使工件成形，如图1所示。
图1 压力机工作方式
在一些冷冲压模具的加工中，根据模具侧面的凸缘、切边、冲孔、切凹口等空间曲线往里弯曲进行生产制作时，压力机的往复直线运动会导致滑车驱动机构在移动的过程中受到方向的限制，而选取斜楔滑车机构来达到模具生产的要求不仅降低了成本，提高了效率，而且生产出来的冲压模具构造合理紧凑，质量效率高，实现了冲压模具的便捷生产，扩大了冲压模具的应用领域，并推动了其创新的步伐。
因为制件形状复杂多变，不可能在同一方向实现完全的加工，所以在工作内容与总体模具的冲压方向成一定角度的时候，必须采用一种可以把冲压方向的力改变方向的机构。斜楔滑车机构，包含着斜楔和滑车，其制动需要二者的相互配合运用，它运用在不同范围中的目的主要是改变压机垂直运动的方向，斜楔滑车机构是按照冲压加工的需要，将压机垂直方向的力转变为倾斜方向的力的一种机构，作用主要是将垂直方向的力转变为与冲压方向成一定角度的力，如图2、图3所示。
图2 斜楔滑车机构三维图
图3 斜楔滑车机构简图
压机角度控制与机器人位置控制自动化气源简介
斜楔滑车机构的运动是通过气缸通气、断气方式驱动，配合压机上行、下压动作，完成零件冲压方向的改变，而自动化气源控制气缸的通气、断气。自动化气源控制方式在创新之前有两种控制方式：
第一种为压机角度控制气源的通及断，即压机达到一定角度时，自动化气源打开，斜楔滑车机构通气，滑车驱动到位；压机到达另一个角度时，自动化气源关闭，滑车回退到位。
第二种为机器人位置(也称下料手)控制自动化气源通及断，即下料手到达某个轨迹点时，自化气源打开，斜楔滑车机构通气，滑车驱动到位；下料手到达另一个轨迹点时，自动化气源关闭，滑车回退到位。如图4所示。
图4 自动化气源控制方式
模具自动化气源时序与压机冲压时序控制创新过程
创新前的情况
⑴自动化气源通断采用压机角度控制。
OP30侧围模具内含斜楔滑车机构，采用压机角度控制自动化气源通断，压机在30°时，气缸正向通气，滑车开始动作驱动到位；压机在220°时，气缸反向通气，滑车开始动作回退到位。压机下行时，上滑块与下滑块接触的感应角度为30°～160°，因此驱动气缸必须驱动到位，时间长度为1.1秒，而由于侧围斜楔滑车机构较大，气源压力一定时，驱动气缸到位核算实际时间长度为1.8秒，远超过气缸必须驱动到位时间，因此在上滑块与下滑块接触时，下滑车驱动气缸未驱动到位，上模驱动导板就与下模驱动导板接触撞击，长时间撞击后斜面磨损严重，导致断裂风险。
压机在30°时气缸通气，单机SPM≥12时，上模驱动导板与下模驱动导板存在接触碰撞问题，滑车驱动背靠有断裂风险；压机在5°时气缸通气，单机SPM≥14时，上模驱动导板与下模驱动导板存在接触碰撞问题，滑车驱动背靠有断裂风险；因此OP30侧围采用压机角度控制自动化气源通断是不行的，如图5所示。
图5 斜楔机构接触碰撞示意
⑵自动化气源通断采用机器人位置(下料手)控制。
通过在下料机器人的轨迹点设置自动化气源开启和关闭的位置，来控制模具内气缸的通断，从而实现斜楔滑车机构的驱动与回退。
BP点为下料手抓件之前的点，在零件正上方30～50mm；P点为下料手机器人抓件点；AP点为下料手抓件后的点，在零件正上方30～50mm。下料手机器人按BP点→P点→AP点循环抓取板件。因此下料手控制自动化气源通断，即下料手在AP点时气缸正向通气，滑车开始动作驱动到位；下料手在BP点时，气缸反向通气，滑车开始动作回退到位。受OP30侧围机器人轨迹制约，BP点到P点的距离只有30mm，斜楔滑车机构回退时间不够，导致下料手抓件时掉件，此方法无法正常生产。如图6、图7所示。
图6 机器人位置控制方式
图7 机器人位置控制方式
模具自动化气源时序与压机冲压时序差异分析
⑴时序差异分析。
压机下压时，正常时序上模驱动导板与下模驱动挡板无接触，而异常时序上模导板与下模导板有接触，此关键点为：压机角度控制自动化气源方式——气缸驱动时间不足；下料手控制自动化气源方式——气缸回退时间不足，从表1可以看出。
表1 零件时序差异数据
⑵气缸驱动与回退时间分析。
压机角度在30°时控制气缸正向导通，单机SPM≥12时，上滑块与下滑块接触时间长度为1.1秒，而侧围驱动气缸到位核算实际时间长度为1.8秒＞1.1秒，上下导板存在接触碰撞问题；压机角度在5°时控制气缸正向导通，单机SPM≥14时，上滑块与下滑块接触时间长度为1.3秒，而侧围驱动气缸到位核算实际时间长度为1.8秒＞1.3秒，上下导板存在接触碰撞问题。具体见表2。
表2 压机角度及下料手控制验证情况
创新改善步骤
⑴提出压机角度和机器人位置组合控制的全新方式。
由于自动化气源全都由压机角度控制通断或者下料手控制通断是行不通的，因此可采取压机角度控制与机器人位置组合控制，即用下料手控制气缸正向导通，滑车驱动到位；用压机角度控制气缸反向导通，滑车回退到位，具体采用情况见表3。但是此创新对策设备不具备此功能，需优化程序逻辑。
表3 下料手+压机角度组合方式控制
⑵压机角度和机器人位置组合控制改善步骤。
1)新增气源时序控制模式标准程序块，见图8所示。
图8 新增气源时序控制模式标准程序块
2)HMI控制面板新增新控制模式的选择。
新增角度打开+下料手关闭、下料手打开+角度关闭两项选择，如图9所示。
图9 HMI控制面板新增新控制模式
3)HMI控制面板新增驱动气缸到位检测信号情况选择。
增加滑车回退到位检测保护：增加滑车后退到位检测开关，程序中增加保护程序，当压机下压到目标角度时，如果滑车还未后退到位，压机会紧急制动，并报警滑车检测异常。如图10所示。
图10 HMI控制面板新增驱动气缸到位检测信号情况选择
创新改善验证
⑴验证前提。
1)自动化控制气缸正向通气，压力机控制气缸反向通气；
2)单机满足SPM18。
⑵下料手AP点气缸驱动到位时间验证如图11所示。
图11 下料手控制-时间采集
⑶压机角度220°气缸回退到位时间验证如图12所示。
图12 压机角度控制-时间采集
⑷验证结果。
1)当下料手经过AP点时，气缸正向通气，到上模导板与下模导板接触时，时间有3.8秒，而气缸驱动到位所需时间为1.8秒，满足气缸到位时间；
2)压力机经过220°时，气缸反向通气，到下料手抓取板件，时间有2.7秒，而气缸回程所需时间也为1.8秒，满足气缸回位时间。
总结
本次创新提出了一种能通过压机角度和取料机器人位置组合控制自动化气源的功能。
本创新欲保护点：杜绝模具上模插刀与下模滑车接触，根治下模滑车断裂风险。最新的控制模式能满足模具自动化气源的时序控制要求，同时也满足现场自动、手动和异常处理等各种生产模式下的要求，在保证模具安全的基础上，冲压线的效率也会有提升12.5%。
作者简介
廖端
广州汽车集团乘用车有限公司宜昌分公司制造部冲压科科长，主任资格。曾在国内核心期刊发表论文《新型碳纤维端拾器的应用》《伺服机械混合生产线的应用》等，并申请碳纤维端拾器、伺服机械生产线连续模式实用新型专利，曾获广汽集团科学技术奖，全国汽车行业智能制造与技术创新成果奖励。