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1.5 伺服机械压力机的发展趋势

1.5.1 大吨位伺服机械压力机的开发

由于大型伺服电动机的传动系统制造技术和价格方面的问题,目前的伺服成形装备还仅限于中小吨位,虽然有报道称建造出了50 MN多电动机驱动的伺服机械压力机,但目前生产的伺服机械压力机多在25 MN以下。可以预见,随着相关技术的进步和发展,将会出现更大吨位的伺服机械压力机。

1.5.2 伺服机械压力机的生产线

在汽车覆盖件等大型冲压件生产中,大型多工位机械压力机具有占地面积小、集成度高和效率高等优点,一度取代了压力机串联生产线,成为冲压自动化生产的发展方向。伺服机械压力机的出现,似乎使这一发展趋势发生了逆变,人们将目光重新转向了多机串联。近些年来,世界各大汽车厂(包括丰田、本田和宝马等)新建立的汽车覆盖件冲压车间均采用伺服机械压力机串联生产线,每条生产线有4台以上伺服机械压力机,每台压力机配有机器人上下料,压力机、机器人和伺服垫进行协调控制。压力机间的间隔很小,仅供送料机构或机器人用。与多工位机械压力机相比,伺服机械压力机串联生产线有以下优点:

1)更高的柔性,既可全线工作,又可部分线甚至单机独立工作,更换产品也相对比较容易。

2)可以生产更加复杂的工件。

3)没有大型多工位压力机的偏心负荷造成的问题。

4)模具结构简化,高度无须一致。

5)由于各台压力机均采用外部装置送料,送料机与压力机的运动很容易配合。

6)具有更高的自动化和智能化程度。生产线通过单台压力机和自动化连线技术的最佳配合,以及快速自动换模(ADC)、自动换端拾器(ATC)技术,有效保证了整线的高产能和生产的灵活性。利用伺服机械压力机线的3D模拟软件,可以在线下进行零件的干涉校验和自动化曲线设计,不仅能够实现高水平的生产效率,还能够为成形加工提供必要的灵活性。德国舒勒公司开发的最新伺服冲压线,不仅能实现各工序的质量监控,甚至还能实现零部件自动装箱。

7)可以有更高的生产节拍。压力机、机器人和伺服垫的运动可以根据具体产品进行优化。目前大型多工位压力机生产节拍为12 SPM,而宝马的103 MN(总吨位)大型伺服机械压力机的生产线生产节拍高达17SPM,舒勒公司的ServoLine23 L生产线更是达到了23SPM,被Harbour Report(哈勃报告)评为全世界生产效率最高的冲压线之一。

图1-13所示为本田在SUZAK工厂(会田公司)的一条伺服机械压力机生产线,该线由4台伺服机械压力机(拉深力为23 MN)和4台伺服送料器组成。日本网野公司为东风汽车公司襄阳工厂建造的一条伺服机械压力机生产线于2007年投入使用。2009年,宝马在莱比锡的工厂制造了一条号称当时世界最大的伺服机械压力机生产线之一,全线6台压力机,总吨位为103MN,拉深压力机的吨位为25MN,压力机线长34m(总长98m),生产节拍达17 SPM。图1-14所示为戴姆勒辛德芬根(舒勒公司)建造的伺服机械压力机冲压生产线,总吨位为91 MN,于2018年投入使用。

图1-13 本田在SUZAK工厂(会田公司)的伺服机械压力机生产线

图1-14 91MN伺服机械压力机冲压生产线,戴姆勒辛德芬根工厂(舒勒公司)

采用多台伺服机械压力机的串联生产线将成为汽车大型覆盖件冲压生产的更好选择。

1.5.3 降低重载伺服驱动单元的成本

伺服电动机及驱动控制单元的价格,使伺服成形装备的制造成本远高于传统装备。可以预见,随着大功率伺服驱动技术的发展和国产化,伺服成形装备将会越来越普及。根据信息技术发展的摩尔定律,当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。

以90 kW容量变频器为例,2007年的价格已经降到1990年的1/4,见表1-2,而目前的市场价格更是降到了2007年的一半左右。

表1-2 90kW容量变频器的价格(日本富士)(单位:万元)

1.5.4 多输入以及多轴输出伺服机械压力机的开发

目前产业化的伺服成形装备多为单动力输入,但已有研究者开始研究多动力输入的伺服机械压力机方案。其一是伺服驱动+普通驱动,目的在于减少伺服电动机的容量,降低大吨位压力机的成本;其二是多伺服驱动输入,除降低电动机的总容量外,还可以进一步增加设备柔性,提高自动化和智能化程度。预计在不久的将来,随着研究的深入,将有相应的产品问世。本书第五章介绍了作者提出的一种双伺服输入的伺服机械压力机驱动方案。

多滑块的机械压力机不仅结构复杂,而且运动曲线不可调整,缺乏柔性。若采用伺服驱动技术并与伺服垫结合,建造双动或三动伺服机械压力机,可克服传统机械多动压力机的缺点。日本公司已经着手此类新产品的开发,该三动压力机由丝杠传动,配以伺服液压垫。按照这一思路,甚至可以建造多向压力机,具有更加优异的功能。

1.5.5 能量回收、储存和利用新技术研究与开发

伺服机械压力机的电动机减速采用电磁制动,运动部件减速的动能转变为电能。如果这部分电能不能回收,就只能通过电阻消耗,不但降低了能效,而且要增设电阻箱和冷却系统。目前能量回收主要采用以下两种方法:

1.反馈电网。这种方法虽然可以节省电能,但是需要增加一套逆变系统,从而增加了成本。

2.电容储放。在驱动电路中增设一组大容量电容,储存制动时产生的电能;在压制时,再将电能释放出来,供电动机使用。这种方法不但省电,而且更大的好处是减少了工作行程时短时大电流对电网的冲击。广东工业大学研制的25 t伺服机械压力机样机的试验结果表明,由于电容的作用,电网的冲击电流下降了80%以上。这种方法的缺点是大容量电容价格不菲,体积也很庞大,且寿命有限。

解决现行能量储放技术所存在的问题或开发新的储放技术,将会使伺服成形装备的性能得到进一步提高。

1.5.6 适用于伺服机械压力机的高效重载传动系统的设计方法和新型功能部件的开发

1)适用于伺服机械压力机的传动系统的设计理论和方法。传动系统的结构创新和优化可以增加传动系统的机械利益,获得更好的滑块运动学和动力学特性,减少电动机容量和设备造价。

2)新型高效重载传动功能部件的开发。例如具有大传动比的高效新型减速机,以及高效重载螺旋副等。在国家自然科学基金的支持下,广东工业大学针对伺服机械压力机开发出了一种带有钢背/自润滑复合材料衬层结构的新型传动螺母:螺母以钢为基体,衬层为碳纤维织物增强自润滑复合材料,兼有高的承载能力和低的摩擦因数。研制了两种新型传动螺母:小型试验螺母Tr32 ×8-8 H/8 e和630 kN压力机工作螺母Tr110 ×60(P20)-7 H。与青铜螺母相比,两种新型螺母的传动效率分别提高了48.7%和10.6%,摩擦因数降低了53.5%和21.2%。为解决伺服机械压力机这一关键问题提供了一个新的方案。

1.5.7 基于伺服机械压力机的成形新工艺的开发

由于普通曲柄压力机的运动特性固定不变,工艺参数的优化难以实现。而伺服机械压力机能实现任意的滑块运动特性曲线,为各种成形工艺的优化提供了可能。研究各种成形工艺的成形机理、建立适合该成形工艺的优化参数,对于提高产品质量和生产效率、降低生产成本具有十分重要的意义。不同的成形工艺可以按照不同的优化目标对参数进行优化,例如减少振动和噪声、提高制件精度及提高生产效率等。伺服机械压力机的出现,不仅仅是成形装备领域的革命,而且将会促进成形工艺的发展。有学者将伺服机械压力机和基于伺服机械压力机的冲压工艺统称为“伺服冲压”。

1.5.8 基于伺服冲压的计算机模拟技术的开发

伺服冲压,需要两方面的数值模拟技术。一方面,伺服机械压力机生产单元涉及压力机、送料机构及伺服垫等多种外围设备,若想获得最佳效果,需要对滑块、送料机构和伺服垫等机构的运动进行综合仿真和优化;另一方面,为伺服冲压提供位置、速度和压力控制的驱动模式,能够为开发新的冲压工艺提供帮助。数值模拟是新工艺开发的重要工具,但目前的模拟软件的功能尚不能很好地适合这样的变形条件。在变速驱动及压力控制下,材料的变形行为将会如何?如何能得到最优的结果?开发伺服环境下的成形过程数值模拟技术还有许多工作要做。

1.5.9 新装备—新工艺一体化:新一代智能化成形装备

“中国制造2025”以及“德国工业4.0”均将智能制造放在重要的位置。将伺服成形装备和基于这种高柔性的新装备的新工艺结合在一起,再辅以人工智能、在线监测和远程诊断等技术,一种新一代的适用于智能制造的新型成形装备将会大大提升成形加工领域的技术水平。

伺服机械压力机可完美地用于全球化制造,因为它们可以实现同样的滑块运动模式而不会受生产地点和操作者技能的影响。由于信息技术和全球化制造的迅速发展,诸多伺服机械压力机将会被集成为一个庞大的制造系统。伺服机械压力机的控制系统是制造信息系统的一部分,数据可以在不同的压力机之间和生产场地之间传递,具有丰富经验的操作者的知识与制造信息系统相连并可被公司所有操作者获取。因此,一个初始工艺可在不同的生产场地甚至海外轻易地复制和检查,采用这种方法,各种机械参数的评价方法得以简化,从而减少了从样品到批量生产的时间和费用。

在2016年10月汉诺威举办的国际金属板材加工技术展览会(EuroBLECH)上,舒勒公司展示了“智能冲压车间”概念的伺服冲压自动生产线,30台工业PC 通过网络相互连接,单台压力机、激光开卷落料线和各种自动化组件均具有实现全面联网所需的接口,生产线的生产过程实现远程监控,生产中90%的问题都能通过远程服务以远程方式解决。

有学者预言,类似切削机床,现今的大部分压力机将会被伺服机械压力机所取代。 Aq6eRRKLMTzgeELkSzdUN/W3OKHgLGrwXPge3CnHIZ7ArQxh8xVHuz9jhq9CTo8d

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