大噸位數(shù)控沖床高性能智能化技術(shù)研究與應(yīng)用

1、    大噸位數(shù)控沖床高性能智能化技術(shù)研究與應(yīng)用    嚴(yán)海民+李曉華摘 要：文章以ape-600噸數(shù)控沖床為設(shè)計(jì)改進(jìn)對(duì)象，集成各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，結(jié)合數(shù)控先進(jìn)設(shè)計(jì)平臺(tái)，充分利用數(shù)控設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、智能化控制集成技術(shù)，沖壓設(shè)備的檢測(cè)技術(shù)和傳感器，下死點(diǎn)控制技術(shù)等研究出具有集成創(chuàng)新的智能化數(shù)控沖床系列裝備，實(shí)現(xiàn)大噸位高精度智能數(shù)控沖床的產(chǎn)業(yè)化，帶動(dòng)我國(guó)數(shù)控沖床行業(yè)向著高技術(shù)含量方向發(fā)展。關(guān)鍵詞：數(shù)控沖床；設(shè)計(jì)平臺(tái)；集成技術(shù)；下死點(diǎn)智能化1 技術(shù)研究背景沖床作為裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)備，同時(shí)也是制造業(yè)的工業(yè)母機(jī)，而以高檔數(shù)控沖床為主的先進(jìn)設(shè)備，更是體現(xiàn)

2、一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代化工業(yè)的重要基礎(chǔ)。沖床是制造業(yè)最基本的生產(chǎn)工序，沖床工業(yè)是一個(gè)國(guó)家的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。數(shù)控沖床是一種新型沖床，是機(jī)電一體化的一種體現(xiàn)，它擁有高效、柔性、精密、復(fù)合、集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，是裝備制造業(yè)的主流產(chǎn)品和主力加工設(shè)備。本文所闡述的研究與應(yīng)用主要針對(duì)高端汽車及其零部件、航空航天零部件及高速自動(dòng)化數(shù)控沖壓線等高端領(lǐng)域的沖壓工藝需要，進(jìn)行創(chuàng)新性研究，解決其中共性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大噸位、高精度、高速度、高穩(wěn)定可靠、柔性化高、綠色節(jié)能環(huán)保的數(shù)控沖壓系列產(chǎn)品。2 該技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀與必要性2.1 發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)沖床行業(yè)發(fā)展較快，結(jié)合“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”重大專

3、項(xiàng)的實(shí)施，通過(guò)引進(jìn)設(shè)備、引進(jìn)技術(shù)、產(chǎn)學(xué)研究等方式，新型沖床的技術(shù)取得了較大發(fā)展，在精密化、重工化、自動(dòng)化、智能化、復(fù)合化的發(fā)展等各方面都有非常大技術(shù)突破。如伺服壓力機(jī)技術(shù)的開發(fā)，將壓力機(jī)主驅(qū)動(dòng)由傳統(tǒng)的定量控制改為變量控制，整個(gè)沖壓周期可以任意調(diào)整，使能量分配更加合理，生產(chǎn)效率大幅提高，目前國(guó)外只有少數(shù)公司掌握該項(xiàng)技術(shù)，且伺服技術(shù)目前只能適用于200噸位以下沖床行業(yè)，對(duì)200噸以上機(jī)型還處于技術(shù)空白。另外，在液壓機(jī)方面，如船體板材成形數(shù)控液壓機(jī)生產(chǎn)線，由進(jìn)料遙控起吊裝置、板材數(shù)控送料輸送裝置、具有五自由度的數(shù)控壓制中心、出料遙控起吊裝置和板材數(shù)控下料輸送裝置等五部分組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)大型船體板材吊裝、

4、輸送、彎曲、彎邊、壓筋、折邊、矯平等冷成形工序的連續(xù)加工，在規(guī)格、結(jié)構(gòu)、控制和性能方面均屬創(chuàng)新產(chǎn)品。雖然我國(guó)沖床行業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，但與日本、德國(guó)、美國(guó)等機(jī)床強(qiáng)國(guó)相比，國(guó)內(nèi)沖床行業(yè)的沖壓技術(shù)水平和自動(dòng)化率仍然較低，產(chǎn)品的綜合性能、高科技含量、使用壽命、使用穩(wěn)定性等方面與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平相比任然有非常大的差距。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在多數(shù)企業(yè)以低價(jià)走量的方式切入市場(chǎng)，在生產(chǎn)研發(fā)投入的費(fèi)用很少，也不重視研發(fā)，技術(shù)創(chuàng)新很難得到應(yīng)有的支持。大部分國(guó)產(chǎn)機(jī)械壓力機(jī)在設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性、機(jī)電一體化程度，機(jī)械的精密性化和人性化的設(shè)計(jì)等方面，與國(guó)外沖壓，制造設(shè)備有較大差距。2.2 必要性中國(guó)有一個(gè)比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈就是沖壓設(shè)

5、備行業(yè)，但在高檔數(shù)控系統(tǒng)和功能部件是不夠完整的。中國(guó)也有全球第一數(shù)控沖床廠家的中國(guó)制造業(yè)的數(shù)量，但由于缺乏知名跨國(guó)公司和世界一流的廠家，真正高端的只能進(jìn)口國(guó)外這些高端產(chǎn)品。而大量制成品出口這些表明，很多行業(yè)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整的步伐，推動(dòng)數(shù)控沖床產(chǎn)業(yè)升級(jí)并已成為一個(gè)中國(guó)機(jī)床工具行業(yè)的緊迫任務(wù)。同時(shí)“中國(guó)制造”2025將數(shù)控機(jī)床和基礎(chǔ)制造裝備行業(yè)列為中國(guó)制造業(yè)的戰(zhàn)略必爭(zhēng)領(lǐng)域之一，主要原因是其對(duì)于一國(guó)制造業(yè)尤其是裝備制造業(yè)的國(guó)際分工中的位置具有“錨定”作用：數(shù)控機(jī)床和基礎(chǔ)制造裝備是制造業(yè)價(jià)值生成的基礎(chǔ)和產(chǎn)業(yè)躍升的支點(diǎn)，是基礎(chǔ)制造能力構(gòu)成的核心，唯有擁有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)制造能力，才有可能生產(chǎn)出先進(jìn)的裝備產(chǎn)品

6、，從而實(shí)現(xiàn)高價(jià)值產(chǎn)品的生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)全面產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造到中國(guó)智造的全面轉(zhuǎn)變。3 關(guān)鍵技術(shù)分析數(shù)控沖床關(guān)鍵技術(shù)集成及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)技術(shù)研發(fā)成果向經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本項(xiàng)目將集成各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，結(jié)合數(shù)控先進(jìn)設(shè)計(jì)平臺(tái)，充分利用數(shù)控設(shè)備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、智能化控制集成技術(shù)，沖壓設(shè)備的檢測(cè)技術(shù)和傳感器，下死點(diǎn)控制技術(shù)等研究出具有集成創(chuàng)新的智能化數(shù)控沖床系列裝備，實(shí)現(xiàn)大噸位高精度智能數(shù)控沖床的產(chǎn)業(yè)化，掌握核心技術(shù)，打破國(guó)外數(shù)控沖床裝備市場(chǎng)的壟斷地位，帶動(dòng)我國(guó)數(shù)控沖床行業(yè)向著高技術(shù)含量方向發(fā)展。具體關(guān)鍵技術(shù)如下。3.1 沖壓設(shè)備的智能化數(shù)控集成系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)采用的智能化數(shù)控集

7、成系統(tǒng)主要是采用獨(dú)立的控制算法，內(nèi)置的邏輯控制和硬件配置，來(lái)滿足沖壓設(shè)備的數(shù)控化控制要求，同時(shí)支持遠(yuǎn)程通訊，噸位檢測(cè)，模高調(diào)整，變頻器通訊和模擬量控制切換，變頻器參數(shù)一鍵打包等功能；配置無(wú)線通訊模塊，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的沖壓設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集；系統(tǒng)與上位機(jī)顯示器采用專用的通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸快，可實(shí)時(shí)顯示目前的運(yùn)行狀態(tài)。3.2 智能控制集成系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)在工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，主要有dcs、plc、ipc三種類型的系統(tǒng)，其中，用到最多的就是plc可編程控制系統(tǒng)，plc系統(tǒng)主要由plc為中心，該系統(tǒng)主要由數(shù)臺(tái)沖壓機(jī)械設(shè)備通過(guò)rs232/rs485與scada監(jiān)控軟件及組態(tài)工具軟件或多臺(tái)pc機(jī)內(nèi)裝hmi人機(jī)界

8、面軟件而形成的工作站相連接，形成cip通用工業(yè)協(xié)議，具devicenet/controlnet/ethernet三層結(jié)構(gòu)。所以在高端智能沖壓設(shè)備中引入無(wú)線數(shù)據(jù)通信將成為一種主流，無(wú)線數(shù)據(jù)通信主要分為兩種，其一為短距離的無(wú)線數(shù)據(jù)通信，主要用于傳感器以及完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集；另外的長(zhǎng)距離的無(wú)線數(shù)據(jù)通信主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程測(cè)控中心和用于管理部門的多媒體集中監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程維修服務(wù)等。同時(shí)集成技術(shù)也要貫徹在高端智能沖壓設(shè)備種種行動(dòng)之中，包括研發(fā)、設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、運(yùn)行維護(hù)和周期管理。高端智能沖壓設(shè)備經(jīng)過(guò)系統(tǒng)集成和智能化控制，最終形成cims計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，這將是工業(yè)現(xiàn)代化與智能化融合的高級(jí)目標(biāo)，也是這項(xiàng)

9、技術(shù)對(duì)高端智能沖壓設(shè)備的追求。 3.3 沖壓設(shè)備性能檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)控沖壓設(shè)備普遍具有往返工作頻率快，沖孔誤差小，公稱力大等特點(diǎn)，所以對(duì)數(shù)控沖壓設(shè)備的性能進(jìn)行測(cè)試的難度非常的很大，截止目前，在國(guó)內(nèi)對(duì)工作中的數(shù)控沖壓設(shè)備和普通沖床進(jìn)行性能檢測(cè)還沒有一種相對(duì)完善的方法。現(xiàn)在大多數(shù)的壓鑄公司都是根據(jù)工作人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)，或者是通過(guò)某一方面性的性能檢測(cè)來(lái)對(duì)數(shù)控沖壓設(shè)備的精度做出檢測(cè)，這種方式稱為靜態(tài)檢測(cè)法，但是這種方法效率非常低下，同時(shí)存在很多弊端和不準(zhǔn)確性，并且數(shù)控沖壓設(shè)備的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)特性差異非常的大，所以這種檢測(cè)手段有很大的缺陷。針對(duì)上述問(wèn)題，該項(xiàng)目主要參與研究與開發(fā)，并且設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化控制裝置，用于對(duì)

10、高速運(yùn)動(dòng)中的數(shù)控沖壓設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)，并進(jìn)行分析和研究。該自動(dòng)化控制裝置通過(guò)運(yùn)用加速度傳感器、力傳感器、速度傳感器等傳感器，將運(yùn)動(dòng)中的沖床沖頭的加速度、力和速度等數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)a/d轉(zhuǎn)化器送入上位機(jī)相應(yīng)的地址欄中，再通過(guò)上位機(jī)wincc軟件中的控件/winee funetion trend control，利用vbs動(dòng)作調(diào)用相應(yīng)地址欄中的數(shù)據(jù)繪制相應(yīng)的曲線，通過(guò)上位機(jī)的監(jiān)控軟件對(duì)所繪制的曲線進(jìn)行分析與反饋，實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)。3.4 傳感器關(guān)鍵技術(shù)本項(xiàng)目使用的可測(cè)試的光電安全開關(guān)結(jié)合安全控制器le20，可構(gòu)成復(fù)雜的安全保護(hù)系統(tǒng)。數(shù)目和功能視復(fù)雜程度而定。最簡(jiǎn)單的保護(hù)系統(tǒng)包括發(fā)射器和接收器

11、，一旦光束被遮斷，機(jī)器的危險(xiǎn)動(dòng)作就會(huì)被立即停止。在本項(xiàng)目的配置中，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)光電安全開關(guān)串聯(lián)裝置，包括三套發(fā)射器/接收器，一個(gè)安全控制器le20和四個(gè)屏蔽傳感器（muting sensors）。這套系統(tǒng)能分辨出是人還是物料進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)。因此，當(dāng)有人進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)時(shí)，危險(xiǎn)動(dòng)作會(huì)被立即停止；但當(dāng)物料進(jìn)入時(shí)，則不會(huì)有影響。4 結(jié)束語(yǔ)本項(xiàng)技術(shù)研究以ape-600噸數(shù)控沖床為設(shè)計(jì)改進(jìn)對(duì)象，通過(guò)沖壓設(shè)備的高端智能裝備的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用等方面，把高性能沖壓設(shè)備的智能化、數(shù)控化與自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合。使沖壓設(shè)備具備有感知、分析、決策和控制功能，實(shí)現(xiàn)沖壓設(shè)備的高速化、精密化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)控編程自動(dòng)化、功能復(fù)合化、極端化（大型化和微型化）、成套化自動(dòng)生產(chǎn)線、綠色設(shè)計(jì)與制造等等方面。為中國(guó)智造做出貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)1舒曉模.沖床模高計(jì)數(shù)裝置及其應(yīng)用技術(shù)研究d.寧波大學(xué)，2013.2邊起.沖床自動(dòng)步進(jìn)送料控制系統(tǒng)研究與開發(fā)d.浙江農(nóng)林大學(xué)，2013.3秦為前.高速?zèng)_下死點(diǎn)精度的保障技術(shù)研究d.南京理工大學(xué)，2012.4王為達(dá)，樊瑜瑾，槐建明，等.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控沖床plc控制系統(tǒng)的研究j.工