伺服冲床的实际应用（连载三）

文/ 张清林·江苏中兴西田数控科技有限公司

小松勇·日本小松技术士事务所

伺服冲床的实际应用（连载三）

文/ 张清林·江苏中兴西田数控科技有限公司

小松勇·日本小松技术士事务所

伺服冲床与各工位的送料自动化

冲床和送料时间曲线

本文以一台冲床中的成形品（或半成形品）和加工图中外形成形后产生的废料为对象进行阐述。

⑴顺送加工方式（使用卷材进行的步进式加工）。如图1所示，为伺服冲床的几种运转模式。滑块的运转模式主要是由下死点附近滑块速度来区分，即如果改变曲轴在下死点的速度，也就决定了滑块的运转模式。

图1 伺服冲床的各种运转模式

关于图1中下死点停止，可以这样理解：因驱动冲床伺服电机的差异滑块能够在下死点停止的时间就有所不同，有的是几乎不能在下死点停止、有的可以停止到1min，一般的伺服冲床可以在下死点停止0.2～1.5s左右。从冲床的能力发生点开始到下死点为止伺服冲床需要有最大的扭矩来驱动滑块，因此这时伺服电机使用的电流量最大，强大的电流使电机的定子、转子产生很大的“铁损”，使伺服电机开始发热。电流越大电机的回转力就越大，发热的程度就越高，因此技术人员希望通过电机的最大电流时间越短越好。虽然通过使用空冷、水冷等方法可以抑制伺服电机温度上升，但电机的温度仍可能超过100℃，如果发生了接触足可导致烫伤事故的发生。

另外，控制伺服电机的IGBT模块也会有很高的温度，这会直接影响IGBT模块寿命。为解决这个问题需要在伺服电机的配电盘里设置专用的冷却装置。伺服电机存在着诸多类似的限制，所以部分虽然被称之为伺服冲床却不能实现下死点的加压停止。技术人员要在充分理解使用说明书的基础上正确地使用冲床，对任何有疑问的地方，要向生产厂家咨询，以防止出现电机被烧毁、IGBT模块被烧毁的问题。

伺服冲床的滑块运转速度要根据冲压加工内用的需要变化成最合适的速度。滑块的速度改变就是让曲轴在一周的回转内用不一样的转速回转，使滑块的上下速度发生改变。为了避免此类问题产生，设备厂家必须对每一个模具都绘制出时间曲线图（最佳方案是，在模具设计时就考虑到自动化装置的送料时间等因素），使模具和成形品之间不发生干涉。然而，最终的时间曲线还要到试模以后才能决定。

⑵与送料精度有关的事项。在保证送料必要时间的前提下，尽量缩短送料的时间。为达到短时间内完成送料的全过程，必须提高送料的速度。但提高送料速度，会对精度产生不良的影响。顺送加工时，送料精度的优劣直接影响着成形品的精度和品质，因此保持良好的送料精度是非常必要的。

一般来讲，影响送料精度的因素主要有以下几方面：

1)送料装置本身的精度。驱动送料辊轮的齿轮类齿隙比较小，驱动送料辊轮的伺服电机可以灵活、适度地加、减速。

2)有开卷、整平机的情况，对开卷、整平机的要求与1)相同。

3)送料中心线。送料装置的中心线与冲压机械的中心线必须设置在同一直线上。如果不在一条直线上，开卷后的材料被送到模具时，相对于模具就是倾斜的，模具内部的材料导向、送料装置的侧面导向等都会发生很大的抵抗，在很大程度上降低送料的精度。

4)卷料的幅宽精度。当卷材从很宽的材料剪切成我们需要的宽度时，因剪切装置的精度和刚度的原因剪切下来的材料幅宽会出现正、负误差。在通过模具的导向柱时，材料过窄就会产生间隙，发生抖动，使送料的精度下降。在通过模具的导向柱时，材料过宽会被压缩变形，也会严重降低送料精度。

5)材料卷料宽度的波形。卷料幅宽方向的波纹形状（波形鼓起）一定要小，在卷料宽度方向上2000mm的长度范围波形鼓起也必须在2mm以下。随着板厚的增加鼓起也会增加，严重时2000mm的长度范围内会有5mm以上的鼓起，这样的材料就不能送料了。

6)卷料幅宽方向的厚度精度。卷材都是由很宽的压延钢板卷曲而成的，相对来说靠近中央（幅宽的60%前后）附近的精度比较好，幅宽方向的两端（各20%左右）呈现逐渐变薄的现象，厚度的精度明显变差。此时，幅宽精度比较差的卷材也会影响送料精度。

7)材料表面需要一定的摩擦。与表面非常光滑的卷材相比，表面粗糙的钢板和送料装置辊轮间的摩擦系数要高，所以送料精度会相应地得到提高。需要注意的是，粗糙面压延钢板是在冷轧延伸时，在材料表面形成许多非常细小、微浅的凹凸。这些粗糙的面会造成轧制油的残留，也便于拉深加工。其中，经过除掉热轧钢板酸化膜的酸洗材料具有一定的摩擦系数。另外，轧制时的轧制油膜也对送料精度有一定的影响，轧制完成后如果放置时间过长，轧制油就会产生干燥固化现象，送料时材料就会与送料辊轮发生滑动，使送料的精度下降。

⑶冲床运转模式与其配合的时间曲线。

1)连杆运转模式。曲轴式的伺服冲床从上死点（0°）开始，回转一周再回到上死点（360°），改变曲轴在不同角度位置时伺服电机的回转速度，也就意味着曲轴的回转速度在变化，也就是说滑块的速度也随之发生着改变。伺服冲床一般来说由控制冲程次数改变速度变化，即使要输入连杆式的运转数据，也要等指定好曲轴角度位置后，再输入设定冲程次数。然而，螺旋式伺服冲床和油压式伺服冲床是根据行程位置来直接输入所对应的滑块速度。如图1所示，运动曲线中连杆运转模式，在一个行程中即从加工开始到加工结束的时间（成形品从上模解脱为止的曲轴角度）很长，而送料的时间（模具和运送中的材料不产生干涉为止的曲轴角度）就显得很短，要提高每分钟的生产量就需要加快滑块的上升速度，尽量缩短滑块上升时所用的时间。

级进模加工过程中，模具的上下模位置和材料及成形品的相对位置示意见图2，至少从上下模接触开始到上下模分离前必须停止送料的动作。

图2 上下模的位置和运送的时间曲线

传统的机械式冲床大多数是采用从曲轴引出输出轴，借助齿轮直接驱动辊轮式送料装置的方式。一般送料开始是从曲轴角度270°开始，到曲轴角度90°完成。辊轮驱动采用NC控制的伺服电机，从送料开始到送料完成时间可以任意设定，无论是间歇送料还是长尺寸送料，甚至在每次行程中不一样的送料长度都是可以做到的。

在一个行程中，伺服冲床曲轴的回转速度可以根据加工部品的要求任意地改变。而顺送加工中，若辊轮式送料装置也采用NC控制方式，伺服冲床的回转速度可以任意变化的特性就能得到更加充分的发挥。

2)往复运转模式。伺服冲床的往复运转模式就是冲床的曲轴不需进行360°回转，以下死点为中心进行钟摆样的正、逆的反复运转，效果是缩短了行程长度、提高了每分钟内的行程数。在实际加工生产中，采用曲轴角度在90°～270°之间（即曲轴在180°范围内）往复或曲轴角度在120°～240°之间（即曲轴在120°范围内）往复的情况较多。

在级进模加工过程中，滑块的行程长度越短留给送料的时间就越短，那么能够利用的曲轴角度就越狭窄。因此，要求送料装置驱动机构具有良好的灵敏度和高的送料精度。要求送料精度高的另一个原因是，级进模加工中滑块的行程短致使能对送料精度起辅助作用的导向销很难使用，送料精度基本上只能靠送料装置的送料精度来保证。所以，使用往复运转模式进行级进模加工时，一定要NC式（含压紧式）的送料装置。如图3所示，能够实行送料的时间很短，只能范围是120°～150°、210°～240°。

NC式的送料装置与冲床的曲轴在机械上并没有连接，是通过电气信号与冲床保持同步。整个行程过程只能靠冲床发出送料开始的信号和送料完毕的信号来完成。因此，在设定伺服冲床的运转数据时，首先必须要进行的是送料开始时的曲轴角度和确定送料完毕时的曲轴角度。如果曲轴运转到设定的角度时，没有收到从送料装置发出的送料完毕的信号，冲床就不能启动。如果冲床是处于与送料装置同步的状态下、连续运转的生产方式时，在没有收到送料完毕的信号冲床就会停止在指定位置，必须要有一个连锁急停信号。

滑块的上升和下降通过曲轴的正转、反转实现，送料开始的信号要在两个位置发出，这两个位置是下死点的前面（0°～180°）一侧和下死点后面（180°到上死点）一侧，正转侧和反转侧是以下死点为中心，曲轴的角度是对称的。送料完毕的确认角也是以下死点为中心的两个对称位置，在进行运转数据设定时要引起注意。

图3 往复运转模式、最大拉伸深度与送料可能范围三者之间的关系

3)压痕模式。见图1，压痕模式是在下死点附近停止0.2～0.5s，是将模具的形状更好地复制到材料上的运转方式。这种方式需要在下死点停止，那么每分钟的生产量就会减少。为了提高生产率就必须提高曲轴的运转速度，由此带来的后果就是留给送料的时间变短。

一般来讲，使用压痕模式加工的都是尺寸较小、送料长度也相对较短的产品。在做送料装置起动和送料停止与冲床的同步设定时要引起注意。另一方面使用压痕模式加工的厚板材料较多，导向销虽然可以起到一定的辅助作用，但是在使用上比较困难，所以精度良好的厚板送料装置就显得格外重要。卷材边缘的剪切毛刺、宽度方向的波形鼓起等也是保证送料精度的必须不可忽视的重要因素。

4)振动模式。振动模式是滑块向下死点下降过程中让滑块进行小幅度往返上下的动作。非常像振动所以称之为振动模式，并不是滑块本身发生了振动，在这所谓的振动中曲轴进行了微小的正反反复运转。用这种运转模式生产时，送料完毕的曲轴角度设定要特别注意，送料开始的角度没有特别注意事项。

5)上死点停止模式和上死点不停止模式。冲压机械采用了伺服化，送料装置也实行了伺服化，可以把装置作为一轴来考虑，作为整体系统进行运转。早期传统的机械式冲床送料长度较长，冲床每进行一次冲压后必须在上死点停止，即必须使冲床实行“断续运转”。不但生产量下降，对离合制动器来说也是很大的负担，加剧了离合器、制动器的摩擦片损耗。

上死点停止的运转模式是滑块在上死点的位置停止，利用停止的时间完成送料长度较长的送料，同时还可以使用“复动加工”的模具。在完成了这一系列的动作后滑块又自动开始运转。“复动加工”可以这样理解，在滑块上死点停止的时间里，切换模具内（主要是上模内）的部件，使一套模具起到两套模具的效果。还可利用这种方法实现模具内部产品的组合。模具部件的切换一般是利用空气式或油压式气缸进行，在切换所需行程长度很小的情况下也可使用电磁铁的方法。另外，在切换开始和终了的位置必须设置“动作完毕”的检测器。

上死点不停止的运转模式是让伺服冲床在送料时曲轴的回转速度减慢，送料完成的同时再回复到高速运转。滑块不需要每周都在上死点停止，使生产效率得到提高。由于行程很短，这种运转模式可以切换使用复动模具。