高速生产汽车模具与压机自动化匹配研究

本文介绍了汽车模具在高速生产条件下压机凸轮自动化的设置模型，并通过实际案例展示压机凸轮自动化设置流程。对实际生产过程中的自动化凸轮问题进行剖析，给出解决措施，总结出模具高速生产模式下快速解决压机凸轮自动化故障的方法。

随着汽车工业的发展及高速压机(某主机厂生产压机最高节拍可达到每分钟28 次冲程)的应用，汽车模具结构也发生改变，尤其是模具斜器的驱动方式。前期汽车模具斜器采用硬性冲击的方式强制驱动工作，这样导致模具导向磨损严重，尤其是在模具高速生产的模式下，模具的使用寿命急剧下降。为适应高速压机的生产，目前汽车模具斜器多采用气缸柔性驱动，这种驱动方式减少了斜器导向的磨损，提高了模具的使用寿命。然而采用气缸驱动的模具斜器结构，会随着模具生产节拍的提升，出现斜器动作与压机自动化不匹配的现象，导致设备故障，产生异常停机，造成停产损失，有时还会使模具冲压出的冲压件出现质量缺陷，造成大量返修及废品，导致生产成本提高。文章源自好焊孙辉博客 https://www.sunhui.me好焊孙辉-https://www.sunhui.me/weldgyzb/autochongya2024111221.html

主机厂冲压模具的斜器大多采用气缸驱动，为使斜器正确的运动，需要气缸有精准的驱动，目前压机自动化控制气缸的动作更为精准可靠，同时斜器运动的过程中也需要压机自动化系统反馈斜器的位置，要想达到上述的效果，就需要在压机凸轮自动化中设置合适的参数。基于这些问题，笔者对高速生产的冲压模具及压机自动化进行探索研究，寻找模具与压机自动化快速匹配的模型，并应用于实际生产的模具中，从而形成一套解决此类问题的成熟方法。文章源自好焊孙辉博客 https://www.sunhui.me好焊孙辉-https://www.sunhui.me/weldgyzb/autochongya2024111221.html

模具与压机自动化匹配模型文章源自好焊孙辉博客 https://www.sunhui.me好焊孙辉-https://www.sunhui.me/weldgyzb/autochongya2024111221.html

模具斜器的运动文章源自好焊孙辉博客 https://www.sunhui.me好焊孙辉-https://www.sunhui.me/weldgyzb/autochongya2024111221.html

某主机厂汽车顶盖外板模具斜器结构如图1 所示，生产过程中，上道工序压机的机械手把工序件放到本工序模具前，本工序模具气缸运动推动斜器运动至工作位置，工作位置传感器产生信号，压机凸轮自动化开始监测斜器是否到工作位置，压机滑块运行至下死点(压机的下停止点)，完成压件任务，压机滑块带动模具上模开始返回，当上模压料板与下模开始脱开时，气缸驱动斜器回程到位，压机凸轮自动化再次监测斜器是否回程到位，当斜器回程到位后本工序机械手把件取走，放入到下一工序，模具回到压机的上死点(压机的上停止点)，这样模具就完成了一次生产。文章源自好焊孙辉博客 https://www.sunhui.me好焊孙辉-https://www.sunhui.me/weldgyzb/autochongya2024111221.html

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图1 某车型顶盖下模斜器结构示意文章源自好焊孙辉博客 https://www.sunhui.me好焊孙辉-https://www.sunhui.me/weldgyzb/autochongya2024111221.html

压机自动化的控制方式文章源自好焊孙辉博客 https://www.sunhui.me好焊孙辉-https://www.sunhui.me/weldgyzb/autochongya2024111221.html

主机厂的压力机对气源角度自动化的控制方式可分为机械手角度控制及压机凸轮角度控制，两者的原理一致，生产过程中使用压机凸轮角度控制更直观，因此生产过程中常用凸轮角度来控制压机的气源，实现对气缸的控制，使模具斜器精准运动。下面主要针对压机凸轮角度自动化的参数设置进行详细介绍。文章源自好焊孙辉博客 https://www.sunhui.me好焊孙辉-https://www.sunhui.me/weldgyzb/autochongya2024111221.html

在图1 所示的模具结构运动过程中，假设上道工序压机的机械手把工序件放到本工序模具中时对应的压机凸轮角度为a 度，上模压料板与下凸模刚接触时对应的凸轮角度为b 度，斜器单行程所对应的压机凸轮运行角度为c 度，压机运行到下死点的角度为d 度，模具压料板与下凸模刚脱开的角度为e 度，本工序机械手开始取件放入到下一工序时对应压机凸轮角度为f 度，则压机凸轮角度的设定如下。文章源自好焊孙辉博客 https://www.sunhui.me好焊孙辉-https://www.sunhui.me/weldgyzb/autochongya2024111221.html

斜器工作时所对应的压机凸轮角度A 区间的设定为，当上道工序的工序件放到本工序模具中，与模具斜器没有干涉(即当斜器在工作位置时，工序件放到模具内，工序件与斜器所在的模具部件无干涉)的情况下，A 的区间见公式1。当上道工序的工序件放到本工序模具中与斜器有干涉(即当斜器在工作位置时，工序件放到模具内，不能到达正确位置，工序件与斜器所在的模具部件有干涉)的情况下，A 的区间见公式2。斜器回程时所对应的压机凸轮角度B 区间的设定见公式3。斜器工作监测角度C 区间的设定见公式4。斜器回程监测角度D 区间的设定见公式5。

以上5 个公式为模具运动与压机凸轮角度自动化的匹配模型(以下简称“模型”)，实际生产中可根据模型设定合适参数，实现模具与压机的正确匹配，提高生产效率。

压机凸轮角度设置案例

模具斜器的运动

某车型侧围模具在主机厂高速压机6(第六道工序压机)的生产节拍为每分钟12.5 次，其下模结构如图2 所示，图3 为图2 中标注区域的斜器结构。此斜器结构工作原理为当上道工序的工序件放到模具下模后，气缸1 拉动斜器1 到工作位置，气缸2 推动斜器2 到工作位置，压机带动模具的上模由上死点向下逐渐运动到下死点，斜器3 在油气混合装置的作用下运动到工作位置完成冲孔工作，上模开始回程，斜器3 在回程氮气缸的作用下回程，气缸2 拉动斜器2 回程，气缸1 推动斜器1 回程，上模到达上死点，完成一次冲孔工作。

图2 某侧围模具下模结构

图3 斜器结构示意

压机凸轮角速度的计算

压力机完成一次冲程(压机上滑块由上死点运动到下死点，再由下死点返回上死点，为一次冲程)压机凸轮角度经过360°，如图4 所示。压机上死点对应的凸模角度为0°，下死点与压机曲线设定相关约200°左右(具体位置需要查看压机运行曲线)，图4 所示下死点凸轮角度183°，当压机速度为每分钟12.5 次时，凸轮平均角速度为每秒75°。

图4 高速压机凸轮角度曲线示意

斜器单次的运动计算

此侧围模具气缸为SMC 品牌气缸，型号为CP96SDL100-0150(气缸为CP96 系列，缸体直径为100mm，行程为150mm)，当模具高速生产时气缸活塞杆受到负载，导向润滑，导向间隙等因素的影响，气缸的实际速度为该型号最小速度，由气缸动能曲线，可知该气缸1 的最小速度250mm/s，则斜器1 的速度为250mm/s，斜器单次运行时间为0.6s，斜器单行程所对应的压机凸轮运行角度为45°。

压机凸轮角度区间设置

⑴ 斜器工作对应的压机凸轮角度设置。

本案例中由于上道工序的工序件与本工序模具的斜器有干涉，斜器工作时所对应的压机凸轮角度选择为a＜A＜b-c，根据高速生产压机的机械手运行角度曲线(图5)及机械手运行角度与压机角度耦合关系(图6)，可知当机械手5 把上道工序的工序件放到压机6 所在的模具时，机械手角度为285°，对应的压机6 的凸轮角度为40°，可得气缸1 的最小进气角度为40°，那么斜器1 的最小驱动角度a1=40°。由图4 可知模具压料板与下凸模刚接触时的压机凸轮角度为b1=153°，气缸的最大驱动角度为b1-c1=153°-45°=108°，由模型可以得出斜器1 工作时所对应的压机凸轮角度A1 的区间(40°＜A1＜108°) ，最终实际生产中驱动角度为60°，故A1=60°。

图5 高速机械手5 运行曲线示意

图6 机械手运行角度与压机角度耦合关系

根据模具运动的时序性，斜器工作时，斜器2 应当滞后斜器1(有利于减少斜器导向的磨损)一定的角度，一般取5°到10°，可得斜器2 的驱动角度A2=70°。

⑵斜器回程时对应的压机凸轮角度设置。

当上模回程时由图4 可知压料板与下模刚脱开时对应的压机凸轮角度为e1=199°，可得斜器1 回程最小角度199°，通过耦合角度可知机械手6 抓件时所对应的压机凸轮角度为f=288 度，因此斜器1 的最大回程角度为f-c1=288°-45°=243°，由模型可得斜器1 回程所对应压机凸轮回程驱动角度B1 的区间(199°＜B1＜243°)，最终实际生产中驱动角度取210°，故B1=210°。

由于斜器2 的计算原理与斜器1 相同，再根据模具运动的时序性，回程时斜器1 应当滞后斜器2，斜器2 的回程角度B2=200°。在压机的凸轮自动化控制中，自动化阀门3 控制斜器1 的驱动，自动化阀门4 控制斜器2 的驱动，可得斜器1 与斜器2 在压机中的驱动设置。

压机凸轮自动化监测角度设置

当斜器1 运行到工作位置时对应的开始角度为A+c=60+45=105°，由图4 可知压机下死点对应的角度d=183°，由模型可得斜器1 的监测角度C1 区间(105°＜C1＜183°)。

由于工作时斜器2 滞后于斜器1 工作(滞后10°)，可得斜器2 的监测角度C2 区间(115°＜C2＜183°)，当斜器1 运行到回程位置时对应的凸轮角度为B1+c1=210°+45°=255°(210°时气缸回气口进气，f=288°，由模型可得当斜器1 运行到回程位置的监测角度D1 的区间(255°＜D1＜288°)。

由于回程时斜器1 滞后于斜器2 工作( 滞后10 ° )， 可 得 斜 器2 的 监 测 角 度D2 区 间(245°＜D2＜288°)，在压机的凸轮自动化监测中，自动化监测1 监测斜器1 的工作行程，自动化监测2监测斜器2 的工作行程，自动化监测3 监测斜器1 的回程，自动化监测4 监测斜器2 的回程，由此可得斜器1 与斜器2 在压机中的监测设置。

生产过程常见问题优化案例

斜器动作慢的优化

某车型左侧围模具斜器采用气缸驱动，以每分钟14 次的节拍生产。在生产过程中，出现斜器回程动作慢，导致自动化监测报警，造成压机停歇。

分析原因为：1)斜器导向润滑不足 ，导致驱动斜器的气缸速度变慢，无法满足快速生产节拍；2)斜器驱动气缸局部损坏，导致气缸驱动力不足。

解决措施为：首先，确认产生问题斜器是由压机的哪一组气源控制，由于是斜器回程报警，问题锁定斜器回程控制的凸轮角度为220°/230°。其次，查看压机行程曲线，如图7 所示，模具压料板与凸模刚脱开时的角度为e=202°，由模型可知回程角度B＞e，所以回程角度大于202°即可，回程角度220°/230°更改为205°/215°，这样气缸提前运动，弥补了气缸速度变慢造成的斜器不能在有限时间内回程的问题，模具能够稳定生产。

图7 压机行程曲线

斜器动作不正确案例

某车型侧围模具，生产时发现钣金件表面产生压痕，如图8 所示。通过排查，问题产生的原因是压料板还没有脱开下凸模，斜器已回程，造成单板件没有模具支撑产生压痕。分析模具结构，模具缺陷位置为斜器结构，且为气缸驱动，原因锁定斜器回程驱动角度不正确。由模具的实际动作可知压料与下凸模脱开的角度e=242°，通过模型可知斜器回程驱动角度B＞e(即B＞242°)，但实际生产中斜器回程的驱动角度230°/235°。斜器的运动行程应当由压机自动化监测，当斜器运动不正确时，压机应当报警，实际检查发现压机监测角度没有设置，造成压机自动化无法监测。

图8 单板件表面压痕缺陷示意

解决措施为，根据模型重新设置斜器运动驱动角度，最终斜器回程驱动角度调整至245°/250°，冲压件缺陷消除。根据模型重新设置模具斜器运动在压机凸轮自动化中的监测区间，实现压机凸轮自动化的监测功能。

结束语

本文中模具斜器运动与压机凸轮自动化匹配模型，能够应用实际生产中，并且效果显著，是一套成熟的体系，在生产中也需要注意以下细节：

1)设置凸轮角度时，要充分考虑模具动作的合理性，如斜器运动先后顺序(锁止斜器与填充斜器动作的先后顺序)；

2)气缸驱动的斜器要考虑气缸动作的延迟性，当节拍提高时，考虑凸轮角度提前设置，使气缸提前运动，避免斜器动作不到位的情况发生；

3)压机监测角度设置时要考虑模具动作的延迟性，监测角度要滞后斜器的驱动角度，滞后度数与压机的速度及气缸的速度有关；

4)生产过程中出现模具动作慢时，也可临时考虑调整凸轮角度，使斜器提前运动达到能够满足临时生产的状态；

5)生产过程中出现斜器传感器监测失效的情况，要检查监测功能是否开启，监测区间是否合理，模具传感器的安装位置是否在合理范围内。