德國汽車工業技術在一汽-大眾沖壓車間的應用

文/唐士東，柳承峰，何偉·一汽-大眾汽車有限公司

德國汽車工業技術在一汽-大眾沖壓車間的應用

文/唐士東，柳承峰，何偉·一汽-大眾汽車有限公司

德國是現代汽車的發源地，是生產汽車歷史最悠久的國家之一。自從1886年卡爾-本茨發明第一輛汽車至今，德國的汽車工業已經走過了131年的發展歷程，其汽車工業技術處于世界領先地位，本文將介紹德國汽車工業技術在一汽-大眾汽車有限公司成都分公司沖壓車間中的應用以及成都分公司在此基礎上開展的改進工作。

一汽-大眾成都分公司沖壓車間

一汽-大眾汽車有限公司成都分公司沖壓車間總占地面積近65000m2、建筑面積近68000m2，是按照德國康采恩集團“完美工廠”標準建設的全新現代化沖壓車間。沖壓車間從2009年5月奠基施工，共分三期建設，2014年5月開卷落料線通過終驗收，實現了“5+1”的設備布局，5條自動化生產線、5臺調試壓機、1條開卷落料線（圖1）。其中，德國米勒·萬家頓調試壓機4臺、生產線4條；國產濟二調試壓機1臺、生產線1條；德國舒勒開卷落料線1條。德國米勒·萬家頓全自動化沖壓生產線（圖1）應用了VMT板料對中系統、KUKA機器人，舒勒開卷落料線采用了SIMOTION運動控制系統等德國先進技術。

圖1 德國米勒·萬家頓自動高速沖壓線

德國先進技術的應用

VMT板料對中系統

沖壓車間MW生產線為實現板料位置校正而采用VMT攝像對中系統技術，該技術利用先進的軟硬件測量技術實現了零件的無接觸測量、精確定位，位置容錯范圍大，并可實現對兩個板料的位置確定。

VMT攝像對中系統的核心是一個具有學習功能的神經網絡系統，它通過對檢測標記點的特征模板進行學習，能夠識別任意的特征標記或邊緣特征；而系統內置各種亞像素級別的搜索識別算法，使得特征點的識別可以達到最佳精確度。操作人員可以通過不斷增加該模板的特征點的方式，使系統達到很高的特征點識別率。尤其是當環境不穩定或圖像背景變化時，通過簡單的優化學習就能解決問題。

VMT對中系統的操作界面簡潔直觀、操作簡單，一般操作人員只要1到2天的培訓就可以掌握。VMT攝像對中系統作為自動控制系統的一個智能從站，運行穩定可靠。當出現異常時，可以利用過程數據和自帶的輔助工具來對干擾進行分析，并排除干擾源。VMT攝像對中系統和VMT對中系統的操作界面如圖2所示。

圖2 VMT攝像對中系統和VMT對中系統的操作界面

拆垛KUKA機器人

生產線線首的板料拆垛工作主要由德國KUKA公司的四軸拆垛機器人來實現，其中每條生產線有兩臺KUKA機器人配合工作，其中一臺KUKA機器人將板料從料垛小車抓起放到節拍皮帶機上，另一臺機器人與VMT對中系統配合，完成板料的位置校正，并將板料從節拍皮帶機上轉向90°放置在儲料臺上。

KUKA四軸拆垛機器人具備高精度、高速度、高可靠、高安全，同時兼顧柔性化生產等優異特點，可以在左右兩個料垛車之間移動，上料時不會造成停臺，確保了整線自動化生產的連續性。

拆垛機器人尤其是對中機器人，需要具有極高的重復定位精度，而KUKA機器人的重復精定位能實現±0.20mm。除抓放板料精準，KUKA機器人動作響應速度極快，可以實現14次/分鐘的抓取速度。

實現以上指標的基礎在于KUKA機器人的動作通過專用的伺服控制系統以及成熟可靠的機器傳動結構實現，達到4軸的整體聯動，具有較高的運動自由度。通過示教器編程或離線編程，KUKA機器人能夠實現不同位置的動作，并可針對不同板料快速切換端拾器，并利用雙料檢測裝置一起工作篩除不合格板料。

KUKA機器人自身的控制系統通過PROFIBUS總線連接到拆垛總控PLC系統，從而不止實現了對于PLC CPU的信號通訊，也實現了通過其他接口接入PLC的子系統通訊（如雙料檢測、真空檢測以及對中系統等），使機器人實現了更為復雜的功能，保證了整個拆垛自動化功能系統的實現。而通過安全總線與PILZ安全PLC的連接也實現了整個系統高標準的安全監控。KUKA四軸拆垛機器人如圖3所示。

西門子S120

西門子S120、S150系列變頻器是西門子公司推出的全新的集成V/F、矢量控制及伺服控制的驅動控制系統。該系統不僅能控制普通的三相異步電動機，還能控制同步電機；在沖壓車間，該類型變頻器主要用于對壓機單元飛輪驅動的三相交流異步電機的控制。

目前采用的是機柜型的S120、S150系列變頻器，它們特別適合于搭配在動態響應、速度精確度、高頻制動以及四象限運行方面有很高要求的變速驅動器上。

驅動系統采用獨立的功率單元與控制單元，可有效進行配置，同時采用了節能設計，將軸的能量反饋回電網，即使在達到最高的供電能力時，也不會在控制柜內產生多余的熱量。該系統的電源模塊還具備防止電容性和電感性無功電流的功能，并確保了供電過程中不會出現多余的功率損耗，并消除了電流諧波。

S120/150驅動系統主要包括電源模塊、濾波模塊和功率模塊等三部分組成，機柜采用內部風冷的方式來為IGBT散熱；該類型變頻器采用ProfiBus進行數據通信，將相關控制信號發送至西門子PLC，西門子PLC通過ProfiBus網絡來控制該變頻器，根據生產線設定的沖程次數，上位機控制功率模塊輸出一定頻率的交變電流，從而實現了壓機線不同沖程次數的生產任務。

Beckhoff在沖壓車間的應用

沖壓車間的生產線無論國外廠家（德國Schuler）和國內廠家（JIER），均采用高速化自動傳輸機械手在壓機中間進行板料的傳輸，但傳輸機械手由于運動速度快，位置響應要求高，普通的PLC的CPU響應以及處理的時間已經無法滿足需求，為實現該功能，生產線廠家均采用德國Beckhoff的自動化控制系統來實現。德國Beckhoff的自動化控制系統如圖4所示。

Beckhoff自動化控制系統是由德國倍福公司與微軟公司進行深度合作開發而成的，代表了未來PLC的趨勢。整個控制系統的循環周期最快可以達到50微秒，區別于傳統的BUS通訊，Beckhoff采用EtherCAT通訊總線，一網到底，每個模塊都可以在線診斷，提供了更智能的解決方案。

圖3 KUKA四軸拆垛機器人

圖4 德國Beckhoff的自動化控制系統

傳統的PLC都是由硬件組成，并需要外界的編程器進行編程開發，而Beckhoff開發的TwinCAT控制系統，正是基于了Windows界面開發，即使工控PC安裝了TwinCAT軟件后，也能成為可以控制外部邏輯的軟PLC，這樣的方式便于軟件的編程與開發，以及后期的HMI的集成。并且安裝后TwinCAT最多只占用PC CPU80%的使用率，剩下的20%，交給Windows系統，使整個配比是動態變化的，保證了操作系統與控制系統任務負荷的合理分配。

德國Schuler和中國JIER的TwinCAT控制方式各有不同，德國Schuler在程序應用上僅可以將程序源代碼下載，并不開放程序，但是相應的診斷界面做的非常豐富與詳細，方便指導維修人員的故障排查工作；而JIER廠家的TwinCAT程序為完全開放的模式，這樣增加了維護的難度，但同時也開放了功能接口，方便擴展功能。

SIMOTION運動控制系統

開卷落料線將卷料通過開卷、切頭、清洗、矯直、步進式送料、壓機成形、堆垛生產工藝流程完成整個生產過程，在生產過程中，各個軸之間的同步精度對于整個生產尤為重要。如果把整個生產線設計實施比作描繪一條巨龍，那么解決控制問題就好比為這條龍注入靈魂的動力——點睛。該點睛之筆采用西門子提供的SIMOTION運動控制系統——開卷部分采用1臺SIMOTION D445運動控制器，堆垛部分采用1臺SIMOTION D435運動控制器、15臺伺服同步電機。

開卷部分、堆垛部分和壓機的控制系統進行實時的數據交換，送料系統讀取壓機主軸編碼器數據，知道壓機主軸的位置，實現軸同步，精準控制送料的連續性，提高生產效率。整個系統在功效、精度、節能多方面的整體性能各具獨特之處。目前壓機最高沖程次數可達每分鐘105次，整線沖程次數目前最快的零件可達每分鐘78次。

基于SIMOTION的堆垛系統可以實現停落功能，和以往的拋落形式相比，零件質量得以有效控制，有效遏制了板料邊緣變形和料屑的問題。另外壓機部分采用最先進的伺服技術和能量回收系統，西門子提供的ALM模塊，可以在制動過程中對電機產生的三相交流電進行整流，并在檢測到直流母線電壓升高時將多余能量回饋給電網，供其他設備使用。該器件的能量反饋效率極高，電機制動期間由機械能轉化成的電能幾乎能夠無損地返回電網，以此大大降低了整條生產線的綜合能耗。

一汽-大眾開展的改進工作

清洗機自動加油系統改造

由于沖壓工藝特性，外表面制件板料需要清洗機進行清洗，可以將板料表面附著的灰塵、碎屑清洗干凈，清洗過后的板料表面會殘留一層油膜，可以起到成品制件防銹的作用。2016年初，因為清洗機清洗板料效果不好導致質量問題頻發，嚴重制約了生產效率，同時質量不穩定也增加了返修人員的工作負荷，產生了“質量問題多→停臺多→返修量大→工作負荷高→工作情緒低”的惡性循環。

一汽-大眾汽車有限公司沖壓車間借助黏度儀、油膜厚度儀等先進工具，結合業內公開發表的論文資料，經過3個月的數據收集、研究分析、模擬驗證，最終發現引起制件質量不穩定的根本原因是由于清洗油的黏度變化造成的，清洗油的黏度與清洗油的液位有一定的對應關系。總結出了板料殘油油膜厚度、清洗油黏度、清洗油液位的變化規律，以此實驗數據為基礎設計了一套清洗油在線自動加油系統，自主完成了硬件設計和軟件開發，最終實現了清洗機智能“喝”油，不再依靠人工“喂”油，清洗油黏度、油膜厚度得到了有效控制。清洗機自動加油系統改造如圖5所示。

圖5 清洗機自動加油系統改造

開卷線托料桿滾輪改進

開卷落料線是將卷料生產為板料的設備，也是沖壓制件質量控制的第一道防線。2016年年初，多種板料表面均出現了板料有包的質量缺陷，嚴重制約了生產效率。經過沖壓車間研究分析，發現傳輸皮帶上的金屬滾輪是罪魁禍首，板料在傳輸過程中與金屬滾輪有碰撞，從而產生了包的缺陷。通過與一汽-大眾其他生產基地沖壓車間的交流，發現這是設備的共性問題，設備設計上存在的固有缺陷，并決定從滾輪材質上進行改進。經過金屬、橡膠、尼龍、滾毛等不同材質的實驗，發現滾毛材質對質量影響最小。通過對毛刷滾輪進行測繪加工并試裝測試，優化設備的參數和改進機械結構。經過兩個月的跟蹤觀察，板料磕碰出包的問題徹底消除，并且滾輪從金屬材質改為毛刷材質之后的維護成本也減少了5萬/年，既解決了質量缺陷又節省了成本，改進效果顯著。

結束語

德國汽車工業技術處于世界領先地位，本文重點介紹了德國汽車工業技術在一汽-大眾汽車有限公司沖壓車間的具體應用，同時，介紹了一汽-大眾沖壓車間在應用過程中對德國沖壓生產線設備的改進案例。

唐士東，沖壓車間主任，工程師，主要從事沖壓車間生產管理、沖壓件質量優化、模具維修保養等工作。