全自動沖壓機運行效率提升研究

摘 要：全自動沖壓設備安全可靠，應用越來越廣泛，為了更好的發揮設備的運行效率，本文以一臺全自動沖壓設備為例，把變頻電機控制的上、下料機構，步進電機控制的轉塔機構，伺服電機控制的運料機構等分別進行系統的優化，給出了提升設備運行效率的具體措施。

關鍵詞：自動沖壓機；效率提升；優化措施

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.198

1 引言

傳統的沖壓設備很多采用手工操作，手工送料、取料，工人勞動強度較高，容易疲勞和產生安全事故，工人因操作不當導致身體損傷的情況時有發生，且工作效率不高。全自動沖壓設備由于安全可靠，效率較高，應用越來越廣泛，各種各樣的自動沖壓設備被研制出來。為了更好的發揮這些自動設備的運行效率，進行連續、高效生產活動，我們對一臺全自動沖壓設備進行仔細研究和試驗，在保證安全可靠的情況下，這臺設備的運行效率提升明顯。

2 自動上下料機構原理分析及效率提升

（1）自動上下料機構動作原理。這臺全自動沖壓設備的自動上下料機構，就是設備的原材料倉庫和成品庫，與二維送料機構配合，實現原材料的出庫和加工后成品的入庫。主要運動部件是物料盤，物料盤采用三相交流異步電機帶動，交流異步電機采用了三菱變頻器驅動，物料盤由交流電動機帶動鏈輪、鏈條一起上下運行，具體位置由磁性傳感器無接觸感應控制，對于物料的取放，則采用了真空吸盤，實現了柔性抓取。

（2）自動上下料機構運行效率提升。對于采用變頻器驅動交流電機的機構，我們重點對變頻器進行了研究和試驗，這款設備三菱變頻器采用FR-D720S-0.4K-CHT型號，與三菱PLC配合，可以輕松實現三相交流電機正反轉和多段速控制。這臺設備變頻器初始的設置是低速運行，采用10HZ的低速頻率，PLC控制也只采用了一種速度，以保證取、放料的可靠性。我們在效率優化改進時，變頻器采用高、中、低3速設置，對應PLC也增加了兩路通信線。具體是，物料盤的空運行采用高速運行，變頻器輸出45HZ的頻率，物料盤快速到達取料位置，在真空吸盤抓取物料以后，采用20HZ頻率中速運行，保證物料盤吸住原材料穩速到達放料位置，而在加工后成品入庫的位置微調過程中，采用10HZ低速運行，保證物料精準入庫。在以上效率提升改進中，充分發揮了PLC控制優勢和變頻器的變頻調速優勢，通過改進和調試，自動上下料機構運行效率提升了一倍，取放料時間縮短為原來的一半。

3 二維送料機構原理分析及效率提升

（1）二維送料機構原理。這臺全自動沖壓設備的的二維送料機構有上下兩層，主要由滾珠絲桿螺母副、工作臺、直線導軌副等組成，下一層實現X軸方向的直線往復運動，上一層實現Y軸方向的直線往復運動，上下兩層均采用伺服電機控制，以實現平面位置的精確控制。同時，為保證安全，兩層工作臺均安裝有極限位置傳感器，為實現工作臺快速回原點，兩層工作臺還設置了原點位置傳感器。這個二維送料機構就是通過伺服電動機帶動工作臺在平面空間里自由移動，實現了物料精準移動，也實現了精確位置沖孔。

（2）二維送料機構運行效率提升。這臺設備的二維送料機構采用了交流伺服驅動，主要選用臺灣東元TSTE交流伺服驅動系統及其配套電機。在交流伺服驅動初始設置中，其電子齒輪比為3：1，PLC輸出的脈沖速率為20000PPS/S，二維送料機構運行平穩，其運動速度可達30mm/S，但用時較長，效率低下。我們在效率優化改進時，把電子齒輪比從3：1改為2：1，在PLC編程控制中，把二維送料機構的PLC輸出脈沖速率設置為100000 PPS /S，這樣工作臺就能最快的速度到達指定位置，其運動速度可達100mm/S，同時，把脈沖輸出的加減速時間由100ms調整為300ms， 減少了二維工作臺的瞬時沖擊，保證了物料在夾鉗上的穩定性，同時也保證了沖孔的精準度，使加工出來的產品合格率更高。通過以上改進，二維送料機構的運行效率提升很多，用時為原來的三分之一。

4 沖壓機模具轉塔機構的原理分析及效率提升

（1）沖壓機模具轉塔機構的原理。這臺設備的轉塔機構主要由上模盤、下模盤、鏈輪、鏈條、上下模盤定位支架、上下模盤定位銷、氣動定位裝置等組成，上下兩個模盤共有4個模具工位，可以安裝4種不同的模具。上下模盤運動采用步進電機驅動，步進電機通過減速機構帶動兩個鏈輪、鏈條和一個軸同時運動，實現上下模盤的同步轉動，同時實現了上下模盤轉動角度的精確控制，可以方便的進行模具的自由調換。

（2）沖壓機模具轉塔機構的效率提升。這臺設備轉塔機構運動采用步進電機驅動，選用了深圳雷塞公司的M542步進驅動器，步進電機的型號是2GN30K，自帶減速器的減速比為1：30。在初始設置中，步進驅動器的細分為8000，PLC輸出控制步進驅動器脈沖速率為20000PPS/S，脈沖輸出加減速時間為100ms。在實際運行時，模盤運動較穩定，但換模具的時間較長，大概需要7秒運轉90度，即最少需要7秒鐘換一個模具，且長時間運行時，容易出現模盤短時卡住，運動不到位的情況。我們在效率優化改進時，步進電機的細分數改為10000， 轉塔機構PLC輸出脈沖速率設置為60000 PPS /S，把脈沖輸出的加減速時間改為500ms， 改進后達到的效果就是模盤換模效率高了，模盤3秒鐘就能運轉90度，即最快3秒換一個模具，效率比原來提高了一倍。在穩定性方面，由于把換模加減速時間由100ms改為500ms， 就算有短時卡盤現象，機構也能自動調整，并通過定位銷重新精確復位，經過長時間試驗驗證，模盤再也沒有出現卡盤和運動不到位情況，模盤運動穩定性有了較大提高。

5 整機聯合調試及綜合效率提升

在上下料機構、二維送料機構和轉塔機構三大部件優化的基礎上，在整機運行聯合調試時，還進行了一些其它調整，以提高這臺設備的綜合效率。首先，這臺沖壓設備采用的是氣液增壓缸沖壓，由于氣液增壓缸耗氣量大，運動較為緩慢，所以在效率提升優化時，適當的提高了氣源的壓力，有初始的0.4MPa調整為0.8MPa， 沖壓缸運動速度快了很多。在觸摸屏控制和監控顯示方面，實現了觸摸屏和工作臺按鈕聯合控制，即設備既可以用工作臺的按鈕啟動停止，又可以用觸摸屏上的虛擬按鈕進行啟停控制，同時還對加工物料的數量、加工時間、沖壓狀態等參數進行了監控，實現了方便控制，在提高工人工作效率的同時提升了設備的綜合效率。

6 結語

通過這臺全自動沖壓設備效率優化提升，我們研究了PLC聯合變頻器控制三相交流電機、PLC聯合伺服驅動器控制交流伺服電機、PLC聯合步進驅動器控制步進電機等多方面的效率提升問題，這為其它自動化設備的效率優化提供了一些參考。同時說明，我們使用的各種自動化加工設備還有效率提升空間，需要我們不斷的研究和效率優

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化，從而提高設備的加工效率，提高工人的勞動生產率。

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作者簡介：官倫（1974-），男，本科，高級實習指導教師，高級技師，官倫電工首席技能大師工作室主持人，從事電氣自動化領域的研究。