汽车板材零件充液成形液压机生产线

文/赵娜·天津市天锻压力机有限公司

李学言·天津睿科达汽车技术有限公司

本文主要研究充液成形工艺，充液成形液压机以及生产线组成部分，并着重探究了充液成形生产线的控制及充液成形液压机生产线动作。最后，介绍了天锻压力机公司研制开发管板复合式充液成形生产线，该生产线是我国自主研发的具有国际先进水平的板材零件充液成形生产线，真正实现了设备、模具工艺技术、机电液一体化，实现了板材成形的数字化信息精准传递。

国内目前大吨位充液成形装备与关键技术及机器人技术已基本成熟，已具备研制智能化充液成形生产线的能力和在自主白车身上应用的条件，因此无论是从自主车型零件制造的需要，还是从填补国内空白降低进口整线购买和应用成本的现实意义来讲，都需要尽快启动研制国产智能化充液成形液压机生产线，实现应用，填补国内空白，赶上世界先进水平。

基于充液成形工艺，开发具有自主知识产权的大型充液成形设备及柔性化生产线，促进充液成形生产线技术的发展，为企业带来巨大的经济效益。因此，本文详细探讨了基于充液成形工艺的智能化液压机的研制和柔性化生产线技术。

充液成形工艺

充液成形工艺相比较传统工艺具有生产效率高，能实现一次成形，工序少，零件的整体性高、质量更好，再现性高，几乎件件具有相同的性能，特别适合于生产批量大的零件如管接头，汽车，摩托车等交通运输工具零部件以及飞机上零部件，性能质量相比铸造及焊接的高得多，尤其是在汽车零部件生产上，提高零部件的整体质量的同时减轻零部件的重量。所以现在汽车生产中开始大量流行这种工艺。对于减轻汽车重量，增加汽车的安全性很重要。开始慢慢替代传统的焊接、铸造工艺。

板材充液成形工艺

板材充液拉深是在凹模中充一定的柔性液体，当凸模下行时，凹模中的液体产生相对压力，从而将板材紧紧地贴在凸模上，并可在凹模与毛坯板料下表面之间产生流体润滑和摩擦保持效果，从而可以得到高精度的工件，如图1 所示。

图1 充液拉深成形技术

充液成形技术具有以下的特征：(1)以液体或其他的柔性体来代替凹模。(2)摩擦保持效果。(3)摩擦降低效果即溢流润滑效果。(4)形成软拉深筋。

管材充液成形工艺

如图2 所示，管材充液成形是将一根直的或预弯曲的管材放入模具型腔内，两端注入液体介质、密封、闭合模具，在均匀的内部液压力和加在管材两端的轴向力的共同作用下使管坯材料发生塑性变形，并成形为模具型腔的形状，得到高精度的中空零件。管材充液成形又称内高压成形，具体可分为内高压纯胀形和带轴向进给内高压成形。一般零件成形内压力可以达到150 ～400MPa。

图2 管材充液成形工艺

充液成形液压机生产线组成

充液成形液压机生产线由两台以上的充液设备和机器人单元及其他辅助设备组成，可分为板式充液成形生产线、管式充液成形生产线和管板复合充液成形生产线。通常，充液成形液压机生产线基本组成单元有：充液成形液压机、机器人、机器人抓手、自动上下料、工件定位装置等。

液压机单元

基于充液成形工艺特点及流程，研发充液成形液压机。和传统液压机最大的区别在于充液成形液压机具有蓄能器。另外，由于充液成形工艺对滑块的运动精度要求很高，故主机机身采用三梁四柱两滑块的结构，即上横梁、下横梁、立柱、拉深滑块、压边滑块、移动工作台、充液成形系统、检修平台组成，图3 为天锻研发的充液成形液压机。

图3 天锻研发的充液成形液压机

超高压系统主要由油箱、水箱、电机、液压泵、增压缸、液压阀、传感器、压力表和过滤装置等组成，为板材充液成形提供0 ～60MPa 的液压源。

超高压源控制系统主要由控制柜、分线盒、计算机监控系统和电气接口等组成，可以实现板材充液成形过程的实时计算机控制。

增压器系统为板材充液成形提供超高压压力源，系统由油箱、变量柱塞泵、增压器、液压阀和过滤装置等组成。

以250MPa 增压器为例，常用液压系统额定工作压力为25MPa，故其增压器比为10:1。为满足压力随工艺参数控制，增压器需配置数显尺，显示精度可达0.01mm，增压器的出口接压力传感器，检测精度可达0.01MPa，为控制系统提供位移和压力信号，用于控制增压器。

机器人(图4)本身刚度是满足机器人作业单元的重要性能指标。然而，注意到机器人的刚度随其位形变化，因此需在概念设计阶段快速预估出末端刚度在工作空间内的变化规律，以便为机械结构的详细设计提供必要的理论依据。机器人关节变形的一个直接影响是引起末端的静态变形误差。在机器人的自重和外部负载的作用下，各关节会发生相应的变形，而这种变形又会累积到机器人的末端。对串联机器人，这种作用尤为明显。机器人关节变形的另一个影响是引起末端的动态变形误差，即振荡，从而降低了机器人的动态性能。当机器人高速运行时，这种影响较为显著。因此，若要提高机器人的位置精度和动态性能，必须减小关节变形的影响。机器人带件运行时本身会有晃动，再加上抓手都有负载重量，所以对机器人的刚度有一定的要求，要满足机器人在运动时加速和停止的瞬间不会超过误差精度。

图4 机器人单元

康熙·《行书柳条边望月周》纸本、行书北京故宫博物院藏康熙的母亲对书法颇有研究，尤其喜欢当时书法大家赵涵的一些字帖，康熙私访回京，想试试母亲对书法的眼力，就把在周至大街上写的字拿给她看。母亲拿起字来端详了一会儿，说：“康熙学字数十年，只有一点像赵涵。”并把赵涵添上的一点指给康熙。康熙听后对母亲更加敬重，从此也坚定了他学习赵涵书法的决心。

机器人的精度，机器人本身存在重复定位精度的问题，当机械手重复运动到同一位置点时，与最初定位位置存在相应的误差，根据产品工艺要求，必须保证机械手重复定位精度达到0.1mm，而且在机械手使用一段时间后也存在误差增加的情况，时间长了可能会超出定位精度，所以在选择机械手时一定要对机械手进行全面的了解，本项目选择ABB 机械手，能同时达到高精度和高稳定性。

抓手单元

抓手(图5)是机械手机器人抓料的工具，同一个机器人对应不同的工件可以选择不同抓手，在机械手第六轴上的工具法兰盘上对接不同的机械抓手，可与机器人匹配，可实现不同工料不同抓手机器人自动切换，此时为保证精度问题，机器人与抓手的接口一定要有定位，保证机械手反复更换抓手时的重复定位精度不会超过误差，并且在机器人高速移动或做加速度运动时抓手跟随机器人移动不会出现超过误差精度的晃动幅度。同时抓手的刚度也要有相应的要求，根据工件的质量还有机器人需要的速度，计算好抓手的制作材料刚度，避免刚度过低引起晃动幅度过大导致抓取和放置时偏离指定位置抓歪或放歪。

图5 吸盘式抓手

本项目采用吸盘式抓手，抓手根部有手动锁紧更换装置保证每次自由更换，高速运动时不会有晃动偏差。结构内部有加强筋，在机器人抓料后运动时不会有太大的晃动。吸盘的压力满足吸合后紧紧固定，保证了在整个运动过程中的晃动或甩动不会造成物料位置偏移。

自动定位装置

通常充液成形零件尺寸较大，刚性差，放置时会出现较大的凹陷，这样将会造成工艺的不稳定和预成形变形量不足，从而造成零件质量一致性差，成品率低；零件成形过程中，为了便于机械手自动抓取，零件的位置需要精确固定，所以开发自动定位装置(图6)。

图6 自动定位装置

充液成形生产线的控制

控制系统

通常生产线的控制系统由开关控制、电液比例控制和伺服控制组成，对位置控制精度是各不相同的，这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关。

伺服刚度和机械刚度是两个不同的概念，它是指整个伺服系统，从控制系统到机械结构表现出来的抵抗外力而不产生位置偏差的能力。当引入控制系统，即伺服驱动装置时，控制系统的相关参数也会影响整个系统抵抗变形的能力。以上一节的单自由度系统为例，引入PD控制律，对被控对象的位置进行定点控制。

机械刚度与伺服刚度，一个典型的机电系统，由机械系统和控制系统两部分组成。如图7 所示，其中Ge为控制环节，Gm为机械环节，xd为期望值，xo为输出值，F 为干扰。

图7 机电系统简图

机械刚度是指机械部件产生单位变形所需载荷的大小，它反映了机械结构抵抗变形的能力。在载荷的作用下，机械结构的变形主要有自身变形、局部变形和接触变形，机械结构的刚度即为各部分变形的综合作用。

充液成形液压机生产线动作

充液成形生产线布置如图8 所示。待压制零件经涂油后放置于生产线首工位的自动定位装置进行定位对中后，进行双料检测；上料机器人抓取送料至首台预成形液压机完成第一道工序的加工，下料机器人取料、送料至充液成形液压机完成充液成形工艺；线尾机器人取料、放料至伸缩皮带机输送，后进行人工码垛。

图8 充液成形生产线

试验验证

天锻压力机公司为某汽车公司研制开发的管板复合式充液成形生产线是我国自主研发的具有国际先进水平的板材零件充液成形生产线，真正实现了设备、模具工艺技术、机电液一体化，实现了板材成形的数字化信息精准传递。该生产线主要包括以下部分：

(1)包含搬运机器人及配套抓手，主要负责设备的上下料搬运。

(2)每台机器人配备2 套抓手，抓手采用自动快换机构。

(3)上料机构采用两个料车交替使用，一次装填可放置多套零件。

(4)下料机构采用料车形式，料车可用于清洗机直接清洗。

(5)自动化线采用集中中央CPU +总线通讯的控制结构。

(6)上位机对整线设备进行监控，实时运行状态检测。

(7)自动化控制系统能检查机器人控制系统的主要故障。

总结

(1)探究了板材充液成形工艺，针对汽车铝合金覆盖件为研究对象，进行了充液成形数值模拟。

(2)基于充液成形工艺，研制了高端数控充液成形双动液压机，该液压机真正实现了机电液一体化。

(3)针对柔性冲压生产线的设备配置和机器人离线编程技术，详细介绍了天锻压力机公司研制开发的管板复合式充液成形生产线。

(4)基于此生产线对汽车铝合金发盖内板进行了试验验证。