【原】大型智能化数控伺服压力机装备的研发

 

 

 

大型智能化数控伺服压力机装备的研发

项目立项书

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

立项时间：2013年2月20日    

立项部门：研发中心             

 

 

 

一、立项依据

㈠ 国内外现状、水平和发展趋势

中国汽车产量已经连续数年位居全球第一位，据国家统计局统计数据显示2012年我国累计汽车产量2059.7万辆，同比增长6.3%，在国名经济中占据积极重要的地位。大型压力机是生产汽车车身覆盖件等零部件的关键装备之一，市场需求非常旺盛，市场潜力非常巨大。

汽车的发展方向是轻量化、节能减排和高安全性。为达到上述目标，现代汽车广泛采用高强度钢板、铝合金板材、非等厚焊接钢板等难成形材料。如日产汽车公司在最近的公司发展规划中就宣布将采用新型的1.2Gpa超高强度钢，并在五年内使用采用超高强度钢制造的汽车零部件比例达到25%，这一计划将会使日产的平均车重降低15%，从而得到大幅度低油耗与排放，并提升了安全。新能源汽车作为国家和我省重点发展的战略性产业，在未来将会迎来超高速的发展。新能源对车身结构、强度提出更高要求，传统的压力机在加工铝合金板材，高强度钢板、非等厚焊接钢板等难成形材料时存在诸多困难，对磨具设计及成型工艺要求高、磨损大、良品率低，切传统压力机先天具备能耗高、噪音大等无法解决的缺陷。

因此一种具有成型工艺可控，可通过根据材料材质特点，以及模具的特点设计不同的工艺方法，可使材料的可成形性大幅度提升，解决在加工铝合金板材、高强度钢板、非等厚焊接钢板等难成形的成型问题，而且还节能，低噪，并提高良品率和模具寿命等等的新技术将取代过去传统工艺技术。

㈡ 项目研究开发目的和意义

为提高我过智能化数控伺服压力机制造水平，摆脱关键零部件及核心技术依赖进口的局面，打破国外在现今材料成形加工装备的方面的技术壁垒，促进提升传统装备智能化和数字化水平；以市场和国家的需求为导向，为汽车制造和航天航空的国家的重点领域提供装备支撑，提升生产品质与效率，降低生产成本，对国内相关行业产生较大的积极促进作用。

这项技术对提高国家的工业发展速度，提升制造业的自主创新能力和装备的制造技术水平，特别突破国外的技术封锁，提高技术的主动权，尽快实现工业化强国有着长远的利益和深远的影响。对全面推动高端数控设备及产业化，振兴智能制造装备等战略性新兴产业具有十分巨大的推动作用和现实意义。

㈢ 项目达到的技术水平及市场前景

本项目提出的伺服压力机技术具有成型工艺曲线可调可控、高度柔性化的特点，理论和实验研究证明，对板材实行变速成形可以提高其成形性能。通过针对板材材质和模具特点设计不同的优化工艺曲线，可使材料的可成形性大幅度的提升，解决在加工铝合金板材、高强度钢材，高强度钢板、非等厚焊接钢板等难成形材料的问题，而且并传统工艺节能40%以上，工作过程噪音显著下降，良品率和模具寿命大幅度提高。本项技术打破我国汽车、航天等高端领域的技术、材料、重要零部件需要进口或者需要引进国外高端设备的格局，本技术具备世界领先水平。

因此，伺服压力机是一种极具应用前景的新型装备，在金属板材冲裁，拉深等各种加工模式中均能体现出传统压力机所无法比拟的显著优势。

二、研究开发内容和目标

㈠ 项目主要内容及关键技术

通过研究开发和应用这种新技术，以适应国家和地区以及当前行业实际发展的趋势和需求，满足发展的需要。

项目主要内容：

1、根据国家和行业的发展现状，分析了解当前技术水平以及国外技术水平；进行市场的调研，总结调研报告；并根据市场调研的情况进行分析总结，确定本项研发的方案；组织人员进行各部分按照项目小组的形式进行分工研究和开发，并在这个过程中进行不断的测试，使达到预定的设计目标；

2、对第一部分的研究开发进行总结；按照各个项目部分进行总结项目成果并编订技术文件；根据研究开发过程记录所有研究数据进行整理，制定相关的技术规范和技术的标准；

3、对第一部分得出的各项组成部分进行测试，并且进行组合测试，重点研究开发整体的控制系统，并且各部分之间的匹配性；对整体的运行可靠性和安全性进行研究，对关键的零部件进行加工测试，对重点的控制伺服系统和精度进行测试盒调整，根据实际测试情况进行整体的匹配，根据之前制定的技术规范和标准进行验证，将不合理的规范和标准进行重新的修改；

4、最终整体的测试本项目产生的技术产品，再次确认运行的安全可靠性。最终进行技术规范和技术标准的确定，形成规范的技术文件；收集整理整个研究开发过程，总结、编制和整理全套的技术资料并存档，根据需要编写设备操作说明书和技术规范要求，以供使用方使用。

项目需要解决的关键技术：

1、大型数字伺服压力机驱动与传动的运动学与动力学如何进行匹配；以及本体结构的动力学与模态的分析；

2、电机高速同步力矩如何合成，达到使用要求；

3、板料成形工艺如何进行智能优化，伺服电机冲压工艺如何优化；

4、滑块变速运行如何进行全封闭的控制；

5、如何提高大型重载压力机可靠性保证精度；

6、如何实现设备故障自检以及远程控制。

㈡ 技术创新点：

1、重载驱动：是一种新型的多电机协同出力的方法。基于高速内存总线传递速度与力矩指令，确保多台刚性连接电机在高速、变速运转时也仍然能够保持载荷均衡、最大化出力，且能实时切换电机的速度模式和力矩模式，完成复杂的加工工艺控制；

2、电机潜能深度挖掘：面向伺服电机特性的成型工艺优化放方法。综合伺服电机本身的转速力矩曲线及热容量等技术特征与待成形的工艺特征，基于一种优化算法设计中一种既能满足待成形件冲压工艺要求，同时又能将电机潜能利用最大化的电机运动方式；

3、智能制造：冲压过程实时智能优化技术。突破传统的伺服压力机多种成形速度，位移工艺曲线的理念，开发多种智能化成形工艺，实时侦测材料的个体差异带来对滑块位移，成行力的影响，并进行实时调整，智能消除板材厚度，特性的个体差异，提高良品率，提高对模具的适应度；

4、高效传动：自主设计、面向新能源汽车等行业优化的重载、大行程的增力传动机构，针对不同领域行业的区别，研发肘板连杆式传力机构，可提升空行程速度的前提下确保合模后滑块压力输出要求；

5、高安全性：双通道状态比较监控技术。避免因数控伺服压力机构控制系统的软硬件故障造成的坏块失控下落，冲顶，达到数字伺服压力机的安全控制。

㈢ 主要技术指标或经济指标：

1、技术指标：

最大公称压力：20000KN

滑块行程：1000mm

工作台最大尺寸：5000×2600mm

滑块任意位置的重复停止精度：±0.5mm

满负荷下死点保压时间：0.5～1s

滑块行程次数：不低于8～15次/分钟

用户可设置、存储数控伺服压力机运动曲线

申请国家发明专利5件，其中进入实审阶段发明专利不少于3件；申请实用新型专利4件，授权2件；等级软件著作权2项；制定技术标准1项，发表论文4篇以上。

2、经济指标：

执行期间：预计项目实施期间，项目实现产值5000万元以上；

达产后：按1:2的投入产出比，预计第五年实现达产，达产后销售收入为1.2亿元/年

市场前景：成型装备每年进口20亿美元以上，国产每年600亿元以上，而且前两年的增长超过30%。如果我们的目标市场占有率达1%，即有6亿元以上的销售收入。

三、研究开发方法及技术路线

研究开发方法：

1、开展技术和市场调研，了解用户单位需求以及伺服电机及其控制系统、压力机主传动系统最新发展水平，研究轻量化、高强度板材的成形工艺方法，创建成形设备的结构形式、技术参数，保证适合用户的需求，进行技术论证和工艺分析，写出科研任务书，制定研发方案。

2、发挥各自的技术优势，参照国外同类产品的特点，在已掌握的技术和资料基础上，通过分析、消化、吸收，解决面临的难题，并形成具有自主知识产权的技术方案。

工艺设计：

1、采用计算机数字样机设计技术，对传动系统进行运动学、动力学分析、系统优化设计和建模，以滑块工作行程内机械增益最大和力均载变化波动量最小为目标，进行杆系尺度全局优化设计；

2、主驱动与传动机构的研究。采用一种具有自主知识产权的多电机同步驱动螺杆和对称多连杆传动系统，具有空行程增速及加压行程的力放大功能，并构成四点施压；对螺旋副—肘板—两岸传动机构，首先进行运动学、动力学分析；对零部件和整体组装结构进行有限元分析，优化结构参数，提高滑块运动稳定性和定位精度；

3、建立大型螺杆、螺母、轴承的数字模型。首先通过虚拟现实技术（VR）对构件进行优化设计，并进行刚度、强度、研究螺母材料提高其寿命。

4、对于伺服压力机机身，建立三维有限元模型，进行静力学、动力学、模态分析与全局优化，在满足压力机性能要求的前提下减轻滑块重量，设计高钢性机身；

5、机身总体设计。采用焊接封闭式框架式机身，主螺杆、螺母和导轨润滑采用集中稀油润滑和温控系统，带有滑块多重安全保护装置，采用新型液压式滑块平衡系统，设置光电式人身安全监测系统；

6、主控制系统研究。伺服压力机采用两个运动控制器构成互监测的双通道安全控制系统。采用低延迟的快速指令传输技术实现多台大容量伺服电机的高精度同步控制及负载均衡；

7、滑块变速运动的全闭环控制系统研究、设备故障自诊断及远程监控技术研究、伺服压力机控制系统软件研究开发、冗余电能储存与再利用研究；

8、根据各结构的设计和优化结果，进行工程设计，绘制样机的详细工程图；并制作样机进行试运行；

9、总结、编制整套的技术资料。

四、现有研究开发基础

公司介绍（公司信息、规模、主营产品，公司运营情况、研发管理部门建设，研发水平和能力，获得的相关荣誉）

五、研究开发项目组人员名单

项目负责人：

研发人员：

 

六、计划工作进度

1、2013年3月—2013年12月：根据国家和行业的发展现状，分析了解当前技术水平以及国外技术水平；进行市场的调研，总结调研报告；并根据市场调研的情况进行分析总结，确定本项研发的方案；组织人员进行各部分按照项目小组的形式进行分工研究和开发，并在这个过程中进行不断的测试，使达到预定的设计目标。

2、2014年1月—2015年12月：对第一部分得出的各项组成部分进行测试，并且进行组合测试，重点研究开发整体的控制系统，并且各部分之间的匹配性；对整体的运行可靠性和安全性进行研究，对关键的零部件进行加工测试，对重点的控制伺服系统和精度进行测试盒调整，根据实际测试情况进行整体的匹配，根据之前制定的技术规范和标准进行验证，将不合理的规范和标准进行重新的修改。

3、2016年1月—2016年3月：最终整体的测试本项目产生的技术产品，再次确认运行的安全可靠性。最终进行技术规范和技术标准的确定，形成规范的技术文件；

4、2016年4月—2016年5月：收集整理整个研究开发过程，总结、编制和整理全套的技术资料并存档，根据需要编写设备操作说明书和技术规范要求，以供使用方使用。