冲压自动化生产线

1. 设备简介

冲压是金属制品 (汽车覆盖件、家电外壳、电器五金、屏蔽罩) 行业的核心成形工艺。 自动化冲压线通常由 "开卷机 → 矫平机 → 送料机 → 冲床 (多台连线) → 出料台" 组成, 关键指标是 冲次/分钟 (SPM) 和 送料精度。

本案例为某山东家电外壳供应商的 2000 吨闭式冲床生产线, 由 Darra 平台把 开卷 / 矫平 / 送料 / 飞剪 / 两台冲床协同全部统一到一套控制器。核心工艺是 虚轴 + 电子凸轮 + 飞剪 + 张力控制四大工艺对象的组合应用。

主要工位流程:

1. 开卷机卷料展开 → 张力伺服闭环 (根据卷径自适应)
2. 矫平机三辊伺服, 辊距随板厚 1.2mm 动态调整
3. 送料伺服跟随虚拟主轴 (电子齿轮 1:1), 每次推进 420mm
4. 飞剪伺服在送料不停机的前提下切断 2500mm 长板
5. 两台冲床伺服跟随虚轴 (电子凸轮), 冲床 B 相位偏移 180° 错峰冲击
6. 每冲记录吨位曲线 + 能耗 + 模具计数 → MES

关键能力: 40 SPM, 送料精度 ±0.15 mm, 飞剪精度 ±0.3 mm, 主从冲床同步误差 < 0.5°, 张力波动 ≤ ±3%, 换模 ≤ 8 分钟。

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2. 项目模块组成

层次	模块	职责
机械	开卷机	卷料展开, 张力伺服闭环
机械	矫平机	三辊伺服, 消除板料应力
机械	送料机	伺服推进, 跟随虚轴
机械	飞剪	切断瞬间速度匹配, 不停机
机械	冲床 A/B	2000T 闭式冲床, 相位错峰
电气	EtherCAT 主干	1ms, 7 个伺服 + 2 个编码器 + IO + 电能表
电气	张力 + 卷径检测	张力传感器 4~20mA + 激光卷径
电气	安全 Cat 4	双手启动 + 光幕 + 皮尔兹继电器
软件	虚轴	VirtMaster 恒速源, 40 SPM × 420mm = 16800 mm/min
软件	电子齿轮	送料跟随虚轴 1:1
软件	电子凸轮	冲床 A/B 各一张凸轮表, B 相位偏移 180°
软件	飞剪	FB_FlyingShear 处理切断瞬间速度匹配
软件	张力控制	FB_TensionControl + 卷径自适应 PID
软件	OEM 冲床协议	小松 / 会田 / 扬锻 / 徐锻 预置
软件	能源模块	每台电机 / 电能表数据汇总, 每万件能耗 kWh

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3. 机械装配架构

装配要点:

• 开卷机卷径激光 (倍加福 VDM28) 实时测量, 用于张力 PID 的卷径补偿
• 矫平机三辊间距可伺服调整 (板厚 ≥ 1.0mm 用粗档, < 1.0mm 用细档)
• 送料辊用 1000 ppr 编码器, 精度 0.1mm/脉冲
• 飞剪刀架采用双导轨 + 气动压料, 切断瞬间 160ms 完成
• 两台冲床纵向间距 = 送料步距整数倍 (实际 2×420=840mm)
• 冲床下止点 (BDC) 用绝对值编码器, 机械角度 0°=TDC, 180°=BDC
• 皮尔兹 PSENopt II 安全光幕 Cat 4 PL e 保护冲床前方

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4. 程序架构

4.1 OB/FB 调用树

4.2 主状态机流转

任务调度:

• OB1 (1ms): 主状态机、飞剪调度、MES、配方切换
• OB35 (250us): 安全光幕 + 双手启动监控 + BDC 硬件锁存
• OB100: 虚轴 + 凸轮 + 电子齿轮初始化

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5. 硬件 BOM

单位: 人民币, 2026 年 3 月山东参考价。

序号	分类	品牌 / 型号	规格	数量	单价 (¥)	小计 (¥)
1	工控机	研华 ARK-3520P	i7-8700T / 16G / 512SSD	1	12,800	12,800
2	操作员屏	昆仑通态 MCGS 17"	1280×1024 电容	1	3,200	3,200
3	送料伺服	汇川 SV820N	EtherCAT 5.5kW	1	8,800	8,800
4	送料电机	汇川 ISMH3-55	5.5kW 2500ppr	1	5,600	5,600
5	开卷伺服	汇川 SV820N	3.7kW	1	6,800	6,800
6	矫平伺服	汇川 SV660N	1.5kW	3	3,200	9,600
7	飞剪伺服	汇川 SV820N	7.5kW	1	11,200	11,200
8	大功率电机	汇川 ISMH	5/7.5kW	3	6,500	19,500
9	冲床编码器	库伯勒 8.5000	绝对值 EtherCAT	2	2,800	5,600
10	卷径检测	倍加福 VDM28	激光距离	1	3,200	3,200
11	张力传感器	TEAC TC-LCT	500 kg ×2	2	2,600	5,200
12	远程 IO	汇川 AM600 CPU1608TP	64DI+64DO+8AI+4AO	2	4,200	8,400
13	光电 / 接近	邦纳 / 欧姆龙	多种	20	280	5,600
14	电能表	安科瑞 DTSD1352	EtherCAT 3 相	4	1,450	5,800
15	电磁阀 / 气动件	SMC / 亚德客	气缸 + 阀岛	1	6,800	6,800
16	冲床安全接口	西门子 3SK + 接触器	Cat 4	1	8,200	8,200
17	安全光幕	皮尔兹 PSENopt II	Cat 4 PL e	2	5,800	11,600
18	工业交换机	华三 S1224F	24 口千兆	1	1,800	1,800
19	UPS	山特 C6K	6kVA	1	5,200	5,200
20	机柜 / 线缆	威图 + 动力电缆	-	1	22,000	22,000
21	双手启动按钮	皮尔兹 PITestop	Cat 4	2	1,600	3,200
	合计					¥170,100

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6. IO 模块配置 (IDE 操作流程)

6.1 选择 IO 模块

1. 工程 → IO 设备向导 → "EtherCAT 主站"
2. 扫描从站: AM600 ×2 (节点 12), SV820N ×3 (节点 35: 送料/开卷/飞剪), SV660N ×3 (节点 68: 矫平), 库伯勒编码器 ×2 (节点 910), 电能表 ×4 (节点 11~14)
3. 工程 → 工艺对象 → 创建:
   • VirtMaster (虚拟主轴, 速度源模式)
   • AxisFeed / AxisUnwind / AxisShear (绑定对应伺服)
   • AxisPunchA / AxisPunchB (外部编码器轴, 绑定库伯勒)
   • CamTab_PunchA / CamTab_PunchB / CamTab_Shear (电子凸轮表)
4. 工程 → 协议配置 → 冲床 OEM 驱动选择 (Komatsu / Aida / Yangduan)

6.2 IO 地址分配表

模块	通道	地址	方向	类型	别名
AM600_1 DI	Ch0	I0.0	DI	BOOL	SEN_MatEnd (料尾)
AM600_1 DI	Ch1	I0.1	DI	BOOL	SEN_CoilOK (开卷到位)
AM600_1 DI	Ch2	I0.2	DI	BOOL	SEN_FeedAtHome
AM600_1 DI	Ch3	I0.3	DI	BOOL	SEN_PunchA_BDC (冲床 A 下止点)
AM600_1 DI	Ch4	I0.4	DI	BOOL	SEN_PunchB_BDC
AM600_1 DI	Ch5	I0.5	DI	BOOL	SEN_SafetyOK
AM600_1 DI	Ch6	I0.6	DI	BOOL	SEN_DoubleStart1
AM600_1 DI	Ch7	I0.7	DI	BOOL	SEN_DoubleStart2
AM600_1 DO	Ch0	Q0.0	DO	BOOL	ACT_UnwindBrake
AM600_1 DO	Ch1	Q0.1	DO	BOOL	ACT_PunchA_Go
AM600_1 DO	Ch2	Q0.2	DO	BOOL	ACT_PunchB_Go
AM600_1 DO	Ch3	Q0.3	DO	BOOL	ACT_ShearEnable
AM600_1 DO	Ch4	Q0.4	DO	BOOL	ACT_Oiler
AM600_1 AO	Ch0	AQ0	AO	REAL	TensionSet_A (4~20mA)
AM600_1 AI	Ch0	AI0	AI	REAL	TensionFB_A
AM600_1 AI	Ch1	AI1	AI	REAL	TensionFB_B
AM600_1 AI	Ch2	AI2	AI	REAL	CoilDiameter (卷径 mm)
AM600_1 AI	Ch3	AI3	AI	REAL	TonnageAI_A (吨位传感器)
AM600_1 AI	Ch4	AI4	AI	REAL	TonnageAI_B
SV820N_Feed	PDO	-	轴	AXIS_REF	AxisFeed
SV820N_Unw	PDO	-	轴	AXIS_REF	AxisUnwind
SV820N_Shr	PDO	-	轴	AXIS_REF	AxisShear
SV660N_Lv1~3	PDO	-	轴	AXIS_REF	AxisLevel1~3
Kuebler_A	PDO	-	外部编码器	AXIS_REF	AxisPunchA
Kuebler_B	PDO	-	外部编码器	AXIS_REF	AxisPunchB
DTSD1352_×4	PDO	-	电能表	-	KWH_Feed/Punch/Total

6.3 IO 用途分工

组别	用途	参与设备
物料感知	料尾 / 卷到位 / 送料原点	SEN_MatEnd / CoilOK / FeedAtHome
冲床监控	下止点 + 吨位 AI	SEN_PunchA/B_BDC, TonnageAI_A/B
张力	4~20mA 反馈 + 激光卷径	TensionFB_A/B, CoilDiameter
安全回路	Cat 4 双手启动 + 光幕	SEN_SafetyOK, DoubleStart1/2
执行机构	开卷制动、冲床启动、飞剪、润滑	ACT_UnwindBrake / PunchA_Go / ShearEnable / Oiler
能源监控	每台电机能耗	EtherCAT 电能表 ×4
运动同步	虚轴/送料/飞剪/冲床编码器	VirtMaster, AxisFeed, AxisShear, AxisPunchA/B

6.4 数据绑定到机器人/运动组

本工站无独立机器人, 但冲床下料后可选挂码垛机器人 (选配)。送料+飞剪+冲床 4 个运动实体在 Darra 里构成**"运动组" (Motion Group)**:

(* 运动组定义 *)
Group.Master  := VirtMaster;
Group.Slaves[1] := AxisFeed;       (* 电子齿轮 *)
Group.Slaves[2] := AxisPunchA;     (* 电子凸轮 *)
Group.Slaves[3] := AxisPunchB;     (* 电子凸轮 +180° *)
Group.Slaves[4] := AxisShear;      (* 飞剪 *)

(* 启停整组 *)
Group.Start();  (* 所有从轴同时入组 *)
Group.Stop();   (* 同时退组, 平滑减速 *)

绑定规则 (IDE "运动组配置"):

从轴	主轴关系	配置文件
AxisFeed	电子齿轮 1:1	gear_feed.cfg
AxisPunchA	电子凸轮 (0~360° 下行-上行)	cam/punchA.cam
AxisPunchB	电子凸轮 +180° 相位	cam/punchB_180phase.cam
AxisShear	飞剪凸轮 (90150° 切断, 150360° 回零)	cam/shear_fly.cam

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7. 核心数据结构 UDT + DB

// 单次冲压周期 UDT
TYPE UDT_StampCycle :
STRUCT
    PartID       : UDINT;
    MoldID       : STRING[16];
    FeedLen_mm   : LREAL;
    FeedErr_mm   : LREAL;     // 送料误差
    Tonnage_kN   : REAL;      // 实际吨位
    PunchTime_ms : UDINT;
    SPM_Actual   : REAL;
    Energy_Wh    : REAL;
    Success      : BOOL;
END_STRUCT
END_TYPE

// 产线累计指标 UDT
TYPE UDT_LineMetric :
STRUCT
    TotalParts   : UDINT;
    RejectCount  : UDINT;
    Tonnage_Avg  : REAL;
    Tonnage_Max  : REAL;
    EnergyCum_kWh: REAL;
    Coil_No      : STRING[16];
    Coil_Len_m   : REAL;
    Coil_Wt_kg   : REAL;
END_STRUCT
END_TYPE

// 模具配方 UDT
TYPE UDT_MoldConfig :
STRUCT
    MoldID        : STRING[16];
    FeedStep_mm   : LREAL;        // 送料步距 (常用 420mm)
    CutLength_mm  : LREAL;        // 飞剪长度 (常用 2500mm)
    TargetSPM     : REAL;
    MaxTonnage    : REAL;         // 吨位保护上限
    LifeWarn      : UDINT;        // 寿命预警冲次
    LifeMax       : UDINT;        // 寿命强制停止冲次
    TensionTarget : REAL;         // 张力目标 N
    CamFileA, CamFileB, CamFileShear : STRING[32];
    PunchBrand    : STRING[16];   // "Komatsu" / "Aida" / ...
END_STRUCT
END_TYPE

VAR_GLOBAL
    CurCycle   : UDT_StampCycle;
    LineMetric : UDT_LineMetric;
    MoldConfig : UDT_MoldConfig;
    PunchCounter : UDINT;
END_VAR

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8. 核心程序代码

8.1 虚轴 + 多冲床电子凸轮 + 电子齿轮

PROGRAM PRG_Init
VAR
    VirtMaster : AXIS_REF;
    AxisFeed   : AXIS_REF;
    AxisPunchA : AXIS_REF;
    AxisPunchB : AXIS_REF;
    AxisShear  : AXIS_REF;
    AxisUnwind : AXIS_REF;
END_VAR

(* 虚拟主轴恒速: 40 SPM × 420 mm/次 = 16,800 mm/min *)
MC_SetTargetVelocity(
    Axis := VirtMaster,
    Velocity := MoldConfig.TargetSPM * MoldConfig.FeedStep_mm
);

(* 送料跟随虚轴 (电子齿轮 1:1) *)
MC_GearIn(
    MasterAxis := VirtMaster,
    SlaveAxis  := AxisFeed,
    RatioNumerator := 1,
    RatioDenominator := 1
);

(* 冲床 A 电子凸轮 *)
MC_CamTableSelect(
    MasterAxis := VirtMaster,
    SlaveAxis  := AxisPunchA,
    CamTable   := MoldConfig.CamFileA
);
MC_CamIn(VirtMaster, AxisPunchA, StartMode := ABSOLUTE);

(* 冲床 B 电子凸轮 (相位偏移 180°, 错峰冲击) *)
MC_CamTableSelect(VirtMaster, AxisPunchB, MoldConfig.CamFileB);
MC_CamIn(VirtMaster, AxisPunchB, StartMode := ABSOLUTE);

8.2 飞剪工艺对象

PROGRAM PRG_FlyShear
VAR
    FlyShear : FB_FlyingShear;    (* Darra 内置 *)
    CumFeed  : LREAL;
END_VAR

FlyShear(
    MasterAxis  := AxisFeed,       (* 送料主 *)
    SlaveAxis   := AxisShear,      (* 刀具从 *)
    CutLength   := MoldConfig.CutLength_mm,
    CutSpeed    := 2800.0,         (* 切刀线速 mm/s *)
    ReturnSpeed := 5000.0,         (* 快速回零 *)
    Enable      := ACT_ShearEnable,
    Done        => CutDone,
    Error       => CutError,
    ActualCutPos => LastCutPos
);

(* 累计送料长度, 触发 MES *)
CumFeed := CumFeed + AxisFeed.DeltaPos;
IF FlyShear.CutDone THEN
    LineMetric.TotalParts := LineMetric.TotalParts + 1;
    CurCycle.FeedLen_mm := MoldConfig.CutLength_mm;
    CurCycle.FeedErr_mm := FlyShear.ActualCutPos - MoldConfig.CutLength_mm;
    IF ABS(CurCycle.FeedErr_mm) > 0.5 THEN
        Alarm(4001, '飞剪偏差超限');
    END_IF
    MES.UploadCycle(CurCycle);
END_IF

8.3 张力工艺对象 (卷径自适应)

PROGRAM PRG_Tension
VAR
    Tension : FB_TensionControl;   (* Darra 内置 *)
    CoilDia : LREAL;
END_VAR

(* 卷径激光实时读取 (mm) *)
CoilDia := CoilDiameter_AI * 10.0;

Tension(
    UnwindAxis    := AxisUnwind,
    TargetForce_N := MoldConfig.TensionTarget,
    FeedbackForce := AIToForce(TensionFB_A),
    CoilDiameter  := CoilDia,       (* 卷径补偿 *)
    Kp := 2.4, Ki := 0.8, Kd := 0.05,
    Output => TensionSet_A
);

(* 剩余料长估算 (用于提前换卷) *)
LineMetric.Coil_Len_m := EstimateRemainLen(CoilDia, MoldConfig.FeedStep_mm);
IF LineMetric.Coil_Len_m < 10.0 THEN
    Alarm(5001, '料尾接近, 准备换卷');
END_IF

8.4 冲床吨位 + 模具寿命

PROGRAM PRG_ToolLife
VAR
    TonnageNow : REAL;
    PunchATrig : R_TRIG;
END_VAR

PunchATrig(CLK := SEN_PunchA_BDC);
IF PunchATrig.Q THEN
    PunchCounter := PunchCounter + 1;
    TonnageNow := AIToTonnage(TonnageAI_A);
    CurCycle.Tonnage_kN := TonnageNow;
    CurCycle.PunchTime_ms := UDINT(DT#NOW - CurCycle.CycleStart);
    CurCycle.Energy_Wh := KWH_Punch.DeltaEnergy;

    LineMetric.Tonnage_Max := MAX(LineMetric.Tonnage_Max, TonnageNow);
    LineMetric.Tonnage_Avg := (LineMetric.Tonnage_Avg * 0.99) + (TonnageNow * 0.01);

    IF TonnageNow > MoldConfig.MaxTonnage THEN
        Alarm(3001, '吨位超限');
        State := STATE_STOP;
    END_IF

    IF PunchCounter >= MoldConfig.LifeWarn THEN
        Alarm(3002, '模具接近寿命, 请准备换模');
    END_IF

    IF PunchCounter >= MoldConfig.LifeMax THEN
        Alarm(3003, '模具寿命到, 停机');
        State := STATE_STOP;
    END_IF
END_IF

8.5 冲床 OEM 协议桥接

FUNCTION_BLOCK FB_PunchOEMDriver
VAR_INPUT
    Brand : STRING[16];       (* "Komatsu" / "Aida" / "Yangduan" / "Xuduan" *)
    Enable : BOOL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    BDC_Sig   : BOOL;
    TDC_Sig   : BOOL;
    Tonnage_kN: REAL;
    Temp_C    : REAL;         (* 离合器温度 *)
    Ready     : BOOL;
    Alarm     : UINT;
END_VAR
VAR
    Komatsu : FB_Komatsu_Modbus;
    Aida    : FB_Aida_EthernetIP;
    Yduan   : FB_Yangduan_ModbusTCP;
    Xduan   : FB_Xuduan_ModbusTCP;
END_VAR

CASE Brand OF
    'Komatsu':  Komatsu(Enable := Enable); (* ... *)
    'Aida':     Aida(Enable := Enable);
    'Yangduan': Yduan(Enable := Enable);
    'Xuduan':   Xduan(Enable := Enable);
END_CASE
END_FUNCTION_BLOCK

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9. 运行与调试

9.1 上电启动流程

1. OB100 初始化: 虚轴启动 (恒速 0) + 送料/飞剪/冲床 A/B 入凸轮 / 齿轮
2. 张力 PID 启动, 等反馈稳定 (3 秒)
3. 卷径激光校准: 初始卷径写入 Recipe
4. 安全回路自检: 光幕 + 急停 + 双手按钮逐一确认
5. HMI 按 "启动", 虚轴逐步加速到目标 SPM

9.2 调试要点

环节	调试方法
凸轮曲线	IDE CAM Editor 可视化, 检查峰加速度 < 伺服能力
虚轴加减速	首次启动用 1 SPM 低速, 逐步提高到 40 SPM, 观察各从轴跟随误差
飞剪精度	试切 50 片, 千分尺测长度, 期望 ±0.3mm 内
张力稳定	HMI 张力曲线, 卷径变化时波动应 < ±3%
两冲床同步	示波器同时观察 BDC_A 和 BDC_B, 相位差应稳定 180° ±0.5°
模具寿命	每次换模 HMI 清零 PunchCounter, 到 LifeWarn 提前 10% 预警
能耗	每万件 kWh 对比基准, 波动 > 10% 检查润滑/模具间隙

9.3 HMI 画面

1. 主界面: 虚轴速度仪表 + SPM 实时 + 班产计数 + 张力曲线
2. 凸轮曲线: A/B 冲床凸轮实时运行轨迹, 同步误差红线
3. 吨位监控: 最近 100 次吨位柱状图 + SPC 控制限
4. 能源: 每台电机实时功率 + 日/周/月能耗
5. 模具: 冲次累计 + 寿命进度条 + 换模历史
6. 报警: 按等级过滤, 可导出 CSV
7. 配方: 模号切换 + 参数微调 + Git 版本

9.4 日志位置

日志	路径
PLC 日志	Darra IDE 日志窗口 (StampMain / FlyingShear / Tension)
凸轮跟随误差	D:/DarraPLC/logs/cam_error_*.csv (每 10ms 记录)
吨位历史	D:/DarraPLC/history/tonnage.sqlite
MES 队列	D:/DarraPLC/queue/mes_stamp.db
能耗报表	D:/DarraPLC/energy/monthly_*.csv

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10. Darra 功能对照表

需求	Darra 对应功能	说明
虚轴同步	MC_SetTargetVelocity + VirtMaster	工艺对象
电子齿轮	MC_GearIn 1:1	工艺对象
电子凸轮	MC_CamTableSelect + MC_CamIn	工艺对象, 双凸轮独立
飞剪	FB_FlyingShear 内置	切断瞬间速度匹配, 快回
张力控制	FB_TensionControl + 卷径补偿	内置 PID
外部编码器	库伯勒 EtherCAT 绝对值 → 轴	工艺对象
冲床 OEM 协议	FB_PunchOEMDriver (Komatsu/Aida/Yangduan/Xuduan)	预置
吨位 SPC	HMI 趋势图 + 控制限	内置
模具寿命	冲次累计 + 阈值报警	内置
能源管理	电能表 EtherCAT + Energy 模块	内置
MES 对接	OPC UA / REST + SQLite 离线	内置
HMI	Darra HMI Designer	静态按钮
安全 Cat 4	外接皮尔兹 PNOZ, Darra 不做安全 PLC	-
远程运维	DarraSync	24×7 厂家接入

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11. 项目总结

11.1 交付成果

• 冲次: 实际 42 SPM, 超目标 (40) 5%
• 送料精度: ±0.12 mm (目标 0.15)
• 飞剪精度: ±0.22 mm (目标 0.30)
• 两冲床同步: 相位差 ±0.3° (目标 < 0.5°)
• 张力波动: ±2.4% (目标 ≤ 3%)
• 每万件能耗: 680 kWh (基线 850 kWh, 改善 20%)

11.2 关键技术点

1. 飞剪 + 虚轴 + 电子凸轮三合一: 本站的灵魂, 缺一不可
2. 两冲床相位错峰: 冲床 B 相位 +180°, 峰值冲击力分散, 模具寿命延长
3. 张力卷径自适应: PID 输出随卷径变化, 防止空卷时冲击过大
4. OEM 冲床协议预置: 小松 / 会田 / 扬锻 / 徐锻 直连, 无需逆向
5. 能源模块: 每万件能耗实时可视, 辅助工艺优化
6. 外部编码器轴: 库伯勒绝对值编码器直接作为 Darra 轴, 读冲床机械角度

11.3 后续扩展方向

• 级进模多工位冲压 + 机器人取件: Darra PLC + Robot 统一协同
• AI 工艺优化: 根据吨位曲线和冲次历史, 推荐模具维护周期
• DarraCloud 集团版: 统一监控 3 条冲压线能耗 / 产量 / OEE

飞剪 + 虚轴 + 电子凸轮三大工艺对象组合, 是 Darra 在冲压自动化场景的 核心竞争力。加上 OEM 冲床协议预置和能源模块, 一次搞定"运动 + 工艺 + 能耗 + MES", 让传统拼凑式冲压线升级为真正的数字化冲压线。