李成祥，劉丁一，張新宇，張耀磊，金 一

(1.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 研究發(fā)展中心，北京 100076；2.首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

0 引 言

鈑金具有自重輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性能強(qiáng)以及加工制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子電器、通信技術(shù)以及汽車工業(yè)中。鈑金加工是鈑金產(chǎn)品成型的一道必不可少的工序，包括切割下料、沖裁加工、彎壓成形、擠壓成形等。傳統(tǒng)鈑金成型費(fèi)時費(fèi)力、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量差。隨著電子微軟用戶技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)地不斷發(fā)展，鈑金加工機(jī)械化自動化逐漸發(fā)展起來。鈑金成型設(shè)備在我國尚無定型標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備生產(chǎn)廠不能在工藝過程中采用批量生產(chǎn)，需要根據(jù)產(chǎn)品型號尺寸要求單獨(dú)設(shè)計(jì)。

本文介紹一款U形冰箱門殼成型非標(biāo)設(shè)備，通過采用西門子S7-300可編程控制器進(jìn)行生產(chǎn)控制，機(jī)械手自動下料，實(shí)現(xiàn)全線全自動生產(chǎn)。

1 產(chǎn)品成型工藝分析

冰箱門殼采用冷軋板或PCM預(yù)涂鋼板，厚度約0.5 mm。U形殼體的側(cè)面和頂面交界點(diǎn)處拼角的美觀要求，給成型設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)、加工精度和裝配精度提出了更高的要求。冰箱門殼成型過程應(yīng)包括沖切落料、輥軋成型和翻邊折彎等多項(xiàng)鈑金成型技術(shù)。生產(chǎn)設(shè)備采用液壓驅(qū)動和氣源驅(qū)動，包括上料工位、沖切工位、翻轉(zhuǎn)工位、輥軋工位、打Z工位、貼敷工位、折U工位、下料機(jī)械手工位，以及液壓站和PLC電氣控制操作臺[1]。

產(chǎn)品槽形如圖1所示。

圖1 側(cè)板成型漸變圖

根據(jù)槽形形狀，圖中左側(cè)槽形稱作“F”側(cè)，右側(cè)槽形稱作“B”側(cè)。不同型號冰箱側(cè)板的寬度改變，槽形保持不變。側(cè)板截面由直線和圓弧組成，兩側(cè)槽形是由多組成型輪輥軋漸變形成，通過調(diào)整成型輪的形狀漸變達(dá)到成型的目的，各組成型輪之間要保持基準(zhǔn)一致、漸變成型，防止板材因受力不均、變形過大造成損傷[2]。

U形冰箱側(cè)板拼角處疊邊結(jié)構(gòu)成型過程如圖2所示。

圖2 拼角成型過程示意圖

板料經(jīng)過沖切后，形成預(yù)定切口，經(jīng)輥軋成型后為直線型槽，打Z工序的主要任務(wù)是利用模具完成圖中雙邊A和“Z”形折邊B，經(jīng)過折U工位后A和B按接觸面I緊密貼合，便可形成拼角。

2 關(guān)鍵工位的機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1 輥軋成型工位

輥軋工位是門板槽型的成型工位為設(shè)備核心工位，采用可移動式防護(hù)罩設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)時輥輪不外露，確保輥軋輪清潔和生產(chǎn)操作安全。工位由兩排成型輪組分別完成兩側(cè)的槽形，每側(cè)輪組由動力輪和惰輪組成，動力輪負(fù)責(zé)簡單的折彎成型，并提供板料前進(jìn)的動力，惰輪被動傳動，負(fù)責(zé)復(fù)雜槽型的成型。

兩側(cè)的動力輪均由形狀漸變的多組成型輪組成，均安裝在齒輪箱上，由相同直徑的齒輪嚙合傳遞驅(qū)動，保證運(yùn)動的同步性，防止板料被拉扯撕裂。每組成型輪都由上、下成型輪組成，成型輪采用硬度高、耐磨性好、強(qiáng)度高的Cr12MoV冷作模具鋼材料。

本研究在復(fù)雜槽型位置的兩組動力輪之間設(shè)計(jì)一組成型輪，在板料的帶動下轉(zhuǎn)動，并對板料進(jìn)行折彎成型，這種輥輪因不提供動力輸出而被稱為惰輪，其安裝位置靈活可調(diào)，槽型多樣。

復(fù)雜槽型的成型輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 惰輪成型輪裝配簡圖1—齒輪箱；2—調(diào)節(jié)螺栓；3—定位支架；4—滑塊I；5—滑塊II；6—調(diào)節(jié)螺栓；7—惰輪I；8—惰輪軸I；9—惰輪II；10—惰輪軸II；11—調(diào)節(jié)套

板料通過兩個惰輪的形狀進(jìn)行擠壓成型，惰輪通過滑塊安裝在定位支架上，通過調(diào)節(jié)螺栓2整體調(diào)節(jié)定位支架3，帶動兩惰輪上下整體移動，通過調(diào)節(jié)螺栓6調(diào)整兩個惰輪水平間隙，通過調(diào)節(jié)套11的厚度調(diào)整兩個惰輪上下的間隙[3]。

2.2 打Z工位

打Z成型采用液壓油提供驅(qū)動力，通過模具擠壓板料成型，利用模具間形狀和精度保證產(chǎn)品成型部位的形狀和精度。打Z組件采用4個液壓缸，驅(qū)動兩套模具完成工作，其爆炸視圖如圖4所示。

圖4 打Z模具爆炸視圖

產(chǎn)品質(zhì)量的好壞取決于各模具及產(chǎn)品間的配合間隙，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和反復(fù)修磨。打Z組件裝配簡圖如圖5所示[4]。

圖5 打Z組件裝配簡圖1—支架；2—上油缸；3—中油缸；4—內(nèi)油缸；5—連接塊；6—打Z陰模；7—外油缸；8—雙邊陽模；9—導(dǎo)向塊；10—蓋板；11—打Z陽模；12—擋板；13—活動支架；14—雙邊陽?；瑝K；15—直角座；16—導(dǎo)向座

2.3 下料機(jī)械手工位

該工位采用龍門式4自由度吸盤氣動機(jī)械手方案，可以完成機(jī)械手的水平移動、上下升降、旋轉(zhuǎn)及伸縮，可吸持與松開工件。兩側(cè)吸盤將折U后的產(chǎn)品取出，并按照裝配要求的姿態(tài)放置在指定的位置，包括龍門支架、水平移動臺車、上下移載裝置、真空吸附機(jī)械臂、轉(zhuǎn)臺和升降臺幾部分[5]。

3 全自動控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該設(shè)備工藝復(fù)雜、工位多，總長80多米，數(shù)字I/O點(diǎn)數(shù)近千點(diǎn)，伺服驅(qū)動器33臺，變頻器20臺，還包括液壓站、氣缸及電磁閥、接近開關(guān)、光電開關(guān)、限位開關(guān)等傳感器。本研究綜合分析工藝特點(diǎn)，采用西門子PLC，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)總體方案，如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)總體方案示意圖

本研究根據(jù)生產(chǎn)線工藝布局和流程，將生產(chǎn)線分為前、中、后3部分。前段部分是整個生產(chǎn)線控制核心，控制器選用CPU 315-2DP作為主控制器，負(fù)責(zé)上料工位、沖切工位、翻轉(zhuǎn)工位和輥軋工位，同時承擔(dān)整條生產(chǎn)線的集中控制和配方數(shù)據(jù)管理；中段部分采用ET200M從站形式，負(fù)責(zé)打Z工位和帖覆工位；后段部分也使用ET200M從站形式，負(fù)責(zé)折U工位和下料機(jī)械手工位。

生產(chǎn)線的操作方式分為手動、自動、全線自動，當(dāng)運(yùn)行在自動狀態(tài)時，本研究使用光電開關(guān)、接近開關(guān)等傳感器來判斷板料到達(dá)指定工位的具體位置，按照程序指令來判斷板料到達(dá)的工位和具體位置，然后按照順序指令啟動相應(yīng)機(jī)構(gòu)動作。人機(jī)界面通過WinCC flexible編寫人機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)各工位操作和顯示界面。生產(chǎn)線中普通電機(jī)主要用來傳送驅(qū)動，采用變頻器控制方式，方便實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。模具位置調(diào)整和其他定位裝置通過伺服電機(jī)位置控制方式實(shí)現(xiàn)。氣動和液壓元器件采用開關(guān)量控制，通過電磁閥來實(shí)現(xiàn)[6]。

控制系統(tǒng)的通訊模式采用Profibus-DP現(xiàn)場總線。主站讀取從站的輸入信息，并周期地向從站發(fā)送輸出信息。此外，Profibus-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理。由于采用了現(xiàn)場總線，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，提高了可靠性，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7]。

3.2 打Z工位控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

打Z工位主要控制對象為皮帶傳送、打Z模具裝置定位、板材定位機(jī)構(gòu)和模具動作，分別通過普通電機(jī)、伺服電機(jī)、氣缸、液壓實(shí)現(xiàn)。打Z工位控制流程如圖7所示。

圖7 打Z工位程序流程圖

PLC控制程序示例如圖8所示。

圖8 打Z工位程序示例

3.3 下料機(jī)械手工位控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

下料機(jī)械手工位主要實(shí)現(xiàn)成型后的U殼自動下料。控制對象為臺車水平移動、機(jī)械手上下移動、機(jī)械手關(guān)節(jié)運(yùn)動，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)和傳送以及狀態(tài)檢測。該工位基本動作是：通電復(fù)位→水平移載裝置將吸盤移至U型工件→吸盤內(nèi)收夾緊工件→抽真空，吸盤吸住工件→上下移載裝置使工件上移少許位移→水平移動至轉(zhuǎn)臺處→垂直旋轉(zhuǎn)90°→上下移載裝置下移使工件落至輸送平臺→吸盤停止吸附并外擴(kuò)放置工件，吸盤復(fù)位→輸出工件至后續(xù)流水線[8]。

3.3.1 下料機(jī)械手?jǐn)?shù)字I/O分配

下料機(jī)械手工位中，使用行程開關(guān)檢測和判斷臺車運(yùn)動是否到位，共9個輸入點(diǎn)。使用接近開關(guān)判斷機(jī)械臂是否抓取工件，使用磁性開關(guān)來檢測和判斷氣缸動作是否到位，每個氣缸有兩個位置需要檢測是否到位，每個氣缸上都安裝2個磁性限位開關(guān)，共10個輸入點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)臺上5個輸入點(diǎn)，用來檢測轉(zhuǎn)臺狀態(tài)。因此共使用24個輸入點(diǎn)。在輸出端，需要升降氣缸升/降、機(jī)械臂正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、機(jī)械臂伸出/縮回、運(yùn)行指示燈、停止指示燈和故障指示燈，以及真空吸盤的通斷信號，一共占用PLC的18個輸出點(diǎn)[9]。機(jī)械手PLC的I/O分配表如表1所示。

表1 機(jī)械手PLC的I/O地址分配表

電氣接口如圖9所示。

圖9 機(jī)械手PLC的I/O接口圖

3.3.2 下料機(jī)械手程序設(shè)計(jì)

每一工位的控制程序分為手動程序和自動程序。下料機(jī)械手的程序流程如圖10所示。

圖10 下料機(jī)械手程序流程圖

控制部分程序示例如圖11所示[10]。

圖11 下料機(jī)械手程序示例

4 結(jié)束語

本研究介紹了U形冰箱門殼鈑金成型自動化設(shè)備。在分析大型鈑金件產(chǎn)品的成型工藝特點(diǎn)基礎(chǔ)上，采用輥軋成型方法，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜槽型的漸變成型；通過精密磨具擠壓成型方法，實(shí)現(xiàn)門殼拼角處的疊邊結(jié)構(gòu)；采用吸盤機(jī)械手，解決了大型薄板結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定抓持難題；采用現(xiàn)場總線技術(shù)和西門子S7-300PLC，實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)。

經(jīng)過長期生產(chǎn)檢驗(yàn)表明：設(shè)備工作穩(wěn)定、運(yùn)行良好，生產(chǎn)的產(chǎn)品外形美觀、尺寸精度高，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到技術(shù)要求，生產(chǎn)節(jié)拍不大于35 s/套，廢品率低于0.1%。

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