鈑金零件全自動(dòng)連續(xù)折彎工藝的研究*

□ 肖 高

上海電氣集團(tuán)自動(dòng)化工程有限公司 上海 200233

1 研究背景

鈑金零件具有質(zhì)量輕、易成形、成本低、生產(chǎn)率高、適合大批量生產(chǎn)的特點(diǎn),與人們的日常生活密切相關(guān),在航天飛機(jī)、軍工機(jī)械、家庭用具、電氣配件等領(lǐng)域得到十分廣泛的應(yīng)用。

2009～2016年,我國鈑金加工行業(yè)利潤值如圖1所示。由圖1可知,我國鈑金加工行業(yè)正處于一個(gè)向上發(fā)展的通道中。2016年,我國鈑金加工行業(yè)銷售規(guī)模高達(dá)6 885億元。由于我國鈑金加工行業(yè)發(fā)展起步較晚,傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的鈑金零件加工質(zhì)量較低,工廠生產(chǎn)環(huán)境惡劣,制造出的鈑金零件在精度上無法滿足日益增長的制造業(yè)需求。

目前國內(nèi)鈑金零件在折彎機(jī)床上生產(chǎn)加工主要依靠人工對(duì)鈑金零件進(jìn)行上下料、調(diào)頭、翻面、對(duì)刀,自動(dòng)化折彎也僅僅是單道折彎,如圖2所示。

筆者基于門框自動(dòng)折彎生產(chǎn)線,針對(duì)鈑金零件連續(xù)折彎工藝進(jìn)行可行性理論分析,然后通過現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證,得出一套合適的折彎工藝數(shù)據(jù),將低效、低精度、低穩(wěn)定性、高危險(xiǎn)的工藝特征轉(zhuǎn)為高效、高精度、高穩(wěn)定性、全自動(dòng)的連續(xù)折彎工藝特征。

▲圖1 我國鈑金加工行業(yè)利潤值▲圖2 傳統(tǒng)鈑金零件操作現(xiàn)場

2 總體方案分析

經(jīng)過對(duì)客戶產(chǎn)品圖紙公差要求的分析,筆者制定了合理的折彎工藝。鈑金零件加工需要控制的參數(shù)包括單個(gè)鈑金零件的折彎路徑、鈑金零件每一道折彎的中性線邊距及折彎機(jī)參數(shù)、鈑金零件每一道折彎的機(jī)器人姿態(tài)、單個(gè)鈑金零件的折彎周期。

全自動(dòng)連續(xù)折彎生產(chǎn)線的應(yīng)用,旨在打造鈑金折彎行業(yè)的智能工廠典范,形成先進(jìn)的過程控制管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鈑金折彎的數(shù)字化、信息化、智能化。

鈑金零件全自動(dòng)連續(xù)折彎生產(chǎn)線整體布局如圖3所示,以機(jī)器人代替人工完成門框的連續(xù)加工,節(jié)拍為不長于20 s/件,具備根據(jù)任務(wù)單實(shí)現(xiàn)板料厚度、長度、寬度、減缺位置、折彎尺寸、沖孔位置等的自動(dòng)調(diào)整功能。

▲圖3 鈑金零件全自動(dòng)連續(xù)折彎生產(chǎn)線整體布局

3 折彎工藝路線

筆者以其中一款門框的鉸鏈檔折彎鈑金零件為例進(jìn)行介紹。鈑金零件截面如圖4所示,零件最終成形需要經(jīng)過沖孔下料和九道折彎工序。傳統(tǒng)折彎靠邊定位塊位置尺寸管理混亂,對(duì)不同產(chǎn)品的通用性不強(qiáng),并且質(zhì)量管理無可追溯性。

3.1 工藝路線編排

參考現(xiàn)場現(xiàn)有的工藝生產(chǎn)路線,重新編排每一個(gè)折彎點(diǎn)的生產(chǎn)工序,并且提前模擬整個(gè)折彎工藝的折彎姿態(tài)。在AutoCAD二維平面軟件中,對(duì)整個(gè)過程做出初步模擬,采用鈑金零件比較穩(wěn)定的一邊作為靠邊基準(zhǔn)。折彎工藝路線如圖5所示。

3.2 靠邊距離確認(rèn)

鈑金零件折彎部分截面如圖6所示。按中性層展開的原理,坯料總長度應(yīng)等于零件中性層直線部分和圓弧部分長度之和。

通過理論計(jì)算,得到鈑金零件每一道折彎工序中性線邊距,然后進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證,進(jìn)而確定合適的折彎因數(shù)和靠邊尺寸。

坯料展開總長度L為:

L=L1+L2+πa(r+kt)/180°

(1)

式中:Li為坯料中性層直線部分長度;a為折彎弧度;r為坯料圓弧內(nèi)半徑;t為坯料厚度;k為折彎因數(shù)。

中性線邊距L′為:

L′=L2+L3+…+πa(r+kt)/360°

(2)

折彎因數(shù)k取決于坯料厚度t和圓弧內(nèi)半徑r。當(dāng)r/t為0.1、0.25、0.5、1、2、3、4、5,以及大于等于6時(shí),折彎因數(shù)k依次為0.23、0.31、0.37、0.41、0.45、0.46、0.47、0.48、0.5。

已知t為2 mm,r為0.5 mm,初步選擇折彎因數(shù)k為0.31,換算后可以得出理論靠邊尺寸。折彎工藝數(shù)據(jù)見表1。

表1 折彎工藝數(shù)據(jù)

4 折彎過程控制

4.1 三維建模仿真

鈑金零件全自動(dòng)連續(xù)折彎生產(chǎn)線由自動(dòng)送料定位機(jī)構(gòu)、抓取機(jī)器人、自動(dòng)折彎機(jī),以及集成在折彎機(jī)上的前后自動(dòng)靠邊定位機(jī)構(gòu)組成。

為了避免運(yùn)動(dòng)中干涉和機(jī)器人可達(dá)域等問題,應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)所有單元進(jìn)行三維建模,包含鈑金零件的所有折彎狀態(tài),如圖7所示。

▲圖7 鈑金零件全自動(dòng)連續(xù)折彎工藝三維建模

為了保證鈑金零件整個(gè)折彎過程的生產(chǎn)節(jié)拍,通過RoboGuide機(jī)器人模擬仿真軟件對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行仿真,如圖8所示。

▲圖8 折彎過程仿真

目前現(xiàn)場單件生產(chǎn)節(jié)拍為3 min。

4.2 靠邊尺寸設(shè)定

自動(dòng)折彎機(jī)上分別集成全自動(dòng)前擋指靠邊機(jī)構(gòu)、全自動(dòng)后擋指靠邊機(jī)構(gòu),可以結(jié)合計(jì)算得到的理論靠邊尺寸,自動(dòng)調(diào)整至相應(yīng)位置。抓取機(jī)器人的作用是將鈑金零件放到操作臺(tái)上,讓產(chǎn)品基準(zhǔn)與擋指靠邊,并保持穩(wěn)定。

通過現(xiàn)場驗(yàn)證后,對(duì)工藝參數(shù)加以修正,然后將最終完善的工藝參數(shù)存儲(chǔ)至折彎機(jī)工藝系統(tǒng)軟件中,見表2。

表2 最終折彎機(jī)床參數(shù)

4.3 現(xiàn)場折彎結(jié)果修正

門框鉸鏈檔折彎零件屬于標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)折彎零件,零件每道折彎之間互相影響,因此折彎基準(zhǔn)的選擇和折彎因數(shù)的設(shè)計(jì)尤為重要。

在坯料總類、折彎半徑和厚度確定的情況下,可以通過經(jīng)驗(yàn)值來選取對(duì)應(yīng)的折彎因數(shù),并計(jì)算折彎過程中的折彎補(bǔ)償參數(shù)。在現(xiàn)場調(diào)試時(shí),折彎補(bǔ)償參數(shù)需要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)修正,修正后折彎因數(shù)也可套用在其它同樣板厚和材質(zhì)的門框上,減少現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間。

由于產(chǎn)品較長,考慮現(xiàn)場設(shè)備自身的精度,產(chǎn)品的左右兩端尺寸有一定偏差,但只要滿足±0.2 mm公差要求即可。

最終折彎工藝數(shù)據(jù)見表3。表3中的尺寸大部分都在公差范圍以內(nèi),因而暫時(shí)不需要對(duì)折彎因數(shù)進(jìn)行過多修正。表3中L5和L8尺寸超出公差范圍,L5尺寸偏大,L8尺寸偏小,因此只需要對(duì)刀序5的后擋指機(jī)床參數(shù)加大0.2～0.3 mm,就可以同時(shí)滿足L5和L8的尺寸要求。依照此方法,即可得出合適的工藝參數(shù)。將數(shù)據(jù)記錄在設(shè)備數(shù)據(jù)庫中,以便換型時(shí)直接調(diào)用。

表3 最終折彎工藝數(shù)據(jù)

以上方法經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際測試后,一個(gè)班次就可以完成一種產(chǎn)品的調(diào)試,并且調(diào)試所耗損的材料基本上在10件以內(nèi)。相反,如果僅僅依靠現(xiàn)場的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來調(diào)試,個(gè)別案例所需消耗的調(diào)試件多達(dá)上百件,調(diào)試周期也長達(dá)一周,并且很難追溯整個(gè)過程。

對(duì)于種類繁多且小批量生產(chǎn)而言,以上方法大大縮減了工藝調(diào)試周期。

5 應(yīng)用效果

鈑金零件加工主要包括下料和折彎兩個(gè)過程,其中,折彎工藝一直都是以理論為依據(jù),然后通過實(shí)際驗(yàn)證來保證折彎精度及穩(wěn)定性。為了應(yīng)對(duì)日益增長的客戶需求,產(chǎn)線柔性化、反應(yīng)快速化、產(chǎn)品高品質(zhì)化成為企業(yè)發(fā)展的方向。

門的用途、形式、要求各式各樣,勢必會(huì)導(dǎo)致門框折彎零件多樣性。通過密集的人工和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄來達(dá)到工藝需求已不能適應(yīng)發(fā)展,在目前多達(dá)上千種的產(chǎn)品總類面前,必須尋找快速而有效的方法來獲取折彎工藝參數(shù)。

筆者通過智能制造技術(shù),快速得到正確的工藝參數(shù),并且將所有參數(shù)全部錄入設(shè)備系統(tǒng),以便于現(xiàn)場產(chǎn)品生產(chǎn)種類的快速切換,在極大程度上減少了人為干擾因素。鈑金零件全自動(dòng)連續(xù)折彎工藝現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用如圖9～圖11所示。

▲圖9 鈑金零件全自動(dòng)折彎生產(chǎn)線▲圖10 鈑金零件靠邊擋指位置自動(dòng)化設(shè)置與存檔

6 結(jié)束語

近年來,國內(nèi)制造業(yè)飛速發(fā)展,為了完成由量向質(zhì)的轉(zhuǎn)變,每年都有大量新技術(shù)、新裝備應(yīng)用于智能制造系統(tǒng)。

▲圖11 折彎機(jī)參數(shù)自動(dòng)化設(shè)置

筆者借助先進(jìn)智能制造技術(shù),提出適合鈑金零件的連續(xù)自動(dòng)折彎工藝過程控制方法。鈑金零件全自動(dòng)連續(xù)折彎生產(chǎn)線所涉及的全自動(dòng)折彎機(jī)、全自動(dòng)靠邊裝置、抓取機(jī)器人在單獨(dú)運(yùn)用時(shí),都能保證自身的精度。但是在集成為整個(gè)系統(tǒng)后,自動(dòng)化設(shè)備單元之間的制造精度互相制約和影響,如何系統(tǒng)有效地運(yùn)用這些新技術(shù)和新裝配,保證工藝的穩(wěn)定和成熟,將成為新的研究課題。