一种中轨自动化输送冲压装置的开发应用.pdf

针对中轨人工作业效率低、产品质量参差不齐等问题，依据现有生产条件、设备及中轨结构特征、技术参数和性能指标之间的关系，按照生产功能划分并介绍切断、定位输送、冲压和收集4 个部分。以现有切断和冲压设备为基础，开发含有定位输送、收集功能为一体的中轨自动化冲压输送装置，并对关键部件结构进行分析。通过理论和仿真分析，明确了当推送力大于2.4 2 8 N，推送均速达0.5m/s时，满足克服推送阻力和3s/个的生产节拍要求，分析了中轨以0.6m/s速度无摩擦的极端推送工况下产生51 4 MPa应力和0.0 8 mm的塑性变形，以及以0.1 m/s终速有摩擦的正常工况下，对中轨产生2 38 MPa应力和0.0 0 52 7 mm的塑性变形，其变形位移极小。通过试验和生产实际应用表明：实现了无人操作生产，提高了生产效率和质量，满足了生产实际需求。关键词：中轨；冲压；仿真；自动化中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1 0 0 1-2 354(2 0 2 3)0 7-0 1 0 1-0 8Development and application of an automatic conveying andstamping device for middle-railWU Yuyue-2,ZAN Shichao-2,SUN Yun-2,JIA Jia-2，(1.Hefei General Machinery Research Institute Co.,Ltd.,Hefei 230033;2.Hefei General Environment Control Technology Co.,Ltd.,Hefei 230033)Abstract:Aiming at the problems of low efficiency and uneven product quality of the middle-rail by manual operation,ac-cording to the existing production conditions,equipment and the relationship between the structural characteristics,technical pa-rameters and performance indicators of middle-rail,it is divided into four parts and introduced by production function:cut-off,positioning transport,stamping and collection.Based on the existing cutting and stamping equipment,an automatic middle-railstamping conveying device with positioning transport and collecting functions is developed,and the structure of key components isanalyzed.Through theoretical and simulation analysis,it is clear that when the pushing force is greater than 2.428 N and the av-erage pushing speed reaches 0.5 m/s,it can meet the requirements of overcoming the pushing resistance and 3 s/single produc-tion speed.It is analyzed that the middle-rail produces 514 MPa stress and 0.08 mm plastic deformation under the extreme push-ing condition of 0.6 m/s without friction,and 238 MPa stress and the minimum displacement of 0.005 27 mm plastic deformationunder the normal working condition of o.I m/s with friction.The test and practical application show that the unmanned productionis realized,the production efficiency and quality are improved,and the actual production needs are met.Key words:middle-rail;stamping;simulation;automatic中轨是中形长度，通过冲压后形成带有凸包结构的轨道，是家电、家具等轻工业日用产品中不可缺少的常用重要零部件，其生产工序是：“中轨切断一人工拾取整理冲压成型一人工整理”，其成型主要是依靠冲压设备进行压制，但在切断后和冲压前后的自动化送料和收集却未能得到有效解决门，人工作业也存在定102机计设械第4 0 卷第7 期位精度差、效率低和冲压产品质量难以保证等问题冲压自动化生产线是当代制造工业中十分重要的一项生产措施 2-3,其措施往往包括借助工业机器人、机械手或其他机械机构相组合完成自动化生产 4 。工业机器人应用比较广泛，其自动化投资成本往往相对较高，对切断后和冲压前后的衔接也需要占据较大空间,经济实用性较低 5鉴于此，文中采用机械机构组合方式实现生产自动化，设计开发一种中轨自动化输送冲压装置，更符合生产实际，投资成本更低，可以更好地提升作业效率、提高作业质量，进而达到合理控制生产成本的目标 6-7 。通过输送线、伺服往复推送机构和收集输送线等机构自动化，旨在实现中轨的切断输送、定位、推送和冲压后的收集，实现3s/个的自动化输送冲压效率。1整体方案设计1.1方案功能分析为了提高中轨冲压效率，依据现有切断和冲压设备条件，确立设备功能，按照需求分为切断设备、定位输送设备、冲压设备和收集设备4 个部分。切断设备用于将中轨切割成指定长度；定位输送设备将切割后的中轨定位后按预定方向送人冲压设备；冲压设备用于截停来自定位输送设备的中轨并在中轨上冲压形成凸包；收集设备,用于收集冲压完成的中轨。由于切断和冲压设备为现有设备，实现定位输送和收集，将中轨输送、定位、冲压和收集工序进行有效串联，完成中轨的自动化输送冲压是文中的主要研究内容。根据生产工序和适应不同长度中轨的生产要求，形成主要技术参数如表1 所示表1 三主要设计技术参数名称参数值切断速度/(s/个)2冲压速度/(s/个）2生产速度/(s/个）3适应产品长度/mm330,377,382,433产品宽度误差/mm0.2产品长度误差/mm0.6定位精度/mm0.1中轨及经冲压形成有凸包结构的成型中轨,其结构尺寸如图1 和表2 所示。L8.12548截面(a)中轨尺寸LDCB截面A10-012+0.05-0B(b)成型中轨尺寸图1中轨及成型尺寸图表2成型中轨尺寸mm名称适应规格LABCD330.0167.564.0269.0323.0377.0167.551.5281.5370.0成型中轨382.0167.539.0294.0370.0433.0214.573.5353.5417.01.2整机布置和结构原理根据分析，中轨自动化输送冲压装置主要功能包括轨切割后接收、输送、存储、送入冲压设备、成型后移出和收集。系统设备主要包括：切断设备A、定位输送设备B、冲压设备C和收集设备D并依次串行布置。切断设备将中轨切断后，通过下料槽1 下落至定位输送设备B上，如图2 所示。A1BCD图2整机结构和布置方式图1032023年7 月吴玉月，等：-种中轨自动化输送冲压装置的开发应用1.2.1定位输送设备结构原理定位输送设备B主要由推送平台3、中轨输送线4、推送气缸5和往复推送机构2 等组成。其工作原理将下落在中轨输送线上的中轨输送，由护板1 保持中轨在输送线上，由定位导条8 截止。选用型号TCL-20120-S-G的三轴气缸作为中轨推送气缸并安装在中轨输送线一侧，如图3所示，通过减压阀调节推力，将中轨推送至长导向6 实现定位，由推送平台缓存。再由往复推送机构将中轨推向冲压设备，在长导向另一侧安装设有弧形结构的短导向7,便于中轨导向。由连接板9 实现与冲压设备C的连接和调节固定123456789图3定位输送设备1.2.2冲压设备结构原理冲压设备主要采用以气液增压缸3为动力元件，平台尺寸为4 0 0 mm560mm，型号为MAG08-04的四柱冲压机，采用厂用气源，压力为0.6 MPa,将下模具8安装于平台上，上模具7 安装于气液增压缸上，冲压行程为1 0 0 mm，增力行程为1 2 mm，实现冲压力7 6 kN，可满足作业需求冲压设备的工作原理是将中轨推送至下模具上安装的挡销9,以使其实现中轨定位。通过上模具7 与下模具压合，完成冲压，上模具上移，顶出气缸1 0 缩回即挡销下移，成型中轨6 由下一个推送过来的中轨顶出，此时，气缸伸出顶起成型中轨，使成型中轨脱离模具，此时挡销挡住推送的中轨，并进行下一次冲压，冲压设备结构如图4 所示。12 345678910图4冲压设备结构1.2.3收集设备结构原理收集设备安装在冲压设备C的末端，主要由收集输送线2、下料挡板6、收集气缸4 和收集平台5组成，结构如图5所示。其工作原理是顶出的成型中轨落人与冲压设备衔接的收集输送线，由护板1 保持在输送线上输送，实现输送、下料挡板截停，收集推送气缸推送至收集平台完成堆垛收集。123456图5收集设备2关键结构设计与分析为确保往复推送机构在中轨送往冲压机过程中有足够力度且不因力度过大而造成中轨变形，以及提高推送定位精度，设计考虑设有弹簧和导向运动机构，结构如图6 所示。往复推送机构通过伺服电机1 驱动同步带连接的滑块3推动滑块依次与连接板4、弯板5、定位导向钉6、弹簧7 和送料头8连接。定位导向钉穿过带有导向孔的弯板与送料头连接，中间穿有弹簧 8 ，实现推动中轨时的导向、缓冲和精确定位。撞击摩擦隔阻力，N式(b）中轨与下模具导向角撞击图HFN1FRRH104机计设械第4 0 卷第7 期12345678图6往复推送机构示意图工作时，送料头由于保持一定运动，当碰到中轨时产生冲击。同时，推动的中轨在推送平台、长短导向和下模具导块间运动也会产生冲击碰撞和干摩擦 9 ，其推送过程示意图如图7 所示。因此，需要对推送力和推送速度进行分析研究。234561料头；2 中轨；3长导向；4 短导向；5模具导块；6 成型中轨(a)中轨推送机构示意图(b)下模具导块结构示意图图7中轨推送过程示意图2.1送料头推送过程分析2.1.1推送过程摩擦阻力分析往复推送机构通过送料头1 在推送中轨2 的作业过程中，需依次克服与推送平台、长导向3、短导向4、下模具导块5和顶出成型中轨6 所产生的阻力等因素 1 0 ，其推送过程如图7 所示。中轨在推送至下模具导块时，其与长导块、短导块和推送平台接触滑行摩擦，推送摩擦分析如图8 所示，单个中轨所产生的摩擦力为：F,=umg(1)式中：F滑行摩擦阻力，N；摩擦因数；m-中轨自身质量，kg。由于中轨制造产生的误差，在宽度方向推送会与短导块和下模具导块倒角碰撞（图8 b），产生摩擦阻力：F.=F-F(2)式中：F。撞击摩擦合力，N；F推力，N。F256(a)推送摩擦与冲击侧视图(c）推送摩擦与冲击实物图(d）下模具导块实物图图8中轨推送过程计算示意图根据公知理论，建立推力撞击角理论公式：(L=VR+R-2Rcos0(3）(sin0/2=W/H式中：0 下模具导块撞击角，）；R-一倒角半径，mm；H倒角撞击长度，mm；AW中轨宽度误差，mm。推导出：=arccos(1-W-/R)(4)根据撞击点位置，对摩擦力学进行分析，建立相关力学公式：(FM=F,sin(F,=uFMI(5):FN撞击压力，N；冲击过程由中轨顶出冲压成型中轨，成型中轨与下模具导块无撞击摩擦，因此，推送过程中摩擦力是中轨和成型中轨摩擦阻力与中轨和下模具导块间撞击摩(6）1052023年7 月吴玉月，等：一种中轨自动化输送冲压装置的开发应用擦阻力之和，因此推力：F2F+FLLC根据式（1）（6）,推导出：2umg-mgsin F(7)1-sin 0根据中轨、设备及工作等相关参数（表3），代入相关公式，计算得出，F,=0.64N。表3中轨工作及设备相关参数中轨宽度倒角半径中轨摩擦加速项目误差W/mmR/mm质量/kg因数时间/s参数0.420.2980.10.12.1.2推送速度分析成型中轨应满足生产节拍要求，推送则需保持一定的速度，同时，也不因速度过快而造成产品的挤压或撞击变形，影响产品质量。因此，设计需在满足克服摩擦、冲撞等阻力的同时，对推送速度也需进行分析研究。根据设计参数最长中轨尺寸为4 33mm，3s/个的生产节拍要求，其中，冲压速度为2 s/个，因此，实际运行时,其推送速度则是3s/个-2 s/个=1 s/个。因此，设计时按照工作距离为0.5m，单个产品的连续运行时，实际推送平均速度V=0.5m/(1 s/个）=0.5m/s。为减少中轨与挡销的碰撞，推送到位时尽量降低终点速度，因此,设计中轨加速至0.6 m/s匀速，再降至0.1 m/s终速的推送过程，使其平均速度不低于0.5m/s，推送加减速过程示意图如图9 所示1.0速0.6(s/l)/.40.4减速加速0.10t(0.1)1,(0.8)1,(1)时间s图9推送加减速示意图为满足距离、力和加速度要求，建立位移、时间、力和加速度公式如下：1Sat12+一(V-2(8)F二ma式中So一工作距离，m;V最高速度,m/s;a加速度,m/s;V,终止速度,m/s。推导得出要满足0.1 s内加速到0.6 m/s,并满足生产节拍平均速度为0.5m/s的要求，需要F.=1.788N。综合式（7）及式（8），则推动中轨需要的最小总合力为：F=Fu+F(9)代中.F总推力N式中：F一一总推力，N。总推力需要大于F,F=2.428N2.2推送撞击挡销工况及仿真分析2.2.1推送速度影响分析对于制造误差范围内常规中轨会与模具和导向机构间存在正常摩擦阻力，而对误差过大的极端较小尺寸则可能存在由于摩擦等阻力极小，惯性运动会使中轨仍以原速与挡销发生撞击,从而产生可能的塑性变形-1 2 O为增大中轨与送料头碰撞受力面积，减小与模具、导向机构的摩擦阻力，送料头截面小于中轨碰撞面积。同时，为提高使用寿命，送料头和挡销采用4 5钢通过热处理工艺制作 1 3。在推送中轨过程中，由于有摩擦，与导向机构、下模具导块之间及与成型中轨顶出碰撞行为的存在,其动力学行为十分复杂。可以认为，当撞击应力R.时，中轨未发生塑性变形，质量最好；当推击应力Rc.时，中轨发生塑性变形且小于0.1 mm时，对中轨的变形影响较小，不影响产品质量；当塑性变形量大于0.1 mm时,中轨即为次品，不可使用。为减少中轨撞击产生塑性变形和产生次品，现对推送后减速，中轨仍以0.6 m/s时无摩擦阻力的极端工况和终速在0.1 m/s时有摩擦阻力的正常工况下,以中轨最大尺寸为4 33mm，挡销直径为6.5mm的撞击受力情况进行有限元分析。材料的主要参数如表4 所示。表4 材料主要参数部件名称材质弹性模量/Pa泊松比密度/（kg/m）屈服强度/MPa送料头45钢2060.37800355中轨Q235钢2060.37800235挡销45钢2060.378003552.2.2有限元模型建立在推送过程中，由于送料头通过弹簧压送，以及为控制中轨长度方向制造误差，在推送到达设定距离时，送料头1 仍会与中轨2 保持同一速度前进撞击挡销3，106机第4 0 卷第7 期计设械迫使中轨始终与挡销接触。因此，分析时需将送料头与中轨作为运动一部分 1 4-1 5采用SolidWorks软件建立相关三维模型，并将模型导入ABAQUS，调用ABAQUS/Explicit模块进行网格划分，生成供分析的有限元模型 1 6 ，如图1 0 所示。1231送料头；2 中轨；3撞击挡销(a)送料三维模型图(b)有限元模型图图1 0送料结构模型图2.2.3仿真计算及其结果分析由图1 la的Mises应力图中可以看出，中轨以0.6m/s速度撞击挡销时，应力主要集中在挡销处，此处应力值为51 4 MPa，大于中轨屈服强度2 35MPa，会发生塑性变形。从图1 1 b变形位移图中可以看出，塑性应变值约为0.0 8 mm，已经发生一定塑性变形，但小于0.1 mm。Mises750)40e4(a)撞击应力分析图PEEO0907828(b)撞击变形位移图图1 10.6m/s撞击应力位移分析图由图1 2 a的Mises应力图中可以看出，中轨以0.1m/s速度撞击挡销时，发生在挡销处的应力值为238MPa，接近中轨屈服应力2 35MPa。在图1 2 b中可以看出，塑性变形量约为0.0 0 52 7 mm，变形极小。303906077号5D1(a)撞击应力分析图LEMaxprincipal+5.2700-03592-03982823.8590024360-825.614002-64910-023580-028:2450-8302-1.0000-0(b)撞击变形位移图图1 20.1m/s撞击应力位移示意图3控制原理及工作过程系统将切断后的中轨实现定位输送、冲压和收集，可以采用PLC进行控制完成冲压前，系统进行初始化，由人工给定规格参数，开启输送线，当输送线有中轨时，传感器给予PLC信号，PLC控制相关元气件，实现连续自动控制作业，其系统控制流程如图1 3所示开始系统初始化伺服返回人工给定规格参数推送头回到初始位中轨输送线输送否开始冲压是否有中轨是冲压成型气缸推送文是气液增压缸提升否往复推送机构下有中轨顶出气缸缩回是伺服推送顶出成型中轨顶出气缸伸出挡销挡住中轨否是推送到位收集输送线输送线是否有成型中轨是收集气缸推出平台收集结束图1 3控制流程图1072023年7 月吴玉月，等：种中轨自动化输送冲压装置的开发应用4试验与结果分析4.1试验内容与方法为确定设备工作性能参数，样机在某五金厂完成，试验过程中各个指标的测试方法如下：(1)通过性测试按照正常的作业速度前进，观察推送在作业过程中是否正常，记录通过次数。本试验通过测试4 种长度中轨产品，每种中轨记录50 次，记录通过率。(2）推送到位测试推送过程是否到位，直接影响中轨冲孔位置，以致影响产品质量，因此，检测冲孔位置是否发生偏移作为一个测试指标。本测试只检测中轨边缘到一个冲孔位置距离即以尺寸A作为标准，检测偏移误差是否小于0.1 mm。(3)中轨变形观测观测每个成型中轨冲击点的位置是否发生塑性变形，是否发生位移。（4)收集速度测试根据设计参数3s/个生产节拍要求，记录2.5min内收集成型中轨数量，数量达到或超过50 件即为满足4.2试验结果与分析根据制订的试验方法，将设备安装于切断设备和冲压设备之间，调整送料设备，使推送平面与冲压和切断设备保持在同一水平，并固定可靠连接。试验统计结果如表5所示表5试验统计结果中轨长度/mm项目330337382433通过率/%98100100100定位精度/mm0.10.10.10.1冲击变形量/mm无变形无变形无变形0.1收集数量/个48505050应用测试结果表明：（1）在通过性方面，个别产品由于尺寸过小，冲压振动后造成导向不平直，造成未能顺利通过下模具导块；（2）在定位精度方面，由于通过弹簧推动和压制作用，中轨始终与挡销保持接触，可以保持冲压尺寸一致；（3）在冲击变形量方面，存在个别产品如图1 4 c所示产生可见变形，但变形尺寸小于0.1mm。其原因在于产品超出制造误差允许范围，通过时较小宽度中轨未发生摩擦减速，同时，与成型中轨撞击顶出产生的阻力较大，致使弹簧产生较大弹性力，因此，送料终止时，仍以高速运行，与挡销发生碰撞，产生一定的塑性变形；（4 在成型中轨的收集方面，除个别中轨由于尺寸原因造成通过率问题，影响了测试，但人工消除后，生产速度和整体性能未受影响，设备运行效果较好，满足生产节拍要求。(a）中轨自动化输送冲压装置图(b)成型中轨收集(c)个别变形成型中轨图1 4现场试验应用图5结论（1)设计了中轨自动化输送冲压装置，实现了无人自动化生产。通过研究分析现有设备工况，实现设备间有效衔接，针对长度在330 4 33mm范围内的中轨，实现了小于或等于3s/个的生产节拍要求，提高了生产效率。（2）通过理论和应用有限元分析，明确了推送力需大于2.4 2 8 N，计算出中轨在无摩擦的极端工况下，以0.6 m/s高速推送情况下与挡销发生碰撞，中轨可能会发生塑性变形；在有摩擦和正常工况下，中轨以终速0.1 m/s时推送，产生的变形量极小，可以满足弹性变形要求，效果最佳。108第4 0 卷第7 期计机设械（3）通过试验应用表明：中轨自动化输送冲压装置具有较好的通过性和很好的定位精度，塑性变形满足合格品要求，可以满足实际生产需求。参考文献1丁锦宏.连续冲压自动送料机械手的设计与应用 J.机床与液压,2 0 1 9,4 7（1 9）：1 0 0-1 0 3.2易红亮，常智渊，才贺龙，等.热冲压成形钢的强度与塑性及断裂应变 J.金属学报，2 0 2 0,56（4）：4 2 9-4 4 2.3陈立新.工业机器人在冲压自动化生产线的应用J.机械设计与制造,2 0 1 0(1 0)：9 4-9 6.4侯雨雷，张志强，谭候金，等.冲压自动线机器人与压力机动作协调及其运动仿真J.中国机械工程，2 0 1 3，2 4(23):3186-3190.5李良栋.钢轨轨头精锻自动化生产线设计 J.机械设计，2019,36(S1):317-319.6叶江林.工业机器人在冲压自动化生产线中的应用分析J.内燃机与配件,2 0 2 2（2）：6 0-6 2.7孙小兵，韩帅，田博.ABB工业机器人在冲压自动生产线的应用 J.制造业自动化，2 0 2 0,4 2（6)：1 2 8-1 32.8张英会，刘辉航，王德成.弹簧手册 M.北京：机械工业出版社,1 9 9 7.9安贵杰,刘俊杰,闫哲，等.一类含干摩擦弹性碰撞系统的动力学特性分析 J.噪声与振动控制,2 0 2 1,4 1(5)：7 2-7 9.10】梁正雄.滑动结合面进给系统摩擦特性与动力学行为研究 D.西安：西安理工大学,2 0 2 1.1 1 陈建彬佐凯，靳凯，等.冲压速度对高温合金卡圈成形的影响 J塑料工程学报,2 0 2 2,2 9(1)：6 0-6 5.【1 2 王金轮，兰风崇,陈吉清.冲压成形导致材料性能的变化对耐撞性的影响 J.汽车工程，2 0 1 2,34（4）：36 7-37 2.【1 3范文，孙海洋.机械加工工艺对零件加工精度的影响 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