U形冰箱門殼鈑金成型自動化設備研究*

李成祥，劉丁一，張新宇，張耀磊，金 一

(1.中國運載火箭技術研究院 研究發展中心，北京 100076；2.首都航天機械公司，北京 100076)

0 引 言

鈑金具有自重輕、強度高、導電性能強以及加工制作成本低等優點，被廣泛應用于電子電器、通信技術以及汽車工業中。鈑金加工是鈑金產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。傳統鈑金成型費時費力、生產效率低、產品質量差。隨著電子微軟用戶技術和計算機科學技術地不斷發展，鈑金加工機械化自動化逐漸發展起來。鈑金成型設備在我國尚無定型標準，設備生產廠不能在工藝過程中采用批量生產，需要根據產品型號尺寸要求單獨設計。

本文介紹一款U形冰箱門殼成型非標設備，通過采用西門子S7-300可編程控制器進行生產控制，機械手自動下料，實現全線全自動生產。

1 產品成型工藝分析

冰箱門殼采用冷軋板或PCM預涂鋼板，厚度約0.5 mm。U形殼體的側面和頂面交界點處拼角的美觀要求，給成型設備的工藝設計、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包括沖切落料、輥軋成型和翻邊折彎等多項鈑金成型技術。生產設備采用液壓驅動和氣源驅動，包括上料工位、沖切工位、翻轉工位、輥軋工位、打Z工位、貼敷工位、折U工位、下料機械手工位，以及液壓站和PLC電氣控制操作臺[1]。

產品槽形如圖1所示。

圖1 側板成型漸變圖

根據槽形形狀，圖中左側槽形稱作“F”側，右側槽形稱作“B”側。不同型號冰箱側板的寬度改變，槽形保持不變。側板截面由直線和圓弧組成，兩側槽形是由多組成型輪輥軋漸變形成，通過調整成型輪的形狀漸變達到成型的目的，各組成型輪之間要保持基準一致、漸變成型，防止板材因受力不均、變形過大造成損傷[2]。

U形冰箱側板拼角處疊邊結構成型過程如圖2所示。

圖2 拼角成型過程示意圖

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

2 關鍵工位的機械設計

2.1 輥軋成型工位

輥軋工位是門板槽型的成型工位為設備核心工位，采用可移動式防護罩設計，實現正常生產時輥輪不外露，確保輥軋輪清潔和生產操作安全。工位由兩排成型輪組分別完成兩側的槽形，每側輪組由動力輪和惰輪組成，動力輪負責簡單的折彎成型，并提供板料前進的動力，惰輪被動傳動，負責復雜槽型的成型。

兩側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動，保證運動的同步性，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、強度高的Cr12MoV冷作模具鋼材料。

本研究在復雜槽型位置的兩組動力輪之間設計一組成型輪，在板料的帶動下轉動，并對板料進行折彎成型，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，槽型多樣。

復雜槽型的成型輪結構如圖3所示。

圖3 惰輪成型輪裝配簡圖1—齒輪箱；2—調節螺栓；3—定位支架；4—滑塊I；5—滑塊II；6—調節螺栓；7—惰輪I；8—惰輪軸I；9—惰輪II；10—惰輪軸II；11—調節套

板料通過兩個惰輪的形狀進行擠壓成型，惰輪通過滑塊安裝在定位支架上，通過調節螺栓2整體調節定位支架3，帶動兩惰輪上下整體移動，通過調節螺栓6調整兩個惰輪水平間隙，通過調節套11的厚度調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品成型部位的形狀和精度。打Z組件采用4個液壓缸，驅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

產品質量的好壞取決于各模具及產品間的配合間隙，需要根據經驗進行設計和反復修磨。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—內油缸；5—連接塊；6—打Z陰模；7—外油缸；8—雙邊陽模；9—導向塊；10—蓋板；11—打Z陽模；12—擋板；13—活動支架；14—雙邊陽模滑塊；15—直角座；16—導向座

2.3 下料機械手工位

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

3 全自動控制系統

3.1 控制系統總體設計

該設備工藝復雜、工位多，總長80多米，數字I/O點數近千點，伺服驅動器33臺，變頻器20臺，還包括液壓站、氣缸及電磁閥、接近開關、光電開關、限位開關等傳感器。本研究綜合分析工藝特點，采用西門子PLC，設計了控制系統總體方案，如圖6所示。

圖6 控制系統總體方案示意圖

本研究根據生產線工藝布局和流程，將生產線分為前、中、后3部分。前段部分是整個生產線控制核心，控制器選用CPU 315-2DP作為主控制器，負責上料工位、沖切工位、翻轉工位和輥軋工位，同時承擔整條生產線的集中控制和配方數據管理；中段部分采用ET200M從站形式，負責打Z工位和帖覆工位；后段部分也使用ET200M從站形式，負責折U工位和下料機械手工位。

生產線的操作方式分為手動、自動、全線自動，當運行在自動狀態時，本研究使用光電開關、接近開關等傳感器來判斷板料到達指定工位的具體位置，按照程序指令來判斷板料到達的工位和具體位置，然后按照順序指令啟動相應機構動作。人機界面通過WinCC flexible編寫人機操作界面，實現各工位操作和顯示界面。生產線中普通電機主要用來傳送驅動，采用變頻器控制方式，方便實現無級調速。模具位置調整和其他定位裝置通過伺服電機位置控制方式實現。氣動和液壓元器件采用開關量控制，通過電磁閥來實現[6]。

控制系統的通訊模式采用Profibus-DP現場總線。主站讀取從站的輸入信息，并周期地向從站發送輸出信息。此外，Profibus-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理。由于采用了現場總線，整個系統結構高度分散，構成了網絡集成式全分布控制系統，提高了可靠性，簡化了系統結構[7]。

3.2 打Z工位控制子系統的設計

打Z工位主要控制對象為皮帶傳送、打Z模具裝置定位、板材定位機構和模具動作，分別通過普通電機、伺服電機、氣缸、液壓實現。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 下料機械手工位控制子系統的設計

下料機械手工位主要實現成型后的U殼自動下料。控制對象為臺車水平移動、機械手上下移動、機械手關節運動，轉臺旋轉和傳送以及狀態檢測。該工位基本動作是：通電復位→水平移載裝置將吸盤移至U型工件→吸盤內收夾緊工件→抽真空，吸盤吸住工件→上下移載裝置使工件上移少許位移→水平移動至轉臺處→垂直旋轉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放置工件，吸盤復位→輸出工件至后續流水線[8]。

3.3.1 下料機械手數字I/O分配

下料機械手工位中，使用行程開關檢測和判斷臺車運動是否到位，共9個輸入點。使用接近開關判斷機械臂是否抓取工件，使用磁性開關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，共10個輸入點。旋轉臺上5個輸入點，用來檢測轉臺狀態。因此共使用24個輸入點。在輸出端，需要升降氣缸升/降、機械臂正轉/反轉、機械臂伸出/縮回、運行指示燈、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[9]。機械手PLC的I/O分配表如表1所示。

表1 機械手PLC的I/O地址分配表

電氣接口如圖9所示。

圖9 機械手PLC的I/O接口圖

3.3.2 下料機械手程序設計

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

圖10 下料機械手程序流程圖

控制部分程序示例如圖11所示[10]。

圖11 下料機械手程序示例

4 結束語

本研究介紹了U形冰箱門殼鈑金成型自動化設備。在分析大型鈑金件產品的成型工藝特點基礎上，采用輥軋成型方法，實現復雜槽型的漸變成型；通過精密磨具擠壓成型方法，實現門殼拼角處的疊邊結構；采用吸盤機械手，解決了大型薄板結構安全穩定抓持難題；采用現場總線技術和西門子S7-300PLC，實現全生產線自動化生產。

經過長期生產檢驗表明：設備工作穩定、運行良好，生產的產品外形美觀、尺寸精度高，各項指標達到技術要求，生產節拍不大于35 s/套，廢品率低于0.1%。

:

[1] 馮 強.典型自動化生產線的組裝[M].北京:高等教育出版社，2016.

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[7] 胡志剛.基于 S7-200 PLC的氣動機械手控制系統設計[J].機械工程師，2014(3):120-121.

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