一種卡車大梁成形模具應(yīng)用自動(dòng)化定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)淺析

湯 敏，金 軍，何瑩瑩

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230022；2.振石集團(tuán)東方特鋼有限公司 技術(shù)中心，浙江 嘉興 314005；3.沈陽科維潤(rùn)工程技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110004）

根據(jù)卡車大梁的外形特點(diǎn)，目前行業(yè)內(nèi)主要存在兩種典型的加工工藝：

（1）輥壓成形：卷料開卷校平、縱橫剪下條料-（表面處理）-冷輥壓成形-鉆（沖）孔。該工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單、效率高，但只能應(yīng)用于形狀簡(jiǎn)單的U形直梁，無法加工變截面縱梁。歐美系商用車和國(guó)內(nèi)的中國(guó)重汽、青汽、二汽部分重型車縱梁采用此法。

（2）模壓成形：直縱梁對(duì)于駕駛室布置、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)布置較困難。變截面梁在日韓系商用車、江鈴卡車和江淮汽車的部分客車底盤、卡車等縱梁上應(yīng)用較廣。這類梁多采用平板料剪切條料-（表面處理）-平板沖孔+落料-模具成形的加工工藝。

關(guān)于第二類模壓成形工藝，需配備專用的大梁壓力機(jī)用于落料、沖孔、成形等工序。目前國(guó)內(nèi)主流的主機(jī)廠大部分采用的是人工上下板料的模壓工藝。然而人工上下板料的方式存在制件質(zhì)量一致性差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、安全等級(jí)低等缺點(diǎn)，有待改進(jìn)。當(dāng)今，在大批量生產(chǎn)沖壓件的汽車、家用電器和電子產(chǎn)品等行業(yè)中，沖壓生產(chǎn)正不斷向高速化、自動(dòng)化方向發(fā)展[1]。

現(xiàn)有技術(shù)卡車大梁模壓工藝主要有兩種模具，一是修沖模具（純落料模、純沖孔模或落沖復(fù)合模），二是成形模具。兩種模具工藝內(nèi)容不同，涉及自動(dòng)化相關(guān)的設(shè)計(jì)也截然不同。其中成形模具的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是凹模和卸料板在下,凸模在上，依靠機(jī)床頂桿提供壓料力使板料成形。修沖模具在此不作展開。

現(xiàn)有條件下，人工上下料的大梁成形模很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上下料。有幾點(diǎn)主要原因：①大梁板料自身鐮刀彎較大、長(zhǎng)度尺寸或?qū)挾瘸叽绯钊菀讓?dǎo)致放料不準(zhǔn)，機(jī)器人系統(tǒng)無法像人工操作一樣有現(xiàn)場(chǎng)能動(dòng)性，容易將板料放錯(cuò)而導(dǎo)致制件報(bào)廢或模具壓壞；②自動(dòng)化模具生產(chǎn)時(shí)，模具與機(jī)器人的相對(duì)位置重復(fù)定位精度要求非常高；③大梁板料為長(zhǎng)條狀，搬運(yùn)過程中始終存在一定撓度，人工上下料時(shí)一般需調(diào)整確認(rèn)，機(jī)器人上料時(shí)無法調(diào)整確認(rèn)；④機(jī)器人上下料時(shí)端拾器進(jìn)出模腔對(duì)于機(jī)床開口的凈空間要求較大。要解決這些矛盾，只能依靠技術(shù)突破與革新。

1 工藝布置思路介紹

本文所述結(jié)構(gòu)為解決以上技術(shù)缺陷，是從問題產(chǎn)生的機(jī)理考慮。設(shè)計(jì)出的這種自動(dòng)化成形模定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是基于當(dāng)前的成形模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、成形工序的工作過程以及機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)的約束條件，使得在不改變模具主體結(jié)構(gòu)的前提下，將現(xiàn)有的手工上下料成形模改為全自動(dòng)化上下料成形模。是利用現(xiàn)有手工上下料的模具主體結(jié)構(gòu)，而并非通過現(xiàn)有模具的重大改造來實(shí)現(xiàn)。

本文所述自動(dòng)化定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝在對(duì)應(yīng)模具的上、下模。具體過程考慮如下：模具沖壓開始時(shí)，相應(yīng)的部件分別發(fā)揮粗定位、防錯(cuò)、精定位等作用，實(shí)現(xiàn)平板料的順利上料和定位；成形完成后，相關(guān)的定位部件自動(dòng)避讓，給機(jī)器人留足凈空間，順利實(shí)現(xiàn)下料；取走板料后自動(dòng)復(fù)位，從而實(shí)現(xiàn)大梁成形完整沖壓行程內(nèi)的自動(dòng)化，即實(shí)現(xiàn)大梁成形模全自動(dòng)化上下料。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹

2.1 主要部件展示

如附圖1～7，為該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體視圖。

以上各圖中，模架用非標(biāo)快速定位銷1，模架用非標(biāo)快速定位符型塊2，感應(yīng)定位板組件3（含感應(yīng)器），普通定位板4，端頭切換長(zhǎng)度式感應(yīng)定位板5（含感應(yīng)器），端頭切換長(zhǎng)度式普通定位板6，升降式感應(yīng)定位板組件7（含感應(yīng)器），升降導(dǎo)向組件8，升降氣缸9，氣路控制組件10，上模精確導(dǎo)向組件11，感應(yīng)器信號(hào)盒組件12（含連接線路）。

2.2 詳細(xì)結(jié)構(gòu)介紹

如圖1～7所示，該自動(dòng)化上下料結(jié)構(gòu)與人工上下料大梁模具結(jié)構(gòu)相比，主要有以下特點(diǎn)：①模具安裝定位精度一致性好，是通過模架快速定位、模架安裝面定位以及模芯定位板自帶微調(diào)功能吸收系統(tǒng)誤差來保證；②沖壓制件定位精度一致性高，是通過模具自身精度一致性高、模芯定位系統(tǒng)采用下模V口粗定位+上模錐銷精定位、定位板位置合理布置、定位過程受控等措施來保證；③前后懸長(zhǎng)度切換系列化大梁產(chǎn)品可以在同一副模架上順利、高效切換，是通過模具端頭定位板帶自調(diào)整功能來實(shí)現(xiàn)；④機(jī)床開口空間有效保證機(jī)械手運(yùn)動(dòng)空間，是通過模具前后側(cè)定位板帶自動(dòng)升降功能來實(shí)現(xiàn)。以上特點(diǎn)正是為實(shí)現(xiàn)本結(jié)構(gòu)核心功能及確保系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行而創(chuàng)新設(shè)計(jì)的方案。

該自動(dòng)化定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心過程考慮如下：①模架整體定位安裝在機(jī)床工作臺(tái)上，從而實(shí)現(xiàn)快速裝模功能；②上下模芯整體安裝在對(duì)應(yīng)模架的定位安裝面上，從而保證了模具核心工作部位的定位精度；③下模部分定位板（帶感應(yīng)或不帶感應(yīng)）具備自動(dòng)升降功能，為成形后打開的模腔提供更大的凈空間，便于機(jī)器人進(jìn)出模腔；④下模所有定位板組合在一起具有V型粗定位功能，上模所有導(dǎo)正銷組合在一起具有板料自動(dòng)找正的精確定位功能；⑤利用下模定位板入口帶斜度的特點(diǎn)，采取機(jī)器人上料靠一端放料使其緩慢下滑攤平的原理，克服板料重力撓曲導(dǎo)致的尺寸偏差所帶來的產(chǎn)品定位不一致問題。

關(guān)于鐮刀彎、防錯(cuò)、公差吸收等疑難問題的設(shè)計(jì)考慮分別如下：①通過下模定位板的合理布置，通常將有效定位板設(shè)置在板料鐮刀彎較小位置，可有效解決板料鐮刀彎帶來的的產(chǎn)品定位不一致問題；②通過下模定位板（尤其是帶感應(yīng)器的定位板）的合理布置，通常在板料兩端和側(cè)邊中間位置設(shè)置帶感應(yīng)器的定位板，可有效解決拍垛異常導(dǎo)致板料放錯(cuò)的報(bào)廢問題；③下模定位板自帶的微調(diào)功能可以實(shí)現(xiàn)調(diào)試過程的誤差吸收，順利實(shí)現(xiàn)整個(gè)定位系統(tǒng)的公差累積釋放；④端頭設(shè)計(jì)切換長(zhǎng)度式定位板（部件5和6），可實(shí)現(xiàn)同一系列、不同長(zhǎng)度的產(chǎn)品簡(jiǎn)單、快速切換。

3 結(jié)構(gòu)原理闡述

3.1 模具工作原理

如圖8所示為本模具設(shè)計(jì)的板料重力加載下的自動(dòng)攤平過程示意圖（前視圖），用于示意沖壓前的板料粗定位工作過程原理。可結(jié)合圖1～7以及本文2.2的結(jié)構(gòu)解讀理解此過程。

3.2 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

闡述該模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，原則上只要描述該模具在一個(gè)完整沖次內(nèi)模具的行程原理即可。下面結(jié)合圖1～8，介紹本模具的設(shè)計(jì)原理。

首先介紹裝模過程。利用上下模架設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)將上下模芯分別安裝在上下模架內(nèi)；然后將安裝好的上下模架合模；最后將合模好的整體模具起吊放置在壓機(jī)工作臺(tái)上，通過工作臺(tái)設(shè)計(jì)的定位孔和定位銷（部件1），將整體模架上設(shè)計(jì)的非標(biāo)快速定位符型塊（部件2）與工作臺(tái)定位銷（部件1）側(cè)面無縫對(duì)接，完成整體模具定位安裝在壓機(jī)工作臺(tái)。

將整體模具安裝在壓機(jī)工作臺(tái)和滑塊上之后，模具開始沖壓工作。以下為完整的沖壓行程內(nèi)模具具體動(dòng)作：

（1）當(dāng)上模隨機(jī)床滑塊運(yùn)動(dòng)到上死點(diǎn)時(shí)，下模活動(dòng)式定位板接收到壓機(jī)信息后從原來下沉狀態(tài)上升至工作狀態(tài)；

（2）上料機(jī)器人接到上一步完成的信號(hào)，將待成形的板料放入下模模腔，通過前后左右的定位板自帶的預(yù)導(dǎo)向斜面形成的漏斗原理，將板料順利滑入“漏斗”內(nèi)，當(dāng)下模定位傳感器接收到有料信號(hào)后，表示完成下模粗定位，其中，設(shè)計(jì)定位板與板料一端緊貼、一端放開可克服板料撓曲帶來的誤差，設(shè)計(jì)定位板位置靠端頭布置可克服板料鐮刀彎帶來的誤差；

（3）壓機(jī)接到上一步完成的信號(hào)，滑塊開始帶著上模下行沖壓，其中上模自帶的若干錐形定位銷可實(shí)現(xiàn)板料的精定位，當(dāng)滑塊運(yùn)行到模具閉合高度的位置，下模卸料板與模架鐓死，表示板料成形完成；

（4）壓機(jī)接到上一步完成的信號(hào)，滑塊開始上行，下模卸料板也跟著上行，下模前后側(cè)定位板自動(dòng)跟著下降，當(dāng)滑塊上行到設(shè)計(jì)的合理位置之后，卸料板上行到設(shè)計(jì)頂出高度，前后側(cè)定位板自動(dòng)跟著下降到設(shè)計(jì)最低點(diǎn)，壓機(jī)停止，并傳遞信號(hào)給下料機(jī)器人，表示下料準(zhǔn)備完成；

（5）下料機(jī)器人接到上一步完成的信號(hào)，深入打開的模腔內(nèi)，繞過板件最高點(diǎn)，對(duì)成形的板件進(jìn)行抓取下料，機(jī)器人將抓取完成的信號(hào)傳遞給壓機(jī)；

（6）壓機(jī)接到上一步完成的信號(hào)，前后側(cè)定位板自動(dòng)上升，直至預(yù)設(shè)位置停止。模具恢復(fù)到初始狀態(tài)，準(zhǔn)備重復(fù)進(jìn)行下一沖次操作。

4 結(jié)果分析

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了模架與工作臺(tái)之間的便捷、有效、通用定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了快速裝模、換模，保證模架與機(jī)器人搬運(yùn)系統(tǒng)定位基準(zhǔn)的相對(duì)一致性。

定位部分零件的作用是使毛坯（條料或塊料）送料時(shí)有準(zhǔn)確的位置，保證沖出合格制件，不致沖缺而造成浪費(fèi)[2]。本文所述帶斜面的定位板，配合機(jī)器人的靠邊放料，利用板料自身的重力加載自動(dòng)攤平原理，成功解決了長(zhǎng)板料搬運(yùn)撓曲誤差導(dǎo)致的產(chǎn)品定位不一致問題，提高了產(chǎn)品精度的一致性。板料定位系統(tǒng)的位置合理設(shè)計(jì)，配合模具感應(yīng)器工作，成功解決板料鐮刀彎誤差導(dǎo)致的產(chǎn)品定位不一致問題和拍垛異常導(dǎo)致板料放錯(cuò)的報(bào)廢事件，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品精度的一致性，降低了產(chǎn)品報(bào)廢率和模具故障率。自動(dòng)升降的邊定位系統(tǒng)，為模腔打開時(shí)提供了更大的有效空間，一定程度緩解了機(jī)器人取放件空間不足問題。下模V口粗定位，配合上模錐銷精定位，解決了機(jī)器人上下料效率問題，保證了產(chǎn)品精度的穩(wěn)定性。端頭切換長(zhǎng)度式定位板，實(shí)現(xiàn)同一系列、不同長(zhǎng)度產(chǎn)品在同一副模具上生產(chǎn)的快速切換。

5 結(jié)論

本文所述結(jié)構(gòu)是一種應(yīng)用了“自動(dòng)化上下料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”的卡車大梁成形模具。實(shí)際中，只要大梁產(chǎn)品的模具結(jié)構(gòu)屬于“凹模和卸料板在下、凸模在上”類型，本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易對(duì)其進(jìn)行修改和變化。例如適當(dāng)改變板料尺寸和成形深度，將本文所述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的相關(guān)尺寸做相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整，均可利用本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)構(gòu)思，將其設(shè)計(jì)成類似于本結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化成形模具。

人工成本在增加，自動(dòng)化生產(chǎn)的應(yīng)用需求在自主品牌汽車沖壓廠已成席卷之勢(shì)。隨著汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，主機(jī)廠受到來自人工成本增加的各種壓力越來越明顯。類似本文的先進(jìn)技術(shù)的導(dǎo)入和應(yīng)用是支持沖壓自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)的有力手段。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，此類技術(shù)的應(yīng)用必將越來越頻繁。