基于坯料重量的板簧優化下料系統方案設計*

段維華，蘇永旭

(昆明學院 機電工程學院，云南 昆明 650214)

0 引 言

板簧是汽車懸架系統的重要部件之一，其主要作用是傳力和吸收車輛行駛中的沖擊振動，保證車輛行駛中平順性和舒適性。車輛板簧的總體構成特點之一是各簧片具有等截面但長度不同的性質(此處僅討論等截面板簧，下同)，生產中板簧坯料的供貨狀態一般是由供貨商按“等截面定長”軋制供貨，但現實中等截面定長往往只是限于同一批次(即便同一批次中，坯料定長也有很大的變化)，不同批次間更是存在“定長”有變化且變化較大的情況。此種坯料供貨狀況，使企業在板簧產品下料工序中，很難對一件板簧坯料根據生產型號做到下料片數最多、廢料最少的最佳優化。據不完全調查，目前國內眾多的板簧企業在下料工序中，廢料約占5%～8%之間，板簧產品總體材料利用率遠遠高于其他機械產品(原因是生產中無機械切削加工)，因此下料環節中看似不高的廢料率，實則是很大的浪費。

目前國內眾多板簧企業普遍采用人工操作下料、手工堆碼，操作者勞動強度大、生產效率低。

基于目前板簧下料工序材料利用率不高的現狀，通過對基于板簧坯料重量的下料優化原理的分析，以及據此原理得出的下料系統構成設計，達到提高板簧下料材料利用率、提高企業經濟效益、降低操作者勞動強度的目的。

1 基于坯料重量的板簧優化下料原理

一副板簧總成主要由等截面不等長的多片板簧疊加而成，設每片板簧的長度依次為l1、l2……ln，則一副板簧的簧坯總長度L為：

板簧坯料下料時，取下料損耗為定值si,則當板簧總成片數為n時，總下料損失s為:ss=nsi

同時考慮坯料下料前端頭預切除量sq,以保證端面與簧坯縱向垂直度。

一件板簧坯料當截面為定值A時，其長度B與其重量G之間的關系為：

B=G/Aρ

式中：ρ為板簧坯料的比重，取ρ=7.8×10-6(kg/mm3)。

因此下料時可以對板簧坯料的重量G進行稱重后計算出其長度B,考慮簧坯端頭預切除量sq得該簧坯的有效長度Be為：Be=B-sq=G/Aρ-sq

將Be與該板簧的各片下料長度數據(Li+si)進行數據比對，由下料控制系統計算出該簧坯的最優下料片號及數量，并由送料裝置接收該數據并據此實施下料，以達到簧坯材料在下料工序中的最大利用率。

2 板簧優化下料系統方案設計

文中提出的板簧優化下料系統方案是一套自動化程度較高的下料系統，由計算機控制技術、數據通訊傳輸技術、數據庫系統、下料機械執行控制機構等構成。系統方案設計原理框圖見圖1所示，系統中各組成模塊功能構成及工作原理等見下文內容。

圖1 板簧下料系統構成方案設計

3 板簧優化下料系統的關鍵裝置

3.1 系統控制單元

系統控制單元是板簧優化下料系統的核心裝置，其主要功能作用如下。

(1) 根據坯料稱重重量數據，經與各型板簧基礎數據庫比對計算，該坯料的優化下料片號和片數，控制液壓剪床對坯料進行定位、夾緊、下料，同時后級輥道上的接料定位器在預定位置定位，下料后的簧片經后級輥道到達接料位置時，撥料推桿將簧片推入相應片倉。板簧優化下料系統控制單元工作原理見圖2。

圖2 板簧優化下料系統控制單元工作原理

(2) 內嵌在系統控制單元中的各型板簧基礎數據庫，包含各型板簧的材質、總圖、各片零件圖、截面形狀(平扁形、雙槽形或其它特形截面)及各片尺寸參數(包含片長、片寬、片厚數據)、各片重量(不計中心孔、切邊、切角狀態)及長度。待下料坯料稱重后的重量數據，經換算形成優化可下料的片號及數量。

各型板簧基礎數據庫的管理及應用應保證其數據的完備性、指導性和權威性，同時能夠實現所有板簧下料工藝數據實現高效便捷的查詢、修訂、管理、傳輸，為板簧的批量化或定制化下料提供服務。

數據庫平臺網絡通訊結構模式的選擇，擬采用客戶端/瀏覽器(C/S)模式，該模式的最大優點是能夠發揮客戶端PC機的性能，適宜于企業在自身局域網中的便捷應用。

(3) 控制液壓剪床下料定位器對應于每片板簧的定位尺寸、下料時對坯料的夾緊、后級輥道接料定位器的定位、撥料推桿的退料及回位。

3.2 坯料稱重裝置

坯料稱重裝置由兩部分構成：一是坯料輸送輥道，其功能主要是輸送坯料；二是置于輥道適當間隔位置的、完成坯料稱重的電子稱重裝置。

(1) 輸送輥道為非標普通單輥電驅動輥道輸送機，整機設計中主要考慮以下幾點：①輸送輥道總長度比供貨坯料的最大長度長1 000～1 500 mm；②輥道最大寬度為板簧產品最大的50%～80%為宜；③輥道高度與液壓剪床工作高度一致；④排棍間距應能保證稱重裝置的稱重支承桿架正常工作；⑤注意輥筒線速度的合理設置，原則是在不使坯料在滾筒上打滑的前提下具有最大的輸送速度[2]。

(2) 電子秤重裝置 電子稱重裝置主要由稱重承載架、秤體支撐架、稱重傳感器、傳動裝置、稱重定位器等組成，其中的關鍵裝置是稱重傳感器。由于坯料尺寸不大，稱重傳感器采用兩只，布置間距以坯料中心為對稱點的2/3長度。

稱重傳感器的主要技術參數為：①稱重稱量范圍：1 kg～坯料最大重量的120%；②稱重精度：0.5 kg；③稱重工況：靜態測量[1]。

坯料稱重裝置工作原理如圖3所示。

圖3 坯料稱重裝置工作原理圖

坯料稱重的工作過程是：稱重定位器下移到低于輥筒外圓柱面下的固定位置，坯料在輥道上送入后與定位裝置左側面接觸，坯料在輥筒上靜止，傳動裝置驅動稱體支撐架、稱重傳感器、稱重承載架整體上升，稱重傳感器測量坯料重量，完成坯料重量稱重后，傳動裝置帶動整個電子稱重裝置下移，稱重定位器同步上升，使坯料前行送入液壓剪床進行下料。

坯料稱重重量數據通過通訊裝置送入下料數據庫比對計算后，得出該坯料的最優下料片號及片數，由液壓剪床接受相應下料長度指令后執行相應的下料工序。

3.3 系統傳動裝置

(1) 電子稱重裝置的傳動裝置 采用液壓驅動，為使液壓系統結構簡單且滿足工況要求，執行元件采用單作用單桿活塞缸，稱重時活塞缸外伸托舉坯料離開輥筒，稱重結束由坯料自重+整個稱重裝置自重的重力回油，托舉行程由行程開關控制。

(2) 稱重定位器的定位驅動 由于稱重定位器的上下移動量不大，因此其驅動方式可以用直線電機驅動，傳動裝置和坯料定位裝置的動作聯動控制由系統控制中心完成。

(3) 下料定位器的定位驅動 下料定位器完成根據指令確定的下料簧片的定位，由于一件坯料要求有多個精確、快速的定位位置，故可采用直線電機驅動方式實現。

(4) 成品簧片的撥料推桿 在后級輥道的左右兩邊適宜位置，分別設置由往復直線電機驅動的成品簧片撥料推桿，將下料后的成品簧片推出后級輥道進入相應片號的片倉。

3.4 系統控制原理方案設計

此板簧優化下料系統是一個自動化程度較高的應用型系統，該系統執行元件有稱重定位器、稱重傳動裝置、下料定位器(含下料尺寸定位及定位后坯料的夾緊)、成品簧片撥料推桿，根據簧片下料工序構成，各執行元件驅動動作邏輯設計原理如表1所列。

表1 板簧優化下料系統執行元件驅動動作邏輯設計

根據文中提出的基于坯料重量的板簧優化下料方案，對某板簧企業生產的某車型前板簧總成的坯料下料優化進行模擬計算。該企業根據坯料供貨時端頭的不平整性、端頭預切除量(取20 mm)、坯料下料工位場地條件等，向軋鋼廠定制的坯料供貨尺寸為6100±20 mm的定長坯料，此時其稱重質量為31.30 kg，該車型前板簧各片結構尺寸、單片質量、優化下料計算結果等在表2、3中列出。

表2 定長6100±20 mm板簧坯料優化下料方案(1)

從表3中可以看出，方案五+方案六是最優下料方案，因為該組合方案可以實現均衡下料，便于企業組織該車型前板簧總成的下料數量均衡，此組合方案的坯料平均利用率為96.63%，可見此方案在提高板簧下料材料利用率，降低企業生產成本上具有較好的應用意義。

表3 定長6100±20 mm板簧坯料優化下料方案(2)

4 結 語

從以上分析論述中可以看出，文中提出的基于坯料重量的板簧優化下料系統方案設計，系統組成自動化程度較高，能夠很好地適應板簧坯料的優化下料，并且控制執行元件類型相對又少(僅有液壓油缸和直線電機驅動兩種形式)，控制原理方案設計可行，控制功能易于實現，而且由于板簧坯料尺寸參數、結構形式相對單一，數據庫的構成復雜程度相對較低，坯料優化下料尺寸的計算復雜程度不高，因此該系統具有可實現性，在板簧行業的生產過程中具有一定的現實應用意義。