（机械制造及其自动化专业论文）薄板成形自动生产线的设计与研究.pdf

摘要 薄板成形自动生产线的设计与研究 摘要 换热器是一种广泛使用的工艺设备 在炼油 化工 发电 制药等行业中 是主要的工艺设备之一 设计了换热器板片自动成形生产线的总体方案 并对 所选用的设备类型和相应的主要技术参数要求作了说明 设备组合方式为 开 卷机 分布在各个设备之间的辅助引料装置 校平机 导向装置 纵剪机 送 料机构 数控液压机 剪板机 码垛机构等部分组成 提出了整个生产线的控 制方案 根据实际情况 提出了p l c 的过程控制系统 通过p l c 之间的握手信 号实现了整个生产线的协调动作 设计了精密送料机构 通过p l c 进行控制送料的启停 长度 电机的送料 速度等参数 电机选用三菱的通用交流伺服电机m e l s e r v o j 2 一s u p e r 系列中的 h c s f s 1 5 2 b 驱动器型号为具有电磁制动 有一般减速机和高精度减速机的 m r j 2 一s u p e r 伺服驱动器 根据分步成形的工艺方法 利用有限元法对板料成形过程进行数值模拟并 利用d y n a f o r m 软件对板料的二次成形进行有限元仿真 根据仿真结果修改模具 设计 对自动生产线 利用f l e x s i m 三维仿真软件 建立生产线模型 根据一 个月的生产量迸行仿真模拟 对仿真结果进行分析并优化生产方案 从而达至g 最优生产 关键字 换热器片 可编程逻辑控制器 分步成形 仿真 a b s t r w t t h er e s e a r c ho na u t o m a t i cp r o d u c t i o n l i n eo fp l a t ef o r m i n g s a b s t r a c t p l a t eh e a te x c h a l l g e ri sat y p eo ft h ei m p o r t a i l tt e c l l l l i c a le q l i i p m e m s w h i c hi s 谢d e l y 吣e di i lo i lr e f i n i n g c h e i i l i c a lp l 舳t g e n e m t i n gs 诅t i o n 柚dp h a 棚 y t h e p r o d u c t i o nl i n eo fp l a c ch e a te x c h a i l g e rw 硒d e s i g n e di nt h i st h e s i s a n dt h e 卯eo f p m d u c t i o nl i n ee q u i p m e m sw 硒d e s c r i p t i o n t o o t h ep l a t eh e a te x c h a n g e rp r o d u c t i o n l i n ei sm a d eu po fu n c o i l e r l e v e l c e n t e n a r yg u i d e s s i i t t s c or 0 uf e c d c n c h y d r a u l i cp r e s s s h e a ra n ds 切c k e lw i t ht l ec o n c e mo fp m c t i c a ls i t t l a t i o n t h ep r o c e s s c o n 舡o ls y s t e mi s c o m p o s e do fp r o g r a 吡r i l a b l el o 西cc o m r o l l e r t h ea c t i o no ft h e w h o i ep r o d u c t i o n i i n e si ss y n c l l r 伽i z e db yt 1 1 el l a n d s h a k ep r o t o c o ib e t w nt i l e p r o 鲫 吼a b l el o 百cc o r 灯o l l e r s 1 1 1 ef e e d i n ga g e n c yo fp r o d u c t i o ni i n ei sd e s i g i l e d 锄di ti sc o n 仃0 l l e db yp l c n l eb e g i l l l l i n ga i l ds t o p p i n go fm o t o r l e n g t ho ff b e d i n ga n ds p e e do ff 曲d i n g 盯e c o n t r o l l e db yp l c t h eh c s f s 1 5 2 b o fm e l s e r v o j 2 一s u p e ri sc h o o s e d m e m r j 2 一s u p e ri su s e db yd r i v e lni sc o m p o s e db ye l e c t m m a g i l e t i cb r a l e c o m m o n r c d u c e ra n dh i g hp r e c i s i o nr e d u c e l w i mt h ep m c e s so fd i 仃e r e n t s t e ps h e e tm e t a lf o m i n g 廿坨咖m e r i c a ls i m l l l 砒i o n i sl l s e df o rs h e e tm e t a lf o m i n ga n dm es o f to fd y i l a f o 肋i su s e dt o 舢l a t et h e p m c e s s c so fm e t a i 向r m i n g s w i t ht h er e s u i to fs i m u i a t i o n t h ep l a t eh e a te x c h a l 玛e r d e s 迢皿i so p t i m i z e d 1 ks o ro ff l e x s i mi su s e dt oe s t a b l i s ht h em o d e lo fp r o d u c t i o n l i n e t h em o d e l i ss i m u l a t c da i l do p t i m i z e db yt h e s u l to fs i m u l a t i o n k e yw o r d s p l a t eh c a te x c h a i l g e r p l c d i 侬鹏n t s t 印s h c e tm e t a lf o 珊i n g s i m u l a t i o n n i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集 保存 使用学位论文 的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目 的的前提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动 学位论文作者签名 锘侣妖 纠年3 月5 9 日 1 一 一 一 一 一一 注 非保密论文无需签字 经指导教师同意 本学位沦文属于保密 在年解密后适用 本授权书 指导教师签名 学位论文作者签名 年月日年月日 发表声明 本人郑重声明 本论文是在导师的指导下 独立进行研究工作所 取得的成果 撰写成学位论文 薄板成形自动生产线的设计与研究 除论文中已经注明引用的内容外 对本论文的研究做出重要贡献的个 人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论文不包含任何未加明确 注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 骺淋 研年3 月 日 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题的来源及意义 1 1 1 课题的来源 板式换热器 p h e 是一种高效 紧凑的换热设备 在强调高效 环保 节能 的今天 板式换热器在热交换领域的优势已经日益明显 特别适应各种工艺过 程中的加热 冷却 热回收 冷凝以及食品消毒等方面 在低品位热能回收方 面 具有明显的经济效益 最初板式换热器仅用于食品加工方面 后来在石油化 工 制药 造纸 机械 冶金 造船 发电等部门都得到广泛的应用 近几年 在机场 酒店 商厦 轨道交通 船舶等场合 已部分地替代了传统的管壳式热 交换器 取得了良好的效果 图1 1 板式换热器片结构简图 p 板式换热器 见图1 1 是由一组波纹金属板组成 板上有四个角孔 供热交 换的两种液 气 体通过 金属板片安装在一个有固定板和活动压紧板的框架内 并用夹紧螺栓夹紧 板片上装有密封垫片 将流体通道密封 并且引导流体至各 自通道内 波纹板不仅提高了湍流程度 并且形成许多支撑点 足以承受介质间 第1 章绪论 的压力差 金属板和活动压紧板悬挂在上导杆 并由下导杆定位 而杆端则固 定在支撑柱上 目前我国的换热器生产线仍以机械电器控制为主 相当于发达国家7 0 年代 水平 一部分采用微机控制的生产线虽然实现了自动化 但是只能适应一种型 号的换热器 缺乏生产的柔性 不利于多样化的需求 同时换热器精度的控制 难以提高 为了解决这些问题 在北京市的支持下 联合北京海淀永大机电设 备有限公司对柔性化 智能化的换熟器片自动化生产线进行了研究 板式换热器片的生产一般包括以下几部分 开卷 校平 涂油 冲孔 剪 断 冲压成型和成品入库等 在实现自动化生产时就是把这几部分结合起来 使之能协调地工作而不用人的干预 当然不是简单的堆积结合 还要增加如传 动送料和自动校向 保证板料送进方向 并保证产品的质量等 本课题所研究 的项目来源于海淀永大机电设备公司欲筹建的新型自动化生产线 主要内容就 是设计一种全自动化生产线用于生产几种常用的换热器板片 要求送料精度为 o 1 唧 产品的长度可以根据需要进行变化 产品生产的类型可以根据实际情况 调节参数和模具而快速转换生产 1 1 2 研究的目的和意义 随着换热器新的需求和大量应用 对其生产也有了越来越高的要求 如何 提高板式换热器的换热效率和生产效率引起了世界各国的普遍重视 成为目前 板式换热器研究的重点 从换热器的设计 制造 结构改进到传热机理的试验 研究也一直都在进行 生产过程控制系统的高度自动化要求 产品的质量精度 要求都越来越高 将微电子技术 信息处理技术 智能控制技术 新传感技术 以及新工艺新材料技术等应用于换热器生产中去 各种先进技术以群体综合应 用方式谋求生产过程实现智麓化 高自动化 商效能化 这也反映了换热器生 产的高科技水平和发展方向 随着社会生产力的发展 生产制造业的发展呈现出三种明显的趋势 1 自动化水平越来越高 生产设备从手工到机械 直到自动化 生产率大 大提高 生产节奏加快 2 柔性化水平也越来越高 随着市场竞争的需要 多品种 小批量产品生 产日益增多 在欧美和日本的制造业中 中小批量生产的产品在数量上约占8 5 在产值上约占6 0 一7 0 9 6 2 第l 章绪论 3 生产规模不断扩大 专业分工越来越细 h 由于历史原因 我国现代化的换热器生产的发展起步较晚 基础比较薄弱 通过引进 消化 吸收 国产化生产和自主开发 已经具有一定的生产能力与 规模 换热器生产线从半自动化 初级自动化到微机控制的现代自动化都已有 应用 我国换热器生产线虽已初具规模 但与世界先进水平还有较大的差距 目 前 一些应用在石油化工行业的大型或超大型并且要求高精度的换热器 我国 生产起来还有一定困难 一些高级自动化和多功能高精度的自动换热器生产线 还不能生产 目前的换热器生产线仍以机械电器控制为主 仅相当于发达国家 7 0 年代水平 鉴于此 研制出全自动化的换热器生产线对提高我国换热器行业的生产技 术水平 改变生产的落后局面具有重要的现实意义 同时 提高换热器片生产 的自动化程度 也可以提高生产能力 扩大生产规模 降低工人劳动强度 提 高产品质量 适应产品在国内外市场竞争的需要 本文通过设计了一套可以快速调整的柔性模具 并且使用微控制器进行生产 信息的采集和生产线控制 很好的解决了各种装置之间的动作协调一致性 在 自动化冲压生产方面进行了积极的探索 1 2 国内外研究现状 1 2 1 自动化的研究现状 在大量生产中 实现生产自动化对于提高生产率和保证操作安全具有重要 意义 同时对于一个公司的发展也有很重要的作用 通过调研发现 市场流行 以下几种自动化生产线 s t 4 4 系列生产线 主要由开卷线 校平机 中间输送架 剪板机 机动送 料架 落料台 电气控制柜等七大部分组成 它能有效地控制卷的跑偏 定长 尺寸准确 生产效率高 料头送入校平机后 能自动地完成金属卷板的开卷 校平 剪切 落料的全过程 b s t 4 4 系列半自动型生产线 主要由上料车 开卷机 校平机 中间输送 架 简易测量定长控制装置 剪板机 带式输送机 垛料台等组成 z s t k 4 4 系列自动型生产线 主要由钢卷入料台车 开卷机 开卷机械手 第l 章绪论 铲板引料机 校平机 引渡架 n c 电脑控制送料机 剪板机 带式输送机垛料 台等设备组成 通过数控 光控 液控实现精确的分时动作 全自动地将卷简 钢板开卷一剪切一落料 此生产线获得二项国家专利 b s t 4 4 4 1 8 0 0 系列自动型生产线 该系列生产线由开卷机 校平机 中 间输送架 剪板机 机动送料架 落料台 电气控制柜等七大部分组成 它能 有效地控制板料的跑偏 定长尺寸准确 料头进入校平后 能自动地完成金属 卷板的开卷 校平 剪切 落料的全过程 除此之外 还可根据用户的要求改 变校平和送料的宽度 国外的自动生产线比较典型的是i s i 的p a t h f i n d e r 系列和a b b 的d o p p i n g 系 列 基于6 轴的r o b c r r 的柔性自动化系统开始进入市场 伴随着电子技术的发展 联机 连线 联网等技术都得到了充分的应用 包括远程诊断 分布式控制 技术 总线技术 以及计算机技术都在自动冲压线上得到了长足的发展 同时 压力机的速度有了明显提高 生产效率和节拍也显著提高 像a d c 技术 自走式 模具夹紧器 吨位监控 温度监控 平衡器风压自动调整 气垫风压自动调整 装模高度自动调整 气垫行程自动调整等技术也得到了广泛的应用 液压湿式 离合器 制动器的应用也越来越广泛 数控液压技术也在很多用户中开始应用 在多工位压力机方面 大型的电子三坐标送料得到应用 多台大型压力机公用 传动轴组成的c r o s s b a r 大型多工位压力机也进入了市场 使得多工位压力机的 效率和柔性有了很大的提高 在单机连线方面 6 轴r o b o t 机器人 技术日趋完 善 造价越来越低 使用也越来越普及 其柔性越来越显示出其优越性 越来越 多的冲压线开始配备r o b o t 自动化系统 同时 对于中小件 越来越多地采用 2 0 0 0 3 0 0 0 t 的多工位压力机配电子三坐标送料装置代替中型的冲压线 随着电 子技术的飞速发展 伺服电机的成本又有了大幅度的下降 一种新型的伺服压 力机也逐步开始投入使用 日本山田公司推出了两台h 1 f 6 0 组成的冲压自动生产 线 其加工材料多为1 0 2 5 咖宽的带状铜板 经冲压成为复杂产品 该生产线 可连续冲压 然后进入自动检测系统 该线冲床的最高冲压次数为4 0 0 次 m i n 5 1 1 2 2 金属板材冲压成形技术的研究现状 传统的板材冲压成形方法是依赖经验和直觉 这往往很难达到缩短产品开 发周期 降低成本的目的 同时 产品的质量也不能得到应有的保证 针对传 统冲压加工的不足 一些新型的加工方法如精冲 液压成形 电磁成形 超塑 4 第l 章绪论 成形 多点成形 渐进成形等应运而生 这些特种加工方法的特点是精密 柔 性 快速 复合 信息化 这些方法已不同程度的进入到我国制造业中 在运用新型加工方法的同时还借助有限元的方法对冲压过程进行仿真t 有 限元法是一个具有牢固理论基础和广泛应用价值的数值分析工具 那是因为有 限元方法通用性强 它适合于任何的材料模型 任意的边界条件 任意的结构 形状 不仅可以预测板料冲压成形过程中的应力 应变分布及成形过程所需的 载荷 而且还可以比较准确地确定各种成形参数对板料成形过程中金属塑性流 动规律的影响 为板料成形工艺和模具设计提供科学的依据 从而保证工艺和 模具设计的质量 减少模具的返工或报废 这大大减少了产品的开发周期 降 低了成本 因此 有限元法在工程应用中起着越来越重要的作用 1 2 3 冲压生产自动送料技术的研究现状 冲压生产自动化主要是指包括材料供给 制品及废料的排出 模具更换 冲床的调整与运转 冲压过程异常状况的监视等作业过程自动化 将这些技术 应用到冲压生产流水线的相应环节从而实现冲压生产过程的自动化 自动送料 机构作为冲压加工生产实现自动化的最基本的要求 是在一套模具上实现多工 位冲压的根本保证 它的自动化程度高低 直接影响着冲压生产效率 生产节 拍以及冲压生产整体自动化水平 冲压生产自动送料一般包括普通压力机的送料机构 机械手加穿梭小车式 自动化输送系统和多工位压力机的自动送料机构 目前冲压生产线的配置中应 用较为广泛的是开式单点压力机加装辊轮送料机 或气动送料机 这种生产 线可以做单工序或多工序的连续冲压 操作性良好 另一种开式双点压力机加 装多工位送料装置 搭配开卷装置 校平装置等组成的用于多工位连续冲压的 生产线 由于占地面积和工序间的搬运都明显减少 在生产中应用呈现逐渐增 多的趋势 而电机厂应用最多的专门冲制电机硅钢片的生产线则是由高速压力 机加装凸轮分割型送料机 配装开卷机 校平装置等组成 据美国精密锻压学会1 9 9 0 年前后统计 美国三大汽车公司6 8 0 条冲压线中 7 0 为多工位压力机 日本为美国建造的3 5 条生产线中6 9 为多工位压力机 日本国内2 5 0 条生产线有3 2 为多工位压力机 美国的克莱斯勒与日本三菱公司 合资的d i 硼o n ds t a r 汽车厂 通用汽车公司的s a t u r n 工厂已经实现只用多工位 压力机来进行冲压生产 由此可见 大型多工位压力机取代单机联线冲压生产 第l 章绪论 线的来势迅猛 近2 0 多年来 由于电力电子技术的发展 计算机控制技术以及现代控制理 论的应用 交流伺服驱动技术飞速发展 交流伺服自动送料的动力来自交流伺 服电动机 具有柔性化 智能化的特点 工作性能和工艺适应性很强 在我国 较先进的自动送料装置是深圳力豪公司的n c h f 系列三合一伺服系统送料机 它 适合于各种五金 电子 电器 玩具及汽车零件的连续冲压加工 送料矫正 准确耐用 可任意设定送料长度 操作容易 安全及稳定性高 但是 在该 送料机中所用的伺服马达 电器箱电子元件和控制器等都是从日本引进的 国 内在这方面的技术还比较落后 1 3 本论文的研究内容 针对板式换热器片生产线的缺陷 本文提出了一套全自动化的板式换热器 片生产线方案 主要完成一下工作 1 生产线的总体设计 对板料进行冲压生产工艺分析 制定了冲压工 艺方案 设计了整个生产线的总体结构 利用p r o e 软件对生产线的总体 结构进行建模 分析了生产工作过程 2 精密送料机构的设计 设计一个送料机构 要求送料精度达到o 1 砌 并且送料速度要快 能够达到快速起停的要求 3 板料成形的有限元分析 利用有限元对板料的二次冲压成形进行分 析 利用d y n a f o r m 对板料成形进行仿真 根据仿真结果修改模具模型 4 生产线自动化控制系统设计 通过可编程控制器之间的通讯使整个 生产线协调工作 设计了p l c 的软硬件系统 5 生产线的仿真优化 分析生产线的生产时序 利用f l e x s i m 软件对 整个生产线进行仿真 对生产线中的各个设备进行状态分析 得出优化方 案 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 2 1 生产线的总体构成 根据换热器板片成型的工艺要求 生产线的方案为 开卷一校平一送料 涂 油 一 料仓 一送料定位一冲压成型 两步或三步 一冲孔一剪断一落料入 库 生产线的工艺流程图如2 1 2 所示 潜 在鍪晒 图2 1 生产线工艺流程二维三维图 换热器板片的生产线总体上分为以下几个部分 1 开卷机构初始上料部分 在开卷机中有一个直流电机 在工作状态中 属于无动力源 电机不做任何运动 当要改变卷料品种时 电机进行反转 将 还留在生产线上的剩余板料卷起 2 校平机满足板料加工的平整性 较平机中有一个交流变频电机 主要 用来带动板料进入储料仓 并通过调整它的转速来调整储料仓中的板料 3 送料定位及冲压成型机构由于采用冲压多次成型 因此 对于送料定 位的精度要求较高 这里采用交流伺服电机进行送料定位 冲压装置采用数控 冲压机床 7 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 4 冲孔机构冲孔由冲孔机完成 5 剪断机构剪板机剪切板料形成成品 2 2 生产线控制方案的确定 2 2 1 控制任务 生产线的工艺流程图如2 2 所示 其中包括开卷 校平 料仓 送料 两 道冲压成形工序 冲孔和产品下架等工序组成 手动和自动两个操作系统可以 独立工作 整个生产线的控制可以分为几大部分 模具工位的控制 送料系统 控制 开卷校平机构的控制和冲压机的控制 生产工艺流程 图2 2 生产工艺流程圈 模具工位的控制主要是因为分步冲压成形对于第一 第二工位的控制 根 据产品的规格进行计算 根据计算结果来控制移动模架的移动行程 然后通过 电机来控制模架的移动行程和速度 送料系统主要是由气缸控制料夹 然后由交流伺服电机驱动的滚珠丝杠上 来回运动进行送料 所以 主要控制的是夹料板的压紧与否 交流伺服电机的 启停和送料距离 开卷校平机构的主要控制是针对校平机的速度进行控制 通过对料仓的储 料多少的检测结果来控制校平机的速度 使料仓的储料始终在理想的数量 冲压机是在板料冲压成形后的一道工序 对冲孔的控制是当位置传感器检 8 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 测到板料到达冲孔位置时对板料进行冲孔 2 2 2 控制方案的确定 生产过程自动化 一般是指工业生产中的连续的或按一定程序周期进行的 生产过程的自动控制 按是否采用计算机来分 过程控制可以分为常规控制系 统与计算机控制系统 常规控制系统是最基本的只有一个回路的控制系统 随 着电子技术的发展 相继出现了各种比较复杂的多回路控制系统 它们在二十 世纪中后期对生产过程的自动化控制起了重要的作用 根据本生产线的工艺流程和过程控制理论 提出了两套控制方案 方案一 选择p l c 来进行控制本方案是常规控制系统中的程序控制系统 其中p l c 作为中央处理单元 生产线控制部分由计算机智能自动控制和手动控 制两个独立部分组成 其中计算机自动智能控制系统可根据所选定的产品类型 自动协调控制由开卷开始的校平一料仓储料一自动送料一第一 第二两道冲压工 序以及冲孔 落料等工序的动作 在选定自动工作方式时 系统操作只需按动启动按钮 整个过程就会自动 进行 手动操作系统是与自动控制操作系统相互独立的系统 其目的是为了生 产线调试及其它的特殊需要而设定的 校平工序中的调速电机负责开卷送料速度控制 其与料仓中的储料检测装 置构成闭环控制系统 当科仓中的低位光电开关捡测到储料过多时 调速电机 将降低开卷送料速度 当高位光电开关检测到储料没有时 马上向送料控制系 统发出报警 中位光电开关检测到板料时 说明送料速度适中 送料系统的交流伺服电机与后面的两道冲压工序组成一套闭环控制系统 该套控制系统是一套双闭环控制系统 其分为内环和外环 外环是由两道冲压 工序动作状态及产品要求所形成的反馈信号而构成 以协调伺服电机的宏观送 料动作 内环由位移量反馈控制系统组成 以保证每次送料量的精度 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 生产线 图2 3 系统工作原理图 系统工作原理图如图2 3 所示 主控机为p l c 通过计算机进行程序的编写 再通过适配器将程序传送给p l c 另一套p l c 系统作为主控p l c 的辅助控制系统 生产线中的多数开关量信号通过开关量采集电路采集 送入主控p l c 中 经过 主控p l c 处理后 输出开关量经过开关量输出驱动电路输出 并控制生产线各 个控制单元 从p l c 控制系统主要完成产品参数的数据采集 以及工作状态的 显示输出 同时还可以完成伺服电机工作状态的驱动信号输出 方案二 主控机为工控机的控制这个控制方案是计算机控制系统 用工控 机作为中央处理单元 生产线控制部分用计算机智能自动控制和手动控制两个 独立部分组成 其中计算机自动智能控制系统可根据所选定的产品类型自动协 调控制由开卷开始的校平一料仓储料 自动送料一第一 第二两道冲压工序以及 冲孔 落料等工序的动作 在选定自动工作方式时 系统操作只需按动启动按钮 整个过程就会自动 进行 手动操作系统是与自动控制操作系统相互独立的系统 其目的是为了生 产线调试及其它的特殊需要丽设定的 l o 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 阴删措一 生产线 图2 4 系统工作原理图 系统工作原理如图2 4 所示 生产线中个传感器及检测装置将所采集的信 号通过开关量采集隔离处理系统和数字量接口传送给工控机 主机程序对这些 数据进行分析 并结合操作键盘中的有关信息决定对生产线的操作状态 并经 过输出接口以及输出开关量隔离放大电路总出生产线中 从而控制各个工序的 动作 这两种方法都能完成对生产线的控制任务 鉴于考虑到p l c 和工控机的优 缺点 本课题组选择方案一 用p l c 来控制的控制系统 2 3 系统的工作过程 由对图2 1 和整个机械系统的分析 可以把整个生产线加工控制过程分成 两大部分 1 料仓之前包括上料一校平 主要控制工作是对校平电机的控制 这里 采用变频器对校平电机进行变速度控制 2 料仓之后包括送料定位一模具定位一冲压保压一冲孔一剪断一落料入 第2 章换热器板片自动化生产线总体设计 库等 这时生产线控制的主要部分 因为是分体模具设计 要求送料定位的精 度相对提高很多 因此送料定位的精度控制是设计的重点 系统工作的详细过程如下 当上料后校平检测传感器检测到需要校平时 p l c 发送信号启动校平电机进行校平 如果位于料仓的传感器检测到位于料仓的 板料过多 则禁止校平 直到检测到料仓内的板料在允许的范围内 如果料仓 内的传感器检测到料仓内的扳料过少 有板料的状态下 那么控制变频器的输 出量换到快速档 加快校平的速度 同时送料定位被禁止 在料仓之后 如果 送料检测传感器检测到需要送料 这时气缸夹夹紧并抬升板料 夹紧抬升到位 后 前进第一模具的长度 送进到位后 气缸落下 冲压装置根据p l c 发送的 信号来判断需要哪个模具 并调整模具位置 模具调整到位后 液压机冲压 在冲压过程中 如果压力检测装置检测到压力到达要求 则停止冲压并保持一 定时间 保压完毕后 模具抬起 在这个过程中 禁止送料 也禁止气缸的运 动 液压机上的模具抬起到位后 冲压装置前后的气缸放松板料并按送料的长 度跟随伺服电机退回 进行第二次送料 板料冲压完成后 通过传送机构将成 形板料送到冲床位置 如果冲孔传感器检测到板料到达冲孔位置 那么启动冲 孔设备 冲孔完毕后继续传送 如果剪断传感器检测到板料需要剪断 这时有 一气缸立刻夹紧板料 使剪断位置固定 夹紧完毕后 启动剪断装置剪断板料 形成成品 并通过传送带送入仓库 2 4 本章小结 整条生产线的构成是由开卷机构 校平机 送料定位及冲压成型机构 冲 孔机构 剪断机构这几部分组成的 并介绍了各个设备的功用 生产线的任务 是使生产个工部协调生产 缩短生产时间 提高生产效率 分析了整个生产线 的控制任务 为此确定了以p l c 为主控机的控制方案 将生产线分为两部分 料仓之前和料仓之后 根据生产工艺的步骤对生产线的生产过程进行阐述 1 2 第3 章精密送料机构的设计 3 1 引言 第3 章精密送料机构的设计 冲压生产自动化是提高生产率 保证安全生产的根本途径 在通用压力机 上采用手工操作 其行程利用率较低 在中小吨位压力机上约为2 0 3 0 如果采用自动送料装置可使行程次数利用率提高到8o 9 0 所以 在通用 压力机上采用自动送料装置进行自动或半自动生产在企业中得到了广泛的应 用 一般可使生产率提高2 3 倍以上 大批量生产冲压件的行业 已开始采 用高效的自动冲压设备及其相适应的自动送料装置和模具 每分钟冲压次数高 达l o o o 多次 送料精度达o 0 l 哪 随着电子计算机技术的发展 对冲压柔 性加工系统的应用和研究工作也日益受到重视 3 2 生产线对送料系统的要求 整个生产线采用板料进行生产 首先要对卷料进行开卷 然后校平 送料 机把校平过的板料往液压机里面送 送料长度由生产的产品品种来决定 下面 以海淀永大机电设备公司生产的型号为k b l 2 的换热器片为倒 送料长度为 1 1 0 8 姗 要求送料精度为o 1 i i l i n 每分钟送料1 2 次 送料机构的送料是周期 性的 送料速度约为5 m m i n 这就要求校平机和送料机之间有一个储料仓 形 成一个板料的缓冲 再板料不动的时间里储够 0 8 咖长的料 另外要求一种产 品生产完成后要把板料剪断并通过开卷机收回 这就要求有一台备用剪床 要 求整个送料系统协调工作 3 3 开卷校平机构的结构设计 3 3 1 总体设计 开卷校平机构的总体布局如图3 1 所示 开卷机在装科完成后是一个被动 机构 靠较平机的动力把卷料打开 校平机和剪床之问有一个料仓 通过调整 校平机的速度来控制料仓的储料量 校平机和剪床之间安装了光电开关 通过 第3 章精密送料机构的设计 它们可以知道料仓的储料量 从而来调整校平机的送料速度 图3 1 开卷校平机构总体布局 3 3 2 开卷校平机的选用 1 开卷机 开卷机是初始上料部分 它在设备结构上大体可分为 悬臂式开卷机 双 圆柱式开卷机和双锥头开卷机 悬臂式开卷机具有刚性好 开卷张力较大等优 点 故适用于较薄带材的开卷 双圆柱头开卷机上料操作方便 工作更平稳可 靠 其结构也比悬臂式开卷机简单 其缺点是 由于采用两套传动装置 双圆 柱头开卷机设备重量比悬臂式开卷机要大 由于双锥头开卷机 锥头部分和带 卷接触面积太小 带张力操作时 容易损坏带材头部 基于本课题所涉及的换热器片的种类及型号差异大的特殊性 课题组选择 带辅助装置的无动力源的悬臂式开卷机 当卷料过重时 可以使用辅助装置以 增加稳定性 2 校平机 校平机用满足板料的平整性 用来带动板料进入储料仓 通常校平分为 拉 伸校平 张力校平 压力校平 辊式校平 其中 辊式板料校平的弯曲变形过 程符合弹性定论 而辊式板料校平机按照工作辊的排列方式 又可分为上辊单 调式 辊列平行式和辊列不平行式三种机型 上辊单调式板料校平机的每根上排工作辊均可单独升降调整 工作辊直径 和距离较大 这种机型主要用于中厚板的校平 由于工作辊径和辊距较大 因 而其校平精度较差 一般用作粗校机或在线使用 辊列平行式辊式校平机上 下排工作辊排成互相平行的两列 上排工作辊 含两边导辊 可上下升降移动 同时两边导棍还可以单独升降 主要用于中 第3 章精密送料机构的设计 厚板校平 辊列不平行式辊式校平机上 辊排工作辊成一定角度 上排工作辊可上 下升降移动 同时相对下排工作辊可实现角度倾斜 主要用于薄中板校平 但 最近几年有用于中厚板的趋势 根据本课题提出的技术要求 综合上面三种校平机的优缺点该生产线采用 结构相对简单 且经济适用的成对导辊且上辊可调的平行式辊式校平机 3 3 3 校平调速系统设计 校平机采用的是9 辊板材较平机 其动力由交流电机提供 为了调整电机 的速度 采用变频调速的方法进行控制 变频器的主要电路采用交一直 交型 先把工频交流电源通过整流器转换 成直流电源 然后再把直流电源转换成频率 电压均可控制的交流电源以供给 电动机 变频器的电路一般由整流 中间直流环节 逆变器和控制器4 个部分 组成 整流部分为三相桥式不可控整流器 逆变部分为i g b t 三相桥式逆变器 且输出为p 嘲波形 中间直流环节为滤波 直流储能和缓冲无功功率 原理图 如3 2 所示 图3 2 变频器原理图 由电动机的转速公式拜 6 0 歹 1 一s p 可知 只要改变加在定子绕组上的三相 电源的频率 电机的转速月就可以改变 从而达到对运行电机进行动态调节的 目的 第3 章精密送料机构的设计 电机分为高速 中速 低速三种速度运行 当中位装置检测不到信号时 电机要高速运行 当中位置检测到信号而低位装置检测不到信号时 电机中速运 行 当低位装置检测不到信号时 电机要低速运行 当高位装置检测不到信号 时 直接输出报警信号 料仓检测装置检测到的信号反馈给主控机器 主控机 器根据这些反馈信号调节送料电机的送料速度在1 5 m m i n 之间变化 3 4 送料机构的设计 送科机构由传动送料装置 驱动系统和控制系统三部分组成 这三部分的 结构框架如图3 3 所示 控制系统控制给驱动系统发送信号 从而使得驱动系 统指导传送装置的运动 图3 3 结构框架图 3 4 1 传动装置的设计 传动送料装置是指在对板料进行冲压前 把板料精确的定位到冲压位置 这 是保证板片质量的最重要一环 本文采用气缸控制夹料 通过夹料板和气缸把 带料夹紧 气缸和夹料板通过螺钉连接在一起 在他们下面与导轨相连 电机 带动丝杠转动 从而使上面的夹料板和气缸一起运动 整个送料机构的运动原 理如图3 4 所示 当气缸夹紧后 电机把带料向前送 气缸松开后 电机把气缸 退回原位 根据系统的要求 选用金港动力传动公司的s f u l 6 0 5 4 型滚珠丝杠 螺距 为4 哪 为进一步提高系统的精度 在伺服电机和滚珠丝杠之间采用减速方式 减速比由下式计算 减捌n 塑铲 3 1 伺服电机额定转速2 0 0 0 r m i n 带料一般每次送进l 0 0 0 姗 送进要求时间1 分钟 那么减速比为 打 竺旦 兰 8 3 2 1 6 第3 章精密送料机构的设计 圈3 4 送料机构运动原理图 考虑到系统运行过程中的其它因素 减速比定为1 0 设定伺服电机每转对 应脉冲数为2 5 0 0 假设电机转一圈 由此得到每个脉冲对应的位移量为 l o o 0 0 1 6 m 3 3 1 0 2 5 0 0 与要求的精度相比每个脉冲的位移量很小 不过考虑到加工过程尽量快速 会产生一些误差 因而在传动送料过程中本文采用闭环控制来保证精度要求 采用编码器采集滚珠丝杠的角速度信号并转换成脉冲信号送往p l c 并通过p l c 计算后将信号输出 从而控制伺服电机的启停或是运转速度 3 4 2 送料机构的驱动 1 电机的选用 n 订m 1 目前 运动控制系统中大多采用步进电机或是伺服电机作为执行电动机 两者在控制方式上相似 都是通过脉冲列和方向信号进行对电机的控制 步迸电机是自动控制系统中常用的执行部件 它的输入信号为脉冲电流 它能将输入的脉冲信号转换为阶跃型角位移或是直线位移 因而步进电机可看 作是一个串行的数 模转换器 由于步进电机能够直接受数字信号 而不需要数 模转换 所以使用微机控制步进电机显得非常方便 步进电机有以下优点 1 通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制 2 位置误差不会累积 3 与数组设备兼容 能直接接受数字信号 4 可以快速启停 然而步进电机也存在着不足 步迸电机在低速时易出现低频振动现象 而 第3 章精密送料机构的设计 且当工作频率高于起动频率时会出现丢步的现象 由于步进电机是开环控制系 统 在停止时如果转速过高则会出现过冲现象 伺服电动机又称执行电动机 在自动控制系统中也用作执行元件 把所收 到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出 其主要特点是 当信号 电压为零时无自转现象 转速随着转矩的增加而匀速下降 伺服电机具有以下 优点 1 避免失步现象伺服电机自带编码器 位置信号反馈至伺服驱动器 与开环位置控制器一起构成闭环控制系统 2 宽速比 恒转矩从低速到高速都具有稳定的转矩特性 不会出现振 动现象 3 控制简单 灵活通过修改参数可对伺服系统的工作方式 运行特性 做出适当的设置 以适应不同的要求 4 快速启动从静止加速到其额定转速仅需几毫秒 伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类 直流饲服电机存在机械结构 复杂 维护工作量大等缺点 在运行过程中转子容易发热 影响了与其连接的 其他机械设备的精度 难以应用到高速及大容量的场合 机械换向器则成为直 流伺服驱动技术发展的瓶颈 交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷 换向器等机械部件所带来 的各种缺点 特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系 统的优越性 因此 我们选用交流伺服电机来驱动送料机构的运动 为保证送 料精度及速度 本系统中选用交流伺服电动为执行电机 在本设计中选用三菱m e l s e r 廿j 2 一s u p e r 系列通用交流伺服电机 电机型 号位h c s f s 1 5 2 b 驱动器型号为具有电磁制动 有一般减速机和高精度减速 机的m r j 2 s u p e r 伺服驱动器 h c s f s 1 5 2 b 电机采用的是1 7 位编码器 驱动器每接受1 3 1 0 7 2 个脉冲电机 转一圈 即脉冲当量为3 6 0 0 1 3 1 0 7 2 9 8 9 角秒 是步距角为1 8 的步迸电机的 脉冲当量的1 6 5 5 h c s f s 一1 5 2 电机的额定功率为1 5 k w 额定转速为2 0 0 0 r p 从静止到加速到其额定转速2 0 0 0 r p m 仅需几毫秒 并具有很强的过载能力 其 具有位置 速度和转矩三释控制方式 本系统选择速度控制方式 交流伺服电机控制采用了磁场定向矢量控制原理 具有动态响应快 稳态 运行精度高 转矩脉动小 低速运行平滑等性能 而且调速范围大 伺服电机 第3 章精密送料机构的设计 图3 5 伺服电机调速系统 该伺服电机调速系统由电流环 速度环 位置环构成 因为电流环在伺服 驱动内部 所以确保了充分的响应性 实际使用中只需调整速度环增益位置及 位置环增益 驱动器接线示意图如图3 6 所示 由于进口伺服电机使用2 2 0 v 所以需要一个3 8 0 v 与2 2 0 v 的交流变压器 伺 服 驱 动 器 图3 6 驱动器接线示意图 由图3 5 我们可以看出 速度模式我们采用的加减速是通过变加速和变减 速实现的 一边加减速规律有两种选择 一种是指数规律 也就是开始时先采 1 9 第3 章精密送料机构的设计 用大一点的加减速 随着转速的升高 加减速逐步减小 降速时则是高速段减 速度小一点 低速段减速度大一点 这样比较符合伺服电机的输出转矩随这速 度的增大而减小的规律 另一种是直线规律 也就是力 速或是减速时的加减速 是恒定的 前者的计算较为复杂 后者比较简单 鉴于此 本系统选择直线加 减速法的速度模式 3 4 3 送料机构的控制系统设计 本系统采用p l c 进行控制 送料系统的交流伺服电机与后面的两道冲压工 序组成一套闭环控制系统 p l c 主要负责采集生产线中的多数开关量信号 将开 关量信号传送出去 蚍 生产线要求送料精度为o 1 啪 误差不能累积 为了消除累积误差 采用了 送料到位检测装置 每次送料至到位检测装置的位置 退料夹 从到位检测装 置往后退上次前进的距离 如上次板料送进l 1 0 8 渤 则料夹需退l1 0 8 锄 这样 每次送料产生的误差都不会累积到下一次送料 并且使料夹具有了学习功能 无论开始时料夹在什么位置 只要让它到达一次送料到位检测装置的位置 它 就可以精确送料 饲服电机与p l c 之间形成的控制框架如图3 7 所示 图3 7p l c 与伺服系统的控制框架图 p l c 控制系统提供给驱动器的信号主要有以下三种 1 伺服脉冲信号c p 这是最重要的信号 电机的转速跟脉冲信号的频率成 正比 脉冲频率大转速就快 脉冲频率小 转速就小 2 方向电平信号d i r 此信号决定电机的旋转方向 比如说 此信号为高 电平时电机为顺时针旋转 那么此信号为低电平时电机则为反方向逆时针旋转 3 脱机信号f r e p 此端为低电平有效 这时电机处于无力矩状态 此端为 高电平或是悬空不接时 此功能无效 电机可正常运行 在本次设计中没有利 用这个功能 此端信号接到了系统的正电源上 p l c 控制的送料机构的流程图如3 8 所示 第3 章精密送料机构的设计 图3 8p l c 控制的送料机构的流程图 2 1 第3 章精密送料机构的设计 由于板料的进给距离与夹料板的运动距离是一致的 所以 夹料板的行程 量由伺服电机控制 而伺服电机的控制则由p l c 实现 p l c 产生两路信号 一路 为伺服脉冲信号c p 它的频率和伺服电机的转速成正比 它的个数决定了伺服 电机旋转的角度 另一路为方向电平信号d i r 它决定了电机的正反转方向 由以上的叙述可以看出电机的控制主要由伺服脉冲信号和方向信号来控 制 p l c 控制主要是控制电机的启停和移动距离 3 5 本章小结 提出整条线对送料机构的要求 对开卷校平机构进行了设计 其中包括开 卷校平机构的总体布局 开卷校平机的选用以及校平的调速问题 对送料机构 进行了设计 对送料机构中的传动送料装置 驱动系统和控制系统这三部分分 别进行了设计 其中包括传动送料装置的设计 伺服电机的选用以及分析控制 流程 第4 章板料成形的有限元分析及其仿真 4 1 引言 第4 章板料成形的有限元分析及其仿真 目前生产单位生产换热器的型号多达2 0 多种 并且板片面积大小差异也非 常大 从o 0 5 m 2 1 9 3 m 2 生产为中小批量生产 为了能够提高设备的利用 率以及所生产的换热器板片面积大小不受压力机吨位限制 课题组和合作单位 对成形工艺提出了分次冲压同一板片 从而降低所用成形压力机的吨位 满足 生产不同型号 不同大小的板片 分次冲压同一块板片意味着将所成形件的形 状进行离散成几个部分 然后根据冲压工艺的先后顺序进行冲压成形 首先 需要对成形件进行工艺分析 再对模具进行拆分 接着运用有限元理论对其进 行数值分析计算 最后运用仿真软件进行仿真验证是否具有可行性 最后投入 生产 4 2 冲压工艺分析 尽管换热器型号众多 但最常见的有四种类型的换热器片 形状简单的 零件 形状复杂且变形密集但存在大变形曲率的零件 大型拉深简单覆盖件和 典型的既有连续变形件又有些规律的零件 如图2 1 所示 c 类 图4 1 板式换热器片的基本类型 b 类 d 类 第4 章板料成形的