0 引 言
钣金具有自重轻、强度高、导电性能强以及加工制作成本低等优点，被广泛应用于电子电器、通信技术以及汽车工业中。钣金加工是钣金产品成型的一道必不可少的工序，包括切割下料、冲裁加工、弯压成形、挤压成形等。传统钣金成型费时费力、生产效率低、产品质量差。随着电子微软用户技术和计算机科学技术地不断发展，钣金加工机械化自动化逐渐发展起来。钣金成型设备在我国尚无定型标准，设备生产厂不能在工艺过程中采用批量生产，需要根据产品型号尺寸要求单独设计。
本文介绍一款U形冰箱门壳成型非标设备，通过采用西门子S7-300可编程控制器进行生产控制，机械手自动下料，实现全线全自动生产。
1 产品成型工艺分析
冰箱门壳采用冷轧板或PCM预涂钢板，厚度约0.5 mm。U形壳体的侧面和顶面交界点处拼角的美观要求，给成型设备的工艺设计、加工精度和装配精度提出了更高的要求。冰箱门壳成型过程应包括冲切落料、辊轧成型和翻边折弯等多项钣金成型技术。生产设备采用液压驱动和气源驱动，包括上料工位、冲切工位、翻转工位、辊轧工位、打Z工位、贴敷工位、折U工位、下料机械手工位，以及液压站和PLC电气控制操作台[1]。
产品槽形如图1所示。
图1 侧板成型渐变图
根据槽形形状，图中左侧槽形称作“F”侧，右侧槽形称作“B”侧。不同型号冰箱侧板的宽度改变，槽形保持不变。侧板截面由直线和圆弧组成，两侧槽形是由多组成型轮辊轧渐变形成，通过调整成型轮的形状渐变达到成型的目的，各组成型轮之间要保持基准一致、渐变成型，防止板材因受力不均、变形过大造成损伤[2]。
U形冰箱侧板拼角处叠边结构成型过程如图2所示。
图2 拼角成型过程示意图
板料经过冲切后，形成预定切口，经辊轧成型后为直线型槽，打Z工序的主要任务是利用模具完成图中双边A和“Z”形折边B，经过折U工位后A和B按接触面I紧密贴合，便可形成拼角。
2 关键工位的机械设计
2.1 辊轧成型工位
辊轧工位是门板槽型的成型工位为设备核心工位，采用可移动式防护罩设计，实现正常生产时辊轮不外露，确保辊轧轮清洁和生产操作安全。工位由两排成型轮组分别完成两侧的槽形，每侧轮组由动力轮和惰轮组成，动力轮负责简单的折弯成型，并提供板料前进的动力，惰轮被动传动，负责复杂槽型的成型。
两侧的动力轮均由形状渐变的多组成型轮组成，均安装在齿轮箱上，由相同直径的齿轮啮合传递驱动，保证运动的同步性，防止板料被拉扯撕裂。每组成型轮都由上、下成型轮组成，成型轮采用硬度高、耐磨性好、强度高的Cr12MoV冷作模具钢材料。
本研究在复杂槽型位置的两组动力轮之间设计一组成型轮，在板料的带动下转动，并对板料进行折弯成型，这种辊轮因不提供动力输出而被称为惰轮，其安装位置灵活可调，槽型多样。
复杂槽型的成型轮结构如图3所示。
图3 惰轮成型轮装配简图
1—齿轮箱；2—调节螺栓；3—定位支架；4—滑块I；5—滑块II；6—调节螺栓；7—惰轮I；8—惰轮轴I；9—惰轮II；10—惰轮轴II；11—调节套
板料通过两个惰轮的形状进行挤压成型，惰轮通过滑块安装在定位支架上，通过调节螺栓2整体调节定位支架3，带动两惰轮上下整体移动，通过调节螺栓6调整两个惰轮水平间隙，通过调节套11的厚度调整两个惰轮上下的间隙[3]。
2.2 打Z工位
打Z成型采用液压油提供驱动力，通过模具挤压板料成型，利用模具间形状和精度保证产品成型部位的形状和精度。打Z组件采用4个液压缸，驱动两套模具完成工作，其爆炸视图如图4所示。
图4 打Z模具爆炸视图
产品质量的好坏取决于各模具及产品间的配合间隙，需要根据经验进行设计和反复修磨。打Z组件装配简图如图5所示[4]。
图5 打Z组件装配简图
1—支架；2—上油缸；3—中油缸；4—内油缸；5—连接块；6—打Z阴模；7—外油缸；8—双边阳模；9—导向块；10—盖板；11—打Z阳模；12—挡板；13—活动支架；14—双边阳模滑块；15—直角座；16—导向座
2.3 下料机械手工位
该工位采用龙门式4自由度吸盘气动机械手方案，可以完成机械手的水平移动、上下升降、旋转及伸缩，可吸持与松开工件。两侧吸盘将折U后的产品取出，并按照装配要求的姿态放置在指定的位置，包括龙门支架、水平移动台车、上下移载装置、真空吸附机械臂、转台和升降台几部分[5]。
3 全自动控制系统
3.1 控制系统总体设计
该设备工艺复杂、工位多，总长80多米，数字I/O点数近千点，伺服驱动器33台，变频器20台，还包括液压站、气缸及电磁阀、接近开关、光电开关、限位开关等传感器。本研究综合分析工艺特点，采用西门子PLC，设计了控制系统总体方案，如图6所示。
图6 控制系统总体方案示意图
本研究根据生产线工艺布局和流程，将生产线分为前、中、后3部分。前段部分是整个生产线控制核心，控制器选用CPU 315-2DP作为主控制器，负责上料工位、冲切工位、翻转工位和辊轧工位，同时承担整条生产线的集中控制和配方数据管理；中段部分采用ET200M从站形式，负责打Z工位和帖覆工位；后段部分也使用ET200M从站形式，负责折U工位和下料机械手工位。
生产线的操作方式分为手动、自动、全线自动，当运行在自动状态时，本研究使用光电开关、接近开关等传感器来判断板料到达指定工位的具体位置，按照程序指令来判断板料到达的工位和具体位置，然后按照顺序指令启动相应机构动作。人机界面通过WinCC flexible编写人机操作界面，实现各工位操作和显示界面。生产线中普通电机主要用来传送驱动，采用变频器控制方式，方便实现无级调速。模具位置调整和其他定位装置通过伺服电机位置控制方式实现。气动和液压元器件采用开关量控制，通过电磁阀来实现[6]。
控制系统的通讯模式采用Profibus-DP现场总线。主站读取从站的输入信息，并周期地向从站发送输出信息。此外，Profibus-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理。由于采用了现场总线，整个系统结构高度分散，构成了网络集成式全分布控制系统，提高了可靠性，简化了系统结构[7]。
3.2 打Z工位控制子系统的设计
打Z工位主要控制对象为皮带传送、打Z模具装置定位、板材定位机构和模具动作，分别通过普通电机、伺服电机、气缸、液压实现。打Z工位控制流程如图7所示。
图7 打Z工位程序流程图
PLC控制程序示例如图8所示。
图8 打Z工位程序示例
3.3 下料机械手工位控制子系统的设计
下料机械手工位主要实现成型后的U壳自动下料。控制对象为台车水平移动、机械手上下移动、机械手关节运动，转台旋转和传送以及状态检测。该工位基本动作是：通电复位→水平移载装置将吸盘移至U型工件→吸盘内收夹紧工件→抽真空，吸盘吸住工件→上下移载装置使工件上移少许位移→水平移动至转台处→垂直旋转90°→上下移载装置下移使工件落至输送平台→吸盘停止吸附并外扩放置工件，吸盘复位→输出工件至后续流水线[8]。
3.3.1 下料机械手数字I/O分配
下料机械手工位中，使用行程开关检测和判断台车运动是否到位，共9个输入点。使用接近开关判断机械臂是否抓取工件，使用磁性开关来检测和判断气缸动作是否到位，每个气缸有两个位置需要检测是否到位，每个气缸上都安装2个磁性限位开关，共10个输入点。旋转台上5个输入点，用来检测转台状态。因此共使用24个输入点。在输出端，需要升降气缸升/降、机械臂正转/反转、机械臂伸出/缩回、运行指示灯、停止指示灯和故障指示灯，以及真空吸盘的通断信号，一共占用PLC的18个输出点[9]。机械手PLC的I/O分配表如表1所示。
表1 机械手PLC的I/O地址分配表
电气接口如图9所示。
图9 机械手PLC的I/O接口图
3.3.2 下料机械手程序设计
每一工位的控制程序分为手动程序和自动程序。下料机械手的程序流程如图10所示。
图10 下料机械手程序流程图
控制部分程序示例如图11所示[10]。
图11 下料机械手程序示例
4 结束语
本研究介绍了U形冰箱门壳钣金成型自动化设备。在分析大型钣金件产品的成型工艺特点基础上，采用辊轧成型方法，实现复杂槽型的渐变成型；通过精密磨具挤压成型方法，实现门壳拼角处的叠边结构；采用吸盘机械手，解决了大型薄板结构安全稳定抓持难题；采用现场总线技术和西门子S7-300PLC，实现全生产线自动化生产。
经过长期生产检验表明：设备工作稳定、运行良好，生产的产品外形美观、尺寸精度高，各项指标达到技术要求，生产节拍不大于35 s/套，废品率低于0.1%。
参考文献(References):
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