基于坯料重量的板簧優(yōu)化下料系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)*

段維華，蘇永旭

(昆明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650214)

0 引 言

板簧是汽車懸架系統(tǒng)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(gòu)成特點(diǎn)之一是各簧片具有等截面但長度不同的性質(zhì)(此處僅討論等截面板簧，下同)，生產(chǎn)中板簧坯料的供貨狀態(tài)一般是由供貨商按“等截面定長”軋制供貨，但現(xiàn)實(shí)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(yè)在板簧產(chǎn)品下料工序中，很難對一件板簧坯料根據(jù)生產(chǎn)型號做到下料片數(shù)最多、廢料最少的最佳優(yōu)化。據(jù)不完全調(diào)查，目前國內(nèi)眾多的板簧企業(yè)在下料工序中，廢料約占5%～8%之間，板簧產(chǎn)品總體材料利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他機(jī)械產(chǎn)品(原因是生產(chǎn)中無機(jī)械切削加工)，因此下料環(huán)節(jié)中看似不高的廢料率，實(shí)則是很大的浪費(fèi)。

目前國內(nèi)眾多板簧企業(yè)普遍采用人工操作下料、手工堆碼，操作者勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。

基于目前板簧下料工序材料利用率不高的現(xiàn)狀，通過對基于板簧坯料重量的下料優(yōu)化原理的分析，以及據(jù)此原理得出的下料系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)，達(dá)到提高板簧下料材料利用率、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、降低操作者勞動強(qiáng)度的目的。

1 基于坯料重量的板簧優(yōu)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(shè)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(shí)，取下料損耗為定值si,則當(dāng)板簧總成片數(shù)為n時(shí)，總下料損失s為:ss=nsi

同時(shí)考慮坯料下料前端頭預(yù)切除量sq,以保證端面與簧坯縱向垂直度。

一件板簧坯料當(dāng)截面為定值A(chǔ)時(shí)，其長度B與其重量G之間的關(guān)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(shí)可以對板簧坯料的重量G進(jìn)行稱重后計(jì)算出其長度B,考慮簧坯端頭預(yù)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(shù)據(jù)(Li+si)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，由下料控制系統(tǒng)計(jì)算出該簧坯的最優(yōu)下料片號及數(shù)量，并由送料裝置接收該數(shù)據(jù)并據(jù)此實(shí)施下料，以達(dá)到簧坯材料在下料工序中的最大利用率。

2 板簧優(yōu)化下料系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

文中提出的板簧優(yōu)化下料系統(tǒng)方案是一套自動化程度較高的下料系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、下料機(jī)械執(zhí)行控制機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原理框圖見圖1所示，系統(tǒng)中各組成模塊功能構(gòu)成及工作原理等見下文內(nèi)容。

圖1 板簧下料系統(tǒng)構(gòu)成方案設(shè)計(jì)

3 板簧優(yōu)化下料系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置

3.1 系統(tǒng)控制單元

系統(tǒng)控制單元是板簧優(yōu)化下料系統(tǒng)的核心裝置，其主要功能作用如下。

(1) 根據(jù)坯料稱重重量數(shù)據(jù)，經(jīng)與各型板簧基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫比對計(jì)算，該坯料的優(yōu)化下料片號和片數(shù)，控制液壓剪床對坯料進(jìn)行定位、夾緊、下料，同時(shí)后級輥道上的接料定位器在預(yù)定位置定位，下料后的簧片經(jīng)后級輥道到達(dá)接料位置時(shí)，撥料推桿將簧片推入相應(yīng)片倉。板簧優(yōu)化下料系統(tǒng)控制單元工作原理見圖2。

圖2 板簧優(yōu)化下料系統(tǒng)控制單元工作原理

(2) 內(nèi)嵌在系統(tǒng)控制單元中的各型板簧基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，包含各型板簧的材質(zhì)、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(shù)(包含片長、片寬、片厚數(shù)據(jù))、各片重量(不計(jì)中心孔、切邊、切角狀態(tài))及長度。待下料坯料稱重后的重量數(shù)據(jù)，經(jīng)換算形成優(yōu)化可下料的片號及數(shù)量。

各型板簧基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的管理及應(yīng)用應(yīng)保證其數(shù)據(jù)的完備性、指導(dǎo)性和權(quán)威性，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)所有板簧下料工藝數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)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(wù)。

數(shù)據(jù)庫平臺網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)是能夠發(fā)揮客戶端PC機(jī)的性能，適宜于企業(yè)在自身局域網(wǎng)中的便捷應(yīng)用。

(3) 控制液壓剪床下料定位器對應(yīng)于每片板簧的定位尺寸、下料時(shí)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(gòu)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(dāng)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(biāo)普通單輥電驅(qū)動輥道輸送機(jī)，整機(jī)設(shè)計(jì)中主要考慮以下幾點(diǎn)：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(chǎn)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(yīng)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(shè)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(guān)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(diǎn)的2/3長度。

稱重傳感器的主要技術(shù)參數(shù)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(tài)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(cè)面接觸，坯料在輥筒上靜止，傳動裝置驅(qū)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(gè)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(jìn)行下料。

坯料稱重重量數(shù)據(jù)通過通訊裝置送入下料數(shù)據(jù)庫比對計(jì)算后，得出該坯料的最優(yōu)下料片號及片數(shù)，由液壓剪床接受相應(yīng)下料長度指令后執(zhí)行相應(yīng)的下料工序。

3.3 系統(tǒng)傳動裝置

(1) 電子稱重裝置的傳動裝置 采用液壓驅(qū)動，為使液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單且滿足工況要求，執(zhí)行元件采用單作用單桿活塞缸，稱重時(shí)活塞缸外伸托舉坯料離開輥筒，稱重結(jié)束由坯料自重+整個(gè)稱重裝置自重的重力回油，托舉行程由行程開關(guān)控制。

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

(3) 下料定位器的定位驅(qū)動 下料定位器完成根據(jù)指令確定的下料簧片的定位，由于一件坯料要求有多個(gè)精確、快速的定位位置，故可采用直線電機(jī)驅(qū)動方式實(shí)現(xiàn)。

(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(shè)置由往復(fù)直線電機(jī)驅(qū)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(jìn)入相應(yīng)片號的片倉。

3.4 系統(tǒng)控制原理方案設(shè)計(jì)

此板簧優(yōu)化下料系統(tǒng)是一個(gè)自動化程度較高的應(yīng)用型系統(tǒng)，該系統(tǒng)執(zhí)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(jù)簧片下料工序構(gòu)成，各執(zhí)行元件驅(qū)動動作邏輯設(shè)計(jì)原理如表1所列。

表1 板簧優(yōu)化下料系統(tǒng)執(zhí)行元件驅(qū)動動作邏輯設(shè)計(jì)

根據(jù)文中提出的基于坯料重量的板簧優(yōu)化下料方案，對某板簧企業(yè)生產(chǎn)的某車型前板簧總成的坯料下料優(yōu)化進(jìn)行模擬計(jì)算。該企業(yè)根據(jù)坯料供貨時(shí)端頭的不平整性、端頭預(yù)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(shí)其稱重質(zhì)量為31.30 kg，該車型前板簧各片結(jié)構(gòu)尺寸、單片質(zhì)量、優(yōu)化下料計(jì)算結(jié)果等在表2、3中列出。

表2 定長6100±20 mm板簧坯料優(yōu)化下料方案(1)

從表3中可以看出，方案五+方案六是最優(yōu)下料方案，因?yàn)樵摻M合方案可以實(shí)現(xiàn)均衡下料，便于企業(yè)組織該車型前板簧總成的下料數(shù)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(yè)生產(chǎn)成本上具有較好的應(yīng)用意義。

表3 定長6100±20 mm板簧坯料優(yōu)化下料方案(2)

4 結(jié) 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(yōu)化下料系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，系統(tǒng)組成自動化程度較高，能夠很好地適應(yīng)板簧坯料的優(yōu)化下料，并且控制執(zhí)行元件類型相對又少(僅有液壓油缸和直線電機(jī)驅(qū)動兩種形式)，控制原理方案設(shè)計(jì)可行，控制功能易于實(shí)現(xiàn)，而且由于板簧坯料尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式相對單一，數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成復(fù)雜程度相對較低，坯料優(yōu)化下料尺寸的計(jì)算復(fù)雜程度不高，因此該系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)性，在板簧行業(yè)的生產(chǎn)過程中具有一定的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。