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1、第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版 ） （ ） 冲压加工中薄板零件夹持与操纵的研究唐 寅 易 红（ 东南大学机械工程系，南京 ）摘 要 在冲压行业中， 金属薄板的不合理夹持与操纵将会影响到产品质量和生产率 本文对金属薄板零件的夹持与操纵进行了研究， 提出了夹持点位置的优化方法，为金属薄板零件的夹持设计提供了依据关键词 冲压； 金属薄板； 物料搬运分类号 收稿日期： 第一作者： 男， 年生，副教授冲压件的质量是影响轿车整车质量的重要因素之一 在冲压生产中， 对柔性金属薄板零件不正确或不合理的夹持与操纵， 将会导致冲压件变形， 引起尺寸及形状上的改变； 更进一步考虑，
2、由于柔性零件的扰动与变形， 将限制搬运和传送的速度， 并影响生产效率 设法减少搬运和操纵时间， 将会提高生产效率， 给企业带来巨大收益然而， 目前的生产实际中尚没有一套完整的理论或方法来指导对薄板零件的夹持和操纵的设计 既没有合理有效的定位和夹紧分析方法， 也没有定量地计算方法 因此， 由于搬运或操纵不当， 经常引起产品的质量问题， 并影响到生产效率实际经验表明， 夹持金属薄板零件的端接器（ ） 在工件上的位置， 对零件的变形和对提高冲压生产效率都有重大的影响 本研究在这方面做了些尝试， 期望对柔性薄板零件的夹持和操纵给出设计指导 冲压加工中薄板零件的夹持冲压加工中对薄板零件的夹持与操纵的具体
3、要求是： ）可靠传递 工件在搬运时不能掉， 夹紧机构必须能承受最大的惯性力； ）高速传递 在安全的前提下， 以尽量高的速度传递工件， 以提高生产率； ）动态特性 工件不能有永久变形， 必须有适当合理的支撑点和夹紧力； ）安全性 工件的弹性变形尽量小， 或工件不应有与其它的工装产生干涉的情况对刚性零件的定位和夹紧已经有详尽的研究和报道， 其基本原理是所谓的 定位原理 年， 提出了一个优化的用于柔性薄板零件的定位和夹紧分析方法， 称之为“ ” 方法 以下是该方法的简单介绍图 是“ ”方法的原理图， 其中 该方法主要是用于分析对静态薄板零件的定位夹紧图 静态薄板零件的“ ” 定位原理主平面中的定位块
4、； 次平面中的定位块； 第 平面中的定位块然而， 该方法对金属薄板零件的夹持和搬运并不完全适宜 其主要原因是上述模型是针对焊接生产线上的静止零件而设计的 对于冲压生产线上， 关键的问题是如何控制工件的运动状态， 即控制运动中零件在外力作用下的变形 橡胶真空吸盘作为端接器在薄板零件的夹持和搬运中得到广泛的应用， 它在工件上的分布位置对零件的形状和姿态有极大的影响 研究中采用了 种模型来描述真空吸盘端接器， 即点接触约束和弹簧约束， 如图所示 弹簧模型是点接触模型的改进形式， 它可以较精确地模拟橡胶真空吸盘， 但计算建模的要求也高图 橡胶真空吸盘的计算模型一般汽车车身冲压生产线上第 个工位是进行拉
5、伸加工 输入的工件是金属薄板毛坯， 不仅重量最大， 面积也最大， 不易操纵 因此， 第 工位的上料操作是制约整个冲压线的瓶颈 下面主要讨论对于薄板毛坯夹持点位置的优化计算 夹持点位置的优化计算 薄板零件的变形计算对运动中的薄板零件进行变形计算图 薄板零件变形计算流程图是较为复杂的， 必须借助有限元（ ） 模型来分析 进行有限元建模计算需要考虑的因素有：工件几何形状、 作用在工件上的重力分布、 工件的刚性或绕性和工件运动方向和参数如图 所示， 对柔性薄板零件的变形计算是按照以下步骤进行的： ）输入零件的几何数据和端接器的初始位置， 并进行必要的数据格式转换； ）对零件进行网格划分， 并施加外载荷
6、， 如重力和加速度力等； ）建立有限元计算的模型， 并生成计算输入文件； ）对零件进行有限元计算， 得到工件变形结果； ）若对输出结果不满意， 则可以调用优化计算模块， 通过改变端接器的夹持位置或其它参数来修正结果 东南大学学报（ 自然科学版） 第 卷 端接器夹持位置的优化计算通过调整端接器的夹持位置， 就可以达到控制工件形状的目的， 以满足冲压生产的需要对橡胶真空吸盘在金属薄板毛坯件上的布置， 可以表达为以下 种要求： 一种是通过改变橡胶真空吸盘的位置， 使工件的形状与冲模的外形轮廓相一致， 这样利于工件安放在模具上； 或者通过改变橡胶真空吸盘的位置， 使工件在垂直方向上的变形最小， 这样利
7、于工件通过压机的开口图 优化计算模型这是一个非线性优化的问题 图 是夹持位置的优化计算的模型 图中，（ ， ， ， ）是变形工件上关键 点， 用来表示工件的变形情况 而 （ ， ， ， ）是对应的关键点在参照面的投影点 （ ， ， ， ）是两点 之间的距离， 它表示工件的变形情况与参照面的符合状况 （ ， ， ， ） 代表端接器 橡胶真空吸盘的位置优化计算内容如下： ）设计变量 真空吸盘的位置 （ ， ， ）（ ， ） ； ）目标函数 根据前述的 个要求， 可以表示为 （ ） （ ）槡 ； ）约束条件 真空吸盘在工件上所有可能达到的位置； ）优化算法 采用 的 计算方法： 根据端接器的初始位置
8、， 边界条件和载荷情况， 先由 计算出工件的变形， 然后由接口文件将结果传给优化计算模块，再由预先设定的目标函数， 系统能自动选定下一个搜索方向和搜索步长， 计算新的夹持点的位置 这个过程重复循环， 直到找到最佳结果优化计算模块流程请参见图 实验验证和结果分析为了考察上述有限元计算模型的正确性和验证优化算法， 以及为了将计算结果与实际的工厂应用例子进行比较， 进行了实验验证和结果分析工作实验是在一个门式吊车上进行的 由门式吊车提供水平（ ） 和垂直（ ） 方向的运动， 运动参数预先设定， 吊杆自动运行 选用的优化目标是控制在垂直方向（ ） 上的最小变形 图 是实验中测得的工件变形曲线， 包含有
9、吸盘新、 旧位置效果的比较通过比较实验结果和计算数据可以发现： 为计算工件的变形， 针对薄板零件而建立的有限元模型能够较正确地模拟实际情况 虽然吸盘的点接触模型在工件两端边缘与实际有差异，但是对整个工件的变形情况还是能较好地反映 采用优化算法， 通过改变吸盘在工件上的位第 期唐 寅等： 冲压加工中薄板零件夹持与操纵的研究图 工件变形测试结果及变形曲线的比较置， 能较大的减小工件在垂直方向上的变形 所采用的优化算法得出的计算结果与实验测得的结果基本吻合 实验和计算同时表明， 工件在垂直方向上的运动将产生最大的变形， 平板类型的毛坯料的变形尤其严重 通过对平板类型的毛坯料变形的研究， 可以帮助突破在冲压生产线上的第 工位的瓶颈限制， 从而提高生产效率 结束语金属薄板冲压工艺在制造业得到相当普遍的应用， 如汽车、 航空航天、 家用电器以及金属家具等 有研究表明， 对工件搬运和操纵不当是造成汽车车身焊装尺寸误差的主要原因之一在以往的研究中， 几乎没有涉及到零件的搬运对产品质量和生产效率的影响 本文提出的对金属薄板零件的夹持和操纵的建模及优化方法， 可以较好地解决上述问题， 为今后的进一步研究和应用提供了参照参考文献 ， ， ， ，（ ） ： ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ： （ ， ， ） ： ，
