机器人滚边工艺及系统研究

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1、 机器人滚边工艺及系统研究 导师及职称王丝强教援年月 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名:工作单位、职称主席:委 员:锄桫荑辱匆勿事墨澎 彩纱讯白忙坳菇敞伽些吹辱吲袁睫可蜀赤房以杪婚引扣阪瑰粥哆独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标志和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经或其他教育机构的学发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得合肥工业大学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论姗者签字:

2、杨修签字隅泐年牛月乡同学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金目曼王些丝太堂有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅或借阅。可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库本人授权金曼王些太堂进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后适用本授权书导师签名:学位论文者签名:柄竹差签字期:加年噜月乡二签字同期:为儿年牛月妒学位论文作者毕业后去向: :工作单位: :通讯地址:机器人滚边成形工艺及系统研究摘 要机器人滚边是白车身装配过程中的一项关键技术,作为一种新型的包边方式,它通过机器人控制安

3、装在其手臂末端的滚边工具,对板件边缘进行滚压,使外板沿内板边缘翻折,实现两者的装配。机器人滚边自动化程度高、柔性好。滚边产品的质量直接影响车辆的外观和尺寸精度。文章结合生产实际对滚边板件的外形设计提出要求,分析了不同外形板件的滚边工艺性。使用有限元分析方法对滚边过程板件的受力和变形进行了研究,主要针对滚边过程中常见缺陷:预滚边板件产生波浪、滚边完成后板件尺寸发生变化缩进或胀出进行了分析。讨论压入角、滚轮直径、滚轮和目标点之问距离等滚边工艺参数对滚边质量的影响,对滚边工艺参数的设置给出建议。研究了滚边系统工艺装备,针对滚边工艺特点对滚边工具、夹具、胎模提出了设计要求,并讨论了滚边系统的应用场合。

4、采用三维仿真平台对滚边系统进行了建模,通过该平台实现了滚边过程的模拟仿真。能有效地验证滚边系统布局的合理性。同时,通过该平台能实现机器人离线编程,简化机器人滚边的现场调试过程。关键词:滚边工艺参数质量缺陷滚边系统., ., ., ., . ,.,?. ? . . ., .: ; 致 谢本文是在导师王健强教授的悉心指导下完成的。两年多来,无论是在学习,科研还是工作上,王老师都给予了我大量的帮助与指导,从课题的选定、工作的实施到论文的撰写和修改,无处不渗透着导师的心血。王老师渊博的知识,严谨的治学态度,睿智的科研思路和忘我的敬业精神,深深地影响了我。为我树立了学术研究和工作的榜样。谨此论文完成之际

5、,特向恩师致以最崇高的敬意和衷心的感谢感谢巨一自动化装备公司提供大量的项目参与机会,参与项目的过程中开阔了我的眼界,培养了独立思考和解决问题的能力。感谢公司领导关怀和帮助。自动化公司工程师们勤奋严谨、顽强拼搏、乐于奉献的精神一直激励着我。感谢汤东华、牛赵龙、王庆华、成子文等同事的帮助,在项目实施的过程中我们一起努力的岁月成了我宝贵的人生经历。我要特别感谢我的父母一直以来默默的奉献和对我无时无刻的关怀。他们无私的爱是我前行的动力,我取得的任何成绩都有他们的功劳。感谢同窗陈立群、张军、程刚,师弟陈立松、朱久友和其他好友在各方面的帮助,是你们陪我度过了三年难:忘的时光。最后,向百忙之中抽出宝贵时问对

6、本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心的感谢作者:杨竹君年月目 录第一章绪论?.包边概述?.国内外研究现状?.文章结构?第二章滚边成形工艺?.板件成形工艺性研究.常见包边截面形式和应用场合.滚边板件翻边设计要求.滚边可行性分析.滚边可行性分析步骤.滚边可行性分析实例.滚边成形分析?. .滚边过程板件变形特点?.有限元方法的基本原理?.滚边成形过程建模仿真?.壳单元滚边仿真?.本章小结?.第三章 滚边工艺参数对质量的影响.滚边参数设置对预滚边过程翻边波浪的影响.滚边工艺参数对预滚边翻边波浪影响程度比较?.滚轮直径对预滚边翻边波浪的影响?.距离对预滚边翻边波浪的影吼.滚轮形状和滚压方式对预滚

7、边波浪的影响?.板件曲率和翻边高度对预滚边翻边波浪的影响?. 滚边参数对缩进和胀出的影响?.板件折弯半径和滚边速度对缩进的影响?. ?距离对缩进的影响.滚轮直径对缩进的影响?.本章小:节?.第四章 机器人滚边系统?.滚边机器人?.机器人类型选择?.机器人承载能力的选择?.其它因素.?机器人简介.滚边工具?.滚边工具类型?.滚边工具的组成和工作原理?.滚边夹具和胎模.滚边夹具的定位夹紧原则.滚边夹具的种类和特点?.滚边夹具设计.胎模?.柔性切换单元和控制系统?.柔性切换单元.滚边控制系统?.滚边系统应用?.本章小结?.第五章 滚边系统运动仿真?.轨迹仿真的必要工具.机器人滚边运动仿真实现的原理?

8、.运动仿真的实现步骤.滚边系统布局一.滚边工具坐标系的建立?. 机器人动作目标点的建立.和在设置时的注意事项?.本章小结第六章 总结和展望?.本文总结.研究展望.参考文献攻读硕士学位期问发表的学术论文?.插图清单图。包边示意图.图?依据边线和曲面的包边分类【图? 常见包边方式图 不同形式的滚边工具?.图 滚边工艺过程图 缩进和胀出图由包边质量引起的典型装配缺陷】图?由翻边波浪引起的表面不平整图按板件轮廓特征选择对应的包边方式图 直边普通包边板件截面?图 凹边普通包边板件截面图凸边普通包边板件截面?.图?特征线普通包边推荐切边尺寸?.图 拐角包边推荐切边尺寸?.图? 绳式包边板件截面推荐尺寸图?

9、 某引擎盖滚边可行性分析区域划分?.图? 区域板件截面尺寸图?.图? 区域板件截面尺寸图图一 区域板件截面尺寸图?.图? 弹簧受力模型?.图?,。时刻时间段的划分?一滚边区域划分.外板网格划分?. 翻边过程模型?.一翻边过程一翻边后应变分布?.压入角和?距离示意图?.一 滚边约束模型?.一预滚边过程模拟.一 预滚边后板件应力分布.一 等效应变图?.一预滚边后板件变形图.一 预滚边时滚轮压力随时间变化图图图图图图图图图图图图图图终滚边过程模拟.图 终滚边后板件应力分布一图壳单元滚边仿真过程图板件波浪程度评定方法图.不同锥角下的滚轮?.图?同一滚轮不同的压入姿态图?滚轮在完成不同角度折弯时.距离的

10、变化.图? 滚边缩进检测位置?.图缩进随?距离变化图图? 滚边系统布局图?.图? 不同构型机器人?图? 一机器人本体结构.图? ?机器人尺寸参数.图?各类滚边工具.图? 天窗滚边工具和板件折弯示意图?图? 滚边工具组成?.图? 不同形式的滚轮?图不同形式的滚边夹具?.图 滚边央具和胎模.图 滚边工作站布局图图 滚边工作站布局图图? 滚边工作站布局图?图? 滚边系统网络控制架构图?.图? 某项目门盖滚边系统仿真布局图.图? 滚边工具坐标系设置?.图.在胎模轮廓线上建立.图? 真实滚边过程中的?距离表格清单表不同包边方式比较?.表常见的包边截面形式及应用场合?表直边普通包边板件外形尺寸推荐值表凹边

11、普通包边翻边高度推荐表?.表.凸边普通包边翻边高度推荐表?.表.滚边可行性分析表表滚边可行性分析表?.表.滚边可行性分析表表?材料属性?表? 滚边板件尺寸参数?表预滚边和终滚边测量因素对比表.表一 正交表?. 表滚边参数对预滚边波浪的影响程度?.表? 预滚边波浪程度分析表?表?不同直径对预滚边波浪的影响表?距离对预滚边波浪的影响?.表不同的锥度和压入方式对滚边波浪的影响?.表? 不同锥角和压入方式滚边波浪系数值?.表? 板件曲率对预滚边翻边波浪的影响?.表翻边高度对预滚边波浪的影响?.表? 弯曲半径和滚边速度和与之对应的缩进值?表?采用不同的?距离滚边仿真结果?一表一 采用不同?时的滚边缩进值

12、表? 滚轮直径对滚边缩进的影响?.表? 机器人各轴运动范围.第一章 绪论.包边概述包边是将板件折弯的工艺过程,作为车身覆盖件引擎盖、行李箱盖、翼子板、车门和天窗的一种常见装配形式被广泛地使用于白车身焊装线上。它通过塑性变形的方法将外层板件沿着内层板件的边缘折弯,从而将两层板件固定在一起【。通过包边能有效地把锐边隐藏起来,提高板件的安全性和外观质量,它也是一种实现内外板件连接的装配工艺。翻边包边前、。一翻边包边后。,一,/,三多 , /二/.,一一内板篓髯。板出于分析考虑,根据外形将包边分为类【】:平面平直边包边、平面曲边包边、曲面直边包边、区面曲边包边。由于对平面直边包边的分析有典型的意义,故

13、文中主要关注平面直边包边。同时也对平面凸边、平面凹边包边在预包边阶段出现的常见缺陷进行了分析。边线凸边 凹边直边凸回一一包正边面 回囝一凹回一卜 依据边线利曲面的包边分类七包边方式有传统的压机包边和专机包边,还有近些年被高度关注的机器人滚压包边机器人滚边。目前很多企业都逐渐淘汰昂贵的传统的包边技术,转而使用机器人滚压包边技术。三种包边方式从左致右依次为:压机包边、专机包边、机器人滚压包边图卜常见包边方式机器人滚边作为一种特殊的包边形式是通过安装在机器人手臂术端上的滚边工具完成的。它通常在已翻边的板件上进行。它是通过工业机器人控制滚边工具,沿着已翻边的板件边缘对板件多次滚压,使外板包裹住内板完成

14、两者结合。不同的滚边工具上装有不同形式的滚轮以实现不同类型板件的滚边。一台滚边机器人可以完成多套板件的滚边,也可以使用多台机器人协同作业完成同一套板件的滚边加工。滚轮的形式也有很多种,分别适用于不同轮廓的板件。滚边技术对新产品适应能力强,和传统的包边工艺相比机器人滚压包边有以下优点:、工作可靠、便于维护;、占用场地小、环境清洁;、自动化程度高,产品柔性好;、滚边设备生产周期快,设备成本较低。但是机器人滚边在效率上不如号机包边和压机包边,这在一定程度上也限制了滚边技术的推广。图卜 不同形式的滚边:具表?不同包边方式比较设备类型 地面积 生产效率 系统柔性 设备成本 噪声机器人滚边 以机器人为 生

15、产效率较 一台机器人成本较低 噪声小中心,胎模和 低 可以对多种夹具可以在 车门进行滚四周分布,边操作,只需地面积较小 更换滚轮,柔性好压机包边 专用的模具 生产效率高 折边模具和 成本高 噪声人配置专.的 压机都是专液压机,地 州的,更换车面积较人 型后就要更换整套设备,柔性差专机包边 夹具和折边 生产效率高 通常是定制 成本很低 噪声人机共体,地 专机设备,柔性筹面积小机器人滚边过程通常分两个步骤:预滚边、终滚边。根据翻边开角的大小、板件外形的复杂程度和材料特性等方面的差异,预滚边又可通过一次或多次实现。最为常见的有三道滚进行两次预滚边和一次终滚边和两道滚预滚边一次即进行终滚边。滚轮翻边板

16、傅预滚边 终滚边图? 滚边:艺过程滚边成形是一个复杂的板件受力变形过程,由于在成形过程盯,无法对外板进行充分的约束,滚边后板件的尺寸可能和设计尺寸有所偏差。经常出现的情况有以下几种:缩进和胀出成形后板件尺寸小于设计值的称为缩进,成形后板件尺寸大于设计值的称之为胀出。缩进和胀出会影响装配后板件之间的问隙,影响车身外观质量。例如滚边后板件轮廓尺寸缩进导致在装配时板件之间间隙不均匀。表面不平整预滚边的过程中,板件的受力变形是随滚轮不断运动发生的,在此过程中,板件翻边处会产生波浪,在波浪不严重的情况下随着终滚边的进行这些波浪会被压平,当翻边在预滚边时产生的波浪没有在终滚边时被压平,就会在板件内侧产生褶

17、皱,使板件表面不平整;如果施加的压力过大还会在板件上产生压痕,影响外观。翘曲板件外形设计不合理或采用的滚边方式不正确时,滚边完成后板件的拐角处容易发生翘曲变形。这会严重影响板件外观质量,甚者导致板件无法正确安装。,/一翻边后外板/设计轮廓位置。一么一/包边后外板厂二二二二 /?上?一,?一?一?尽二胸基遘/包边后外板?一?一、.,一/,?二二二二上? 一.。?一?业二、.,一一一一?图卜 缩进和胀出/后门、/制早,、;间隙丕二致一 前门、间隙不致 面筹图卜 由包边质量引起的典型装配缺陷【图?由翻边波浪引起的表面不平整.国内外研究现状在传统包边工艺方面,国外一些学者进行了比较深入的研究。美国俄亥

18、俄,。使用计算机辅助的方法研究了板件翻边、和包边的工艺过程,大学对包边过程中回弹、翘曲、翻边波浪等缺陷的产生进行了分析,探讨了如何通过改进包边工具和改变工艺设置来减少包边缺陷的产生,基于试验改进了翻边】使用冲头设计,对包边质量进行了预测。美国密西根大学的有限元分析和试验结合的方法分析了包边成形工艺过程,对缩进、胀出、下沉等包边中常见缺陷等进行了讨论,探讨了预包边进给位置的确定。有限元分析方法被广泛的应用在包边研究中。沃尔沃公司的 】使用有限元分析软件?对汽车引擎盖的包边成形过程进行了三维仿真,仿真过程中使用了不同的单元类型,通过将仿真和试验结果对比,说明壳单元能很好的模拟板件成形过程。.,.,

19、.等在文献?中对包边进行了大量的研究,不仅包含传统的包边方式还包含滚边成形,研究的主要内容集中在使用有限元方法分析包边成形过程,讨论了考虑包辛格效应、各项异性、材料的应变历史等对分析结果的影响。张学东 使用有限元分析的方法研究了平直板件包边工艺。分析了翻边冲头圆角、翻边凹模圆角、凹模冲头问隙等工艺参数对翻边成形载荷的影响以及包边过程中相关参数对成形板件尺寸的影响。彭朝阳【 、李华东 等人在对包边成形分析的过程中也都用到了有限元方法。当前对滚边技术的研究主要集中在滚边工具的设计和滚边工艺的优化上。机器人滚边技术起源于铝制车身的研发,由于使用传统的压机包边:艺会使铝合金板件折断并产生大量的磨削碎末

20、,于是汽车制造商与公司合全铝作开发了一种。争用于铝材的包边工艺。经过大量的实验后首次在制车身上应川并取得了良好的效果。之后各大厂商都加紧了对滚边工具的研发和专利的申请?之。公司设计出了包边机系统、飞行包边系统等不同形式的滚边工具并申请了相关专利 】,实现了对不同板件边缘的滚边处理。公司研究了伺服滚边工具,通过控制滚边时滚轮的转动提高滚边效率。公司研究了一种提供压力调节的滚边工具,通过程序控制滚边过程滚轮施加在板件上的作用力来达到更好的滚边质量。并申请了专利【】。国内对滚边技术的研究起步较晚,年巨一自动化装备公司通过研发将滚边系统成功应用于某商用车门盖包边,申请了机器人弹性滚边工具【】专利。对滚

21、边的研究主要以试验为主,通过数值分析和有限元软件相结合考察滚边工艺设置对成型质量的影响。等使用有限元软件对滚边过程进行了仿真,通过定义不同的机器人刚度系数模拟了滚边成型需要的作用力。比较了不同的折弯半径对缩进的影响。.等人在文献中使用有限元软件对镁铝合金滚边工艺进行了数值模拟,比较了不同本构方程对模拟结果的影响,对比了预滚边和终滚边翻边受力情况和位移变化和传统包边方式的差异。,.【】使用有限元分析方法对比研究了传统包边和机器人滚边,对滚边过程的板件缩进进行了讨论,依据仿真试验建立了一种响应曲面模型用来预测在文献中采用了数值模拟和试验相结合的方法研究了铝缩进。合金板件滚边过程中板件应力变化情况。

22、陆光钰【 等人使用有限元方法对滚边压入时的板料变行抗力进行计算。对滚边开始时不同压入方式产生的压力进行了仿真模拟。伍俊棠等采用实验的方法比较两道滚边采用不同的预滚边和终滚边压人角度组合时缩进和胀出的变化关系。刘程 等采用实验的方法研究了滚边角度路径对轮廓尺寸变动量的影响。认为在三道次滚边过程中前两道次预滚边导致尺寸缩进,终滚边导致尺寸胀出。等用实验的方法研究了铝合金材料的滚边断裂极限并和有限元软件仿真结果对比,认为用克罗夫特和莱瑟姆塑性断裂准则预测滚边板料成形性能是有效的。李淑慧【等通过数值模拟的方法研究了铝合金滚边过程中循环硬化现象。模拟结果表明在包边前材料的弯曲区域已发生了加工硬化但在翻边

23、区域材料的塑性变形很小。此外,张如飞【,”】研究了适用于滚边的机器人各轴运动,针对车门滚边进行了运动学分析。张婧慧【使用平台对机器人滚边工作站进行了方案设计和验证,对机器人滚边仿真流程进行了研究。文献?从工程应用角度对滚边技术进行了介绍。国内目前关于滚边技术的研究虽然已取得了一定的成绩,但滚边产品应用才刚刚开始。在实际生产中对滚边工艺的制定依然缺乏相应参考,无法合理设定滚边工艺参数和校正机器人使得离线编程技术未能很好的应用于滚边成产。滚边程序的编制主要依靠现场调试人员,工作量大且不易保证产品质量。本文希望通过对滚边成形工艺和滚边系统的研究得出一些可用于指导滚边生产的分析方法。. 文章结构为了得

24、到稳定可靠的产品质量,需要对滚边工艺进行研究。文章首先列举了常见的包边截面形式,并基于滚边项目经验提出了滚边板件设计参考,使用了有限元分析的方法研究滚边成形过程,对采用不同工艺参数得到的滚边结果进行分析比较,得出了通过合理设置滚边工艺参数提高滚边质量的方法。分析了滚边系统的组成并从滚边工艺角度提出了对滚边工具的设计要求。对滚边系统在焊装线上的应用进行了举例说明。运用软件对机器人滚边过程进行了仿真建模,实现了对机器人滚边过程的运动轨迹规划,并给出了离线编程时的若干注意事项。文章的结构如下:第一章:绪论。对滚边的研究现状和课题内容进行介绍。第二章:滚边成形工艺。提出了针对滚边加工的板件设计要求,介

25、绍了滚边工艺,对滚边成形过程进行力学分析,给出了一种研究滚边工艺的方法。第三章:滚边工艺参数对质量的影响。列举了滚边过程中的主要质量缺陷,使用有限元方法分析了不同滚边工艺参数对滚边质量的影响。提出了合理设置滚边工艺参数,提高滚边质量的方法。第四章:滚边系统的组成。介绍了滚边系统的组成,滚边夹具和胎模设计的注意事项,探讨了滚边机器人的选型。对滚边系统的应用进行了举例说明。第五章:滚边系统运动仿真。研究滚边系统运动仿真,给出了一种实现机器人滚边轨迹仿真的方法。第六章:总结和展望。对所完成的工作进行了总结,对机器人滚边工艺和系统方面需要做进一步研究工作的内容进行了阐述。第二章滚边成形工艺滚边是一种板

26、件边缘的处理方式,为了滚边的顺利进行需从滚边工艺角度对板件的外形提出要求。外形合理的板件配合正确的滚边工艺参数才能加工出满足质量要求的产品。滚边的成形过程比较复杂,涉及的工艺参数多,分析滚边成形过程对研究滚边很有必要。.板件成形工艺性研究为了满足滚边工艺性和车身质量要求,不同的板件需采用不同的滚边方式。完成滚边后板件的截面形式也各不相同。本节从满足滚边成形工艺角度对包边截面的形式进行了阐述,并指出了它们的应用场合。.常见包边截面形式和应用场合板件进行包边的目的有两种,一种是为了美观,另一种是出于质量和安全考虑。合适的包边能使车辆有漂亮的外观,更能满足客户的审美要求;能使车辆在发生意外事件时有更

27、好的安全性。包边的截面形式是由包边所在位置、板件材料特性和成形区域的特殊需要决定的。每种对应的包边截面形式有不同的滚边工艺要求。表?列出了常见的包边截面形式和它们的应用场合。表? 常见的包边截面形式及应用场合三垒型鸯涎一形.一一二二二:二.兰二名称:绳式包边名称:普通包边平直包边名称:。包边特点:能实现延展性较差材特点:工艺简单,面差和间隙从料的包边,安全性好。 特点:外板翻折 。不同角度看起来略有不同。应用:特定位置,如引擎盖 应用:特定场合,如顶应用:广泛靠近风挡玻璃侧。 盖天窗、翼子板。 、, 。二二二二乡、 一:二二二二.兰三:乡。二: 一?一一一一名称:半包边 名称:直包边名称:改良

28、平直包边特点:外板部分折弯, 特点:翻边高度低,外特点:外观效果好,面差和间隙从不和内板无重叠。 板和内板无重叠。应用:特定场合,拐角 同角度看起来差别小。应用:特定场合,如车应用:用于对外观要求非常高的场合。门拐角处。 处。普通包边应用最为广泛,例如顶盖边缘、车门、引擎盖等处。绳式包边用于板件延展性不足无法实现普通包边,或对安全有特殊要求的场合。如引擎盖靠近风挡玻璃一侧、行李箱盖,主要考虑到在发生碰撞时可以尽量减少对人员的伤害。包边比较特殊,板件翻折角度大,用于顶盖天窗和翼子板的包边,一般需要进行道滚压才可以最终完成成形。半包边和直包边未包边一般用于拐角部位无法进行正常滚边的情况,如发动机舱

29、盖铰链安装处、车门拐角处,若对这些部位强行进行滚边会导致板件产生严重翘曲和变形。改良平直包边州折弯线更加平滑,外观效果好,从各角度观察都有一致的间隙,主要用于对外观有较高要求的场合。.滚边板件翻边设计要求不同的包边截面形式对翻边形状设计要求不同;相同的包边截面形式随着所应用板件外形轮廓的变化,对翻边的外形和尺寸要求也不相同。不同的板件材料成形性能不同,翻边的外形尺寸也要进行相应调整。为满足滚边工艺要求,在设计板件翻边时需要综合考虑所采用的包边截面形式、板件的外形轮廓特征、材料的力学性能,对翻边长度、翻边丌角、内外板件边缘间隙、翻边折弯处圆角半径等因素提出设计要求。不同材料的讨论方式类似,本节仅

30、对最常见的深冲钢板的翻边设计进行讨论。按板件轮廓几何特征与包边截面的不同组合,可以将常见包边划分为以下几类:直边普通包边、凹边普通包边、凸边普通包边、特征线普通包边、拐角包边、绳式包边。见图?。采用机器人滚边方式完成以上包边时,根据项目经验建议按以下推荐值进行板件翻边尺寸设计。.直边普通包边当包边轮廓的曲率半径大于时认为该板件为平直板件,符合这个特征的轮廓在滚边过程中最为常见,如图?所示。翻边圆角半径、翻边高度、内外板间距都影响滚边的可行性和滚边后的产品质量。翻边折弯处圆角半径的大小会影响滚边后板件的轮廓尺寸,圆角半径越小滚边成形后板件的轮廓尺寸变动量就小。翻边高度和内外板的问隙影响滚边后内外

31、板的结合质量,翻边需要有一定的高度以保证有足够的重叠区域使外板充分包裹内板,但过长的翻边会使板件在滚边的过程中出现波浪,影响滚边质量。内外板件距和翻边开角的设置需确保内外板能顺利扣合,考虑到板件的制造。误差内外板问距设置在之间。翻边开角一般不大于盐、, ?乡?丝内外板间距重合长度?.包边前截面 包边后截面?鍪 直边普通包边极件截面根据滚边试验,使用滚边完成直边普通包边时,板件的尺寸参数有以下推荐值:表? 直边普通包边板件外形尺寸推荐值:艺参数 翻边高度 翻边开角 内外板间距 圆角仁径 重合长度 。 推荐值 . 凹边普通包边板件 当板件轮廓内凹且曲率半径小于时,认为待滚轮廓为凹边,如图?所示。对

32、于凹边板件,随着曲率半径的减小,滚边的过程中可能出现板件的边缘产生裂纹,称之为拉裂现象。翻边苗度越大,越容易产生拉裂现象。根据滚边试验,板件曲率取值不同时需要对翻边高度做相应调整以保证滚边质量。翻边高度设置推荐值见表?。内外板间距?包边前截面图 凹边普通包边板件截面表. 凹边普通包边翻边高度推荐表内凹,.径 翻边高度 . . . . . . 凸边普通包边当板件轮廓外凸且曲率半径小于时,认为待滚轮廓为凸边,如图所示。与直边和凹边相比,凸边在滚边的过程中更容易产生波浪,随着曲率半径的减小,波浪的程度也越来越严重。降低翻边高度能减少波浪的产生。根据滚边试验对应于不同的板件曲率半径,翻边高度可以按表进

33、行设置。瞳夕、眵,矽。晗/。哆一内外板间距?包边前截面图? 凸边普通包边极件截面表. 凸边普通包边翻边高度推荐表凸圆卜径 翻边高度 . . . . .特征线普通包边 这种形状的板件常出现在车门的一侧,板件轮廓在法平面方向上有较大变化,对其进行滚边时容易在特征处产生堆料。需要通过切边的方式降低翻边高度,改善滚边质量。切边要采用逐步过渡的方式,以减少应力集中。推荐的切边尺寸如图?所示。光滑过度图 特征线普通包边推荐切边尺寸.拐角包边拐角处是滚边过程中容易产生质量缺陷的区域,它相当于凸边滚边在曲率半径特别小时的特殊情况。角落处需采用半包边或不包边,否则会出现严重翘曲和板件堆料。必须在此部位对板件进行

34、切边处理,释放应力。根据滚边试验,推荐采用图?的切边尺寸。一向一寸 一:斟向切边前轮廓边后轮廓圆角半径】切边高度匹手。匿二垦堕竺上卫?三二量竺舅一?生三二图?拐角包边推荐切边尺寸.绳式包边 绳式包边在折弯区存在很大的圆弧,为了确保外板包边后能够包裹住内板需增加翻边的高度,且翻边处需要有较大的圆角半径。要达到圆润的包边效果,根据滚边试验板件尺寸参数推荐值如图.所示。?渊包边前截面 包边后截面图? 绳式包边板件截面推荐尺寸. 滚边可行性分析为使板件滚边后能达到期望的质量,在滚边加工之前需要对照滚边板件截面尺寸进行滚边可行性分析。根据板件轮廓的几何特征,判断采用的滚边方式和板件的翻边尺寸设计是否能满

35、足滚边要求,对可能产生质量缺陷的夏域提出设计改进意见。.滚边可行性分析步骤对一套滚边板件进行滚边工艺性分析实现步骤如下:待滚边轮廓区域划分。根据板件轮廓特征将滚边板件划分为不同区域,按照容易出现滚边缺陷的程度将其划分为一般区和滚边质量敏感区;一般区不易出现滚边缺陷,滚边质量敏感区是指容易出现滚边缺陷的区域,经常出现在板件拐角处、板件外形突变处。在不同区域截取板件切面图,标注翻边高度,内外板问距等对滚边质量有关键影响的尺寸参数。对照板件设计要求,判断各切面是否满足滚边可行性要求。填写滚边工艺表,对不满足滚边工艺要求的板件提出改进措施。. 滚边可行性分析实例图.为某车型引擎盖,属于左右对称件,对于

36、对称件取其一半进行分析。按板件轮廓特征将其进行区域划分,如图共划分为个区域,其中、区属于滚边质量敏感区,滚边过程这三个区域最容易产生质量缺陷。剩下的区域按通用包边工艺要求进行板件设计。、区域处于引擎盖靠近挡玻璃侧,出于安全考虑需采用绳式包边;区域、属于拐角处包边;属于凸边包边;、属于普通包边。以、为例说明板件滚边工艺性分析过程。图? 某引擎盖滚边可行性分析区域划分.区域板件滚边工艺性分析、。道/叫?.,、叫、,包边前尺寸包边后尺寸图 区域板:截面尺寸图如图所示,取得板件在区域处的断面图并标注关键尺寸。区域采用绳式包边,按照滚边工艺对绳式包边要求,翻边高度需控制在.之问。为了确保包边后有足够的重

37、叠区域,包边前内外板问距.应控制在.之间。板件此处翻边高度为 ,内外板距为.,截面尺寸满足滚边工艺要求,得表?。表滚边可行性分析表区域: 类型/尺寸建议和评价绳式包边是否包边 可行.翻边高度 可行。翻边开角 可行内外板间距 . 可行.重叠宽度 可行切口形状 如图 可行. 区域板件滚边工艺性分析如图?所示,截取板件在拐角处的断面图,并标注关键尺寸。区域为引擎盖拐角处,需要按滚边板件拐角处工艺要求进行切边,此处圆角半径约为,对照图拐角切边推荐尺寸,建议翻边高度为。拐角处采用不包边或半包边。分析结果见表。爹;。/、/ 。? 包边前尺寸 包边后尺寸图一 区域板什截面尺寸图鬻表滚边可行性分析表.域: 类

38、型/尺、建议和评价是否包边拐角包边 建议、卜包或不包澜。.啄.豳。鋈.翻边高度 建议。翻边开角 建议人丁。.内外板问距 不包边可行重替宽度 无远替 行切【形状 如图 建议按拐角包边推荐切边尺寸切除.区域板件滚边工艺性分析如图?所示,截取板件断面图,并标注关键尺寸。区域采用普通包边,普通包边的翻边高度应该在之间,内外板间隙应该在之问。板件在此截面处翻边高度为.,内外板问隙为.,符合滚边工艺要求。分析结果见表.。.二,.,。,飞, 包边前尺寸 包边后尺寸图? 区域板件截面尺寸图表?滚边可行性分析表区域: 类型/尺寸 建议和评价是否包边 普通包边 可行.翻边高度 可行。翻边开角 可行.内外板问距 可

39、行.重叠宽度 可行切口形状 如图 可行根据实践经验,满足滚边工艺性要求的板件加工后容易保证质量,反之则容易产生质量缺陷。.滚边成形分析滚边成形过程实际上是金属板件在受力情况下发生弹塑性变形的过程。滚边成形过程比较复杂,涉及的工艺参数多。为了进一步了解滚边过程板件的受力和变形规律,借助有限元分析软件对滚边成形过程进行研究。滚边过程板件变形特点滚边过程中板件的变形是随着滚轮的滚压逐步发生的,它具有以下特点:、板件成形过程中发生了弹性和塑性变形。、塑性变形集中在板件的弯曲区域。其它区域应力值和应变程度较低,但容易产生较大的刚体转动。、由于在有限的应变下产生了大量转动,所以不能忽略几何非线性。、弯曲过

40、程中由于塑性不稳定和弹性不稳定可能会产生破裂和起皱。上述特性在使用有限元软件进行分析的时候需要被确地定义。.有限元方法的基本原理有限元分析方法是把整个受力结构划分成有限多个小的力学单元,这些单元通过公共节点相互连接,组成的集合体能够提供整个结构的力学特性,其计算过程和计算结果都是一组离散的数值,故又称为数值法。数值法能够按照实际情况选择计算模式,以更多的变量,借助于计算机的告诉运行和信息存储能力,求得金属塑性成形过程中的应力应变全解,可以计算复杂形状零件的成形。目前已成为现代数值分析中最重要的方法滚边有限元分析的过程是在软件中实现的。是一款通用有限元分析软件,其中的/是功能强大的显示分析求解器

41、,它在处理包括改变接触条件的高度非线性问题时非常有效,滚边成型问题就属于此类问题。它采用动态显示算法?。动态显示算法是建立在能量变分原理之上,利用时间的中心差分法、显示向前计算技术,回避了由于高度非线性引起的计算收敛问题。避免求解联立方程,使计算简化。动态显示算法考虑了板件节点速度和加速度的影响,有限元平衡方程为:/,五 ?式中一一质量矩阵;一一阻尼矩阵;,:一一等效内力矢量;一一等效节点力矢量。,.可以建立一个简化模型,对于一维的弹簧系统,等,其中为弹簧的刚度系数,弹簧在力的作用下运动并最终达平衡位置,对整个事件进行离散,可以分割为很多时间问隔,在。时刻的时问划分如图所示。/羽一/,刁图?

42、弹簧受力模型。?;一./一?卜?,州时间。/图一,。时刻时间段的划分假设已知。时刻的位移。和速度。,欲求。时刻的位移。在。时刻的平衡方程为:嘞。 ?朋%朋?,月一肋月“一刺%一筹式右边参数均为已知, 故解得:一一砌。 。得:%“。“。“。. ?上述简化模型即为显示向前递推的基本概念。在实际构造动态有限元列式时,是利用中心差分法即中心差分原理将加速度和速度用中心差分形式表示为不同时问段位移的函数:一 托一坼 专 坼 % 出“卜.坼 % 山上舻上地将式?带入式?中可以解得时刻的节点位移为:%出矿 面正一一等旷即小三牝此方程即为动态显示算法的有限元方程,不断地由。、。州向前差分。最终得到成型结果,所

43、以称为逐步显示积分法。下面通过对一平直板件的滚边过程介绍,说明有限元仿真实现过程。.滚边成形过程建模仿真板件的成型过程是一个变形的历史过程,通常通过翻边、预滚边、终滚边三个步骤,每个步骤都会对之后的结果产生影响,所以在模拟的过程中考虑每步操作对板件的影响。在翻边的过程中外板被折成。,在随后的滚边步骤中翻边丌角逐渐减小为。待滚边板件在厚度方向的尺寸远小于其它方向的尺寸一般为小于/ ,所以既可以定义为壳单元又可以定义为实体单元。文献, 说明两者都能实现对滚边过程很好的仿真。实体单元用来定义和描述模型的体积,通过节点发生的位移来描述变形。壳单元用来计算薄的板件,通过定义中性面节点的移动和旋转来描述变

44、形。壳单元在厚度方向上无法被压缩。比起实体单元壳单元在计算上效率更高。首先使用实体单元分析滚边过程。.材料定义和网格划分注意事项定义材料特性首先建立外板的数学模型,板件为平面直板件,尺寸为:长,宽,厚度.的三维实体,材料为。是一种广泛用于汽车白车身的深冲冷轧汽车钢,常用于车身覆盖件的生产。其基于拉伸试验测试的材料数据如下。表? 材料属性板件在成型的过程中经历了弹性变形和塑性变形,需要提供材料的真实应力应变曲线又称硬化曲线,根据定律和定律又称为定律,将材料的真实应力应变曲线描述如下:氏占仃,”式中,孑和;为材料单向拉伸时的真实应力和真实应变。为强度系数,为预应变,为参考应变率下的硬化指数,为弹性

45、模量。下标“”和“”分别表示塑性和弹性。公式?表示材料在弹性阶段的应力应变情况,公式表示材料进入塑性阶段的应力应变情况。划分网格完成板件材料的定义后,对其划分网格,设置其单元类型为节点六面体线性减缩积分单元,它有以下优点。、对位移的求解结果较精确。、网格存在扭曲变形时,分析精度不会受到大的影响。、在弯曲载荷下不容易发生剪切自锁。由于滚边板件在各个区域的变形程度不同,所以网格划分的大小也有所区别。如图?所示可以将外板划分为三大区域:折弯区域、翻边区域、小变形区域。外板在折弯处的变形最为严重,所以将此处的网格划分的很细,翻边处是成形区域,也划分较细的网格,对于小变形区域,为减少运算量划分较粗大。的

46、网格。网格的划分结果如图?翻边区域折弯区域叠誓鋈圈盔冒口/小变形区域图? 滚边区域划分图? 外板网格划分.翻边过程模拟首先对平板进行折弯,如图. 所示,折弯的过程中限制板件端沿方向的移动自由度,通过将翻边胎模和压板固定,限制板件沿方向的运动,。完成对板定义压板和板件、翻边胎模和板件之问存在摩擦,摩擦系数为.件的夹紧之后,冲头沿方向运动完成对板件的折弯。其中胎模、压板和冲头为刚体,图示翻边胎模圆角半径为.,冲头和凸模之的板厚即.,冲头的圆角半径为.。冲匪方甑 /? 冲头圆角半径图? 翻边过程模型图一 翻边过程模拟仿真后得到板件的等效塑性应变分布图如下:图? 翻边后应变分布通过对翻边过程的模拟可以

47、看出:板件翻边过程的变形主要发生在折弯区域,翻边区域和小变形区域无明显形变。板件折弯区存在加工硬化。经测量折/弯后的翻边高度约为.。接下来对滚边过程进行分析。为了更好的描述滚边过程,给出以下定义:滚轮压入角:在滚边动作过程中,滚轮使板件当前折弯过程翻折的理论角度。例如当板件翻边开角度时,若设置滚轮压入角度,则滚边后翻边丌角的期望值为度。工具中心点 距机器人目标点的距离?距离:文中将滚边工具中心点定义在滚轮母线处,机器人目标点被定义在胎模边缘线上,所以文中?距离指滚轮母线距滚边膜边。缘线的距离,如图一图? 压入角和?距离示意图.预滚边过程模拟对翻边后的板件,通过滚轮滚压的方式完成其包边过程。滚边

48、的道数主要由翻边丌角决定,当翻边开角为。时,可以通过两道滚完成板件的成型。第一道预滚边,将翻边丌角山。滚压至。;第二道终滚边,将翻边丌角由。滚压至。预滚边和终滚边都采用圆柱滚轮,滚轮直径,?距离为.。板件尺寸相关参数见表?表 滚边板,:尺寸参数内外板材料.内外板厚度内外板度外板翻边高度 .由翻边模拟测得.外极折弯处圆角卜径内板端面距外板距离和翻边过程相比,滚边过程板件的受力发生了变化,边界条件须要做相应的调整。移除原压板和冲头,将内板放置在外板上,在内板上方设置新的压板,通过对内板的压紧固定滚边板件,如图?所示。限制内外板沿方向的自由度 。胎模图? 滚边约束模型内板在滚边过程终不发生大的变形,

49、不是分析的主要研究对象,所以将内板划分较粗的网格。不考虑滚轮的受力变形,将其定义为刚体。定义内外板之间,外板和胎模、内板和压板之间的摩擦系数为. 。滚轮由板件的一端压入,之后沿翻边长度方向移动,完成对整个板件的滚边过程。预滚边过程板件变形如图?所示:滚轮压入 滚轮沿翻边长度方向运动图? 预滚边过程模拟滚边完成后得到板件的应力应变图:图? 预滚边后板件应力分布图? 等效应变图. 预滚边仿真结果分析预滚边应力应变分析通过对预滚边过程的模拟可以发现,滚边过程中板件的受力是在不断地发生变化的,预滚边时应力最大值出现在折弯区域,其次发生在翻边处,应力的最大值为,等效应变最大值约为.。变形主要集中在板件折

50、弯处。预滚边过程板件缩进量分析占、人图? 预滚边后极件变形图在预滚边完成后,通过测量板件不同断面处距设计轮廓最近点和设计轮廓之间的距离可以发现,板件各个截面处出现了不同程度的缩进。即预滚边板件的外形和设计值有一定差异。分别记录其缩进值得知:在当前设置下,预滚边尺寸小了.,板件中间段缩进值均匀且较小,缩进最小为一.。因为板件是从一端压入的,比起中间部位板件只有少部分面积承受滚轮的压力,所以认为在此处出现最大缩进,是滚轮压入时板件局部变形产生的影响。不考虑滚边起始处局部影响,在板件中间处取十点,测得它们的平均缩进值为一.。可见当前参数设置下,预滚边使板件轮廓变小了。预滚边过程滚边压力分析滚边过程关

51、注的是板件的变形,滚轮为刚体。取滚轮参考点,测量在预滚边过程中滚轮承受的反作用力,得图.。该力的大小则表示要使板件完成预滚边成型滚轮所需提供的滚边压力。蚰如加图? 预滚边时滚轮压力随时间变化图计算得:预滚边压力的平均值为,最大值为。这组数值和实际滚边过程中测量的滚边压力非常接近。.预滚边分析小结通过对滚边过程的模拟可以得到以下结论:预滚边后应力和应变主要集中在圆角部位。在预滚边的过程中板件发生了缩进,滚轮开始压入部位缩进最严重。采用当前参数设置进行预滚边并未使板件翻边产生明显波浪。?预滚边时滚边力在左右。?采用三维实体进行模拟能很好地再现板件的成形过程。.终滚边过程模拟终滚边过程的模拟和预滚边

52、类似,不同的是滚轮的方位发生了变化,?值也由之前的.变化为三倍板厚。首先滚轮平放,由板件一端下压,在完成板件一端压合后,滚轮沿板件长度方向运动,完成板件滚边。终滚边过程见图?。.逡 茹图? 终滚边过程模拟滚边完成后得板件应力如.。【:,%:嚣勰.。;肆.:嚣酵强“;蕾勰.:嚣图? 终滚边后板件应力分布终滚边应力应变分析终滚边后板件的最大应力应变发生在折弯区域,最大值较预滚边时有所增加,为。在滚边过程中折弯处的应力是不断变化的,翻边不同高度处应力大小不同。终滚边过程板件缩进分析同样记录板件中间部位处截面的缩进值,计算得平均缩进量为一.,与预滚边相比较,其缩进程度有明显的减少。即终滚边后板件轮廓尺

53、寸较预滚边有所增大。终滚边时滚边力分析取滚轮参考点,测得终滚边各时刻滚轮承受的反作用力随时问变化关系得图?。图? 终滚边时滚轮压力随时间变化关系分析数据得出:在终滚边过程中,滚边压力均值为 ;其中最大值为。可见,终滚边时滚轮所要提供的压力比预滚边时要大很多。将板件在初滚边和终滚边阶段的应力,缩进和滚边压力对比得下表:表 预滚边和终滚边测量因素对比表最人应力 缩进均值 滚边压力均值. 预滚边一.终滚边 通过对板件在预滚边和终滚边两个阶段的变形、受力进行分析,可以发现和预滚边相比:?板件缩进值发生了变化。在预滚边后板件缩进较为严重缩进值绝对值较大,终滚边后缩进有明显减小。应力分斫发生了变化。应力值最大处依然发生在折弯区域,但数值较预滚边有所增加。?滚边压力发生了变化。终滚边完成板件成型需要的压力比预滚边大很多。本次模拟将外板定义为实体单元,实体单元考虑了弯曲效应和剪切效应,很好地再现了滚边过程。且仿真结果得出的滚边压力和板件成形尺寸与滚边试验吻合程度高。但采用实体单元进行滚边仿真耗时太久,本次模拟所使用的计算机为。工作站,核同时运算,滚压长度的板件花费时间长达小时左右,不便于多次仿真,对不同工艺参数下的滚边结果进行分析对比。.壳单元滚边仿真为了降低运算量节省分析时问,采用壳单元模拟滚边过程,定义板件单元类型为。定义方式和实体类似,计算时问大约为小时,滚边过程如图?。