机器人滚边工艺的有限元分析

王健强, 程剑峰, 王 玮

(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009;2.机械工业第一设计研究院,安徽 蚌埠 233017)

0 引 言

机器人滚边[1]是指2个钣金件装配(主要是门盖类开闭件的内外板合装)时采用一个零件折边包裹住另一个零件周边的连接方式,即将外板翻折包裹住内板,使之压合成为一体,实现装配的过程,以增加门盖总成的整体强度和刚性。

本文主要结合汽车门盖产品结构,阐述了机器人滚边的工艺过程,并对常见包边的类型进行了简要叙述,最后利用有限元分析软件对在不同滚轮直径下板件的弯曲变形进行受力分析。

1 机器人滚边工艺

机器人滚边工艺是由机器人按照预先设定的程序和轨迹控制滚边工具的运动,将部件按照相应的程序进行折边处理。其滚边过程同传统包边形式相同,分为翻边、预包边及终包边3个步骤。滚边将经过冲压翻边的板料折叠到180°,美化了零件的外观,保证了零件外表面的光整平滑,且没有压痕、凹陷、凸包等一些质量缺陷,提高了汽车的整体外观和密封性能,同时也增强了整体的强度和刚性。

根据不同的板件材料和板件的内外部几何结构,综合考虑生产节拍,机器人滚边将采用一次或多次预包边,每次的翻折角度为 30°或45°。另外,滚边工艺的路径设置采用正反交叉式,即上一次滚边的终点,作为下一次滚边的起点,以避免误差累积。根据板件结构的复杂程度,保证翻边质量,避免滚边过程中出现压痕、褶皱等滚边缺陷,滚边时机器人压力视具体情况进行调整,滚边压力过小,可能导致内板包不住,而压力过大,则会引起板件表面出现压痕等缺陷,影响滚边质量。一般情况下,对于钢材,预包边力为400～700 N,终包边力为1 000～1 500 N;对于铝材,预包边力为300～650 N,终包边力为900～1 250 N[2]。

1.1 机器人滚边系统的组成

一个典型的机器人滚边系统一般由机器人系统、滚轮功能包、胎膜夹具系统、安全防护系统以及电控系统组成,如图1所示。

图1 机器人滚边系统工作站

1.2 常见包边类型

机器人滚边是包边的一种,包边主要用于汽车外覆盖件中的四门两盖,另外,翼子板、轮罩、顶盖天窗、C柱等也逐渐采用包边工艺[3]。这些工件大都为空间曲面结构,形状复杂。但从其断面分析,包边主要类型有普通包边、水滴包边、楔边包边和特殊包边4种[4],如图2所示,其中,又以普通包边应用最为广泛,是目前最常用的类型。

图2 常见的包边类型

另外,包边工艺根据包边母线和包边平面的不同,又可分为平面直边包边、平面曲边包边、曲面直边包边及曲面曲边包边4种[4]。在实际应用中,以平面直边包边最为常见。

2 机器人滚边的有限元分析

滚边工艺中,经常会出现波浪起伏等质量缺陷,引起此质量问题的因素很多,如板件的外形尺寸、滚轮直径、滚边的步数、速度、滚边压力等,但是滚轮直径的大小对其影响很大,现在针对同等条件下不同直径的滚轮对包边施压产生的形变进行分析。由于滚边为大变形的加工制造过程,属于典型的非线性有限元分析[5,6]问题,故采用ABAQUS[7,8]分析软件,对其进行有限元仿真分析。

ABAQUS软件为法国达索公司产品,2007年公司更名为SIM ULIA[8]。ABAQUS是功能强大的有限元软件,可以分析复杂的固体力学和结构力学系统,模拟非常庞大的模型,处理高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析,同时还可以完成系统级的分析和研究。

研究所用的材料为0.8 mm厚的深冲用冷轧碳素钢SPCEN,其基本拉伸试验测试的材料数据如下:弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3,屈服应力为180 MPa,应变硬化系数为0.22,预应变为0.008 46,材料密度为7 800 kg/m3。

由于滚边工艺的特殊性,滚边工具由不同形状和尺寸的滚轮组成,如图3所示,先针对圆柱轮(直径54 mm)和小圆柱轮(直径17 mm)在滚边压力为700 N、45°预包边的情况下进行分析。

图3 滚边工具示意图

首先利用ABAQUS进行板件受力的仿真建模,初始翻边角度为90°,待包边的翻边长度为9 mm,仿真模型见文献[7]。

经过仿真运行得出54 mm滚轮和17 mm滚轮的应力情况,如图4所示。

在滚边工艺过程中不同区域的应变不同,以滚轮处为界,前后应变状态正好相反。根据图4中颜色的不同来区分应力状态,应力的峰值主要集中在与滚轮直接接触处。与大滚轮相比,小滚轮的应力峰值更大,即利用小滚轮滚边时,板件的应力较大,且其变化范围为358～-316 MPa,而大滚轮的应力多集中在150～-150 MPa,因此小滚轮的翻边形变较大。通过对滚边工艺压力的仿真分析,得出图5所示结果。

图4 不同滚轮的应力分析

图5 不同滚轮的压力分析

从图5中可以清楚地看出,滚边过程中压力主要集中在滚轮之前,即滚轮即将接触的区域,且小滚轮产生的压力要远远大于大滚轮。综合分析,与大滚轮相比,小滚轮产生的应力和应变都较大,其反映在滚边质量上,则为小滚轮更易导致板件出现波浪起伏等缺陷,因此在滚边工艺中,应多方面考虑,结合板件的外形合理选择滚轮直径,以保证滚边质量。

3 结束语

本文对机器人滚边工艺进行了研究,并得出了一般情况下钢材和铝材的包边力的大小,并对常见包边的类型进行了简要的阐述,最后利用ABAQUS软件对不同滚轮直径下板件的弯曲变形进行了受力分析,得到同等情况下,大直径滚轮性能要优于小直径滚轮的性能,可以对后期的实际项目起到很高的参考作用。

[1]张如飞.车身门盖件机器人包边运动规划与仿真[D].上海:上海交通大学机械与动力工程学院,2005.

[2]Thuillier S,Le Maout N,Manach P Y.Numerical simulation of the roll hemming process[J].Journal of Materials Processing Technology,2008:226-233.

[3]刘春利,李雪莲.白车身焊装线机器人控制理论及方法[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2009,32(Z1):115-119.

[4]Livatyi H.Computed aided process design of selected sheet metal bending processes:bending and flanging&hemming[R].Columbus:College of Engineering,the Ohio State University,1998.

[5]王国强.实用工程数值模拟技术及其 ANSYS上的应用[M].西安:西北工业大学出版社,2000:109.

[6]董湘怀.材料成形计算机模拟[M].第2版.北京:机械工业出版社,2006:121.

[7]张学东.平面直边包边工艺的有限元分析[D].上海:上海交通大学机械与动力工程学院,2009.

[8]石亦平,周玉蓉.ABAQ US有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2006:153.