机器人滚压包边质量缺陷的研究

11绪论1.1引言人们生活水平随着社会的快速发展日益提高，同时，汽车工业的迅速发展，使汽车进入小康家庭不再是人们的幻想。汽车的出现，不但可以扩大人们的日常活动范围，也加快了人们的生活节奏，使得日益冷漠的社会多了些人与人之间温暖频繁的互动。所以,汽车成为人类必不可少的交通工具是社会进步的必然趋势。从汽车的问世到发展的百余年来看，人们对汽车的要求越来越高，从最初只需实用性、可靠性已提升到现今的美观性、安全性、实用经济性等方面的要求，从最初的基本遮风挡雨要求已发展到防噪、防撞、防驾驶员疲劳以及外表美观、流线型、降风阻、轻亮化等综合性高品质的要求。这就对汽车车身的要求增加了许多条件，促使汽车外形需不断改进，进而对汽车覆盖件质量的要求就越来越高,结构要求越来越复杂，以及生产周期要求越来越短。并且覆盖件质量的好坏直接影响内外板包边的质量，而包边的质量又直接影响到车身的质量与车身的整体外观。在此情况下，各个企业加大了技术改造力度，用大规模的工业机器人来代替传统的工人操作流水线作业,用机器人滚压包边技术的成本低，占地面积小，柔性好等优点来取代传统压力机包边模具占地多，能耗大，投资成本高等缺点。就是为了满足随着社会的日益进步而提出的越来越“苛刻”的条件。1.2研究的背景和意义中国汽车业的迅猛发展是世人有目共睹的，迄今为止，它共经历了差不多六十年的风风雨雨。我们可以把这六十年分成四部分，即：第一部分是1953年-1984年，其中，在1953年7月15日这一天，第一汽车制造厂破土动工,并且在3年之后成功生产出第一辆解放牌4吨载货汽车。随后一段时间，还属于起步初期的中国汽车步履还是比较平稳的；第二部分是1984年-1994年，在共和国成立35周年、改革开放6年后，汽车企业开始吸引外资，要与外国人合伙生产汽车的问题被推到了前台。接着是1994年-2000年，其中，1994年是中国汽车史，特别是轿车史上值得纪念的一年。在这一年，左右中国汽车近10年的《汽车产业发展政策》出台了。虽然用目前的眼光来看，这个产业政策还有许多局限之处，但还是解决了汽车发展中的许多问题，特别是将“汽车”和“家庭”联系到了一起！最后一个阶段是2001年至今，对于进入21世纪的中国汽车，“家庭汽车”已不再是争论的热点，取而代之的是下一个60年，中国的汽车业如何经历多年坎坷挺直腰杆，开拓其下一个历程[1]。谈到汽车的发展史,不可避免的要提及汽车覆盖件的存在,其是指覆盖构成汽车驾驶室或车身的表面零件，也包括覆盖发动机以及底盘的某些表面零件。覆2盖件可以分为外覆盖件和内覆盖件，其中，顶盖、前后车门外板、前围和后围外盖板、左右侧围外板等属于外覆盖件，是汽车车身裸露在外部人们能直接看到的部件。而被车身的其它零件所挡住的，如前后车门内板、前后围内盖板、左右侧围内板等，或被覆盖上内饰件的车身内部覆盖件叫内覆盖件。汽车覆盖件与一般的冲压件相比较，具有材料薄、结构尺寸大、形状复杂、表面质量要求高，且多为三维的空间曲面结构等特点。就因为汽车覆盖件有表面质量、外形、刚度和工艺上的要求，就决定了其在冲压成形过程中变形的复杂性和规律性不易被人们所掌握，因此更容易出现质量方面的问题。所以，在覆盖件冲压工艺的设计、模具的设计、以及模具制造工艺上也有其独特的特点，不能简单的把汽车覆盖件像对待轴对称零件那样，算出主要工艺参数和模具参数等参数进行设计，而在实际工程实践中，还需要大量应用经验比，以及冲压变形趋向性分析的联合运用来进行模具的设计和冲压工艺的设计之所以汽车覆盖件冲压成形能成为当今冲压成形领域重要组成部分，这不仅仅是与汽车覆盖件有很高的质量要求有关，也与其本身具有的冲压成形特点和结构形状特点有关[2]。汽车覆盖件不仅要保证汽车在受震时噪声小，也要体现车身外观形状的美观性，更要突出车身独特的造型风格。这些就使得我们对汽车覆盖件的刚性、尺寸精度以及形状精度提出更高的要求：保证组装或焊装时的互换性和准确性、保证外覆盖件必须与主模型相符合，更要保证外覆盖件表面没有皱纹、波纹、擦伤、压痕等影响车身外观美感的缺陷。外覆件内外板零件连接技术是车身制造工艺的重要组成部分。其中，把车身门盖内外板的连接起来通常使用包边工艺，所谓的包边就是把外板的边缘翻边部分沿内板向内折弯，并且最终外板把内板包裹在内的工艺。传统的门盖包边工艺通常有手工包边和压力机模具压合包边两种方式。手工包边一般不采用，而压力机包边模具则在车身冲压件状态改变后，包边模具需不断优化，在去除或增加材料的同时，不但费时费力，也影响到了模具寿命，并且一套包边模具只适用于一种车型，柔性化生产能力差，此外，传统压力机包边模具存在占地多，能耗大，投资和维护成本都很高等缺点。为了实现传统制造工艺低成本，多样化的生产模式，机器人滚压包边技术正是这一发展趋势下的产物。另外，工业机器人的应用也助长了这一发展趋势，搬运、焊接、喷涂、装配等等，无论多么恶劣的环境下，机器人几乎都能完成任务。它也可以把单一的生产线变为柔性化生产，不仅节约了劳动力、缩短了生产周期，同时也提高了生产效率，所以机器人的使用变得更为普遍。虽然，我国对机器人技术的研究起步较晚，但制造业的讯速发展必然会推动市场对机器人不断需求。随着人们对汽车需求的逐渐增加，汽车制造业间的竞争也日益激烈，在提高产量的同时，汽车外观和价格方面变得尤为重要，因此产品的开发成本，生产效3率和产品质量等问题是汽车生产企业急需解决的问题。机器人滚压包边技术的柔性化制造体现在：针对不同形状的几何零件，采用适合其的包边路径，这样就大大的降低了模具费用，即节约了成本也缩短了研发周期。同时，对机器人滚压包边技术的柔性系统进行深入研究，掌握机器人滚边的核心技术并通过引进、消化、吸收、创新的结合，然后再应用到国内汽车生产企业，为汽车行业的发展奠定基础[3]。1.3机器人滚压包边技术的研究现状和发展趋势机器人滚压包边技术是上世纪90年代慢慢开始发展起来的、新型的轿车白车身门盖内、外板连接的一种重要压合工艺，主要应用在车身覆盖件（尤其是汽车左右前车门、后车门，发动机盖和行李箱盖,即称四门两盖）的边缘处理上。1.3.1研究现状目前国内的自动化装备综合技术实力还存在许多不足之处，所以，到现在为止，使用机器人滚压包边技术的汽车生产厂家少之又少。面对竞争日益激烈的汽车消费市场，若国内汽车门盖包边生产只以压力机模和折边机两种方式包边压合为主的话，是很难与国外先进的机器人柔性自动化生产技术相抗衡的。所谓的机器人滚边压合技术的柔性化主要体现在两方面：一方面是根据车型的生命周期，可随时更换滚边压合夹具来实现产品的更新换代；另一方面，该技术可以根据实际生产节拍需要，采用一模多机或一机多模的工艺方案生产加工产品。可以看出，国内外在关于机器人滚压包边技术对汽车门盖线生产方面还有很大的一段距离，只有国内汽车企业对自主品牌的提升，以及对自动化，柔性化程度的提高等，这对缩短在机器人滚压包边技术之间的差异是很有意义。所以，国内也逐渐开始对机器人滚压包边技术进行研究分析，目前为止，大多数学者在机器人现有的滚边设备基础上，对机器人滚边在汽车工业应用中存在的问题进行了归纳总结，并提出了解决方案。还有少部分学者对包边的过程进行研究并运用相关软件进行模拟分析。上海通用汽车有限公司的王立影[4]等人提出了为了保证包边零件外观的美观性以及车身的装配精度，压力供给设备的稳定性需要继续改进，同时，离线编程能力及质量控制问题也需要逐步提高等。解决这些问题对发挥机器人滚压包边技术的优越性具有显著意义上的提升。北京奔驰—戴姆勒·克莱斯勒汽车有限公司的宋宏伟[5]，通过自身的工作经历与实验总结了机器人滚边成形技术难点，即：角部成形难点，堆料起皱，出现尖角，直边波浪变形等问题并提出了解决方案。上海交通大学张如飞[6]等人研究了机器人运动轨迹分析，提出了机器人包边相对于传统包边技术有较强的适应性，柔性好这一优点使机器人能够针对不同的4零件几何形状来做出相应的改变，这就决定了各关节角运动对包边机器人的重要性。通过对包边机器人构型进行选取，以及对车门预包边和包边的复杂空间曲面进行分析、推导、求解后，得出在机器人的选型上，需要六自由度的机器人才能满足要求等结论。这些研究分析为以后机器人滚压包边技术的深入研究和应用提供参考价值。目前,使用机器人滚压包边技术是国外汽车生产业新的发展趋势，自从上世纪90年代开始发展以来，就引起了世界各大汽车生产巨头的广泛关注。而且，国外对机器人滚压包边技术这方面的研究是比较成功的，不仅在许多核心技术领域申请了专利，也在机器人滚压包边工艺以及机器人控制方面等进行了深入的研究。国外学者在基于机器人滚压包边能实现柔性化、自动化等优点的基础上，利用现今多种工薪技术，如虚拟制造技术、计算机软件技术以及系统仿真技术等进行研究、设计、开发。JamesB.Toeniskoetter[7]在机器人滚压包边方法以及有关对准设备方面，做出了贡献并就此申请了专利，他的创新点在于：把滚轮分为2部分，上半部分用于内外板包边所用，下半部分滚轮外围表面有与胎模表面相对照的导向面，共同来引导滚轮沿设定好的2个轴方向运动，从而起到滚压包边过程中的校准作用。BabakSaboori和BehzadSaboori[8]等人针对汽车产品生产周期越来越短，而制造过程的柔性化要求越来越严格的问题，他们提出可以引入快速滚压包边工艺来减少其生产周期时间。同时，以Saab93SportCombi车型的后挡板为例，通过采用在机器人滚压包边过程中的任务分离，机器人协调，和机器人单元配置原则，提出了三项备选方案，在经过分析、计算后，得出了能显著减少开发和实现汽车生产周期的方案。S.Thuillier和N.LeMaout[9]等人着重对滚压包边过程中铝镁合金的有限元数值模拟分析，通过分析一个简单的平面-曲线包边，以及使用不同的力学性能材料，研究了不同形式的本构模型对数值模拟分析的影响。并且对滚压预包边和滚压包边与传统翻边时翻边处的力和位移做了比较。国外对机器人滚压包边的研究比较深入，很多国外汽车生产巨头通用、宝马、奔驰等白车身门盖普遍已经采用机器人自动化生产线，并且国外的机器人公司，掌握着象征着核心竞争力的集成技术，这就使得国内外的汽车生产水平的差距越来越大。1.3.2发展趋势纵观世界各工业发达国家的历史，无一例外的不是遵循通过汽车工业的发展，来带动其他相关行业发展这么一条发展规律。汽车工业的发展水平反映了一个国家经济发展和人们生活的水平，而且也反映了一个国家科技技术和文明的水5平。随着现代汽车制造业的蓬勃发展，不仅对汽车的安全性和低耗油性提出了要求，也对汽车的质量和外观要求越来越苛刻。包边过程是汽车覆盖件生产的最后一道工序，所以，对汽车质量和外观有着很大的影响，其质量的好坏直接影响到汽车的装配精度和美观性。我们知道，传统的包边过程是建立在反复调试的基础上，这样自然而然的就增加了模具的生产周期，再加上包边过程远比我们想象的要复杂的多，汽车覆盖件压力机包边模设计参数的多元化，以及材料的非线性性能，导致要实现对包边过程的完全控制是很困难的。因此，对包边过程的分析研究、改进创新一直是国内外汽车生产企业着重的研究对象。当然，随着有限元数值模拟技术的发展，要实现对包边过程的模拟分析，有效控制变得更加容易。各企业在进行压力机包边模的设计生产时，可以事先对包边过程进行模拟分析，对出现的表面质量等缺陷问题，进行修改，然后再进行模拟分析等等，如此循环下去，不仅可以降低制造成本，也可以节约包边扣合模具生产周期。从90年代到现在，机器人滚压包边技术得到了迅速的发展，机器人包边充分利用了机器人柔性化的优点，只需根据覆盖件的外形，编写离线程序来实现滚压包边。机器人滚压包边设备与压力机包边模相比，不仅投资小，而且通用性好，更换车型时，只需更换模具，最重要的是机器人滚压包边技术符合柔性化和自动化的生产趋势，为汽车业的快速发展提供了不可磨灭的功劳。1.4选题的目的和意义汽车覆盖件包边工艺作为覆盖件冲压成形的最后一个步骤，其成形质量对覆盖件边缘的外观质量以及整个覆盖件乃至整个车