基于坯料重量的板簧优化下料系统方案设计*

段维华，苏永旭

(昆明学院 机电工程学院，云南 昆明 650214)

0 引 言

板簧是汽车悬架系统的重要部件之一，其主要作用是传力和吸收车辆行驶中的冲击振动，保证车辆行驶中平顺性和舒适性。车辆板簧的总体构成特点之一是各簧片具有等截面但长度不同的性质(此处仅讨论等截面板簧，下同)，生产中板簧坯料的供货状态一般是由供货商按“等截面定长”轧制供货，但现实中等截面定长往往只是限于同一批次(即便同一批次中，坯料定长也有很大的变化)，不同批次间更是存在“定长”有变化且变化较大的情况。此种坯料供货状况，使企业在板簧产品下料工序中，很难对一件板簧坯料根据生产型号做到下料片数最多、废料最少的最佳优化。据不完全调查，目前国内众多的板簧企业在下料工序中，废料约占5%～8%之间，板簧产品总体材料利用率远远高于其他机械产品(原因是生产中无机械切削加工)，因此下料环节中看似不高的废料率，实则是很大的浪费。

目前国内众多板簧企业普遍采用人工操作下料、手工堆码，操作者劳动强度大、生产效率低。

基于目前板簧下料工序材料利用率不高的现状，通过对基于板簧坯料重量的下料优化原理的分析，以及据此原理得出的下料系统构成设计，达到提高板簧下料材料利用率、提高企业经济效益、降低操作者劳动强度的目的。

1 基于坯料重量的板簧优化下料原理

一副板簧总成主要由等截面不等长的多片板簧叠加而成，设每片板簧的长度依次为l1、l2……ln，则一副板簧的簧坯总长度L为：

板簧坯料下料时，取下料损耗为定值si,则当板簧总成片数为n时，总下料损失s为:ss=nsi

同时考虑坯料下料前端头预切除量sq,以保证端面与簧坯纵向垂直度。

一件板簧坯料当截面为定值A时，其长度B与其重量G之间的关系为：

B=G/Aρ

式中：ρ为板簧坯料的比重，取ρ=7.8×10-6(kg/mm3)。

因此下料时可以对板簧坯料的重量G进行称重后计算出其长度B,考虑簧坯端头预切除量sq得该簧坯的有效长度Be为：Be=B-sq=G/Aρ-sq

将Be与该板簧的各片下料长度数据(Li+si)进行数据比对，由下料控制系统计算出该簧坯的最优下料片号及数量，并由送料装置接收该数据并据此实施下料，以达到簧坯材料在下料工序中的最大利用率。

2 板簧优化下料系统方案设计

文中提出的板簧优化下料系统方案是一套自动化程度较高的下料系统，由计算机控制技术、数据通讯传输技术、数据库系统、下料机械执行控制机构等构成。系统方案设计原理框图见图1所示，系统中各组成模块功能构成及工作原理等见下文内容。

图1 板簧下料系统构成方案设计

3 板簧优化下料系统的关键装置

3.1 系统控制单元

系统控制单元是板簧优化下料系统的核心装置，其主要功能作用如下。

(1) 根据坯料称重重量数据，经与各型板簧基础数据库比对计算，该坯料的优化下料片号和片数，控制液压剪床对坯料进行定位、夹紧、下料，同时后级辊道上的接料定位器在预定位置定位，下料后的簧片经后级辊道到达接料位置时，拨料推杆将簧片推入相应片仓。板簧优化下料系统控制单元工作原理见图2。

图2 板簧优化下料系统控制单元工作原理

(2) 内嵌在系统控制单元中的各型板簧基础数据库，包含各型板簧的材质、总图、各片零件图、截面形状(平扁形、双槽形或其它特形截面)及各片尺寸参数(包含片长、片宽、片厚数据)、各片重量(不计中心孔、切边、切角状态)及长度。待下料坯料称重后的重量数据，经换算形成优化可下料的片号及数量。

各型板簧基础数据库的管理及应用应保证其数据的完备性、指导性和权威性，同时能够实现所有板簧下料工艺数据实现高效便捷的查询、修订、管理、传输，为板簧的批量化或定制化下料提供服务。

数据库平台网络通讯结构模式的选择，拟采用客户端/浏览器(C/S)模式，该模式的最大优点是能够发挥客户端PC机的性能，适宜于企业在自身局域网中的便捷应用。

(3) 控制液压剪床下料定位器对应于每片板簧的定位尺寸、下料时对坯料的夹紧、后级辊道接料定位器的定位、拨料推杆的退料及回位。

3.2 坯料称重装置

坯料称重装置由两部分构成：一是坯料输送辊道，其功能主要是输送坯料；二是置于辊道适当间隔位置的、完成坯料称重的电子称重装置。

(1) 输送辊道为非标普通单辊电驱动辊道输送机，整机设计中主要考虑以下几点：①输送辊道总长度比供货坯料的最大长度长1 000～1 500 mm；②辊道最大宽度为板簧产品最大的50%～80%为宜；③辊道高度与液压剪床工作高度一致；④排棍间距应能保证称重装置的称重支承杆架正常工作；⑤注意辊筒线速度的合理设置，原则是在不使坯料在滚筒上打滑的前提下具有最大的输送速度[2]。

(2) 电子秤重装置 电子称重装置主要由称重承载架、秤体支撑架、称重传感器、传动装置、称重定位器等组成，其中的关键装置是称重传感器。由于坯料尺寸不大，称重传感器采用两只，布置间距以坯料中心为对称点的2/3长度。

称重传感器的主要技术参数为：①称重称量范围：1 kg～坯料最大重量的120%；②称重精度：0.5 kg；③称重工况：静态测量[1]。

坯料称重装置工作原理如图3所示。

图3 坯料称重装置工作原理图

坯料称重的工作过程是：称重定位器下移到低于辊筒外圆柱面下的固定位置，坯料在辊道上送入后与定位装置左侧面接触，坯料在辊筒上静止，传动装置驱动称体支撑架、称重传感器、称重承载架整体上升，称重传感器测量坯料重量，完成坯料重量称重后，传动装置带动整个电子称重装置下移，称重定位器同步上升，使坯料前行送入液压剪床进行下料。

坯料称重重量数据通过通讯装置送入下料数据库比对计算后，得出该坯料的最优下料片号及片数，由液压剪床接受相应下料长度指令后执行相应的下料工序。

3.3 系统传动装置

(1) 电子称重装置的传动装置 采用液压驱动，为使液压系统结构简单且满足工况要求，执行元件采用单作用单杆活塞缸，称重时活塞缸外伸托举坯料离开辊筒，称重结束由坯料自重+整个称重装置自重的重力回油，托举行程由行程开关控制。

(2) 称重定位器的定位驱动 由于称重定位器的上下移动量不大，因此其驱动方式可以用直线电机驱动，传动装置和坯料定位装置的动作联动控制由系统控制中心完成。

(3) 下料定位器的定位驱动 下料定位器完成根据指令确定的下料簧片的定位，由于一件坯料要求有多个精确、快速的定位位置，故可采用直线电机驱动方式实现。

(4) 成品簧片的拨料推杆 在后级辊道的左右两边适宜位置，分别设置由往复直线电机驱动的成品簧片拨料推杆，将下料后的成品簧片推出后级辊道进入相应片号的片仓。

3.4 系统控制原理方案设计

此板簧优化下料系统是一个自动化程度较高的应用型系统，该系统执行元件有称重定位器、称重传动装置、下料定位器(含下料尺寸定位及定位后坯料的夹紧)、成品簧片拨料推杆，根据簧片下料工序构成，各执行元件驱动动作逻辑设计原理如表1所列。

表1 板簧优化下料系统执行元件驱动动作逻辑设计

根据文中提出的基于坯料重量的板簧优化下料方案，对某板簧企业生产的某车型前板簧总成的坯料下料优化进行模拟计算。该企业根据坯料供货时端头的不平整性、端头预切除量(取20 mm)、坯料下料工位场地条件等，向轧钢厂定制的坯料供货尺寸为6100±20 mm的定长坯料，此时其称重质量为31.30 kg，该车型前板簧各片结构尺寸、单片质量、优化下料计算结果等在表2、3中列出。

表2 定长6100±20 mm板簧坯料优化下料方案(1)

从表3中可以看出，方案五+方案六是最优下料方案，因为该组合方案可以实现均衡下料，便于企业组织该车型前板簧总成的下料数量均衡，此组合方案的坯料平均利用率为96.63%，可见此方案在提高板簧下料材料利用率，降低企业生产成本上具有较好的应用意义。

表3 定长6100±20 mm板簧坯料优化下料方案(2)

4 结 语

从以上分析论述中可以看出，文中提出的基于坯料重量的板簧优化下料系统方案设计，系统组成自动化程度较高，能够很好地适应板簧坯料的优化下料，并且控制执行元件类型相对又少(仅有液压油缸和直线电机驱动两种形式)，控制原理方案设计可行，控制功能易于实现，而且由于板簧坯料尺寸参数、结构形式相对单一，数据库的构成复杂程度相对较低，坯料优化下料尺寸的计算复杂程度不高，因此该系统具有可实现性，在板簧行业的生产过程中具有一定的现实应用意义。