轮毂轴承内圈自动化锻造生产线设计及时序规划

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锻件作为机械制造行业的基础构件,在汽车、航空航天、能源等领域应用广泛,但目前锻造行业自动化程度依然比较低,生产方式滞后。虽然国内部分企业引用大量机器人组建自动化生产线,但生产线时序规划主要由工程师用“试错法”在线示教,规划出的设备运行时序并非最优,生产节拍慢、效率低、调试周期长;而且,人工示教的生产线时序,在工作过程中极易产生设备之间的干涉碰撞,严重损坏机器人、压力机、模具等设备,易造成生产线停机、生产延误、成本增加。目前,对于自动化锻造生产线布局和时序规划方法的研究相对较少且不系统,本文以轮毂轴承内圈自动化锻造生产线为研究对象,针对锻造工艺、生产线布局、时序规划方法等问题进行系统深入研究,主要的研究内容和结论如下:通过分析轮毂轴承内圈零件的结构特点,设计出多工步模锻工艺,确定了合理的自动化锻造工艺参数。并采用有限元模拟软件Deform-3D,进行自动化锻造全流程模拟,结果显示:轮毂轴承内圈的锻造工艺设计合理,且自动化锻造过程中,能保证在成形时坯料温度始终处于锻造温度范围,终锻件无明显缺陷,形状和尺寸均达到工艺设计要求。设计出轮毂轴承内圈的串联式和并联式自动化生产线,并通过机器人运动仿真软件Roboguide,进行自动化生产线运动仿真,结果显示:串联式和并联式自动化锻造生产线的生产节拍分别为13.268s/件和8.690s/件。其中,串联式生产线瓶颈工位的压力机利用率(52.8%)相对于并联式生产线(57.5%)更低,生产效率的优化空间大;而且串联式生产线的设备成本更低。综合考虑设备投资成本和生产效率,本文选择串联式自动化锻造生产线布局。提出自动化锻造生产线分布式时序规划方法,建立了生产线的时序关系模型。设计了机器人预定路径为A(轨迹关键点之间以直线连接)和B(轨迹关键点之间以直线+圆弧连接),速度为2000mm/s、3000mm/s和4000mm/s的六组模拟实验,对比分析了机器人预定路径和速度对生产节拍的影响,结果显示:机器人在轨迹关键点之间以直线+圆弧连接相对于直线连接,生产线节拍平均提高16.2%;当机器人运动速度从2000mm/s提高到3000mm/s时,生产线节拍平均提高9.2%,当速度继续增大至4000mm/s时,生产线节拍平均提高3.6%。最终,机器人运动轨迹为B(轨迹关键点之间以直线+圆弧连接),运动速度为4000mm/s时,自动化锻造生产线达到最快节拍为8.162s/件,超过本文的规划目标9.5s/件。
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