一種數(shù)控剪板機(jī)整體式托料機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

佘 健，夏 鵬，王志惠

（江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇 揚(yáng)州225127）

0 引言

數(shù)控剪板機(jī)作為金屬板材加工的基礎(chǔ)設(shè)備，在汽車、機(jī)械、五金、家電等諸多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。剪板機(jī)在剪切過程中，首先板材從剪板機(jī)的前方送料區(qū)域水平送入上、下刀口之間，當(dāng)板材的前端接觸到由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的后擋料部件后板材定位動(dòng)作結(jié)束，壓料氣缸動(dòng)作將板材壓緊，滑塊向下運(yùn)動(dòng)，上下刀口重合、交錯(cuò)完成板材的剪切動(dòng)作。剪板機(jī)托料機(jī)構(gòu)主要作用是，當(dāng)板材定位時(shí)，通過對(duì)板材的有效支撐，能夠防止板材因自重產(chǎn)生下垂變形，進(jìn)而減小自重變形引起的定位誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，剪板機(jī)的托料機(jī)構(gòu)對(duì)剪切精度有很大影響。

目前，剪板機(jī)的托料機(jī)構(gòu)基本上采用非整體擺臂式結(jié)構(gòu)[1]，這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、輕巧、成本低、易于安裝調(diào)整、動(dòng)作響應(yīng)迅速等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍較廣，但存在如下不足：①當(dāng)剪切的工件呈細(xì)長條型時(shí)，由于托料架間存在的機(jī)械間隙，極容易出現(xiàn)漏料問題，漏掉的工件容易將機(jī)構(gòu)卡死，引發(fā)機(jī)械故障和安全事故；②托料架的前端與下刀口間的距離較大，一般間距在250mm～300mm 范圍內(nèi)，當(dāng)剪切工件的長度較小時(shí)，托料機(jī)構(gòu)無法對(duì)板材提供有效支撐，板料下垂影響剪切精度，當(dāng)剪切薄板時(shí)問題尤為嚴(yán)重；③機(jī)構(gòu)動(dòng)作為單一的擺動(dòng)動(dòng)作，動(dòng)作速度快、沖擊大，剪切下來的工件容易出現(xiàn)磕碰和撞擊，會(huì)對(duì)工件表面造成難以修補(bǔ)的損傷。

針對(duì)上述問題，本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種整體式托料機(jī)構(gòu)，并運(yùn)用數(shù)值仿真方法對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了仿真。該技術(shù)方案具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可有效支撐小尺寸板材、支撐平穩(wěn)等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文可為數(shù)控剪板機(jī)技術(shù)改進(jìn)及新機(jī)型研發(fā)提供參考。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)作原理

如圖1 所示，該托料機(jī)構(gòu)可以分解為升降機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，其中升降機(jī)構(gòu)主要由連桿1、支架2、連桿3 和升降氣缸等部件組成，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由翻轉(zhuǎn)氣缸和整體式托料架兩部件組成。連桿1 和連桿3等長平行設(shè)置，左端分別與機(jī)架鉸接，右端分別與支架中間和下端進(jìn)行鉸接，升降氣缸的缸體的端部在左側(cè)與機(jī)身鉸接，活塞桿的端部與支架的右側(cè)中部進(jìn)行鉸接；整體式托料架在靠近左端的位置與支架的上部鉸接，翻轉(zhuǎn)氣缸的活塞桿的端部與托料架在靠近右端的位置鉸接，缸體的端部與支架右側(cè)下部鉸接。

圖1 機(jī)構(gòu)原理圖

如圖2 所示，當(dāng)機(jī)構(gòu)完全升起至上極限位置時(shí)，整體式托料架的上表面與下刀口的上表面平齊，且整體式托料架的前端與下刀口間留有較小的距離d1，板材從剪板機(jī)的前部送料區(qū)域送至上、下刀口之間，經(jīng)過整體式托料架的支撐后，板材前端與后擋料接觸實(shí)現(xiàn)精確定位。

圖2 機(jī)構(gòu)在上極限位置的結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)板材精確定位后，升降氣缸動(dòng)作帶動(dòng)由連桿1、連桿3、支架所構(gòu)成的平行四邊形機(jī)構(gòu)動(dòng)作，支架、翻轉(zhuǎn)汽缸以及整體式托料架作為一個(gè)整體實(shí)現(xiàn)向下的平動(dòng)至下極限位置，此時(shí)整體式托料架前部與下刀口間的距離d2小于或者等于在上極限位置時(shí)的距離d1。機(jī)構(gòu)的下降動(dòng)作完成后，滑塊帶動(dòng)上刀口向下運(yùn)動(dòng)，上下刀口重合、交錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)板材的剪切動(dòng)作，此時(shí)板材被切分為9A 和9B 兩個(gè)部分，如圖3 所示。板材的剪切動(dòng)作完成后，翻轉(zhuǎn)汽缸動(dòng)作，帶動(dòng)整體式托料架繞左端的鉸接點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，剪切下來的板材9B（工件）沿著整體式托料架上表面滑至工件收集區(qū)，如圖4 所示。

2 基于數(shù)值仿真的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

本文設(shè)計(jì)的數(shù)控剪板機(jī)整體式托料機(jī)構(gòu)以平面多連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，機(jī)構(gòu)的速度、加速度、驅(qū)動(dòng)力以及慣量等參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)工作效率以及承載力都具有重要影響，這些參數(shù)是否匹配合理，對(duì)系統(tǒng)性能具有決定性的影響。傳統(tǒng)方法對(duì)上述參數(shù)及其在不同位置的變化情況進(jìn)行直觀、定量分析有很大困難，而采用數(shù)值仿真的方法則可以輕松應(yīng)付此類問題。

圖3 機(jī)構(gòu)在下極限位置意圖

圖4 機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)動(dòng)作示意圖

建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及施加的約束條件如圖5 所示，本文對(duì)升降氣缸和翻轉(zhuǎn)氣缸在最大推力作用下的升降、翻轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，獲得了相應(yīng)的速度曲線和加速度曲線，仿真結(jié)果如6-9 所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型升降動(dòng)作時(shí)整體式托料架重心位置的速度、加速度曲線分別如圖6、7 所示。由圖可知，升降動(dòng)作在0.21s 內(nèi)完成，重心速度在0～0.16s 范圍內(nèi)呈非線性增加，0.16s 處的最高速度約為1400mm/s，0.16s～0.21s 范圍內(nèi)重心速度呈非線性減?。?～0.16s 范圍內(nèi)重心的加速度為正值，最大加速度為11000mm/s2，整體式托料加上升動(dòng)作呈加速趨勢(shì)，0.16s～0.21s 范圍內(nèi)重心加速度為負(fù)值并逐漸減小，最小加速度為-9000mm/s2，整體式托料架上升動(dòng)作呈減速趨勢(shì)。

圖5 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

圖6 升降動(dòng)作時(shí)整體式托料架重心位置速度曲線

圖7 升降動(dòng)作時(shí)整體式托料架重心位置加速度曲線

圖8 翻轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)整體式托料架重心位置速度曲線

圖9 翻轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)整體式托料架重心位置加速度曲線

由圖可知，翻轉(zhuǎn)動(dòng)作在0.175s 內(nèi)完成，在整個(gè)翻轉(zhuǎn)過程中，重心的速度呈非線性增加趨勢(shì)，最大速度為1650mm/s，重心加速度為正值并呈非線性減小趨勢(shì)，加速度由11300mm/s2減小至3600mm/s2。

本文在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下采用數(shù)值仿真的方法對(duì)升降氣缸、翻轉(zhuǎn)氣缸最大推力作用下的升降動(dòng)作和翻轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，獲得了整體式托料架重心位置的速度和加速度曲線，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)參數(shù)的調(diào)整等工作提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

3 結(jié)論及展望

本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種數(shù)控剪板機(jī)整體式托料機(jī)構(gòu)，較為詳細(xì)地介紹了其機(jī)構(gòu)構(gòu)成、工作原理，并運(yùn)用數(shù)值仿真的方法對(duì)其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，該技術(shù)方案具有如下特點(diǎn)：

（1）采用簡單的平面多連桿機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)升降和翻轉(zhuǎn)兩個(gè)動(dòng)作，機(jī)構(gòu)簡單、緊湊，易于制造、裝配，采用普通氣缸作為動(dòng)力源，成本低廉。

（2）托料架為整體式，徹底解決了現(xiàn)有技術(shù)在剪切細(xì)長條零件時(shí)的漏料問題，提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

（3）與現(xiàn)有技術(shù)相比，整體式托料架前端與下刀口間距離很小，當(dāng)剪切小尺寸板材時(shí)仍然可以對(duì)板材進(jìn)行有效支撐，提升了設(shè)備的剪切精度。

（4）將機(jī)構(gòu)的動(dòng)作分解為升降和翻轉(zhuǎn)兩個(gè)動(dòng)作，動(dòng)作過程與現(xiàn)有技術(shù)相比更加平穩(wěn)柔和，解決了零件表面的磕碰和撞擊問題，這一特性尤其適用于對(duì)零件表面質(zhì)量要求較高的汽車、家電等行業(yè)。

[1]江蘇國力鍛壓機(jī)床有限公司.一種剪板機(jī)氣動(dòng)托料裝置：CN2815568YD[P]，2006-09-16.

[2]楊欣昌，楊方元，翟迪健.擺式剪板機(jī)刀架設(shè)計(jì)計(jì)算[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（1）：46-49.

[3]馬 冰，莊 峰，晁志剛，等.滾切式剪板機(jī)剪切過程有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（5）：66-67.

[4]王金榮，黃 兵，龔俊杰，等.基于測(cè)試技術(shù)的閘式剪板機(jī)有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù).2013，48（5）：49-52.

[5]王成國，孫 翔.剪板機(jī)的一種帶回傳功能的復(fù)合型后托料裝置[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（4）：23-24.