倉(cāng)頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

喬建芳，萬(wàn)景鋼，陳 荒，趙國(guó)勇，朱培宇，梁振春

(1．山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2．淄博博大鋼板倉(cāng)有限公司，山東 淄博 255130)

鋼板倉(cāng)是用來(lái)儲(chǔ)存糧食的容器，具有占地少、儲(chǔ)量大、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。鋼板倉(cāng)倉(cāng)頂一般由多個(gè)倉(cāng)頂蓋板裝配而成，制作高質(zhì)量的倉(cāng)頂蓋板對(duì)解決鋼板倉(cāng)密封和防水問題十分重要。

目前,國(guó)內(nèi)比較流行的自動(dòng)化剪切生產(chǎn)線是S-T44系列生產(chǎn)線和BS-T44×1800系列自動(dòng)型生產(chǎn)線，國(guó)外比較典型的是ISI的Pathfinder系列和ABB系列自動(dòng)化生產(chǎn)線，它們均只能完成鋼板卷的橫剪或縱剪加工。而在鋼板倉(cāng)的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于不同直徑的鋼板倉(cāng)，倉(cāng)頂蓋板的長(zhǎng)度和剪切斜切角度不同，傳統(tǒng)的鋼板卷自動(dòng)生產(chǎn)線不能直接用來(lái)進(jìn)行倉(cāng)頂蓋板的加工[3-6]；而且目前的倉(cāng)頂蓋板生產(chǎn)線加工中工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低且加工過(guò)程復(fù)雜。因此倉(cāng)頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動(dòng)化生產(chǎn)線的研制具有重要意義。

1 倉(cāng)頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

1.1 生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的倉(cāng)頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動(dòng)化生產(chǎn)線是對(duì)寬度為1.5～1.8 m的鍍鋅鋼板卷進(jìn)行開卷校平剪切斜切加工的自動(dòng)化生產(chǎn)線，主要由開卷機(jī)、校平機(jī)、糾偏裝置、定尺送料裝置、斜切機(jī)、定速送料裝置和剪切機(jī)等部分組成。開卷機(jī)對(duì)鋼板卷進(jìn)行開卷；校平機(jī)對(duì)板料進(jìn)行校平；糾偏裝置用來(lái)限制板料位置，防止板料橫向移動(dòng)；定尺送料裝置和斜切機(jī)組成斜切部分，完成板料的定長(zhǎng)斜切；定速送料裝置和剪切機(jī)組成剪切部分，完成板料的剪切任務(wù)。生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 倉(cāng)頂蓋板加工方法創(chuàng)新

圖2中，AMNF、MECN為倉(cāng)頂蓋板加工成品形狀示意圖?，F(xiàn)有的倉(cāng)頂蓋板加工過(guò)程分為橫剪，剪切和斜切三大部分，首先將開卷校平后的鍍鋅鋼板卷剪成等長(zhǎng)的板條ABCD，然后將板條進(jìn)行角度調(diào)整定位，滾剪刀沿GH將板條剪成AGDH和GBCH。最后對(duì)橫剪機(jī)進(jìn)行角度調(diào)整，進(jìn)行兩端頭AM、FN、ME、NC斜切。該加工方法加工過(guò)程不連續(xù)，生產(chǎn)效率低，且容易造成鍍鋅鋼板料的劃傷。

1.斜切機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu); 2、3.調(diào)角機(jī)構(gòu); 4、8.定速送料裝置; 5、7、11、13.糾偏裝置;6.剪切機(jī); 9.斜切機(jī); 10.定尺送料裝置; 12.校平機(jī); 14.板料; 15.開卷機(jī)圖1 倉(cāng)頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動(dòng)化生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of CNC shearing and oblique cutting production line for the cover plate of steel silo′s top

圖2 倉(cāng)頂蓋板形狀示意圖Fig.2 Shape of the cover plate of steel silo′s top

本文設(shè)計(jì)的倉(cāng)頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)倉(cāng)頂蓋板加工方法進(jìn)行了創(chuàng)新。新的倉(cāng)頂蓋板加工方法包括斜切和剪切兩部分，其具體過(guò)程如下：在斜切機(jī)和剪切機(jī)角度調(diào)整的基礎(chǔ)上，鍍鋅鋼板卷經(jīng)上料、開卷、校平后，進(jìn)行FC段斜齊端頭，而后進(jìn)行MN方向的剪切，剪切過(guò)程中持續(xù)送料，當(dāng)送料長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定長(zhǎng)度時(shí)，斜切機(jī)進(jìn)行AE段的同步動(dòng)態(tài)斜切，完成倉(cāng)頂蓋板AMNF、MECN的加工；板料繼續(xù)進(jìn)給，按此步驟進(jìn)行倉(cāng)頂蓋板的自動(dòng)化生產(chǎn)。

與現(xiàn)有的倉(cāng)頂蓋板加工方法相比，新的倉(cāng)頂蓋板加工方法不需要將開卷校平后的鋼板卷橫剪成長(zhǎng)方形板條，只需對(duì)鋼板卷進(jìn)行一次斜切齊端頭后，便可進(jìn)行倉(cāng)頂蓋板斜切剪切自動(dòng)化加工，后續(xù)每塊倉(cāng)頂蓋板的加工都節(jié)省了圖2中FNDH、AGM所示面積的板料，降低了生產(chǎn)成本，且加工過(guò)程連續(xù)，減少了鍍鋅板料的劃傷。

2 斜切機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證生產(chǎn)線自動(dòng)化運(yùn)行，對(duì)斜切機(jī)調(diào)角機(jī)構(gòu)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.1 斜切機(jī)調(diào)角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的斜切機(jī)調(diào)角機(jī)構(gòu)，需要工人通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)絲杠，使橫剪機(jī)機(jī)架一端移動(dòng)，進(jìn)行斜切機(jī)的斜切角度調(diào)整。由于機(jī)架沿絲杠移動(dòng)是直線進(jìn)給，所以只能進(jìn)行小角度范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，且為人工操作，角度調(diào)整精度不高。

本文基于行星齒輪運(yùn)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)了新型調(diào)角機(jī)構(gòu)[7-8]。如圖3所示，本文提出的調(diào)角機(jī)構(gòu)主要由回轉(zhuǎn)大齒輪、回轉(zhuǎn)小齒輪、阻尼齒輪、改向齒輪副、回轉(zhuǎn)大齒輪軸、弧形導(dǎo)軌、伺服電機(jī)等部分組成。將回轉(zhuǎn)大齒輪軸底端通過(guò)鍵固定在底座中間，上端通過(guò)軸承與機(jī)架相連。機(jī)架兩端布置了圓弧導(dǎo)軌，減小了調(diào)角的摩擦力。通過(guò)回轉(zhuǎn)齒輪副嚙合，帶動(dòng)刀座繞大齒輪軸旋轉(zhuǎn)到設(shè)定角度，使斜切機(jī)完成圖2所示的FC、AE段的斜切任務(wù)。為了減小電機(jī)的垂直布置空間，設(shè)計(jì)了改向齒輪副，使垂直傳動(dòng)變?yōu)樗絺鲃?dòng)。與傳統(tǒng)的調(diào)角機(jī)構(gòu)相比，該調(diào)角機(jī)構(gòu)調(diào)角精度高、范圍廣、操作簡(jiǎn)單、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，完全滿足倉(cāng)頂蓋板的加工需要。調(diào)角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下：

回轉(zhuǎn)齒輪副：回轉(zhuǎn)大齒輪齒數(shù)Z1為160，回轉(zhuǎn)小齒輪齒數(shù)Z2為24，模數(shù)m1為6 mm，小齒輪轉(zhuǎn)一圈，滾剪刀架旋轉(zhuǎn)角度θ為

(1)

改向齒輪副：改向齒輪副采用錐齒輪嚙合，改向小齒輪 齒數(shù)Z3為35，改向大齒輪齒數(shù)為Z4為54，模數(shù)m2為4 mm，兩齒輪皆右旋；β=45°，54齒齒輪負(fù)變位，變位系數(shù)x=-0.184。

兩傳動(dòng)軸夾角∑為

∑=2β=2×45°=90°

(2)

從而達(dá)到改垂直傳動(dòng)為水平傳動(dòng)的目的。

改向小齒輪轉(zhuǎn)一圈，滾刀輪架旋轉(zhuǎn)角度φ為

(3)

兩齒輪中心距a為

(4)

1.回轉(zhuǎn)大齒輪; 2.回轉(zhuǎn)大齒輪軸; 3.阻尼齒輪; 4.回轉(zhuǎn)小齒輪; 5.底座; 6.弧形導(dǎo)軌; 7.刀座; 8.改向齒輪副; 9.伺服電機(jī) 圖3 斜切機(jī)新型調(diào)角機(jī)構(gòu)Fig.3 New angle adjustment mechanism of oblique cutting machine

采用標(biāo)準(zhǔn)擺線針輪減速機(jī)，其型號(hào)為Z WD-3-6A-35，減速比i為35。則電機(jī)輸入軸轉(zhuǎn)一圈，滾剪刀架轉(zhuǎn)1°。

電機(jī)型號(hào)選用安川∑-Ⅱ系列SGMGH-30A2B6S。通過(guò)驅(qū)動(dòng)器設(shè)置電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈需要10 000個(gè)脈沖，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)角精度為0.000 1°，而倉(cāng)頂蓋板的角度調(diào)整范圍為2.36°～8.66°，該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)精度完全符合倉(cāng)頂蓋板的調(diào)角要求。

2.2 斜切機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

斜切機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置在斜切機(jī)底座下面，由滑塊導(dǎo)軌副、絲杠螺母副和底座等部分組成。選用矩形-三角形組合導(dǎo)軌；絲杠采用雙推-支承方式，絲杠一端固定，另一端支承[9]。往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可在送料過(guò)程中使刀座和板料達(dá)到相對(duì)靜止，實(shí)現(xiàn)斜切機(jī)的同步動(dòng)態(tài)剪切，保證了后續(xù)剪切時(shí)連續(xù)送料，縮短了生產(chǎn)線長(zhǎng)度。

1.支撐座; 2.底座; 3.往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)滾珠絲杠螺母副; 4.刀座; 5.調(diào)角機(jī)構(gòu); 6.刀架; 7.橫剪刀 圖4 斜切機(jī)總體結(jié)構(gòu)Fig.4 Designed overall structure of the oblique cutting machine

斜切部分控制系統(tǒng)如圖5所示。伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)斜切機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)斜切機(jī)機(jī)架進(jìn)給，當(dāng)斜切機(jī)機(jī)架進(jìn)給速度達(dá)到生產(chǎn)線運(yùn)行速度，同時(shí)板料進(jìn)給達(dá)到觸摸屏設(shè)定長(zhǎng)度的時(shí)候，電磁閥動(dòng)作，液壓缸帶動(dòng)刀具下行對(duì)板料進(jìn)行同步動(dòng)態(tài)斜切；在調(diào)角機(jī)構(gòu)中，伺服電機(jī)通過(guò)齒輪嚙合帶動(dòng)機(jī)架旋轉(zhuǎn)到觸摸屏設(shè)定的角度位置。在定尺送料裝置中，伺服電機(jī)帶動(dòng)送料輥旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)板料的精確送料，完成斜切機(jī)的定尺斜切。

圖5 斜切加工控制系統(tǒng)Fig.5 Oblique cutting processing control system

3 剪切加工方案

板料斜切后進(jìn)入剪切部分，為保證板料剪切的順利進(jìn)行，對(duì)剪切部分的定速送料裝置、剪切機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn),并提出了兩非正交軸速度合成剪切加工方法。

3.1 剪切加工方案機(jī)械部分的設(shè)計(jì)

剪切機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6所示，剪切機(jī)主要由滾刀座進(jìn)給機(jī)構(gòu)和調(diào)角機(jī)構(gòu)兩部分組成。在滾刀座進(jìn)給機(jī)構(gòu)中，滾刀座通過(guò)工作臺(tái)與滾珠絲杠螺母副連接固定。工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，使?jié)L刀座沿滾珠絲杠進(jìn)給。調(diào)角機(jī)構(gòu)用來(lái)對(duì)剪切機(jī)進(jìn)行剪切角度調(diào)整。

1.板料托板; 2.滾刀座; 3.滾剪刀; 4.工作臺(tái); 5.滾珠絲杠螺母副; 6.調(diào)角機(jī)構(gòu)圖6 剪切機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.6 Designed shearing machine structure

定速送料裝置機(jī)構(gòu)如圖7所示，由上下送料輥、支撐柱等部分組成。下送料輥的外圈鍍硬鉻，輥?zhàn)惭b在兩側(cè)機(jī)架內(nèi)；上送料輥的外圈采用聚胺脂塑料，輥?zhàn)惭b在可以升降的橫梁上，由氣缸驅(qū)動(dòng)升降，使上輥的位置進(jìn)行上下調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不同厚度板料的需求。4根支撐柱起到固定支撐的作用。

1.支撐柱;2.上送料輥; 3.下送料輥; 4.氣缸;5.伺服電機(jī)圖7 定速送料裝置結(jié)構(gòu)Fig.7 Designed constant speed feeding device structure

1、5.定速送料裝置; 2、4.糾偏裝置; 3.剪切機(jī)圖8 剪切設(shè)備總體結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Assembly drawing of shearing equipment

剪切設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖8所示，剪切工作主要由剪切機(jī)、定速送料裝置和糾偏裝置完成。定尺送料裝置和糾偏裝置布置在一臺(tái)機(jī)架上。為防止板料剪切接近結(jié)束時(shí)料尾沒有進(jìn)給動(dòng)力，在剪切機(jī)后面同樣布置了定速送料裝置和糾偏裝置。且為保證兩定速送料裝置速度一致，將兩裝置用同步帶連接，用來(lái)防止剪切過(guò)程中因速度不同步導(dǎo)致的板料拱起或撕拉，從而提高剪切加工精度。

定速送料裝置送料速度和滾刀座進(jìn)給速度合成為剪切速度，進(jìn)行剪切工作時(shí)，滾剪刀和板料接觸點(diǎn)線速度與剪切速度大小方向相同，滾剪刀電機(jī)帶動(dòng)滾剪刀以該速度對(duì)板料進(jìn)行滾剪完成剪切任務(wù)。

3.2 剪切加工方案剪切原理及控制方法

倉(cāng)頂蓋板剪切方法如圖9所示。圖9中，Vα為滾刀座進(jìn)給速度；Vs為送料速度；Vg為滾剪刀與板料待剪切線接觸點(diǎn)的線速度；α為要求的剪切角度。

圖9 倉(cāng)頂蓋板剪切方法Fig.9 Shearing method for the cover plate of steel silo′s top

Vs與Vα的合成速度為Vg′，在倉(cāng)頂蓋板剪切加工中，為保證加工質(zhì)量，防止?jié)L剪刀剪切過(guò)程中板料出現(xiàn)拱起撕拉等現(xiàn)象，Vg和Vg′的方向大小需一致。若在直角坐標(biāo)系內(nèi)進(jìn)行速度合成，勢(shì)必要將滾剪刀座按要求的剪切角度α旋轉(zhuǎn)后進(jìn)行定位。但由于滾剪刀座重量較輕且安裝復(fù)雜，難以保證滾剪刀加工穩(wěn)定性、加工精度及剪切剛度的要求[10]。為此本文提出通過(guò)調(diào)角機(jī)構(gòu)將剪切機(jī)機(jī)座旋轉(zhuǎn)角度α，滾剪刀軸向始終與滾刀座進(jìn)給方向平行，在非正交軸內(nèi)進(jìn)行速度合成加工的方案。Vα、Vs、Vg三者之間的速度關(guān)系為

Vg=Vαcosα

(5)

Vs=Vgtanα

(6)

通過(guò)分別控制兩非正交軸上步進(jìn)電機(jī)的速度，在兩非正交軸內(nèi)進(jìn)行定速送料裝置送料速度和滾刀座進(jìn)給速度的速度合成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾剪刀以和該合成速度大小方向相同的速度對(duì)板料進(jìn)行滾剪，實(shí)現(xiàn)不同角度的倉(cāng)頂蓋板的剪切。剪切加工控制系統(tǒng)如圖10所示，由PLC讀取觸摸屏上設(shè)置的參數(shù)，經(jīng)PLC梯形圖程序運(yùn)算，計(jì)算出兩軸的脈沖頻率，通過(guò)PLC向驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖和方向信號(hào)，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖10 剪切加工控制系統(tǒng)Fig.10 Shear processing control system

4 結(jié)束語(yǔ)

倉(cāng)頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)倉(cāng)頂蓋

板加工方法進(jìn)行了創(chuàng)新，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并提出了可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化剪切的兩非正交軸速度合成剪切加工方法。該生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)頂蓋板的自動(dòng)化生產(chǎn)，提高了倉(cāng)頂蓋板加工效率和加工精度，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了生產(chǎn)線，減少了蓋板鍍鋅層的劃傷，從而提高了鋼板倉(cāng)的使用壽命。