倉頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動化生產(chǎn)線設(shè)計

喬建芳，萬景鋼，陳 荒，趙國勇，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．淄博博大鋼板倉有限公司，山東 淄博 255130)

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

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

1 倉頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動化生產(chǎn)線設(shè)計

1.1 生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計的倉頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動化生產(chǎn)線是對寬度為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)對鋼板卷進(jìn)行開卷；校平機(jī)對板料進(jìn)行校平；糾偏裝置用來限制板料位置，防止板料橫向移動；定尺送料裝置和斜切機(jī)組成斜切部分，完成板料的定長斜切；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 倉頂蓋板加工方法創(chuàng)新

圖2中，AMNF、MECN為倉頂蓋板加工成品形狀示意圖?，F(xiàn)有的倉頂蓋板加工過程分為橫剪，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 倉頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動化生產(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)計的倉頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動化生產(chǎn)線對倉頂蓋板加工方法進(jìn)行了創(chuàng)新。新的倉頂蓋板加工方法包括斜切和剪切兩部分，其具體過程如下：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，剪切過程中持續(xù)送料，當(dāng)送料長度達(dá)到設(shè)定長度時，斜切機(jī)進(jìn)行AE段的同步動態(tài)斜切，完成倉頂蓋板AMNF、MECN的加工；板料繼續(xù)進(jìn)給，按此步驟進(jìn)行倉頂蓋板的自動化生產(chǎn)。

與現(xiàn)有的倉頂蓋板加工方法相比，新的倉頂蓋板加工方法不需要將開卷校平后的鋼板卷橫剪成長方形板條，只需對鋼板卷進(jìn)行一次斜切齊端頭后，便可進(jìn)行倉頂蓋板斜切剪切自動化加工，后續(xù)每塊倉頂蓋板的加工都節(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

為保證生產(chǎn)線自動化運(yùn)行，對斜切機(jī)調(diào)角機(jī)構(gòu)和往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1 斜切機(jī)調(diào)角機(jī)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)的斜切機(jī)調(diào)角機(jī)構(gòu)，需要工人通過手動旋轉(zhuǎn)絲杠，使橫剪機(jī)機(jī)架一端移動，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)動原理，設(shè)計了新型調(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)大齒輪軸底端通過鍵固定在底座中間，上端通過軸承與機(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。通過回轉(zhuǎn)齒輪副嚙合，帶動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)計了改向齒輪副，使垂直傳動變?yōu)樗絺鲃?。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、操作簡單、工人勞動強(qiáng)度低，完全滿足倉頂蓋板的加工需要。調(diào)角機(jī)構(gòu)設(shè)計方案如下：

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。

兩傳動軸夾角∑為

∑=2β=2×45°=90°

(2)

從而達(dá)到改垂直傳動為水平傳動的目的。

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

2.2 斜切機(jī)往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計

斜切機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，往復(fù)運(yùn)動機(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)動機(jī)構(gòu)可在送料過程中使刀座和板料達(dá)到相對靜止，實現(xiàn)斜切機(jī)的同步動態(tài)剪切，保證了后續(xù)剪切時連續(xù)送料，縮短了生產(chǎn)線長度。

1.支撐座; 2.底座; 3.往復(fù)運(yùn)動機(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)動斜切機(jī)往復(fù)運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動斜切機(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，同時板料進(jìn)給達(dá)到觸摸屏設(shè)定長度的時候，電磁閥動作，液壓缸帶動刀具下行對板料進(jìn)行同步動態(tài)斜切；在調(diào)角機(jī)構(gòu)中，伺服電機(jī)通過齒輪嚙合帶動機(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)帶動送料輥旋轉(zhuǎn)，實現(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

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，滾刀座通過工作臺與滾珠絲杠螺母副連接固定。工作時，電機(jī)帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，使?jié)L刀座沿滾珠絲杠進(jìn)給。調(diào)角機(jī)構(gòu)用來對剪切機(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; 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機(jī)架上。為防止板料剪切接近結(jié)束時料尾沒有進(jìn)給動力，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，用來防止剪切過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，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)帶動滾剪刀以該速度對板料進(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)動滾剪刀以和該合成速度大小方向相同的速度對板料進(jìn)行滾剪，實現(xiàn)不同角度的倉頂蓋板的剪切。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，計算出兩軸的脈沖頻率，通過PLC向驅(qū)動器發(fā)送脈沖和方向信號，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

倉頂蓋板數(shù)控剪切斜切自動化生產(chǎn)線對倉頂蓋

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