張新棋，李廣，高銀波，董傳杰，王磊

（北京長(zhǎng)征火箭裝備科技有限公司，北京 100076）

0 引言

隨著社會(huì)發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，家電產(chǎn)品已經(jīng)成為各家各戶的必需品。為滿足市場(chǎng)需求，提高家電產(chǎn)品的生產(chǎn)效率、優(yōu)化家電產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)已經(jīng)成為各家電廠商不斷追求的目標(biāo)。熱水器作為家電產(chǎn)品的一種，其生產(chǎn)制造已經(jīng)形成成熟的生產(chǎn)線，其中熱水器外殼的卷圓過(guò)程通常由卷板機(jī)完成。傳統(tǒng)的卷板機(jī)主要為三輥或四輥卷板機(jī)，三輥卷板機(jī)[1-3]結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用3個(gè)輥輪對(duì)板料進(jìn)行連續(xù)的三點(diǎn)彎曲卷制成弧體，下輥為主動(dòng)輥?zhàn)鲂D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，上輥?zhàn)龃怪鄙颠\(yùn)動(dòng)，其工作原理如圖1（a）所示。而四輥卷板機(jī)[4-5]則是以上輥為主動(dòng)輥，下輥為板料提供向上的力，與上輥一起夾緊板料，從而使得被卷板料與上輥間產(chǎn)生足夠的摩擦力，兩個(gè)側(cè)輥用以形成圓筒所需的曲率，其工作原理如圖1（b）所示。采用四輥卷板結(jié)構(gòu)可以免去端部預(yù)彎的工序，但與三輥卷板機(jī)相同的是在卷圓之后還需對(duì)板料的首尾端進(jìn)行焊合。

圖1 傳統(tǒng)卷板機(jī)工作原理示意圖

對(duì)于現(xiàn)代化的熱水器外殼生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的卷板機(jī)卷制過(guò)程需要人工輔助操作，自動(dòng)化程度差、卷圓半徑不可柔性變化，卷制之后板料產(chǎn)生回彈并且還需進(jìn)一步加工處理以使板料首尾兩端閉合，使得生產(chǎn)節(jié)拍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于市場(chǎng)需求。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種新型全自動(dòng)卷板機(jī)，其可根據(jù)需求柔性化卷制出不同直徑的圓筒，并利用液壓系統(tǒng)將板料首尾兩端邊搭扣壓合。卷板機(jī)全部動(dòng)作經(jīng)由PLC控制，保證了板料卷制的精度和可靠性。本文還研究計(jì)算了側(cè)臂支撐組件對(duì)旋轉(zhuǎn)主軸撓度的補(bǔ)償值，并通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其卷圓效果。

1 卷板機(jī)工作原理

基于自動(dòng)化工作流程的需要，卷板機(jī)主要分為5個(gè)部分：基座組件、行走架組件、旋轉(zhuǎn)主軸組件、壓刀組件及側(cè)臂支撐組件。全自動(dòng)卷板機(jī)工作原理為：使用真空吸盤(pán)將平板板料前后兩端分別吸附住，其中安裝在旋轉(zhuǎn)主軸組件上的一組真空吸盤(pán)吸附住板料前端邊，并帶動(dòng)板料的前端邊做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)安裝在行走架組件上的另一組真空吸盤(pán)吸附住板料后端邊，并帶動(dòng)板料的后端邊做直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)板料前端邊逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)接近360°時(shí)，板料后端邊前進(jìn)至板料前端邊附近，再利用真空吸盤(pán)的傾斜動(dòng)作及壓刀組件將板料前后兩端邊搭扣壓合，完成卷圓過(guò)程。經(jīng)模擬計(jì)算，卷板機(jī)完成卷圓的必要條件是，板料前后兩端邊需要在前序工位中分別被折出圖2中所示彎邊才能在卷板機(jī)中被順利搭扣壓合。

圖2 板料折邊示意圖

2 卷板機(jī)配置參數(shù)

卷板機(jī)作為熱水器外殼生產(chǎn)線中的一個(gè)工位，其主要根據(jù)生產(chǎn)線要求的生產(chǎn)節(jié)拍等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。以某條生產(chǎn)線為例，板料參數(shù)示意圖如圖3所示，本文所設(shè)計(jì)的卷板機(jī)要求參數(shù) 如 下：1）輸出產(chǎn)品（筒體）尺寸：筒體直徑為400 mm、430 mm、460 mm，筒體長(zhǎng)度（板料寬度）為500～1200 mm，板料厚度為0.4～0.5 mm；2）生產(chǎn)節(jié)拍：15 s/件。

圖3 板料參數(shù)示意圖

3 卷板機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先，對(duì)卷板機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)化的功能分析與分解，然后針對(duì)各組件的功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用自上而下的設(shè)計(jì)方法對(duì)卷板機(jī)進(jìn)行虛擬裝配。

3.1 基座組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基座組件結(jié)構(gòu)如圖4所示，基座組件由C形基座、左側(cè)支撐臂、右側(cè)支撐臂及齒形帶輪組件組成，C形基座由鋼板焊接而成，為整個(gè)卷板機(jī)提供支撐，其左右兩側(cè)分別伸出支撐臂，支撐臂上安裝有用于傳遞輸出動(dòng)力的齒形帶輪組件，其側(cè)面安裝有用于行走架組件沿其做直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌。

圖4 基座組件結(jié)構(gòu)示意圖

在支撐臂的對(duì)側(cè)，還設(shè)計(jì)有同樣用于行走架組件沿其做直線運(yùn)動(dòng)的普通鋼條及其安裝座。在C形基座上，油缸安裝板用于安裝壓刀組件，側(cè)臂安裝板用于安裝側(cè)臂支撐組件。整個(gè)卷板機(jī)的動(dòng)力來(lái)源—用于為旋轉(zhuǎn)主軸輸送動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)安裝在C形基座的后側(cè)，用于為行走架組件提供動(dòng)力的電動(dòng)機(jī)安裝在齒形帶輪組件上。C形基座的設(shè)計(jì)不僅滿足了整個(gè)卷板機(jī)主體框架的功能，還為行走架組件的運(yùn)動(dòng)、行走架組件與旋轉(zhuǎn)主軸動(dòng)作的配合，以及壓刀下壓等動(dòng)作提供了合理的空間。

3.2 行走架組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

行走架組件的主要功能是帶動(dòng)吸附住的板料沿基座組件上的導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)，并在后期壓合時(shí)使板料扣合得更好。為完成此功能，行走架組件上共有前后兩排吸盤(pán)，吸盤(pán)的升降由氣缸控制，固定側(cè)吸盤(pán)用于吸附板料的前端邊，傾斜側(cè)吸盤(pán)用于吸附板料的后端邊，傾斜側(cè)吸盤(pán)的設(shè)置在于更好地完成板料最后的搭扣動(dòng)作。當(dāng)所需卷圓直徑D不同時(shí)，板料長(zhǎng)度L隨之變化，L=3.14D+u，其中u為板料前后兩端折邊總長(zhǎng)度。因此，行走架組件上安裝有雙行程氣缸，用以滿足400 mm、430 mm、460 mm三種不同直徑的卷圓需求。

行走架組件右側(cè)的移動(dòng)副采用導(dǎo)軌滑塊形式，行走架組件左側(cè)的移動(dòng)副采用隨動(dòng)輪與普通鋼條相配合的形式，這種安裝形式可以消除一定的加工誤差和安裝誤差，使得行走架在運(yùn)動(dòng)時(shí)左右兩側(cè)保持運(yùn)行平穩(wěn)。行走架組件上安裝有齒形帶壓板組件，使用同步帶傳動(dòng)形式帶動(dòng)整個(gè)行走架組件沿導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)。

圖5 行走架組件俯視圖

3.3 旋轉(zhuǎn)主軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)主軸組件的主要功能是利用安裝在主軸上的吸盤(pán)吸附住板料的前端邊，并帶動(dòng)板料的前端邊進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)主軸組件主要由小主軸、中心主軸、吸盤(pán)、吸盤(pán)安裝座、氣缸、壓合模具、支撐套筒等組成。

旋轉(zhuǎn)主軸組件主體結(jié)構(gòu)為焊接件，其中小主軸通過(guò)脹套固定在主軸電動(dòng)機(jī)內(nèi)，為保證同軸度，中心主軸與小主軸通過(guò)螺釘與鍵聯(lián)接。中心主軸上安裝有壓合模具，板料在壓合模具內(nèi)被壓刀壓合成型；中心主軸上還安裝有可升降吸盤(pán)，吸盤(pán)安裝座的升降通過(guò)氣缸控制。當(dāng)行走架組件帶動(dòng)板料的前端邊運(yùn)動(dòng)到中心主軸處的正上方時(shí)，此時(shí)吸盤(pán)處于原始豎直向上的位置，其與固定側(cè)吸盤(pán)進(jìn)行動(dòng)作交接，繼續(xù)從內(nèi)側(cè)吸附住板料的前端邊，并帶動(dòng)板料進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)至一定角度，當(dāng)完成一次搭扣壓合后，旋轉(zhuǎn)主軸組件順時(shí)針旋轉(zhuǎn)復(fù)位至初始位置。

圖6 旋轉(zhuǎn)主軸組件結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 壓刀組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

壓刀組件的主要工能是在油缸的作用下向下伸出，將搭扣好的板料壓合在壓合模具內(nèi)。因此，壓刀組件主要由壓刀座、壓刀、油缸、油缸導(dǎo)柱等組成，其中壓刀座減重設(shè)計(jì)，壓刀材料選用Cr12MoV。壓刀座上安裝有油缸連接座和導(dǎo)柱連接座，油缸及其導(dǎo)柱均通過(guò)連接座與壓刀座連接。

3.5 側(cè)臂支撐組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于卷板機(jī)卷制出的筒體長(zhǎng)度最長(zhǎng)達(dá)到1200 mm，且為保證壓合效果，本卷板機(jī)采用2個(gè)125油缸、1個(gè)80油缸帶動(dòng)壓刀下壓，中心主軸在壓刀下壓狀態(tài)時(shí)，受到極大的彎曲應(yīng)力。長(zhǎng)時(shí)間工作在這種狀態(tài)下，中心主軸可能因撓度過(guò)大而損壞。因此，需要對(duì)旋轉(zhuǎn)主軸組件在懸臂端進(jìn)行支撐設(shè)計(jì)，改善中心主軸的受力情況。下面對(duì)中心主軸進(jìn)行受力分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行側(cè)臂支撐組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

中心主軸在壓刀下壓時(shí)停止旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，可以簡(jiǎn)化為一等截面懸臂梁，梁的長(zhǎng)度為l，抗彎剛度EI為一常量，壓刀對(duì)中心主軸的力可視為一均布載荷q，其受力模型如圖8（a）所示。

可得到梁的彎矩方程為

圖7 壓刀組件結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 簡(jiǎn)化梁受力分析圖

建立梁的撓曲線微分方程并積分：

積分一次得

積分兩次得

通常，可通過(guò)減小梁的長(zhǎng)度、增大梁的截面慣性矩等方法改善梁的受力情況，提高梁的強(qiáng)度，考慮到卷板機(jī)的實(shí)際加工制造情況，在本設(shè)計(jì)中考慮通過(guò)改變中心主軸懸臂端的支撐形式達(dá)到上述目的。

因此設(shè)計(jì)一側(cè)臂支撐組件，如圖9所示，側(cè)臂支撐組件通過(guò)油缸控制，油缸通過(guò)連接座安裝在C形基座的側(cè)臂安裝板上，側(cè)臂安裝板上還裝有軸承，使得側(cè)臂可以在油缸頭的帶動(dòng)下，以軸承為圓心旋轉(zhuǎn)。當(dāng)卷板機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，油缸伸出，帶動(dòng)側(cè)臂向下順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到位，安裝在側(cè)臂上的支撐軸在小油缸的作用下伸出，探入到旋轉(zhuǎn)主軸組件中的支撐套筒內(nèi)，為中心主軸的懸臂端提供了一限制其豎直運(yùn)動(dòng)的可動(dòng)鉸支座。此時(shí)，再次對(duì)中心主軸進(jìn)行受力分析，力學(xué)模型如圖8（b）所示。

圖9 新型卷板機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

可動(dòng)鉸支座為懸臂端提供一力FB，由平衡方程∑MB=0并應(yīng)用疊加法可知：

將梁只受單一載荷時(shí)的撓度表達(dá)式代入后可得：

于是可得到梁的彎矩方程為

建立梁的撓曲線微分方程并積分：

積分一次得

積分兩次得

根據(jù)邊界條件θA=wA=0，可得C=D=0。

3.6 新型卷板機(jī)整體結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)上述子功能結(jié)構(gòu)的構(gòu)思與設(shè)計(jì)，運(yùn)用虛擬裝配原理在SolidWorks中將其集成設(shè)計(jì)成新型全自動(dòng)卷板機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

4 結(jié)論

新型全自動(dòng)卷板機(jī)實(shí)現(xiàn)了板料從平板狀態(tài)被直接卷制成不同直徑筒體的自動(dòng)化加工，避免了板料回彈對(duì)卷圓精度的影響。卷板機(jī)整體結(jié)構(gòu)緊湊，全部動(dòng)作采用PLC控制完成，卷圓直徑精確可控，且可以柔性化換型，滿足多種生產(chǎn)需求，對(duì)于相關(guān)家電生產(chǎn)企業(yè)降低人力成本、提高生產(chǎn)質(zhì)量和效率具備一定的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。