蔡　成，馬術(shù)文，龐　敏，楊欣雨

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都　610031)

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一種折彎機(jī)快速換模系統(tǒng)設(shè)計

蔡成，馬術(shù)文，龐敏，楊欣雨

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都610031)

為有效解決當(dāng)前折彎模具在換模過程中存在的費時、費力、操作危險等問題，對折彎生產(chǎn)過程進(jìn)行了研究，設(shè)計了一套折彎模具快速換模系統(tǒng)。將換模系統(tǒng)按功能需求劃分為通用墊鐵、驅(qū)動系統(tǒng)、上模輔助支撐裝置以及快速對準(zhǔn)等模塊。對各個模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，形成折彎機(jī)快速換模系統(tǒng)整體設(shè)計方案。系統(tǒng)能夠有效提高折彎生產(chǎn)中折彎模具更換過程的自動化程度，在提升換模操作安全性的同時提高換模效率，系統(tǒng)對其他相關(guān)設(shè)備的研發(fā)也具有參考意義。

折彎模；快速換模；自動化

CAI Cheng, MA Shu-wen, PANG Min,YANG Xin-yu

(School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

0　引言

折彎加工是金屬板料在折彎機(jī)上，通過上模和下模之間的壓力獲得具有一定夾角或圓弧的工件的塑性成形加工方法。折彎加工廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車和船舶工業(yè)等領(lǐng)域，是一種重要的鈑金加工方法。某公司專業(yè)廠生產(chǎn)的折彎件基本屬于單件、小批量、多品種生產(chǎn)，由于產(chǎn)品經(jīng)常發(fā)生變化，在實際生產(chǎn)過程中，折彎模具需要不斷更換。

國內(nèi)外針對于大型模具吊裝換模問題進(jìn)行了一些研究，文獻(xiàn)[1]設(shè)計了一種用于大型模具更換的液壓氣動舉升裝置。文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種具有高精度定位的快速換模裝置。國外研究中，文獻(xiàn)[3]開發(fā)了一套伺服驅(qū)動的工件輸送裝置。但是，目前的研究存在機(jī)床設(shè)備改造風(fēng)險性大，對現(xiàn)場生產(chǎn)具有一定影響，改造成本過高等問題。本文通過對折彎機(jī)換模過程進(jìn)行研究，了解現(xiàn)場工作環(huán)境，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備和條件，針對于目前國內(nèi)外研究存在的問題及現(xiàn)場需求，設(shè)計了一套折彎機(jī)快速換模系統(tǒng)。系統(tǒng)可以有效提高換模操作的可靠性和安全性，合理提高換模系統(tǒng)自動化程度。

1　快速換模系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

目前，現(xiàn)場廣泛采用人工更換模具的方法，不僅費時、費力而且換模過程中存在巨大的安全隱患。鈑金生產(chǎn)車間噪音嘈雜，導(dǎo)致地面換模人員和天車操作人員之間無法直接交流。折彎機(jī)上滑塊遮擋模具吊裝操作，由天車吊裝的模具無法直接安放在折彎機(jī)工作臺上，需要借助放置于工作臺前的裝模架支撐模具再將模具送入工作臺。生產(chǎn)過程中重量較大的模具需借助天車?yán)@過折彎機(jī)上滑塊從機(jī)床后側(cè)將模具拉入工作臺。即使模具基本正確地安放于工作臺，仍需要人工調(diào)整模具的位置，將模具上模和折彎機(jī)上滑塊對準(zhǔn)，才能進(jìn)行裝模操作。

通過對現(xiàn)有換模過程進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研并對現(xiàn)場所使用的折彎模特點進(jìn)行歸納，將換模系統(tǒng)分解為四個基本功能需求：①折彎模在折彎機(jī)工作臺上前后移動。折彎模需要在工作臺上前后移動，保證模具能夠到達(dá)機(jī)床工作臺上的正確位置并且模具能夠退出工作臺便于天車吊運模具。②支撐并固定折彎模上模。針對現(xiàn)場使用的沒有導(dǎo)板的模具，由于上模位置不固定且發(fā)生偏倒，需要設(shè)計上模支撐裝置使上模固定于折彎模上并具有正確的位置。 ③折彎模在工作臺上前后偏轉(zhuǎn)。折彎模前后偏轉(zhuǎn)運動使上模基準(zhǔn)面和上滑塊基準(zhǔn)面平行。④輔助換模人員判定模具上模和折彎機(jī)上滑塊對準(zhǔn)情況。上模和上滑塊對準(zhǔn)過程中，需要設(shè)計裝置以輔助換模人員快速、準(zhǔn)確地判定模具是否調(diào)整到位。

1.上滑塊 2.工作臺 3.通用墊鐵 4.折彎模 5.驅(qū)動系統(tǒng) 6.上模支撐

綜上所述，在經(jīng)過詳細(xì)調(diào)研和查閱相關(guān)設(shè)計資料的基礎(chǔ)上將模具快換系統(tǒng)劃分為通用墊鐵模塊、支撐裝置模塊、驅(qū)動系統(tǒng)模塊、上模輔助支撐模塊和快速對準(zhǔn)模塊。系統(tǒng)整體設(shè)計方案如圖1所示。支撐裝置采用框架結(jié)構(gòu)，模具放置于通用墊鐵上，跟隨墊鐵移動。左右兩個驅(qū)動系統(tǒng)分別安裝在兩個支撐裝置中，通過步進(jìn)電機(jī)各自獨立帶動通用墊鐵運動，實現(xiàn)模具前后移動和偏轉(zhuǎn)運動。針對沒有導(dǎo)板的模具設(shè)計上模輔助支撐裝置，找正并固定上模位置。換模過程中，引入快速對準(zhǔn)裝置輔助換模人員快速、準(zhǔn)確地判定模具是否調(diào)整到位。系統(tǒng)具有可靠性好、充分利用現(xiàn)有設(shè)備條件等優(yōu)點。

2　快速換模系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

2.1通用墊鐵模塊設(shè)計

折彎加工中使用的墊鐵一般是條狀鋼鐵件，放置在機(jī)床工作臺上支撐模具。普通墊鐵的主要功能是調(diào)整模具閉合高度，適應(yīng)上滑塊的工作行程，增加模具和工作臺的接觸面積，減小加工過程對工作臺的壓應(yīng)力。

1.注油孔 2.T型槽 3.潤滑槽

折彎機(jī)快速換模系統(tǒng)所設(shè)計的通用墊鐵如圖2所示，除具備普通墊鐵功能外，還具有以下特點：

①通用墊鐵的閉合高度、長度等設(shè)計參數(shù)具有普遍適用性。通過對現(xiàn)場所使用模具的規(guī)格參數(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，通用墊鐵的設(shè)計參數(shù)能夠適應(yīng)現(xiàn)場大多數(shù)常用模具的生產(chǎn)要求。

②模具放置于通用墊鐵上如圖1所示，模具的前后移動和偏轉(zhuǎn)微調(diào)通過移動通用墊鐵實現(xiàn)，減小換模系統(tǒng)對現(xiàn)有模具的影響。

③通用墊鐵底面加工潤滑槽如圖2所示，降低墊鐵與機(jī)床工作臺及支撐架之間的摩擦力。

④通用墊鐵上加工的T型槽與機(jī)床工作臺原有的T型槽型號一致，確保現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備能夠在通用墊鐵上使用。同時T型槽也是驅(qū)動系統(tǒng)、上模輔助支撐裝置與通用墊鐵連接的重要結(jié)構(gòu)如圖1中所示。

通用墊鐵模塊設(shè)計過程中，考慮將模具放置于墊鐵上，通過移動墊鐵實現(xiàn)折彎模運動。具有通用性好、充分利用現(xiàn)有設(shè)備和條件等優(yōu)點。

2.2驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

折彎機(jī)快速換模系統(tǒng)需要實現(xiàn)模具在工作臺上前后移動和偏轉(zhuǎn)運動。驅(qū)動系統(tǒng)每次工作需要經(jīng)歷啟動-正向運動-微調(diào)-反向運動-停止的工作過程?？紤]到步進(jìn)電機(jī)可以通過脈沖驅(qū)動控制方式實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運動，本文選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式，通過PLC和配套的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器實現(xiàn)運動過程控制。

考慮到驅(qū)動系統(tǒng)工作過程中，推動模具前后移動的距離并不長，滾珠絲杠傳動具有摩擦系數(shù)小、傳動效率高、使用壽命長等特點，綜合以上因素選用滾珠絲杠傳動機(jī)構(gòu)。一般情況下，絲杠和電機(jī)可以采用直接連接方式。設(shè)計過程中，由于機(jī)構(gòu)在垂直于工作臺方向上具有尺寸限制，考慮將電機(jī)布置在絲杠螺母副下方可以節(jié)省空間，減小對生產(chǎn)現(xiàn)場的影響，電機(jī)和絲杠間采用等比同步帶傳動，由電機(jī)帶動同步帶，同步帶輸出端和絲杠輸入端通過聯(lián)軸器連接。折彎模具更換過程中，驅(qū)動系統(tǒng)帶動墊鐵和模具移動。左右兩個驅(qū)動系統(tǒng)分別獨立運動從而可以調(diào)整墊鐵和模具中心線的位置，實現(xiàn)模具在工作臺上前后運動和偏轉(zhuǎn)運動。

1.上模輔助支撐 2.T型螺栓 3.同步帶輪 4.同步齒形帶 5.聯(lián)軸器

驅(qū)動系統(tǒng)與墊鐵連接形式如圖3所示，通過放置于墊鐵T型槽內(nèi)的T型螺栓將墊鐵和驅(qū)動系統(tǒng)相連，T型槽螺栓的頭部加工為弧形，以適應(yīng)墊鐵在推拉過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動。驅(qū)動系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)可以分別實現(xiàn)模具在該側(cè)的前后移動。

兩側(cè)驅(qū)動系統(tǒng)獨立工作，帶動墊鐵和模具運動。一側(cè)驅(qū)動系統(tǒng)工作時，以另一側(cè)驅(qū)動系統(tǒng)推動墊鐵的作用點為坐標(biāo)原點建立直角坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系下摩擦力對坐標(biāo)原點產(chǎn)生的力矩與驅(qū)動系統(tǒng)推力對坐標(biāo)原點產(chǎn)生的力矩應(yīng)相等。模具最大重量為6t并考慮一定的安全系數(shù)，當(dāng)模具和通用墊鐵總重量為10t時，驅(qū)動系統(tǒng)所需推力的計算公式為：

將設(shè)計參數(shù)帶入計算公式得：

計算可得驅(qū)動系統(tǒng)所需推力為：F推=5068N?？紤]電機(jī)加減速過程中模具和墊鐵加速度為：

加減速過程中慣性力為：

F慣=ma=104kg×0.275m/s2=2750N

驅(qū)動系統(tǒng)所需克服總力為：

Fa=F推+F慣=5068N+2750N=7818N

考慮采用等比同步帶傳動，則步進(jìn)電機(jī)工作過程中的負(fù)載力矩為：

式中：Fa—驅(qū)動系統(tǒng)所需克服總力；

I—絲杠導(dǎo)程；

η—絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳動效率；

計算步進(jìn)電機(jī)實際負(fù)載力矩時，由于加減速力矩和同步帶傳動摩擦力等因素的影響，應(yīng)當(dāng)考慮一定的安全系數(shù)K=2，確保步進(jìn)電機(jī)正常工作：

T=2TL=2×13.1N·m=26.2N·m

電機(jī)轉(zhuǎn)速計算結(jié)果為：

結(jié)合實際要求，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線選擇保持轉(zhuǎn)矩為30N·m，步距角為1.2°，型號為130BYGH350B的三相步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)型號選擇3ND2283型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器可以滿足使用要求?？刂葡到y(tǒng)控制器需要四點輸入，分別為正轉(zhuǎn)啟動按鈕、反轉(zhuǎn)啟動按鈕、停止按鈕和故障信號采集?？刂破鬏敵鳇c數(shù)為三點，分別為報警顯示燈、脈沖輸出(控制電機(jī)轉(zhuǎn)動步數(shù))、轉(zhuǎn)動方向(控制電機(jī)轉(zhuǎn)向)。根據(jù)系統(tǒng)要求選用SIMATIC S7-1200型PLC，該型PLC具有14個數(shù)字量輸入點和10個數(shù)字量輸出點，滿足控制系統(tǒng)對PLC I/O點數(shù)的要求，控制信號地址分配如表1和表2所示。

表1　輸入控制信號地址分配表

表2　輸出控制信號地址分配表

驅(qū)動器采用單脈沖控制方式即利用脈沖和方向信號控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。脈沖數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動步數(shù)，方向信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。3ND2283型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器具有過壓、短路以及過熱保護(hù)等功能。系統(tǒng)發(fā)生故障時，驅(qū)動器FAULT端口和PLC信號采集端DI0.3接通，驅(qū)動器自動停止接收脈沖信號。同時，PLC控制報警燈工作，直至故障解除。驅(qū)動器恢復(fù)工作后，F(xiàn)AULT端口和信號采集端DI0.3斷開，報警燈同時停止工作。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制電路如圖4所示。

圖4　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)電路圖

2.3上模輔助支撐模塊設(shè)計

折彎加工中使用的折彎模按是否具有導(dǎo)板可以分為兩種類型。針對沒有導(dǎo)板的模具，由于上模位置不固定且發(fā)生偏倒，需要設(shè)計上模輔助支撐裝置使上模固定于折彎模上并具有正確的位置。

圖5　上模輔助支撐簡圖

充分利用通用墊鐵上的T型槽，設(shè)計如圖5所示的上模支撐裝置。在模具四周安裝壓板，壓板上端攻螺紋，利用螺栓支撐上模。壓板利用T型槽螺栓固定在墊鐵上。實際使用過程中，通過調(diào)整螺栓位置找正上模。壓板下端設(shè)計為圖中所示形式，在使用過程中可以方便地拆卸，并且可以通過傾斜壓板調(diào)整螺栓支撐上模的高度，以適應(yīng)不同高度的折彎模。該上模輔助支撐模塊具有操作方便、簡單可靠、適應(yīng)性強等特點。

2.4快速對準(zhǔn)模塊設(shè)計

折彎機(jī)換模過程中，需要在上模和上滑塊對齊后才能進(jìn)行裝模操作。傳統(tǒng)的人工換模過程，缺少對準(zhǔn)裝置輔助換模人員快速、準(zhǔn)確地判定模具是否調(diào)整到位，加大了對準(zhǔn)操作的難度?？紤]便于現(xiàn)場換模人員使用、攜帶和保管的原則，應(yīng)采用盡可能簡便的方式實現(xiàn)對準(zhǔn)功能的要求。在上?；鶞?zhǔn)面上用磁力座安裝兩個帶有電池的激光發(fā)射裝置。通過激光發(fā)射裝置找準(zhǔn)折彎模位置，配合驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)模具快速、準(zhǔn)確地定位。

2.5支撐裝置設(shè)計

支撐裝置需要承受模具和墊鐵的總重量并且需要安裝步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠等設(shè)備，因此支撐裝置應(yīng)具有足夠的穩(wěn)定性、剛度和良好的可維護(hù)性。設(shè)計過程中通過合理選擇材料、合理設(shè)計結(jié)構(gòu)，降低裝置重量?？紤]各種制造形式，采用冷拔無縫方形鋼管焊接結(jié)構(gòu)，能夠保證支撐裝置具有足夠的強度和穩(wěn)定性如圖1所示。

3　結(jié)束語

本文首先分析了傳統(tǒng)折彎加工換模過程中存在的問題，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計了一套折彎機(jī)快速換模系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有通用墊鐵模塊、支撐裝置模塊、驅(qū)動系統(tǒng)模塊、上模輔助支撐模塊和快速對準(zhǔn)模塊等5個模塊。系統(tǒng)可以有效提高折彎加工換模過程的自動化程度，在提升換模操作安全性的同時提高換模效率。本系統(tǒng)對其他相關(guān)設(shè)備的研發(fā)也具有參考意義。

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(編輯李秀敏)

Design of the Rapid Press Brake Tool Change System for Bending Machine

To effectively solve the current bending mold in the process of the mould problem such as time-consuming，laborious,operation risk，folded in half bending process are studied，design a set of bending die quick die change system.The system could be divided into general system according to the functional requirements of the mould shim,drive system,upper die auxiliary support device and rapid alignment and other modules.The next step is to finish the detailed design of each module.The system can effectively improve the degree of automation,reduce the risk and improve the efficiency of the press brake tool change process.

press brake tool; rapid; automation

1001-2265(2016)09-0017-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.09.005

2015-09-21；

2015-10-16

蔡成(1991—)，男，四川德陽人，西南交通大學(xué)碩士研究生，研究方向為機(jī)械制造及其自動化，(E-mail)caicheng1086@163.com。

TH122；TG65

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