陳隆　王雪梅

摘 要：冷彎成型（Cold Roll Forming）是一種先進的金屬板材常溫下的成型技術(shù)，從二十世紀八九十年代在我國得到廣泛的應(yīng)用。成型是連續(xù)的，但是使用的產(chǎn)品是分段的，如果使用停機剪切，高速成型的優(yōu)勢會縮減很多。先進的冷彎成型需要匹配高效率的伺服（跟蹤）剪切裝置對成型產(chǎn)品進行剪切、落料，冷彎成型勻速進行，確保整條生產(chǎn)線能保持較高的生產(chǎn)效率。該文主要探討為提高冷彎成型速度而增加的伺服（跟蹤剪切）底座的作用和基本的設(shè)計計算方法。

關(guān)鍵詞：伺服（跟蹤）技術(shù) 冷彎成型 效率

中圖分類號：U661.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（c）-0040-02

新鄉(xiāng)天豐機械制造有限公司自20世紀90年代涉足冷彎行業(yè)，已從事冷彎成型裝備的開發(fā)和應(yīng)用有20余年，涉獵建筑、環(huán)保、立體車庫、汽車、倉儲、光伏支架、高速公路護攔、電纜橋架、板材、縱橫剪等冷彎生產(chǎn)線的開發(fā)和應(yīng)用，在業(yè)內(nèi)排名前三，客戶分布層次和行業(yè)廣泛，產(chǎn)品行銷世界各地。公司開發(fā)的伺服剪切技術(shù)，廣泛應(yīng)用在現(xiàn)場生產(chǎn)中，得到廣大用戶的好評。

1 冷彎成型伺服剪切系統(tǒng)的組成

冷彎成型的伺服剪切系統(tǒng)通常裝載剪切裝置安裝在成型生產(chǎn)線的末端。在板材經(jīng)冷彎（機）組成型后。產(chǎn)品由切斷裝置在線跟蹤，往復(fù)自動切斷。下面我們以天豐公司為阿根廷型材生產(chǎn)線設(shè)計的一套伺服跟蹤系統(tǒng)為例，探討一下伺服跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計流程。

現(xiàn)場的工作運動方式為剪切模架原點靠近成型產(chǎn)品出料端，當(dāng)需要剪切時，伺服電機開始驅(qū)動滾珠絲杠，帶動成型剪加速，當(dāng)速度達到與成型板材成型速度一致后，啟功液壓剪開始剪切，完成后，伺服系統(tǒng)減速，然后反向加速，勻速運行，然后再減速，回到工作原點，等待下一次剪切。

伺服電機的工作示意圖如圖1所示。

工件長度=循環(huán)間隔時間×工件速度。工件速度和工件長度為已知數(shù)據(jù)，可以確定出循環(huán)間隔時間；根據(jù)循環(huán)間隔時間確定實際循環(huán)時間。其中循環(huán)間隔時間為6 s，實際循環(huán)時間5.4 s，實際循環(huán)時間≤循環(huán)間隔時間。

伺服隨動距離=1/2×上升時間×最大工作速度+跟蹤速度×跟蹤時間+1/2×回程加速時間×最大工作速度（與時間軸包圍的梯形面積）。

下面示范電機和滾珠絲杠的選取原則，設(shè)計參數(shù)如下。

剪切裝置重量：1 500 kg，主機速度：40 m/min=0.67 m/min；追蹤速度：45 m/min=0.75m/min；循環(huán)間隔時間：6 s；追蹤時間：0.6 s；跟蹤時間：1.5 s（需要考慮剪切設(shè)備的速度保證可以剪切完）；減速時間：0.6 s，回程加速時間：0.7 s，總回程時間：2.7 s，往復(fù)總時間：5.4 s，加速度：0.67（m/s）/0.6（s）=1.11m/s2。

絲桿工作長度：伺服隨動距離=1/2×上升時間×最大工作速度+跟蹤速度×跟蹤時間+1/2×回程加速時間×最大工作速度=1.407m（絲杠工作長度應(yīng)大于伺服隨動距離，加上剪切架寬度和前進和后退的安全余量。實際選擇絲桿長度2 660 mm）；定位精度：±0.5 mm；重復(fù)定位精度：50 μm（0.005 mm）和選擇絲桿的精度和控制有關(guān)。確定絲桿導(dǎo)程：30 mm，絲杠外徑50 mm。

2 主要設(shè)計參數(shù)的計算演示

（1）首先根據(jù)基本參數(shù)確定絲杠的直徑、導(dǎo)程、精度、允許轉(zhuǎn)矩，螺母規(guī)格等。要注意核算滾珠絲杠的臨界壓縮載荷和滾珠絲杠副的強度計算。

最大壓縮載荷的計算方法是：為保證絲杠的壓桿穩(wěn)定性，需要規(guī)定絲杠所能承受的最大壓縮負荷。FMAX≤PC=K1×K2×3.142×EI/LY2=K1×KC×d24×104/LY2（N）；式中，F(xiàn)MAX為作用在滾珠絲杠副上的最大軸向壓縮載荷；E為彈性模量，2.1×105 MPa；I為絲杠剖面最小慣性轉(zhuǎn)矩，I=3.14×d22/64；d2為絲杠底徑；K1為安全系數(shù)。絲杠垂直安裝時K1=1/2，絲杠水平安裝時K1=1/3；K2，KC為與絲杠支撐型式有關(guān)的系數(shù)（按絲桿說明書規(guī)定選取，計算取K2=4，KC=20）；LY為計算臨界壓縮載荷PC用的安裝距離（mm）Pc=K1×KC×d24×104/LY2（N）=1/3×20×42.44×104/26562=30237（N），F(xiàn)MAX=1500×1.11+0.05×1500×10=2415（N）≤30237（N）=PC。

（2）根據(jù)剪的重量和絲桿參數(shù)規(guī)格、加減速的時間確定伺服電機的參數(shù)。

剪切位移s=加速位移+勻速位移+減速位=0.5×0.67×

0.6+0.5×0.67×0.60+0.67×1.5=1.407m。F導(dǎo)=μmg=0.05×1500×10=750N；F加速度=ma=1500×1.11=1665N；Fmax=f導(dǎo)+f加=2415N。

①計算折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。

第一，重物折算到電機軸的轉(zhuǎn)動慣量：剪切裝置自重產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量為Jw=M×（）2=34200kg·mm2= 342kg·cm2。

第二，絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：絲杠重量：MB=3.14×R2Lρ =45kg。

絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：JB=MB×DB2/8=45×=140kg·cm2。

第三，總轉(zhuǎn)動慣量：JL=JW+JB=340×140=480kg·cm2=0.048kg·m2。

第四，選取電機轉(zhuǎn)動慣量：J=JL/3=0.048/3= 0.016kg·m2。

②計算電機轉(zhuǎn)速N：電機需要轉(zhuǎn)速N=V/PB=40/0.03=1333rpm。實際電機速度1 500 rpm，滿足要求。

（3）計算電機驅(qū)動負載所需要的扭矩。

第一，克服摩擦力所需要的扭矩Tf：驅(qū)動扭矩摩擦Tf=umg=3.9N·m。

第二，重物加速時扭矩TAI==8.8N.m

第三，絲杠加速扭矩：TA2=JB×a/η=3.6 N·m，

（4）加速總扭矩：TA=TA1+TA2=12.4 Nm。

瞬間最大扭矩：TMAX=TA+TF=16.3 NM。

（5）選擇伺服電機。

額定扭矩≥TMAX=16.3Nm，通常使實際運行的扭矩大致控制在額定扭矩的80%左右，保證安全性。

電動機轉(zhuǎn)動慣量（實際值為0.0254 kg·m2）JN≥JL/3=

0.016kg·m2。

根據(jù)選型樣本，技術(shù)參數(shù)，選擇電機型號MPM-B2153E-SJ72AA，功率7.2 kW。開始結(jié)構(gòu)設(shè)計。

參考文獻

[1] （加）喬治·哈姆斯，著.冷彎成型技術(shù)手冊[M].劉繼英，艾正青，譯.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2] 何躍.冷彎型材自動跟蹤切斷系統(tǒng)研究[D].北方工業(yè)大學(xué)，2009.

[3] （日）小奈弘，（中）劉繼英，著.冷彎成型技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[4] 山東博特精工股份有限公司樣本[Z].

[5] Kinetix運動控制選型樣本[Z].