（神華鐵路裝備有限責(zé)任公司肅寧車輛維修分公司，河北滄州 062350）

1.研究背景

剪板機(jī)屬于鍛壓機(jī)械中的一種，可對(duì)各種厚度的金屬板材施加剪切力，使板材按所需要的尺寸斷裂分離，主要作用就是金屬加工行業(yè)。產(chǎn)品廣泛適用于航空、輕工、冶金、化工、建筑、船舶、汽車、電力、電器、裝潢等行業(yè)，如圖1所示。

圖1 液壓剪板機(jī)

由于原料鋼板自重較大，目前剪板機(jī)上料、進(jìn)料過程主要依靠行車、叉車及人工搬抬，剪板過程存在諸多弊端：

（1）作業(yè)空間狹小，利用叉車移動(dòng)大尺寸鋼板操作難度大，移動(dòng)過程中易磕碰、滑落；

（2）進(jìn)料剪切過程人工搬抬勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低；

（3）搬抬過程中多人作業(yè)，同步性較差，存在擠傷、砸傷的安全隱患；

（4）剪切尺寸由人工測(cè)量，視角原因及個(gè)人測(cè)量習(xí)慣等因素造成剪切定尺精度偏差較大。

為此研究設(shè)計(jì)一套剪板機(jī)自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)包含移動(dòng)料臺(tái)小車、自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)、自動(dòng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)三部分。作業(yè)者發(fā)出上料指令后，上料機(jī)構(gòu)將儲(chǔ)料小車上的板材吸運(yùn)至進(jìn)料平臺(tái)，進(jìn)料機(jī)構(gòu)按作業(yè)者設(shè)定好的定尺數(shù)據(jù)步進(jìn)上料，上料機(jī)與剪板機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，每進(jìn)料一次延時(shí)自動(dòng)剪切。

由此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上料、進(jìn)料，剪切自動(dòng)化，并可實(shí)現(xiàn)每張鋼板同時(shí)設(shè)置多個(gè)不同的定尺連續(xù)剪切，提高效率并且降低職工勞動(dòng)強(qiáng)度，如圖2所示。

2.研究任務(wù)和技術(shù)路線

2.1 研究內(nèi)容

（1）研制開發(fā)適合鋼板移位的吸盤系統(tǒng)。針對(duì)吸盤材質(zhì)、形狀、直徑進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)，確定規(guī)格。根據(jù)真空泵抽氣時(shí)間、抽氣速度進(jìn)行研究，選擇合適的真空泵。

圖2 剪板機(jī)自動(dòng)上料裝置結(jié)構(gòu)圖

（2）研制吸盤升降、平移系統(tǒng)。針對(duì)升降氣缸缸徑、行程，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩進(jìn)行研究，據(jù)性能參數(shù)確定規(guī)格型號(hào)。

（3）研制進(jìn)料平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)夾具的結(jié)構(gòu)。研究進(jìn)料運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)形式。

（4）研制開發(fā)自動(dòng)上料、進(jìn)料控制系統(tǒng)。根據(jù)上料、進(jìn)料要求開發(fā)一套自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件。

2.2 研究方法

利用三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)平移及進(jìn)料系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)。并通過仿真分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，使機(jī)械結(jié)構(gòu)靈活輕便，控制簡(jiǎn)單。

2.3 技術(shù)路線

（1）硬件可采用LCD觸摸屏以及PLC控制組成設(shè)備的控制核心部分。

（2）本機(jī)可采取機(jī)械設(shè)計(jì)與電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合，硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法，軟件根據(jù)上料及進(jìn)料系統(tǒng)的工序要求，進(jìn)行開發(fā)，將上料、進(jìn)料各機(jī)構(gòu)位置信息通過行程開關(guān)、光電開關(guān)、編碼器進(jìn)行采集，經(jīng)過電器邏輯編程，使各部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

本項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)是真空吸盤系統(tǒng)，需通過測(cè)算、實(shí)驗(yàn)確定真空發(fā)生器真空度比例，真空壓力2.5倍的安全系數(shù)下真空泵抽速兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，從而保證鋼板抓取及輸進(jìn)過程平穩(wěn)可靠。

3.設(shè)計(jì)、實(shí)施方案

3.1 設(shè)計(jì)方案

自動(dòng)上料設(shè)計(jì)可由三部分組成：移動(dòng)儲(chǔ)料小車、上料提升及行走機(jī)構(gòu)、自動(dòng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)。工作流程如下：

（1）儲(chǔ)料。在進(jìn)料位利用行車或叉車將原料鋼板碼放至儲(chǔ)料小車上，儲(chǔ)料小車電動(dòng)運(yùn)行至上料位；

（2）上料。上料提升機(jī)構(gòu)(氣動(dòng))下降，通過真空吸盤產(chǎn)生的負(fù)壓將鋼板牢固吸附，上料機(jī)構(gòu)上升并平移至放料位下降，吸盤釋放，將鋼板放置于放料位，上料機(jī)構(gòu)回取料位待命；

（3）對(duì)中。側(cè)方對(duì)中氣缸伸出實(shí)現(xiàn)側(cè)方對(duì)中，進(jìn)料機(jī)自?？奎c(diǎn)運(yùn)行至原點(diǎn)實(shí)現(xiàn)前對(duì)中，氣動(dòng)夾鉗加緊鋼板；

（4）進(jìn)料剪切。進(jìn)料機(jī)構(gòu)前進(jìn)，按設(shè)定定尺進(jìn)料、剪切，重復(fù)進(jìn)料剪切，進(jìn)料機(jī)構(gòu)前進(jìn)到終端，打開，尾料彈出，進(jìn)料機(jī)回到?？奎c(diǎn)待命。

以華魯鍛壓機(jī)床有限公司生產(chǎn)的QC12Y-12×2500液壓擺式剪板機(jī)為例，剪板自動(dòng)上料機(jī)各部位位置名稱，如圖3所示。

3.2 實(shí)施方案

（1）研制開發(fā)吸盤系統(tǒng)。鋼板的抓取擬采用氣動(dòng)真空吸盤機(jī)構(gòu)，真空泵配合真空吸盤對(duì)材料進(jìn)行抓取，穩(wěn)定性好，性價(jià)比高。

扁平吸盤的性能。在平整的工件表面，寬密封唇具有最佳的密封特性；抓取工件時(shí)，具有良好的穩(wěn)定性；搬運(yùn)表面平整或稍微粗糙的扁平或輕微碟形的工件，如：金屬板、紙箱、玻璃板、塑料件和木板。另外小巧的設(shè)計(jì)和小的內(nèi)部容積能使抓取時(shí)間最小化，效率較高。

真空動(dòng)力源對(duì)真空壓力的影響較大，選擇真空泵做真空壓力源。根據(jù)國外專業(yè)真空公司測(cè)試的數(shù)據(jù)，真空壓力的安全系數(shù)要求是2.5倍。為確保安全，在配置吸盤、設(shè)置安全真空壓力時(shí)，是在60%真空度的條件下，計(jì)算吸盤的理論吸力，再除以2.5，得出需要的安全吸力，由此保證吸運(yùn)過程安全可靠。

真空吸盤吸力計(jì)算：吸力=S×P/μ

其中 ：S-吸盤面積 (cm2)，P-氣壓 (kg/cm2),μ-安全系數(shù)≥2.5。

例：真空度-750mbar，吸盤直徑80mm時(shí)，單個(gè)吸盤的吸力為12.56kg。

圖3 剪板機(jī)自動(dòng)上料裝置俯視圖

該計(jì)算條件為：真空度為750mbar，等于0.75kg/cm,μ安全系數(shù)=3。

理論水平起吊力(吸附力)：根據(jù)真空壓力計(jì)算起吊力：

F=0.1×A×P

F-理論起吊力（N）；A-吸盤的吸附面積（cm2）；P-真空壓力（kPa）。

吸盤系統(tǒng)研究對(duì)象可設(shè)為吸運(yùn)最大尺寸的鋼板，通過對(duì)吸力的計(jì)算確定吸盤材質(zhì)、吸盤形狀、吸盤直徑。根據(jù)以上吸力的計(jì)算確定系統(tǒng)所需的氣量，依據(jù)抽速要求及抽氣時(shí)間計(jì)算選擇合適的真空泵。

為保證鋼板吸吊過程的安全，真空回路中可設(shè)置有電接點(diǎn)的真空壓力表，壓力值設(shè)為安全吸力對(duì)應(yīng)的真空壓力值，大于此壓力值才能正常起吊，小于此壓力值會(huì)有聲光報(bào)警，并輸出電信號(hào)至電控系統(tǒng)，禁止起吊。如一直達(dá)不到起吊壓力值，應(yīng)檢查真空氣路各部位氣密性，檢查吸盤有無老化龜裂、裙邊缺損現(xiàn)象，另外吸盤唇邊磨損量大于原厚度50%時(shí)，均應(yīng)及時(shí)更換。

（2）研制升降、平移系統(tǒng)。升降部分使用氣缸作為執(zhí)行元件，不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且可實(shí)現(xiàn)任一高度懸停。

平移動(dòng)力部分采用伺服電機(jī)搭配減速機(jī)，利用高精密尺寸齒條傳動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定性好，精度高。

此部分研究對(duì)象主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣源壓力、最大提升力、最大升降速度的設(shè)計(jì)要求選擇合適缸徑的氣缸。根據(jù)平移最大直線速度的設(shè)計(jì)要求計(jì)算減速比，從而確定伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速及齒輪齒數(shù)。根據(jù)載重計(jì)算伺服電機(jī)所需扭矩、功率參數(shù)，進(jìn)而選型。

（3）進(jìn)料平臺(tái)結(jié)構(gòu)。利用三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)料系統(tǒng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)。并通過仿真分析優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，使機(jī)械結(jié)構(gòu)靈活輕便，控制簡(jiǎn)單。

（4）底座支架可采用型鋼做骨架，附以管、板焊接構(gòu)成，底架設(shè)計(jì)調(diào)整螺栓上下自由調(diào)整，便于靈活安裝。

（5）托料平臺(tái)可采用冷板滾珠臺(tái)面，便于鋼板滑動(dòng)進(jìn)料。

（6）進(jìn)料運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)由焊接架、光杠、滾珠絲杠、氣動(dòng)夾料、托料板等組成。精密大導(dǎo)程高密度滾珠絲杠及直線導(dǎo)軌模組能保證進(jìn)料過程精度高、速度快。

（7）進(jìn)料驅(qū)動(dòng)擬采用交流伺服電機(jī)，伺服電機(jī)噪音小、帶負(fù)載能力強(qiáng)，并具有過流、過熱、過載、過壓、欠壓、位置超差及編碼器故障等保護(hù)功能，能保證進(jìn)料平臺(tái)平穩(wěn)、高速、精準(zhǔn)運(yùn)行。

本系統(tǒng)需研究確定的內(nèi)容主要是根據(jù)伺服電機(jī)與滾珠絲杠配合所產(chǎn)生的直線進(jìn)料速度要求，確定伺服電機(jī)功率、扭矩、轉(zhuǎn)速，進(jìn)而確定伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選型。

光電編碼器是位置控制系統(tǒng)的檢測(cè)元件，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖，具有體積小、精度高、工作可靠、接口數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、伺服傳動(dòng)等設(shè)備中，根據(jù)進(jìn)料控制精度的要求，可選擇編碼器每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)精確進(jìn)料。

（8）研制開發(fā)自動(dòng)上料、進(jìn)料的控制系統(tǒng)。本機(jī)硬件可采用LCD觸摸屏以及PLC控制，硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合，軟件根據(jù)上料及進(jìn)料系統(tǒng)的工序要求，進(jìn)行開發(fā)，將上料、進(jìn)料各機(jī)構(gòu)位置信息通過行程開關(guān)、光電開關(guān)、編碼器進(jìn)行采集，經(jīng)過電器邏輯編程，使各部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行。

4.結(jié)語

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速前進(jìn)，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)械自動(dòng)化運(yùn)行越來越成為工業(yè)追求高效低耗發(fā)展模式的要求。采用機(jī)械自動(dòng)化的設(shè)備既可以解決企業(yè)人工勞動(dòng)成本高的問題,擺脫傳統(tǒng)繁重的勞動(dòng)，也可提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。只有加強(qiáng)對(duì)機(jī)械自動(dòng)化運(yùn)行的探討分析，才能使工業(yè)生產(chǎn)更好地進(jìn)行，基于此，本文就剪板機(jī)自動(dòng)上料技術(shù)進(jìn)行探究，以供參考。