浅析四点式直角剪板机设计注意事项

直角剪板机是一种具有两个互成直角的刀刃，可对板料进行直角形剪切的机床。全伺服控制直角剪板机与数控转塔冲床、自动上下料装置、堆垛装置、分拣装置等组成数控冲剪复合线，可以自动完成冲剪加工，加工完成的工件可直接传送至折弯、焊接等工序，该系统具有板材利用率高、无框料、部件边角质量高、整个过程中框料状态稳定、易于实现自动化控制、工件加工成本低等优势。冲剪设备可以作为独立的生产设备，也可以成为智能工厂中材料处理的重要设备，目前已频繁用于生产各类产品，如电梯门板、采暖通风设备与电气开关柜等。常见的主传动结构数控直角剪板机的主传动结构主要有液压式、离合器式、单点伺服球头式、四点伺服驱动式四种形式。液压式结构需要设置液压油的冷却系统，液压油的泄漏及废油处理会造成一定的环境污染，另外液压站中的油泵是连续工作的，会产生大量的热能损耗，剪板机不剪切时也会耗电，从而产生大量能耗。离合器式结构电机始终处于工作状态，能耗较高，此外，剪板机的剪切行程需现场调整，其调整方式为机械式调整，调整速度慢，且精度不易得到保证。单点伺服球头式伺服电机驱动滚珠丝杠直接带动上刀架运动，实现板料的剪切，这种结构比较紧凑，省去了中间传递环节，可完成比较高效和节能的剪切工作。但是剪切时刀架会在两个方向上产生较大的侧向力，刀架存在翻转风险，而这种单点球头式结构无法克服这种弊端，所有的侧向力均由刀架后面直立的导轨承受，刀架在剪切不同厚度或不同强度的板料时，会产生不同的侧向力，导轨也会产生不同程度的变形，进而影响到两个方向的剪切精度。为避免产生过大的侧向力，这种结构的机床其最大剪切长度会受到限制。四点伺服驱动式结构通过双伺服电机四点驱动，具有行程可调、抗偏载、节能等特点，与其他主传动结构相比优势明显，本文以此主传动方式直角剪板机为研究对象，对其设计过程中的注意事项进行分析说明。结构组成及原理四点伺服驱动直角剪板机主要由机架、上刀架、下刀架、驱动装置、压料装置、润滑系统及冷却系统等组成，两套成直角安装的剪切刀片分别平行安装于上下刀架的X轴、Y轴上，实现板材在水平面内直角剪切。直角剪板机的传动机构由伺服电机、滚珠丝杠、楔形块等组成，如图1所示。伺服电机通过联轴器带动丝杠转动，丝杠推动楔形块向右运动，楔形块下表面下压上刀架推动上刀架向下运动，进而带动上刀片对板材进行剪切。为了保证上刀架在剪切运动过程中能有效地抵抗X/Y两个方向的剪切力，设置了两组传动机构，两组传动机构驱动斜楔与上刀架的滚轮相接触，当直角剪板机进行剪切动作时，两组传动机构上的左右斜楔共同推动上刀架向下运动，完成剪切动作。四点伺服驱动式直角剪板机抗偏载原理为：上刀架剪切板料瞬间，两组驱动装置由伺服电机同步控制，同步驱动装置刚性极强，斜楔就如刚性约束一般四点推压上刀架，平衡了任意点剪切力引起的翻转趋势，使得上刀架在剪切力作用下的让刀变形很小，进而保证剪切质量。图1直角剪板机结构示意导轨装配分析四点伺服驱动式直角剪板机上刀架位于机架中部，四面导向装配难度较大，成本较高，因此行业内上刀架的导向多采用双面导向，两个导向装配面相互垂直，最常用的导轨装配方式有靠近刀片和远离刀片两种方式，如图2所示。图2导轨装配方式图2中上刀架与滑枕通过螺钉连接，导轨与机架间用螺钉连接，剪切板料过程中，板料对上刀片的反作用力除了竖直方向的剪切力外，还有水平方向的推力，该推力由上下刀片挤压板料产生。导轨靠近刀片装配时，作用力通过其附近滑枕传递给机架，通过机架的刚性限制剪切过程中的让刀情况，优点是上刀架变形影响小，缺点是滑枕承载力不均，作用力附近的滑枕承载力大，导轨紧固螺钉在作用力下呈拉伸趋势，厚板剪切时导轨容易滑移，偏离初始装配位置。导轨远离刀片装配时，作用力通过上刀架传递给机架，由于上刀架变形协调，各个滑枕的承载力均匀，导轨紧固螺钉不受作用力影响，不会偏离初始装配位置，缺点是作用力传递过程中，上刀架产生一定变形，在剪切不同板厚的材料时，刀片间隙的调节要综合考虑上刀架的变形影响。压料气缸作用分析板料剪切断面分四个区域，分别是塌角区、光滑区、裂纹区、毛刺区，光滑区为挤压应力状态下的塑性变形，其他三个断面区均为拉应力状态下的塑性变形，在挤压阶段，由于上下刀片的限位约束，板材并不产生滑移，在拉伸阶段，板材被拉伸而产生滑移，工程上多采用压料方式限制板料滑移。在实际剪板机设计中，压料力设计远小于经验计算公式的计算值，以芬宝剪板机为例，压料选择40组缸径为25mm的气缸，工作气压选择0.6MPa，气缸所能提供的最大理论输出力为9080N。在剪切尺寸为2500mm×1500mm×4mm的不锈钢板时，经验公式计算得出的压料力为87529N，实际设计值远小于理论计算值，说明剪板机压料缸并非用于限制板料滑移，而是用于限制板料剪切过程中的翘起，以及防止上刀片返程中将板料带起，板料滑移主要通过夹钳限制，但在远离夹钳区域，由于板材刚性较弱，这种限制将不明显，因此剪切精度变差。压料角距离刀片过近，压料力提供的抗翘起力矩小，剪切厚板时压料缸限制翘起能力不足；压料角距离刀片过远，剪切薄板时上刀片返程带料频繁，板材废料边过宽，板材利用率低。剪板机精度保障措施板材剪切质量缺陷主要有塌边、毛刺、相对边平行度差、相邻边垂直度差等，这与刀片间隙、上下刀片平行度、板材与刀片垂直度等有关。剪刃间隙太小会使剪切力增加，同时增加了刃口与板边的摩擦，加速了刃口的磨损，间隙太大，会使塑性材质的钢板产生毛刺，脆性材质的钢板断口粗糙。间隙的取值与钢板厚度及钢板机械性能有关，目前剪板机多配备间隙自动调整装置。上、下刀片平行度差，会使得上刀片运行过程中刀片间隙变化，上刀片垂直度也随之变化，剪切过程中将会出现塌边、毛刺、拉料、刀片带料等缺陷；板材与刀片垂直度的变化，除刀片自身原因外，板材自身变形也会对其产生影响。双伺服电机同步控制四点式伺服驱动剪板机采用双伺服驱动、半闭环控制方式，电机采用同步控制，将龙门同步轴接入到NC数控系统进行统一控制，主从电机同时由NCU（数控系统控制单元）进行位置控制，在空行程中，双伺服电机同步性非常好，但在剪切过程中，某个瞬间双伺服电机的同步精度有所波动，双电机不同步导致上刀架及上刀片倾斜，进而影响加工精度。通过控制双电机的相位差允许波动范围，控制上刀架平稳运行，进而保证上下刀片的平行度。斜楔与上刀架滚轮配合装配过程中斜楔与上刀架的配合未必是非常贴合的，这其中有以下几点因素。⑴装配误差。装配过程中，需要斜楔能很好地与上刀架滚轮贴合，并且接触力均匀，如果个别斜楔施加给上刀架的力过大，在运行过程中也会导致斜楔与滚轮出现间隙。⑵制造误差。组装在驱动装置上的斜楔角度有误差，这是导致运行过程中斜楔与滚轮出现动态间隙的主要原因。⑶装配应力。如果双驱动机构与上刀架连接的方式不合理，或者同步电机通电前未合理清零，将会导致双驱动机构与上刀架之间存在应力，在空行程运行中，将只有一组驱动机构提供主要动力，长时间下来，另外一组斜楔与上刀架之间会出现间隙。斜楔与上刀架滚轮之间有间隙，对加工精度的影响与伺服电机同步误差的影响类似，在剪切过程中均会导致上刀架左右侧高度差出现波动，从而影响刀片间隙。这种情况还容易引起运行过程中的冲击，造成噪声和关键零件的损坏，因此在实际装配过程中，需要慢速动态监测不同时间段斜楔与滚轮之间的间隙。板料下垂直角剪板机剪切大工件时，比如X/Y两个方向均大于300mm的工件，板材平放时其刚性较差，在剪切开始前，板材因重力下垂，远离夹钳固定区域的板材因变形偏离设定位置，板材相邻边垂直度、相对边平行度剪切质量变差。最简便的措施是设计一套托料机构，限制板料下垂，图3所示为剪板机最常用的托料原理图，气缸通过杠杆原理推动另一端