空調翅片用精密高速伺服數控沖床輔助機構設計*

龍曉斌，李志偉，夏琴香，龍 川（.中山市奧美森工業有限公司，廣東中山 58455；.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 5064）

空調翅片用精密高速伺服數控沖床輔助機構設計*

龍曉斌1，李志偉2，夏琴香2，龍 川1
（1.中山市奧美森工業有限公司，廣東中山 528455；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510641）

為了實現翅片高速沖壓的自動化要求，設計了一套精密高速伺服數控沖床輔助機構。重點介紹了輔助機構的整體設計及開卷、浸油、送料、拉料、吸附和集料等裝置的設計。通過分析懸臂式結構和開卷張力形成特點，設計出由減速電機、開卷滾筒和裝料軸組成的開卷裝置；為滿足鋁箔上油和去除多余油料的要求，設計出一款由輥軸和毛氈組成的浸油裝置；為滿足沖壓初期送料要求，對輥軸送料精度進行分析后設計出由空心輥軸、伺服電機和氣缸組成的送料裝置；為了滿足能夠沖壓不同翅片要求及避免鋁箔涂油后由于粘連現象不利于送料的情況，設計了一個拉料步距可調的拉料機構；根據壓差吸附原理、翅片和換熱器外形特點，設計出能夠吸附和收集翅片的吸附裝置和集料裝置。

精密高速；伺服；輔助機構；空調翅片；數控沖床

翅片是空調、冰箱、汽車等熱交換器中冷凝器及蒸發器的有效強化換熱零件，布置于換熱裝置表面，通過增大換熱裝置的換熱表面來提高裝置的換熱效率[1]。上世紀90年代，空調器開始進入中國家庭，并在2000年后開始大規模普及，目前空調已經是日常生活中必不可少的家電產品。國內空調市場競爭日趨激烈，作為空調換熱器重要組成部分，翅片的高效自動化生產對企業降低成本、提高競爭力有著重要意義[2]?？照{翅片生產工藝過程較復雜，大多采用多工位級進模由沖床提供動力沖壓而成。

沖床屬于點位控制機床，在中間行程中不進行加工。大多情形下加工的產品單一，模具無需經常更換，所以在傳統的沖床中一般采用繼電器控制，送料一般采用手工送料，但這種方式存在著效率低、速度慢、精度不能保證和安全隱患等方面的問題[3]。

隨著國內、國際市場競爭日趨激烈，尤其是隨著工業技術的迅速發展，沖壓制件外形越來越復雜、工藝要求越來越高，傳統的沖床已經不能滿足需求，數控沖床應運而生[4]。輔助機構是實現沖床自動化工作的重要保障。輔助機構的自動化程度高低，直接影響著沖壓生產效率、生產節拍以及沖壓生產整體自動化水平，只有輔助機構的自動化程度和沖床相匹配，才能實現沖壓生產的完全自動化[5]。

根據鋁箔材料特性和數控沖床沖壓翅片的特點，本文設計一款適用于沖壓翅片的精密高速伺服數控沖床的輔助機構，以實現鋁箔的自動取送料、翅片的集料和碼垛，從而實現沖床沖壓自動化。

1 沖床輔助機構整體設計

1.1 沖床輔助機構整體設計

數控沖床自動化的目標就是盡可能的減少人的直接參與，盡最大限度地降低操作人員的勞動強度。沖壓自動化主要包括材料供給、制品及廢料的排出、模具更換、沖床的調整與運行、沖壓過程異常狀況的監視等作業過程的自動化[6]。本文設計的輔助機構主要實現鋁箔材料的供給、沖壓、翅片成品的排出及收集等過程的自動化。

沖壓翅片所用的鋁箔最初是并未展開的卷狀材料，而沖床上的多工位級進模沖壓需要展開的鋁箔，在整個沖床系統開始的地方需要一道開卷工序。

為了能夠提高翅片沖壓質量及有效保護模具，在鋁箔進入沖床進行沖壓之前需要涂上潤滑油[7],所以在開料工序之后、沖壓工序之前需要一個浸油工序。

在翅片的生產過程中，鋁箔帶料的輸送是必不可少的工序。在高速精密級進模具的沖壓中，帶料一般都是由送料機構送進沖壓區進行沖壓。雖然送料機構送料使用方便、調節迅速[8]，但是本文設計的輔助機構所要輸送的鋁箔進入沖床之前需要涂上潤滑油，潤滑油的吸附作用會使鋁箔和模具的凹模面產生粘連現象，而且該鋁箔很薄（厚度為0.095～0.12 mm）且較軟，致使鋁箔本身的剛度不能克服潤滑油產生的吸附力和鋁箔與模具凹模面之間產生的摩擦力，從而不能使鋁箔保持平整狀態，鋁箔會產生波浪形彎曲而導致發生亂料現象，那么就不能進行正常的沖壓，所以不能在翅片沖壓輸送鋁箔時采用送料裝置送料的方式，而要采用拉料的方式，所以本文設計的沖床需要在沖壓工序后有拉料工序來實現鋁箔帶料的輸送。

在鋁箔帶料的料頭一端開始進入沖床進行沖壓時，鋁箔還未到達拉料裝置的位置從而拉料機構不能夠進行拉料工作，此時的送料動力和送料步距需由專門的送料裝置提供和控制，即在沖壓工序前還需要一道送料的工序把鋁箔送進沖壓區進行沖壓。為了防止鋁箔由于和模具粘連而發生亂料現象，操作人員需要在送料裝置每次送料的間歇期間用一根撥料桿把鋁箔挑起而防止鋁箔和模具發生粘連。當送料裝置把鋁箔的料頭送到拉料裝置時，送料裝置不再工作，操作人員此后無需撥料，而拉料裝置則開始工作。

翅片從多工位級進模沖壓出來后為了便于后續的脹管工藝還需要按照換熱管中翅片的排列方式收集碼垛，即最后還需要集料工序完成翅片制件的生產。本文設計一款吸附裝置首先把翅片吸附起來，隨后再使吸附起來的翅片落入位于正下方的集料裝置上實現翅片的收集和碼垛。

由上述分析可知，翅片從最初的卷狀鋁箔至翅片制件的完成，需要經過開卷、浸油、送料、沖壓、拉料、吸附和集料工序。為了完成這些工序，需要相應的裝置來實現。基于翅片生產的整個工藝流程，初步擬定把輔助機構分為6個部分：開卷裝置、浸油裝置、初始送料裝置、拉料裝置、吸附裝置和集料裝置（如圖1所示）。

圖1 空調翅片沖壓沖床整體示意圖

1.2 沖床輔助機構的主要參數

合理地選擇沖床輔助機構的工作參數能夠在保證整個沖床正常工作的同時減少能耗、節約成本。根據沖床中的多工位級進模所能沖壓的帶料尺寸選用的鋁箔卷料寬度為1 250 mm、直徑為1 500 mm；根據所要生產的換熱器尺寸設計吸附裝置的吸料長度為1 100 mm，而集料裝置的集料高度為900 mm。沖床輔助機構的主要參數如表1所示。

表1 數控沖床輔助機構的技術參數 mm

2 開卷、浸油和送料裝置的設計

2.1 開卷裝置設計

開卷設備大致有三種：懸臂式開卷機、雙圓柱頭式開卷機和雙錐頭式開卷機。其中懸臂式開卷機具有剛性大，開卷張力大等優點，適用于較薄帶材的開卷[9]。本文設計一種類懸臂梁開卷機（如圖2所示）。裝料軸一端通過軸承座固定在開卷機架上，相當于懸臂梁固定的一端。而其另一端為了方便鋁箔卷料安裝時進出由活動支架支撐。

圖2 開卷裝置

為了防止鋁箔卷料在裝料軸上打滑和松動而造成在卷料慣性轉矩下的鋁箔堆積和卷料偏離中心情況的發生，卷料和裝料軸之間需要有一定的開卷張力。開卷張力的形成主要由三種方式：機械式、磁粉制動器式和直流拖動式[9]。機械式的特點是結構簡單，出故障后便于維修；磁粉制動器式可以通過調整激磁電流來調節張力大小，易于實現自動控制，但是最大張力受制于制動器最大力矩；直流拖動式一般用于大中型帶材的情況。本文所要開卷的鋁箔卷料直徑為1 500 mm，而寬度為1 250 mm，為了機構更加精簡，所以設計通過機械式結構產生開卷張力的裝料軸（如圖2所示）。通過轉動手輪帶動芯桿轉動，芯桿的轉動會使和芯桿以螺紋連接的伸縮套在軸向移動，而脹條和伸縮套通過楔形卡塊連接，從而伸縮套的軸向移動會使脹條產生徑向移動，隨著脹條往外移動并且和鋁箔卷料內壁接觸，則開卷張力隨之產生。在開卷過程中，當拉料滾筒停止拉料時，為了防止裝料軸繼續轉動而造成鋁箔材料過多堆積，設計一個通過氣缸推桿夾緊剎車盤來使裝料軸止動的剎車機構使裝料軸能夠隨時停止轉動。

鋁箔從相互緊靠的主動拉料滾筒和從動拉料滾筒之間穿過，在由減速電機驅動滾筒的牽引下自動開卷（如圖2所示）。該滾筒的轉動是連續的，而多工位級進模沖壓翅片是間歇性的，滾筒的轉動和翅片在級進模之間的移動并不同步。如果拉料滾筒轉速過大，會使鋁箔在開卷裝置和沖床之間堆積過多；如果拉料滾筒轉速過小，則會使鋁箔因不能滿足模具進料的需求被拉扯繃直而容易斷裂。本文在開卷裝置和浸油裝置之間設計一個鋁箔傳感器檢測裝置（如圖1所示），當位于開卷裝置和浸油裝置之間的鋁箔高度高于一定值時，滾筒轉動開卷放料；當鋁箔高度低于一定值時，滾筒停止轉動，從而保證在開料裝置和浸油裝置之間始終保持有一定的鋁箔材料。

2.2 浸油裝置的設計

浸油裝置的作用就是讓鋁箔能夠涂上潤滑油，壓油輥的作用就是把鋁箔壓入油面以下以便讓鋁箔沾上油料（如圖3所示）。但鋁箔沾上了過多的油料會增加鋁箔和模具凹模面之間的吸附作用而不利于鋁箔的輸送，且過多的油料也會造成生產上的浪費，所以設計一個濾油毛氈把鋁箔多余的油料刮掉。由于鋁箔較軟，很容易和四周接觸產生摩擦而被刮花，所以設計前段壓輥、壓桿和中部導向壓輥來給鋁箔提供導向作用，防止鋁箔和四周發生接觸摩擦。

圖3 浸油和送料裝置

2.3 初始送料裝置的設計

2.3.1 初始送料裝置結構設計

在沖壓翅片最初的階段，鋁箔料頭的一端還未到達拉料裝置的時候，如果沒有初始送料裝置，鋁箔的移動要靠操作人員親自用手深入模具里進行拉扯完成，增加操作人員的危險系數。為了增加在開始沖壓時人工操作的安全系數，本文所設計的初始送料裝置使得鋁箔在沖壓的開始階段能夠按一定的沖壓步距送料。

送料裝置的機構形式主要有5種，分別是鉤式送料裝置、凸輪鉗式送料裝置、杠桿送料裝置、夾持送料裝置和輥軸送料裝置。鉤式適用于帶孔一類的材料，而凸輪鉗式、杠桿式則需要所送材料具有一定厚度[10]。本文要沖壓的是很薄的帶式鋁箔，采用輥軸送料裝置（如圖3所示）。

鋁箔從兩個輥軸間穿過，上面的輥軸為從動輪，其兩端分別有氣缸控制上下的位置。當壓輥氣缸推桿往下推出時，主動輥軸、從動輥軸分別和鋁箔有了沿徑向的排斥力。位于下端的主動輥軸為了實現定長送料選用伺服電機直接驅動，當其轉動時輥軸和鋁箔間產生的摩擦力牽引鋁箔向前運動。

2.3.2 初始送料裝置送料精度分析

由于多工位級進模沖壓翅片時是間歇性的，則鋁箔的移動也是間歇運動，那么要求初始送料時送料輥軸的轉動也是間歇性的。設送料輥軸的轉角為φ，送料輥軸半徑為R，則每次送料的步距為S=R·φ，公式兩邊取微分則有△S=△R·φ+ R·△φ。由于鋁箔與輥軸之間以摩擦力傳動，二者間有可能發生相對滑動，設滑動量為△V，則送料的步距誤差為△=△S+△V=△R·φ+R·△φ+△V=△R+△φ+△V[11]。式中：△R為送料輥軸半徑變化引起的送料步距誤差，由輥軸制造與裝配誤差造成；△φ為送料輥軸轉角變化引起的步距誤差，主要由于送料輥軸啟動和停止時由于機構慣性造成的；△V為送料輥軸與條料間相對滑動引起的步距誤差，主要由于輥軸和鋁箔之間摩擦系數不夠大、輥軸間的壓力太小造成。

所以本文通過提高輥軸的制造與安裝精度、將輥軸設計成空心結構以減少滾輪的轉動慣量、在不刮花鋁箔表面的情況下提高輥軸表面粗糙度和適當增加輥軸間的壓力這些措施來提高初始送料裝置的送料精度。

3 拉料、吸附和集料裝置設計

3.1 拉料裝置的設計

沖床拉料機構根據拉料動力的不同可分為氣動、液壓和機械三大類。氣動送料機構采用壓差式氣動原理工作，但機構工作噪聲較大、影響沖壓工作環境。液壓送料機構反應較緩慢，液壓缸自身不能準確定位，還需要其它機構輔助定位。機械送料機構具有送料準確可靠、機構沖擊與振動少、噪聲低和穩定性好等優點[12]，本文設計的輔助機構所適用的精密高速伺服數控沖床對翅片的送料精度、送料速度和工作環境有較高要求，所以本文采用機械式拉料機構。

沖床可以根據實際生產需要在不同的主軸轉速下沖壓翅片，當沖床完成一次沖壓后，拉料機構需要把翅片往前拉一段相應的位移，所以拉料機構的拉料節拍需要和翅片的沖壓節拍同步。本文設計的沖床適用于4步進的多工位級進模，則要求拉料機構的電機在轉動一周時模具拉料移動條的拉料行程為4個翅片孔距的大小（如圖4所示）。當翅片需要在非4倍孔距長度地方切斷的時候，模具拉料移動條在上一個拉料行程結束時直接回程到剩余需要拉動的翅片孔處，此回程過程中電機的轉動方向和拉4個孔距時的轉向一致，但只需轉動一個小于一周的轉角；隨后模具拉料移動條需往前拉料直到拉料行程結束的地方，此時電機的轉向和回程時相反，但是轉動角度的大小一樣。在整個拉料的過程中，要求電機能夠快速的改變轉向和轉速的大小，所以需要采用伺服電機。

為了避免傳動鏈過長帶來的傳動滯后，拉料伺服電機的主軸直接和偏心輪連桿連接（如圖4所示），通過擺臂和抱緊夾使連接軸轉動，連接軸的轉動通過擺桿和連桿轉變為模具拉料移動條的直線運動而最終實現翅片向前移動的動作。

圖4 拉料裝置

拉料機構每次使翅片前進的距離為拉料步距，該步距大小除了和每次拉料的步進數有關外，還取決于翅片的孔距大小。而不同空調的換熱器翅片不同，為了使沖床能夠適應不同的翅片的沖壓，在擺臂上設計長孔來實現抱緊夾在擺臂上的位置調節（如圖4所示），不同的位置對應不同的擺臂有效長度，而擺臂有效長度的改變會使連接軸的最大轉角發生變化，不同的最大連接軸轉角對應不同的模具拉料移動條的行程（即拉料步距），從而實現拉料步距的調節。

3.2 吸附和集料裝置的設計

鋁箔沖壓完經過拉料和切斷后就成為了片狀的翅片。翅片和銅管要組成空調換熱器還需最后的脹接工藝，而脹接前需要把翅片按照空調換熱器的形狀碼垛起來。而要碼垛成換熱器所需形狀，則需翅片每次在同一高度地方懸空停留后落入接料架而堆疊起來。吸附裝置的作用就是確保翅片能懸空停留，并且隨后落下。

目前，吸附工件的方法主要有磁性、靜電和壓差吸附的方法[13]。翅片為抗磁性金屬材料且質量很小，難以用磁性或靜電吸附的方法，所以本文設計一個靠壓差吸附的方法的吸附裝置（如圖5所示）。通過拉料機構使翅片進入吸附板而翅片翻邊孔部分則嵌入吸附板的凹槽內（如圖6所示）。吹風電機使吸附裝置內腔口部的空氣流速增加，則內腔的空氣壓強低于外界大氣壓。吸附板的吸口聯通腔內和外界空氣，而翅片兩長直邊的邊緣部分堵住吸附板的吸口，從而外界和內腔的氣壓差使得翅片獲得吸附力。當擺門打開時，內腔和外界不存在氣壓差而使翅片在自身重力的作用下落入位于其下方的集料裝置的集料針上（如圖7所示）。當沖床的沖壓速度很快時，這時僅僅依靠翅片的自由落體不能滿足生產速度的要求，所以設計吸附板和氣缸相連，在擺門打開的同時氣缸直接把吸附板往下壓料，使翅片更快的落入下面的集料針上。

圖5 吸附裝置

圖6 吸附板

為了便于集好料的翅片的裝卸，把集料裝置設計成可以拉出小車的形式（如圖7所示）。該集料小車通過集料架的上下移動控制集料的高度。當一部小車集滿后，通過底部液壓缸把另一部尚未集料的小車移入集料的工位從而實現自動換車集料。

圖7 集料裝置

4 結論

為了實現沖床高速沖壓的自動化，設計一款適用于沖壓翅片的精密高速伺服數控沖床的輔助機構，結論如下。

（1）開卷裝置采用類懸臂梁結構，通過楔形卡塊、伸縮套和脹條組成的機械式結構產生開卷張力；設計出減速電機驅動的雙滾筒拉料裝置來提供開卷牽引力，通過傳感器檢測鋁箔的高度調節電機的轉速。

（2）設計出能夠讓鋁箔涂上油料和把多余油料濾掉的浸油裝置。

（3）設計出由伺服電機驅動、壓輥氣缸提供壓料力的雙輥軸送料裝置；計算分析影響送料精度的因素，通過提高輥軸制造和安裝精度、適當提高輥軸表面粗糙度和設計空心輥軸來提高送料精度。

（4）設計出通過伺服電機驅動的拉料機構，采用通過改變抱緊夾在擺桿位置來調節擺桿有效長度的結構實現拉料距離的改變。

（5）采用壓差法設計出翅片吸附裝置，通過氣缸連接控制吸附板來加快翅片落料速度；設計出小車形式的接料裝置，通過底部液壓缸實現自動換車集料。金加工技術，2011（05）：55-57.

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Auxiliary Mechanism Design of Precise High-Speed Servo CNC Punching Press Used for Air Conditioner Fin

LONG Xiao-bin1，LI Zhi-wei2，XIA Qin-xiang2，LONG Chuan1
（1.Zhongshan OMS Industrial Co.，Ltd，Zhongshan528455，China；2.School of Mechanical&Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510641，China）

A set of servo CNC punching press was designed to realize the precise high-speed automotive stamping of the air conditioner fin.The design of the overall structure of the auxiliary mechanism and the devices of the decoiling,the oil-immersion,feeding,pulling, adsorption and collecting were mainly introduced.The decoiling device combined of reduction motor,decoiling rollers and loading shaft was designed based on the analysis of the feature of the cantilever structure and the forming feature of decoiling tension;the oil-immersion device combined of rollers and felt was designed to meet the requirements of oiling of aluminium foil and removal of excess oil;the feeding device combined of hollow shaft,servo motor and cylinder was designed based on the feeding accuracy analysis of rollers to meet the requirement of feeding aluminium foil at the beginning of stamping process;the pulling device with the adjustable pulling step facility was designed to meet the requirement of different fins'stamping and avoid the feeding resistant due to adhesion caused by oiling;the adsorption and collecting devices used for adsorbing and collecting the stamped fins were designed,according to the differential pressure adsorption principle and the shape characteristics of the fin and heat exchanger.

Precise high-speed；servo;auxiliary mechanism；air conditioner fin；CNC punching press

TG659

A

1009－9492(2014)05－0018－06

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.004

龍曉斌，男，1968年生，湖南桂陽人，大學本科，工程師。研究領域：機電一體化。已發表論文2篇。

(編輯：阮 毅)

*廣東省教育部產學研結合重點項目（編號：2012B091000128）

2014－03－28