新型全自動卷板機的結構設計

張新棋，李廣，高銀波，董傳杰，王磊

（北京長征火箭裝備科技有限公司，北京 100076）

0 引言

隨著社會發展，人們的生活水平不斷提高，家電產品已經成為各家各戶的必需品。為滿足市場需求，提高家電產品的生產效率、優化家電產品的外形設計已經成為各家電廠商不斷追求的目標。熱水器作為家電產品的一種，其生產制造已經形成成熟的生產線，其中熱水器外殼的卷圓過程通常由卷板機完成。傳統的卷板機主要為三輥或四輥卷板機，三輥卷板機[1-3]結構簡單，利用3個輥輪對板料進行連續的三點彎曲卷制成弧體，下輥為主動輥做旋轉運動，上輥做垂直升降運動，其工作原理如圖1（a）所示。而四輥卷板機[4-5]則是以上輥為主動輥，下輥為板料提供向上的力，與上輥一起夾緊板料，從而使得被卷板料與上輥間產生足夠的摩擦力，兩個側輥用以形成圓筒所需的曲率，其工作原理如圖1（b）所示。采用四輥卷板結構可以免去端部預彎的工序，但與三輥卷板機相同的是在卷圓之后還需對板料的首尾端進行焊合。

圖1 傳統卷板機工作原理示意圖

對于現代化的熱水器外殼生產線來說，傳統的卷板機卷制過程需要人工輔助操作，自動化程度差、卷圓半徑不可柔性變化，卷制之后板料產生回彈并且還需進一步加工處理以使板料首尾兩端閉合，使得生產節拍遠遠低于市場需求。

針對以上現狀，本文設計了一種新型全自動卷板機，其可根據需求柔性化卷制出不同直徑的圓筒，并利用液壓系統將板料首尾兩端邊搭扣壓合。卷板機全部動作經由PLC控制，保證了板料卷制的精度和可靠性。本文還研究計算了側臂支撐組件對旋轉主軸撓度的補償值，并通過樣機實驗驗證了其卷圓效果。

1 卷板機工作原理

基于自動化工作流程的需要，卷板機主要分為5個部分：基座組件、行走架組件、旋轉主軸組件、壓刀組件及側臂支撐組件。全自動卷板機工作原理為：使用真空吸盤將平板板料前后兩端分別吸附住，其中安裝在旋轉主軸組件上的一組真空吸盤吸附住板料前端邊，并帶動板料的前端邊做旋轉運動，與此同時安裝在行走架組件上的另一組真空吸盤吸附住板料后端邊，并帶動板料的后端邊做直線運動，當板料前端邊逆時針旋轉接近360°時，板料后端邊前進至板料前端邊附近，再利用真空吸盤的傾斜動作及壓刀組件將板料前后兩端邊搭扣壓合，完成卷圓過程。經模擬計算，卷板機完成卷圓的必要條件是，板料前后兩端邊需要在前序工位中分別被折出圖2中所示彎邊才能在卷板機中被順利搭扣壓合。

圖2 板料折邊示意圖

2 卷板機配置參數

卷板機作為熱水器外殼生產線中的一個工位，其主要根據生產線要求的生產節拍等參數進行設計。以某條生產線為例，板料參數示意圖如圖3所示，本文所設計的卷板機要求參數 如 下：1）輸出產品（筒體）尺寸：筒體直徑為400 mm、430 mm、460 mm，筒體長度（板料寬度）為500～1200 mm，板料厚度為0.4～0.5 mm；2）生產節拍：15 s/件。

圖3 板料參數示意圖

3 卷板機的結構設計

首先，對卷板機進行系統化的功能分析與分解，然后針對各組件的功能進行結構設計，并采用自上而下的設計方法對卷板機進行虛擬裝配。

3.1 基座組件結構設計

基座組件結構如圖4所示，基座組件由C形基座、左側支撐臂、右側支撐臂及齒形帶輪組件組成，C形基座由鋼板焊接而成，為整個卷板機提供支撐，其左右兩側分別伸出支撐臂，支撐臂上安裝有用于傳遞輸出動力的齒形帶輪組件，其側面安裝有用于行走架組件沿其做直線運動的導軌。

圖4 基座組件結構示意圖

在支撐臂的對側，還設計有同樣用于行走架組件沿其做直線運動的普通鋼條及其安裝座。在C形基座上，油缸安裝板用于安裝壓刀組件，側臂安裝板用于安裝側臂支撐組件。整個卷板機的動力來源—用于為旋轉主軸輸送動力的電動機安裝在C形基座的后側，用于為行走架組件提供動力的電動機安裝在齒形帶輪組件上。C形基座的設計不僅滿足了整個卷板機主體框架的功能，還為行走架組件的運動、行走架組件與旋轉主軸動作的配合，以及壓刀下壓等動作提供了合理的空間。

3.2 行走架組件結構設計

行走架組件的主要功能是帶動吸附住的板料沿基座組件上的導軌做直線運動，并在后期壓合時使板料扣合得更好。為完成此功能，行走架組件上共有前后兩排吸盤，吸盤的升降由氣缸控制，固定側吸盤用于吸附板料的前端邊，傾斜側吸盤用于吸附板料的后端邊，傾斜側吸盤的設置在于更好地完成板料最后的搭扣動作。當所需卷圓直徑D不同時，板料長度L隨之變化，L=3.14D+u，其中u為板料前后兩端折邊總長度。因此，行走架組件上安裝有雙行程氣缸，用以滿足400 mm、430 mm、460 mm三種不同直徑的卷圓需求。

行走架組件右側的移動副采用導軌滑塊形式，行走架組件左側的移動副采用隨動輪與普通鋼條相配合的形式，這種安裝形式可以消除一定的加工誤差和安裝誤差，使得行走架在運動時左右兩側保持運行平穩。行走架組件上安裝有齒形帶壓板組件，使用同步帶傳動形式帶動整個行走架組件沿導軌做直線運動。

圖5 行走架組件俯視圖

3.3 旋轉主軸組件結構設計

旋轉主軸組件的主要功能是利用安裝在主軸上的吸盤吸附住板料的前端邊，并帶動板料的前端邊進行逆時針旋轉運動。旋轉主軸組件主要由小主軸、中心主軸、吸盤、吸盤安裝座、氣缸、壓合模具、支撐套筒等組成。

旋轉主軸組件主體結構為焊接件，其中小主軸通過脹套固定在主軸電動機內，為保證同軸度，中心主軸與小主軸通過螺釘與鍵聯接。中心主軸上安裝有壓合模具，板料在壓合模具內被壓刀壓合成型；中心主軸上還安裝有可升降吸盤，吸盤安裝座的升降通過氣缸控制。當行走架組件帶動板料的前端邊運動到中心主軸處的正上方時，此時吸盤處于原始豎直向上的位置，其與固定側吸盤進行動作交接，繼續從內側吸附住板料的前端邊，并帶動板料進行逆時針旋轉運動至一定角度，當完成一次搭扣壓合后，旋轉主軸組件順時針旋轉復位至初始位置。

圖6 旋轉主軸組件結構示意圖

3.4 壓刀組件結構設計

壓刀組件的主要工能是在油缸的作用下向下伸出，將搭扣好的板料壓合在壓合模具內。因此，壓刀組件主要由壓刀座、壓刀、油缸、油缸導柱等組成，其中壓刀座減重設計，壓刀材料選用Cr12MoV。壓刀座上安裝有油缸連接座和導柱連接座，油缸及其導柱均通過連接座與壓刀座連接。

3.5 側臂支撐組件結構設計

由于卷板機卷制出的筒體長度最長達到1200 mm，且為保證壓合效果，本卷板機采用2個125油缸、1個80油缸帶動壓刀下壓，中心主軸在壓刀下壓狀態時，受到極大的彎曲應力。長時間工作在這種狀態下，中心主軸可能因撓度過大而損壞。因此，需要對旋轉主軸組件在懸臂端進行支撐設計，改善中心主軸的受力情況。下面對中心主軸進行受力分析，并根據分析結果進行側臂支撐組件結構設計。

中心主軸在壓刀下壓時停止旋轉運動，因此，可以簡化為一等截面懸臂梁，梁的長度為l，抗彎剛度EI為一常量，壓刀對中心主軸的力可視為一均布載荷q，其受力模型如圖8（a）所示。

可得到梁的彎矩方程為

圖7 壓刀組件結構示意圖

圖8 簡化梁受力分析圖

建立梁的撓曲線微分方程并積分：

積分一次得

積分兩次得

通常，可通過減小梁的長度、增大梁的截面慣性矩等方法改善梁的受力情況，提高梁的強度，考慮到卷板機的實際加工制造情況，在本設計中考慮通過改變中心主軸懸臂端的支撐形式達到上述目的。

因此設計一側臂支撐組件，如圖9所示，側臂支撐組件通過油缸控制，油缸通過連接座安裝在C形基座的側臂安裝板上，側臂安裝板上還裝有軸承，使得側臂可以在油缸頭的帶動下，以軸承為圓心旋轉。當卷板機開始工作時，油缸伸出，帶動側臂向下順時針旋轉到位，安裝在側臂上的支撐軸在小油缸的作用下伸出，探入到旋轉主軸組件中的支撐套筒內，為中心主軸的懸臂端提供了一限制其豎直運動的可動鉸支座。此時，再次對中心主軸進行受力分析，力學模型如圖8（b）所示。

圖9 新型卷板機結構示意圖

可動鉸支座為懸臂端提供一力FB，由平衡方程∑MB=0并應用疊加法可知：

將梁只受單一載荷時的撓度表達式代入后可得：

于是可得到梁的彎矩方程為

建立梁的撓曲線微分方程并積分：

積分一次得

積分兩次得

根據邊界條件θA=wA=0，可得C=D=0。

3.6 新型卷板機整體結構

經過上述子功能結構的構思與設計，運用虛擬裝配原理在SolidWorks中將其集成設計成新型全自動卷板機的整體結構，如圖9所示。

4 結論

新型全自動卷板機實現了板料從平板狀態被直接卷制成不同直徑筒體的自動化加工，避免了板料回彈對卷圓精度的影響。卷板機整體結構緊湊，全部動作采用PLC控制完成，卷圓直徑精確可控，且可以柔性化換型，滿足多種生產需求，對于相關家電生產企業降低人力成本、提高生產質量和效率具備一定的現實意義和實際應用價值。