佘 健，夏 鵬，王志惠

（江蘇揚力數(shù)控機床有限公司，江蘇 揚州225127）

0 引言

數(shù)控剪板機作為金屬板材加工的基礎設備，在汽車、機械、五金、家電等諸多領域都有廣泛應用。剪板機在剪切過程中，首先板材從剪板機的前方送料區(qū)域水平送入上、下刀口之間，當板材的前端接觸到由伺服電機驅(qū)動的后擋料部件后板材定位動作結(jié)束，壓料氣缸動作將板材壓緊，滑塊向下運動，上下刀口重合、交錯完成板材的剪切動作。剪板機托料機構主要作用是，當板材定位時，通過對板材的有效支撐，能夠防止板材因自重產(chǎn)生下垂變形，進而減小自重變形引起的定位誤差。在實際應用中，剪板機的托料機構對剪切精度有很大影響。

目前，剪板機的托料機構基本上采用非整體擺臂式結(jié)構[1]，這種結(jié)構具有結(jié)構簡單、輕巧、成本低、易于安裝調(diào)整、動作響應迅速等諸多優(yōu)點，應用范圍較廣，但存在如下不足：①當剪切的工件呈細長條型時，由于托料架間存在的機械間隙，極容易出現(xiàn)漏料問題，漏掉的工件容易將機構卡死，引發(fā)機械故障和安全事故；②托料架的前端與下刀口間的距離較大，一般間距在250mm～300mm 范圍內(nèi)，當剪切工件的長度較小時，托料機構無法對板材提供有效支撐，板料下垂影響剪切精度，當剪切薄板時問題尤為嚴重；③機構動作為單一的擺動動作，動作速度快、沖擊大，剪切下來的工件容易出現(xiàn)磕碰和撞擊，會對工件表面造成難以修補的損傷。

針對上述問題，本文創(chuàng)新性地設計了一種整體式托料機構，并運用數(shù)值仿真方法對其運動規(guī)律進行了仿真。該技術方案具有結(jié)構簡單、成本低廉、可有效支撐小尺寸板材、支撐平穩(wěn)等諸多優(yōu)點。本文可為數(shù)控剪板機技術改進及新機型研發(fā)提供參考。

1 機構設計及動作原理

如圖1 所示，該托料機構可以分解為升降機構和翻轉(zhuǎn)機構，其中升降機構主要由連桿1、支架2、連桿3 和升降氣缸等部件組成，翻轉(zhuǎn)機構主要由翻轉(zhuǎn)氣缸和整體式托料架兩部件組成。連桿1 和連桿3等長平行設置，左端分別與機架鉸接，右端分別與支架中間和下端進行鉸接，升降氣缸的缸體的端部在左側(cè)與機身鉸接，活塞桿的端部與支架的右側(cè)中部進行鉸接；整體式托料架在靠近左端的位置與支架的上部鉸接，翻轉(zhuǎn)氣缸的活塞桿的端部與托料架在靠近右端的位置鉸接，缸體的端部與支架右側(cè)下部鉸接。

圖1 機構原理圖

如圖2 所示，當機構完全升起至上極限位置時，整體式托料架的上表面與下刀口的上表面平齊，且整體式托料架的前端與下刀口間留有較小的距離d1，板材從剪板機的前部送料區(qū)域送至上、下刀口之間，經(jīng)過整體式托料架的支撐后，板材前端與后擋料接觸實現(xiàn)精確定位。

圖2 機構在上極限位置的結(jié)構示意圖

當板材精確定位后，升降氣缸動作帶動由連桿1、連桿3、支架所構成的平行四邊形機構動作，支架、翻轉(zhuǎn)汽缸以及整體式托料架作為一個整體實現(xiàn)向下的平動至下極限位置，此時整體式托料架前部與下刀口間的距離d2小于或者等于在上極限位置時的距離d1。機構的下降動作完成后，滑塊帶動上刀口向下運動，上下刀口重合、交錯，實現(xiàn)板材的剪切動作，此時板材被切分為9A 和9B 兩個部分，如圖3 所示。板材的剪切動作完成后，翻轉(zhuǎn)汽缸動作，帶動整體式托料架繞左端的鉸接點翻轉(zhuǎn)，剪切下來的板材9B（工件）沿著整體式托料架上表面滑至工件收集區(qū)，如圖4 所示。

2 基于數(shù)值仿真的運動學仿真

本文設計的數(shù)控剪板機整體式托料機構以平面多連桿機構為基礎，機構的速度、加速度、驅(qū)動力以及慣量等參數(shù)對機構工作效率以及承載力都具有重要影響，這些參數(shù)是否匹配合理，對系統(tǒng)性能具有決定性的影響。傳統(tǒng)方法對上述參數(shù)及其在不同位置的變化情況進行直觀、定量分析有很大困難，而采用數(shù)值仿真的方法則可以輕松應付此類問題。

圖3 機構在下極限位置意圖

圖4 機構翻轉(zhuǎn)動作示意圖

建立的運動學模型及施加的約束條件如圖5 所示，本文對升降氣缸和翻轉(zhuǎn)氣缸在最大推力作用下的升降、翻轉(zhuǎn)動作進行了運動學仿真，獲得了相應的速度曲線和加速度曲線，仿真結(jié)果如6-9 所示。

圖5 運動學分析模型升降動作時整體式托料架重心位置的速度、加速度曲線分別如圖6、7 所示。由圖可知，升降動作在0.21s 內(nèi)完成，重心速度在0～0.16s 范圍內(nèi)呈非線性增加，0.16s 處的最高速度約為1400mm/s，0.16s～0.21s 范圍內(nèi)重心速度呈非線性減小；0～0.16s 范圍內(nèi)重心的加速度為正值，最大加速度為11000mm/s2，整體式托料加上升動作呈加速趨勢，0.16s～0.21s 范圍內(nèi)重心加速度為負值并逐漸減小，最小加速度為-9000mm/s2，整體式托料架上升動作呈減速趨勢。

圖5 運動學模型

圖6 升降動作時整體式托料架重心位置速度曲線

圖7 升降動作時整體式托料架重心位置加速度曲線

圖8 翻轉(zhuǎn)動作時整體式托料架重心位置速度曲線

圖9 翻轉(zhuǎn)動作時整體式托料架重心位置加速度曲線

由圖可知，翻轉(zhuǎn)動作在0.175s 內(nèi)完成，在整個翻轉(zhuǎn)過程中，重心的速度呈非線性增加趨勢，最大速度為1650mm/s，重心加速度為正值并呈非線性減小趨勢，加速度由11300mm/s2減小至3600mm/s2。

本文在計算機虛擬環(huán)境下采用數(shù)值仿真的方法對升降氣缸、翻轉(zhuǎn)氣缸最大推力作用下的升降動作和翻轉(zhuǎn)動作進行了運動學仿真，獲得了整體式托料架重心位置的速度和加速度曲線，為后續(xù)的結(jié)構設計、驅(qū)動參數(shù)的調(diào)整等工作提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

3 結(jié)論及展望

本文創(chuàng)新性地設計了一種數(shù)控剪板機整體式托料機構，較為詳細地介紹了其機構構成、工作原理，并運用數(shù)值仿真的方法對其進行了運動學仿真，該技術方案具有如下特點：

（1）采用簡單的平面多連桿機構即可實現(xiàn)升降和翻轉(zhuǎn)兩個動作，機構簡單、緊湊，易于制造、裝配，采用普通氣缸作為動力源，成本低廉。

（2）托料架為整體式，徹底解決了現(xiàn)有技術在剪切細長條零件時的漏料問題，提高了設備運行的安全性和可靠性。

（3）與現(xiàn)有技術相比，整體式托料架前端與下刀口間距離很小，當剪切小尺寸板材時仍然可以對板材進行有效支撐，提升了設備的剪切精度。

（4）將機構的動作分解為升降和翻轉(zhuǎn)兩個動作，動作過程與現(xiàn)有技術相比更加平穩(wěn)柔和，解決了零件表面的磕碰和撞擊問題，這一特性尤其適用于對零件表面質(zhì)量要求較高的汽車、家電等行業(yè)。

[1]江蘇國力鍛壓機床有限公司.一種剪板機氣動托料裝置：CN2815568YD[P]，2006-09-16.

[2]楊欣昌，楊方元，翟迪健.擺式剪板機刀架設計計算[J].鍛壓裝備與制造技術，2013，48（1）：46-49.

[3]馬 冰，莊 峰，晁志剛，等.滾切式剪板機剪切過程有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術，2013，48（5）：66-67.

[4]王金榮，黃 兵，龔俊杰，等.基于測試技術的閘式剪板機有限元分析[J].鍛壓裝備與制造技術.2013，48（5）：49-52.

[5]王成國，孫 翔.剪板機的一種帶回傳功能的復合型后托料裝置[J].鍛壓裝備與制造技術，2012，47（4）：23-24.