采用電機絲桿傳動的門扇包邊機設計

薛龍海 陳 峰

(上海海事大學物流工程學院，上海 201306)

隨著汽車、高鐵產業(yè)的蓬勃發(fā)展，生產規(guī)模不斷的擴大，急需對以前制造汽車(包括各種地鐵高鐵)車身時所采用的一些車門包邊方法做出改進或者創(chuàng)新。

所謂包邊［1］，即將外板折邊后包住內板，使之聯(lián)成一體，以提高車門的強度和剛度。完成此項工藝的手段有手工包邊、復合模具包邊以及采用專機進行包邊。地鐵列車所用的塞拉門門扇是由鋁合金板通過焊接或者包邊內外壓邊等方式完成的。外包邊由于操作空間大在翻邊時比較容易解決，可以通過機器或者人工的方式完成，但是內包邊由于受到操作空間的限制，包邊后再翻邊就比較困難，通過人工方式翻邊費時費力，質量難以保證。所以急切需要開發(fā)一種能夠代替人工完成內外包邊加工的包邊機器，而現(xiàn)在市場上可供選擇的這種包邊機的產品很少，本文提出了一種基于電機絲桿傳動的包邊機設計方案并且進行了相關設計驗證。

1 門扇包邊機的方案設計

1.1 功能原理選擇

功能要求:將門板蒙皮內外包邊(已折成90°)可靠、均勻、無褶皺的包裹在門板邊沿，形成帶蒙皮的門板產品從而替代現(xiàn)在的內蒙皮手工包邊操作，避免人為因素對產品質量的影響，增強產品質量的穩(wěn)定性，提高勞動生產率。

原理方案:基于包邊形變原理與工藝過程兩個主要因素的考慮，包邊機的總體方案是漸進式沖折+滾壓包邊的方案。

方案描述:(漸進)沖折滾壓包邊方案，考慮將仿人工“敲擊折彎+滾壓成型”的操作，主機上設有“敲擊折彎”工作頭和滾輪組，固定(壓緊的方式)在包邊機工作臺上的帶包邊的門板隨工作臺進給，實現(xiàn)門板的包邊作業(yè)。

工作臺具有一個橫向移動自由度和一個水平軸旋轉自由度，可以帶動門板實現(xiàn)一個方向的移動和一個方向的旋轉運動，以適應門板單邊進給的需要，如圖1 所示。

其中通過電機絲桿的轉動帶動凸輪板向前移動，再通過凸輪板的最高處擠壓使平行四邊形執(zhí)行機構活動起來依次漸進擠壓鋁板，從而實現(xiàn)分段包邊，把絲桿的旋轉運動轉化成凸輪板的直線運動，可以很好的發(fā)揮絲桿傳動效率高、定位精度高、使用壽命長、同步性能好等優(yōu)點，根據(jù)運動方向依次逐步分段的把邊包好，大大提高了包邊的質量和效率。

1.2 傳動機構選型與機構尺度

1.2.1 對包邊壓板的兩個認識

考慮包邊壓板運動空間狹小的實際，經初步整理，形成兩個重要認識:

(1)壓板的橫截面形狀盡可能適應門邊的“可用空間”。

(2)壓板的運動盡量考慮做“平動”，避免做“轉動”，特別是做大角度轉動。

1.2.2 不同運動進程描述

為了避免包邊出現(xiàn)“反折彎”現(xiàn)象，盡可能減小“回彈”，減小壓板受力，改善機構受力狀態(tài)。根據(jù)壓板的運動規(guī)律，將控制按不同運動進程描述為:

(1)變形初期(壓板與包邊剛接觸的一段時間):以向彎曲方向的推壓為主，附壓動。

(2)變形中期:以推壓為主，下壓運動分量增強。因為“空間”不允許壓板做“翻轉”角度較大的運動。

(3)變形后期:增強沿折彎方向的壓下運動，并從控制方面要實現(xiàn)一個設定時間的“保壓”。

基于上述考慮，機構的類型選擇考慮“平行四邊形機構”［2］。

機構示意圖如圖2 所示，執(zhí)行壓板端三維造型如圖3 所示。

2 計算驗證

2.1 扭矩計算及電機選擇

圖1 門扇包邊機設計圖Figure 1 Design drawing of door leaf taping machine

根據(jù)市場上通用塞拉門門扇的最大包邊長度為1 400 mm，再考慮到電機絲桿的運行需要設計其運行距離為1 835 mm，此包邊機的設計要求為生產節(jié)拍1 min，去掉輔助時間，機器運行40 s，所以運行速度為:

用作圖法進行受力分析可得一個壓板欲使所壓的材料屈服以順利完成包邊，單個壓板需要的壓力為558.75N，考慮到同時有3 個壓板受力，所以

再考慮到效率損失，按0.80 計算

由于還要考慮到各種摩擦力以及工作環(huán)境等的影響，則力還需要再放大1.5 倍，所以在壓邊機工作過程中欲使材料實現(xiàn)屈服變形，實現(xiàn)包邊功能，所需的總壓力F 為:

故功率為:

P=FV=3 143×0.046=144.6 kW

確定滾珠絲桿的導程

式中，ph是滾珠絲桿的導程，單位為mm;Vmax是工作臺最高移動速度，Vmax=2.76 m/min;nmax是電機最高轉速，nmax=550.5 r/min;i 是傳動比，因電機與絲桿直連，i=1。

得到ph=5 mm。

所以螺距為S=5 mm。

查手冊［3］得絲杠直徑d=25 mm，導程為5 mm，所以升角為3.64°。

取當量摩擦角為4°。

可以計算出絲杠扭矩T 的值為

查表，最終選用步進電機的型號為“90BYG5503”，承受的最大靜扭矩為7 000 N·mm。

由于絲杠的螺距是5 mm，所以絲杠的轉速n=(45.875/5)×60=550.5 r/min。

也可以考慮選用200 W 的變頻電動機。

2.2 載荷計算

(1)變形過程假設?？梢岳斫鉃?門框不動，也無明顯變形，只是蒙皮卷繞在門框上。所繪圖上門框和蒙皮之間留有“間隙”，可以考慮其間沒有間隙。

(2)加載假設?？梢岳斫鉃槊善さ膽疑於嗽趶澗刈饔孟?，均勻變形。

(3)彎曲力矩計算。

已知條件:由材料力學［4］可知 為抗彎截面系數(shù)，它取決于界面的幾何形狀與尺寸，單位為m3。

對于長為b，厚為h 的矩形截面的計算模型如圖4 所示。

圖4 計算模型圖Figure 4 Calculation model

橫截面對中心軸z 的慣性矩

包邊時要使得鋁合金板發(fā)生彎曲變形，就必須使

式中，M 是彎曲力矩，且M=PL;σs是彎曲強度極限。

利用公式(5)、公式(6)分別對不同長度和厚度的鋁合金板進行計算，使其在這幾種情況下都能實現(xiàn)工作，即使得鋁合金板在擠壓下發(fā)生彎曲變形，得出包邊的長度b≤350 mm，再考慮到各種誤差以及優(yōu)化機器性能，可把一次包邊長度設計定為200 mm，即b=200 mm，又因為所需要的最大包邊長度為1 400 mm，所以可把所需包的邊分為7 段進行處理，每段長度為200 mm。所以上述的分段漸壓方案符合要求，能夠實現(xiàn)包邊功能。

3 結語

本次門扇包邊機的設計，能夠滿足大多數(shù)塞拉門門扇的包邊要求。采用電機絲桿傳動，平行四邊形機構漸進壓緊，能夠使門板被壓緊工作時不至于移動，保證了一定的生產效率。本次設計最大的特色就是采用了漸壓式結構，分段包邊，解決了以前一次性包邊所需面對的橫向推力要求過大、包邊質量不宜控制等問題。采用電機絲桿傳動既保證了傳動的精度，能夠使依次漸進包邊控制恰當?shù)拇涡?，往復運動，又能夠很好的保證生產周期時間等問題。

國內外很多的專業(yè)人士以及專家學者都對包邊機的設計進行了探索和研究［5、6］，對包邊工藝也進行著不斷的改進和創(chuàng)新。隨著計算機輔助設計和輔助制造的發(fā)展，包邊機的設計制造、包邊動作模擬、運動軌跡顯示及變形分析都廣泛采用該技術，這是包邊質量得以保證的必由之路。未來包邊機的發(fā)展趨勢將會朝著更加智能化、自動化、人性化的方向發(fā)展。

［1］陳麗萍.汽車車門包邊機設計［J］，現(xiàn)代制造工程，2004(4):52-53.

［2］徐錦康.機械設計［M］.第一版，北京:高等教育出版社，2004.

［3］葉偉昌.機械設計及自動化簡明設計手冊(上冊)［M］.第二版.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

［4］蘇翼林主編.材料力學上冊［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［5］Luis Ferreira da Silva，Mário Lima，F(xiàn)ernando N Ferreira，Daniel Andrade，Lu?s Pinto Ferreira，Carlos Couto，Mechatronics，Mechatronic approach to the feeding system of an overlock sewing machine Volume 9，Issue 7，October 1999，Pages 817-842.

［6］雷志華.DATUM 面控制技術在包邊機設計中的應用［J］，企業(yè)科技與發(fā)展2009(20):33-35.