采用电机丝杆传动的门扇包边机设计

薛龙海 陈 峰

(上海海事大学物流工程学院，上海 201306)

随着汽车、高铁产业的蓬勃发展，生产规模不断的扩大，急需对以前制造汽车(包括各种地铁高铁)车身时所采用的一些车门包边方法做出改进或者创新。

所谓包边［1］，即将外板折边后包住内板，使之联成一体，以提高车门的强度和刚度。完成此项工艺的手段有手工包边、复合模具包边以及采用专机进行包边。地铁列车所用的塞拉门门扇是由铝合金板通过焊接或者包边内外压边等方式完成的。外包边由于操作空间大在翻边时比较容易解决，可以通过机器或者人工的方式完成，但是内包边由于受到操作空间的限制，包边后再翻边就比较困难，通过人工方式翻边费时费力，质量难以保证。所以急切需要开发一种能够代替人工完成内外包边加工的包边机器，而现在市场上可供选择的这种包边机的产品很少，本文提出了一种基于电机丝杆传动的包边机设计方案并且进行了相关设计验证。

1 门扇包边机的方案设计

1.1 功能原理选择

功能要求:将门板蒙皮内外包边(已折成90°)可靠、均匀、无褶皱的包裹在门板边沿，形成带蒙皮的门板产品从而替代现在的内蒙皮手工包边操作，避免人为因素对产品质量的影响，增强产品质量的稳定性，提高劳动生产率。

原理方案:基于包边形变原理与工艺过程两个主要因素的考虑，包边机的总体方案是渐进式冲折+滚压包边的方案。

方案描述:(渐进)冲折滚压包边方案，考虑将仿人工“敲击折弯+滚压成型”的操作，主机上设有“敲击折弯”工作头和滚轮组，固定(压紧的方式)在包边机工作台上的带包边的门板随工作台进给，实现门板的包边作业。

工作台具有一个横向移动自由度和一个水平轴旋转自由度，可以带动门板实现一个方向的移动和一个方向的旋转运动，以适应门板单边进给的需要，如图1 所示。

其中通过电机丝杆的转动带动凸轮板向前移动，再通过凸轮板的最高处挤压使平行四边形执行机构活动起来依次渐进挤压铝板，从而实现分段包边，把丝杆的旋转运动转化成凸轮板的直线运动，可以很好的发挥丝杆传动效率高、定位精度高、使用寿命长、同步性能好等优点，根据运动方向依次逐步分段的把边包好，大大提高了包边的质量和效率。

1.2 传动机构选型与机构尺度

1.2.1 对包边压板的两个认识

考虑包边压板运动空间狭小的实际，经初步整理，形成两个重要认识:

(1)压板的横截面形状尽可能适应门边的“可用空间”。

(2)压板的运动尽量考虑做“平动”，避免做“转动”，特别是做大角度转动。

1.2.2 不同运动进程描述

为了避免包边出现“反折弯”现象，尽可能减小“回弹”，减小压板受力，改善机构受力状态。根据压板的运动规律，将控制按不同运动进程描述为:

(1)变形初期(压板与包边刚接触的一段时间):以向弯曲方向的推压为主，附压动。

(2)变形中期:以推压为主，下压运动分量增强。因为“空间”不允许压板做“翻转”角度较大的运动。

(3)变形后期:增强沿折弯方向的压下运动，并从控制方面要实现一个设定时间的“保压”。

基于上述考虑，机构的类型选择考虑“平行四边形机构”［2］。

机构示意图如图2 所示，执行压板端三维造型如图3 所示。

2 计算验证

2.1 扭矩计算及电机选择

图1 门扇包边机设计图Figure 1 Design drawing of door leaf taping machine

根据市场上通用塞拉门门扇的最大包边长度为1 400 mm，再考虑到电机丝杆的运行需要设计其运行距离为1 835 mm，此包边机的设计要求为生产节拍1 min，去掉辅助时间，机器运行40 s，所以运行速度为:

用作图法进行受力分析可得一个压板欲使所压的材料屈服以顺利完成包边，单个压板需要的压力为558.75N，考虑到同时有3 个压板受力，所以

再考虑到效率损失，按0.80 计算

由于还要考虑到各种摩擦力以及工作环境等的影响，则力还需要再放大1.5 倍，所以在压边机工作过程中欲使材料实现屈服变形，实现包边功能，所需的总压力F 为:

故功率为:

P=FV=3 143×0.046=144.6 kW

确定滚珠丝杆的导程

式中，ph是滚珠丝杆的导程，单位为mm;Vmax是工作台最高移动速度，Vmax=2.76 m/min;nmax是电机最高转速，nmax=550.5 r/min;i 是传动比，因电机与丝杆直连，i=1。

得到ph=5 mm。

所以螺距为S=5 mm。

查手册［3］得丝杠直径d=25 mm，导程为5 mm，所以升角为3.64°。

取当量摩擦角为4°。

可以计算出丝杠扭矩T 的值为

查表，最终选用步进电机的型号为“90BYG5503”，承受的最大静扭矩为7 000 N·mm。

由于丝杠的螺距是5 mm，所以丝杠的转速n=(45.875/5)×60=550.5 r/min。

也可以考虑选用200 W 的变频电动机。

2.2 载荷计算

(1)变形过程假设。可以理解为:门框不动，也无明显变形，只是蒙皮卷绕在门框上。所绘图上门框和蒙皮之间留有“间隙”，可以考虑其间没有间隙。

(2)加载假设。可以理解为蒙皮的悬伸端在弯矩作用下，均匀变形。

(3)弯曲力矩计算。

已知条件:由材料力学［4］可知 为抗弯截面系数，它取决于界面的几何形状与尺寸，单位为m3。

对于长为b，厚为h 的矩形截面的计算模型如图4 所示。

图4 计算模型图Figure 4 Calculation model

横截面对中心轴z 的惯性矩

包边时要使得铝合金板发生弯曲变形，就必须使

式中，M 是弯曲力矩，且M=PL;σs是弯曲强度极限。

利用公式(5)、公式(6)分别对不同长度和厚度的铝合金板进行计算，使其在这几种情况下都能实现工作，即使得铝合金板在挤压下发生弯曲变形，得出包边的长度b≤350 mm，再考虑到各种误差以及优化机器性能，可把一次包边长度设计定为200 mm，即b=200 mm，又因为所需要的最大包边长度为1 400 mm，所以可把所需包的边分为7 段进行处理，每段长度为200 mm。所以上述的分段渐压方案符合要求，能够实现包边功能。

3 结语

本次门扇包边机的设计，能够满足大多数塞拉门门扇的包边要求。采用电机丝杆传动，平行四边形机构渐进压紧，能够使门板被压紧工作时不至于移动，保证了一定的生产效率。本次设计最大的特色就是采用了渐压式结构，分段包边，解决了以前一次性包边所需面对的横向推力要求过大、包边质量不宜控制等问题。采用电机丝杆传动既保证了传动的精度，能够使依次渐进包边控制恰当的次序，往复运动，又能够很好的保证生产周期时间等问题。

国内外很多的专业人士以及专家学者都对包边机的设计进行了探索和研究［5、6］，对包边工艺也进行着不断的改进和创新。随着计算机辅助设计和辅助制造的发展，包边机的设计制造、包边动作模拟、运动轨迹显示及变形分析都广泛采用该技术，这是包边质量得以保证的必由之路。未来包边机的发展趋势将会朝着更加智能化、自动化、人性化的方向发展。

［1］陈丽萍.汽车车门包边机设计［J］，现代制造工程，2004(4):52-53.

［2］徐锦康.机械设计［M］.第一版，北京:高等教育出版社，2004.

［3］叶伟昌.机械设计及自动化简明设计手册(上册)［M］.第二版.北京:机械工业出版社，2008.

［4］苏翼林主编.材料力学上册［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［5］Luis Ferreira da Silva，Mário Lima，Fernando 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］雷志华.DATUM 面控制技术在包边机设计中的应用［J］，企业科技与发展2009(20):33-35.