裝胎機(jī)構(gòu)中螺旋傳動(dòng)的電動(dòng)抓胎手設(shè)計(jì)

謝美群

（江蘇省宜興職業(yè)教育中心校，江蘇 宜興 214206）

抓胎手是裝胎機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要部件，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此研究的比較少，其中比較成功的有：李惠明將抓胎器與主機(jī)的橫梁分開(kāi)，改進(jìn)了抓胎手；陳德生等研究了滾珠螺母絲桿傳動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了升降舞臺(tái)；魏發(fā)孔研究了絲桿傳動(dòng)原理，并用于大型舉升設(shè)備設(shè)計(jì)中。本文源于電動(dòng)輪胎裝胎機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化需要，基于螺旋傳動(dòng)原理全新設(shè)計(jì)抓胎手。

1 裝胎

1.1 裝胎器的結(jié)構(gòu)

裝胎器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其初始位置為：機(jī)械手在頂部縮攏→延時(shí)后機(jī)械手下降到抓胎位置→機(jī)械手伸張抓胎→延時(shí)后機(jī)械手帶生胎上升至極限位置?！蚧瘷C(jī)開(kāi)啟自動(dòng)→機(jī)械手轉(zhuǎn)入→機(jī)械手下降到裝胎位置時(shí)?！颅h(huán)向上→限位塊入→膠囊內(nèi)通入一次定型蒸汽，膠囊舒展進(jìn)入胎胚內(nèi)→機(jī)械手縮攏→膠囊內(nèi)一次定型蒸汽切換為保持定型蒸汽→機(jī)械手上升到極限→機(jī)械手轉(zhuǎn)出。

圖1 裝胎器

1.2 抓胎手的組成與定位

抓胎手主要由動(dòng)力系統(tǒng)、動(dòng)盤、定盤、撥叉、機(jī)械爪等組成。

其爪子開(kāi)合為：抓胎手上的動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)、螺母作直線運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)導(dǎo)架推動(dòng)撥叉轉(zhuǎn)動(dòng)，撥叉又推動(dòng)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)盤帶動(dòng)爪子在支架上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了爪子的閉合或張開(kāi)。為此，要求動(dòng)力系統(tǒng)及其傳動(dòng)軌跡對(duì)準(zhǔn)抓胎手的中心軸線，并使其重心通過(guò)軸線，從而增加取放胎的平穩(wěn)性及其精度；同時(shí)為保證胎胚的低損傷，抓胎手必須根據(jù)胎胚的規(guī)格，自動(dòng)伸張，自動(dòng)調(diào)節(jié)伸張力。

為了使抓胎手準(zhǔn)確定位，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無(wú)沖擊，并考慮精度及經(jīng)濟(jì)因素，本文選用了YS6324伺服電機(jī)，它是雙速的，可實(shí)現(xiàn)螺母快速或慢速的升降，能較好地滿足迅速制動(dòng)和定位精準(zhǔn)的要求。采用絲桿傳動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，從而保證胎胚可以在任意位置停留。

螺旋傳動(dòng)在各種機(jī)電系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，主要是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行能量與力的傳遞，或者調(diào)整零件的相互位置，也可以將直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)螺紋副摩擦性質(zhì)的不同，可以分為滾動(dòng)螺旋、靜壓螺旋和滑動(dòng)螺旋。滾動(dòng)螺旋的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造較難，抗沖擊性能較差；靜壓螺旋的缺點(diǎn)是：螺母結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定、過(guò)濾要求較高的供油系統(tǒng)；滑動(dòng)螺旋雖然傳動(dòng)效率低，但它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。由于本設(shè)計(jì)中絲桿所受扭矩不大，在滿足機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求的條件下，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，選用滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 螺桿的強(qiáng)度計(jì)算

受力較大的螺桿需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。螺桿工作時(shí)承受軸向壓力（或拉力）Q和扭矩T的作用。螺桿危險(xiǎn)截面上既有壓縮（或拉伸）應(yīng)力；又有切應(yīng)力。因此；核核螺桿強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論，求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力σca，其強(qiáng)度條件為：

或

式中，A為螺桿螺紋段的危險(xiǎn)截面面積；

WT為螺桿螺紋段的抗扭截面系數(shù)；

dl為螺桿螺紋小徑（mm）；T為螺桿所受的扭矩；

[σ]為螺桿材料的許用應(yīng)力（MPa），如表1所列。

表1 滑動(dòng)螺旋副材料的許用應(yīng)力

2.2 螺桿的穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)于長(zhǎng)徑比大的受壓螺桿，當(dāng)軸向壓力Q大于某一臨界值時(shí)，螺桿就會(huì)突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失其穩(wěn)定性。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向力Q必須小于臨界載荷Qc。則螺桿的穩(wěn)定性條件為：

式中，

Ssc為螺桿穩(wěn)定性的計(jì)算安全系數(shù)；

Ss為螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，對(duì)于傳力螺旋（如起重螺桿等），Ss=3.5～5.0；對(duì)于傳導(dǎo)螺旋，Ss=2.5～4.0；對(duì)于精密螺桿或水平螺桿，Ss＞4；

Qc為螺桿的臨界載荷（N），根據(jù)螺桿的柔度λS值的大小，選用不同的公式計(jì)算。

λS= μ l/i，此處，μ 為螺桿的長(zhǎng)度系數(shù)（見(jiàn)表2）；l為螺桿的工作長(zhǎng)度（mm），若螺桿兩端支承時(shí)，取兩支點(diǎn)間的距離作為工作長(zhǎng)度l；若螺桿一端以螺母支承時(shí)，則以螺母中部到另一端支點(diǎn)的距離，作為工作長(zhǎng)度l；i為螺桿危險(xiǎn)截面的慣性半徑（mm），若螺桿危險(xiǎn)截面面積：

則

當(dāng)λS≥100時(shí)，臨界載荷Qc可按歐拉公式計(jì)算，即：

式中：E為螺桿材料的拉壓彈性模量，E=2.06×105MPa；I為螺桿危險(xiǎn)截面的慣性矩，

當(dāng)λS＜100時(shí)，對(duì)于強(qiáng)度極限σB≥380 MPa的普通碳素鋼，如 Q235、Q275 等，取

對(duì)于強(qiáng)度極限σB＞480 MPa的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，如35～50號(hào)鋼等，取

當(dāng)λS＜40時(shí)，可以不必進(jìn)行穩(wěn)定性校核。若上述計(jì)算結(jié)果不滿足穩(wěn)定性條件時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加螺桿的小徑d1。

表2 螺桿的長(zhǎng)度系數(shù)μ

（l）若采用滑動(dòng)支承時(shí)，則以軸承長(zhǎng)度l0與直徑d0的比值來(lái)確定。l0/d0＜1.5時(shí)，為鉸支；

l0/d0=1.5～3.0時(shí)，為不完全固定；l0/d0＞3.0時(shí)，為固定支承。

（2）若以整體螺母作為支承時(shí)，仍按上述方法確定，此時(shí)取l0=H（H為螺母高度）。

（3）若以剖分螺母作為支承時(shí)，叫作不完全固定支承。

（4）若采用滾動(dòng)支承已有徑向約束時(shí)，可作為鉸支；有徑向和軸向約束時(shí)，可作為固定支承。

2.3 扭矩計(jì)算

扭矩的計(jì)算不僅可以反映扭矩的大小，而且還是電機(jī)選擇和減速器選擇的依據(jù)。扭矩可以用機(jī)械原理方法計(jì)算：

式中Mmax為螺桿傳遞的最大扭矩（N·m）；Q為軸向載荷（N）；α 為螺旋升角；φv為當(dāng)量摩擦角，φv=arctg(f/cos β)；β 為螺紋牙頂?shù)慕嵌?；f為摩擦系數(shù)；Dcp為螺桿中徑（m）。在本設(shè)計(jì)中 Q=2 000 N，α=5°，f=0.2，Dcp=0.05 m，β =20°，計(jì)算得到Mmax=15 N·m。

2.4 功率計(jì)算

由于在不同力矩下轉(zhuǎn)速變化很大，同時(shí)，當(dāng)力矩最大時(shí)，其功率不一定是最大值。因此，按力矩選擇電機(jī)較為方便可靠。將負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩?fù)Q算成電機(jī)輸出軸的阻轉(zhuǎn)矩，可利用下式：

式中，M1max為電機(jī)輸出軸的阻轉(zhuǎn)矩（N·m）；ηc為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)總效率；i為電動(dòng)機(jī)軸與工作機(jī)構(gòu)軸間的傳動(dòng)比。電機(jī)功率公式如下：

式中，Nmax為電機(jī)功率 (kW)；n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，n=1300 r/min；kn為電機(jī)過(guò)載系數(shù)，kn=3.5～4。

根據(jù)所用電機(jī)和減速器樣本，選擇合適的參數(shù)反復(fù)試算，得出符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)果，經(jīng)計(jì)算，初步確定i=20，ηc=75%，計(jì)算得到Nmax=40 W。

此外，對(duì)電機(jī)的要求還有：

（1）具有較高的啟動(dòng)力矩，其運(yùn)行速度越低，輸出力矩越大，從低速接近同步速度都能穩(wěn)定運(yùn)行，而且啟動(dòng)力矩（也是最大力矩）與額定力矩的比值較大，一般為3.5～4；

（2）重復(fù)短期工作制并可逆運(yùn)行；

（3）密閉性能良好，以適應(yīng)高溫、高濕的工作環(huán)境。根據(jù)要求和設(shè)計(jì)計(jì)算，選用的電機(jī)為JQLX42-8雙速三相異步電動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)螺桿低速和高速的轉(zhuǎn)換。

3 抓胎手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抓胎機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 抓胎手組裝圖

（1）結(jié)構(gòu)關(guān)系。電機(jī)1、導(dǎo)架10與蓋板11都固定于支盤12上，支盤12與支架8連接在一起。動(dòng)盤15、定盤14與支桿9都固定在支架8上，導(dǎo)架10與撥叉6連接為一體。機(jī)械爪7、通連桿13與動(dòng)盤15鉸接，可以在支桿9上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

（2）工作過(guò)程。電機(jī)1通過(guò)聯(lián)軸器2帶動(dòng)螺桿3轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母4在螺桿3上來(lái)回運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)導(dǎo)架10轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)架10帶動(dòng)與其固接的撥叉6運(yùn)動(dòng)，撥叉6撥動(dòng)動(dòng)盤15繞支架8轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與動(dòng)盤15連接的機(jī)械爪7在支桿9上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的張合過(guò)程。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

（1）功率測(cè)試。主要測(cè)試抓手提升不同規(guī)格的胚胎與電機(jī)消耗的功率關(guān)系，驗(yàn)證所選的電機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)要求，為進(jìn)一步優(yōu)選電機(jī)提供依據(jù)。測(cè)試所用的主要儀器為100無(wú)紙記錄儀，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 抓胎手的功率變化曲線

由圖3可知，電機(jī)消耗的功率與提升胎胚的質(zhì)量成線性遞增關(guān)系。在提升胎胚質(zhì)量最大的條件下，功率消耗最大。本文所選電機(jī)的額定功率大于所消耗的最大功率，滿足工作要求。

（2）定位精度測(cè)試。主要測(cè)試抓胎手在工作過(guò)程中的定位精度，測(cè)試所用的重要儀器為游標(biāo)卡尺。圖4給出了不同轉(zhuǎn)速情況下抓胎手的定位誤差。

由圖4可知，定位精度隨速度變化而變化，基本上呈線性增加，在最高轉(zhuǎn)速時(shí)，定位誤差仍然不到0.5 mm，精度非常高。

圖4 抓胎手定位誤差曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，從而推動(dòng)螺母往復(fù)運(yùn)動(dòng)這個(gè)原理，全新設(shè)計(jì)了抓胎手，使其定位精度得到大大提高；同時(shí)解決了以往機(jī)械爪單邊放氣缸、重心偏離中心軸線的問(wèn)題，具有良好的對(duì)中精度。此外，這種新型的電動(dòng)抓胎手還可以根據(jù)胎胚規(guī)格，自動(dòng)伸張，自動(dòng)調(diào)節(jié)伸張力，從而減輕了對(duì)胎胚的損傷。

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