200 L鋼桶焊縫滾壓裝置自動(dòng)找焊縫工位抬升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

□ 王晨學(xué) □ 平雪良，2 □ 張伯金

1.江南大學(xué) 君遠(yuǎn)學(xué)院 江蘇無(wú)錫 214122

2.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫 214122

3.無(wú)錫四方友信股份有限公司 江蘇無(wú)錫 214092

隨著中國(guó)包裝行業(yè)的發(fā)展，包裝鋼桶的消費(fèi)量有所增加，目前僅200 L鋼桶市場(chǎng)年需求量在7 000萬(wàn)只以上［1］。國(guó)內(nèi)鋼桶的制造自動(dòng)化程度不高，制造加工中有些問(wèn)題亟待解決。滲漏是影響鋼桶質(zhì)量的一個(gè)重要因素，引起滲漏的主要原因?yàn)橥翱诩?、環(huán)縫和焊縫的質(zhì)量。國(guó)內(nèi)已引進(jìn)三重卷邊技術(shù)以提高鋼桶環(huán)縫處抗?jié)B漏性能，同時(shí)采用滾壓工藝提高鋼桶焊縫質(zhì)量。筆者主要針對(duì)現(xiàn)有200 L鋼桶焊縫滾壓裝置自動(dòng)找焊縫工位鋼桶抬升機(jī)構(gòu)容易出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的抬升機(jī)構(gòu)。

1 自動(dòng)滾壓裝置

鋼桶接縫焊接后，焊縫存在一部分殘余拉應(yīng)力，最終會(huì)影響焊縫的強(qiáng)度，目前已研制出一種自動(dòng)滾壓裝置，如圖1所示。

▲圖1 自動(dòng)滾壓裝置

該裝置采用滾壓工藝，使焊縫位置的晶格產(chǎn)生滑移，產(chǎn)生永久變形，從而消除殘余拉應(yīng)力，提高焊縫表面的強(qiáng)度和光潔度［2］。為提高滾壓質(zhì)量，需要對(duì)鋼桶焊縫位置進(jìn)行校正，使輥輪與焊縫最大程度地重合，如圖2所示。為了對(duì)鋼桶焊縫位置校正，需要有一自動(dòng)找焊縫工位來(lái)實(shí)現(xiàn)。在自動(dòng)滾壓裝置中，鋼桶橫臥由傳送鏈從生產(chǎn)線傳送至校正工位，此時(shí)與鋼桶接觸的是固定在鏈板外側(cè)的4個(gè)普通輪，目的是為了徑向固定鋼桶，但因無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)且無(wú)法抬升而不能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫位置的校正，因此需要有一抬升機(jī)構(gòu)。

▲圖2 雙輥輪單側(cè)滾壓

2 已有校正抬升機(jī)構(gòu)

2.1 機(jī)構(gòu)原理

目前，實(shí)際生產(chǎn)中已應(yīng)用一種校正抬升機(jī)構(gòu)，如圖3所示。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪為同步帶輪，電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)輪，主動(dòng)輪帶動(dòng)從動(dòng)輪，使兩從動(dòng)輪同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使鋼桶轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)焊縫位置校正。張緊輪的作用為避免同步帶與鋼桶接觸。主動(dòng)輪、從動(dòng)輪及電機(jī)都固定于底板上，該板由氣缸驅(qū)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)鋼桶的抬升。

2.2 存在的問(wèn)題

▲圖3 已有抬升機(jī)構(gòu)

該抬升機(jī)構(gòu)把電機(jī)和主、從動(dòng)輪等零件都固定于底板上，對(duì)其進(jìn)行整體升降。一方面增大了氣缸的負(fù)載，另一方面，氣壓傳動(dòng)存在一定的不穩(wěn)定性，會(huì)引起對(duì)零部件尤其是電機(jī)的沖擊，且由于滾壓機(jī)應(yīng)用于批量生產(chǎn)，齒輪及各連接處在不斷沖擊的情況下容易疲勞損壞，降低各部件的使用壽命。

焊縫最終位置的確定取決于當(dāng)傳感器檢測(cè)到焊縫位置時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速確定焊縫位置的找正，這對(duì)電機(jī)傳動(dòng)的精度要求較高，否則會(huì)由于焊縫位置的不準(zhǔn)確直接影響滾壓工藝的質(zhì)量。另外，在電機(jī)經(jīng)常升降，齒輪磨損較大的情況下，也不利于精度的控制。

3 新的校正抬升機(jī)構(gòu)

針對(duì)以上出現(xiàn)的問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)出一種新的抬升機(jī)構(gòu)，將不需要抬升的零部件安裝在固定的機(jī)架上，避免了傳動(dòng)引起的沖擊，從而延長(zhǎng)了零部件等的使用壽命，并且不影響鋼桶焊縫位置找正的精度。

3.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖4所示為設(shè)計(jì)的抬升機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。

整個(gè)抬升系統(tǒng)由兩個(gè)同類(lèi)機(jī)構(gòu)對(duì)稱分布，以此實(shí)現(xiàn)鋼桶兩端的徑向固定。主動(dòng)輪分別通過(guò)同步帶與同步輪Ⅰ、Ⅱ連接。主動(dòng)輪直接由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)稱分布的機(jī)構(gòu)與同步輪Ⅱ連接，使它作為該抬升機(jī)構(gòu)的主動(dòng)輪，不需要另外提供電機(jī)作為動(dòng)力源，以此構(gòu)成完整的傳動(dòng)系統(tǒng)。普通輪僅起到支承鋼桶的作用，隨著鋼桶轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼桶位置的校正。整個(gè)抬升機(jī)構(gòu)構(gòu)成平面四桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)氣缸活塞桿伸出時(shí)，搖桿Ⅰ、Ⅱ通過(guò)連桿Ⅰ、Ⅱ逆時(shí)針（或順時(shí)針）轉(zhuǎn)動(dòng)，從而起到抬升鋼桶的作用。A處鉸鏈為一與電機(jī)軸同軸的軸承座 （軸承座、氣缸、電機(jī)都安裝在底板上），當(dāng)搖桿繞軸承座轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也相當(dāng)于繞電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，因此避免了抬升電機(jī)、軸承座等零部件。

3.2 自由度分析

為了使機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)，需要對(duì)其進(jìn)行自由度分析［3］，計(jì)算公式如下：

式中：n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；pl為低副個(gè)數(shù)；ph為高副個(gè)數(shù)；p′為虛約束個(gè)數(shù)；F′為局部自由度個(gè)數(shù)；F為原動(dòng)件（氣缸）個(gè)數(shù)。

▲圖4 新抬升機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

抬升機(jī)構(gòu)有7個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，0個(gè)高副，9個(gè)低副（B處為一復(fù)合鉸鏈），不含虛約束，2個(gè)局部自由度（C、D處）。F=3×7-（2×9+0-0）-2=1，因此，抬升機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

3.3 三維總裝圖

機(jī)構(gòu)總裝圖如圖5所示。

▲圖5 三維總裝圖

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有的抬升機(jī)構(gòu)，抬升鋼桶的同時(shí)也抬升了電機(jī)等零部件，增加了氣缸的負(fù)載。除此以外，氣缸驅(qū)動(dòng)底板時(shí)，由于底板上安裝了電機(jī)等零部件，因而造成質(zhì)量分布不均勻，氣缸活塞受到附加彎矩作用（如果底板沿一導(dǎo)軌升降，雖能避免彎曲應(yīng)力，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且裝卸維修不便）。零部件也會(huì)隨著升降，不斷受到?jīng)_擊而更易疲勞破壞，尤其是對(duì)電機(jī)、齒輪磨損加劇，帶來(lái)傳動(dòng)誤差，影響鋼桶焊縫位置的校正，最終影響滾壓工藝的質(zhì)量。本文提出一種新的抬升機(jī)構(gòu)，僅直接抬升鋼桶，相比之下比較輕巧、方便，另外，該抬升機(jī)構(gòu)安裝精度要求較高，需保證電機(jī)主軸與軸承座的同軸度。

［1］ 楊文亮.中國(guó)鋼桶包裝工業(yè)的發(fā)展［N］.中國(guó)包裝報(bào)，2010-7-23.

［2］ 陸楠，李居峰，盧鮮亮.基于ANSYS的鋼桶焊縫處理分析［J］.機(jī)械制造，2012（4）：85-86.

［3］ 孫桓，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理 ［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［4］ 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì) ［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［5］ B Porankiewicz， JParantainen， K Ostrowska.Rolling Deformations and Residual Stresses of Large Circular Saw Body［J］.Engineering，2010（2）：727-732.