鋼管碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

宋新環(huán)，張玉華，任 星，余智庭

(1．天津理工大學(xué) 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300384； 2.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

鋼管碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

宋新環(huán)1,2，張玉華1,2，任 星2，余智庭2

(1．天津理工大學(xué) 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300384； 2.天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300384)

鋼管碼垛機(jī)是制造鋼管企業(yè)的重要設(shè)備，完成鋼管的自動(dòng)碼垛和移動(dòng)入庫就需要鋼管碼垛機(jī)。本文設(shè)計(jì)了一種鋼管碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)，對其工作原理進(jìn)行了說明，利用三維建模軟件Solid Works建立鋼管碼垛移料機(jī)構(gòu)的三維模型，在動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中對模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過仿真測量出機(jī)構(gòu)的最大驅(qū)動(dòng)力、原動(dòng)件的最大功率、原動(dòng)件的做功和各關(guān)鍵鉸鏈的受力情況，為機(jī)構(gòu)最大驅(qū)動(dòng)力的優(yōu)化、電機(jī)功率的選擇、了解機(jī)構(gòu)的耗能和關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核提供參考依據(jù)。

碼垛機(jī)；移料機(jī)構(gòu)；建模；仿真

0 前言

鋼管在生產(chǎn)建設(shè)中具有十分重要的作用，隨著我國工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，對鋼材的需求量日益提高，而傳統(tǒng)的人工包裝由于生產(chǎn)率低已不能滿足現(xiàn)代化大生產(chǎn)的需要；其次用戶為便于鋼材的運(yùn)輸和存儲對鋼鐵產(chǎn)品包裝的要求也隨之提高[1]，因此研制鋼管精整包裝生產(chǎn)線需要的設(shè)備具有很大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。鋼材生產(chǎn)的最后一道工序就是鋼材的包裝，通常在進(jìn)行打包之前需要把鋼管按照一定的規(guī)格和形式排列碼放在托架上，再進(jìn)行捆扎完成打包。鋼管碼垛機(jī)就是用來完成鋼管碼垛工作的機(jī)器，要求能夠根據(jù)碼垛根數(shù)及鋼管直徑自動(dòng)完成送料、計(jì)數(shù)、及堆垛的工作，由于碼垛移料時(shí)，層數(shù)不同、鋼管直徑不同以及碼垛根數(shù)不同，都會(huì)影響移料的送料速度和送料位置，同時(shí)對打包機(jī)的生產(chǎn)效率也起到重要作用。因此研制能完成鋼管自動(dòng)碼垛及移動(dòng)入庫的鋼管碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)顯得尤為重要。

本文對鋼管碼垛機(jī)在承載最大載荷時(shí)的工況進(jìn)行仿真，即對碼垛機(jī)在同時(shí)移送7根Φ76 mm的鋼管時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過仿真為確定碼垛機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中的相關(guān)性能參數(shù)提供理論參考依據(jù)。在ADAMS仿真中求解鋼管碼垛機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中的最大驅(qū)動(dòng)力、原動(dòng)件的最大功率和原動(dòng)件的做功，可以為后續(xù)優(yōu)化提供優(yōu)化目標(biāo)，為確定電機(jī)功率提供理論參考依據(jù)，同時(shí)還可以了解機(jī)構(gòu)的耗能情況。根據(jù)仿真測量出各關(guān)鍵鉸鏈承受的最大載荷可以為關(guān)鍵部件的校核提供參考依據(jù)。

1 工作原理

鋼管的捆扎包裝件的形式有圓形、矩形、框架式和六角形四種。其中六角形包裝件比矩形包裝形狀穩(wěn)定,比框架式包裝經(jīng)濟(jì)、簡便易行,比圓形包裝件外形整齊美觀,堆放時(shí)受力面大,且便于計(jì)算,故采用六角形碼垛[2]。所要碼垛鋼管的斷面尺寸Φ32 mm～Φ76 mm、長度為6～7 m，碼垛根數(shù)Φ32 mm 91根，Φ42 mm 91根，Φ48 mm 61根，Φ60 mm 37根，Φ76 mm 37根。移料機(jī)構(gòu)每次移料的根數(shù)和需要打捆鋼管每層的根數(shù)是相對應(yīng)的。

鋼管碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)具有取料、移料功能，能完成鋼管的自動(dòng)碼垛及移動(dòng)入庫。如圖1所示鋼管碼垛移料機(jī)構(gòu)主要由升降機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)來組成，其中升降機(jī)構(gòu)由液壓缸驅(qū)動(dòng)，其主要作用是控制支撐板的高度及傾斜角度。平移機(jī)構(gòu)是由伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，帶動(dòng)支撐板做平移運(yùn)動(dòng)。

1.擺桿 2.支撐梁 3.支撐板 4.滑塊 5.擺桿 6.擺桿 7.活塞桿 8.液壓缸 9.電機(jī) 10.橫梁 11.鏈條 12.鏈輪 13.支座圖1 鋼管碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of stacker crane conveying mechanism

圖1中升降機(jī)構(gòu)由擺桿1、5、6支撐梁2、活塞桿7和液壓缸8組成，平移機(jī)構(gòu)由3支撐板、4滑塊、11鏈條、12鏈輪、9電機(jī)組成。擺桿5和擺桿6固定在軸上并且相對固定，故當(dāng)活塞桿7收回，推動(dòng)擺桿6擺動(dòng)時(shí)，機(jī)構(gòu)構(gòu)成平行四邊形，可使支撐梁2水平上升；反之，當(dāng)活塞桿7伸出，支撐梁2將隨機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)水平下降。通過滾子鏈接在支撐梁2上裝配有可沿支撐梁作水平移動(dòng)的支撐板3，支撐板3也可隨支撐梁2升降?；瑝K4由滾子固定在橫梁上，可在橫梁上作水平移動(dòng)。電機(jī)9動(dòng)作帶動(dòng)鏈輪11轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滑塊4帶動(dòng)支撐板3沿支撐梁2水平來回移動(dòng)。

送料機(jī)構(gòu)工作過程可分為四個(gè)行程，第一個(gè)行程：液壓缸8動(dòng)作，活塞桿7收縮，帶動(dòng)擺桿6、5擺動(dòng)一定角度，使支撐梁2上升，帶動(dòng)支撐板3逐漸變水平而接觸鋼管(鋼管在傳送裝置上，圖中未畫出)，支撐板繼續(xù)上升一定距離，使鋼管脫離傳送裝置，液壓缸8由接近開關(guān)控制而停止運(yùn)動(dòng)，第一行程結(jié)束。第二個(gè)行程：伺服電機(jī)9動(dòng)作帶動(dòng)鏈條11傳動(dòng)，帶動(dòng)滑塊4做水平移動(dòng)，使支撐板上的鋼管也隨之水平移動(dòng)一定的距離完成第二行程動(dòng)作。第三個(gè)行程：液壓缸8伸出，帶動(dòng)支撐梁2下降，支撐板3也隨之下降其向上傾斜的斜面也變?yōu)橄蛳聝A斜，斜面上的鋼管也隨之移動(dòng)到打包架上(圖中未畫出)，第三行程結(jié)束。第四個(gè)行程：然后伺服電機(jī)9反轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)鏈輪12使鏈條9傳動(dòng)，帶動(dòng)滑塊4反向移動(dòng)，回到起始位置，完成最后一個(gè)行程。移料機(jī)構(gòu)又進(jìn)入下一周期的送料工作。

2 碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)建模及仿真分析

2.1 移料機(jī)構(gòu)三維建模

建立鋼管碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)模型應(yīng)盡可能準(zhǔn)確，但仿真模型在基本滿足所有工況的條件下應(yīng)盡可能簡單[3]。本文首先利用三維建模軟件Solid Works建立碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)的三維模型，然后將其導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件ADAMS中，在ADAMS/View中對移料機(jī)構(gòu)各桿件添加材料屬性、約束方式和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，則移料機(jī)構(gòu)的ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真模型建立好，圖2為碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)的ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真模型。

在添加約束和驅(qū)動(dòng)的過程中，在ADAMS中鋼管在重力作用下會(huì)往下掉，為了表示鋼管起始位置在傳送帶上放置，在大地上建立一個(gè)與水平面平行的平面1，該平面1通過每根鋼管的中心，在每根鋼管的中心和平面1之間建立接觸力，接觸類型為Point to Plane[4]，則將鋼管放置在平面1上，由于該移料機(jī)構(gòu)承載的最大鋼管直徑為Φ76 mm，單次最多移送7根鋼管，因此在ADAMS中應(yīng)該對移料機(jī)構(gòu)同時(shí)移送7根Φ76 mm鋼管的工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。為了逼真的進(jìn)行仿真分析，將鋼管懸在一定高度，在升降機(jī)構(gòu)升起過程中，接觸鋼管，繼續(xù)升高一定距離把鋼管托起并一起運(yùn)動(dòng)，這與實(shí)際運(yùn)行過程完全一致。為了控制移料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，首先用傳感器測得每個(gè)行程停止的時(shí)間點(diǎn)，然后使用ADAMS運(yùn)行過程函數(shù)中的if函數(shù)對液壓缸進(jìn)行控制[5]，升降機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)分別為

Motion_1：IF(time-1.0115:200,0, IF(time-3.8352∶0, 0 ,IF(time-4.8467∶-200, 0,0)))

Motion_2：IF(time-1.0115:0, 0, IF(time-3.8352:-400, 0, IF(time-4.8467∶0, 0, 400)))

圖2 碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)ADAMS模型Fig.2 Model of stacker crane conveying mechanism based on ADAMS

在Motion_1中，0～1.0115 s：升降機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)速度為200 mm/s；1.0115～3.8352 s：升降機(jī)構(gòu)速度為0；3.8352～4.8467 s：升降機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)速度為200 mm/s[6]；4.8467 s之后升降機(jī)構(gòu)速度為0。

在Motion_2中，0～1.0115 s：平移機(jī)構(gòu)速度為0；1.0115～3.8352s：平移機(jī)構(gòu)向左運(yùn)動(dòng)速度為400 mm/s，3.8352～4.8467 s：平移機(jī)構(gòu)速度為0；4.8467- 7.6704s平移機(jī)構(gòu)向右運(yùn)動(dòng)速度為400 mm/s；7.6704 s之后平移機(jī)構(gòu)速度為0。

2.2 仿真分析

在仿真時(shí)測量液壓缸推進(jìn)力的變化曲線，將曲線導(dǎo)入到ADAMS/PostProcessor后處理中，圖3為所測量的活塞桿推進(jìn)力變化曲線，得到升降機(jī)構(gòu)最大推進(jìn)力為48 076.517 2 N， 最大推進(jìn)力可作為零件校核和機(jī)械設(shè)計(jì)的理論依據(jù)以及后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)的目標(biāo)。

圖3 活塞桿7推進(jìn)力的變化曲線Fig.3 Propulsive force variation tendency of piston rod 7

通常對于鋼管輸送機(jī)構(gòu)的電機(jī)選用都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定，這樣有時(shí)會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，浪費(fèi)了能源，因此需要根據(jù)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)所需的實(shí)際功率來選用電機(jī)，升降機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中的瞬時(shí)功率曲線如圖4所示，升降機(jī)構(gòu)的最大功率是9 615.1 W。平移機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中瞬時(shí)功率曲線如圖5所示，平移機(jī)構(gòu)的最大功率是7 207 W，通過測得的最大功率可以作為電機(jī)功率選擇的依據(jù)，避免了傳統(tǒng)上根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來選用電機(jī)功率的做法。

圖4 活塞桿7功率的變化曲線Fig.4 Power curve of piston rod 7

圖5 平移機(jī)構(gòu)電機(jī)的功率變化曲線Fig.5 Power curve of translation mechanism motor

為了進(jìn)一步研究機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在實(shí)際工作中的能耗問題，需要測出升降機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的做功，根據(jù)功的物理表達(dá)式 ，對功率積分即可求出所做功，在ADAMS/PostProcessor中對兩驅(qū)動(dòng)的功率曲線進(jìn)行時(shí)間上的積分，求出其對應(yīng)的做功曲線，升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)Motion_1做功曲線如圖6所示，平移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)Motion_2做功曲線如圖7所示。在圖6中可以看出，Motion_1在升降過程中做功，在橫移過程中不做功，Motion_1所做功為4172.3 J[7]；Motion_2在升降過程中不做功，在橫移過程中做功，活塞桿7所做功為4184 J，這與實(shí)際情況完全吻合。

圖6 升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)Motion_1做功曲線Fig.6 Power curve of Motion_1 for lifting mechanism

圖7 平移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)Motion_2做功曲線Fig.7 Power curve of Motion_2 for translation mechanism

在仿真分析中，對各個(gè)關(guān)鍵鉸鏈在運(yùn)動(dòng)中的受力進(jìn)行分析，為每個(gè)桿件的校核和設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，各關(guān)鍵鉸鏈的受力曲線如圖8所示。各關(guān)鍵鉸鏈的最大載荷值見表1。

圖8 各關(guān)鍵鉸鏈載荷分析Fig.8 Load analysis of each key hinge

鉸鏈ABCDEFG最大載荷/kN77.37377.22853.29644.31757.24017.82348.130

3 結(jié)論

為了設(shè)計(jì)出滿足不同工況下的鋼管碼垛機(jī)移料機(jī)構(gòu)，本文對鋼管碼垛機(jī)在承受最大載荷時(shí)的工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。首先利用Solid Works建立碼垛機(jī)三維模型,然后在ADAMS中對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，通過仿真分析，求解出碼垛機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)力、原動(dòng)件的最大功率和做功曲線，為鋼管碼垛機(jī)后續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)、電機(jī)的選型和了解機(jī)構(gòu)的能耗情況提供理論依據(jù)，同時(shí)求解出了各關(guān)鍵鉸鏈的最大載荷，為鋼管碼垛機(jī)關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核提供參考依據(jù)。

[1] 張?zhí)m娣，王建軍，張龍君.鋼材包裝打捆機(jī)的研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32(6)：234-235.

[2] 梁志宏. 鋼管捆扎六角成型優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 沈陽工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,20(02)：28-30.

[3] 石培成，王幼民，王立濤，等.挖掘機(jī)液壓-機(jī)械復(fù)合系統(tǒng)建模與仿真研究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2007,31(03)：26.

[4] 朱耀武.基于UG和ADAMS的滑塊聯(lián)軸器的仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014(06)：1-3.

[5] 陳德民，槐創(chuàng)鋒，張克濤.精通ADAMS2005/2007虛擬樣機(jī)技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010：187-188

[6] 關(guān)麗坤，于洋. 基于ADAMS的吊斗鏟行走裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].煤礦機(jī)械，2014，35(8)：95-96.

[7] 廖東升. 曲柄滑塊式叢式井抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[D]. 西安石油大學(xué)，2013：18-23.

Design and the simulation analysis of the conveying mechanism for steel pipe stacker crane

SONG Xin-huan1,2, ZHANG Yu-hua1,2,REN Xing2,YU Zhi-ting2

(1.Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System,Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China；2.School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384,China)

Steel pipe stacker crane is an important machine of steel pipe manufacturing. Stacking automatically and moving storage are completed by steel pipe tracker crane. In this paper, a conveying mechanism of steel pipe tracker crane is designed, and its working theory is described. The 3D model of the conveying mechanism of steel stacker crane is established by software Solid Works, and its motion is stimulated by software ADAMS, the maximum driving force and power, doing work of the driving link, and force condition of every key hinge, which are tested. It offers reference frame for optimizing the maximum driving force of the institution, selecting motor power, understanding energy consumption, strength checking of key parts, etc.

stacker crane; conveying mechanism; modeling; simulation

2015-09-29；

2015-11-03

宋新環(huán)(1989-)，女，漢，天津理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研究生，研究方向：機(jī)械制造及其自動(dòng)化。

TH246

A

1001-196X(2016)03-0071-04