輪轂烘干線固定裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石林峰

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

輪轂烘干線固定裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

石林峰

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094）

現(xiàn)階段，國內(nèi)某些輪轂制造廠現(xiàn)在依舊采用鉸接連接的烘干線，此類烘干線在輪轂轉(zhuǎn)線過程中常常會(huì)發(fā)生劇烈晃動(dòng)，對(duì)輪轂轉(zhuǎn)線時(shí)輪轂的放置造成困擾。為便于開發(fā)輪轂轉(zhuǎn)線機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)化輪轂轉(zhuǎn)線，需要在輪轂放置過程對(duì)烘干架進(jìn)行短時(shí)間固定，以滿足機(jī)械手的定位需求，并保證輪轂放置過程中烘干架的平穩(wěn)。針對(duì)這種情況，此項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種烘干架的短時(shí)間固定裝置，并詳細(xì)說明了此烘干線固定裝置的原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，以及PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程。

PLC；烘干線；輪轂轉(zhuǎn)線；固定裝置

0　引言

工業(yè)4.0三大主題之一的“智能生產(chǎn)”強(qiáng)調(diào)了自動(dòng)化生產(chǎn)的重要性。輪轂生產(chǎn)制造這一行業(yè)目前面臨著設(shè)備老化、工人工作強(qiáng)度大等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段，國內(nèi)有不少輪轂生產(chǎn)廠商仍采用上世紀(jì)90年代建成的較為落后的生產(chǎn)線。此類生產(chǎn)線的主要特點(diǎn)是：造價(jià)低、穩(wěn)定性不高。非常適合人力成本很低的90年代和20年代初期[1]。

圖1是江蘇某輪轂公司的噴粉線和烘干線的現(xiàn)場圖（圖中左側(cè)為噴粉線，右側(cè)為烘干線），國內(nèi)輪轂生產(chǎn)企業(yè)多采用類似流水線，其中烘干架與其上部運(yùn)動(dòng)部分采用鉸接固定，在運(yùn)動(dòng)過程中晃動(dòng)幅度較大。

圖1　噴粉線和烘干線現(xiàn)場

目前，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)大多是人工搬運(yùn)轉(zhuǎn)線，將輪轂從噴粉線轉(zhuǎn)移到烘干線，工廠根據(jù)輪轂重量確定工位人數(shù)，小輪子需要一個(gè)人、大輪子需要兩個(gè)人（輪轂較重的可達(dá)35kg），工作強(qiáng)度很大，對(duì)工人的體力及耐力要求很高。也有部分企業(yè)采用助力機(jī)械手進(jìn)行轉(zhuǎn)線，工人操縱氣動(dòng)助力機(jī)械手搬運(yùn)輪轂，并放到指定位置。運(yùn)用助力機(jī)械手可以有效降低工人的工作強(qiáng)度，但在放置過程中烘干架的擺動(dòng)對(duì)輪轂的定位造成極大的干擾。因此在輪轂放置時(shí)對(duì)烘干架進(jìn)行固定顯得非常必要。

該項(xiàng)目的研究內(nèi)容為烘干架的固定裝置，將為今后的輪轂生產(chǎn)全自動(dòng)化的研究工作做鋪墊，也是其重要的組成部分。它的研究工作以江蘇某車輪廠輪轂噴涂線自動(dòng)化改造為背景，對(duì)自動(dòng)轉(zhuǎn)線裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，旨在為連續(xù)運(yùn)行的工業(yè)生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)線難題提供一個(gè)性價(jià)比較高的解決方案。它與自動(dòng)噴涂機(jī)器人項(xiàng)目都是輪轂自動(dòng)化生產(chǎn)的重要課題，將會(huì)對(duì)提高企業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)約人工成本做出重要貢獻(xiàn)。對(duì)于企業(yè)面臨的人口紅利弱化的問題，也會(huì)得到很好的解決。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場噴粉線、烘干線之間的尺寸如圖2所示。烘干架運(yùn)動(dòng)過程中若無外力作用，會(huì)在重力作用下保持下圖右側(cè)白色架子所在的位置，即有13°的傾斜。當(dāng)烘干架上有一個(gè)輪轂時(shí)，烘干架會(huì)回復(fù)到近似豎直狀態(tài)，并需要3s左右達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。進(jìn)行輪轂擺放時(shí)，需要將其固定在豎直位置，否則搬運(yùn)機(jī)械手?jǐn)[放輪轂時(shí)難度較大，而且擺放完成之后會(huì)引起烘干架的劇烈擺動(dòng)，容易造成輪轂脫落等安全問題。

圖2　噴粉線、烘干線尺寸

由于現(xiàn)場周圍設(shè)施較多，無法安裝導(dǎo)向桿等運(yùn)動(dòng)軌跡引導(dǎo)裝置，且用導(dǎo)向桿會(huì)導(dǎo)致烘干架在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生遲滯或瞬間擺動(dòng)，對(duì)輪轂放置造成麻煩。此設(shè)備采用手爪從后部抓取，用氣缸拉到豎直位置并用電磁鐵固定。這樣避免了對(duì)生產(chǎn)線本身進(jìn)行改動(dòng)，也考慮了周邊環(huán)境，能夠在較小空間內(nèi)對(duì)烘干架進(jìn)行定點(diǎn)固定。

設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖3所示，由導(dǎo)軌、滑塊、與滑塊連接的抓取設(shè)備、氣缸組成。其中，手爪部分由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。設(shè)備放置于電氣柜上方，在電氣柜靠近烘干架一側(cè)，接近烘干架最下端位置放置一電磁鐵，用于配合手爪進(jìn)行烘干架的固定，實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)固定（鉸接點(diǎn)、手爪、電磁鐵三點(diǎn)固定）。

圖3　設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

設(shè)備的工作流程如圖4所示。

圖4　設(shè)備工作流程圖

設(shè)備接通時(shí)先進(jìn)行初始化工作，氣缸完全伸出，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得手爪張開。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到烘干架即將到達(dá)時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)手爪閉合，閉合完畢后氣缸開始往回收縮，同時(shí)打開電氣柜上的電磁鐵。氣缸收縮完成時(shí)手爪、電磁鐵、鉸接處實(shí)現(xiàn)對(duì)烘干架的三點(diǎn)固定；同時(shí)開始計(jì)時(shí)3s，這段時(shí)間留給機(jī)械手放置輪轂，3s后電磁鐵失電、電機(jī)帶動(dòng)手爪張開、氣缸伸出，烘干架離開。完成一個(gè)循環(huán)。

圖5　設(shè)備的三維圖和實(shí)物圖

圖5所示分別為設(shè)備的SolidWorks三維圖和實(shí)物圖，設(shè)備從上到下依次為：步進(jìn)電機(jī)、墊塊、上板、上軸承座、防松螺母、齒輪、手爪基座、下軸承座、底板、滑塊及導(dǎo)軌。

為確保手爪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不會(huì)超出允許范圍，確保設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性，本文此設(shè)備對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度在程序和傳感器方面分別進(jìn)行了控制。

程序中對(duì)發(fā)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖進(jìn)行控制，使得手爪單次張開和閉合角度小于100°。

硬件部分采用了微動(dòng)開關(guān)和霍爾接近開關(guān)，一般而言，此類角度控制還可以采用角度傳感器、電位器和角度編碼器。但在手爪的角度控制過程中對(duì)精度要求不高，再結(jié)合成本考慮，選擇微動(dòng)開關(guān)作為手爪張開的限位，若兩邊手爪中有一個(gè)或同時(shí)觸碰到限位開關(guān)，則手爪停止張開；選擇霍爾接近開關(guān)作為手爪閉合限位，霍爾接近開關(guān)對(duì)應(yīng)的磁鐵固定到手爪基座的后側(cè)，如圖6所示，分別為固定后的SolidWorks裝配圖、手爪基座的零件圖和實(shí)物圖，在后板上安裝霍爾接近開關(guān)主體部分，當(dāng)手爪閉合到指定位置時(shí)，霍爾接近開關(guān)會(huì)傳出信號(hào)到PLC，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖6　霍爾接近開關(guān)磁鐵固定處

2　計(jì)算及校核

需要計(jì)算的部分是步進(jìn)電機(jī)扭矩。需要校核的是齒輪和手爪所在軸的強(qiáng)度。以此選擇軸、氣缸和步進(jìn)電機(jī)。

2.1軸校核計(jì)算

本項(xiàng)目中采用單直線導(dǎo)軌、單滑塊。根據(jù)廠家提供的資料，摩擦系數(shù)上限約為0.08～0.1。為保證驅(qū)動(dòng)力足夠，選取摩擦系數(shù)上限0.1作為此處設(shè)計(jì)用的摩擦系數(shù)μ，并取n1=1.5作為安全系數(shù)。

經(jīng)實(shí)物測(cè)量，導(dǎo)軌需要承受的重量約為m1=15，烘干架重量約為m2=10kg。

則需要克服滑塊與導(dǎo)軌之間的摩擦力為：

當(dāng)烘干架被拉倒豎直位置時(shí)，手爪對(duì)烘干架拉力最大，根據(jù)力矩平衡公式，手爪對(duì)烘干架的拉力F2與烘干架重力G之間關(guān)系如下：

其中，烘干架重心無法確定，取距離鉸接點(diǎn)最遠(yuǎn)處為重心，此處造成的力矩最大，在此情況下手爪對(duì)烘干架的拉力也最大。

可以計(jì)算出手爪對(duì)烘干架的拉力：

軸所需承受的拉力為：F3=F2，產(chǎn)生的主要是外力對(duì)軸與軸承固定處的造成的彎矩，對(duì)軸心的扭矩很小，幾乎可以忽略不計(jì)。

手爪基座中心所在位置高度相對(duì)于軸承上表面為d2=0.033m，取n2=1.5作安全系數(shù)，則外力對(duì)軸作用的彎矩為：

取n3=2作安全系數(shù)，則45鋼的彎曲許用應(yīng)力為：

則剪切應(yīng)力為：

其中：S=π×D2/4，則可計(jì)算出D≥1.39mm。

彎曲應(yīng)力為：

其中：

T1為橫截面的彎矩，T1=1.9Nm；

Y表示橫截面上該點(diǎn)到中性軸的距離，y=D/2；

Iz表示橫截面對(duì)中性軸的慣性矩，Iz=π*D4/64；

則可計(jì)算出D≥4.78mm；

則對(duì)應(yīng)最小軸徑為：D≥4.78mm，本項(xiàng)目選取軸徑為15mm，完全符合要求。

2.2氣缸選擇：

根據(jù)軸計(jì)算部分可以得到，氣缸需要提供的拉力有兩部分：克服導(dǎo)軌的摩擦力F1和拉動(dòng)烘干架的拉力F2。

則氣缸需要提供的力為：

考慮1.5的安全系數(shù)，則需要提供拉力為91.25N。

手爪位置距抓取點(diǎn)距離d=198.5mm。則氣缸所需行程至少為198.5mm（手爪收縮距離）根據(jù)氣缸資料，最接近198.5且大于198.5的是200mm行程的。

綜上，選擇亞德客標(biāo)準(zhǔn)氣缸系列SI 63 x 200。空氣壓力為0.2MPa時(shí)，拉側(cè)力為329.8N，押側(cè)力為392.6N。

2.3電機(jī)選擇：

設(shè)備中采用的是步進(jìn)電機(jī)，此處須計(jì)算步進(jìn)電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩。圖7是手爪插件和轉(zhuǎn)動(dòng)手爪的基座的裝配圖。

圖7　手爪基座和插件的裝配圖

用SolidWorks中的質(zhì)量屬性對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果如圖8所示。

圖8　手爪的質(zhì)量屬性計(jì)算結(jié)果

圖8中，Iz的慣性主矩的輸出坐標(biāo)是手爪的重心。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的平行移軸公式，可以得到：

則每個(gè)手爪相對(duì)于所對(duì)應(yīng)的軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

手爪需要轉(zhuǎn)過的角度為π/2，需要的時(shí)間為1秒，其中半秒勻速，前1/4秒加速，最后1/4秒減速。則，加速度為：（2*PI）/s2。

則每個(gè)手爪需要的扭矩為：0.015309N.m。

則兩個(gè)手爪需要的扭矩為：0.015309N.m×2=0.030619N.m。

取安全系數(shù)為2，則需要選擇的電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0.061238N.m。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有器材，選擇一扭矩為1N.m的步進(jìn)電機(jī)，完全符合轉(zhuǎn)矩要求。

3　電氣回路部分

3.1PLC控制設(shè)計(jì)

可編程邏輯控制器（PLC）是一種專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算操作的電子控制裝置。由于其具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)；配套齊全、功能完善、適用性強(qiáng)；編程簡單；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低；人機(jī)交互界面友好等特性而廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)[4]。本文選用西門子S7-200系列PLC對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。信號(hào)輸入端有四個(gè)，分別為：光電開關(guān)、2個(gè)微動(dòng)開關(guān)和霍爾接近開關(guān)。

其中，光電開關(guān)是用來檢測(cè)烘干架的到達(dá)，2個(gè)微動(dòng)開關(guān)用來判斷手爪是否到達(dá)張開位置，霍爾接近開關(guān)是用來判斷手爪是否到達(dá)閉合位置。

信號(hào)輸出端輸出給三部分：步進(jìn)電機(jī)（用來控制脈沖和電機(jī)正反轉(zhuǎn)）、三位五通電磁閥（控制氣缸活塞的伸縮）、電磁閥（用來控制電磁鐵的開啟和關(guān)閉）。

PLC接線圖如圖9所示。

圖9　PLC接線圖

3.2氣路控制設(shè)計(jì)

如圖10所示，氣路部分由氣源提供壓縮空氣，經(jīng)過氣源三聯(lián)件到達(dá)三位五通閥電磁閥，再通過兩個(gè)單向節(jié)流閥，最終到達(dá)氣缸。

初始狀態(tài)時(shí)，電磁閥的左端處于接通狀態(tài)，使氣缸左側(cè)得到壓縮空氣，氣缸活塞伸出。

手爪閉合后，電磁閥的右端處于接通狀態(tài)，使氣缸右側(cè)得到壓縮空氣，氣缸活塞縮回。

圖10　氣路圖

其中氣源三聯(lián)件包括過濾器、減壓閥和油霧器。過濾器用于清潔氣源，可過濾壓縮空氣中的水份，避免水份隨氣體進(jìn)入裝置。減壓閥可對(duì)氣源進(jìn)行穩(wěn)壓，使氣源處于恒定狀態(tài)，可減小因氣源氣壓突變時(shí)對(duì)閥門或執(zhí)行器等硬件的損傷。油霧器可對(duì)機(jī)體運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行潤滑，可以對(duì)不方便加潤滑油的部件進(jìn)行潤滑，大大延長機(jī)體的使用壽命[5]。

兩個(gè)單向節(jié)流閥可以防止氣缸的出氣端出氣速度太快，從而避免氣缸活塞與外殼的沖擊，可以增加氣缸壽命、減少工作噪音。

4　結(jié)論

輪轂在噴粉線和烘干線之間轉(zhuǎn)線工作強(qiáng)度大，在對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化改造中，烘干架的固定是非常重要的一部分。

本文中的設(shè)備用電機(jī)帶動(dòng)手爪抓取烘干架，用氣缸拉動(dòng)，再用電磁鐵吸附，實(shí)現(xiàn)手爪、電磁鐵、鉸接點(diǎn)三點(diǎn)固定，可以在較短時(shí)間內(nèi)讓烘干架處于穩(wěn)定狀態(tài)，方便輪轂的擺放。

[1] 王巨光.中國鋁合金輪轂生產(chǎn)自動(dòng)化勢(shì)在必行[J].2012,40(4).

[2] 濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].8版.高等教育出版社,2006.

[3] 單輝祖.材料力學(xué)教程[M].國防工業(yè)出版社,1982,156.

[4] 張桂苓.淺談現(xiàn)代PLC的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)[J].自動(dòng)化博覽,2003,2:66-67.

[5] 潘敏輝.氣動(dòng)三聯(lián)件組件的工作原理及主要性能指標(biāo)[J].廣西輕工業(yè),2011,09:76-77.

Design and implementation of hub drying line fixing device

SHI Lin-feng

TP23

B

1009-0134(2016)02-0147-05

2015-12-09

石林峰（1991 -），男，江蘇南通人，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與控制。