瓷磚打包生產(chǎn)線(xiàn)中翻轉(zhuǎn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模態(tài)分析*

劉 波，趙玉剛

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

瓷磚打包生產(chǎn)線(xiàn)中翻轉(zhuǎn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模態(tài)分析*

劉 波，趙玉剛

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

針對(duì)AES瓷磚打包生產(chǎn)線(xiàn)中翻轉(zhuǎn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在SolidWorks中進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后利用SolidWorks與Ansys Workbench之間的無(wú)縫連接，將模型數(shù)據(jù)輸入到Ansys Workbench中對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行無(wú)約束條件下的有限元自由模態(tài)分析，求解得出翻轉(zhuǎn)機(jī)的多階固有頻率和振型特征，根據(jù)求解結(jié)果對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，找到了翻轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)態(tài)性能的敏感區(qū)域，得出翻轉(zhuǎn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足基本設(shè)計(jì)要求，同時(shí)為進(jìn)一步對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了良好的技術(shù)支持。

翻轉(zhuǎn)機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；模態(tài)分析

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，工業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化程度越來(lái)越高，自動(dòng)化控制在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中逐漸普及，越來(lái)越多的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)隨之出現(xiàn)。尤其是在瓷磚打包行業(yè)，伴隨著人工成本的不斷提高以及工人在施工過(guò)程中的安全保障越來(lái)越重要，自動(dòng)化打包生產(chǎn)線(xiàn)已經(jīng)成為瓷磚行業(yè)的一種發(fā)展趨勢(shì)。AES型瓷磚打包生產(chǎn)線(xiàn)就是一條集自動(dòng)疊磚、自動(dòng)包角、自動(dòng)打包、自動(dòng)碼垛于一體的全自動(dòng)瓷磚打包生產(chǎn)線(xiàn)。

翻轉(zhuǎn)機(jī)作為此生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的關(guān)鍵，怎樣使瓷磚連續(xù)、平穩(wěn)的實(shí)現(xiàn)90°翻轉(zhuǎn)是翻轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，作為自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中不可或缺的輔助設(shè)備，翻轉(zhuǎn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤為重要，此外，翻轉(zhuǎn)機(jī)在工作過(guò)程中，在內(nèi)部和外部激勵(lì)的作用下將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，其動(dòng)態(tài)性能對(duì)作業(yè)有著重要影響。為了使翻轉(zhuǎn)機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)要求系統(tǒng)具有一定的固有頻率和振型，并且可以避開(kāi)工作頻率。利用Ansys對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)進(jìn)行有限元模態(tài)分析能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和性能做出完整的評(píng)估，還可以減少設(shè)計(jì)成本的投入。

根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)的作業(yè)環(huán)境和受力情況，對(duì)翻轉(zhuǎn)機(jī)進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足基本要求，利用Solidwork建立翻轉(zhuǎn)機(jī)的三維模型，并利用Ansys Workbench對(duì)其進(jìn)行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，得出翻轉(zhuǎn)機(jī)的固有頻率和振型，找到動(dòng)態(tài)性能敏感區(qū)域，證明設(shè)計(jì)滿(mǎn)足基本設(shè)計(jì)要求，同時(shí)為機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方向。

1 翻轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)計(jì)要求

由于瓷磚的大小規(guī)格不等，本文就以大小為1000×1000的瓷磚為例。翻轉(zhuǎn)機(jī)每次翻轉(zhuǎn)瓷磚的數(shù)量是3包，每包裝有2片瓷磚，每片瓷磚的重量大約是10kg。這就要求翻轉(zhuǎn)機(jī)不僅可以連續(xù)平穩(wěn)的進(jìn)行90°翻轉(zhuǎn)工作，還要具有較強(qiáng)的承載能力，才能保證生產(chǎn)線(xiàn)的正常生產(chǎn)。翻轉(zhuǎn)機(jī)模型如圖1所示。

圖1 翻轉(zhuǎn)機(jī)模型

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 工作原理

所設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由底座、減速電機(jī)、傳動(dòng)軸、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輥?zhàn)?、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)6個(gè)主要部分組成。底座用于與地基固定和支撐翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，減速電機(jī)、主軸為翻轉(zhuǎn)機(jī)的作業(yè)提供動(dòng)力，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要包括翻轉(zhuǎn)底座和翻轉(zhuǎn)托架，翻轉(zhuǎn)托架則是為了在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)瓷磚進(jìn)行裝夾，降低在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中瓷磚的破損率，輥?zhàn)幽苁勾纱u在傳送過(guò)程中平穩(wěn)并減少對(duì)傳送軌道的磨損，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)使翻轉(zhuǎn)機(jī)在動(dòng)力軸的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)90°翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在0°位置時(shí)，由傳送裝置將瓷磚輸送到翻轉(zhuǎn)機(jī)位置，通過(guò)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的翻轉(zhuǎn)托架對(duì)瓷磚進(jìn)行裝夾，然后由減速電機(jī)帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)翻轉(zhuǎn)，在90°位置，機(jī)械手完成對(duì)瓷磚的裝夾并進(jìn)行碼垛裝車(chē)作業(yè)，翻轉(zhuǎn)機(jī)恢復(fù)0°，重新裝夾瓷磚，繼續(xù)作業(yè)，重復(fù)以上步驟，即可完成瓷磚的碼垛裝車(chē)作業(yè)。

1.底座 2.減速電機(jī) 3.傳動(dòng)軸 4.翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 5.輥?zhàn)?6.曲柄搖桿組件圖2 翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能夠在保證生產(chǎn)質(zhì)量的同時(shí)縮短制作周期、降低生產(chǎn)成本，減速電機(jī)借用溫州速安傳動(dòng)機(jī)械有限公司的NMRV050型減速電機(jī)。底座和翻轉(zhuǎn)托架的主體結(jié)構(gòu)采用Q235焊接而成，既保證了強(qiáng)度，又降低了工裝的整體質(zhì)量，底座采用了H型結(jié)構(gòu)，這樣能夠有效的在保證工裝強(qiáng)度的同時(shí)增大與地面的接觸面積，從而提高機(jī)械作業(yè)的平穩(wěn)性、安全性。主動(dòng)軸和曲柄搖桿為了保證加工質(zhì)量由公司自己加工，采用40CrMo并調(diào)質(zhì)至28-32HRC，并在表面進(jìn)行氮化處理，充分保證了強(qiáng)度。輥?zhàn)虞S心材料為45鋼，外部由高強(qiáng)度塑料包裹，保證強(qiáng)度的同時(shí)，降低工裝的整體質(zhì)量，降低瓷磚對(duì)軌道的沖擊，提高操作的便捷性。

3 翻轉(zhuǎn)機(jī)幾何模型的建立

在進(jìn)行翻轉(zhuǎn)機(jī)的模態(tài)分析之前，首先要建立翻轉(zhuǎn)機(jī)有限元分析的模型，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，不可能考慮到所有的復(fù)雜情況，所以在保證計(jì)算結(jié)果正確的基礎(chǔ)上經(jīng)常會(huì)對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，一方面降低了計(jì)算成本、縮短了計(jì)算時(shí)間，另一方面在一定程度上提高了科研效率。

翻轉(zhuǎn)機(jī)的有限元分析模型是通過(guò)SolidWorks建立的，因?yàn)锳nsys軟件自帶的建模模塊操作性能上不如SolidWorks、UG等專(zhuān)業(yè)建模軟件。模型建立以后，怎樣將模型導(dǎo)入Ansys有限元分析軟件，現(xiàn)在主要有兩種方法：一種是將建立好的模型在軟件中保存為X_T格式后再輸入到Ansys中，另一種是通過(guò)Ansys Workbench與SolidWorks的無(wú)縫連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，本文采用的是后者，因?yàn)榍罢咴跀?shù)據(jù)交換的過(guò)程中容易造成元素丟失，進(jìn)而影響到網(wǎng)格的劃分，而后者則可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，能夠有效的提高容錯(cuò)率。其簡(jiǎn)化模型如圖3所示。

圖3 翻轉(zhuǎn)機(jī)簡(jiǎn)化模型

4 翻轉(zhuǎn)機(jī)有限元分析

4.1 有限元分析理論

利用蘭索斯法對(duì)機(jī)構(gòu)的固有頻率和振型進(jìn)行求解，求解系統(tǒng)的固有頻率和振型參數(shù)，無(wú)阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程為：

[M]{X″}+[K]{X}=0

(1)

其對(duì)應(yīng)的特征方程為：

(K-ω2M){X}=0

(2)

式中：[M]、[K]—質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，{X″}、{X}—結(jié)構(gòu)的加速度向量和位移向量，ω—自由振動(dòng)固有頻率，求解式(2)，即得系統(tǒng)的固有頻率和振型。

4.2 網(wǎng)格劃分

系統(tǒng)模型導(dǎo)入Ansys Workbench后，首先要對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量會(huì)直接影響到模型分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。網(wǎng)格劃分單元采用SOLID187單元系統(tǒng)劃分網(wǎng)格共生成173256個(gè)節(jié)點(diǎn)，88140個(gè)單元，劃分后網(wǎng)格模型如圖4所示。系統(tǒng)各部件的材料性能參數(shù)，如表1所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

表1 材料性能參數(shù)

4.3 模態(tài)分析結(jié)果

由于翻轉(zhuǎn)機(jī)在工作時(shí)要完成從水平到豎直90°的翻轉(zhuǎn)，所以系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性對(duì)于生產(chǎn)線(xiàn)的連續(xù)作業(yè)非常重要。本文進(jìn)行的對(duì)于系統(tǒng)的有限元分析是在不加任何約束條件下的自由模態(tài)分析，自由模態(tài)反映了系統(tǒng)本身的固有特性和頻率。自由模態(tài)分析時(shí)，低階模態(tài)對(duì)于振動(dòng)系統(tǒng)的影響較大，所以本文利用Ansys Workbench只對(duì)系統(tǒng)的前7階次模態(tài)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示系統(tǒng)在無(wú)約束邊界條件下的前3階次模態(tài)接近于零，即所謂的剛體模態(tài)。我們需要研究的是系統(tǒng)具有的固有特性和頻率，所以真正有研究?jī)r(jià)值的模態(tài)是從第4階次開(kāi)始的模態(tài)。本文提取計(jì)算結(jié)果的前4階次非零模態(tài)進(jìn)行分析，其前4階次非零模態(tài)的固有頻率和最大變形值如表2所示。前4階次非零模態(tài)振型，如圖5所示。

表2 翻轉(zhuǎn)機(jī)前4階頻率及最大變形值

由系統(tǒng)的振型圖和動(dòng)畫(huà)演示可以得出以下結(jié)論：前3階次振型圖表現(xiàn)出系統(tǒng)的變形量比較小，振幅整體比較??；4階振型表現(xiàn)為在X軸的平移振動(dòng)，系統(tǒng)的變形量和振幅普遍較大，其中振幅最大的地方出現(xiàn)在L型翻轉(zhuǎn)托架上。由于系統(tǒng)選用的NMRV050型減速電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為750r/min，相應(yīng)的頻率為12.5Hz，由表2可知系統(tǒng)的固有頻率計(jì)算結(jié)果可知，系統(tǒng)的最低諧次頻率大于系統(tǒng)在電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的基頻，因此，系統(tǒng)在作業(yè)狀態(tài)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。得出翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有良好的動(dòng)態(tài)特性，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(a)第1階振型

(b)第2階振型

(c)第3階振型

(d)第4階振型圖5 系統(tǒng)前4階振型圖

5 結(jié)論

本文首先針對(duì)瓷磚自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)碼垛裝車(chē)時(shí)需要對(duì)瓷磚進(jìn)行水平到豎直的90°翻轉(zhuǎn)作業(yè)進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)利用SolidWorks強(qiáng)大的基于特征的建模功能進(jìn)行了實(shí)體建模，然后對(duì)系統(tǒng)在Ansys Workbench中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了無(wú)約束條件下的自由模態(tài)分析，在Ansys Workbench中利用軟件強(qiáng)大的計(jì)算能力和圖像顯示功能求得系統(tǒng)的固有頻率和振型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的動(dòng)態(tài)性能，且系統(tǒng)的固有頻率都在傳動(dòng)系統(tǒng)的共振區(qū)外，說(shuō)明翻轉(zhuǎn)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為合理。翻轉(zhuǎn)機(jī)在投入到實(shí)際生產(chǎn)后，大大提高了瓷磚自動(dòng)打包生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)效率，大大降低了碼垛、裝車(chē)過(guò)程中勞力投入。

[1] Wenya Li,Yan Zheng.The Modal Analysis of Turbine Rotor Based on Application of ANSYS Software[A]. Proceedings of 2015 5th International Conference on Information Engineering for Mechanics and Materials(ICIMM 2015), 2015.

[2] XIA Lian,HU Chunyang,HAN Jiang.Static and modal analyzing for the working table components of a machining center in ANSYS[J]. Computer Aided Drafting,Design and Manufacturing,2012,22(2):59-62.

[3] 周孜亮,王貴飛,叢明. 基于ANSYS Workbench的主軸箱有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2012(3):17-20.

[4] 巫少龍,張?jiān)? 基于ANSYS Workbench的高速電主軸動(dòng)力學(xué)特性分析[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2010(9):20-22,26.

[5] 張明,何慶中,王志鵬,等. 關(guān)節(jié)型碼垛機(jī)器人的工作空間分析[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2013(7):68-70,74.

[6] 褚金錢(qián),徐方. 基于Solidworks與Matlab的碼垛機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2013(9):28-31.

[7] 姚猛,韓寶玲,羅慶生,等. 工業(yè)碼垛機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2011(5):31-33,37.

[8] 李曉剛,劉晉浩. 碼垛機(jī)器人的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策[J]. 包裝工程,2011(3):96-102.

[9] 代繼義,王占軍,蔡天賜. 高壓乳化液泵殼體有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(9):55-57,61.

[10] 代繼義,趙玉剛,王占軍,等. 基于SolidWorks與ANSYS的高壓乳化液泵曲軸力學(xué)特性分析[J]. 機(jī)床與液壓,2015,43(7):152-156.

(編輯李秀敏)

OverallStructureDesignandModalAnalysisofTurnoverMachineinTilePackagingProductionLine

LIU Bo, ZHAO Yu-gang

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China)

Designed for the overall structure of the flip-flop in the AES Tile Packaging Line and 3D solid modeling in SolidWorks, then use the seamless connection between SolidWorks and Ansys Workbench to import the model data into the Ansys Workbench. The finite element free mode analysis of the model is carried out under the unconstrained condition, and the multi-step natural frequency and mode characteristics of the turning machine are obtained. Based on the analysis results, the whole structure of the flip machine is analyzed, and the sensitive area of the flip machine dynamic performance is found , In order to further improve the overall structure of the flip and optimize the design provides a good technical support.

flip machine; structural design; modal analysis

TH122;TG66

：A

1001-2265(2017)09-0136-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.035

2017-05-08；

：2017-05-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51375285)

劉波(1993—)，男，濟(jì)南人，山東理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化及數(shù)控技術(shù)，(E-mail)932806901@qq.com；通訊作者：趙玉剛(1964—)，男，山東淄博人，山東理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、機(jī)電一體化與特種加工，(E-mail)zhaoyg9289@126.com。