硫化機(jī)機(jī)械手振動(dòng)控制研究及設(shè)計(jì)改進(jìn)

雷海波，王時(shí)敏

(山河智能裝備有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

隨著世界“工業(yè)4.0”及“中國(guó)智造2025”戰(zhàn)略的升級(jí)，各大輪胎廠都將如何提高生產(chǎn)線自動(dòng)化程度作為未來(lái)工作的重中之重。輪胎硫化機(jī)作為輪胎工業(yè)生產(chǎn)中最重要的工藝設(shè)備之一，其自動(dòng)化程度直接影響輪胎廠生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，而其裝胎機(jī)械手的先進(jìn)性、穩(wěn)定性及自動(dòng)化水平則是制約輪胎硫化機(jī)自動(dòng)化水平的關(guān)鍵因素。郭良剛等為了提高裝胎機(jī)械手的精度，開(kāi)發(fā)了電動(dòng)變頻機(jī)械手[1]。旺明等對(duì)硫化機(jī)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，采用電動(dòng)擺臺(tái)調(diào)整機(jī)械爪，提高重復(fù)對(duì)中精度及自動(dòng)化水平[2]。

輪胎硫化機(jī)裝胎機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因慣性存在一定的振動(dòng)，嚴(yán)重影響效率及抓胎爪片的對(duì)中精度。而關(guān)于裝胎機(jī)械手振動(dòng)控制方面鮮有研究。本工作主要從理論上研究裝胎機(jī)械手上氣缸安裝位置、緩沖機(jī)構(gòu)對(duì)振動(dòng)控制的影響，同時(shí)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，驗(yàn)證理論分析的正確性。

1 裝胎機(jī)械手簡(jiǎn)介

以某型號(hào)輪胎定型硫化機(jī)為研究對(duì)象，輪胎硫化機(jī)裝胎機(jī)械手示意圖見(jiàn)圖1所示，主要包括機(jī)械爪、轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出氣缸、機(jī)械臂、升降支架等。其功能為把輪胎生坯抓起，然后轉(zhuǎn)到與輪胎硫化機(jī)中心機(jī)構(gòu)同軸位置，將生胎套入硫化膠囊中，并且能在生胎定型過(guò)程中起定位導(dǎo)向作用[3]。

輪胎硫化機(jī)裝胎機(jī)械手轉(zhuǎn)進(jìn)轉(zhuǎn)出用氣缸缸徑d1為80 mm，氣體壓力P為0.7 MPa，活塞桿直徑d2為25 mm，則活塞桿伸出時(shí)氣缸提供的推力F及活塞桿縮回時(shí)氣缸提供的推力F′分別為：

圖1 輪胎硫化機(jī)裝胎機(jī)械手示意圖

2 裝胎機(jī)械手振動(dòng)控制分析

輪胎硫化機(jī)裝胎機(jī)械手振動(dòng)影響因素較多，主要包括氣缸減震設(shè)計(jì)及選型、限位及緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣缸與機(jī)械臂安裝角度等。由于氣缸已定型，故本研究主要從氣缸安裝位置、緩沖機(jī)構(gòu)方面進(jìn)行分析。

2.1 氣缸安裝位置對(duì)振動(dòng)控制影響

圖2為優(yōu)化的氣缸安裝位置與轉(zhuǎn)臂受力關(guān)系示意圖，當(dāng)氣缸支點(diǎn)在轉(zhuǎn)臂起點(diǎn)和轉(zhuǎn)臂終點(diǎn)連線延長(zhǎng)線上時(shí)，氣缸在起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置提供給轉(zhuǎn)臂的力相等，且最大，以保證機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)具有足夠的起始推力。整個(gè)行程中其他位置氣缸提供的力均大于起點(diǎn)和終點(diǎn)位置。

回程時(shí)氣缸提供的起始和最終推力F2為 :

圖2 氣缸安裝位置與轉(zhuǎn)臂受力關(guān)系示意圖

假設(shè)機(jī)械手質(zhì)量m為350 kg（包括輪胎），轉(zhuǎn)臂行程為θ=94°，轉(zhuǎn)臂從起點(diǎn)到終點(diǎn)需要時(shí)間t1=3 s，則轉(zhuǎn)臂平均角速度ω為：

轉(zhuǎn)臂從靜止達(dá)到角速度ω所需時(shí)間t2為0.5 s，機(jī)械爪重心到轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)距離r=0.8 m，轉(zhuǎn)臂l=0.26 m（根據(jù)氣缸行程380 mm計(jì)算得），轉(zhuǎn)動(dòng)軸承摩擦力產(chǎn)生力矩忽略不計(jì)，計(jì)算得機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)所需最小推力Fmin為：

根據(jù)前面計(jì)算，80 mm缸徑氣缸去程及回程時(shí)氣缸提供的垂直轉(zhuǎn)臂的最小推力F1=2 399 N 、F2=2 164 N，均大于機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)所需最小推力1 421.6 N，滿(mǎn)足使用要求。

2.2 緩沖機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)械手振動(dòng)控制影響

裝胎機(jī)械手使用的緩沖形式可以概括為3類(lèi)：擺動(dòng)式緩沖機(jī)構(gòu)、拉桿式單緩沖機(jī)構(gòu)以及拉桿式雙緩沖機(jī)構(gòu)。擺動(dòng)式緩沖機(jī)構(gòu)因碰撞瞬間作用力很大，使用壽命較短；拉桿式單緩沖機(jī)構(gòu)的拉桿在轉(zhuǎn)出位時(shí)受拉力，在轉(zhuǎn)入位時(shí)受推力，2個(gè)緩沖器在滑塊上必須反向安裝，而且是獨(dú)立工作，這樣滑塊只有一邊受力，對(duì)滑塊的軸以及拉桿都會(huì)產(chǎn)生額外的扭矩，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用壽命。拉桿式雙緩沖機(jī)構(gòu)的拉桿在轉(zhuǎn)出位和轉(zhuǎn)入位都受拉力，2個(gè)緩沖器在滑塊上同向?qū)ΨQ(chēng)安裝，同時(shí)工作，使滑塊受力對(duì)稱(chēng)，不會(huì)產(chǎn)生額外的扭矩，滑塊的軸以及拉桿的受力情況都會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于拉桿式單緩沖結(jié)構(gòu)。

圖3為優(yōu)化的拉桿式雙緩沖機(jī)構(gòu)原理圖，當(dāng)緩沖器拉桿支點(diǎn)移到轉(zhuǎn)臂運(yùn)動(dòng)軌跡的外面，且拉桿上力的方向與旋轉(zhuǎn)速度的方向共線并相反時(shí)，拉桿上的力可以全部用作有效力（機(jī)械手的緩沖、減速），此時(shí)拉桿、旋轉(zhuǎn)軸、緩沖器等受力是最優(yōu)、最小的，2個(gè)緩沖器同時(shí)吸能，可以選用較小型號(hào)的緩沖器。圖4為優(yōu)化的拉桿式雙緩沖機(jī)構(gòu)三維模型。

圖3 拉桿式雙緩沖機(jī)構(gòu)原理圖

圖4 拉桿式雙緩沖三維軸側(cè)視圖

氣缸提供的垂直作用力F1=2 399 N，機(jī)械爪重心到轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)距離r=800 mm，角速度ω=0.55 rad/s，假設(shè)緩沖器行程s=16 mm，則轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能Ek為：

作用在緩沖器上的力f為：

做功能量Ew為：

機(jī)械手總能量E總為：

同時(shí)使用2個(gè)緩沖器，則單個(gè)緩沖器需要吸收的能量E單為 ：

設(shè)計(jì)所選緩沖器最大單次吸收能量必須大于計(jì)算的E單值，一般取安全系數(shù)1.2，建議選用韓國(guó)KOBA的KMA20-16LV型號(hào)緩沖器（Etmax=61 N.m）或其他品牌Etmax大于54 N.m的緩沖器。

3 結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)上述理論分析結(jié)果，對(duì)該型號(hào)輪胎硫化機(jī)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，在其他結(jié)構(gòu)不變的前提下，將氣缸支點(diǎn)設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)臂起點(diǎn)和轉(zhuǎn)臂終點(diǎn)連線延長(zhǎng)線上，并設(shè)計(jì)新的拉桿式雙緩沖機(jī)構(gòu)，確保拉桿上力的方向與旋轉(zhuǎn)速度的方向共線并相反，試制一套裝胎機(jī)械手并投入試用，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的機(jī)械手振幅很小，較原機(jī)械手有很大改進(jìn)，得到客戶(hù)的高度認(rèn)可。

4 結(jié)論

當(dāng)氣缸支點(diǎn)在轉(zhuǎn)臂起點(diǎn)和轉(zhuǎn)臂終點(diǎn)連線延長(zhǎng)線上時(shí)，氣缸在起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置提供給轉(zhuǎn)臂的力相等，且最大，以保證機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)具有足夠的起始推力。

當(dāng)緩沖器拉桿支點(diǎn)移到轉(zhuǎn)臂運(yùn)動(dòng)軌跡的外面，且拉桿上力的方向與旋轉(zhuǎn)速度的方向共線并相反時(shí)，拉桿上的力可以全部用作有效力，緩沖效果最好。

[1] 郭良剛，張曉琳，宋瑞華，等．機(jī)械雙模硫化機(jī)電動(dòng)變頻機(jī)械手的研制開(kāi)發(fā)[J]．橡塑技術(shù)與裝備，2016(42):37～38．

[2] 汪明，李新勝，王鵬．?dāng)?shù)字化調(diào)整在硫化機(jī)機(jī)械手上的應(yīng)用[J]．橡塑技術(shù)與裝備，2014(40):35～37．

[3] 呂柏源，洛少寧，何月梅，等．橡膠機(jī)械(上冊(cè))[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014:1 021．