高速輸送輥床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

趙金鳳

【摘 要】高速輸送輥床以其模塊化的設(shè)計(jì)、高強(qiáng)度同步帶傳動(dòng)以及簡(jiǎn)易的維護(hù)保養(yǎng)的特點(diǎn)，滿足產(chǎn)線高節(jié)拍、高效率、低維護(hù)的設(shè)備需求。面對(duì)國(guó)外高端產(chǎn)品的激烈競(jìng)爭(zhēng)，這就需要我們加快自動(dòng)化裝備的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，助力高端裝備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。

【關(guān)鍵詞】高速輸送;輥床;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TS203文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）14-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.006

Structural Design and Simulation of High Speed Conveyor Roller

ZHAO Jin-feng

（Shanghai Guanzhi Industrial Automation Co.， Ltd.， Shanghai 201700， China）

【Abstract】High-speed conveyor roller bed with its modular design， high-strength synchronous belt transmission and simple maintenance features， to meet the production line high rhythm， high efficiency， low maintenance equipment requirements. Facing the fierce competition of foreign high-end products， we need to speed up the development of automation equipment and help the localization process of high-end equipment.

【Key words】High-speed conveying; Roller bed; Structure design

0 前言

高速輸送輥床研發(fā)的目的是：結(jié)合項(xiàng)目建設(shè)技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)負(fù)載、節(jié)拍、工位間距、工件輸送高度等技術(shù)參數(shù)，初步完成高速輥床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)研究高速輥床的動(dòng)力學(xué)曲線和核心部件的性能有限元，為高速輥床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)支持，并將高速輥床進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

1 高速輸送輥床的組成及工作原理

1.1 高速輸送輥床的組成

高速輸送輥床主要由底部框架、升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)三大部分組成。

底部框架機(jī)構(gòu)是輥床上部裝置的安裝BASE，其焊接質(zhì)量和安裝面的加工精度直接影響框架的焊接強(qiáng)度和安裝精度。為了便于設(shè)備的后續(xù)安裝調(diào)試，該單元設(shè)計(jì)有低位機(jī)械限位機(jī)構(gòu);電機(jī)安裝面設(shè)計(jì)有定位支撐板;地腳板可以通過(guò)焊塊進(jìn)行上下調(diào)節(jié)。

升降機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)框架升降。驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)安裝在高精度的底部框架上，由電機(jī)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)同時(shí)作用，達(dá)到前后搖臂同步旋轉(zhuǎn)，在升降過(guò)程中，上部框架由3組進(jìn)口導(dǎo)向副進(jìn)行X、Y向精確導(dǎo)向，在豎直導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作用下，將搖臂圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為豎直升降，實(shí)現(xiàn)輥床上部框架的前后同步升降。

該曲柄連桿機(jī)構(gòu)在90°旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，存在兩個(gè)機(jī)械極點(diǎn)位置，使得框架分別達(dá)到最高位和最低位，也即輥床設(shè)計(jì)的升降行程。

高速輥床的水平傳動(dòng)原理是滾動(dòng)摩擦原理。通過(guò)SEW電機(jī)，帶動(dòng)串聯(lián)的雙排同步帶輪驅(qū)動(dòng)輸送滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，輸送滾輪采用包膠輪，提供滾動(dòng)摩擦力，驅(qū)動(dòng)滑橇向前運(yùn)動(dòng)。電機(jī)布置在水平傳動(dòng)單元的中心位置，使得該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)，傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 高速輸送輥床的工作原理

高速輸送輥床主要由升降運(yùn)動(dòng)和水平運(yùn)動(dòng)兩部分組成：

升降運(yùn)動(dòng)原理：利用連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降，在電機(jī)軸的帶動(dòng)下，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連桿傳動(dòng)，帶動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)搖臂頂端沿上部框架軌道滑動(dòng)，在豎直導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作用下，將搖臂圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為豎直升降，即上部框架隨搖臂的旋轉(zhuǎn)而上升下降。

水平運(yùn)動(dòng)原理：利用滾動(dòng)摩擦原理，電機(jī)通過(guò)同步帶，驅(qū)動(dòng)串聯(lián)同步帶輪組帶動(dòng)臺(tái)面框架上其它輥輪組旋轉(zhuǎn)。利用滑橇與輥輪組接觸面上產(chǎn)生的滾動(dòng)摩擦力驅(qū)動(dòng)滑橇水平運(yùn)動(dòng)。

2 高速輸送輥床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 輸送輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸送輥采用一體式結(jié)構(gòu)，同步帶輪、套筒、鋼制滾輪加工后采用局部焊接成型，保證輸送輥的裝配精度和剛度;鋼制滾輪采用擋邊式結(jié)構(gòu)，對(duì)滑橇起粗導(dǎo)向作用;采用一體式包膠，保證輸送輥的同心度。

2.2 水平機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)劃和工藝要求，確定輥床的設(shè)計(jì)參數(shù)：工位長(zhǎng)度6000mm，負(fù)載約為750kg（車身m1+滑橇重量m2），水平輸送節(jié)拍在6.5s以內(nèi)完成（考慮到電機(jī)反應(yīng)延遲等因素影響，設(shè)計(jì)時(shí)間要比規(guī)劃時(shí)間小一些），滾輪直徑為135mm，然后合理的分配水平運(yùn)動(dòng)中的加速時(shí)間t1、勻速時(shí)間t2、減速時(shí)間t3，使得電機(jī)功率和制動(dòng)扭矩大小滿足要求。

以t1=2.5s，t2=2.5s，t3=1.5s為例，根據(jù)以上已經(jīng)條件，計(jì)算得出滑橇的加速度a=0.53m/s2，vmax=1.33m/s，電機(jī)選型功率P=2.2kw，減速比i=8.01。

2.3 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際技術(shù)要求，如升降循環(huán)時(shí)間、負(fù)載、行程、工位間距等參數(shù)，初步確定升降機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，升降機(jī)構(gòu)采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，前后搖臂之間利用平行四邊形機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)等速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)輥床臺(tái)面同步升降。

3 高速輸送輥床的性能分析

本項(xiàng)目采用ADAMS樣機(jī)仿真法研究連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和各個(gè)零部件的運(yùn)動(dòng)曲線圖。根據(jù)三維模型，對(duì)連桿仿真機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，并在轉(zhuǎn)軸支撐處施加相應(yīng)的約束、施加作用載荷，給曲柄設(shè)置一定的角速度，再對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，后處理模塊會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)仿真結(jié)果，啟動(dòng)測(cè)量模塊，就會(huì)自動(dòng)輸出各個(gè)零件的力、力矩等變化曲線圖，根據(jù)曲線圖得到連桿機(jī)構(gòu)的受力薄弱點(diǎn)。

結(jié)合ADAMS曲線輸出結(jié)果，后續(xù)采用ANSYS軟件對(duì)升降機(jī)構(gòu)中結(jié)構(gòu)薄弱零件進(jìn)行性能分析，比如搖臂是連桿機(jī)構(gòu)是受力最大的核心零件，進(jìn)行強(qiáng)度校核和疲勞壽命、使用安全系數(shù)分析等。

3.1 升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的核心問(wèn)題就是建模和求解。根據(jù)三維數(shù)模，對(duì)升降機(jī)構(gòu)仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入到 ADAMS分析軟件中，利用ADAMS仿真軟件[1-2]，獲得升降機(jī)構(gòu)各零件之間的相互作用力以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)輸出曲線特征，分析主要零部件的強(qiáng)度、疲勞壽命和安全系數(shù)等，查找機(jī)構(gòu)的薄弱區(qū)域，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.1.1 模型簡(jiǎn)化

由于ADAMS軟件在計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理方面功能強(qiáng)大，但是其建模模塊相對(duì)較弱，因此需要在CATIA軟件中進(jìn)行簡(jiǎn)化，測(cè)量出連桿機(jī)構(gòu)的位置參數(shù)表，根據(jù)位置參數(shù)表、連桿幾何體的質(zhì)量、質(zhì)心位置等參數(shù)，對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行等價(jià)簡(jiǎn)化建模，簡(jiǎn)化后的模型能有效地提高仿真效率，同時(shí)保證仿真結(jié)果的有效性。

機(jī)構(gòu)建模仿真的步驟：首先設(shè)置各個(gè)部件的材料屬性，然后根據(jù)各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件約束之間的關(guān)系規(guī)律，添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副關(guān)系，如曲柄與地面之間、曲柄與連桿之間、連桿與搖臂之間、搖臂與地面之間等添加鉸接副或移動(dòng)副。

3.1.2 升降機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

在完成建模后，為了計(jì)算出機(jī)構(gòu)中各個(gè)部件之間的相互作用力，直觀清晰地展示動(dòng)力學(xué)曲線分析結(jié)果。升降過(guò)程設(shè)計(jì)參數(shù)：假設(shè)曲柄勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為72deg/s，搖臂3.5s內(nèi)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°上升到位，3.5s內(nèi)逆時(shí)針回轉(zhuǎn)90°下降到位，機(jī)構(gòu)仿真的具體步驟如下：

（1）設(shè)置各個(gè)部件的材料屬性

（2）在各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件之間添加運(yùn)動(dòng)副關(guān)系

（3）添加負(fù)載等邊界條件

（4）添加源驅(qū)動(dòng)，設(shè)置驅(qū)動(dòng)類型和運(yùn)動(dòng)特性

（5）開(kāi)啟Simulation模塊，設(shè)置仿真時(shí)間為6.5s，仿真步為，200步

在完成6.5s運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析后，創(chuàng)建測(cè)量查看結(jié)果，觀察各鉸鏈處的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如速度曲線、受力曲線和力矩曲線等，得出各部件上的受力情況。根據(jù)分析結(jié)果得出，搖臂與拉桿鉸鏈JOINT_3的X向承受的拉力最大。

從上圖所知，在輥床從低位到高位上升運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，搖臂鉸鏈承受的力逐漸變大，在高位達(dá)到最大值，下降過(guò)程中力的變化規(guī)律基本和上升過(guò)程中的變化規(guī)律對(duì)稱，與實(shí)際工況吻合。

根據(jù)ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果，得出搖臂為整個(gè)連桿升降機(jī)構(gòu)的薄弱部件，需要用有限元分析軟件，對(duì)該部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核，并將動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果作為有限元分析中的輸入邊界條件，對(duì)搖臂進(jìn)行強(qiáng)度校核，分析搖臂的應(yīng)力分析情況和疲勞壽命。

3.2 搖臂的有限元分析

輥床在升降過(guò)程中，搖臂所承受的載荷較為復(fù)雜，既承受連桿的拉力，又要承受上部框架的壓力作用，同時(shí)搖臂在升降過(guò)程中角度隨時(shí)間不斷變化，在上述因素綜合作用下，使得搖臂在各個(gè)部位或同一部位不同瞬間的應(yīng)力應(yīng)變都是不同的[3-4]。利用ANSYS有限元軟件對(duì)搖臂進(jìn)行有限元分析，計(jì)算出搖臂上不同時(shí)刻的應(yīng)力值，并繪制搖臂上應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律，找出危險(xiǎn)截面。

零件的強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命是工程結(jié)構(gòu)使用的三個(gè)基本要素，而疲勞失效又是工程結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，引起疲勞失效的主要原因是重復(fù)載荷作用。由于升降輥床在使用過(guò)程中，搖臂一直處于上述復(fù)合載荷的循環(huán)重復(fù)作用，需要對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，從理論上分析搖臂的疲勞壽命和使用安全系數(shù)。

3.2.1 簡(jiǎn)化模型

根據(jù)分析需求對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將搖臂模型簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ANSYS軟件中。由于搖臂模型為對(duì)稱模型，為了有效節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，首先將模型沿ZX對(duì)稱面進(jìn)行Symmetry處理，在同等網(wǎng)格密度情況下，可以將計(jì)算速度提高一倍。

3.2.2 邊界條件加載

為避免零件在分析過(guò)程中出現(xiàn)剛體位移，需要在搖臂轉(zhuǎn)軸處添加固定支撐約束，在動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程中，將ADAMS分析得到的搖臂轉(zhuǎn)軸處的力隨時(shí)間的變化曲線，總共設(shè)置6.5s的分析過(guò)程，分成26個(gè)子步，編制時(shí)間-歷程載荷曲線，作為輸入載荷1施加在搖臂處，求解輸出設(shè)置，每個(gè)子步輸出3組數(shù)據(jù)。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果分析

分析結(jié)果表明：由于在搖臂上升和下降過(guò)程中，搖臂從0°轉(zhuǎn)動(dòng)90°再回轉(zhuǎn)動(dòng)0°，力的加載方向和大小隨旋轉(zhuǎn)角度變化而不斷發(fā)生變化，搖臂上的等效應(yīng)力值隨時(shí)間不斷變化。

從上分析結(jié)果得知，由于搖臂上轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)臂的連接部位出現(xiàn)截面突變，該區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，截面交變區(qū)域的最大應(yīng)力值約為152MPa，小于材料的屈服極限（235MPa），搖臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。而在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，截面突變區(qū)域一般采用圓弧過(guò)渡，使得截面變化區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)明顯減小，該區(qū)域的應(yīng)力值也會(huì)相應(yīng)變小。

3.3 搖臂的疲勞壽命分析

疲勞失效是機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要失效形式，因此，對(duì)于承受交變應(yīng)力作用下的設(shè)備，疲勞分析在設(shè)計(jì)過(guò)程中占據(jù)重要的地位。從高速輸送輥床的使用工況分析，在工作過(guò)程中，搖臂頻繁承受交變載荷的作用，搖臂上轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)臂的連接處是應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位，在該應(yīng)力集中區(qū)域處極易萌生疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致零件破壞，因此需要對(duì)搖臂進(jìn)行疲勞分析。

在有限元分析結(jié)果基礎(chǔ)上，選取等效應(yīng)力最大值的時(shí)刻進(jìn)行疲勞壽命和使用安全系數(shù)。插入疲勞工具，鑒于搖臂上承受的交變載荷規(guī)律屬于類正弦恒幅變化，疲勞分析類型設(shè)置為“Full-Reversed”，并對(duì)稱循環(huán)加載，材料的S-N曲線采用系統(tǒng)默認(rèn)曲線，定義106為材料的無(wú)限壽命，在Safety Factor參數(shù)設(shè)置設(shè)計(jì)壽命為106。

從疲勞壽命分析結(jié)果可知，在承受上述對(duì)稱循環(huán)載荷作用下，搖臂可以循環(huán)106次不破壞，就可以承受無(wú)限多次循環(huán)而永不破壞[5]，因此搖桿滿足“無(wú)限”使用壽命。危險(xiǎn)界面安全系數(shù)在1.2以上，設(shè)計(jì)滿足使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高速輥床輸送系統(tǒng)的應(yīng)用研究，掌握高速輥床輸送系統(tǒng)的核心技術(shù)并進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，助力高端自動(dòng)化裝備的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程。本項(xiàng)目的研究工作，主要工作概括如下：

（1）研究了高速輥床輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理，以及外購(gòu)件的選型分析。

（2）采用ADAMS軟件，對(duì)高速輥床升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，輸出機(jī)構(gòu)的相關(guān)動(dòng)力學(xué)曲線，分析升降機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，為升降機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。

（3）采用ANSYS有限元分析軟件，運(yùn)用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模塊，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)搖桿進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，應(yīng)用S-N的方法對(duì)搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了疲勞安全系數(shù)和疲勞壽命的計(jì)算，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和壽命設(shè)計(jì)的正確性。

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