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    凈化隔斷板自動(dòng)生產(chǎn)線面板安裝裝置設(shè)計(jì)

    2020-07-29 09:02:35?;⒗?/span>王淵鄭帥杰張嘉鈺
    河北工業(yè)科技 2020年4期
    關(guān)鍵詞:機(jī)械設(shè)計(jì)面板有限元

    ?;⒗? 王淵 鄭帥杰 張嘉鈺

    摘?要:為了解決凈化隔斷板生產(chǎn)過(guò)程中人工安裝面板效率低、質(zhì)量差、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)面板安裝裝置。主要包括上料裝置、送料裝置和面板固定裝置3部分,利用氣缸、直線模組和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置將待安裝面板送至吸盤(pán)架上,然后采用真空吸盤(pán)完成面板的固定。先后用ANSYS workbench對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元仿真分析,用UG對(duì)凈化隔斷板面板自動(dòng)安裝一體化裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。結(jié)果顯示,所設(shè)計(jì)的裝置大大提高了面板的安裝效率和安裝質(zhì)量,降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度;所采用的零部件的剛度和強(qiáng)度能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。自動(dòng)化裝置的安裝效率約為人工安裝的7.35倍。具有通用性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),提高了凈化隔斷板的生產(chǎn)效率,順應(yīng)了生產(chǎn)線的自動(dòng)化、無(wú)人化的發(fā)展趨勢(shì)。

    關(guān)鍵詞:機(jī)械設(shè)計(jì);面板;自動(dòng);設(shè)計(jì);安裝裝置;有限元

    中圖分類號(hào):TP23?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

    doi: 10.7535/hbgykj.2020yx04009[HJ1*2]

    文章編號(hào):1008-1534(2020)04-0266-07

    Abstract:In order to improve the efficiency and quality of manual panel installation and solve the problem of high labor intensity in the production process of purification partition board, a full-automatic panel mounting device was designed. It mainly?includes?three parts: loading device, feeding device and panel fixing device. The whole device was driven by cylinder,linear module and electric rotary table to send the panel to the suction cup frame, and then the panel was fixed by vacuum suction cup. ANSYS Workbench was applied to conduct the finite element simulation analysis on the key parts,and UG was used to carry out dynamic simulation analysis on the integrated device of automatic installation of purification partition board panel. The?results?show that the designed device greatly improves the installation efficiency and quality of the panel, and reduces the labor intensity of workers; the stiffness and strength of the parts used meet the actual production requirements, and the installation efficiency of the automatic device is about 7.35 times of that of the manual installation. The design of the device has the advantages of strong universality, simple structure and high degree of automation. Furthermore, it also improves the production efficiency of purification partition board and conforms to the development trend of automatic and unmanned production line.

    Keywords:machine design; panel; automatic; design; installation device; finite element method

    凈化隔斷板是一種新型的建材產(chǎn)品,具有輕質(zhì)、環(huán)保、保溫效果好、便于運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。近年來(lái),凈化隔斷板主要應(yīng)用于生物醫(yī)藥、電子、新能源潔凈車(chē)間等場(chǎng)所的構(gòu)建,年需求量多達(dá)5 000萬(wàn)m2。它是一種類似于三明治結(jié)構(gòu)的建筑板材,由上下板、邊框和芯材填充物層層黏合而成,如圖1所示。

    凈化隔斷板自動(dòng)生產(chǎn)線流程為上下面板成型—下面板涂膠—放置邊框—放置下玻鎂板—下玻鎂板涂膠—填充巖棉—放置涂膠后的上玻鎂板—上面板安裝—產(chǎn)品下線壓合—烘干—得到成品。

    目前,凈化隔斷板自動(dòng)生產(chǎn)線中面板的安裝工位沒(méi)有自動(dòng)安裝設(shè)備,仍采用人工手動(dòng)安裝,不僅效率低,而且車(chē)間環(huán)境惡劣,工人需穿著防護(hù)服、手套等開(kāi)展工作。為了降低人工生產(chǎn)的成本,提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益

    [1-5],研究一種新型可靠的大型工件安裝變位裝置已迫在眉睫[6-10]。針對(duì)這種情況,設(shè)計(jì)了一種適用于長(zhǎng)度為800~3 000 mm,寬度為300~?1 140 mm?的凈化隔斷板面板自動(dòng)安裝裝置,實(shí)現(xiàn)了上料、傳送、面板安裝過(guò)程的全自動(dòng)化。

    1?整體方案設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)過(guò)程

    1.1?方案設(shè)計(jì)

    根據(jù)現(xiàn)實(shí)需要,設(shè)計(jì)合適的機(jī)械結(jié)構(gòu),選取合適的零件,完成整體方案設(shè)計(jì)[11],并對(duì)該裝置進(jìn)行力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能研究[12]。該裝置主要分為上料裝置、面板固定裝置、傳送裝置,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中上料裝置主要由傳送架、電機(jī)、氣缸、限位擋板組成;面板固定裝置主要由真空吸盤(pán)、流利條、鋁型材、擋板、固定架組成;送料裝置主要由鋼架、直線模組、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)組成。

    1.2?運(yùn)動(dòng)過(guò)程

    工作時(shí),面板經(jīng)送料裝置的傳送與擋板碰撞之后會(huì)停止運(yùn)動(dòng),在氣缸的作用下將其輸送到裝有定位擋片的吸盤(pán)架的上方(氣缸推動(dòng)的面板不可直接在真空吸盤(pán)表面進(jìn)行運(yùn)動(dòng),所以此時(shí)在水平位置上有略高出真空吸盤(pán)水平面的流利條與面板下表面進(jìn)行接觸,將干摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦),當(dāng)面板輸送到裝有定位擋片的真空吸盤(pán)架上方時(shí),吸盤(pán)架整體上升,使得吸盤(pán)表面與面板下表面進(jìn)行接觸,進(jìn)而完成吸取動(dòng)作;被真空吸盤(pán)吸取固定后的面板需要運(yùn)動(dòng)到指定位置。該過(guò)程由絲杠模組來(lái)完成,絲杠模組將吸盤(pán)架整體進(jìn)行豎直和水平方向運(yùn)動(dòng);通電后的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)能夠精確控制吸盤(pán)架進(jìn)行180°的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),然后在通過(guò)直線模組進(jìn)行豎直和水平方向的運(yùn)動(dòng)從而完成面板的安裝。其整體安裝流程如圖3所示。

    2?安裝裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    2.1?上料裝置設(shè)計(jì)

    裝置的主要功能是將待安裝的面板推送到送料裝置上,然后由送料裝置進(jìn)行面板的安裝。該裝置包括氣缸、面板、推板、傳送架等,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

    對(duì)氣缸缸徑的選型與計(jì)算。

    氣缸需推動(dòng)質(zhì)量為20 kg的玻鎂板,其負(fù)載力F≈200 N,F(xiàn)=nPS。F為所需要的輸出力;P為系統(tǒng)壓力;S為活塞面積;n為安全系數(shù)(一般氣缸水平使用取0.7,垂直使用取0.5);P=0.5 MPa;n=0.7,S=F/(nP)。

    參照SMC標(biāo)準(zhǔn)氣缸的缸徑,并經(jīng)過(guò)與實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)合考慮,最終選擇氣缸缸徑為63 mm,行程為1 200 mm(定制)的CA2L50-100Z型氣缸。

    2.2?面板固定裝置設(shè)計(jì)

    裝置主要由真空吸盤(pán)、流利條、鋁型材、擋板、固定架組成,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。工作時(shí)氣缸將面板推送到抓取位置,放置在流利條下安裝有真空吸盤(pán)的鋁型材的吸盤(pán)架上,吸盤(pán)架向上運(yùn)動(dòng),同時(shí)吸盤(pán)開(kāi)始工作,待真空吸盤(pán)表面與面板下表面接觸之后,吸盤(pán)將面板緊緊地吸附在吸盤(pán)表面,對(duì)面板進(jìn)行固定。

    2.2.1?真空吸盤(pán)選型

    面板在安裝過(guò)程中需要進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn),隨著面板旋轉(zhuǎn)角度的變化,面板所需要的吸力也隨之改變,面板在旋轉(zhuǎn)角度為0°≤a≤90°時(shí),面板的受力示意圖如圖6所示。分析可得面板能保證不從吸盤(pán)脫落所需最小吸力滿足以下關(guān)系:

    式中:f為面板所受到的摩擦力;F為面板所受到吸盤(pán)的吸力;G為面板所受的重力;a 為面板與水平面的夾角;m為面板質(zhì)量,取13.3 kg;μ為面板與吸盤(pán)之間的摩擦系數(shù),取0.4;g取10 N/kg;旋轉(zhuǎn)角度取0°≤a≤90°。

    當(dāng)面板的旋轉(zhuǎn)角度為90°

    由式(3)可得面板所需吸力F的大小。

    采用Matlab工具編程軟件為面板翻轉(zhuǎn)過(guò)程處理一些數(shù)據(jù),得到面板翻轉(zhuǎn)過(guò)程中所需的最小吸力F與旋轉(zhuǎn)角度a之間的關(guān)系如圖8所示。

    由圖8可以看出,當(dāng)面板與水平面夾角a為?0°~90°?時(shí),所需吸力隨角度的增加而增加;當(dāng)面板與水平面的夾角a為90°~158.27°時(shí),所需吸力隨角度的增加而減小,當(dāng)面板與水平面的夾角a為?158.27°~180°?時(shí),所需吸力隨角度的增加而增加。綜上所述,面板在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中,最小吸力的最大值發(fā)生在?a=90°?時(shí),能保證面板不從吸盤(pán)上脫落,此時(shí)F=?332.5 N?。故吸盤(pán)對(duì)面板的總吸力F必須大于332.5 N,才能保證面板不從吸盤(pán)上脫落。

    經(jīng)對(duì)吸盤(pán)性能、參數(shù)的了解,綜合考慮,決定采用18個(gè)PFGPF-H40型號(hào)的單層真空吸盤(pán)對(duì)面板進(jìn)行固定,其吸盤(pán)參數(shù)為真空吸盤(pán)直徑:Φ40;真空吸盤(pán)的吸力:30 N/個(gè);真空吸盤(pán)個(gè)數(shù):18個(gè);吸盤(pán)的總吸力:F=30×18=540 N >332.5 N。

    2.2.2?鋁型材吸盤(pán)架的選型與校核

    在選用APS工業(yè)鋁型材時(shí),綜合考慮鋁型材的受力情況。通過(guò)APS鋁型材選型手冊(cè)選用APS-8-4040-W的鋁型材,然后對(duì)該鋁型材進(jìn)行校核檢驗(yàn),根據(jù)鋁型材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),利用ANSYS Workbench對(duì)鋁型材進(jìn)行有限元仿真分析[13-16],得到鋁型材的網(wǎng)格劃分、變形、應(yīng)力云圖如圖9—圖11所示。

    由圖10可知,在極限工況下,鋁型材的最大形變發(fā)生在鋁型材的兩端,且最大形變量為0.055 mm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其允許最大形變量1 mm,設(shè)計(jì)滿足實(shí)際生產(chǎn)及極端工況要求。

    由圖11可知,在極限工況下鋁型材的最大等效應(yīng)力發(fā)生在鋁型材固定端的兩端,且最大應(yīng)力為?1.538 6 MPa?,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其許用應(yīng)力180 MPa,設(shè)計(jì)滿足實(shí)際生產(chǎn)及極端工況要求。

    2.3?送料裝置設(shè)計(jì)

    該裝置由鋼架、直線模組、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)組成,結(jié)構(gòu)如圖12所示。豎直和水平運(yùn)動(dòng)均由直線模組來(lái)實(shí)現(xiàn)。其型號(hào)為DK210-CL10-S1000-G3,其中直線模組主要由電機(jī)和絲桿組成。

    2.3.1?直線模組絲杠的校核計(jì)算

    根據(jù)其負(fù)載對(duì)直線模組的絲杠進(jìn)行校核,絲杠許用軸向負(fù)載計(jì)算:

    式中:P為絲杠許用軸向負(fù)載(N);α為安全系數(shù),取?0.5?;E為楊氏模量,取2.08×105 N/mm2;d為絲杠軸底徑;L為安裝距離;I為絲杠軸截面最小慣性矩;n取4。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得到絲杠的軸向負(fù)載可以達(dá)到1 000 N,而使用過(guò)程中絲杠的軸向負(fù)載為485 N,所以滿足使用要求。

    2.3.2?電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)

    電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)和吸盤(pán)支架連接,在工作中將吸盤(pán)架進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn),該步驟是面板安裝的核心步驟,其裝置如圖13所示。

    通過(guò)對(duì)其性能和特點(diǎn)的分析,最終選用型號(hào)為ZXR200MA的電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái),具體參數(shù)如表1所示。

    電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)具有以下特點(diǎn):有標(biāo)準(zhǔn)的接口,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制;電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)承載能力較大,壽命較長(zhǎng);傳動(dòng)部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得臺(tái)面可以任意正向旋轉(zhuǎn)或反向旋轉(zhuǎn);運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn),空回極小;定位精準(zhǔn)、安裝方便;可更換多種電機(jī),適應(yīng)性廣。對(duì)該電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的性能參數(shù)和特點(diǎn)進(jìn)行分析可得,其可以滿足使用要求。

    3?仿真結(jié)果分析

    利用UG軟件對(duì)凈化隔斷板面板自動(dòng)安裝一體化裝置,對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)安裝過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析,得到其時(shí)間與位移及時(shí)間與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系圖像如圖14—圖16所示。

    通過(guò)UG的運(yùn)動(dòng)仿真分析可知,該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠,運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)干涉等現(xiàn)象。

    圖14—圖16分別表示在安裝過(guò)程中,面板在X,Y方向的位移以及旋轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間變化的圖像。用UG進(jìn)行仿真時(shí)給定X,Y方向的初速度為400 mm/s,旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速為25(°/s),當(dāng)面板Y方向的位移重新降為0時(shí),整個(gè)面板安裝完畢,如圖15所示,所用時(shí)間為12.2 s。而經(jīng)實(shí)際車(chē)間調(diào)研得知,目前采用人工安裝需要用時(shí)30 s左右。工人每天的工作時(shí)長(zhǎng)為8 h,而凈化隔斷板面板自動(dòng)安裝一體化裝置可進(jìn)行24 h連續(xù)作業(yè),綜合計(jì)算分析可得,該裝置的安裝效率約為人工的7.35倍。

    4?結(jié)?語(yǔ)

    研發(fā)了一種可以實(shí)現(xiàn)凈化隔斷板面板自動(dòng)安裝的裝置,設(shè)計(jì)了總體方案和整機(jī)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了面板的自動(dòng)上料、安裝等功能,解決了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在的效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。該裝置以傳動(dòng)架作為上料裝置,用線性模組和旋轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)面板的移動(dòng)和翻轉(zhuǎn),用真空吸盤(pán)作為面板的固定裝置對(duì)面板進(jìn)行固定,具有以下優(yōu)點(diǎn)。

    1)效率高。根據(jù)線性模組和旋轉(zhuǎn)臺(tái)的性能參數(shù),用UG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,得到其安裝速度為?12.2 s/個(gè)?,約為人工的7.35倍。

    2)自動(dòng)化程度高。采用線性模組和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)作為該裝置的主要驅(qū)動(dòng)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了面板安裝的自動(dòng)化,大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

    3)通用性強(qiáng)。通過(guò)調(diào)節(jié)面板固定裝置的大小以及該裝置上真空吸盤(pán)的數(shù)量,可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度為800~?3 000 mm?,寬度為300~1 140 mm范圍內(nèi)面板的安裝,也可作為類似凈化隔斷板面板的板材的安裝裝置。

    4)對(duì)面板損傷小。該裝置用真空吸盤(pán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械手,大大降低了傳統(tǒng)機(jī)械手夾取面板時(shí)對(duì)面板的損壞幾率。

    5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。相對(duì)于普通的六軸機(jī)械手,該裝置采用線性模組和電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)作為主要驅(qū)動(dòng),結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,無(wú)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu),成本較低,工人維護(hù)方便,后期維護(hù)保養(yǎng)成本也相對(duì)較低。

    凈化隔斷板面板自動(dòng)安裝一體化裝置將傳統(tǒng)的手工安裝轉(zhuǎn)化為機(jī)械自動(dòng)化安裝,解決了傳統(tǒng)人工進(jìn)行面板安裝效率低、質(zhì)量差、對(duì)工人身體危害大的問(wèn)題,具有現(xiàn)實(shí)意義和推廣應(yīng)用價(jià)值。

    該裝置體積較大,對(duì)廠房的空間要求較高,不適合小廠房的使用,雖實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化但并未實(shí)現(xiàn)智能化。后續(xù)將著重改進(jìn)裝置的體積,并實(shí)現(xiàn)該智能化,以適應(yīng)生產(chǎn)線智能化,順應(yīng)發(fā)展的需要。

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