離心鑄造取件機(jī)械手導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

劉建軍 高浩 高廣東 吳龍

摘要：隨著“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略的不斷深入，節(jié)能減排目標(biāo)日趨臨近，氣缸套的取件機(jī)械手可以提高氣缸套的生產(chǎn)品質(zhì)，從而減少整車排放污染。取件機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)導(dǎo)軌穩(wěn)定性的提出更高的要求，本文從取件機(jī)械手的工作原理出發(fā)，針對(duì)導(dǎo)軌的使用條件，設(shè)計(jì)計(jì)算導(dǎo)軌的受力載荷和傾覆力矩，從而校核導(dǎo)軌的安全系數(shù)和使用壽命，為導(dǎo)軌的安全可靠提供的設(shè)計(jì)依據(jù)，為機(jī)械手使用提供了保證。

Abstract： With the deepening of the national strategy of "made in China 2025"， energy-saving and environmental protection has become the key problem of China. The fetching robot arm of cylinder liner can improve the production quality， so reducing the emission pollution of the whole vehicle. In the processing of movement， the fetching manipulator puts forward higher request for the stability of the guide. The structure and the working principle of automatic casting-fetching manipulator are introduced in this paper. According to the service condition of guide rail， its bearing load and overturning moment are designed and calculated， so as to check the safety factor and working life， to provide theoretical basis for safety and reliability of guiding rail， and thus provide guarantee for manipulator.

關(guān)鍵詞：離心鑄造;取件機(jī)械手;導(dǎo)軌;設(shè)計(jì)

Key words： centrifugal casting;casting-fetching manipulator;guide;design

0? 引言

“中國(guó)制造2025”國(guó)家戰(zhàn)略指出，2020年乘用車整體油耗降至5升/100公里，單位GDP碳排放降低40-45%[1]。2017年，中國(guó)石油消進(jìn)口比例達(dá)到了70%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)世界警戒紅線“50%”。能源消耗、大氣污染的壓力不斷要求傳統(tǒng)汽車的轉(zhuǎn)型升級(jí)，汽油機(jī)的節(jié)能新技術(shù)發(fā)展已經(jīng)深入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，氣缸套是鑲在發(fā)動(dòng)機(jī)上的核心零件，它是燃燒室密閉空間的骨干框架，是內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力源泉之一[2]。我們申請(qǐng)的國(guó)家發(fā)改委的離心鑄造氣缸套數(shù)字化生產(chǎn)車間專項(xiàng)，能夠生產(chǎn)多種高性能的氣缸套產(chǎn)品，如低錳氣缸套、低排放氣缸套、“蘑菇頭”氣缸套等，結(jié)合內(nèi)燃機(jī)的燃燒新技術(shù)，可以降低車輛排放10-25%。特別是我們研制開發(fā)的離心鑄造智能制造機(jī)的核心部件——取件機(jī)械手的設(shè)計(jì)成為了項(xiàng)目研究中的重中之重。

1? 取件機(jī)械手的工作原理

內(nèi)燃機(jī)氣缸套制造往往將液體金屬注入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型，金屬液體在鑄型內(nèi)做離心運(yùn)動(dòng)，從而形成鑄件的自由表面，在此期間有助于氣體和夾雜物的排出，優(yōu)化金屬結(jié)晶過(guò)程，從而獲得高品質(zhì)的鑄件[3][4]。以往取件往往采用人工進(jìn)行，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法保證，為此我們研發(fā)了取件機(jī)械手。如圖1所示。

離心鑄造取件機(jī)械手主要由支撐座1、直線導(dǎo)軌2、拔缸錐頭3、彈簧板4、軸承座5、張緊氣缸6、前后驅(qū)動(dòng)氣缸7和扭動(dòng)氣缸8等構(gòu)成。取件的動(dòng)作流程：開始拔缸套時(shí)，前后驅(qū)動(dòng)氣缸7動(dòng)作，拔缸錐頭3到位;張緊氣缸6動(dòng)作，錐頭3回縮，張緊缸套內(nèi)壁;扭動(dòng)氣缸8動(dòng)作，彈簧板4帶動(dòng)缸套往復(fù)小角度旋轉(zhuǎn);前后驅(qū)動(dòng)氣缸7縮回到位，拔出缸套;前端拖輪架輔助動(dòng)作，定位缸套;張緊氣缸6動(dòng)作，錐頭3回原位，松開缸套;前后驅(qū)動(dòng)氣缸7縮回原位，缸套落入料框。

2? 取件機(jī)械手導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)

取件機(jī)械手中直線導(dǎo)軌放置在移動(dòng)軸承座下方，不僅具有直線導(dǎo)向和支撐作用，在拔缸套時(shí)還受到傾覆力矩，因此直線導(dǎo)軌規(guī)格型號(hào)的選擇至關(guān)重要。導(dǎo)軌選用上銀科技股份有限公司的產(chǎn)品，初選導(dǎo)軌型號(hào)為HGW35C，以下對(duì)直線導(dǎo)軌尺寸型號(hào)的選取進(jìn)行分析計(jì)算：

2.1 導(dǎo)軌的初始條件選擇

2.1.1 使用條件

安裝方式：水平使用。

使用的導(dǎo)軌根數(shù)為2。

2.1.2 選擇類型

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，直線導(dǎo)軌滑塊安裝方式為從下向上安裝，導(dǎo)軌主要受正上正下方的徑向力，在拔缸旋轉(zhuǎn)時(shí)受到來(lái)自缸套涂料的傾覆力矩，因此選擇4個(gè)方向（上下和左右方向）均能承受負(fù)荷的HG系列直線導(dǎo)軌。

2.2 導(dǎo)軌外載荷的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 計(jì)算外加負(fù)荷

在solidworks三維設(shè)計(jì)模型中，對(duì)直線導(dǎo)軌支撐的移動(dòng)軸承座部分的重心進(jìn)行計(jì)算分析，其重心與直線導(dǎo)軌的位置尺寸如圖2所示[5]。

當(dāng)拔缸機(jī)械手（圖1）中的扭動(dòng)氣缸動(dòng)作時(shí)，直線導(dǎo)軌受到一個(gè)傾覆力矩Mc，其值與扭動(dòng)離心機(jī)模具內(nèi)缸套時(shí)受到的阻力矩大小相等，最大值為扭動(dòng)氣缸輸出的力矩值，由于阻力矩值與涂料的性質(zhì)有關(guān)，難以判定其值大小，因此用阻力矩的最大值進(jìn)行計(jì)算，即扭動(dòng)氣缸輸出的力矩值進(jìn)行計(jì)算[6]。

扭動(dòng)氣缸選定直徑為D=63mm，在推力下工作，設(shè)定氣缸的工作壓力為P=0.4MPa，則氣缸的推力

l為扭動(dòng)氣缸桿與扭轉(zhuǎn)中心軸之間的距離l=0.173m[7]。

查產(chǎn)品手冊(cè)表得傾覆力矩Mc徑向方向上等價(jià)系數(shù)為ε=8.31×10-2，則最大阻力矩在一根導(dǎo)軌徑向上的等價(jià)力為

由于一根導(dǎo)軌上布置有2個(gè)滑塊，則每個(gè)滑塊受到的等價(jià)徑向力為

由圖2可知，左下方滑塊受力最大[8]，其受力

上式中：m為直線導(dǎo)軌上可移動(dòng)部分質(zhì)量，通過(guò)對(duì)solidworks三維模型分析計(jì)算可得m=190kg;l0=270mm;l1=360mm，l2=81.7mm;l3=4.5mm。則計(jì)算可得

2.2.2 計(jì)算等價(jià)負(fù)荷

上式中u=1為等價(jià)系數(shù)。

2.3 導(dǎo)軌安全系數(shù)的校核

2.3.1 計(jì)算靜態(tài)安全系數(shù)

通過(guò)以上計(jì)算，可知導(dǎo)軌徑向方向負(fù)荷較大，查產(chǎn)品手冊(cè)取fH=1，fT=1，fC=1，HGW35C導(dǎo)軌的基本額定靜載荷為Co=102.87kN，則

因此，完全能滿足要求。

2.3.2 計(jì)算額定壽命

由于拔缸套速度較低，有微小的沖擊和振動(dòng)，查產(chǎn)品手冊(cè)，取負(fù)荷系數(shù)fw=1.3，取fH=1，fT=1，fC=1，HGW35C導(dǎo)軌的基本額定動(dòng)載荷為C=49.52kN，則導(dǎo)軌額定壽命為

根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算，拔卸一個(gè)缸套在滑塊需要在導(dǎo)軌上往復(fù)行走s=2.42m。根據(jù)工藝要求，最快1分鐘生產(chǎn)一個(gè)缸套毛坯，按一天工作24小時(shí)，一年工作365天計(jì)算，則導(dǎo)軌的時(shí)間壽命為

雖然導(dǎo)軌理論計(jì)算時(shí)間壽命比較大，按照常規(guī)理論，應(yīng)選取低等級(jí)規(guī)格型號(hào)的導(dǎo)軌型號(hào)再進(jìn)行計(jì)算，但由于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，其實(shí)際使用壽命比理論計(jì)算值將會(huì)大大減少，因此定直線導(dǎo)軌型號(hào)為HGW35C。

3? 結(jié)論

通過(guò)對(duì)離心鑄造取件機(jī)械手導(dǎo)軌的受力分析，對(duì)導(dǎo)軌的數(shù)量、外加載荷、安全系數(shù)及額定壽命進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)計(jì)算，具體結(jié)論如下：①導(dǎo)軌型號(hào)HGW35C，水平放置2根;②線導(dǎo)軌滑塊安裝方式為從下向上安裝，導(dǎo)軌主要受正上正下方的徑向力為767N，在拔缸旋轉(zhuǎn)時(shí)受到來(lái)自缸套涂料的傾覆力矩為215.7N·m;③導(dǎo)軌靜態(tài)安全系數(shù)大于5，完全滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)軌額定壽命可達(dá)4819年，因?yàn)殡x心鑄造使用條件比較惡劣，高溫、應(yīng)力變化等條件暫時(shí)沒(méi)有考慮，實(shí)際壽命將會(huì)大大減少，因此我們選用的HGW35C直線導(dǎo)軌是符合實(shí)際需要的。

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