高速車(chē)門(mén)板翻轉(zhuǎn)移載專機(jī)的方案設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

王友斌，王 慧

(南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展，工人對(duì)工作環(huán)境的要求越來(lái)越高。同時(shí)，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)效率與規(guī)模也提出了更高的要求。為了解決生產(chǎn)效率與規(guī)模間的矛盾，自動(dòng)控制類(lèi)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生?？紤]到高速車(chē)門(mén)如高鐵、地鐵、飛機(jī)等交通工具的車(chē)門(mén)質(zhì)量大，在生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行翻轉(zhuǎn)與移動(dòng)時(shí)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度太大，因此生產(chǎn)企業(yè)迫切需要高速車(chē)門(mén)板翻轉(zhuǎn)移載專機(jī)。一般情況下，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)樣機(jī)試制，到測(cè)試評(píng)估，再到反饋設(shè)計(jì)的循環(huán)反復(fù)過(guò)程。這其中的每次循環(huán)，都伴隨著物理樣機(jī)的建造或修改，以及隨之而來(lái)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的延長(zhǎng)和開(kāi)發(fā)成本的增長(zhǎng)。而通過(guò)仿真分析對(duì)翻轉(zhuǎn)移載專機(jī)的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，能夠確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性，從而有效提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本[1-3]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 原始數(shù)據(jù)

需移載的門(mén)板質(zhì)量不大于150 kg；長(zhǎng)2 000～2 350 mm，寬1 100～1 320 mm，厚40～45 mm；門(mén)板搬運(yùn)高度小于1 400 mm，翻轉(zhuǎn)角度180°，搬運(yùn)距離不大于18 000 mm；從上料車(chē)到裝配線再到下料車(chē)節(jié)拍時(shí)間小于100 s。

1.2 設(shè)計(jì)思路

所謂翻轉(zhuǎn)移載專機(jī)，顧名思義其設(shè)計(jì)的主體部分主要包括翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)和移載機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)以及兩部分的連接問(wèn)題。應(yīng)企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)需要，此次設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)移載專機(jī)需能夠?qū)崿F(xiàn)左右、前后、上下3個(gè)方向上的移動(dòng)以及繞Z軸和X軸轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，對(duì)于機(jī)械夾臂的夾緊動(dòng)作，要求能夠?qū)崿F(xiàn)張開(kāi)20°(為了方便放置門(mén)板的動(dòng)作)和90°(為了方便初始的夾取動(dòng)作)。以下分別就移載、旋轉(zhuǎn)以及夾臂動(dòng)作3個(gè)部分的方案原理設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

1.3 移載部分方案設(shè)計(jì)

1.3.1門(mén)板長(zhǎng)距離移載方案設(shè)計(jì)

長(zhǎng)距離運(yùn)送是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車(chē)的后輪在工字鋼地軌上沿著既定的直線地軌移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。為了防止小車(chē)發(fā)生側(cè)翻，將通過(guò)由氣缸驅(qū)動(dòng)的夾臂緊扣在工字鋼地軌上，以此來(lái)平衡因運(yùn)送門(mén)板而產(chǎn)生的傾覆力矩，從而實(shí)現(xiàn)門(mén)板的平穩(wěn)運(yùn)送[4]。

圖1 地軌方向移載機(jī)構(gòu)三維示意圖

1.3.2前后向、豎直向的移載方案設(shè)計(jì)

前后向和豎直向的移載均利用滾珠絲杠的傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2所示，前后向電機(jī)與滾珠絲杠之間采用帶傳動(dòng)。直線導(dǎo)軌的長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)滿足工位與地軌之間的位置要求。因?yàn)殚T(mén)板寬度為1 100～1 320 mm，所以選取直線導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為2 000 mm。

圖2 前后向和豎直向移載機(jī)構(gòu)三維示意圖

豎直方向上的移載在體積上不受空間的限制，因此采用聯(lián)軸器將電機(jī)和滾珠絲杠直接連接。為減輕電機(jī)的軸向載荷，同時(shí)也是為了擴(kuò)大豎直方向上的移載范圍，將電機(jī)布置在上方。依據(jù)技術(shù)協(xié)定，因?yàn)殚T(mén)板的搬運(yùn)高度在1 400 mm內(nèi)，所以初定豎直方向上的導(dǎo)軌長(zhǎng)度為2 000 mm。

1.4 夾臂部分的方案設(shè)計(jì)[5]

翻轉(zhuǎn)機(jī)的夾臂部分由上活動(dòng)夾臂和下固定夾臂組成。下固定夾臂固定不動(dòng)，而上活動(dòng)夾臂能完成初始、張開(kāi)20°和90°的工作狀態(tài)，原理圖如圖3所示。初始時(shí)，上活動(dòng)夾臂水平，在連桿2與連桿3的限制下，氣缸2處于死點(diǎn)位置，即無(wú)論氣缸2給予的驅(qū)動(dòng)力多大，機(jī)構(gòu)因受結(jié)構(gòu)的限制都不會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，必須先使機(jī)構(gòu)繞過(guò)死點(diǎn)位置。因此，機(jī)構(gòu)在開(kāi)始動(dòng)作前，氣缸1先動(dòng)作。氣缸1動(dòng)作使連桿2和連桿3向左側(cè)發(fā)生傾斜。隨著氣缸1的動(dòng)作不斷進(jìn)行，連桿2與連桿3持續(xù)動(dòng)作。在氣缸1動(dòng)作的極限位置，此時(shí)利用各桿的長(zhǎng)度關(guān)系剛好能夠?qū)崿F(xiàn)上活動(dòng)夾臂張開(kāi)20°左右。當(dāng)氣缸1到達(dá)極限位置時(shí)，氣缸2已經(jīng)繞過(guò)死點(diǎn)位置，驅(qū)動(dòng)體由氣缸1變?yōu)闅飧?。氣缸2持續(xù)動(dòng)作帶動(dòng)各個(gè)連桿動(dòng)作，逐漸使上活動(dòng)夾臂張開(kāi)至90°。

圖3 上活動(dòng)夾臂工作狀態(tài)原理圖

2 上活動(dòng)夾臂和下固定夾臂的穩(wěn)定性分析

在門(mén)板翻轉(zhuǎn)180°后，上活動(dòng)夾臂主要承受門(mén)板、上活動(dòng)夾臂和門(mén)板夾持墊的重力作用。采用Q235軋制的冷彎薄壁槽鋼簡(jiǎn)化為150×30×4型，上活動(dòng)夾臂自重G0=173.64 N，上活動(dòng)夾臂平均截面積A0約為9.773 cm2，上活動(dòng)夾臂最大截面模數(shù)Wm=40.632 cm3；門(mén)板夾持墊是聚氨酯類(lèi)，其自重為G1=260 N；門(mén)板自重作用力G2=1 500/2=750 N。因?yàn)樯匣顒?dòng)夾臂并非像槽鋼那樣對(duì)稱，取其重心位置到支座的距離l0=312.42 mm；門(mén)板夾持墊與支座的距離l2為上活動(dòng)夾臂臂長(zhǎng)減去門(mén)板夾持墊長(zhǎng)，即l2=264 mm；l1為門(mén)板夾持墊長(zhǎng)的一半，l1=450 mm，如圖4所示。

圖4 上活動(dòng)夾臂受力示意圖

將門(mén)板與門(mén)板夾持墊移至支座處，得到上活動(dòng)夾臂受力等效圖，如圖5所示。

圖5 上活動(dòng)夾臂受力等效圖

M0=G0×l0

(1)

M1=(G1+G2)×l1

(2)

M3=(G1+G2)×l2

(3)

式中：M0為上活動(dòng)夾臂對(duì)支座產(chǎn)生的力矩；M1為門(mén)板與夾持墊對(duì)支座產(chǎn)生的力矩；M3為門(mén)板和夾持墊移至支座處的等效力矩。因而門(mén)板、門(mén)板夾持墊和上活動(dòng)夾臂對(duì)支座產(chǎn)生的總彎曲正應(yīng)力σc為：

(4)

式中：M總為門(mén)板、門(mén)板夾持墊和上活動(dòng)夾臂對(duì)支座產(chǎn)生的總力矩。

由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2014)可知Q235鋼的抗拉、抗壓、抗彎的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=205 N/mm2，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=120 N/mm2。具體計(jì)算如下：

1)歐拉臨界正應(yīng)力σcr的計(jì)算。

當(dāng)梁因壓翼緣扭轉(zhuǎn)而受到約束時(shí)，有：

(5)

2)歐拉臨界剪應(yīng)力τcr的計(jì)算。

當(dāng)a/h0=132÷140<1.0時(shí)，有：

(6)

3)歐拉臨界局部壓應(yīng)力σc,cr的計(jì)算。

當(dāng)0.5

(7)

(8)

由平均剪力產(chǎn)生的腹板剪應(yīng)力τ為：

(9)

如此，僅配置橫向加勁肋的上活動(dòng)夾臂的局部穩(wěn)定性應(yīng)按式(10)判斷：

(10)

將上述數(shù)值代入式(10)，等號(hào)左側(cè)等于0.16，顯然0.16<1，故上活動(dòng)夾臂的局部穩(wěn)定性良好，符合設(shè)計(jì)要求。

下固定夾臂和上活動(dòng)夾臂結(jié)構(gòu)相同，但自重略小于上活動(dòng)夾臂，為120.6 N，平均截面積約9.773 cm2，最大截面模數(shù)為40.632 cm3。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，局部穩(wěn)定性良好，同樣符合設(shè)計(jì)要求。

3 運(yùn)動(dòng)仿真及分析

當(dāng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)完成后，利用所設(shè)計(jì)的模型來(lái)確定翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)是難以實(shí)現(xiàn)的，因而需要對(duì)所設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)UG運(yùn)動(dòng)仿真分析，可以確定整個(gè)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否會(huì)產(chǎn)生干涉。通過(guò)裝配約束下的仿真，找出干涉的零部件或干涉的位置，進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。整個(gè)翻轉(zhuǎn)移載專機(jī)的完整工作過(guò)程運(yùn)動(dòng)仿真的難點(diǎn)在于諸多連桿的定義和各部分驅(qū)動(dòng)體驅(qū)動(dòng)時(shí)間函數(shù)的定義。由于各個(gè)驅(qū)動(dòng)體的工作的時(shí)間點(diǎn)和工作時(shí)長(zhǎng)都不一致，因此要應(yīng)用時(shí)間函數(shù)STEP。該函數(shù)的表達(dá)如下：STEP (x,x0,h0,x1,h1)。其中x表示變量，h表示隨著變量x做一定變化的因變量(此處因變量h的變化規(guī)律是可以通過(guò)具體的設(shè)置來(lái)使其發(fā)生改變，一般情況下默認(rèn)為等距變化)。例如STEP (time,0,0,2,90)+STEP (time,2,0,3,45)，該表達(dá)式的含義為：在0—2 s，驅(qū)動(dòng)體位置沿著正方向移動(dòng)了90，在2—3 s，驅(qū)動(dòng)體在原有位移的基礎(chǔ)上沿著正方向再次移動(dòng)45(直線運(yùn)動(dòng)位移單位為mm，轉(zhuǎn)動(dòng)的位移單位為°)。

本文對(duì)高速車(chē)門(mén)板翻轉(zhuǎn)移載專機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真包括了從毛坯貨架將門(mén)板搬上生產(chǎn)線、翻轉(zhuǎn)門(mén)板、將門(mén)板搬下生產(chǎn)線至成品貨架在內(nèi)的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程[6-7]。仿真涵蓋了上活動(dòng)夾臂的張開(kāi)與夾緊，3個(gè)移載以及兩個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，下面以上活動(dòng)夾臂的張開(kāi)動(dòng)作仿真作為示例。

為了使門(mén)板在運(yùn)離貨架的過(guò)程中不發(fā)生滑落，必須在門(mén)板離開(kāi)貨架前完成對(duì)門(mén)板的夾緊動(dòng)作。同時(shí)為了使設(shè)備在靠近門(mén)板的過(guò)程中不會(huì)與門(mén)板或者貨架的部件發(fā)生碰撞，應(yīng)當(dāng)使初始的門(mén)板夾取從初始貨架的最高層開(kāi)始，同時(shí)使該設(shè)備的上活動(dòng)夾臂以張開(kāi)90°的狀態(tài)接近初始貨架。而在末位貨架處，為了減少不必要的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作和豎直方向上的移載動(dòng)作，還要保證在放置門(mén)板的過(guò)程中夾臂不會(huì)與其他部件發(fā)生碰撞，應(yīng)當(dāng)使上活動(dòng)夾臂以張開(kāi)20°的狀態(tài)撤離末位貨架。為了滿足實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)的需要，上活動(dòng)夾臂必須能夠?qū)崿F(xiàn)20°和90°的張開(kāi)狀態(tài)，各仿真動(dòng)作如圖6所示。

圖6 上活動(dòng)夾臂運(yùn)動(dòng)的位置示意圖

基于以上設(shè)計(jì)、校核和仿真分析，生產(chǎn)的高速車(chē)門(mén)板翻轉(zhuǎn)移載專機(jī)實(shí)物如圖7所示。經(jīng)實(shí)際動(dòng)作測(cè)試，各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)指標(biāo)符合預(yù)期，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

圖7 高速車(chē)門(mén)板翻轉(zhuǎn)移載專機(jī)實(shí)物圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高速車(chē)門(mén)板翻轉(zhuǎn)移載專機(jī)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性校核，運(yùn)用UG等計(jì)算機(jī)軟件對(duì)翻轉(zhuǎn)移載專機(jī)的完整工作過(guò)程進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)裝配的合理性，為復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析提供了解決問(wèn)題的思路。實(shí)踐證明，本文所提方法可有效提高設(shè)計(jì)和校核效率，且設(shè)計(jì)周期短，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)更為便捷，在復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。