2RBW-1500型育苗杯制杯機關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

薛晨陽， 王 東，2，3， 寇 欣，2，3， 曲振興，2，3， 湯晶宇，2，3， 范志遠(yuǎn)， 徐克生，2，3*

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)機電工程實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.國家林業(yè)和草原局林業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

工廠化育苗是實現(xiàn)快速造林的有效手段，相較于其他育苗容器，無紡布育苗杯育苗的質(zhì)量與成活率更高[1]，因此需求量也越來越大。目前無紡布育苗杯的制作主要是靠人工焊接無紡布，越來越不能滿足需求[2]。2RBW-1500型育苗杯制杯機是在突破傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出的新一代無紡布育苗容器專用生產(chǎn)機械設(shè)備，該制杯機通過超聲波成型焊接將無紡布制成錐狀育苗杯，具有操作方便、操作安全、生產(chǎn)高效等優(yōu)點。

1 無紡布育苗杯制作機送料機構(gòu)設(shè)計

無紡布育苗杯制杯機的送料機構(gòu)，包括將無紡布原料輸送到焊接裝置的原料輸送裝置，以及將成品輸送到集料機構(gòu)的成品輸送裝置。輸送過程要保證無紡布以及成品育苗杯輸送的流暢，獨立不粘連。傳統(tǒng)的送料裝置有齒輪傳動、帶傳統(tǒng)、鏈傳動、連桿機構(gòu)傳動等等[3]，考慮到機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及機器的制造成本和柔性制造的設(shè)計要求，選擇兩組連桿機構(gòu)作為送料機構(gòu)，通過改變連桿機構(gòu)中不同桿的長度，達到更改無紡布以及育苗杯輸送位置的目的。輸入—輸出連稈機構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸入—輸出連桿機構(gòu)1.搖桿；2.三級傳動軸；3.輸送平臺

1.1 無紡布育苗杯制杯機送料機構(gòu)設(shè)計

由于整機設(shè)備外形尺寸固定，工作臺高h(yuǎn)已知，工作平臺上水平行程長度S0已知，故只需要設(shè)計合適的桿長，在給定的曲柄運動規(guī)律下，就可以得出其余執(zhí)行機構(gòu)上點的位移、速度、加速度等參數(shù)。由圖1可知桿CB1D1輸料機構(gòu)的左極限位置，桿CB2D2輸料機構(gòu)的右極限位置，設(shè)搖桿的轉(zhuǎn)動范圍為0～θ，滑塊E的行程范圍為S0，建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型對連桿機構(gòu)進行分析。各符號的物理意義見表1。

表1 各符號的物理意義

由圖1可以得滑塊的位移S與曲柄的轉(zhuǎn)角Φ的關(guān)系為：

+l4cos(β+β2)+l4cos(θ+β2)

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

(5)

在極限位置時，此時θ=α，將(2)式帶入到位移式(1)中，可以得到滑塊E的位移表達式S0。

(6)

由于速度為位移對時間的一階導(dǎo)數(shù)，將滑塊的位移方程式(1)對時間求導(dǎo)，可得滑塊E的速度V與曲柄轉(zhuǎn)角Φ的方程式：

(7)

將滑塊位移方程式(7)對時間求二階導(dǎo)，即可得到滑塊E的加速度A與曲柄轉(zhuǎn)角Φ的方程式為：

(8)

理論上滿足同一軌跡的連桿桿長有多組可行解[4]，考慮輸送機構(gòu)速度平穩(wěn)、加速度變化幅度小的可能性，選取符合條件的桿長，輸入裝置各桿的桿長見表2。

表2 輸入裝置各桿的桿長

1.2 無紡布制杯機送料機構(gòu)強度校核

由曲柄連桿機構(gòu)的運動規(guī)律可知[5]，連桿機構(gòu)中曲柄OA作為主動件做勻速的回轉(zhuǎn)運動，滑塊E作為從動件做往復(fù)運動完成對物料的運輸，對連桿機構(gòu)進行強度校核時，首先需要校核曲柄的強度，其次需要對滑塊的物理特性(行程、速度、加速度、強度)進行分析，驗證是否達到預(yù)期的設(shè)計要求。

根據(jù)電動機參數(shù)可知曲柄的轉(zhuǎn)速：

n1=100 r/min=1.67 r/s

(9)

由此可得OA桿的角速度和和角加速度：

ω1=2πn=3.34πrad/s

(10)

(11)

在曲柄OA中A的離心慣性力為A的質(zhì)量mA圍繞O點做勻速圓周運動產(chǎn)生的，數(shù)學(xué)表達式為：

(12)

式中：mA、L1、ω1均為常數(shù)，故離心慣性力PA的大小不變，方向由曲軸中心指向曲柄銷中心隨曲軸運動一起旋轉(zhuǎn)，PA的值小于曲柄可以承受的最小應(yīng)力，符合設(shè)計要求。

對曲柄的強度校核采用安全系數(shù)法，安全系數(shù)法的計算式為[6]：

(13)

式中：σ-1為材料對稱彎曲循環(huán)疲勞極限，Q235為414 MPa；σa為曲柄彎曲時名義應(yīng)力幅，σm=(σmax-σmin)/2；kσ為曲柄彎曲是應(yīng)力集中系數(shù)，取值1.55；εσ為絕對尺寸影響系數(shù)，取值0.75；β為強化系數(shù)，取值1.5；Ψα為材料對應(yīng)力循環(huán)不對稱的敏感系數(shù)，取值0.33。

由式(13)得nσ=2.76，該安全系數(shù)沒有考慮曲柄的扭轉(zhuǎn)振動以及連桿對曲柄的反作用力影響，因此，安全系數(shù)：

n=nσ/(λd·C)

(14)

式中：λd為動力強化系數(shù)，取值1.28；C為動荷系數(shù)，一般取1.1～1.3。

由此計算得到n=1.67。對于Q235的曲柄，在制造和加工工藝穩(wěn)定的情況下安全系數(shù)應(yīng)取n≥1.5，因此曲柄的疲勞強度能滿足設(shè)計要求。

1.3 無紡布制杯機送料機構(gòu)滑塊行程校核

無紡布制杯機送料機構(gòu)中的送料導(dǎo)軌如圖2所示。曲柄做勻速圓周運動帶動滑塊E在軌道上做橫向往復(fù)運動，當(dāng)連桿在左極限位置CB1D1時，滑塊位于左極限位置E1，建立數(shù)學(xué)坐標(biāo)系，設(shè)此時滑塊E所處的位置E1為滑塊行程零點及坐標(biāo)原點O，當(dāng)連桿移動得到右極限位置CB2D2時，滑塊E處于右極限位置E2，帶入式(1)得滑塊S0=249 mm，由式(7)、式(8)可得速度區(qū)間V∈[-1.36，1.57] m/s，加速度區(qū)間A∈[-14.02，20.54] m/s2，這一運動曲線完全滿足無紡布制作機的送料輸送要求。

圖2 送料導(dǎo)軌

滑塊受力分析如圖3所示，由于滑塊E只能在滑軌上實現(xiàn)往復(fù)移動，在整個運動過程中，單個無紡布重量可以忽略不記，滑塊E在實現(xiàn)往復(fù)運動時，主要受到自重、搖桿對滑塊的力、與導(dǎo)軌產(chǎn)生的摩擦力，以及其他阻尼產(chǎn)生的阻力，在中間移動階段滑塊的受力主要為摩擦力受力基本均勻，不會產(chǎn)生突變，除了會產(chǎn)生正常磨損外機構(gòu)可以正常運行，這一階段滑塊被破壞的可能性非常小[7]。但在軌道兩端回轉(zhuǎn)換向的過程中，在很短的時間內(nèi)，要實現(xiàn)減速、變向、加速三種狀態(tài)，工作狀態(tài)惡劣，對滑塊E整個機構(gòu)的磨損和沖擊急劇增加，會導(dǎo)致磨損和失效，直接影響到制杯機的工作效率[8]，因此需要在滑塊的導(dǎo)向軌道兩側(cè)加裝彈簧來保護滑塊在端部的摩擦。

圖3 滑塊受力分析

連桿對滑塊的支持力F2是個變力，力的大小會隨著時間發(fā)生變化，為核算滑塊的強度，取滑塊的最大速度為v，質(zhì)量為m，豎直方向所受合力為F=|F1-F3|，移動時與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)為μ，摩擦力的合力為f，設(shè)彈簧的彈性系數(shù)為k，彈簧所產(chǎn)生的功為WF。因此，滑塊的動能方程式為：

(15)

摩擦力所做的功：

Wf=μFS0

(16)

彈簧力所做的功：

(17)

將式(16)、(17)帶入到式(15)中得：

(18)

查彈簧彈性系數(shù)表，彈性系數(shù)為3.6的彈簧滿足實驗要求，可對滑塊進行有效地保護。

2 無紡布育苗杯制杯機焊接機構(gòu)設(shè)計

對無紡布的夾持采用凸輪機構(gòu)，夾持裝置的傳動凸輪安裝在焊接機構(gòu)的傳動凸輪上，夾持裝置傳動凸輪上利用彈簧回復(fù)機構(gòu)定位拉桿，拉桿和焊模夾具形成一組四桿鉸鏈機構(gòu)，在拉桿的動作下，焊模夾具重復(fù)性張合，在無紡布進料前打開夾具，無紡布進入后，拉桿動作，將無紡布包裹在焊模上，從而實現(xiàn)夾持功能。夾持裝置如圖4所示。

圖4 夾持裝置

減速電機通過鏈傳動將動力傳遞到兩側(cè)對稱的凸輪機構(gòu)中帶動凸輪旋轉(zhuǎn)，焊接頭固定在焊接機構(gòu)的上擋板中間，通過凸輪的旋轉(zhuǎn)帶動上擋板上下移動，完成對無紡布的焊接，焊接機構(gòu)如圖5所示。

圖5 制杯機焊接機構(gòu)1.超聲波焊接傳動凸輪Ⅰ；2.超聲波焊接推桿Ⅰ；3.超聲波焊頭固定板；4.超聲波焊頭；5.焊模夾具；6.焊模夾具動作總成；7.苗杯成品焊模；8.焊模夾具動作桿；9.焊模夾具動作推桿；10.超聲波焊接推桿Ⅱ；11.超聲波焊接傳動凸輪Ⅱ；12.二級傳動軸鏈輪Ⅰ；13.集料凸輪；14.超聲波夾具傳動凸輪；15.一級傳動軸鏈輪Ⅰ；16.二級傳動軸鏈輪Ⅱ；17.一級傳動軸；18.二級傳動軸；19.一級傳動軸鏈輪Ⅱ

實際作業(yè)中無紡布的輸送和夾持機構(gòu)的張合是同步進行的，無紡布夾持機構(gòu)張開，滑塊E推動無紡布進入夾持機構(gòu)，夾持裝置夾緊，焊接頭向下完成焊接，焊接示意圖如圖6所示。夾持裝置松開，集料爪夾持加工好的無紡布育苗杯，推送到集料裝置中。在焊接機構(gòu)中，焊接頭的上下往復(fù)運動以及夾持裝置的閉合都是由凸輪帶動的，最重要的就是確定焊接頭的凸輪外延輪廓，因此引入了凸輪曲線，建立輸入、輸出凸輪轉(zhuǎn)角關(guān)系，并推導(dǎo)出凸輪理論齒形方程和工作齒廓方程的一般表達式[9]。其次在焊接中焊接頭需要在焊接時短暫滯留，以達到最好的焊接效果，焊接頭運動軌跡如圖7所示。通過2個相同的鈦合金焊模夾具，將扇形無紡布定位在錐形焊模上，并將兩焊接邊搭接，鈦合金超聲波焊頭向下動作貼合焊模，高頻振動產(chǎn)生的超聲波，經(jīng)過一定的保壓時間，在保壓壓力的作用下，將扇形無紡布兩邊焊接成形，焊接完成后，焊頭向上動作，離開焊接面，從而完成育苗杯的焊接成形[10]。在焊接的整個過程中焊接的傳動由圖5中超聲波焊接傳動凸輪11帶動超聲波焊接夾具傳動凸輪14，對凸輪輪廓的設(shè)計采用NURBS曲線(非均勻有理B樣條)的方法設(shè)計[11-13]，在夾持裝置的凸輪設(shè)計時，在一個工作周期內(nèi)，夾持機構(gòu)的包覆焊模閉合的時間必須大于超聲波焊頭焊接時的滯留時間，只有這樣機構(gòu)間才不會產(chǎn)生干涉，保證焊接的可靠性。其各自帶動的傳動鏈輪尺寸計算經(jīng)過傳動比來確定，結(jié)構(gòu)件的耦合保證運動的連貫性，其動作的先后順序一部分由控制系統(tǒng)決定，另一部分由機械機構(gòu)間的傳動耦合來決定。焊接機構(gòu)完成著育苗杯的成型，其功能設(shè)計的優(yōu)劣決定著最終焊接性能的好壞。

圖6 焊接示意圖

圖7 焊接頭運動軌跡

3 無紡布育苗杯制杯機收集機構(gòu)設(shè)計

集料機構(gòu)是整個輸出機構(gòu)的一部分，一方面剝離焊模上的成型育苗杯，另一方面使育苗杯進入集料端，主要是由分置在工作臺面兩側(cè)的兩個機械爪來完成。制杯機采用機械手爪來剝離育苗杯，機械爪固定在滑塊上，滑塊穿過工作平臺的橫桿往復(fù)運動，與送料機構(gòu)同步動作。當(dāng)焊接完成，夾持機構(gòu)張開，機械爪伸入從焊模上剝離育苗杯，并帶入集料盒中。焊模上設(shè)計有連接導(dǎo)向橫桿，便于成型后的育苗杯順利導(dǎo)過，直至集料端。輸出導(dǎo)向裝置如圖8所示。

圖8 輸出導(dǎo)向裝置

手爪采用能彈性回復(fù)的彈簧片來使其保持在平衡位置，并且手爪的寬度尺寸和焊模上開出的凹槽能夠完全配合，避免運動時干涉。導(dǎo)向桿和平臺間的間隙既要保證機械爪的往復(fù)運動，又要保證育苗杯的完整性，使無紡布育苗杯能夠順利導(dǎo)出而不產(chǎn)生卡澀，集料機構(gòu)的同步運行和前一環(huán)節(jié)相耦合，由機械的尺寸精度和控制信號來實現(xiàn)[14]。

圖9 育苗杯收集裝置

由機械爪在焊模上剝離育苗杯，經(jīng)導(dǎo)向桿的引導(dǎo)將育苗杯輸送到集料盒中，育苗杯收集裝置如圖9所示，是一個鉸鏈四桿機構(gòu)，曲柄由凸輪帶動轉(zhuǎn)動，并且曲柄是一個折桿。曲柄在凸輪轉(zhuǎn)動過程中帶動苗杯收集裝置運動，在保持整體系統(tǒng)聯(lián)動的情況下實現(xiàn)苗杯的收集[15]。

4 結(jié)論

4.1 關(guān)鍵技術(shù)說明

(1)對無紡布育苗杯制杯機送料機構(gòu)進行了設(shè)計，通過分析計算確定了連桿L1、L2、L3、L4的長度，分別為100、192、730、155 mm，并對送料機構(gòu)強度和滑塊行程進行了校核，計算結(jié)果表明，送料機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足強度使用要求；

(2)設(shè)計了無紡布育苗杯制杯機焊接機構(gòu)。焊接機構(gòu)的核心由鈦合金焊模夾具、超聲波焊頭和焊模組成，設(shè)計了凸輪機構(gòu)控制焊模夾具的張合，設(shè)計凸輪外沿輪廓控制超聲波焊頭的運動；

(3)對無紡布育苗杯制杯機收集機構(gòu)，設(shè)計了輸出導(dǎo)向裝置，實現(xiàn)了剝離焊模上的成型育苗杯和育苗杯的輸送；設(shè)計了由一個四桿機構(gòu)組成的育苗杯收集裝置，實現(xiàn)了苗杯的收集。

4.2 結(jié)束語

在農(nóng)林業(yè)育苗領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)機械化、規(guī)?；?、工廠化的現(xiàn)代化生產(chǎn)，育苗容器裝備的機械化必不可少，無紡布制杯機的開發(fā)研制，推動無紡布育苗杯制作從傳統(tǒng)人工焊合到機械化作業(yè)，是農(nóng)林容器育苗過程中必不可少的機械設(shè)備之一。同時也推動了容器育苗的發(fā)展，打破了育苗的季節(jié)性限制，提高了育苗的成活率，滿足了日益增長的苗木需求量[16]一方面解放勞動力，另一方面工廠化的育苗質(zhì)量會大大提高。在育苗杯制杯機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中既考慮機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，又考慮到實際生產(chǎn)中的經(jīng)濟成本，2RBW-1500型育苗杯制杯機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于維護等特點，大大提高了育苗的生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了對勞動力的解放，提高了生產(chǎn)效率。