基于齒盤旋轉(zhuǎn)及四邊導(dǎo)軌升降裝置的高位肥料疊包設(shè)備有限元分析及結(jié)構(gòu)仿真

張子軍，張炳超，陳朝旭，張文學(xué)，陳瑩瑩

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630；3.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人在國民工業(yè)生產(chǎn)的多領(lǐng)域當(dāng)中得到廣泛的運(yùn)用，對(duì)提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量等各方面起著重要的作用，機(jī)器人當(dāng)中的疊包機(jī)器人將更多應(yīng)用于物流等產(chǎn)業(yè)鏈[1]。相比傳統(tǒng)的人工疊包碼垛，碼垛機(jī)器人占用作業(yè)空間小，工作效率高，只要把它放在合適的位置就可以同時(shí)負(fù)責(zé)多條生產(chǎn)線的碼垛作業(yè)，而且對(duì)于不同的負(fù)載通過調(diào)整對(duì)應(yīng)的控制參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載的碼垛作業(yè)，在其智能的屬性下使工作變得簡(jiǎn)單高效[2]，尤其是集機(jī)械本體、計(jì)算機(jī)控制、傳感技術(shù)、人工智能等多學(xué)科為一體的智能化碼垛技術(shù)裝備[3]。但上述疊包碼垛機(jī)器人，尤其是高位碼垛機(jī)器人都存在物料疊包碼垛時(shí)托盤不穩(wěn)及抓齒或托盤錯(cuò)位的問題，鑒于此，有必要研制基于齒盤旋轉(zhuǎn)及四邊導(dǎo)軌升降裝置的肥料疊包碼垛設(shè)備。

當(dāng)前肥料行業(yè)應(yīng)用的碼垛機(jī)器人以美國和日本制造的為主，其中美國研發(fā)技術(shù)水平最高，日本則是應(yīng)用較早及較為成熟的國家，歐洲以德國、瑞典的技術(shù)發(fā)展最具特點(diǎn)且品質(zhì)較好[5]。體現(xiàn)為3種模式即歐洲模式、美國模式和日本模式[6]，總的來說，國外碼垛機(jī)器人的特點(diǎn)為各品牌系列型號(hào)多、負(fù)載范圍廣、工作范圍大、軸數(shù)集中、動(dòng)作速度快[7]。由于價(jià)格高昂，國內(nèi)應(yīng)用碼垛設(shè)備和機(jī)器人受到限制,只在部分經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚的企業(yè)中得到了應(yīng)用[8]。近年來在國家相關(guān)調(diào)控、政策以及市場(chǎng)需求支持下，國內(nèi)碼垛機(jī)器人技術(shù)得到質(zhì)的提升，發(fā)展變得迅速[9]。本文針對(duì)現(xiàn)有肥料疊包碼垛設(shè)備的托盤升降機(jī)構(gòu)存在疊包碼垛時(shí)存在托盤搖晃、托盤旋轉(zhuǎn)錯(cuò)位等問題，采用在托盤升降裝置四角設(shè)置導(dǎo)軌，讓框架沿著導(dǎo)軌做上下滑動(dòng)，從而解決了肥料疊包時(shí)托盤不穩(wěn)的弊端。通過采用伺服電機(jī)匹配減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)直齒大齒盤來帶動(dòng)托盤旋轉(zhuǎn)，解決了現(xiàn)有普通托盤在上下升降疊包時(shí)旋轉(zhuǎn)遲緩或錯(cuò)位的弊端。

1 肥料疊包及碼垛要求

由于肥料企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中成品包裝的肥料以散裝肥料和顆粒肥料為主，其包裝一般是采用40 kg～50 kg 的包裝規(guī)格，要求肥料疊包碼垛時(shí)肥料邊角對(duì)齊，層疊之間必須咬合，不能松散，否則會(huì)出現(xiàn)塌包和掉落現(xiàn)象。碼垛的肥料必須牢固、定量、整齊、方便叉車進(jìn)行堆放和運(yùn)輸。

一般的有機(jī)肥或無機(jī)肥包裝袋尺寸如表1 所示。

表1 肥料包裝袋規(guī)格

1.1 肥料托架

通常情況下肥料托架的尺寸為160 cm×140 cm×14 cm（長(zhǎng)×寬×高），平面面積約2.24 m2，可以滿足每層5～6 包平鋪碼垛，如圖1 所示。

圖1 肥料托架尺寸

1.2 肥料碼垛方式

采用5 包肥料疊包碼垛方式為3 并2 橫交錯(cuò)層疊方式，采用6 包肥料碼垛方式為3 并2 排交錯(cuò)層疊方式，如圖2 所示。

圖2 肥料碼垛方式

上述2 種碼垛方式是肥料生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用的疊包碼垛機(jī)器裝備通用的碼垛方式，具有定量、整齊，高效的優(yōu)點(diǎn)。

2 肥料疊包設(shè)備的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)肥料企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求，肥料疊包時(shí)要求疊包設(shè)備具有貨物自動(dòng)碼放功能、物品輸送功能、托盤升降功能、托盤自動(dòng)進(jìn)給功能[10]。當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)中的模塊化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)用最廣泛的設(shè)計(jì)方法[11]，鑒于此，肥料疊包設(shè)備要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)碼放功能、物品輸送功能、托盤升降功能、托盤自動(dòng)進(jìn)給等功能，必須包含疊包主體機(jī)、PLC 可編程自動(dòng)控制器、傳感系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等功能模塊，如圖3 所示。

圖3 肥料疊包設(shè)備

疊包主體機(jī)由進(jìn)料皮帶機(jī)、快速皮帶機(jī)、落包分配裝置、旋轉(zhuǎn)托盤及液壓升降裝置、托盤輸送裝置等部分組成，前端快速皮帶機(jī)將袋裝物料送入快速皮帶機(jī)里，快速皮帶機(jī)把肥料拋送到落包分配器的托盤中，落包分配器由PLC 可編程自動(dòng)控制器控制，負(fù)責(zé)將袋裝物料定位投放到旋轉(zhuǎn)托盤里進(jìn)行定位碼垛。PLC 可編程自動(dòng)控制器結(jié)合光電傳感器和限位控制器，實(shí)現(xiàn)落包分配器和托盤旋轉(zhuǎn)的時(shí)序疊包、液壓升降和托盤輸送等自動(dòng)控制，如圖4 所示。

圖4 肥料疊包主體機(jī)

3 托盤升降框架的仿真分析

肥料疊包機(jī)在疊包作業(yè)過程中，托盤升降框架是上下做升降運(yùn)動(dòng)的，其升降油缸輸出的推力是連續(xù)變化的，當(dāng)托盤升降框架處于最初開始落包位置也就是最高位置時(shí)，升降油缸此時(shí)輸出的推力最小。當(dāng)托盤升降框架疊滿肥料時(shí)，也就是托盤升降框架處于最低位置，升降油缸此時(shí)的輸出推力最大，在設(shè)計(jì)最大載荷下，升降油缸的最大壓力不僅影響到鉸接位置的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)也對(duì)后續(xù)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和托盤升降框架的穩(wěn)定性有影響[12]，因此，為滿足肥料疊包機(jī)實(shí)際疊包作業(yè)需求，本文對(duì)托盤升降框架的結(jié)構(gòu)及升降油缸的工作推力進(jìn)行模擬分析。

導(dǎo)軌升降裝置中的托盤升降框架在升降過程中的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5 所示。托盤升降框架和升降油缸鏈接，最高點(diǎn)為b，最低點(diǎn)為a。托盤升降框架內(nèi)部長(zhǎng)2 500 mm，寬1 209 mm。升降油缸和4 根框架支撐柱子底端固定，在Inventor 動(dòng)力學(xué)分析模塊中本文設(shè)定A 點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，托盤升降框架上下運(yùn)動(dòng)的距離h1和承托的質(zhì)量由升降油缸沿著AB 垂直方向的分量決定[13]。在模擬過程中，a、b的取值h1和h2受到升降油缸最大推力和結(jié)構(gòu)限制。

圖5 托盤升降框架機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

本文基于Inventor 三維軟件對(duì)托盤升降框架進(jìn)行建模，并對(duì)托盤升降框架在升降過程進(jìn)行模擬干涉檢查，避免發(fā)生干涉且滿足肥料疊包承重和高度為前提，設(shè)定h1=1.545 m，h2=0.300 m。當(dāng)托盤升降框架處于最高和最低位置時(shí)，升降油缸結(jié)構(gòu)滿足升舉與下降需求，沒有發(fā)生干涉。

運(yùn)用Inventor 三維軟件對(duì)托盤升降框架空載狀況進(jìn)行建模，如圖6 所示?；贗nventor 搭載的動(dòng)力學(xué)分析模塊對(duì)空載狀態(tài)下的升降油缸在最高位置的初始推力變化進(jìn)行分析，隨著時(shí)間推移，肥料落下疊包，托盤升降框架在下降過程中逐步增加負(fù)重后，從最高處b下降到最低端a的過程中，此時(shí)升降油缸的推力逐漸升高，如圖7、圖8所示。

圖6 空載初始狀態(tài)Inventor 仿真過程

圖7 負(fù)載狀態(tài)升降油缸推力仿真過程

由Inventor 軟件搭載的動(dòng)力學(xué)分析模塊的輸出圖示器得到升降油缸輸出推力仿真變化曲線，如圖8 所示，包含疊包作業(yè)時(shí)托盤升降框架從最高點(diǎn)b 處開始疊包至最低點(diǎn)a 處疊包完成下降過程的受力，可知隨著時(shí)間的變化，托盤升降框架下降時(shí)，升降油缸的推力呈線性增加。最大推力出現(xiàn)在托盤升降框架位于最低端處，約為28.557 kN。

圖8 升降油缸下降過程推力變化曲線

通過Inventor 搭載的仿真模塊分析可得到升降油缸滿足疊包作業(yè)所需的推力的最小值F=28.557 kN，即要使托盤升降框架和載重肥料上下平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，選型升降油缸的推力必須大于28.557 kN。

4 基于Inventor的導(dǎo)軌升降裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析

由于導(dǎo)軌升降裝置中的托盤升降框架是整個(gè)肥料疊包設(shè)備里最關(guān)鍵的承重裝置，本文利用Inventor里的應(yīng)力及有限元分析模塊對(duì)托盤升降框架進(jìn)行靜應(yīng)力和有限元分析。

4.1 托盤升降框架的材料設(shè)定

考慮到肥料包裝規(guī)格較重，一般是40～50 kg的包裝規(guī)格，采用1 層疊5～6 包，共疊8 層，約1.6～2.4 t 的疊包承重現(xiàn)實(shí)，設(shè)計(jì)過程中預(yù)留20%的闊余量，本次設(shè)計(jì)取2 900 kg 最大承載量，則可知承載質(zhì)量G=2 900×9.8=28 420 N。

托盤升降框架兩邊設(shè)計(jì)為150×100×5/Q235-A規(guī)格的矩形管，裝置提升處規(guī)格為鋼板16/Q235-A材質(zhì)的鋼板。在Inventor 軟件應(yīng)用環(huán)境里，設(shè)定材質(zhì)如表2、圖9 所示。

圖9 托盤升降框架材質(zhì)設(shè)定

表2 矩形管材料性能

4.2 導(dǎo)軌升降裝置的模型設(shè)計(jì)

運(yùn)用Inventor 軟件對(duì)肥料疊包設(shè)備的導(dǎo)軌升降框架進(jìn)行三維建模，規(guī)格為2 360 mm×1 140 mm×170 mm，如圖10 所示。

圖10 托盤升降框架三維模擬圖

4.3 導(dǎo)軌升降裝置的有限元分析

通過上述的托盤升降框架承擔(dān)最大約2 900 kg的肥料。則其受力主要分布在圖11 中A 處2個(gè)升降油缸提升點(diǎn)向上的28 420 N 舉升力和B 處托架梁向下的28 420 N 壓力處。

圖11 托盤升降框架受力分布圖

設(shè)定網(wǎng)格平均元素大小為0.1，其網(wǎng)格分布如圖12 所示。

圖12 托盤升降框架網(wǎng)格分布圖

為保證肥料疊包機(jī)滿足疊包作業(yè)的承重要求，首先需根據(jù)架體材料和強(qiáng)度確定最大負(fù)載[14]，升降過程中的最大負(fù)載為裝載滿負(fù)荷時(shí)架體到最低端狀態(tài)時(shí)的臨界值，借助Inventor 有限元分析構(gòu)件對(duì)導(dǎo)軌升降裝置中的托盤升降框架平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行肥料疊包負(fù)載狀態(tài)位移、應(yīng)力和安全系數(shù)分析，從而確定在最大負(fù)荷狀態(tài)的負(fù)載值，托盤升降框架的結(jié)構(gòu)受力仿真過程如圖13 所示，在托盤升降框架上下運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)，本文設(shè)定最大負(fù)載為2 900 kg，并對(duì)最大負(fù)載進(jìn)行仿真，當(dāng)施加的載重接近2 900 kg 時(shí)，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在托盤升降框架橫梁四角處，約為69.4 MPa，此時(shí)橫梁中心形變位移將達(dá)到0.464 8 mm；其中最大位移形變出現(xiàn)在液壓提升點(diǎn)處，達(dá)到0.619 8 mm；但不影響結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)安全系數(shù)位最低點(diǎn)6ul 出現(xiàn)在升降裝置側(cè)邊16 m鋼板處，由于托盤升降框架采用的矩形管梁架屈服極限為235 MPa，是Q235-A 規(guī)格，可以滿足要求。但如繼續(xù)增加負(fù)載，可能會(huì)導(dǎo)致升降框架嚴(yán)重變形或破裂從而失效，通過上述分析，證明采用150×100×5/Q235-A 規(guī)格的矩形管和16/Q235-A 材質(zhì)的鋼板制作托盤升降框架能滿足最大載重2 900 kg 的極限值需求。

圖13 托盤升降框架結(jié)構(gòu)受力仿真過程

5 結(jié)論

當(dāng)前，國內(nèi)肥料設(shè)備生產(chǎn)制造廠家，對(duì)肥料包裝生產(chǎn)線只做到把物料縫包好為止，至于后續(xù)的疊包、搬運(yùn)、倉儲(chǔ)和管理工作，則完全由搬運(yùn)工人來完成，會(huì)嚴(yán)重阻礙肥料生產(chǎn)企業(yè)的成品包裝效率和運(yùn)轉(zhuǎn)倉儲(chǔ)，無法滿足肥料生產(chǎn)企業(yè)提高生產(chǎn)率和提升倉庫容量及周轉(zhuǎn)率的現(xiàn)實(shí)需求；現(xiàn)有的肥料疊包裝備主要是借用食品業(yè)、陶瓷企業(yè)及制磚企業(yè)用的疊包碼垛設(shè)備，由于肥料包裝規(guī)格較重，一般是40～50 kg 的包裝規(guī)格，采用1 層疊5～6 包，共疊8 層約2.4 t 的疊包規(guī)格，導(dǎo)致普通的疊包機(jī)作業(yè)時(shí)其托盤升降機(jī)構(gòu)在疊包時(shí)出現(xiàn)搖晃和傾斜情況，在交錯(cuò)碼放肥料時(shí)出現(xiàn)遲緩和碼放錯(cuò)位等狀況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致塌包、疊包錯(cuò)位。

因此針對(duì)肥料疊包研制一種基于四邊導(dǎo)軌及齒盤旋轉(zhuǎn)升降裝置的肥料疊包設(shè)備設(shè)備，可解決肥料疊包過重，托盤升降裝置容易搖晃不穩(wěn)的問題。利用Inventor 軟件內(nèi)搭載的應(yīng)力及有限元分析模塊對(duì)托盤升降框架進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變的有限元分析，驗(yàn)證托盤升降框架能滿足最大載荷為2 900 kg；通過Inventor 軟件搭載的動(dòng)力學(xué)分析模塊對(duì)托盤升降框架的進(jìn)行升降仿真試驗(yàn)分析，優(yōu)化了整體結(jié)構(gòu)參數(shù)，驗(yàn)證了液壓系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)，完善了整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了托盤旋轉(zhuǎn)遲緩、容易碼放錯(cuò)位等問題，為肥料疊包機(jī)核心部件的研制提供了依據(jù)。