桁架式SGLT 自動(dòng)上下料碼垛裝置機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

高 銳

(福建省林業(yè)科學(xué)研究院，福建 福州 30012)

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑具有綠色低碳、節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的特性[1，2]，可預(yù)制化、工業(yè)化生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝，有著巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)前景[3，4]。 結(jié)構(gòu)用集成材(Structural glued laminated timber，SGLT)作為制作木結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件，是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑的主要材料。 而SGLT 的智能自動(dòng)化技術(shù)的研發(fā)滯后成為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑推廣應(yīng)用的主要瓶頸。 目前，SGLT 生產(chǎn)過程中各工序生產(chǎn)仍以單個(gè)加工機(jī)床為主，各加工工序之間完全獨(dú)立，沒有形成自動(dòng)化生產(chǎn)線，各道工序之間的上下料碼垛作業(yè)仍以人工操作為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。 國(guó)外，德國(guó)HOMAG 公司、WEINIG 公司研發(fā)了采用工業(yè)機(jī)械人裝載真空海綿吸盤工作頭，用于人造板材上下料；丹麥SYSTEM TM 公司采用龍門架搭載海綿吸盤工作進(jìn)行實(shí)木板材上下料。 國(guó)內(nèi)，李平等[5]構(gòu)建了木工加工中心板材自動(dòng)上下料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了木工加工中心與工業(yè)機(jī)器人的組合，是小型柔性制造系統(tǒng)在木工加工中的具體應(yīng)用。 張前衛(wèi)等[6]介紹了一種基于PLC 控制的SGLT 拼方生產(chǎn)自動(dòng)上料設(shè)備，該設(shè)備具有自動(dòng)傳送、自動(dòng)翻轉(zhuǎn)、步進(jìn)推靠、自動(dòng)卸料等功能，對(duì)該設(shè)備的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)作方式和電氣控制原理做了詳細(xì)的表述。 曹心愚等[7]根據(jù)木門扇生產(chǎn)工藝，開發(fā)了木門移載機(jī)，進(jìn)行了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了木門扇自動(dòng)上料。 目前，自動(dòng)上下料碼垛裝備已在板材、門業(yè)生產(chǎn)中得到了初步應(yīng)用，并發(fā)揮了良好的經(jīng)濟(jì)效益，但是無法很好地適應(yīng)SGLT 的自動(dòng)上下料碼垛作業(yè)。 前期筆者[8]通過海綿吸盤真空吸附系統(tǒng)的研究為SGLT 自動(dòng)上下料裝置真空吸附抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

筆者在前期吸附系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種用于SGLT 的自動(dòng)上下料碼垛裝置，系統(tǒng)地闡明其工作機(jī)理，進(jìn)行桁架式SGLT 上下料碼垛裝置的升降機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、抓取執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 通過建立有限元模型，利用有限元分析理論進(jìn)行靜態(tài)分析、動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析等仿真驗(yàn)證，證明設(shè)計(jì)的正確性與合理性。 為進(jìn)行結(jié)構(gòu)用集成材自動(dòng)上下料裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體設(shè)計(jì)

桁架式SGLT 自動(dòng)上下料碼垛裝置主要由支架、升降機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和真空系統(tǒng)等四部分組成。 支架由橫梁、縱梁和支柱等聯(lián)接而成，起到支撐裝置整體作用。 升降機(jī)構(gòu)由電機(jī)、減速箱、卷筒、升降帶、四連桿機(jī)構(gòu)等零部件組成，為上下料碼垛裝置主要升降工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 平移機(jī)構(gòu)主要由平移小車、導(dǎo)軌、滑塊、伺服電機(jī)、同步帶輪、同步帶、傳動(dòng)軸、直齒輪、齒條等零部件組成，為上下料碼垛裝置左右移動(dòng)的工作機(jī)構(gòu)。 桁架式SGLT 自動(dòng)上下料碼垛裝置三維模型如圖1 所示[8]。

圖1 桁架式SGLT 自動(dòng)上下料碼垛裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)SGLT 上下料碼垛工藝與參數(shù)要求，在對(duì)SGLT 進(jìn)行銑削、鋸切、鉆孔等加工前后，桁架式SGLT 自動(dòng)上下料碼垛裝置需要進(jìn)行SGLT 的拆垛、上料、下料、碼垛等作業(yè)。 進(jìn)行拆垛、上料時(shí)，伺服電機(jī)通過減速器帶動(dòng)同步輪旋轉(zhuǎn)，同步輪通過同步帶、傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪與齒條嚙合，從而驅(qū)動(dòng)小車進(jìn)行左右移動(dòng)。 水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)工作原理如圖2 所示。 伺服電機(jī)收到指令驅(qū)動(dòng)小車移動(dòng)到第1 個(gè)工件上方停穩(wěn)，然后升降機(jī)構(gòu)開始工作。

圖2 水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)工作原理圖

升降電機(jī)收到PLC 工作指令后開始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速器帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，纏繞在卷筒上的起重帶帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)做升降運(yùn)動(dòng)。 上連桿上端與下連桿下端各安裝一對(duì)直齒輪，通過齒輪對(duì)的相互嚙合保證連桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)不左右擺動(dòng)，可以平穩(wěn)升降。 升降機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)關(guān)系原理如圖3 所示。

圖3 升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)關(guān)系原理圖

安裝在連桿機(jī)構(gòu)下方的海綿吸盤接觸到SGLT時(shí)，升降電機(jī)停止工作，海綿吸盤啟動(dòng)吸附住工件。此時(shí)，升降電機(jī)開始工作，提升工件高度直至超過輸送機(jī)平臺(tái)后停止。

然后，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)小車帶著工件平移到輸送機(jī)臺(tái)面的正上方后停止運(yùn)動(dòng)，升降電機(jī)驅(qū)動(dòng)海綿吸盤帶動(dòng)工件下降并平穩(wěn)放在臺(tái)面上，海綿吸盤反向吹氣，釋放工件后退回到下一工件上面，開始下一工件上料工作。 下料碼垛作業(yè)的原理與拆垛上料的原理相同，順序相反。 桁架式SGLT 自動(dòng)上下料碼垛裝置主要參數(shù)如表1 所示。

表1 桁架式SGLT 自動(dòng)上下料碼垛裝置主要參數(shù)表

2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降機(jī)構(gòu)是上下料裝置的主要工作機(jī)構(gòu)之一，起著吸放工件、升降工件的作用，主要由電機(jī)、減速機(jī)、卷筒、升降帶、下安裝座、滑輪、海綿吸盤、半齒輪對(duì)、下連桿、上連桿、移動(dòng)小車組成，升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。 升降帶一端固定在移動(dòng)小車上，另外一端繞過下安裝座下面的動(dòng)滑輪后纏繞在卷筒上。 電機(jī)通過減速器帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，升降帶隨卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滑輪作升降運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件的升降。

圖4 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2 升降運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析

升降帶一端固定在卷筒上，另外一端繞過動(dòng)滑輪后固定在移動(dòng)小車上。 升降機(jī)構(gòu)在抓取SGLT 工件進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)過程中，電機(jī)帶動(dòng)卷筒逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，升降帶不斷纏繞在卷筒上，從而不斷拉著工件上升。電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，工件在升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件(包含四連桿機(jī)構(gòu)、海綿吸盤、下安裝座)和工件等自身重力的作用下降，升降運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析簡(jiǎn)圖，如圖5所示。

圖5 升降運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析簡(jiǎn)圖

升降運(yùn)動(dòng)過程中，滑輪兩側(cè)升降帶在升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件及工件的2 個(gè)大小相等、方向相同的拉力FL和四連桿機(jī)構(gòu)中兩側(cè)連桿豎直方向2 個(gè)大小相等的拉力FJ的共同作用下，克服升降機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)構(gòu)件自重GC和工件的自重GS實(shí)現(xiàn)升降作業(yè)運(yùn)動(dòng)。 因?yàn)樯禉C(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)構(gòu)件是左右對(duì)稱布局，所以GC和GS都在中心線上。 根據(jù)動(dòng)滑輪和鉸鏈的傳動(dòng)特性，2 個(gè)力FL和2 個(gè)力FJ的大小相同。FP是升降帶作用在卷筒圓周上的拉力，與FL大小相等，方向相反。 升降運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，如式(1)所示。

式中:mC為升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的總質(zhì)量，kg； mS為SGLT 工件質(zhì)量，kg；g 為重力加速度，9.8 m/ s2；a 為工件運(yùn)動(dòng)的加速度，m/ s2。

由式(1)可得FP，如式(2)。

滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)過程中克服拉FP所需的扭矩為Tp，如公式(3)。

式中:

r——滾筒半徑(m)；

Tp——滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)過程中克服拉FP所需的扭矩(N·m)。

2.3 升降電機(jī)選型

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)并進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的功率p 可以由公式(4)算出。

式中:vp為升降帶運(yùn)動(dòng)速度，m/s； pL為電機(jī)輸出功率，kW；η1為升降機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率，取0.7。

因?yàn)楹＞d吸盤和工件是與動(dòng)滑輪相連，所以升降機(jī)構(gòu)抓取工件升降速度vL是皮帶運(yùn)動(dòng)速度vp的1/2，電機(jī)轉(zhuǎn)速和升降機(jī)構(gòu)提升工件的速度v 的關(guān)系如式(5)所示。

式中:nL為升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中，SGLT 運(yùn)動(dòng)最大加速a ＝1m/s2、最大直線速度vL＝0.21m/s、升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)件的質(zhì)量mC＝185 kg 、SGLT 工件質(zhì)量ms＝50 kg 、滾筒半徑r ＝0.125 m。 將a、v、mC、ms和r 代入公式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)可以得出，電機(jī)所需功率pL＝1.46 kW 、nL＝ 1 380.38 r/min 和Tp＝ 13.92 N·m。

根據(jù)電機(jī)功率和轉(zhuǎn)速，選取電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)， YEJ2-90L-4，電機(jī)功率1.5 kW，制動(dòng)力矩為15 N·m，轉(zhuǎn)速1 390 r/min，選用減速器XWD3-43-1.5，減速比43。

3 平移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 平移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

平移機(jī)構(gòu)是上下料裝置的主要工作機(jī)構(gòu)之一，主要由支架橫梁、移動(dòng)小車、同步帶、同步帶輪、減速機(jī)、伺服電機(jī)、齒輪、齒條、軸承座、傳動(dòng)軸、滑塊、導(dǎo)軌等組成，平移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6 所示。 伺服電機(jī)通過減速器帶動(dòng)同步輪旋轉(zhuǎn)，同步輪通過同步帶和傳動(dòng)軸來驅(qū)動(dòng)齒輪沿著齒條轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)小車進(jìn)行左右移動(dòng)。

圖6 平移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 平移機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析

平移機(jī)構(gòu)傳動(dòng)關(guān)系原理簡(jiǎn)圖如圖2 所示。 平移機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來自伺服電機(jī)。 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，減速機(jī)驅(qū)動(dòng)上同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 上同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，下同步帶輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)并且?guī)?dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 齒輪通過與齒條嚙合，將扭矩傳遞給齒條。齒條給予齒輪的反作用力是在水平方向上的滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦力，驅(qū)動(dòng)平移機(jī)構(gòu)在水平方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 動(dòng)力學(xué)方程如式(6)所示。

式中:Fg為齒條給于齒輪的反作用力，N；Fs為滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦力，N；mH為平移機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量，kg；aH為平移機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)最大加速度，m/ s2； μ 為滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)，取0.1。

由式(6)可得出Fg，如式(7)所示。

齒輪節(jié)圓半徑計(jì)算如式(8)所示。

式中:M 為齒輪模數(shù)，m；Z 為齒輪齒數(shù)。

傳動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩如式(9)所示。

式中:Ta為傳動(dòng)軸上最大轉(zhuǎn)矩，N·m；rg為傳動(dòng)齒輪節(jié)圓半徑，m。

伺服電機(jī)軸最大負(fù)載的轉(zhuǎn)矩如式(10)所示。

式中:Ta為伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，N·m；is為伺服減速器減速比。

伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算如式(11)所示。

式中:ig為同步帶齒輪與齒輪減速比；vH為平移機(jī)械直線運(yùn)動(dòng)速度，m/s；nL為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

由式(10)和(11)可以得式(12)所示。

將平移機(jī)械直線運(yùn)動(dòng)速度vH＝0.24 m/s，最大加速度aH＝0.85 m/ s2、Mg＝0.035 m、Zg＝20、is＝15、vH＝0.25 m/s、μ ＝0.01、mH＝400 kg、 M ＝0.035 m、aH＝0.6 m/s2代入式(9)、(10)、(11)、(12)可得到伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速nL＝1 965.42 r/min、伺電機(jī)的轉(zhuǎn)矩Ta＝1.71 N·m。

3.3 平移機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)選型

進(jìn)行平移機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)選型時(shí)，選擇正確慣量比是充分發(fā)揮機(jī)械與電機(jī)之間最佳效能的前提。 平移機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)的負(fù)載慣量要與電機(jī)慣量相匹配，比值一般在1～8 之間，常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)適宜慣量比推薦值范圍見表2[9]。

表2 常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)適宜慣量比推薦值范圍

平移機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)慣量主要由做直線運(yùn)動(dòng)的平移機(jī)構(gòu)折算到時(shí)電機(jī)的慣量、齒輪自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、同步帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和減速機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量構(gòu)成。直線運(yùn)動(dòng)的平移機(jī)構(gòu)折算到驅(qū)動(dòng)齒輪上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算如式(13)[10，11]所示。

式中:JH為平移機(jī)構(gòu)折算到驅(qū)動(dòng)齒輪上慣量，kg·m2；Dg為驅(qū)動(dòng)齒輪節(jié)圓直徑，m；將已知mH＝400 kg、Dg＝0.07 kg 代入式(13)可得，JH＝0.49 kg·m2。

JH、Jg、Jp折算到減速機(jī)輸入端的慣量Jj如式(14)所示。

式中:

Jj為JH、Jg、 Jp折算到減速機(jī)輸入端的慣量，kg·m2；Jg為驅(qū)動(dòng)齒輪自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；Jp為同步帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2。

Jj、Jq折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jd如式(15)所示。

式中:Jq為減速器自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2； Jd為Jj、Jq折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2； η2為齒輪、齒條傳動(dòng)效率，0.95； η3為同步帶傳動(dòng)效率，0.98；η4為減速器傳動(dòng)效率，0.98。

將Dg＝0.07 m 、Dt＝0.07 m、JH＝0.49 kg·m2、Jg＝0.000 543 kg·m2、 Jq＝0.000 32 kg·m2、 Jp＝0.003 82 kg·m2、is＝15 代入式(14)、(15)可得得Jd＝0.002 544 kg·m2。

根據(jù)所需伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速nL＝1 965.42 r/min、伺服電機(jī)軸上轉(zhuǎn)矩Ta＝1.71 N·m 和平移機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)慣量Jd＝0.002 544kg·m2，查伺服電機(jī)手冊(cè)，選 用 伺 服 電 機(jī) ECMA - E11315SS， 額 定 轉(zhuǎn) 速2 000 r/min、轉(zhuǎn)子慣量0.001 118kg·m2、額定扭矩7.16 N·m。 減速器選用PA100-A015CE2255，減速比15。 經(jīng)驗(yàn)算，慣量比為2.27，符合表2 要求。 最大扭矩Ta＝1.71 N·m ＜額定扭矩7.16 N·m，滿足使用要求。

4 支架模態(tài)仿真分析

建立SGLT 上下料裝置的有限元模型，可以進(jìn)行模態(tài)分析與仿真驗(yàn)證，分析木SGLT 上下料裝置的動(dòng)態(tài)特性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，判斷上下料作業(yè)時(shí)是否發(fā)生共振抖動(dòng)影響作業(yè)精度。 模態(tài)分析主要用于分析裝備結(jié)構(gòu)和機(jī)器零部件的動(dòng)態(tài)特性，控制噪聲，避免共振，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

4.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析主要用于分析裝備結(jié)構(gòu)和機(jī)器零部件的動(dòng)態(tài)特性，控制噪聲，避免共振，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)與參考[12]。 模態(tài)分析需要知道結(jié)構(gòu)的幾何形狀、邊界條件、材料特性，把結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、阻尼分布分別和剛度分布以質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣表達(dá)出來，利用這些數(shù)據(jù)來確定系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)， 從而將系統(tǒng)的力學(xué)特征完整地表示出來[13，14]。 利用物體多自由度微分方程分析其固有振型、頻率和位移云圖，評(píng)估結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，以避免共振，保證裝備結(jié)構(gòu)的工作精度。 多自由度微分方程式(16)如下:

式中:[M]表示質(zhì)量矩陣；[C]表示阻尼矩陣；[K]表示剛度矩陣；[F(t)]表示力矩陣； {u¨} 表示加速度矩陣；{u˙} 表示速度矩陣；{u} 表示位移矩陣；t 表示時(shí)間。

木SGLT 上下料機(jī)架為龍門機(jī)構(gòu)，仿真分析時(shí)為自由振動(dòng)，無需考慮阻尼的影響，不需要添加外載邊界條件，微分方程式(16)可簡(jiǎn)化為式(17)。

將u ＝usin(ωt) 代入微分方程組，求解此微分方程最終得式(18)。

式中:ωi表示裝置的n 階固有頻率； {φi} 表示裝置對(duì)應(yīng)ωi阻的振型向量。

一般而言，低階振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)影響較大，低階振型決定結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性[15，16]。 結(jié)合SGLT 上下料裝置工作的實(shí)際情況取機(jī)架的前4 階模態(tài)進(jìn)行分析。

4.2 有限元模型建立與分析

首先進(jìn)行三維實(shí)體參數(shù)化建模，建模時(shí)為了提高模態(tài)分析的運(yùn)算速度，對(duì)模型進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化。 忽略焊接、安裝孔和倒角等特征對(duì)機(jī)械振動(dòng)特性的影響，所有的過渡圓角和倒角都簡(jiǎn)化成直角。 將龍門機(jī)架3D 文件保存為X_T 格式后以導(dǎo)入ANSYS Workbench。 設(shè)置材料為Q235，彈性模量為E＝210 GPa，密度ρ＝7 850 kg/m3，泊松比μ ＝0.3。 對(duì)龍門機(jī)架進(jìn)行四面體有限元?jiǎng)澐?，共劃?1 011 個(gè)節(jié)點(diǎn)，124 117 個(gè)單元，經(jīng)網(wǎng)格劃分后的機(jī)架有限元模型如圖7 所示。

圖7 機(jī)架有限元模型

根據(jù)實(shí)際工作情況添加機(jī)架四個(gè)立柱固定地面的邊界條件。 進(jìn)行求解得到其前4 階的固有頻率和振型，前4 階模態(tài)分析結(jié)果如表3 所示，前4 階振型如圖8 所示。

表3 前4 階模態(tài)分析結(jié)果

圖8 前4 階振型圖

SGLT 上下料裝置的垂直方向作業(yè)采用電磁制動(dòng)三相異步電機(jī)(YEJ2-90L-4)作為動(dòng)力，工作頻率為50 Hz；水平移動(dòng)采用臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)(ECMAE11315SS)為動(dòng)力，移動(dòng)時(shí)工作頻率是在50 ～60 Hz，此時(shí)外來激發(fā)頻率為電機(jī)的回轉(zhuǎn)頻率，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 390 r/min時(shí)，回轉(zhuǎn)頻率為23.16 Hz，與機(jī)架的前4階的固有頻率無重合，機(jī)架不會(huì)因電機(jī)、伺服電機(jī)工作時(shí)外部激勵(lì)而產(chǎn)生共振抖動(dòng)，因此木SGLT 上下料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠。

5 小結(jié)

根據(jù)SGLT 生產(chǎn)過程中上下料碼垛工藝要求，對(duì)上下料碼垛作業(yè)時(shí)升降機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程特征進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)了桁架式自動(dòng)上下料碼垛裝置的升降機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了升降電機(jī)、伺服電機(jī)和減速器的選型計(jì)算，進(jìn)行了支架的模態(tài)仿真分析，得出以下結(jié)論:

(1)確定SGLT 自動(dòng)上下料碼垛裝置設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)地闡明其工作機(jī)理，進(jìn)行桁架式SGLT 上下料碼垛裝置的升降機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、抓取執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分 析， 完 成 機(jī) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)。 升 降 機(jī) 構(gòu) 選 用 轉(zhuǎn) 速1 390 r/min、制動(dòng)力矩15 N·m 、功率1.5 kW 的電磁制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)YEJ2-90L-4，選用減速比43 減速器XWD3-43-1.5。 平移機(jī)構(gòu)選用額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min、轉(zhuǎn)子慣量0.001 118 kg·m2、額定扭矩7.16 N·m 的ECMA-E11315SS 伺服電機(jī)。 而且選用減速比為15 的PA100-A015CE2255 減速器。

(2)通過建立有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析與仿真驗(yàn)證。 研究SGLT 上下料碼垛裝置的動(dòng)態(tài)特性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。 SGLT 上下料裝置的垂直方向作業(yè)采用電磁制動(dòng)三相異步電機(jī)(YEJ2-90L-4)作為動(dòng)力，工作頻率為50 Hz；水平移動(dòng)采用臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)(ECMAE11315SS)為動(dòng)力，移動(dòng)時(shí)工作頻率是在50 ～60 Hz，當(dāng)轉(zhuǎn)速1 390 r/min 時(shí)，外來激發(fā)頻率為電機(jī)的回轉(zhuǎn)頻率為23.16 Hz，與機(jī)架的前4 階的固有頻率無重合，機(jī)架不會(huì)因電機(jī)、伺服電機(jī)工作時(shí)外部激勵(lì)而產(chǎn)生共振抖動(dòng)，因此本SGLT 上下料裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠。