基于橋式起重機(jī)不規(guī)則板件吊物架的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

李艷芳，崔成梅，盧緒振，趙慶松

LI Yan-fang1,CUI Cheng-mei1,LU Xu-zhen2,ZHAO Qing-song1

（1. 濰坊工程職業(yè)學(xué)院，青州 262500；2. 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究所，濟(jì)南 250100）

0 引言

隨著加工技術(shù)的提高，在中等批量的生產(chǎn)車間里，零件在機(jī)床上的時(shí)間僅占生產(chǎn)時(shí)間的5%，而其余95%的時(shí)間都耗在了原材料、工具和零件的搬運(yùn)、等待上[1,2]。自動(dòng)導(dǎo)航小車（AGV）、機(jī)器人等運(yùn)輸設(shè)備的出現(xiàn)使在生產(chǎn)工程中物料運(yùn)輸效率有了很大的提高。對(duì)于規(guī)則零件運(yùn)輸目前已有很大的進(jìn)步，但對(duì)于是不規(guī)則零件，尤其是不規(guī)則大型板件物料運(yùn)輸效率很低，亟待提高。

針對(duì)工程機(jī)械用大型不規(guī)則板件從下料到裝配過(guò)程中運(yùn)輸效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于橋式起重機(jī)不規(guī)則板件的專用吊物架。專用吊物架的研制成功可大量節(jié)省板件在搬運(yùn)過(guò)程中的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。

1 吊物架機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方案

1.1 吊物架的功能要求

吊物架的設(shè)計(jì)是針對(duì)工程機(jī)械用大型不規(guī)則板件從下料到裝配過(guò)程中的運(yùn)輸。不規(guī)則板件在運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)吊物架有如下三點(diǎn)要求：

1）能夠夾持不同厚度的板件，且可實(shí)現(xiàn)批量運(yùn)輸。板件的厚度規(guī)格有36mm、46mm、56mm不等[3]，最多可夾持6塊板件。

3）吊物架工作過(guò)程要求安全可靠。

1.2 吊物架機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方案

為了在搬運(yùn)不規(guī)則板件的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)夾持及不等量地批量運(yùn)輸，吊物架的總體機(jī)構(gòu)擬采用連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其工作原理：吊物架由橫梁，夾持臂、滑塊和氣缸組成。吊物架在初始狀態(tài)下，夾持臂成豎直狀態(tài)，滑塊在夾持臂內(nèi)槽的在下端，滑塊兩側(cè)安裝軸承，可以實(shí)現(xiàn)在夾持臂內(nèi)槽里上下滑動(dòng)，滑塊的上下滑動(dòng)可實(shí)現(xiàn)夾持不同厚度及不等批量的板件。滑塊與氣缸相連接，氣缸收縮，夾持臂保持不動(dòng)，滑塊沿夾持臂向上滑動(dòng)并至上限位置，然后氣缸繼續(xù)收縮，夾持臂在滑塊的作用下張開(kāi)，準(zhǔn)備夾持板件。當(dāng)?shù)跷锛芊胖玫脚c板件合適的位置時(shí)進(jìn)行夾持工作，這時(shí)氣缸伸長(zhǎng)，夾持臂在氣缸的作用下閉合，當(dāng)夾持臂成豎直狀態(tài)時(shí)，氣缸繼續(xù)伸長(zhǎng)，推動(dòng)滑塊沿夾持臂向下滑動(dòng)，直至壓緊被夾持板件。當(dāng)板件被放置到合適的位置，氣缸收縮，帶動(dòng)壓塊向上滑動(dòng)至上限位置，氣缸繼續(xù)收縮，使夾持臂張開(kāi)，將板件放置。

圖1 吊物架機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由上述工作原理可知，吊物架的工作包含兩個(gè)工作過(guò)程，即夾持工件的工作過(guò)程和卸載工件的工作過(guò)程。

吊物架夾持工件的工作過(guò)程包含四個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程：1）在初始狀態(tài)下，夾持臂豎直，氣缸收縮，滑塊上移至最高點(diǎn)。2）氣缸繼續(xù)收縮，夾持臂張開(kāi)，吊物架下移至合適位置，準(zhǔn)備夾持工件。3）氣缸伸長(zhǎng)，夾持臂閉合至豎直狀態(tài)，這時(shí)夾持臂已夾緊工件。4）氣缸繼續(xù)伸長(zhǎng)，滑塊下滑至工件上表面，壓緊工件。

吊物架的卸載工作過(guò)程是夾持工件的反過(guò)程，包含四個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程：1）在工件已放置好的情況下，氣缸收縮，夾持臂依然豎直，滑塊上移至最高點(diǎn)。2）氣缸繼續(xù)收縮，夾持臂張開(kāi)，卸載工件，此時(shí)吊物架上移離開(kāi)工件。3）吊物架回到合適位置，氣缸伸長(zhǎng)，夾持臂閉合至豎直狀態(tài)。4）氣缸繼續(xù)伸長(zhǎng)，滑塊下滑至最低點(diǎn)，隨時(shí)準(zhǔn)備加持工件。

2 吊物架機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

從吊物架正反兩個(gè)工作過(guò)程來(lái)看，可以歸結(jié)為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程：即滑塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程和夾持臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。針對(duì)這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程和吊物架的功能要求，下面以?shī)A持工件工作過(guò)程中的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)吊物架的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2.1 滑塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

在滑塊向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，夾持臂保持豎直狀態(tài)，即夾持臂的初始狀態(tài)，這時(shí)氣缸收縮，夾持臂相對(duì)于橫梁保持不動(dòng)，滑塊在夾持臂的內(nèi)槽中向上運(yùn)動(dòng)，直至其上限位置。由于此吊物架機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，因此在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可對(duì)吊物架一邊的夾持臂和氣缸進(jìn)行研究，即上述機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為圖2。由圖2可知，此機(jī)構(gòu)相當(dāng)于雙滑塊機(jī)構(gòu)的正切機(jī)構(gòu)，滑塊的位移與氣缸的轉(zhuǎn)角成正比[4]。圖中虛線和實(shí)線分別為壓塊的兩個(gè)極限位置。

從“一帶一路”倡議的推進(jìn)情況、中國(guó)—東盟自由貿(mào)易區(qū)的建設(shè)目標(biāo)、自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)的核心功能以及廣西的地理區(qū)位與產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)狀來(lái)看，廣西申請(qǐng)建設(shè)自由貿(mào)易港區(qū)的戰(zhàn)略定位可以聚焦于以下三個(gè)方面：中國(guó)—東盟自貿(mào)區(qū)升級(jí)版先行地、兩廊一圈主對(duì)接平臺(tái)以及邊境開(kāi)發(fā)開(kāi)放示范區(qū)。

圖2 滑塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1）機(jī)構(gòu)自由度分析：機(jī)構(gòu)中含有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，其中有2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和2個(gè)移動(dòng)副，沒(méi)有高副，機(jī)構(gòu)的自由度，即機(jī)構(gòu)自由度為1。此機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件是氣缸，即原動(dòng)件的數(shù)量和機(jī)構(gòu)的自由度相同，可以確定此機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

2）構(gòu)件位置分析：由圖2知：在滑塊向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，壓力角α是不斷增大的，傳動(dòng)角γ是不斷減小的。由于α越小，γ越大，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能越好；反之，α越大，γ越小，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能越差，傳動(dòng)效率越低[5]。lAB=lACtanα1，根據(jù)所夾持板件的厚度和數(shù)量，確定滑塊上下移動(dòng)的距離為280mm，即lCD=280mm，AC的長(zhǎng)度可以根據(jù)需要自由調(diào)整，暫取AC的長(zhǎng)度lAC=310mm 。為了保證機(jī)構(gòu)能夠正常工作，一般規(guī)定γmin≥40°[6]。所以lAB=lACtanα1，即=310 tan40°=260.1mm 。則氣缸的長(zhǎng)度與滑塊所走行程的關(guān)系為：

式中，x為滑塊的行程。

2.2 夾持臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

夾持臂運(yùn)動(dòng)的過(guò)程是在滑塊上升到最高點(diǎn)以后，氣缸繼續(xù)收縮，夾持臂張開(kāi)，準(zhǔn)備夾持工件。兩夾持臂在張開(kāi)的過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)是左右對(duì)稱的，以右邊的夾持臂為研究對(duì)象，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖3所示。由圖3可知，此機(jī)構(gòu)為擺動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)（或稱搖塊機(jī)構(gòu)）[7]。圖中虛線和實(shí)線分別為夾持臂的兩個(gè)極限位置。

圖3 夾持臂張開(kāi)過(guò)程的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1）機(jī)構(gòu)自由度分析：機(jī)構(gòu)含有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和1個(gè)移動(dòng)副，沒(méi)有高副，機(jī)構(gòu)自由度，即機(jī)構(gòu)自由度為1。機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件為氣缸，即原動(dòng)件的數(shù)量和機(jī)構(gòu)的自由度相同，可以確定此機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

2）構(gòu)件位置分析：AD為氣缸，BC為夾持臂，AB為氣缸相對(duì)于夾持臂的安裝距離。利用矢量方程解析法[8]對(duì)這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。在封閉的矢量四邊形ABCD中，有矢量方程：

在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，d=a恒成立，根據(jù)夾持臂的初始位置和氣缸的運(yùn)動(dòng)行程可知如下已知條件：

其中，11為氣缸第二個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的行程，L0為氣缸全收縮時(shí)的長(zhǎng)度。

由（2）式和（3）式可以求得a與氣缸行程l1之間的關(guān)系，即所選氣缸滿足夾持臂張開(kāi)及閉合的運(yùn)動(dòng)范圍，從而確定了夾持臂的位置變化與氣缸行程之間的關(guān)系。

3 吊物架實(shí)體造型構(gòu)建

根據(jù)以上吊物架的功能要求和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析，最終確定了吊物架的結(jié)構(gòu)及各零部件的尺寸。Pro/E 軟件是目前國(guó)內(nèi)外最為先進(jìn)的基于特征的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)之一,易學(xué)易用、功能強(qiáng)大[9]。依托Pro/E軟件強(qiáng)大的功能對(duì)吊物架各零部件進(jìn)行實(shí)體構(gòu)建，然后對(duì)吊物架進(jìn)行虛擬裝配。

3.1 橫梁實(shí)體模型構(gòu)建

橫梁的結(jié)構(gòu)需要考慮到與氣缸、夾持臂的鉸接，另外還需考慮吊物架在工作時(shí)的平衡，即吊點(diǎn)的設(shè)置，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 橫梁模型

3.2 夾持臂實(shí)體模型構(gòu)建

夾持臂的結(jié)構(gòu)需要考慮到被夾持板件的結(jié)構(gòu)、滑塊的運(yùn)動(dòng)等情況，夾持臂結(jié)構(gòu)如圖5所示。另外夾持臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了滑塊在上下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中保持豎直狀態(tài)。

圖5 夾持臂模型

3.3 滑塊實(shí)體模型構(gòu)建

滑塊需要在夾持臂內(nèi)槽里上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與氣缸相連，滑塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。滑塊兩側(cè)的軸承安裝實(shí)現(xiàn)了滑塊在夾持臂內(nèi)槽里上下滑動(dòng)。

圖6 滑塊模型

圖7 吊物架模型

3.4 吊物架實(shí)體模型構(gòu)建

虛擬裝配是一種零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過(guò)程，是有效分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性的一種手段[4,5]。它是在計(jì)算機(jī)上完成產(chǎn)品零部件的造型設(shè)計(jì)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)裝配、干涉分析等多次協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)過(guò)程，是產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。在Pro/E的裝配模塊中建立零部件之間的連接關(guān)系，這種連接關(guān)系的建立是通過(guò)配對(duì)條件在零部件之間建立約束關(guān)系來(lái)確定零部件在產(chǎn)品中的位置。裝配完成后的吊物架模型如圖7所示。在吊物架裝配完成以后，需要對(duì)裝配模型進(jìn)行干涉分析。經(jīng)靜態(tài)干涉分析，各零部件之間沒(méi)有干涉。

4 吊物架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

進(jìn)入Pro/E的機(jī)構(gòu)模塊中，定義運(yùn)動(dòng)軸，定義的連接應(yīng)確保機(jī)構(gòu)按預(yù)期的要求運(yùn)動(dòng)，添加合適的伺服電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，以便進(jìn)行位置分析和運(yùn)動(dòng)分析，從而驗(yàn)證吊物架機(jī)構(gòu)分析的合理性。吊物架的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖8所示。吊物架運(yùn)動(dòng)仿真的結(jié)果表明，該機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，沒(méi)有干涉狀況出現(xiàn)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 吊物架運(yùn)動(dòng)過(guò)程

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)所夾持板件的要求，設(shè)計(jì)了吊物架的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并在理論上進(jìn)行解析，得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變化情況。利用Pro/E軟件強(qiáng)大的功能進(jìn)行三維建模、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真分析，來(lái)檢查吊物架各零部件之間的運(yùn)動(dòng)干涉情況，進(jìn)而驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。它的研制將會(huì)提高不規(guī)則板件的搬運(yùn)效率，也將為不規(guī)則板件吊物架的發(fā)展打下基礎(chǔ)。

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