硫化機機械手振動控制研究及設計改進

雷海波，王時敏

(山河智能裝備有限公司，湖南 長沙 410000)

隨著世界“工業(yè)4.0”及“中國智造2025”戰(zhàn)略的升級，各大輪胎廠都將如何提高生產(chǎn)線自動化程度作為未來工作的重中之重。輪胎硫化機作為輪胎工業(yè)生產(chǎn)中最重要的工藝設備之一，其自動化程度直接影響輪胎廠生產(chǎn)線的自動化水平，而其裝胎機械手的先進性、穩(wěn)定性及自動化水平則是制約輪胎硫化機自動化水平的關鍵因素。郭良剛等為了提高裝胎機械手的精度，開發(fā)了電動變頻機械手[1]。旺明等對硫化機機械手結(jié)構(gòu)進行了改進，采用電動擺臺調(diào)整機械爪，提高重復對中精度及自動化水平[2]。

輪胎硫化機裝胎機械手停止轉(zhuǎn)動時因慣性存在一定的振動，嚴重影響效率及抓胎爪片的對中精度。而關于裝胎機械手振動控制方面鮮有研究。本工作主要從理論上研究裝胎機械手上氣缸安裝位置、緩沖機構(gòu)對振動控制的影響，同時結(jié)合實際生產(chǎn)，驗證理論分析的正確性。

1 裝胎機械手簡介

以某型號輪胎定型硫化機為研究對象，輪胎硫化機裝胎機械手示意圖見圖1所示，主要包括機械爪、轉(zhuǎn)進轉(zhuǎn)出氣缸、機械臂、升降支架等。其功能為把輪胎生坯抓起，然后轉(zhuǎn)到與輪胎硫化機中心機構(gòu)同軸位置，將生胎套入硫化膠囊中，并且能在生胎定型過程中起定位導向作用[3]。

輪胎硫化機裝胎機械手轉(zhuǎn)進轉(zhuǎn)出用氣缸缸徑d1為80 mm，氣體壓力P為0.7 MPa，活塞桿直徑d2為25 mm，則活塞桿伸出時氣缸提供的推力F及活塞桿縮回時氣缸提供的推力F′分別為：

圖1 輪胎硫化機裝胎機械手示意圖

2 裝胎機械手振動控制分析

輪胎硫化機裝胎機械手振動影響因素較多，主要包括氣缸減震設計及選型、限位及緩沖機構(gòu)設計、氣缸與機械臂安裝角度等。由于氣缸已定型，故本研究主要從氣缸安裝位置、緩沖機構(gòu)方面進行分析。

2.1 氣缸安裝位置對振動控制影響

圖2為優(yōu)化的氣缸安裝位置與轉(zhuǎn)臂受力關系示意圖，當氣缸支點在轉(zhuǎn)臂起點和轉(zhuǎn)臂終點連線延長線上時，氣缸在起點位置和終點位置提供給轉(zhuǎn)臂的力相等，且最大，以保證機械手轉(zhuǎn)動時具有足夠的起始推力。整個行程中其他位置氣缸提供的力均大于起點和終點位置。

回程時氣缸提供的起始和最終推力F2為 :

圖2 氣缸安裝位置與轉(zhuǎn)臂受力關系示意圖

假設機械手質(zhì)量m為350 kg（包括輪胎），轉(zhuǎn)臂行程為θ=94°，轉(zhuǎn)臂從起點到終點需要時間t1=3 s，則轉(zhuǎn)臂平均角速度ω為：

轉(zhuǎn)臂從靜止達到角速度ω所需時間t2為0.5 s，機械爪重心到轉(zhuǎn)動支點距離r=0.8 m，轉(zhuǎn)臂l=0.26 m（根據(jù)氣缸行程380 mm計算得），轉(zhuǎn)動軸承摩擦力產(chǎn)生力矩忽略不計，計算得機械手轉(zhuǎn)動所需最小推力Fmin為：

根據(jù)前面計算，80 mm缸徑氣缸去程及回程時氣缸提供的垂直轉(zhuǎn)臂的最小推力F1=2 399 N 、F2=2 164 N，均大于機械手轉(zhuǎn)動所需最小推力1 421.6 N，滿足使用要求。

2.2 緩沖機構(gòu)對機械手振動控制影響

裝胎機械手使用的緩沖形式可以概括為3類：擺動式緩沖機構(gòu)、拉桿式單緩沖機構(gòu)以及拉桿式雙緩沖機構(gòu)。擺動式緩沖機構(gòu)因碰撞瞬間作用力很大，使用壽命較短；拉桿式單緩沖機構(gòu)的拉桿在轉(zhuǎn)出位時受拉力，在轉(zhuǎn)入位時受推力，2個緩沖器在滑塊上必須反向安裝，而且是獨立工作，這樣滑塊只有一邊受力，對滑塊的軸以及拉桿都會產(chǎn)生額外的扭矩，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用壽命。拉桿式雙緩沖機構(gòu)的拉桿在轉(zhuǎn)出位和轉(zhuǎn)入位都受拉力，2個緩沖器在滑塊上同向?qū)ΨQ安裝，同時工作，使滑塊受力對稱，不會產(chǎn)生額外的扭矩，滑塊的軸以及拉桿的受力情況都會遠遠優(yōu)于拉桿式單緩沖結(jié)構(gòu)。

圖3為優(yōu)化的拉桿式雙緩沖機構(gòu)原理圖，當緩沖器拉桿支點移到轉(zhuǎn)臂運動軌跡的外面，且拉桿上力的方向與旋轉(zhuǎn)速度的方向共線并相反時，拉桿上的力可以全部用作有效力（機械手的緩沖、減速），此時拉桿、旋轉(zhuǎn)軸、緩沖器等受力是最優(yōu)、最小的，2個緩沖器同時吸能，可以選用較小型號的緩沖器。圖4為優(yōu)化的拉桿式雙緩沖機構(gòu)三維模型。

圖3 拉桿式雙緩沖機構(gòu)原理圖

圖4 拉桿式雙緩沖三維軸側(cè)視圖

氣缸提供的垂直作用力F1=2 399 N，機械爪重心到轉(zhuǎn)動支點距離r=800 mm，角速度ω=0.55 rad/s，假設緩沖器行程s=16 mm，則轉(zhuǎn)動動能Ek為：

作用在緩沖器上的力f為：

做功能量Ew為：

機械手總能量E總為：

同時使用2個緩沖器，則單個緩沖器需要吸收的能量E單為 ：

設計所選緩沖器最大單次吸收能量必須大于計算的E單值，一般取安全系數(shù)1.2，建議選用韓國KOBA的KMA20-16LV型號緩沖器（Etmax=61 N.m）或其他品牌Etmax大于54 N.m的緩沖器。

3 結(jié)果驗證

根據(jù)上述理論分析結(jié)果，對該型號輪胎硫化機機械手進行設計優(yōu)化，在其他結(jié)構(gòu)不變的前提下，將氣缸支點設計在轉(zhuǎn)臂起點和轉(zhuǎn)臂終點連線延長線上，并設計新的拉桿式雙緩沖機構(gòu)，確保拉桿上力的方向與旋轉(zhuǎn)速度的方向共線并相反，試制一套裝胎機械手并投入試用，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的機械手振幅很小，較原機械手有很大改進，得到客戶的高度認可。

4 結(jié)論

當氣缸支點在轉(zhuǎn)臂起點和轉(zhuǎn)臂終點連線延長線上時，氣缸在起點位置和終點位置提供給轉(zhuǎn)臂的力相等，且最大，以保證機械手轉(zhuǎn)動時具有足夠的起始推力。

當緩沖器拉桿支點移到轉(zhuǎn)臂運動軌跡的外面，且拉桿上力的方向與旋轉(zhuǎn)速度的方向共線并相反時，拉桿上的力可以全部用作有效力，緩沖效果最好。

[1] 郭良剛，張曉琳，宋瑞華，等．機械雙模硫化機電動變頻機械手的研制開發(fā)[J]．橡塑技術與裝備，2016(42):37～38．

[2] 汪明，李新勝，王鵬．數(shù)字化調(diào)整在硫化機機械手上的應用[J]．橡塑技術與裝備，2014(40):35～37．

[3] 呂柏源，洛少寧，何月梅，等．橡膠機械(上冊)[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2014:1 021．