離心鑄造取件機械手導軌的設計

劉建軍 高浩 高廣東 吳龍

摘要：隨著“中國制造2025”國家戰略的不斷深入，節能減排目標日趨臨近，氣缸套的取件機械手可以提高氣缸套的生產品質，從而減少整車排放污染。取件機械手在運動過程中對導軌穩定性的提出更高的要求，本文從取件機械手的工作原理出發，針對導軌的使用條件，設計計算導軌的受力載荷和傾覆力矩，從而校核導軌的安全系數和使用壽命，為導軌的安全可靠提供的設計依據，為機械手使用提供了保證。

Abstract： With the deepening of the national strategy of "made in China 2025"， energy-saving and environmental protection has become the key problem of China. The fetching robot arm of cylinder liner can improve the production quality， so reducing the emission pollution of the whole vehicle. In the processing of movement， the fetching manipulator puts forward higher request for the stability of the guide. The structure and the working principle of automatic casting-fetching manipulator are introduced in this paper. According to the service condition of guide rail， its bearing load and overturning moment are designed and calculated， so as to check the safety factor and working life， to provide theoretical basis for safety and reliability of guiding rail， and thus provide guarantee for manipulator.

關鍵詞：離心鑄造;取件機械手;導軌;設計

Key words： centrifugal casting;casting-fetching manipulator;guide;design

0? 引言

“中國制造2025”國家戰略指出，2020年乘用車整體油耗降至5升/100公里，單位GDP碳排放降低40-45%[1]。2017年，中國石油消進口比例達到了70%，遠遠超過世界警戒紅線“50%”。能源消耗、大氣污染的壓力不斷要求傳統汽車的轉型升級，汽油機的節能新技術發展已經深入發動機內部，氣缸套是鑲在發動機上的核心零件，它是燃燒室密閉空間的骨干框架，是內燃機的動力源泉之一[2]。我們申請的國家發改委的離心鑄造氣缸套數字化生產車間專項，能夠生產多種高性能的氣缸套產品，如低錳氣缸套、低排放氣缸套、“蘑菇頭”氣缸套等，結合內燃機的燃燒新技術，可以降低車輛排放10-25%。特別是我們研制開發的離心鑄造智能制造機的核心部件——取件機械手的設計成為了項目研究中的重中之重。

1? 取件機械手的工作原理

內燃機氣缸套制造往往將液體金屬注入高速旋轉的鑄型，金屬液體在鑄型內做離心運動，從而形成鑄件的自由表面，在此期間有助于氣體和夾雜物的排出，優化金屬結晶過程，從而獲得高品質的鑄件[3][4]。以往取件往往采用人工進行，勞動強度大，效率低，產品質量無法保證，為此我們研發了取件機械手。如圖1所示。

離心鑄造取件機械手主要由支撐座1、直線導軌2、拔缸錐頭3、彈簧板4、軸承座5、張緊氣缸6、前后驅動氣缸7和扭動氣缸8等構成。取件的動作流程：開始拔缸套時，前后驅動氣缸7動作，拔缸錐頭3到位;張緊氣缸6動作，錐頭3回縮，張緊缸套內壁;扭動氣缸8動作，彈簧板4帶動缸套往復小角度旋轉;前后驅動氣缸7縮回到位，拔出缸套;前端拖輪架輔助動作，定位缸套;張緊氣缸6動作，錐頭3回原位，松開缸套;前后驅動氣缸7縮回原位，缸套落入料框。

2? 取件機械手導軌的設計

取件機械手中直線導軌放置在移動軸承座下方，不僅具有直線導向和支撐作用，在拔缸套時還受到傾覆力矩，因此直線導軌規格型號的選擇至關重要。導軌選用上銀科技股份有限公司的產品，初選導軌型號為HGW35C，以下對直線導軌尺寸型號的選取進行分析計算：

2.1 導軌的初始條件選擇

2.1.1 使用條件

安裝方式：水平使用。

使用的導軌根數為2。

2.1.2 選擇類型

根據結構設計，直線導軌滑塊安裝方式為從下向上安裝，導軌主要受正上正下方的徑向力，在拔缸旋轉時受到來自缸套涂料的傾覆力矩，因此選擇4個方向（上下和左右方向）均能承受負荷的HG系列直線導軌。

2.2 導軌外載荷的設計計算

2.2.1 計算外加負荷

在solidworks三維設計模型中，對直線導軌支撐的移動軸承座部分的重心進行計算分析，其重心與直線導軌的位置尺寸如圖2所示[5]。

當拔缸機械手（圖1）中的扭動氣缸動作時，直線導軌受到一個傾覆力矩Mc，其值與扭動離心機模具內缸套時受到的阻力矩大小相等，最大值為扭動氣缸輸出的力矩值，由于阻力矩值與涂料的性質有關，難以判定其值大小，因此用阻力矩的最大值進行計算，即扭動氣缸輸出的力矩值進行計算[6]。

扭動氣缸選定直徑為D=63mm，在推力下工作，設定氣缸的工作壓力為P=0.4MPa，則氣缸的推力

l為扭動氣缸桿與扭轉中心軸之間的距離l=0.173m[7]。

查產品手冊表得傾覆力矩Mc徑向方向上等價系數為ε=8.31×10-2，則最大阻力矩在一根導軌徑向上的等價力為

由于一根導軌上布置有2個滑塊，則每個滑塊受到的等價徑向力為

由圖2可知，左下方滑塊受力最大[8]，其受力

上式中：m為直線導軌上可移動部分質量，通過對solidworks三維模型分析計算可得m=190kg;l0=270mm;l1=360mm，l2=81.7mm;l3=4.5mm。則計算可得

2.2.2 計算等價負荷

上式中u=1為等價系數。

2.3 導軌安全系數的校核

2.3.1 計算靜態安全系數

通過以上計算，可知導軌徑向方向負荷較大，查產品手冊取fH=1，fT=1，fC=1，HGW35C導軌的基本額定靜載荷為Co=102.87kN，則

因此，完全能滿足要求。

2.3.2 計算額定壽命

由于拔缸套速度較低，有微小的沖擊和振動，查產品手冊，取負荷系數fw=1.3，取fH=1，fT=1，fC=1，HGW35C導軌的基本額定動載荷為C=49.52kN，則導軌額定壽命為

根據設計計算，拔卸一個缸套在滑塊需要在導軌上往復行走s=2.42m。根據工藝要求，最快1分鐘生產一個缸套毛坯，按一天工作24小時，一年工作365天計算，則導軌的時間壽命為

雖然導軌理論計算時間壽命比較大，按照常規理論，應選取低等級規格型號的導軌型號再進行計算，但由于生產現場環境比較惡劣，其實際使用壽命比理論計算值將會大大減少，因此定直線導軌型號為HGW35C。

3? 結論

通過對離心鑄造取件機械手導軌的受力分析，對導軌的數量、外加載荷、安全系數及額定壽命進行了初步的設計計算，具體結論如下：①導軌型號HGW35C，水平放置2根;②線導軌滑塊安裝方式為從下向上安裝，導軌主要受正上正下方的徑向力為767N，在拔缸旋轉時受到來自缸套涂料的傾覆力矩為215.7N·m;③導軌靜態安全系數大于5，完全滿足設計要求，導軌額定壽命可達4819年，因為離心鑄造使用條件比較惡劣，高溫、應力變化等條件暫時沒有考慮，實際壽命將會大大減少，因此我們選用的HGW35C直線導軌是符合實際需要的。

參考文獻：

[1]黃裘俊，張凱，宋錦春，等.基于改進粒子群算法的取件機械手軌跡綜合優化設計[J].東北大學學報（自然科學版），2018，35（11）：1636-1647.

[2]吳鵬飛.鋁合金動、靜盤“一模四腔”重力鑄造輔助取件裝置的研發與應用“[J].科技風，2018（10）：155.

[3]李衛民，華雷.注塑機專用取件機械手結構設計[J].機械工程師，2018（10）：52-54.

[4]王文博，劉躍坤，周黎明.壓鑄機周邊取件手的設計[J].時代農機，2017（12）：112-113.

[5]勞可名，曾慶鋒.取件機械臂定位精度的可靠性優化研究[J].機電工程，2017，34（7）：725-729.

[6]王素粉.基于PLC的壓鑄取件機械手控制系統設計[J].現代制造技術與裝備，2017（5）：54-55.

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