董 岱 衛(wèi) 衛(wèi) 石海軍 武兆平

(1:中冶華天工程技術有限公司 南京210019；2:南京理工大學機械工程學院 南京210094)

1 前言

隨著人力成本及型鋼生產線自動化智能化要求的不斷提高，越來越多的生產線開始采用自動碼垛工藝。常用的型鋼中槽鋼、角鋼、H型鋼等的自動化碼垛工藝已有較為廣泛應用，但是T型電梯導軌鋼卻因為斷面形狀特殊，而較難實現(xiàn)自動化碼垛[1]。

某T型導軌鋼生產線擬研制自動碼垛系統(tǒng)，由于導軌鋼截面形狀的特點及碼垛垛型的要求，在碼垛機自動碼垛之前，需要進行疊鋼操作，即將多根T型導軌鋼按次序疊放形成一組，以備碼垛機碼垛。疊鋼操作是T型導軌鋼自動碼垛的關鍵環(huán)節(jié)，因而疊鋼裝置的結構結構及功能對自動碼垛的質量及效率有較大影響。

目前型鋼碼垛的研究主要集中在角鋼、槽鋼和H型鋼等自動碼垛系統(tǒng)[2-6]。動力學仿真軟件ADAMS在型鋼碼垛裝置的研究中被廣泛采用。王琪等[7]采用ADAMS軟件中的參數(shù)化建模和分析功能,實現(xiàn)碼垛機器人機構的優(yōu)化設計,提高了機構設計的效率,縮短了設計周期。朱鎮(zhèn)鐘等[8]基于ADAMS軟件對型鋼堆垛機小車機構進行運動學仿真，獲得小車機構的可行參數(shù)和運動特性，為小車結構參數(shù)優(yōu)化奠定了基礎。針對T型電梯導軌鋼自動碼垛裝置研究的報道較少，自動化碼垛系統(tǒng)設備及工藝都還存在一定問題，有待進一步研究。

本文針對T型電梯導軌鋼自動碼垛系統(tǒng)中的疊鋼裝置的功能需求，提出了一種疊鋼裝置的結構設計，通過理論分析得到其運動學模型，運用動力學仿真軟件ADAMS對疊鋼裝置的疊鋼過程進行仿真，得到裝置疊鋼過程中驅動力、速度、位移等關鍵參數(shù)，為疊鋼裝置的結構優(yōu)化及控制提供了參考依據(jù)。

2 疊鋼裝置動作設計

T型電梯導軌鋼自動碼垛的垛型如圖1所示，其通過碼垛基本單元正反碼垛操作形成，為了得到碼垛基本單元，則需要疊鋼操作。導軌鋼生產線生產的成品導軌鋼依次輸送到碼垛操作區(qū)，經(jīng)過翻鋼/疊鋼/碼垛等操作形成最終垛型。疊鋼作為其中一個關鍵的操作，其功能是將導軌鋼依次堆疊形成碼垛基本單元。

為了實現(xiàn)疊鋼操作，根據(jù)導軌鋼的輸送方式及結構特點，將疊鋼操作過程分解為為擋鋼、抬鋼和拍鋼三個過程，如圖2所示。疊鋼過程可簡述為：電梯導軌鋼沿著輸送鏈輸送，首先擋鋼機構將第一根導軌鋼擋住，當?shù)诙鶎к変撨\動到與第一根導軌鋼接觸時，抬鋼機構將其從底端抬起，這時推鋼機構動作，從一側推動導軌鋼，使第二根鋼疊放到第一根鋼上，擋鋼機構沿著輸送方向運動一根鋼的寬度，然后重復上述過程，直到完成要求的疊鋼數(shù)量。

圖1 垛型示意圖

圖2 疊鋼過程分解

3 疊鋼裝置設計

根據(jù)電梯導軌鋼疊鋼過程的操作要求，提出疊鋼裝置的總體設計如圖3所示，主要包括支架、輸送鏈、擋鋼裝置、抬鋼裝置、推缸裝置等，其機構原理簡圖如圖4所示。疊鋼裝置的工作原理為：電梯導軌鋼沿著輸送鏈輸送，當首第一根導軌鋼到達疊鋼位置時，擋鋼裝置的伸縮擋頭伸出將其擋??；當?shù)诙鶎к変撨\動到與第一根導軌鋼接觸時，抬鋼液壓缸驅動抬鋼擺桿將其從底端抬起，這時推鋼液壓缸推動推鋼擺桿，從一側推動導軌鋼，使第二根鋼疊放到第一根鋼上，這時抬鋼裝置和推鋼裝置返回初始位置，擋鋼裝置在擋鋼液壓缸的驅動下沿輸送方向移動一根導軌鋼的寬度，然后重復上述疊鋼過程，直到完成一組碼垛基本單元所需的疊鋼數(shù)量。

圖3 疊鋼裝置結構圖

圖4 疊鋼機構原理圖

單次疊鋼過程需要實現(xiàn)導軌鋼的兩次水平運動和一次上升運動，這里設計的擋鋼機構、抬鋼機構和推鋼機構，從原理上都可簡化為液壓缸驅動的擺桿機構(圖5所示)，利用擺桿端部的圓弧運動軌跡來近似滿足疊鋼操作過程中所需的導軌鋼直線運動軌跡，大大簡化了疊鋼機構的結構設計，同時提高了其可靠性。

由擋鋼機構連桿幾何關系(圖5)可得，擋鋼擺桿頂點A的位置可表示為：

圖5 疊鋼連桿機構原理簡圖

x1A=(L11+L12)cos(θ0+θ1)

(1)

y1A=(L11+L12)sin(θ0+θ1)

(2)

其中：

(3)

Lc1=Lc10+ΔL1

(4)

式中：Lc10-擋鋼液壓缸初始長度;

ΔL1-擋鋼液壓缸伸長量。

同理，可得抬鋼擺桿頂點B的位置可表示為：

x2B=L22cos(α1+Δα)

(5)

y2B=L22sin(α1+Δα)

(6)

其中

(7)

Lc2=Lc20+ΔL2

(8)

式中：Lc20-抬鋼液壓缸初始長度;

ΔL2-抬鋼液壓缸伸長量。

推缸擺桿頂點C的位置可表示為：

x3C=L32cos(β)

(9)

y3C=L32sin(β)

(10)

其中

(11)

Lc3=Lc30+ΔL3

(12)

式中：Lc30-推鋼液壓缸初始長度，

ΔL3-推鋼液壓缸伸長量。

綜合式(1)-(12)可以得到擋鋼、抬鋼和拍鋼裝置位移與驅動液壓缸活塞缸伸長量之間的關系。

4 疊鋼裝置仿真

為驗證所設計的疊鋼裝置的疊鋼功能，研究疊鋼過程中各機構的運動及受力情況，運用動力學仿真軟件ADAMS對疊鋼裝置疊鋼過程進行仿真。

4.1 仿真模型

為了方便仿真計算，對仿真模型做如下基本簡化：

1)各構件進行多體動力學分析過程中均視為剛體；

2)設定液壓缸的驅動過程為先加速、再勻速、后減速過程；

3)暫不考慮軸承游隙、加工制造誤差及裝配誤差等不確定因素；

4)對輸送鏈的結構進行簡化，通過設置輸送鏈與導軌鋼的摩擦參數(shù)來模擬實際的輸送過程。

根據(jù)所設計的擋鋼裝置基本結構，建立其主要運動部件的三維模型，包括驅動液壓缸、連桿、輸送鏈簡化模型和導軌鋼模型等，然后導入ADAMS軟件，進行約束、運動及力等參數(shù)的設置，其仿真模型如圖6所示。導軌鋼放置在輸送鏈上，輸送鏈設置恒定運動速度，通過導軌鋼與輸送鏈之間的摩擦來驅動導軌鋼向前運動。對于擋鋼、拍鋼和抬鋼液壓缸的運動，采用設定位移曲線的方法[9]。

根據(jù)疊鋼操作過程的節(jié)奏要求，設置T75導軌鋼疊鋼操作時抬鋼、推鋼和擋鋼液壓缸的位移曲線如圖7所示，這里設置抬鋼和推鋼液壓缸伸出和縮回過程均為1s，即抬鋼升起和落下時間均為1s，擋鋼液壓缸主要時驅動氣動升降擋頭平移，從而實現(xiàn)多次疊鋼操作，其位移發(fā)生在當根導軌鋼疊鋼完成后。疊鋼過程中，抬鋼和推鋼這兩個動作需要配合操作，理論上需要抬鋼之后拍鋼，但從方正過程可知，為了縮短疊鋼動作整體耗時，實際控制時，抬鋼和推鋼兩個液壓缸可以同時動作，但要保證抬鋼終位時間不晚于推鋼終位時間。

圖6 疊鋼裝置仿真模型

1-輸送鏈;2-氣動擋頭;3-T型導軌鋼;4-抬鋼機構;5-擋鋼機構;6-擋鋼液壓缸;7-拍鋼機構;8-拍鋼液壓缸;9-抬鋼液壓缸

圖7 液壓缸位移曲線

圖8 液壓缸推力曲線

4.2 仿真結果及分析

T75導軌鋼疊鋼過程中液壓缸的輸出推力如圖8所示。由于在疊鋼過程中，導軌鋼與疊鋼裝置存在接觸和分離過程，因此仿真過程中存在運動剛體的接觸問題，存在較多的沖擊力，故力曲線存在脈沖尖峰。從抬鋼液壓缸推力曲線可以看出，抬鋼裝置將導軌鋼抬起過程中其推力逐漸增大，待導軌鋼被推鋼裝置推動疊放到前一根導軌鋼時，導軌鋼姿態(tài)翻轉，其重力主要由輸送鏈承擔，此時抬鋼裝置推力急速減小，抬鋼過程中推力整體在2000N以內。從推鋼液壓缸的推力曲線可以看出，推力先減小后增大，從曲線可以看出在推鋼裝置與導軌鋼接觸時，推力曲線出現(xiàn)明顯的脈沖尖峰，這說明推鋼接觸階段存在較大的沖擊，因此要控制推鋼裝置的運動速度，以減小沖擊。

圖9 疊鋼過程中導軌鋼位移曲線

由于疊鋼過程中輸送鏈保持運動，造成導軌鋼與伸縮擋頭之間不斷產生碰撞，因而從圖8的擋鋼液壓缸推力曲線中可以看到因碰撞而產生的推力抖動。從擋鋼液壓缸的推力數(shù)值可以看出，擋鋼裝置在疊鋼過程中受到的導軌鋼的作用力較小(T75約1000N)，該力對擋鋼裝置的機構的運動及橫向穩(wěn)定性的影響較小。

T75導軌鋼疊鋼過程中的質心位移和速度曲線分別如圖9和10所示。由于假設導軌鋼在兩根輸送鏈上擺放位置完全對稱，其兩端沿輸送鏈運動完全一致，故在z方向(導軌鋼長度方向)導軌鋼沒有位移，因此這里只研究其沿x(輸送鏈運動方向)和y(重力反方向)方向的運動。由位移和速度曲線可以看出疊鋼過程中T型導軌鋼線沿y方向升高，x方向則略有后退，然后在拍剛裝置作用下，迅速沿x方向向前運動，當疊鋼完成后，會沿著x反向略有回退，這是兩根導軌鋼因重力作用產生的相對滑動。

分別對型號T75、T89、T14、T127B和T140C的導軌鋼的疊鋼過程進行了仿真，得到抬鋼液壓缸推力曲線如圖11所示?？梢钥闯鎏т撏屏η€變化規(guī)律基本一致，只是數(shù)值上存在由于導軌鋼尺寸和重量的變化引起的變化。以所建立的仿真模型分析仿真過程中液壓缸的位移、驅動力及導軌鋼的位移、速度等參數(shù)變化情況，為疊鋼裝置的結構和控制系統(tǒng)設計提供參考數(shù)據(jù)。

圖10 疊鋼過程中導軌鋼速度曲線

圖11 不同型號導軌鋼抬鋼液壓缸推力變化曲線

5 結論

本文根據(jù)導軌鋼的結構及垛型特點，分析了疊鋼操作的基本過程，設計了疊鋼裝置并運用ADAMS進行了仿真分析，主要結論如下：

1)根據(jù)疊鋼工藝過程設計了主要包括擋鋼裝置、抬鋼裝置和推鋼裝置的疊鋼裝置的基本結構，通過三套簡單的液壓缸驅動擺桿機構的動作組合，巧妙實現(xiàn)了導軌鋼的疊鋼操作；

2)通過機構學分析，建立了擺桿位移與液壓缸伸縮量的理論模型，為裝置的參數(shù)設計和控制系統(tǒng)設計提供了理論參考；

3)運用ADAMS軟件對疊鋼裝置進行了仿真，得到不同型號導軌鋼疊鋼過程的驅動力、位移和速度等參數(shù)，為裝置的結構優(yōu)化及控制參數(shù)設置提供了參考依據(jù)。仿真結果表明：所設計的疊鋼裝置能夠實現(xiàn)不同型號導軌鋼的疊鋼操作。