趙金鳳

【摘 要】高速輸送輥床以其模塊化的設(shè)計、高強度同步帶傳動以及簡易的維護保養(yǎng)的特點，滿足產(chǎn)線高節(jié)拍、高效率、低維護的設(shè)備需求。面對國外高端產(chǎn)品的激烈競爭，這就需要我們加快自動化裝備的開發(fā)進度，助力高端裝備的國產(chǎn)化進程。

【關(guān)鍵詞】高速輸送;輥床;結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號： TS203文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）14-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.006

Structural Design and Simulation of High Speed Conveyor Roller

ZHAO Jin-feng

（Shanghai Guanzhi Industrial Automation Co.， Ltd.， Shanghai 201700， China）

【Abstract】High-speed conveyor roller bed with its modular design， high-strength synchronous belt transmission and simple maintenance features， to meet the production line high rhythm， high efficiency， low maintenance equipment requirements. Facing the fierce competition of foreign high-end products， we need to speed up the development of automation equipment and help the localization process of high-end equipment.

【Key words】High-speed conveying; Roller bed; Structure design

0 前言

高速輸送輥床研發(fā)的目的是：結(jié)合項目建設(shè)技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)負載、節(jié)拍、工位間距、工件輸送高度等技術(shù)參數(shù)，初步完成高速輥床的結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過研究高速輥床的動力學(xué)曲線和核心部件的性能有限元，為高速輥床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)支持，并將高速輥床進行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

1 高速輸送輥床的組成及工作原理

1.1 高速輸送輥床的組成

高速輸送輥床主要由底部框架、升降驅(qū)動機構(gòu)、水平驅(qū)動機構(gòu)三大部分組成。

底部框架機構(gòu)是輥床上部裝置的安裝BASE，其焊接質(zhì)量和安裝面的加工精度直接影響框架的焊接強度和安裝精度。為了便于設(shè)備的后續(xù)安裝調(diào)試，該單元設(shè)計有低位機械限位機構(gòu);電機安裝面設(shè)計有定位支撐板;地腳板可以通過焊塊進行上下調(diào)節(jié)。

升降機構(gòu)采用曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)框架升降。驅(qū)動連桿機構(gòu)安裝在高精度的底部框架上，由電機帶動連桿機構(gòu)和平行四邊形機構(gòu)同時作用，達到前后搖臂同步旋轉(zhuǎn)，在升降過程中，上部框架由3組進口導(dǎo)向副進行X、Y向精確導(dǎo)向，在豎直導(dǎo)向機構(gòu)作用下，將搖臂圓周運動轉(zhuǎn)化為豎直升降，實現(xiàn)輥床上部框架的前后同步升降。

該曲柄連桿機構(gòu)在90°旋轉(zhuǎn)過程中，存在兩個機械極點位置，使得框架分別達到最高位和最低位，也即輥床設(shè)計的升降行程。

高速輥床的水平傳動原理是滾動摩擦原理。通過SEW電機，帶動串聯(lián)的雙排同步帶輪驅(qū)動輸送滾輪轉(zhuǎn)動，輸送滾輪采用包膠輪，提供滾動摩擦力，驅(qū)動滑橇向前運動。電機布置在水平傳動單元的中心位置，使得該驅(qū)動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、運行平穩(wěn)，傳動效率高等優(yōu)點。

1.2 高速輸送輥床的工作原理

高速輸送輥床主要由升降運動和水平運動兩部分組成：

升降運動原理：利用連桿機構(gòu)進行升降，在電機軸的帶動下，曲柄轉(zhuǎn)動，通過連桿傳動，帶動搖臂轉(zhuǎn)動，同時搖臂頂端沿上部框架軌道滑動，在豎直導(dǎo)向機構(gòu)作用下，將搖臂圓周運動轉(zhuǎn)化為豎直升降，即上部框架隨搖臂的旋轉(zhuǎn)而上升下降。

水平運動原理：利用滾動摩擦原理，電機通過同步帶，驅(qū)動串聯(lián)同步帶輪組帶動臺面框架上其它輥輪組旋轉(zhuǎn)。利用滑橇與輥輪組接觸面上產(chǎn)生的滾動摩擦力驅(qū)動滑橇水平運動。

2 高速輸送輥床的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 輸送輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計

輸送輥采用一體式結(jié)構(gòu)，同步帶輪、套筒、鋼制滾輪加工后采用局部焊接成型，保證輸送輥的裝配精度和剛度;鋼制滾輪采用擋邊式結(jié)構(gòu)，對滑橇起粗導(dǎo)向作用;采用一體式包膠，保證輸送輥的同心度。

2.2 水平機構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)規(guī)劃和工藝要求，確定輥床的設(shè)計參數(shù)：工位長度6000mm，負載約為750kg（車身m1+滑橇重量m2），水平輸送節(jié)拍在6.5s以內(nèi)完成（考慮到電機反應(yīng)延遲等因素影響，設(shè)計時間要比規(guī)劃時間小一些），滾輪直徑為135mm，然后合理的分配水平運動中的加速時間t1、勻速時間t2、減速時間t3，使得電機功率和制動扭矩大小滿足要求。

以t1=2.5s，t2=2.5s，t3=1.5s為例，根據(jù)以上已經(jīng)條件，計算得出滑橇的加速度a=0.53m/s2，vmax=1.33m/s，電機選型功率P=2.2kw，減速比i=8.01。

2.3 升降機構(gòu)的設(shè)計

本項目根據(jù)實際技術(shù)要求，如升降循環(huán)時間、負載、行程、工位間距等參數(shù)，初步確定升降機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)形式，升降機構(gòu)采用曲柄連桿機構(gòu)，前后搖臂之間利用平行四邊形機構(gòu)進行聯(lián)動等速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)輥床臺面同步升降。

3 高速輸送輥床的性能分析

本項目采用ADAMS樣機仿真法研究連桿機構(gòu)運動規(guī)律和各個零部件的運動曲線圖。根據(jù)三維模型，對連桿仿真機構(gòu)進行簡化處理，并在轉(zhuǎn)軸支撐處施加相應(yīng)的約束、施加作用載荷，給曲柄設(shè)置一定的角速度，再對連桿機構(gòu)進行運動仿真，后處理模塊會自動存儲仿真結(jié)果，啟動測量模塊，就會自動輸出各個零件的力、力矩等變化曲線圖，根據(jù)曲線圖得到連桿機構(gòu)的受力薄弱點。

結(jié)合ADAMS曲線輸出結(jié)果，后續(xù)采用ANSYS軟件對升降機構(gòu)中結(jié)構(gòu)薄弱零件進行性能分析，比如搖臂是連桿機構(gòu)是受力最大的核心零件，進行強度校核和疲勞壽命、使用安全系數(shù)分析等。

3.1 升降機構(gòu)的動力學(xué)分析

多體系統(tǒng)動力學(xué)的核心問題就是建模和求解。根據(jù)三維數(shù)模，對升降機構(gòu)仿真模型進行簡化，并將簡化后的模型導(dǎo)入到 ADAMS分析軟件中，利用ADAMS仿真軟件[1-2]，獲得升降機構(gòu)各零件之間的相互作用力以及運動規(guī)律，根據(jù)輸出曲線特征，分析主要零部件的強度、疲勞壽命和安全系數(shù)等，查找機構(gòu)的薄弱區(qū)域，并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3.1.1 模型簡化

由于ADAMS軟件在計算多體系統(tǒng)動力學(xué)原理方面功能強大，但是其建模模塊相對較弱，因此需要在CATIA軟件中進行簡化，測量出連桿機構(gòu)的位置參數(shù)表，根據(jù)位置參數(shù)表、連桿幾何體的質(zhì)量、質(zhì)心位置等參數(shù)，對連桿機構(gòu)進行等價簡化建模，簡化后的模型能有效地提高仿真效率，同時保證仿真結(jié)果的有效性。

機構(gòu)建模仿真的步驟：首先設(shè)置各個部件的材料屬性，然后根據(jù)各個運動部件約束之間的關(guān)系規(guī)律，添加相應(yīng)的運動副關(guān)系，如曲柄與地面之間、曲柄與連桿之間、連桿與搖臂之間、搖臂與地面之間等添加鉸接副或移動副。

3.1.2 升降機構(gòu)的動力學(xué)分析

在完成建模后，為了計算出機構(gòu)中各個部件之間的相互作用力，直觀清晰地展示動力學(xué)曲線分析結(jié)果。升降過程設(shè)計參數(shù)：假設(shè)曲柄勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為72deg/s，搖臂3.5s內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn)90°上升到位，3.5s內(nèi)逆時針回轉(zhuǎn)90°下降到位，機構(gòu)仿真的具體步驟如下：

（1）設(shè)置各個部件的材料屬性

（2）在各個運動部件之間添加運動副關(guān)系

（3）添加負載等邊界條件

（4）添加源驅(qū)動，設(shè)置驅(qū)動類型和運動特性

（5）開啟Simulation模塊，設(shè)置仿真時間為6.5s，仿真步為，200步

在完成6.5s運動過程分析后，創(chuàng)建測量查看結(jié)果，觀察各鉸鏈處的運動規(guī)律，如速度曲線、受力曲線和力矩曲線等，得出各部件上的受力情況。根據(jù)分析結(jié)果得出，搖臂與拉桿鉸鏈JOINT_3的X向承受的拉力最大。

從上圖所知，在輥床從低位到高位上升運動過程中，搖臂鉸鏈承受的力逐漸變大，在高位達到最大值，下降過程中力的變化規(guī)律基本和上升過程中的變化規(guī)律對稱，與實際工況吻合。

根據(jù)ADAMS運動學(xué)分析結(jié)果，得出搖臂為整個連桿升降機構(gòu)的薄弱部件，需要用有限元分析軟件，對該部件進行結(jié)構(gòu)強度進行校核，并將動力學(xué)分析結(jié)果作為有限元分析中的輸入邊界條件，對搖臂進行強度校核，分析搖臂的應(yīng)力分析情況和疲勞壽命。

3.2 搖臂的有限元分析

輥床在升降過程中，搖臂所承受的載荷較為復(fù)雜，既承受連桿的拉力，又要承受上部框架的壓力作用，同時搖臂在升降過程中角度隨時間不斷變化，在上述因素綜合作用下，使得搖臂在各個部位或同一部位不同瞬間的應(yīng)力應(yīng)變都是不同的[3-4]。利用ANSYS有限元軟件對搖臂進行有限元分析，計算出搖臂上不同時刻的應(yīng)力值，并繪制搖臂上應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律，找出危險截面。

零件的強度、剛度和疲勞壽命是工程結(jié)構(gòu)使用的三個基本要素，而疲勞失效又是工程結(jié)構(gòu)失效的主要原因之一，引起疲勞失效的主要原因是重復(fù)載荷作用。由于升降輥床在使用過程中，搖臂一直處于上述復(fù)合載荷的循環(huán)重復(fù)作用，需要對機構(gòu)進行疲勞分析，從理論上分析搖臂的疲勞壽命和使用安全系數(shù)。

3.2.1 簡化模型

根據(jù)分析需求對模型進行簡化，將搖臂模型簡化后導(dǎo)入ANSYS軟件中。由于搖臂模型為對稱模型，為了有效節(jié)約計算機資源，首先將模型沿ZX對稱面進行Symmetry處理，在同等網(wǎng)格密度情況下，可以將計算速度提高一倍。

3.2.2 邊界條件加載

為避免零件在分析過程中出現(xiàn)剛體位移，需要在搖臂轉(zhuǎn)軸處添加固定支撐約束，在動力學(xué)仿真過程中，將ADAMS分析得到的搖臂轉(zhuǎn)軸處的力隨時間的變化曲線，總共設(shè)置6.5s的分析過程，分成26個子步，編制時間-歷程載荷曲線，作為輸入載荷1施加在搖臂處，求解輸出設(shè)置，每個子步輸出3組數(shù)據(jù)。

3.2.3 計算結(jié)果分析

分析結(jié)果表明：由于在搖臂上升和下降過程中，搖臂從0°轉(zhuǎn)動90°再回轉(zhuǎn)動0°，力的加載方向和大小隨旋轉(zhuǎn)角度變化而不斷發(fā)生變化，搖臂上的等效應(yīng)力值隨時間不斷變化。

從上分析結(jié)果得知，由于搖臂上轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)臂的連接部位出現(xiàn)截面突變，該區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，截面交變區(qū)域的最大應(yīng)力值約為152MPa，小于材料的屈服極限（235MPa），搖臂的結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。而在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計時，截面突變區(qū)域一般采用圓弧過渡，使得截面變化區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)明顯減小，該區(qū)域的應(yīng)力值也會相應(yīng)變小。

3.3 搖臂的疲勞壽命分析

疲勞失效是機械結(jié)構(gòu)的主要失效形式，因此，對于承受交變應(yīng)力作用下的設(shè)備，疲勞分析在設(shè)計過程中占據(jù)重要的地位。從高速輸送輥床的使用工況分析，在工作過程中，搖臂頻繁承受交變載荷的作用，搖臂上轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)臂的連接處是應(yīng)力集中最嚴重的部位，在該應(yīng)力集中區(qū)域處極易萌生疲勞裂紋，隨著疲勞裂紋不斷擴展，最終導(dǎo)致零件破壞，因此需要對搖臂進行疲勞分析。

在有限元分析結(jié)果基礎(chǔ)上，選取等效應(yīng)力最大值的時刻進行疲勞壽命和使用安全系數(shù)。插入疲勞工具，鑒于搖臂上承受的交變載荷規(guī)律屬于類正弦恒幅變化，疲勞分析類型設(shè)置為“Full-Reversed”，并對稱循環(huán)加載，材料的S-N曲線采用系統(tǒng)默認曲線，定義106為材料的無限壽命，在Safety Factor參數(shù)設(shè)置設(shè)計壽命為106。

從疲勞壽命分析結(jié)果可知，在承受上述對稱循環(huán)載荷作用下，搖臂可以循環(huán)106次不破壞，就可以承受無限多次循環(huán)而永不破壞[5]，因此搖桿滿足“無限”使用壽命。危險界面安全系數(shù)在1.2以上，設(shè)計滿足使用要求。

4 結(jié)束語

通過對高速輥床輸送系統(tǒng)的應(yīng)用研究，掌握高速輥床輸送系統(tǒng)的核心技術(shù)并進行產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，助力高端自動化裝備的國產(chǎn)化進程。本項目的研究工作，主要工作概括如下：

（1）研究了高速輥床輸送系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理，以及外購件的選型分析。

（2）采用ADAMS軟件，對高速輥床升降機構(gòu)的運動規(guī)律進行研究，輸出機構(gòu)的相關(guān)動力學(xué)曲線，分析升降機構(gòu)的運動學(xué)特性，為升降機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

（3）采用ANSYS有限元分析軟件，運用瞬態(tài)動力學(xué)分析模塊，對傳動機構(gòu)搖桿進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，應(yīng)用S-N的方法對搖桿機構(gòu)進行了疲勞安全系數(shù)和疲勞壽命的計算，驗證了機構(gòu)強度和壽命設(shè)計的正確性。

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