謝美群

（江蘇省宜興職業(yè)教育中心校，江蘇 宜興 214206）

抓胎手是裝胎機構(gòu)的一個重要部件，國內(nèi)學者對此研究的比較少，其中比較成功的有：李惠明將抓胎器與主機的橫梁分開，改進了抓胎手；陳德生等研究了滾珠螺母絲桿傳動機理，設(shè)計了升降舞臺；魏發(fā)孔研究了絲桿傳動原理，并用于大型舉升設(shè)備設(shè)計中。本文源于電動輪胎裝胎機構(gòu)的自動化需要，基于螺旋傳動原理全新設(shè)計抓胎手。

1 裝胎

1.1 裝胎器的結(jié)構(gòu)

裝胎器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其初始位置為：機械手在頂部縮攏→延時后機械手下降到抓胎位置→機械手伸張抓胎→延時后機械手帶生胎上升至極限位置?！蚧瘷C開啟自動→機械手轉(zhuǎn)入→機械手下降到裝胎位置時?！颅h(huán)向上→限位塊入→膠囊內(nèi)通入一次定型蒸汽，膠囊舒展進入胎胚內(nèi)→機械手縮攏→膠囊內(nèi)一次定型蒸汽切換為保持定型蒸汽→機械手上升到極限→機械手轉(zhuǎn)出。

圖1 裝胎器

1.2 抓胎手的組成與定位

抓胎手主要由動力系統(tǒng)、動盤、定盤、撥叉、機械爪等組成。

其爪子開合為：抓胎手上的動力系統(tǒng)帶動絲桿旋轉(zhuǎn)、螺母作直線運動，并通過導架推動撥叉轉(zhuǎn)動，撥叉又推動動盤轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的動盤帶動爪子在支架上來回運動，這樣就實現(xiàn)了爪子的閉合或張開。為此，要求動力系統(tǒng)及其傳動軌跡對準抓胎手的中心軸線，并使其重心通過軸線，從而增加取放胎的平穩(wěn)性及其精度；同時為保證胎胚的低損傷，抓胎手必須根據(jù)胎胚的規(guī)格，自動伸張，自動調(diào)節(jié)伸張力。

為了使抓胎手準確定位，運動平穩(wěn)無沖擊，并考慮精度及經(jīng)濟因素，本文選用了YS6324伺服電機，它是雙速的，可實現(xiàn)螺母快速或慢速的升降，能較好地滿足迅速制動和定位精準的要求。采用絲桿傳動，能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，從而保證胎胚可以在任意位置停留。

螺旋傳動在各種機電系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，主要是將旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，同時進行能量與力的傳遞，或者調(diào)整零件的相互位置，也可以將直線運動變成旋轉(zhuǎn)運動。根據(jù)螺紋副摩擦性質(zhì)的不同，可以分為滾動螺旋、靜壓螺旋和滑動螺旋。滾動螺旋的特點是：結(jié)構(gòu)復雜，制造較難，抗沖擊性能較差；靜壓螺旋的缺點是：螺母結(jié)構(gòu)復雜，需要一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定、過濾要求較高的供油系統(tǒng)；滑動螺旋雖然傳動效率低，但它具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、運動平穩(wěn)等優(yōu)點。由于本設(shè)計中絲桿所受扭矩不大，在滿足機構(gòu)運動要求的條件下，考慮到經(jīng)濟因素，選用滑動螺旋傳動。

2 設(shè)計計算

2.1 螺桿的強度計算

受力較大的螺桿需進行強度計算。螺桿工作時承受軸向壓力（或拉力）Q和扭矩T的作用。螺桿危險截面上既有壓縮（或拉伸）應(yīng)力；又有切應(yīng)力。因此；核核螺桿強度時，應(yīng)根據(jù)第四強度理論，求出危險截面的計算應(yīng)力σca，其強度條件為：

或

式中，A為螺桿螺紋段的危險截面面積；

WT為螺桿螺紋段的抗扭截面系數(shù)；

dl為螺桿螺紋小徑（mm）；T為螺桿所受的扭矩；

[σ]為螺桿材料的許用應(yīng)力（MPa），如表1所列。

表1 滑動螺旋副材料的許用應(yīng)力

2.2 螺桿的穩(wěn)定性計算

對于長徑比大的受壓螺桿，當軸向壓力Q大于某一臨界值時，螺桿就會突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失其穩(wěn)定性。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向力Q必須小于臨界載荷Qc。則螺桿的穩(wěn)定性條件為：

式中，

Ssc為螺桿穩(wěn)定性的計算安全系數(shù)；

Ss為螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，對于傳力螺旋（如起重螺桿等），Ss=3.5～5.0；對于傳導螺旋，Ss=2.5～4.0；對于精密螺桿或水平螺桿，Ss＞4；

Qc為螺桿的臨界載荷（N），根據(jù)螺桿的柔度λS值的大小，選用不同的公式計算。

λS= μ l/i，此處，μ 為螺桿的長度系數(shù)（見表2）；l為螺桿的工作長度（mm），若螺桿兩端支承時，取兩支點間的距離作為工作長度l；若螺桿一端以螺母支承時，則以螺母中部到另一端支點的距離，作為工作長度l；i為螺桿危險截面的慣性半徑（mm），若螺桿危險截面面積：

則

當λS≥100時，臨界載荷Qc可按歐拉公式計算，即：

式中：E為螺桿材料的拉壓彈性模量，E=2.06×105MPa；I為螺桿危險截面的慣性矩，

當λS＜100時，對于強度極限σB≥380 MPa的普通碳素鋼，如 Q235、Q275 等，取

對于強度極限σB＞480 MPa的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，如35～50號鋼等，取

當λS＜40時，可以不必進行穩(wěn)定性校核。若上述計算結(jié)果不滿足穩(wěn)定性條件時，應(yīng)適當增加螺桿的小徑d1。

表2 螺桿的長度系數(shù)μ

（l）若采用滑動支承時，則以軸承長度l0與直徑d0的比值來確定。l0/d0＜1.5時，為鉸支；

l0/d0=1.5～3.0時，為不完全固定；l0/d0＞3.0時，為固定支承。

（2）若以整體螺母作為支承時，仍按上述方法確定，此時取l0=H（H為螺母高度）。

（3）若以剖分螺母作為支承時，叫作不完全固定支承。

（4）若采用滾動支承已有徑向約束時，可作為鉸支；有徑向和軸向約束時，可作為固定支承。

2.3 扭矩計算

扭矩的計算不僅可以反映扭矩的大小，而且還是電機選擇和減速器選擇的依據(jù)。扭矩可以用機械原理方法計算：

式中Mmax為螺桿傳遞的最大扭矩（N·m）；Q為軸向載荷（N）；α 為螺旋升角；φv為當量摩擦角，φv=arctg(f/cos β)；β 為螺紋牙頂?shù)慕嵌?；f為摩擦系數(shù)；Dcp為螺桿中徑（m）。在本設(shè)計中 Q=2 000 N，α=5°，f=0.2，Dcp=0.05 m，β =20°，計算得到Mmax=15 N·m。

2.4 功率計算

由于在不同力矩下轉(zhuǎn)速變化很大，同時，當力矩最大時，其功率不一定是最大值。因此，按力矩選擇電機較為方便可靠。將負載的阻轉(zhuǎn)矩換算成電機輸出軸的阻轉(zhuǎn)矩，可利用下式：

式中，M1max為電機輸出軸的阻轉(zhuǎn)矩（N·m）；ηc為傳動機構(gòu)總效率；i為電動機軸與工作機構(gòu)軸間的傳動比。電機功率公式如下：

式中，Nmax為電機功率 (kW)；n為電機額定轉(zhuǎn)速，n=1300 r/min；kn為電機過載系數(shù)，kn=3.5～4。

根據(jù)所用電機和減速器樣本，選擇合適的參數(shù)反復試算，得出符合設(shè)計要求的結(jié)果，經(jīng)計算，初步確定i=20，ηc=75%，計算得到Nmax=40 W。

此外，對電機的要求還有：

（1）具有較高的啟動力矩，其運行速度越低，輸出力矩越大，從低速接近同步速度都能穩(wěn)定運行，而且啟動力矩（也是最大力矩）與額定力矩的比值較大，一般為3.5～4；

（2）重復短期工作制并可逆運行；

（3）密閉性能良好，以適應(yīng)高溫、高濕的工作環(huán)境。根據(jù)要求和設(shè)計計算，選用的電機為JQLX42-8雙速三相異步電動機，可以實現(xiàn)螺桿低速和高速的轉(zhuǎn)換。

3 抓胎手的結(jié)構(gòu)設(shè)計

抓胎機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 抓胎手組裝圖

（1）結(jié)構(gòu)關(guān)系。電機1、導架10與蓋板11都固定于支盤12上，支盤12與支架8連接在一起。動盤15、定盤14與支桿9都固定在支架8上，導架10與撥叉6連接為一體。機械爪7、通連桿13與動盤15鉸接，可以在支桿9上往復運動。

（2）工作過程。電機1通過聯(lián)軸器2帶動螺桿3轉(zhuǎn)動，螺母4在螺桿3上來回運動，從而推動導架10轉(zhuǎn)動，導架10帶動與其固接的撥叉6運動，撥叉6撥動動盤15繞支架8轉(zhuǎn)動，從而帶動與動盤15連接的機械爪7在支桿9上往復運動，實現(xiàn)機械爪的張合過程。

4 測試實驗

（1）功率測試。主要測試抓手提升不同規(guī)格的胚胎與電機消耗的功率關(guān)系，驗證所選的電機是否滿足設(shè)計要求，為進一步優(yōu)選電機提供依據(jù)。測試所用的主要儀器為100無紙記錄儀，測試結(jié)果見圖3。

圖3 抓胎手的功率變化曲線

由圖3可知，電機消耗的功率與提升胎胚的質(zhì)量成線性遞增關(guān)系。在提升胎胚質(zhì)量最大的條件下，功率消耗最大。本文所選電機的額定功率大于所消耗的最大功率，滿足工作要求。

（2）定位精度測試。主要測試抓胎手在工作過程中的定位精度，測試所用的重要儀器為游標卡尺。圖4給出了不同轉(zhuǎn)速情況下抓胎手的定位誤差。

由圖4可知，定位精度隨速度變化而變化，基本上呈線性增加，在最高轉(zhuǎn)速時，定位誤差仍然不到0.5 mm，精度非常高。

圖4 抓胎手定位誤差曲線

5 結(jié)束語

本文利用電機帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，從而推動螺母往復運動這個原理，全新設(shè)計了抓胎手，使其定位精度得到大大提高；同時解決了以往機械爪單邊放氣缸、重心偏離中心軸線的問題，具有良好的對中精度。此外，這種新型的電動抓胎手還可以根據(jù)胎胚規(guī)格，自動伸張，自動調(diào)節(jié)伸張力，從而減輕了對胎胚的損傷。

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