李 強(qiáng)，呂彥明，宋 燦，陳 林

(江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，輸送設(shè)備越來越多的應(yīng)用于工廠企業(yè)的物料輸送線、流水生產(chǎn)線等物料運(yùn)輸。通過對輸送設(shè)備的合理使用，能夠有效提高生產(chǎn)過程的自動化程度，從而提高生產(chǎn)效率，因此是生產(chǎn)中不可缺少的調(diào)節(jié)手段。對輪轂生產(chǎn)企業(yè)而言，在生產(chǎn)過程中包括焊接、刮渣、滾壓、端切、擴(kuò)口、旋壓等一系列工序，這就導(dǎo)致大量中間產(chǎn)品，如鋼圈，輪轂等，需要進(jìn)行相應(yīng)的搬運(yùn)以及輸送，這就會需要一些搬運(yùn)以及輸送機(jī)械設(shè)備來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。目前，我國汽車輪轂加工以手工搬運(yùn)為主，這樣不僅浪費(fèi)了人力，而且效率低下。在輪轂生產(chǎn)企業(yè)中輪轂輸送設(shè)備多功能單一，設(shè)備使用率不高，在實(shí)際工作過程中輸送設(shè)備往往只能實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動。如何高效實(shí)現(xiàn)輪轂生產(chǎn)中中間產(chǎn)品的依次運(yùn)輸、提高生產(chǎn)效率，是值得研究與思考的。本文通過對汽車輪轂輸送設(shè)備的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研發(fā)出了具有翻轉(zhuǎn)功能的輪轂輸送機(jī)，提高了輪轂生產(chǎn)效率。

1 輪轂輸送機(jī)工作原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 輪轂輸送機(jī)的工作原理

新型汽車輪轂輸送機(jī)主要用于輪轂自動化生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)刮渣、滾壓、端切等工序間輪轂鋼圈的傳遞，保證輪轂生產(chǎn)有序高效進(jìn)行。具體工作流程如下:輸送機(jī)在行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下到達(dá)預(yù)定位置→夾持氣缸動作，將鋼圈自動夾持住→翻轉(zhuǎn)液壓缸動作，將工作臺及夾持的輪轂按所需要的角度進(jìn)行翻轉(zhuǎn)→輸送機(jī)在行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下返回到預(yù)定位置→翻轉(zhuǎn)液壓缸動作，將工作臺及夾持的輪轂按所需要的角度進(jìn)行反向翻轉(zhuǎn)→夾持氣缸動作，將鋼圈自動松開。采用手動調(diào)整輸送機(jī)升降滿足不同大小的輪轂生產(chǎn)要求。

1.2 輸送機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

輪轂輸送機(jī)技術(shù)參數(shù)主要包括運(yùn)輸參數(shù)和設(shè)備性能參數(shù)，運(yùn)輸參數(shù)如下:

鋼圈直徑:300～460mm

鋼圈寬度:160～270mm

運(yùn)輸周期:T=6s

設(shè)備性能參數(shù)如下:

擺動角度:16°

行走位移:610mm

生產(chǎn)率:550～600 件/小時

2 輸送機(jī)的整體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

輸送機(jī)方案設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮以下幾個方面［1-2］:

①考慮現(xiàn)場的能源問題、工作環(huán)境，合理使用現(xiàn)有條件;

②考慮輸送機(jī)的工作原理，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能，合理提高機(jī)器的自動化水平，提高機(jī)器生產(chǎn)率;

③考慮輸送機(jī)的可靠性以及其他相關(guān)要求。

綜上所述，我們在研究其它先進(jìn)輸送設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用模塊組合的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，將整個輪轂輸送機(jī)劃分為行走機(jī)構(gòu)、自動夾持機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及升降機(jī)構(gòu)等模塊。與其他輪轂輸送設(shè)備相比具有以下顯著特點(diǎn):

①實(shí)現(xiàn)了工位之間的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動，降低了工位之間間距的要求，輸送效率高;

②通過模塊化組合設(shè)計(jì)，可以進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，能顯著提高設(shè)備的通用化程度，降低生產(chǎn)成本［3］;

③該輸送設(shè)備使用方便，便于調(diào)整和維修。

2.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

此往復(fù)式自動輸送器用于在各個工位間輸送鋼圈，行走機(jī)構(gòu)需要完成機(jī)構(gòu)的驅(qū)動行走以及達(dá)到位置后的定位需要，因此，行走機(jī)構(gòu)每次工作需要完成低速啟動-加速-高速運(yùn)行-減速-低速運(yùn)行-停止的速度曲線變化過程。為了實(shí)現(xiàn)行走過程中的速度變化需要，采用交流伺服電機(jī)，通過其配套的伺服控制器來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動過程中的速度調(diào)節(jié)?？紤]到此行走機(jī)構(gòu)需要頻繁的往復(fù)運(yùn)動，并且需要相應(yīng)的減速操作。因此，行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動采用交流伺服電機(jī)連接蝸輪蝸桿減速機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。在選擇傳動類型時，需要綜合考慮以下因素［4］:

①行走機(jī)構(gòu)的具體工作狀況，電機(jī)的機(jī)械特性;

②工作環(huán)境條件以及對行走機(jī)構(gòu)的影響;

③經(jīng)濟(jì)性要求，壽命與可靠性要求以及其他要求，如現(xiàn)場條件、環(huán)境保護(hù)等。

此往復(fù)式自動輸送器傳動距離不大，齒輪齒條傳動具有效率高、工作可靠、壽命長等特點(diǎn)，在充分考慮以上因素情況下，此行走機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條傳動［5］。通過電機(jī)帶動蝸輪蝸桿減速機(jī)轉(zhuǎn)動，蝸輪蝸桿減速機(jī)輸出端與齒輪相連接，齒輪與齒條相嚙合，齒條上安裝行走工作臺，實(shí)現(xiàn)整個行走過程。

圖1 行走機(jī)構(gòu)簡圖

已知條件如下表1 所示。

表1 已知條件

以行走動運(yùn)時間的1/5 作為加速度時間，則 行走運(yùn)動加速度時間為:

行走機(jī)構(gòu)在克服摩擦力以及阻力進(jìn)行快速、平穩(wěn)的輸送，則所需要克服滿載時運(yùn)行時摩擦阻力為:

式中:μ—摩察系數(shù)，取μ =0.004;

m—所承受物體質(zhì)量(kg);

g—重力加速度。

行走機(jī)構(gòu)的慣性力為:

行走機(jī)構(gòu)所需要克服的總力為:

電動機(jī)的功率為:

式中，F(xiàn)—行走機(jī)構(gòu)所需要克服的總力;

v—行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度;

η—電機(jī)驅(qū)動時傳動效率;

電機(jī)驅(qū)動時傳動效率η 包括齒輪齒條傳動效率和蝸輪蝸桿減速機(jī)傳動效率。其中，齒輪齒條傳動效率取η1=0.94 ，蝸輪蝸桿減速機(jī)傳動效率取η2=0.85。所以

電動機(jī)的功率在選擇時需要考慮使備用系數(shù)，選取備用系數(shù)為:K=1.1，則電機(jī)的功率為:P = KPj =0.968 kW。

根據(jù)實(shí)際要求，在電動機(jī)選用中，選擇電動機(jī)功率為1kW。為達(dá)到0.7m/s 的行走要求，齒輪的轉(zhuǎn)速要求為127.33r/min，根據(jù)方案設(shè)計(jì)減速比為16:1，則可求得電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為2037.28r/min。

2.2 自動夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

輪轂輸送機(jī)的主要作用在于帶動輪轂一起翻轉(zhuǎn)和輸送，所以在設(shè)計(jì)時需要保證夾持輪轂時的可靠性，并要充分考慮夾持方式和驅(qū)動方式。由于氣壓傳動反應(yīng)迅速，安裝方便，工作環(huán)境適應(yīng)好，且工作介質(zhì)是空氣，無污染，故自動夾持方式考慮采用氣壓方式驅(qū)動［6］。選擇使用雙活塞桿的雙向運(yùn)動氣缸，在兩端活塞桿上各安裝一個夾子，在氣缸活塞桿的作用下帶動夾子運(yùn)動，以滿足輪轂夾持要求。為了滿足不同大小輪轂的生產(chǎn)，還要考慮氣缸的位移手動調(diào)整，在氣缸兩端安有手調(diào)螺母，當(dāng)旋動手調(diào)螺母時可實(shí)現(xiàn)氣缸位移手動調(diào)整，以便滿足生產(chǎn)要求。

圖2 自動夾持裝置

為了更好地夾持輪轂，需要在氣缸兩側(cè)加直線導(dǎo)軌，保證夾持的可靠性?？紤]到多臺機(jī)器間的傳遞，此次以3 臺機(jī)器為例，設(shè)計(jì)三個自動夾持裝置，如圖3 所示。

圖3 自動夾持機(jī)構(gòu)簡圖

這種自動夾持機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是:①機(jī)構(gòu)簡單，使用方便;②通過控制氣缸的同步運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)3 個自動夾持裝置的同時夾持，提高生產(chǎn)效率。

2.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

考慮到翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重量、體積比較大，且是在行走機(jī)構(gòu)上翻轉(zhuǎn)，在進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)時要充分考慮翻轉(zhuǎn)方式和驅(qū)動方式。由于液壓傳遞動力大，運(yùn)動平穩(wěn)，故設(shè)計(jì)時選用液壓方式驅(qū)動，能夠保證擺動機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)時的可靠性［7］。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圍繞一實(shí)心軸轉(zhuǎn)動，在翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)背面安裝一液壓缸，活塞桿通過關(guān)節(jié)軸承與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連，通過活塞桿的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)過程。在液壓缸翻轉(zhuǎn)過程的初始位置和最終位置安裝有位置檢測的接近開關(guān)，用于控制液壓缸的兩個不同位置狀態(tài)。

考慮到具體工作要求，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圍繞一實(shí)心軸轉(zhuǎn)動，由于翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)重心與轉(zhuǎn)動重心距離相差較小，故翻轉(zhuǎn)時所需要的液壓驅(qū)動力不是很大，采用液壓驅(qū)動可以滿足要求。由于自動夾持機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)都要隨翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一起翻轉(zhuǎn)，所以在設(shè)計(jì)時要充分考慮，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示。

圖4 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)簡圖

這種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是:①結(jié)構(gòu)簡單，安裝成本低;②翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在液壓缸的驅(qū)動下，能平穩(wěn)的圍繞其回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動。

2.4 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在輪轂生產(chǎn)中會遇到大小不同輪轂生產(chǎn)，由于加工設(shè)備已經(jīng)固定，所以在設(shè)計(jì)輸送機(jī)時要考慮升降措施，這就需要考慮升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

為了在實(shí)際使用過程中的簡易、方便性，并達(dá)到無撞擊的翻轉(zhuǎn)過程。根據(jù)具體使用要求選用蝸輪蝸桿升降機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小重量輕、安裝靈活、使用方便等特點(diǎn)［8］。在輸送設(shè)備的下部兩側(cè)安裝兩個蝸輪蝸桿升降機(jī)，通過軸與聯(lián)軸器將他們連接在一起，由于輪轂輸送機(jī)不需要經(jīng)常進(jìn)行升降，故在一側(cè)安裝手柄采用手動升降，實(shí)現(xiàn)手柄轉(zhuǎn)動時兩個升降機(jī)同時運(yùn)動，保證升降過程的平穩(wěn)、可靠性。為了確保升降到位后能保證機(jī)構(gòu)穩(wěn)定，在手柄端考慮安裝自鎖機(jī)構(gòu)，保證升降后輪轂輸送機(jī)的穩(wěn)固性、可靠性。

這種升降機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是:①結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便;②操作簡單方便，安裝自鎖機(jī)構(gòu)，保證升降過程的平穩(wěn)、可靠性。

圖5 升降機(jī)構(gòu)簡圖

2.5 車體的方案設(shè)計(jì)

由于在輪轂輸送機(jī)的車體上還需要安裝行走機(jī)構(gòu)、自動夾持機(jī)構(gòu)等大量的支撐、運(yùn)動件等結(jié)構(gòu)以及相關(guān)機(jī)械電氣部件，因此在車體方案設(shè)計(jì)時要考慮其有足夠剛度以及穩(wěn)定性，還需要考慮調(diào)整維修時的方便性。在保證足夠剛度前提下，對車體進(jìn)行優(yōu)化，減少材料的使用以及降低重量。車體設(shè)計(jì)時要將各種制造形式考慮充分，本次輸送機(jī)的車體設(shè)計(jì)采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，因焊接具有施工簡單、周期短等優(yōu)點(diǎn)，也保證了車體的足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定性［9］。

2.6 整體方案的設(shè)計(jì)

通過對行走機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)以及自動夾持機(jī)構(gòu)等模塊的設(shè)計(jì)，綜合考慮輪轂輸送機(jī)的實(shí)際使用情況和功能需求，故輪轂輸送機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案如圖6 所示。

圖6 整體方案設(shè)計(jì)簡圖

如圖所示，車體為框架式結(jié)構(gòu)，在各部件以及局部位置安裝有加強(qiáng)筋，保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、可靠性。在輪轂輸送機(jī)下部安裝有兩個升降機(jī)，通過軸與聯(lián)軸器相聯(lián)，手動搖動可滿足升降要求，并且安裝了鎖死機(jī)構(gòu)，保證輪轂輸送機(jī)升降的安全性。行走機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)連接減速機(jī)驅(qū)動齒輪運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用在輸送機(jī)后面安裝一液壓缸，驅(qū)動翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圍繞實(shí)心軸翻轉(zhuǎn)。最上面為三個自動夾持機(jī)構(gòu)，采用雙活塞桿單作用氣缸驅(qū)動，可同時夾持三個輪轂進(jìn)行輸送。

為了保證平穩(wěn)、快速、準(zhǔn)確運(yùn)行，輪轂輸送機(jī)電氣控制系統(tǒng)采用PLC 可編程控制器、變頻器和伺服電機(jī)進(jìn)行控制［10］。

3 應(yīng)用

新型輪轂輸送機(jī)設(shè)備已在無錫一家輪轂生產(chǎn)企業(yè)獲得成功應(yīng)用，并取得了較好效果。下面是使用該設(shè)備后獲得的生產(chǎn)率，其中包括了上下料時間。

表1 輪輞生產(chǎn)率表

從表1 中我們可以看出使用該設(shè)備后輪轂生產(chǎn)效率可以達(dá)到6s 左右一個，相比以前20s 一個，效率大大提高。

通過該設(shè)備的有效使用，實(shí)現(xiàn)了輪轂生產(chǎn)過程中工位間的往復(fù)循環(huán)輸送，通過升降機(jī)構(gòu)滿足了不同大小輪轂的生產(chǎn)要求，大大提高了輪轂生產(chǎn)效率，節(jié)約了大量人力、物力。技術(shù)改造帶來的不僅僅是人工成本的降低，在產(chǎn)品上也實(shí)現(xiàn)了前所未有的提高，給公司帶來可觀利潤，促進(jìn)了輪轂企業(yè)的快速發(fā)展。

4 結(jié)論

本文首先依據(jù)模塊組合設(shè)計(jì)思想，將輪轂輸送機(jī)總功能分解為行走機(jī)構(gòu)、自動夾持機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及升降機(jī)構(gòu)等4 個模塊。然后依次確定設(shè)計(jì)思路和方案。最后確定了輪轂輸送機(jī)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案。汽車輪轂輸送設(shè)備的使用提高了輪轂生產(chǎn)的自動化程度，促進(jìn)了輪轂行業(yè)的快速發(fā)展。本設(shè)備也可以用于其他行業(yè)，對其他相關(guān)設(shè)備研發(fā)具有參考意義。

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