The type design of large scale upender

王　雷

WANG Lei

（潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，長(zhǎng)治 046204）

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大型翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)型設(shè)計(jì)

The type design of large scale upender

王雷

WANG Lei

（潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，長(zhǎng)治 046204）

摘 要：以開(kāi)發(fā)多自由度的新型90°/180°重載翻轉(zhuǎn)機(jī)為目標(biāo)，基于筒節(jié)這一典型的產(chǎn)品，深入分析了大型工件的翻轉(zhuǎn)過(guò)程，提出大型工件的翻轉(zhuǎn)原理，并根據(jù)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中大型工件的受力狀態(tài)，進(jìn)一步提出可變形態(tài)的統(tǒng)一約束模型；據(jù)此，創(chuàng)新地提出了3自由度串聯(lián)、3自由度混聯(lián)以及4自由度混聯(lián)三種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)型。這三種構(gòu)型為大型重載翻轉(zhuǎn)機(jī)的方案設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)機(jī)；約束模型；構(gòu)型

0 引言

制造業(yè)是國(guó)家實(shí)現(xiàn)新興工業(yè)化的基礎(chǔ)保證。大型構(gòu)件的制造則體現(xiàn)了國(guó)家的工業(yè)化水平[1]。在制造大型構(gòu)件的生產(chǎn)鏈中，多處需要大型翻轉(zhuǎn)機(jī)來(lái)輔助改變工件的位置和姿態(tài)。

對(duì)于大型構(gòu)件來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的翻轉(zhuǎn)機(jī)類(lèi)型如CL型、L型和U型翻轉(zhuǎn)機(jī)的承載較低，而且多為單自由度或兩自由度翻轉(zhuǎn)機(jī)，翻轉(zhuǎn)角度單一，不能同時(shí)滿足生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各工序的翻轉(zhuǎn)要求[2～5]。在生產(chǎn)實(shí)際中還時(shí)常利用鋼索搭配天車(chē)和人工的方法進(jìn)行翻轉(zhuǎn)[6,7]。這種方法雖然有效，但存在安全隱患。發(fā)展多自由度的大型重載翻轉(zhuǎn)機(jī)，可提高生產(chǎn)鏈的運(yùn)行速度和生產(chǎn)能力，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)重大輔助裝備的技術(shù)空白。

本文旨在通過(guò)研究鋼索翻轉(zhuǎn)的原理，提出大型工件翻轉(zhuǎn)的約束模型，并據(jù)此設(shè)計(jì)大型翻轉(zhuǎn)機(jī)的構(gòu)型。

1 大型核電翻轉(zhuǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求

目前，我國(guó)的大型工件生產(chǎn)已形成完整的生產(chǎn)鏈條。各主要工序之間對(duì)接時(shí)，工件的位置和姿態(tài)往往需要被改變。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，提出大型翻轉(zhuǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求如下：

1）應(yīng)同時(shí)具備翻轉(zhuǎn)90°和180°的功能。

2）滿足目前定型生產(chǎn)的所有工件，即各種形狀、所有尺寸工件翻轉(zhuǎn)的要求。

圖1　筒節(jié)翻轉(zhuǎn)過(guò)程

3）所有工件在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中均不需裝卡、全程依靠重力封閉。

4）翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，工件定位和裝夾均不能借助除翻轉(zhuǎn)機(jī)之外任何輔助工具或附件。

2 大型工件鋼索翻轉(zhuǎn)原理

一直以來(lái)，對(duì)大重型工件，生產(chǎn)實(shí)際中常利用兩條鋼索搭配天車(chē)和人工進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

以筒節(jié)為例，其翻轉(zhuǎn)過(guò)程如圖1所示：利用兩根等長(zhǎng)的主起吊軟鋼索，緩慢的兜掛起工件、并穩(wěn)定平衡在空中一定高度上；沿兩條主起吊鋼索的垂直方向，添加橫向繩套。通過(guò)天車(chē)驅(qū)動(dòng)鋼索的一端向上拉起，另一端向下放，從而使得工件在主起吊軟鋼索上緩慢翻滾。據(jù)此，可概括出鋼索的翻轉(zhuǎn)原理：初始狀態(tài)時(shí)，工件在重力、鋼索與工件接觸處正壓力的作用下處于受力平衡狀態(tài)，當(dāng)鋼索的一端上拉、另一端下放時(shí)，原有的平衡被打破，工件發(fā)生一定的橫向漂移，其重心亦隨之偏移，且與支點(diǎn)的距離逐漸拉大，產(chǎn)生較大的翻轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)使工件自動(dòng)的調(diào)整位置和姿態(tài)，在不斷尋找新的平衡過(guò)程中完成滾轉(zhuǎn)。控制鋼索的收放位置即可實(shí)現(xiàn)工件的不同角度翻轉(zhuǎn)。其實(shí)質(zhì)是將鋼索的上下直線運(yùn)動(dòng)可控制地轉(zhuǎn)化為工件在空中的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

由于鋼索的柔性和多自由度性，鋼索翻轉(zhuǎn)可適用于任何形狀、尺寸以及重量的工件；翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，不需要任何附件輔助裝夾和定位；而且生產(chǎn)成本低、易于實(shí)現(xiàn)。但這種方法占用空間較大，翻轉(zhuǎn)過(guò)程緩慢，穩(wěn)定性、可控性較差；尤其是對(duì)工件的側(cè)面、側(cè)向運(yùn)動(dòng)幾乎無(wú)約束，容易發(fā)生側(cè)翻事故。

3 統(tǒng)一約束模型

從上述鋼索翻轉(zhuǎn)過(guò)程可以看出，翻轉(zhuǎn)過(guò)程中鋼索和橫向繩套與工件外凸輪廓始終保持相吻合接觸，對(duì)工件起著吊掛和約束定位的作用，相當(dāng)于“柔性工作臺(tái)”，可根據(jù)工件的外廓形狀自動(dòng)調(diào)整。

為了以后便于描述，現(xiàn)做出如下規(guī)定：

工件初始狀態(tài)時(shí)，外廓表面中位置最低、用于承擔(dān)工件全部重量的依托表面定義為第一約束面；工件翻轉(zhuǎn)90°時(shí)，外廓表面中最低、用于承擔(dān)工件全部重量的依托表面定義為第二約束面；工件翻轉(zhuǎn)180°時(shí)，最低、用于承擔(dān)工件全部重量的依托表面定義為第三約束面如圖1所示。

根據(jù)工件基本幾何特征，工件封閉的外廓表面的組合方式為：即端面+分界線+回轉(zhuǎn)面+分界線+端面。工件被約束定位的情況如下：

1）第一約束面為端面定位，鋼索和橫向繩套與工件端面完全吻合，所構(gòu)成的約束具有剛性平面屬性。

2）當(dāng)工件滾轉(zhuǎn)90°時(shí)，第二約束面為回轉(zhuǎn)面，鋼索和橫向繩套與工件回轉(zhuǎn)面完全吻合，所構(gòu)成的約束具有剛性V型槽面的屬性。

3）當(dāng)工件繼續(xù)滾轉(zhuǎn)90°（總翻轉(zhuǎn)角度180°）時(shí)，第三約束面為端面，鋼索和橫向繩套與工件端面完全吻合，所構(gòu)成的約束具有剛性平面屬性。

當(dāng)工件滾轉(zhuǎn)90°時(shí)，將第一、二兩個(gè)約束面組合在一起，由于工件的端面與回轉(zhuǎn)軸線為垂直的，將彼此夾角固定為90°，從而構(gòu)成最簡(jiǎn)單的L型約束模型。當(dāng)工件滾轉(zhuǎn)180°時(shí)，同理，必須將第一、二、三約束面組合在一起，相鄰面彼此夾角固定為90°，從而構(gòu)成三約束的U型約束模型。

由此可見(jiàn)，翻轉(zhuǎn)機(jī)要同時(shí)具有90°、180°兩種翻轉(zhuǎn)功能，約束模型必須是可在L型與U型之間相互轉(zhuǎn)換。為此，在U型約束模型的第三約束面與第二約束面之間設(shè)置一門(mén)式轉(zhuǎn)動(dòng)副，給第三約束面提供一個(gè)相對(duì)第二約束面的90°翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)谌s束面與第二約束面重合時(shí)，三個(gè)約束面構(gòu)成L型；當(dāng)?shù)谌s束面向內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)90°與第二約束面垂直時(shí)，三個(gè)約束面構(gòu)成U型。工件的不同規(guī)格和尺寸本質(zhì)上是沿回轉(zhuǎn)軸線方向長(zhǎng)度的變化，在第二約束面上設(shè)置移動(dòng)副，并與門(mén)式轉(zhuǎn)動(dòng)副串聯(lián)，使得第三約束面與第一約束面之間的距離可變。第三約束面可以沿第二約束面移動(dòng)、沿轉(zhuǎn)動(dòng)副軸線翻折。增設(shè)兩個(gè)自由度形成可變結(jié)構(gòu)的、通用的U型約束模型。

考慮到實(shí)際生產(chǎn)中，待翻轉(zhuǎn)的工件的狀態(tài)可能發(fā)生變化，將三個(gè)約束面設(shè)計(jì)為平面與V形槽面的組合剛性體，增強(qiáng)翻轉(zhuǎn)機(jī)對(duì)工件的側(cè)向約束能力。

綜上所述，統(tǒng)一的約束模型為可變形態(tài)的U型約束模型如圖2所示。第三約束面相對(duì)第一、二約束面具有2自由度的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2　統(tǒng)一約束模型

4 大型工件冷加工翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)型

根據(jù)鋼索翻轉(zhuǎn)原理，工件在鋼索的作用下繞浮動(dòng)軸線緩慢滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，可以等效地轉(zhuǎn)換成圓柱狀車(chē)體繞固定中心軸線緩慢滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。據(jù)此，鋼索翻轉(zhuǎn)被轉(zhuǎn)化為大型CU型結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)。

翻轉(zhuǎn)機(jī)主車(chē)體外廓采用圓柱狀面來(lái)實(shí)現(xiàn)，有其突出的優(yōu)點(diǎn)：承載能力大，可實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙連續(xù)滾轉(zhuǎn)；滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)易于控制、并提供強(qiáng)有力的側(cè)向約束，從根本上消除了鋼索翻轉(zhuǎn)時(shí)的工件側(cè)翻、脫落問(wèn)題；翻轉(zhuǎn)過(guò)程無(wú)沖擊、安全平穩(wěn)，工件翻轉(zhuǎn)過(guò)程快捷，極大地提高生產(chǎn)效率。將翻轉(zhuǎn)機(jī)車(chē)體結(jié)構(gòu)選為圓柱體，便于實(shí)現(xiàn)重力封閉和定位，同時(shí)有利于采用齒輪驅(qū)動(dòng)或鏈輪驅(qū)動(dòng)的方式來(lái)完成車(chē)體滾轉(zhuǎn)。

大型CU型結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)機(jī)至少具有3個(gè)自由度，其基本獨(dú)立運(yùn)動(dòng)包括：1）一個(gè)主運(yùn)動(dòng)，即圓柱狀車(chē)體的90°以及180°滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，用R0表示；2）一個(gè)移動(dòng)，即U型工作臺(tái)第一、第三約束面之間距離隨工件尺寸的變化移動(dòng)，用P表示；3）一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，即第三約束面相對(duì)第二約束面的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即L型工作臺(tái)和U型工作臺(tái)的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)，用R1表示。

根據(jù)大型翻轉(zhuǎn)機(jī)的功能設(shè)計(jì)要求，整體滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主運(yùn)動(dòng)，必備的運(yùn)動(dòng)；可變形態(tài)U型約束模型的第一約束面與第二約束面保持垂直固結(jié)。第一、第三約束面之間的相對(duì)移動(dòng)P，第三約束面相對(duì)第二約束面的轉(zhuǎn)動(dòng)R1，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的不同的組合方式形成了大型CU型結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)機(jī)的各種不同構(gòu)型。

4.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)3自由度串聯(lián)構(gòu)型

將移動(dòng)副P(pán)設(shè)定在第二、第三約束面之間，第三約束面相對(duì)第二約束面的轉(zhuǎn)動(dòng)R1設(shè)置在移動(dòng)副P(pán)與第三約束面之間。其中移動(dòng)副P(pán)沿著主運(yùn)動(dòng)（滾轉(zhuǎn)軸線）的垂直方向、第三約束面相對(duì)第二約束面的轉(zhuǎn)動(dòng)R1的軸線與主運(yùn)動(dòng)（滾轉(zhuǎn)軸線）平行。從而形成第一種構(gòu)型：主運(yùn)動(dòng)（滾轉(zhuǎn)）、移動(dòng)、第三約束面折翻運(yùn)動(dòng)的3自由度串聯(lián)構(gòu)型。如圖3所示，構(gòu)型表達(dá)式為：R0-P-R1。

4.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)3自由度混聯(lián)構(gòu)型

將移動(dòng)副P(pán)設(shè)定在第一約束面上，使其具有固定工作臺(tái)與移動(dòng)工作臺(tái)雙重功能；第三約束面相對(duì)第二約束面的轉(zhuǎn)動(dòng)R1設(shè)置在相對(duì)第一約束面的最大距離處（其值由最大工件高度確定）。其中移動(dòng)副P(pán)沿著第一約束面的垂直方向、第三約束面相對(duì)第二約束面的轉(zhuǎn)動(dòng)R1的軸線與主運(yùn)動(dòng)（滾轉(zhuǎn)軸線）平行。形成第二種構(gòu)型：主運(yùn)動(dòng)（滾轉(zhuǎn)）、分別與移動(dòng)、第三約束面折翻運(yùn)動(dòng)的串聯(lián)構(gòu)型，移動(dòng)、第三約束面折翻運(yùn)動(dòng)并聯(lián)的3自由度混聯(lián)構(gòu)型。如圖4所示，構(gòu)型表達(dá)式為：R0-P-R1。

圖4　翻轉(zhuǎn)機(jī)3自由度混聯(lián)構(gòu)型

4.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)4自由度混聯(lián)構(gòu)型

圖5　翻轉(zhuǎn)機(jī)4自由度混聯(lián)構(gòu)型

5 結(jié)論

當(dāng)大型工件在加工和裝配過(guò)程中需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)變位時(shí)，如果仍采用人工翻轉(zhuǎn)的方法，不僅生產(chǎn)率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且存在很大的安全隱患。大型多自由度翻轉(zhuǎn)機(jī)作為一類(lèi)輔助性裝備，能有效地滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。三種構(gòu)型方案的提出說(shuō)明了大型多自由度翻轉(zhuǎn)機(jī)的可行性，也為后續(xù)的技術(shù)和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。本文的主要結(jié)論如下：

1）深入分析了實(shí)際生產(chǎn)中大型工件利用鋼索翻轉(zhuǎn)的過(guò)程，總結(jié)了鋼索翻轉(zhuǎn)的原理。

2）根據(jù)鋼索翻轉(zhuǎn)的原理，建立了大型工件翻轉(zhuǎn)的、可變形態(tài)的統(tǒng)一約束模型。

3）基于統(tǒng)一約束模型，通過(guò)簡(jiǎn)化和等效轉(zhuǎn)換，創(chuàng)新的提出了三種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)型。

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作者簡(jiǎn)介：王雷（1985 -），女，山西運(yùn)城人，助教，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化。

收稿日期：2015-09-24

中圖分類(lèi)號(hào)：TH6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0117-03