吳林峰，王 偉，朱 樂(lè)

（武昌工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430065）

風(fēng)機(jī)裝配平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

吳林峰，王 偉，朱 樂(lè)

（武昌工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430065）

每臺(tái)風(fēng)機(jī)出廠前都要進(jìn)行整機(jī)性能測(cè)試，整機(jī)包括鼓風(fēng)機(jī)、增速箱和電機(jī)三部分。測(cè)試之前，需將三部分裝配起來(lái)，期間同軸度的要求高。本文設(shè)計(jì)了一種基于三段式的柔性裝配平臺(tái)，并對(duì)平臺(tái)的強(qiáng)度要求，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)部件對(duì)6個(gè)自由度的調(diào)姿，提高了裝配效率和裝配質(zhì)量。

裝配平臺(tái)；受力分析；平臺(tái)調(diào)姿

0 引言

風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)多為訂單式和單件生產(chǎn)，所以每臺(tái)風(fēng)機(jī)出廠前的總裝測(cè)試都要分別進(jìn)行。而目前的總裝測(cè)試過(guò)程中，鼓風(fēng)機(jī)、增速箱、電機(jī)這三部分的裝配耗時(shí)較長(zhǎng)，且裝配精度由工人的經(jīng)驗(yàn)決定。在本文中所研究的裝配平臺(tái)，就是希望解決最終總裝實(shí)驗(yàn)過(guò)程中耗時(shí)長(zhǎng)，操作復(fù)雜的問(wèn)題。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，三段部件對(duì)接柔性裝配平臺(tái)，目前常見(jiàn)于飛機(jī)制造和輪船制造行業(yè)中，針對(duì)部件級(jí)或小部件的數(shù)字化裝配，尤其是柔性裝配還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。而針對(duì)像風(fēng)機(jī)這類(lèi)并非大部件的制造業(yè)來(lái)說(shuō)，這種柔性的裝配平臺(tái)應(yīng)用并未見(jiàn)到。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

在風(fēng)機(jī)、增速箱和電機(jī)三個(gè)部分中，電機(jī)的重量是最重的，甚至達(dá)到三噸重，在裝配過(guò)程中，如果能實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)姿，就可以滿足鼓風(fēng)機(jī)、增速箱的調(diào)姿，所以在設(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)，以電機(jī)的重量為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)平臺(tái)。平臺(tái)的尺寸不宜太大也不宜太小，為了滿足各個(gè)部件的裝配，平臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)為800 mm×800 mm.

通過(guò)查閱風(fēng)機(jī)安裝的基本手冊(cè)，根據(jù)安裝的標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)機(jī)的類(lèi)別可分為離心通風(fēng)機(jī)、軸流通風(fēng)機(jī)、羅茨式和葉氏通風(fēng)機(jī)、離心鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)。安裝要求需要滿足徑向位移控制精度不應(yīng)超過(guò)0.05 mm，不水平度不應(yīng)超過(guò)0.1/1000.

綜上所述，本文中設(shè)計(jì)的平臺(tái)，需要滿足對(duì)部件6個(gè)自由度的調(diào)姿，承載能力達(dá)到3 000 kg，尺寸為800 mm×800 mm，并且徑向位移控制精度不應(yīng)超過(guò)0.05 mm，不水平度不應(yīng)超過(guò)0.1/1000.

裝配示意圖如圖1所示。

圖1 裝配示意圖

2 平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

風(fēng)機(jī)在裝配過(guò)程中，方向和角度都是需要調(diào)整的。平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要注重兩個(gè)方面：一是平臺(tái)的結(jié)構(gòu)合理，且強(qiáng)度、剛度要滿足要求，平臺(tái)在承受裝備自重與設(shè)備重量時(shí)，其自身的變形控制在規(guī)定范圍內(nèi)；二是設(shè)備在平臺(tái)上定位準(zhǔn)確、牢固可靠，拆卸方便。平臺(tái)爆炸視圖如圖2所示。

圖2 平臺(tái)爆炸視圖

移動(dòng)層由上層移動(dòng)平臺(tái)、下層移動(dòng)平臺(tái)及底層固定平臺(tái)組成。擬采用三塊平板疊加而成，平板間采用移動(dòng)副連接，最下面的平板固定在軌道上，上面兩塊板分別保持一個(gè)方向的移動(dòng)，即達(dá)到了X、Y兩個(gè)方向的移動(dòng)，移動(dòng)副在受到壓力時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生較大的變形，而且移動(dòng)副的可操作性更好。

轉(zhuǎn)動(dòng)層采用推力調(diào)心滾子軸承連接，徑向承載的能力大，比較適合重負(fù)荷與沖擊負(fù)荷，動(dòng)力傳動(dòng)部分采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，可以傳遞空間交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力而且可以獲得較大的傳動(dòng)比，在傳動(dòng)時(shí)比較平穩(wěn)，并且具有反向自鎖的特性。滿足了在風(fēng)機(jī)安裝過(guò)程中的精度要求，降低了安裝誤差，并且具有反行程自鎖，防止安裝過(guò)程中風(fēng)機(jī)自身慣性帶來(lái)的誤差。

頂層調(diào)節(jié)層用四根液壓頂柱支撐，其中一根為虛約束，增強(qiáng)了系統(tǒng)剛度，加強(qiáng)了平臺(tái)的穩(wěn)定性。通過(guò)四根調(diào)節(jié)頂住的長(zhǎng)短可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)層的升高降低和一定角度的傾斜。

3 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到移動(dòng)平臺(tái)除了需要承載零件的重量以外，還需要承載平臺(tái)自身的重量以及液壓驅(qū)動(dòng)裝置的重量，平臺(tái)每層所需承載的重量會(huì)逐漸增加，故從頂層開(kāi)始設(shè)計(jì)。

3.1 頂層平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算

平臺(tái)設(shè)計(jì)不僅要滿足功能要求，還需滿足強(qiáng)度要求，通過(guò)閱讀文獻(xiàn)[1]，對(duì)平臺(tái)的部件進(jìn)行受力分析。

3.1.1 自由度計(jì)算

裝置的最上層需要實(shí)現(xiàn)沿Z軸平動(dòng)、X軸Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，采用四根頂柱的升降來(lái)控制平臺(tái)，頂柱與滑塊之間形成球面副，滑塊再與導(dǎo)軌形成移動(dòng)副，兩個(gè)導(dǎo)軌的中點(diǎn)處形成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，其中一個(gè)導(dǎo)軌與頂層平臺(tái)固定，另一個(gè)導(dǎo)軌與頂層平臺(tái)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。在調(diào)姿時(shí)，四個(gè)推桿中有一個(gè)為虛約束，增強(qiáng)平臺(tái)的穩(wěn)定性，四個(gè)滑塊時(shí)兩輛對(duì)稱的，所以有兩個(gè)滑塊為虛約束。所以構(gòu)件有三個(gè)推桿，兩個(gè)滑塊，兩個(gè)導(dǎo)軌，構(gòu)件數(shù)n=7，液壓缸相當(dāng)于機(jī)架，三個(gè)推桿與機(jī)架形成三個(gè)移動(dòng)副，兩個(gè)滑塊與兩個(gè)導(dǎo)軌形成兩個(gè)移動(dòng)副，兩個(gè)導(dǎo)軌之間形成一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，所以五級(jí)副P(pán)5=6，三個(gè)推桿與滑塊形成三個(gè)球面副，三級(jí)副P(pán)3=3.

根據(jù)文獻(xiàn)[2]公式（2-2），空間自由度計(jì)算公式為：

原動(dòng)件數(shù)量等于自由度，機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)。

3.1.2 加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)

在工程上通常采用網(wǎng)狀加強(qiáng)筋的形式，如圖3（a）所示，通過(guò)查閱文獻(xiàn)[3]，為了在保證平臺(tái)強(qiáng)度的條件下，使平臺(tái)的材料使用更加充分，加強(qiáng)筋采用菱形分布，如圖 3（b）所示。

圖3 加強(qiáng)筋形式

3.1.3 頂層受力分析

采用菱形加強(qiáng)筋的同時(shí)也要保證平臺(tái)的強(qiáng)度要求，通過(guò)SolidWorks，對(duì)頂層承載平臺(tái)進(jìn)行靜態(tài)受力分析。在部件安裝位置施加30 000 N的均布載荷，方向垂直于平臺(tái)的表面，查閱文獻(xiàn)[4]，對(duì)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到頂層靜態(tài)應(yīng)力分析圖，如圖4所示，最大受力點(diǎn)位于推桿與滑塊銜接的位置11.07e6N/m2，遠(yuǎn)小于灰鑄鐵抗壓強(qiáng)度600e6N/m2和抗剪強(qiáng)度200e6N/m2.

圖4 頂層垂直受力分析

平臺(tái)的調(diào)姿勢(shì)角度不宜太大，設(shè)定為±20°，當(dāng)平臺(tái)傾斜角度為20°時(shí)，由圖5可以看出，當(dāng)收到20°的力時(shí)，最大受力點(diǎn)位于推桿底部為12.54e6N/m2，滿足強(qiáng)度要求。

圖5 頂層傾斜受力分析

3.1.4 頂層平臺(tái)結(jié)構(gòu)

裝配平臺(tái)頂層，采用四根頂柱來(lái)控住平臺(tái)，使平臺(tái)能夠完成Z軸平動(dòng)、X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)這三個(gè)自由度，頂層平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體示意圖如圖6.

圖6 頂層平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算

旋轉(zhuǎn)平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)沿Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，需要承載頂層平臺(tái)和風(fēng)機(jī)部件的重量。為了支撐很大的重量，同時(shí)又需旋轉(zhuǎn)，故采用推力調(diào)心滾子軸承安裝在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的下方，液壓裝置用法蘭盤(pán)固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的四個(gè)角用來(lái)支撐和控制頂層平臺(tái)。平臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度不宜太快，采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，通過(guò)查閱文獻(xiàn)[5]、[6]，設(shè)計(jì)蝸輪蝸桿傳動(dòng)比為1∶80，且傳動(dòng)不可逆，逆向鎖死，防止在調(diào)節(jié)其他自由度時(shí)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)采用花鍵連接，這樣讓平臺(tái)所受到的扭轉(zhuǎn)更加均勻。它主要受到豎直方向的壓力和液壓馬達(dá)通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)到平臺(tái)的扭矩。在豎直方向，不僅要承受部件的重量，還要承受頂層平臺(tái)和四個(gè)液壓缸的重量，通過(guò)Solid－Works對(duì)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)進(jìn)行靜態(tài)受力分析。

在液壓缸安裝位置施加載荷，得到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)所受壓力的靜態(tài)應(yīng)力分析圖，如圖7所示，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)所收到的最大應(yīng)力為6.26e6N/m2，滿足強(qiáng)度要求。

圖7 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)壓力靜態(tài)應(yīng)力分析圖

在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)與推力調(diào)心滾子軸承接觸的豎直面施加固定夾具，力矩的施加面選取內(nèi)花鍵的18個(gè)面，大小為2 240 Nm，得到旋轉(zhuǎn)平臺(tái)所受扭矩的靜態(tài)應(yīng)力分析圖，如圖8所示，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)所收到的最大應(yīng)力為10e6N/m2，滿足強(qiáng)度要求。

圖8 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)扭矩靜態(tài)應(yīng)力分析圖

3.3 移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算

將移動(dòng)平臺(tái)分為上下兩層，分別完成對(duì)X、Y軸的平動(dòng)。擬采重型導(dǎo)軌，每層移動(dòng)平臺(tái)分別用兩個(gè)導(dǎo)軌和四個(gè)滑塊來(lái)支撐，以保證平臺(tái)的平穩(wěn)性。

上、下層移動(dòng)平臺(tái)分別實(shí)現(xiàn)部件對(duì)X、Y軸的平動(dòng)，主要受到豎直方向的壓力，分別進(jìn)行靜態(tài)受力分析，如圖9所示，滿足強(qiáng)度要求。

圖9 上層移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)力分析圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)風(fēng)機(jī)裝配平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于SolidWorks對(duì)平臺(tái)的各個(gè)主要部件進(jìn)行有限元受力分析。采用液壓馬達(dá)和液壓缸驅(qū)動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)，以及四條導(dǎo)軌、八個(gè)滑塊，保證裝配平臺(tái)的平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)部件6個(gè)自由的調(diào)姿。平臺(tái)整體示意圖如圖10所示。

圖10 平臺(tái)整體示意圖

[1]陸利鋒，江 洪，伍錦輝，等.SolidWorks工程師高級(jí)教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]孫 恒，陳作模，葛文杰.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2014.

[3]蔣君俠，適用于三段大部件對(duì)接的柔性裝配平臺(tái)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010，44（9）：1801-1803.

[4]Gu Shoufeng，Lian XiaoMin，Yan Lei.Automati generation and desitication of 3-D finite element mesh for helical gear tooth[J].Qinghua Daxue Xuebao，1996，36（8）：77-82.

[5]陳 洋.基于SolidWorks的蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2016，31（1）：116-118.

[6]柴 群，蝸輪蝸桿傳動(dòng)強(qiáng)度精細(xì)分析[D].大連：大連交通大學(xué)，2007：4-7.

Structure Design of Fan Aseembly Platform

WU Lin-feng，WHNG Wei，ZHU Le
（School of Mechanical Engineering，Wuchuang Institute of Technology，Wuhan Hubei 430065，China）

Each fan must be performance of the whole machine tested before leaving the factory.Prior to the test，the three parts should be assembled，in this process，it need the high degree of coaxial requirements.The paper focuses on design a flexible assembly platform and analyzed the strength requirements of the platform.Improve assembly efficiency and assembly quality.It realizes the posture adjustment of 6 degrees of freedom and improve the efficiency and quality of installation.

assembly platform；force analysis；posture alignment

TH182

A

1672-545X（2017）10-0087-04

2017-07-03

湖北省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目“基于三段式部件柔性裝配平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”（B2015265）；武昌工學(xué)院校級(jí)課題“風(fēng)機(jī)裝配平臺(tái)結(jié)構(gòu)研究”（2015XSC11）；校級(jí)教研課題“校企協(xié)同的課程體系建設(shè)”（2013XTJY02）

吳林峰（1995-），男，湖北黃岡人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化；王 偉（1977-），男，湖北孝感人，副教授，主要研究方向：機(jī)械CAD/CAM，機(jī)電一體化。