朱忠偉

(宜興市華鼎機(jī)械有限公司，江蘇 宜興 214214)

工業(yè)自動(dòng)化是指機(jī)器或者裝置在無(wú)人干預(yù)的情況下按規(guī)定的程序或指令自動(dòng)進(jìn)行操作或控制的過(guò)程，其目標(biāo)是 “穩(wěn)、準(zhǔn)、快”[1]。自動(dòng)化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學(xué)研究、交通運(yùn)輸、商業(yè)、醫(yī)療、 服務(wù)和家庭等方面[2]。工業(yè)自動(dòng)化是工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中不可缺少的一個(gè)部分，是區(qū)分人工作業(yè)和機(jī)器作業(yè)的重要標(biāo)志，也是工業(yè)生產(chǎn)步入智能化時(shí)代的必經(jīng)之路[3]。本文主要對(duì)圓棒送料機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)要求

圓棒送料機(jī)作為圓棒加工生產(chǎn)線不可缺少的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備之一，是保證整線自動(dòng)化運(yùn)行的關(guān)鍵裝備。圓棒尺寸為長(zhǎng)度100mm、直徑20mm，如圖1所示。

圖1 圓棒結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)生產(chǎn)線的生產(chǎn)要求，對(duì)圓棒送料機(jī)的設(shè)計(jì)要求應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：

1)圓棒送料機(jī)的總體尺寸為L(zhǎng)=1 570mm，B=1 740mm，H=1 218mm；

2)自動(dòng)取料功能；

3)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的需要，棒料送料、放料具有可控性和時(shí)間順序要求；

4)棒料回流設(shè)計(jì)，即在送料過(guò)程中如遇不符合設(shè)備加工要求的圓棒姿態(tài)，需要將圓棒退回圓棒堆后重新上料。

2 圓棒送料機(jī)總體設(shè)計(jì)

圓棒送料機(jī)由機(jī)架、堆料漏斗、三推板送料機(jī)構(gòu)、放料緩沖機(jī)構(gòu)、回料機(jī)構(gòu)和傳輸料機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。

1—機(jī)架；2—堆料漏斗；3—三推板送料機(jī)構(gòu)；4—放料緩沖機(jī)構(gòu)；5—回料機(jī)構(gòu)；6—傳輸料機(jī)構(gòu)

機(jī)架起固定支撐作用，亂序圓棒由送料漏斗承載，圓棒在漏斗中亂序放置，由三推板機(jī)構(gòu)中的一級(jí)推板托起，依次輸送到二級(jí)推板和三級(jí)推板，并在輸送過(guò)程中改變圓棒姿態(tài)，變成統(tǒng)一的姿態(tài)后送入放料緩沖機(jī)構(gòu)，放料緩沖機(jī)構(gòu)依次放料到傳輸料機(jī)構(gòu)中，最終輸送至圓棒加工端。

3 三推板送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

三推板送料機(jī)構(gòu)由固定在滑塊上的三連推板和固定在機(jī)架上的三連定板組成，如圖3所示。推板和定板之間的間隙δ=25mm，保證圓棒只能以橫臥的姿勢(shì)固定于推板和定板之間，每次推料最多8根，推板推送高度h>240mm，保證推料距離超過(guò)定板，推板上沿采用45°斜邊設(shè)計(jì)，當(dāng)推板垂直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，1級(jí)推板從料堆漏斗中頂起雜亂無(wú)章的棒料送入2級(jí)推板之中，其中只有橫臥姿態(tài)的棒料能夠被順利送入，其他棒料落回送料漏斗之中，依次2級(jí)推板送入3級(jí)推板之中，至此已經(jīng)完全剔除不規(guī)則姿勢(shì)的棒料。

1—料斗架；2—1級(jí)推板；3—2級(jí)推板；4—3級(jí)推板；5—三連定板

三推板送料機(jī)構(gòu)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)送料，利用主動(dòng)件的角度偏心結(jié)構(gòu)，使滑塊復(fù)合運(yùn)動(dòng)。在三推板送料機(jī)構(gòu)中，設(shè)計(jì)最短桿為曲柄，最長(zhǎng)桿為機(jī)架，在規(guī)定的已知滑塊行程為240mm的前提下，保證運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不存在干涉，即行程速比系數(shù)K>1,根據(jù)機(jī)架與曲柄的長(zhǎng)度，確定連桿長(zhǎng)度為402mm,曲柄長(zhǎng)度為163mm。其結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 三推板送料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

4 放料緩沖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

放料緩沖機(jī)構(gòu)可以控制圓棒放料的節(jié)奏，放料機(jī)構(gòu)由放料蓋、復(fù)位彈簧、支架座、頂起凸輪和傳動(dòng)軸組成，如圖5所示。機(jī)構(gòu)采用杠桿原理，需要放料時(shí)電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸，繼而帶動(dòng)凸輪頂起放料蓋，此時(shí)復(fù)位彈簧拉伸，圓棒沿著放料傾斜槽進(jìn)入輸料機(jī)構(gòu)，電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧復(fù)位，停止送料。

1—復(fù)位彈簧；2—放料蓋；3—支架座；4—傳動(dòng)軸；5—頂起凸輪

5 三推板機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件有限元分析

三推板傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，連桿部件受力最大，屬于危險(xiǎn)零件。本文以連桿機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，首先利用SolidWorks建立連桿零件的三維模型，然后采用ABAQUS軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。ABAQUS具有強(qiáng)大的工程模擬仿真功能[4]。

推板機(jī)構(gòu)總體受力為推料機(jī)構(gòu)的受力總和，假設(shè)2級(jí)推板和3級(jí)推板完全滿載，1級(jí)推板處于堆料漏斗之中，受力較為復(fù)雜。以推板和定板相對(duì)高度為堆料高度，底排圓棒為橫臥姿態(tài)，其他圓棒以縱臥姿態(tài)排列，可達(dá)到理論最大重力。姿態(tài)圖如圖6、圖7所示。

圖6 2級(jí)和3級(jí)推板姿態(tài)圖

圖7 1級(jí)推板姿態(tài)圖

根據(jù)各級(jí)推板的最大滿載的裝載姿態(tài)，可知最大負(fù)載壓力F為：

F=πr2hρgn

式中：r為圓棒半徑；h為圓棒長(zhǎng)度；ρ為圓棒材料密度；g為重力加速度；n為各級(jí)推板所承受最大載荷的個(gè)數(shù)。由計(jì)算可知，總載荷F=588.8N。

設(shè)計(jì)時(shí)連桿和滑塊之間是間隙配合，且間隙量相當(dāng)大，滿載時(shí)連桿和滑塊之間的接觸為線接觸，受力如圖8所示。線載荷均勻分布，載荷大小為F載=14.7N/mm。

根據(jù)連桿結(jié)構(gòu)尺寸，首先利用SolidWorks對(duì)連桿部件三維建模，然后將模型導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。已知連桿材料為Q235，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，忽略在推板送料過(guò)程中圓棒和定板之間的摩擦力和推板自重，以線載荷的形式施加載荷F載=14.7N/mm，固定連桿與曲柄接觸端，建立有限元模型。

圖8 連桿受力圖

在推板推料過(guò)程中，連桿垂直于滑塊的位置為承受彎矩最大部位，本文以此狀態(tài)為分析狀態(tài)，分析結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 受力分析圖

圖10 位移分析圖

由圖8和圖9可知，連桿在承受最大載荷作用時(shí)，最大應(yīng)力出現(xiàn)在連桿與三推板機(jī)構(gòu)作用處的圓弧下側(cè)，應(yīng)力大小為85MPa，隨后應(yīng)力向模型固定端逐漸減小。由于模型的簡(jiǎn)化作用，沒(méi)有顯示固定端的反作用力產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。因?yàn)榇藯U件為二力桿，固定端的反作用力與承載端的內(nèi)應(yīng)力總體大小相等反向相反，所以內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連桿的屈服應(yīng)力350MPa，滿足應(yīng)力條件。連桿變形的最大位移處于桿件受力端，為1.6mm，桿件處于彎曲變形狀態(tài)，當(dāng)桿件圓周運(yùn)行時(shí)，位移變形處于循環(huán)變化狀態(tài)，同樣滿足設(shè)計(jì)需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)圓棒送料機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用有限元軟件仿真分析關(guān)鍵零部件，證明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠，能夠滿足送料需求，但本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元分析均建立在理論的基礎(chǔ)之上，后續(xù)工作的重點(diǎn)是根據(jù)樣機(jī)的實(shí)際情況進(jìn)行可靠性分析，并對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

[1] 李勃.淺談工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)[J].科技傳播，2011(4):60-61.

[2] 鄧悅.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].科技與企業(yè)，2016(3):73,76.

[3] 于常友.工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的特點(diǎn)及工業(yè)自動(dòng)化的重要性[J].冶金自動(dòng)化，2001(2):1-5.

[4] 連昌偉.ABAQUS后處理二次開(kāi)發(fā)在塑性成形模擬中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2006，31(4):111-114.