任項(xiàng)洋

（江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

1 引言

在產(chǎn)品的加工生產(chǎn)環(huán)境中，自動(dòng)化設(shè)備的使用程度呈上升趨勢。增加與提升自動(dòng)化設(shè)備的質(zhì)量與數(shù)量對(duì)其發(fā)展有著重要意義。它的結(jié)構(gòu)性能的好壞程度在自動(dòng)化生產(chǎn)中有著重要影響，對(duì)其生產(chǎn)有著重要意義。為了充分利用自動(dòng)化設(shè)備的優(yōu)勢，在設(shè)計(jì)過程中必須使其機(jī)械部分具有運(yùn)動(dòng)高精度、結(jié)構(gòu)輕量化與高可靠性的特點(diǎn)。同時(shí)，自動(dòng)化裝置的其他機(jī)構(gòu)組件都是以它的本體為框架進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝的，不但要實(shí)現(xiàn)說設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)的要求，而且對(duì)它外形的設(shè)計(jì)也有著重要的考量，使整個(gè)自動(dòng)化設(shè)備的各個(gè)單元結(jié)構(gòu)能夠合理有效的裝置在一起，做到合理布局、操作方便與造型美觀［16］。

本章將根據(jù)其分張?zhí)攸c(diǎn)，確定鐵皮自動(dòng)分張的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，并對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)組件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括抓取吸附裝置、垂直運(yùn)動(dòng)組件、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組件等部分。

2 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鐵板料垛的自動(dòng)化生產(chǎn)中存在著一些難題，就是如何保證成堆的鐵皮實(shí)現(xiàn)單張分離。鐵皮都是成堆堆放在一起，所以他們之間就會(huì)產(chǎn)生黏連，原因之一是鐵片在生產(chǎn)過程中之間有少量的油，第二是鐵皮由于長時(shí)間堆放在那里，由于重量和片料的平整關(guān)系，片料之間會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，造成黏連。所以在這里設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)，能夠更好的實(shí)現(xiàn)單張分離，能夠適當(dāng)?shù)臏p少兩張鐵皮粘連在一起分離。

2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化分張對(duì)油漆刷的生產(chǎn)具有重大意義。本文中研發(fā)的油漆刷的鐵皮分張自動(dòng)上料設(shè)備是實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠自動(dòng)化的最重要的不封，其運(yùn)行的穩(wěn)定性與高效率性是最基本的要求［17］。

油漆刷的鐵皮分張自動(dòng)設(shè)備的整體要求如下：

（1）能夠按照頻率周期，準(zhǔn)確地完成鐵皮上料任務(wù)；

（2）整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、傳動(dòng)平穩(wěn)、可靠性好且噪音??；

（3）支持自動(dòng)、手動(dòng)兩種模式運(yùn)行，手動(dòng)運(yùn)行時(shí)，各部件可以獨(dú)立運(yùn)行，方便設(shè)備調(diào)試以及故障的處理；

（4）合理布局，降低成本；

（5）操作面板簡便，且能夠幾率輸送鐵板的數(shù)量。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

本文中設(shè)計(jì)的板材自動(dòng)上料機(jī)械系統(tǒng)由三大部分組成：吸附裝置、氣缸升降裝置與旋轉(zhuǎn)裝置這三大組成部分。吸附裝置為本系統(tǒng)中最核心的部分，負(fù)責(zé)完成將鐵皮逐層抓起的任務(wù)。氣缸升降裝置與旋轉(zhuǎn)裝置為輔助部分。其中，氣缸升降裝置負(fù)責(zé)通過氣缸的伸縮帶動(dòng)真空吸盤上下移動(dòng)，氣缸下降一定的高度吸住鐵皮，然后氣缸上升帶動(dòng)吸盤，然后旋轉(zhuǎn)裝置電機(jī)通過plc帶動(dòng)吸住的鐵皮旋轉(zhuǎn)到下一道工序的加工位置上。如圖所示為機(jī)構(gòu)的整體方案圖

圖3-1 鐵板料剁自動(dòng)分張系統(tǒng)三維圖

3 吸附裝置的設(shè)計(jì)

在吸附裝置的設(shè)計(jì)中，我們選擇真空吸盤來對(duì)成垛的鐵皮進(jìn)行分張，通過真空發(fā)生器對(duì)真空吸盤抽真空，產(chǎn)生負(fù)壓，吸住鐵皮，通過固定在鐵皮兩側(cè)的齒板以及固定在支架上的鼓吹裝置進(jìn)行輔助分離，由于鐵皮長期放置在那里，鐵皮與鐵皮之間產(chǎn)生粘力，這樣設(shè)計(jì)能夠更好地實(shí)現(xiàn)單張分離。

3.1 真空吸盤的選定

真空吸盤采用的是真空原理，通過產(chǎn)生的負(fù)壓“吸附”工件表面以達(dá)到抓取工件的目的，把真空吸盤與真空發(fā)生裝置連接在一起，在真空發(fā)生裝置啟動(dòng)后，通過該裝置將吸盤里面的空氣抽走，吸盤形成負(fù)壓［18］。此時(shí)，吸盤內(nèi)部的空氣壓力低于大氣壓力，在外力的作用下，鐵皮被吸盤吸住。吸盤的吸附力由吸盤內(nèi)的真空度決定，真空度越高，吸附力就越大。在對(duì)面積較大、重量重的物料，或者是要求快速搬運(yùn)的場合，為了防止吸吊物脫落，通常使用多個(gè)吸盤共同使用進(jìn)行吸吊。在本設(shè)計(jì)中，鐵皮的面積較大，所以選用4 個(gè)直徑相等的真空吸盤對(duì)鐵皮進(jìn)行抓取。其吸盤直徑 D 可按照下式進(jìn)行選定：

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，我們選擇4個(gè)吸盤。經(jīng)計(jì)算 D ≥ 58.36 mm。此處選擇常用系列的吸盤直徑 D = 63 mm，形狀選擇SMC雙層波紋式吸盤，型號(hào)為 HB63，由于我們的鐵皮面積不是很大，所以均勻的分布四個(gè)吸盤即可。

3.2 真空發(fā)生器的選型設(shè)計(jì)

在選定真空吸盤的具體類型后，需要針對(duì)所選的真空吸盤選擇合理的真空發(fā)生裝置［19］。真空發(fā)生裝置有很多，常見的有真空泵和真空發(fā)生器兩種。其中真空發(fā)生器工作的原理是利用噴管高速噴射壓縮空氣，在噴管出口形成射流，產(chǎn)生氣體卷吸流動(dòng)。在卷吸作用下，使噴管出口周圍的空氣不斷地被抽走，使吸附腔內(nèi)的氣壓不斷下降，從而形成一定真空度。

由流體力學(xué)可知，對(duì)于不可壓縮的氣體的連續(xù)性方程為：

按照不可壓縮空氣的伯努利理想能量方程：

因此當(dāng)，一定時(shí)，的大小和 的大小成反比。當(dāng)增加時(shí)，將持續(xù)減小，當(dāng)P減少到一定值的時(shí)候，吸盤就會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓。所以通過流速的增加來使壓強(qiáng)減小，從而產(chǎn)生較大的吸力。

真空發(fā)生器按照最大吸入流量 來選定，其計(jì)算公式為：

上文已選定采用 4 個(gè)均布的直徑為 63mm 的真空吸盤對(duì)鐵皮進(jìn)行抓取，由計(jì)算可以初步選擇型號(hào)為 EV-25HS-CK 的真空發(fā)生器，實(shí)物圖如圖3-4所示，其噴嘴直徑為 2.5mm，極限吸入流量為 80 L/min（ANR）。

圖3-4 真空發(fā)生器

3.3 吸附支架的設(shè)計(jì)

如圖3-5所示，即是支架的三維簡圖。吸附支架是整個(gè)機(jī)構(gòu)中最重要的部分，在吸附支架上布置的原件也很多，真空吸盤，真空發(fā)生裝置等都要裝置在上面。真空吸盤在支架上的安裝位置需要隨著鐵皮的大小而做出改變，在這里可以選擇把吸盤做成可移動(dòng)的，頻繁的移動(dòng)吸盤，容易是真空吸盤受損，會(huì)使它的使用壽命降低。同時(shí)，也可以把安裝吸盤的支架做出成伸縮桿，通過螺母來固定伸縮桿，需要改變距離時(shí)，只需要通過旋轉(zhuǎn)螺母調(diào)節(jié)它的伸出量，就能改變真空吸盤的位置，這樣對(duì)真空吸盤的使用壽命也有著大的提升。在鐵皮的尺寸改變時(shí)，調(diào)節(jié)螺母，改變伸長率，就能夠滿足不同尺寸鐵皮的分張。而且，在支架上還可以裝置鼓吹裝置，因?yàn)殍F皮之間的粘附力的影響，當(dāng)真空吸盤抽真空吸附的同時(shí)帶動(dòng)鼓吹裝置也開始運(yùn)作，即可更好的實(shí)現(xiàn)分張。在這里設(shè)計(jì)的吸盤支架的四個(gè)角裝吸盤，在中間部位裝置真空發(fā)生器等裝置。

圖3-5 支架的三維模型

4 提升裝置的設(shè)計(jì)

提升裝置主要靠氣缸帶動(dòng)真空吸盤支架上下移動(dòng)，所以對(duì)氣缸的選型尤其重要。

在工業(yè)氣動(dòng)系統(tǒng)中，使用最頻繁、最重要的氣動(dòng)執(zhí)行元件就是氣缸，它將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過轉(zhuǎn)化用來驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)［20］。根據(jù)氣缸使用條件的不同，可分成多種類型，如單作用、雙作用氣缸，活塞式、薄膜式、伸縮式氣缸等，不同類型氣缸的適用條件、使用要求以及側(cè)重點(diǎn)各不相同，選擇合適的氣缸至關(guān)重要［21］。在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中即利用氣缸的動(dòng)力來帶動(dòng)吸附支架完成吸盤的提升工作。

根據(jù)計(jì)算，選擇缸徑為90mm的氣缸就能夠滿足機(jī)構(gòu)的基本要求。如圖3-6所示即為提升裝置的三維簡圖

圖3-6 提升裝置的三維簡圖

5 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在所涉及的機(jī)構(gòu)中，還需要一種機(jī)構(gòu)，就是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)部分組成，一部分是旋轉(zhuǎn)臂，另一部分是電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)和旋轉(zhuǎn)通過齒輪相連，在如圖3-7所示的三維圖中，旋轉(zhuǎn)臂的立柱一側(cè)安置電機(jī)，電機(jī)的齒和立柱里面的齒輪嚙合，從而帶動(dòng)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)。

圖3-7 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的三維圖

設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的目的是為了把分好的鐵皮放到下一道工序的工位上，而且所設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)臂需要能夠正反轉(zhuǎn)，目的是使鐵皮連續(xù)分張，提高分張效率。通過PLC控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)鐵皮的自動(dòng)分張功能，具體流程當(dāng)鐵皮到達(dá)下料位置后上料機(jī)械手下降，釋放物料，上料機(jī)械手上升到一定位置，控制電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，到達(dá)初始位置，繼續(xù)分張。該機(jī)構(gòu)中在旋轉(zhuǎn)臂上也設(shè)計(jì)了伸縮桿，可以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臂的回轉(zhuǎn)半徑，根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況調(diào)節(jié)它，更好的實(shí)現(xiàn)分張。

6 總結(jié)

本章中主要介紹了機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則以及設(shè)計(jì)要求，給出了適合本課題整體的設(shè)計(jì)方案，對(duì)吸附裝置，提升裝置，旋轉(zhuǎn)裝置各組件的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究分析，并使用三維軟件Pro/E對(duì)各部分三維建模，并給出了整體方案設(shè)計(jì)圖。