劉建軍 高浩 高廣東 吳龍

摘要：隨著“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的不斷深入，節(jié)能減排目標(biāo)日趨臨近，氣缸套的取件機(jī)械手可以提高氣缸套的生產(chǎn)品質(zhì)，從而減少整車排放污染。取件機(jī)械手在運動過程中對導(dǎo)軌穩(wěn)定性的提出更高的要求，本文從取件機(jī)械手的工作原理出發(fā)，針對導(dǎo)軌的使用條件，設(shè)計計算導(dǎo)軌的受力載荷和傾覆力矩，從而校核導(dǎo)軌的安全系數(shù)和使用壽命，為導(dǎo)軌的安全可靠提供的設(shè)計依據(jù)，為機(jī)械手使用提供了保證。

Abstract： With the deepening of the national strategy of "made in China 2025"， energy-saving and environmental protection has become the key problem of China. The fetching robot arm of cylinder liner can improve the production quality， so reducing the emission pollution of the whole vehicle. In the processing of movement， the fetching manipulator puts forward higher request for the stability of the guide. The structure and the working principle of automatic casting-fetching manipulator are introduced in this paper. According to the service condition of guide rail， its bearing load and overturning moment are designed and calculated， so as to check the safety factor and working life， to provide theoretical basis for safety and reliability of guiding rail， and thus provide guarantee for manipulator.

關(guān)鍵詞：離心鑄造;取件機(jī)械手;導(dǎo)軌;設(shè)計

Key words： centrifugal casting;casting-fetching manipulator;guide;design

0? 引言

“中國制造2025”國家戰(zhàn)略指出，2020年乘用車整體油耗降至5升/100公里，單位GDP碳排放降低40-45%[1]。2017年，中國石油消進(jìn)口比例達(dá)到了70%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界警戒紅線“50%”。能源消耗、大氣污染的壓力不斷要求傳統(tǒng)汽車的轉(zhuǎn)型升級，汽油機(jī)的節(jié)能新技術(shù)發(fā)展已經(jīng)深入發(fā)動機(jī)內(nèi)部，氣缸套是鑲在發(fā)動機(jī)上的核心零件，它是燃燒室密閉空間的骨干框架，是內(nèi)燃機(jī)的動力源泉之一[2]。我們申請的國家發(fā)改委的離心鑄造氣缸套數(shù)字化生產(chǎn)車間專項，能夠生產(chǎn)多種高性能的氣缸套產(chǎn)品，如低錳氣缸套、低排放氣缸套、“蘑菇頭”氣缸套等，結(jié)合內(nèi)燃機(jī)的燃燒新技術(shù)，可以降低車輛排放10-25%。特別是我們研制開發(fā)的離心鑄造智能制造機(jī)的核心部件——取件機(jī)械手的設(shè)計成為了項目研究中的重中之重。

1? 取件機(jī)械手的工作原理

內(nèi)燃機(jī)氣缸套制造往往將液體金屬注入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型，金屬液體在鑄型內(nèi)做離心運動，從而形成鑄件的自由表面，在此期間有助于氣體和夾雜物的排出，優(yōu)化金屬結(jié)晶過程，從而獲得高品質(zhì)的鑄件[3][4]。以往取件往往采用人工進(jìn)行，勞動強(qiáng)度大，效率低，產(chǎn)品質(zhì)量無法保證，為此我們研發(fā)了取件機(jī)械手。如圖1所示。

離心鑄造取件機(jī)械手主要由支撐座1、直線導(dǎo)軌2、拔缸錐頭3、彈簧板4、軸承座5、張緊氣缸6、前后驅(qū)動氣缸7和扭動氣缸8等構(gòu)成。取件的動作流程：開始拔缸套時，前后驅(qū)動氣缸7動作，拔缸錐頭3到位;張緊氣缸6動作，錐頭3回縮，張緊缸套內(nèi)壁;扭動氣缸8動作，彈簧板4帶動缸套往復(fù)小角度旋轉(zhuǎn);前后驅(qū)動氣缸7縮回到位，拔出缸套;前端拖輪架輔助動作，定位缸套;張緊氣缸6動作，錐頭3回原位，松開缸套;前后驅(qū)動氣缸7縮回原位，缸套落入料框。

2? 取件機(jī)械手導(dǎo)軌的設(shè)計

取件機(jī)械手中直線導(dǎo)軌放置在移動軸承座下方，不僅具有直線導(dǎo)向和支撐作用，在拔缸套時還受到傾覆力矩，因此直線導(dǎo)軌規(guī)格型號的選擇至關(guān)重要。導(dǎo)軌選用上銀科技股份有限公司的產(chǎn)品，初選導(dǎo)軌型號為HGW35C，以下對直線導(dǎo)軌尺寸型號的選取進(jìn)行分析計算：

2.1 導(dǎo)軌的初始條件選擇

2.1.1 使用條件

安裝方式：水平使用。

使用的導(dǎo)軌根數(shù)為2。

2.1.2 選擇類型

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，直線導(dǎo)軌滑塊安裝方式為從下向上安裝，導(dǎo)軌主要受正上正下方的徑向力，在拔缸旋轉(zhuǎn)時受到來自缸套涂料的傾覆力矩，因此選擇4個方向（上下和左右方向）均能承受負(fù)荷的HG系列直線導(dǎo)軌。

2.2 導(dǎo)軌外載荷的設(shè)計計算

2.2.1 計算外加負(fù)荷

在solidworks三維設(shè)計模型中，對直線導(dǎo)軌支撐的移動軸承座部分的重心進(jìn)行計算分析，其重心與直線導(dǎo)軌的位置尺寸如圖2所示[5]。

當(dāng)拔缸機(jī)械手（圖1）中的扭動氣缸動作時，直線導(dǎo)軌受到一個傾覆力矩Mc，其值與扭動離心機(jī)模具內(nèi)缸套時受到的阻力矩大小相等，最大值為扭動氣缸輸出的力矩值，由于阻力矩值與涂料的性質(zhì)有關(guān)，難以判定其值大小，因此用阻力矩的最大值進(jìn)行計算，即扭動氣缸輸出的力矩值進(jìn)行計算[6]。

扭動氣缸選定直徑為D=63mm，在推力下工作，設(shè)定氣缸的工作壓力為P=0.4MPa，則氣缸的推力

l為扭動氣缸桿與扭轉(zhuǎn)中心軸之間的距離l=0.173m[7]。

查產(chǎn)品手冊表得傾覆力矩Mc徑向方向上等價系數(shù)為ε=8.31×10-2，則最大阻力矩在一根導(dǎo)軌徑向上的等價力為

由于一根導(dǎo)軌上布置有2個滑塊，則每個滑塊受到的等價徑向力為

由圖2可知，左下方滑塊受力最大[8]，其受力

上式中：m為直線導(dǎo)軌上可移動部分質(zhì)量，通過對solidworks三維模型分析計算可得m=190kg;l0=270mm;l1=360mm，l2=81.7mm;l3=4.5mm。則計算可得

2.2.2 計算等價負(fù)荷

上式中u=1為等價系數(shù)。

2.3 導(dǎo)軌安全系數(shù)的校核

2.3.1 計算靜態(tài)安全系數(shù)

通過以上計算，可知導(dǎo)軌徑向方向負(fù)荷較大，查產(chǎn)品手冊取fH=1，fT=1，fC=1，HGW35C導(dǎo)軌的基本額定靜載荷為Co=102.87kN，則

因此，完全能滿足要求。

2.3.2 計算額定壽命

由于拔缸套速度較低，有微小的沖擊和振動，查產(chǎn)品手冊，取負(fù)荷系數(shù)fw=1.3，取fH=1，fT=1，fC=1，HGW35C導(dǎo)軌的基本額定動載荷為C=49.52kN，則導(dǎo)軌額定壽命為

根據(jù)設(shè)計計算，拔卸一個缸套在滑塊需要在導(dǎo)軌上往復(fù)行走s=2.42m。根據(jù)工藝要求，最快1分鐘生產(chǎn)一個缸套毛坯，按一天工作24小時，一年工作365天計算，則導(dǎo)軌的時間壽命為

雖然導(dǎo)軌理論計算時間壽命比較大，按照常規(guī)理論，應(yīng)選取低等級規(guī)格型號的導(dǎo)軌型號再進(jìn)行計算，但由于生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，其實際使用壽命比理論計算值將會大大減少，因此定直線導(dǎo)軌型號為HGW35C。

3? 結(jié)論

通過對離心鑄造取件機(jī)械手導(dǎo)軌的受力分析，對導(dǎo)軌的數(shù)量、外加載荷、安全系數(shù)及額定壽命進(jìn)行了初步的設(shè)計計算，具體結(jié)論如下：①導(dǎo)軌型號HGW35C，水平放置2根;②線導(dǎo)軌滑塊安裝方式為從下向上安裝，導(dǎo)軌主要受正上正下方的徑向力為767N，在拔缸旋轉(zhuǎn)時受到來自缸套涂料的傾覆力矩為215.7N·m;③導(dǎo)軌靜態(tài)安全系數(shù)大于5，完全滿足設(shè)計要求，導(dǎo)軌額定壽命可達(dá)4819年，因為離心鑄造使用條件比較惡劣，高溫、應(yīng)力變化等條件暫時沒有考慮，實際壽命將會大大減少，因此我們選用的HGW35C直線導(dǎo)軌是符合實際需要的。

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