曲利峰 史祖春 劉昆侖

（1.陸軍駐重慶地區(qū)軍代局駐成都地區(qū)第三軍代室，四川 成都 610000；2.四川海天儀表電器開發(fā)有限公司，四川 成都 610000）

隨著社會(huì)的發(fā)展，我們國(guó)家逐漸從勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)向高新技術(shù)化轉(zhuǎn)變。為了降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，在各行各業(yè)中出現(xiàn)了許多自動(dòng)化設(shè)備，極大地提高了生產(chǎn)效率[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)圓形長(zhǎng)料的供給，大多采用皮帶式輸送機(jī)構(gòu)直接輸送，雖然輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是輸送速度較低。部分要求輸送速度較快的，則利用夾緊機(jī)構(gòu)將圓形物料兩端固定在輸送帶上，雖然機(jī)構(gòu)輸送物料較快，但是輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本較高。

在保證圓形物料輸送穩(wěn)定的前提下，盡量提升物料的輸送速度，該文介紹了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的圓棒依次自動(dòng)進(jìn)給輸送機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的輸送性能，為該類物料輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考[1-8]。

1 工作原理

為了滿足自動(dòng)化生產(chǎn)線對(duì)圓棒自動(dòng)進(jìn)給輸送機(jī)構(gòu)的要求，該文設(shè)計(jì)了一種圓棒依次自動(dòng)進(jìn)給輸送機(jī)構(gòu)。進(jìn)給輸送機(jī)構(gòu)主要由主動(dòng)和被動(dòng)組件構(gòu)成。主動(dòng)件位于被動(dòng)件的下方，充當(dāng)源動(dòng)力。被動(dòng)件完成圓棒的運(yùn)輸工作，通過它們的相互配，完成圓棒的自動(dòng)運(yùn)輸。進(jìn)給輸送機(jī)構(gòu)工作原理如圖1所示。

隨著主動(dòng)組件（主要部件為凸輪滑塊）在生產(chǎn)線上的運(yùn)動(dòng)，凸輪滑塊12在電機(jī)的帶動(dòng)下作橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滾輪10在凸輪滑塊上作上升下降運(yùn)動(dòng)，套圈3和導(dǎo)桿2做上下移動(dòng)。在套圈和導(dǎo)桿的作用下滾輪只能上下移動(dòng)，進(jìn)而對(duì)滾輪和支架實(shí)現(xiàn)了限位和定位。支架6在滾輪10的帶動(dòng)下也做上升和下降運(yùn)動(dòng)，這樣固定在支架6上的移動(dòng)齒條板4也做上升和下降運(yùn)動(dòng)，使固定齒條板5和移動(dòng)齒條板4之間形成相互交錯(cuò)，從而可以以一定的間距進(jìn)給圓柱形物料，移動(dòng)齒條板和固定齒條板還可以對(duì)圓柱形物料實(shí)行某種精度的定位，左右側(cè)擋板的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱形物料左右的限位，同時(shí)逐步依次送出圓柱形物料工件，前支板7是為了固定安裝左右固定齒條板5和左右移動(dòng)齒條板4。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓柱形物料實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給和輸送。

圖1 進(jìn)給輸送機(jī)構(gòu)的原理

2 設(shè)計(jì)過程

市場(chǎng)上的圓棒物料中等尺寸規(guī)格主要為φ20 mm×200 mm，為此，輸送機(jī)構(gòu)尺寸主要按照對(duì)該尺寸的圓棒物料進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。對(duì)于其他尺寸規(guī)格物料，可以參考該文設(shè)計(jì)尺寸，進(jìn)行相關(guān)放大或縮小。該產(chǎn)品在進(jìn)給和輸送時(shí)，存在2種局限。1）生產(chǎn)線上的產(chǎn)品對(duì)物料的直徑和長(zhǎng)度有一定的要求，超出運(yùn)送長(zhǎng)度無(wú)法進(jìn)給運(yùn)送，該文的物料長(zhǎng)度不大于200 mm。2）產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性，在進(jìn)給和輸送過程中，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以避免輸送故障。

2.1 凸輪滑塊的設(shè)計(jì)

凸輪滑塊是主動(dòng)組件的核心部件，其安裝在底板上，是滾輪的基體。

在產(chǎn)品被鎖緊輸送時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶動(dòng)凸輪滑塊在水平方向上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由凸輪滑塊驅(qū)動(dòng)滾輪上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)支架上的移動(dòng)齒條板的上下運(yùn)動(dòng)，使固定齒條板和移動(dòng)齒條板錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)物料的進(jìn)給運(yùn)輸。由于凸輪滑塊的設(shè)計(jì)是否合理直接影響移動(dòng)齒條板的上升和下降能否準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)物料的進(jìn)給和運(yùn)輸，因此，需要對(duì)凸輪滑進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。凸輪滑塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 移動(dòng)齒條板的設(shè)計(jì)

移動(dòng)齒條板是被驅(qū)動(dòng)的主要零件，安裝在支架6上，與固定齒條板4共同作用起對(duì)物料的定位和使物料以一定的間距進(jìn)行輸送進(jìn)給的作用。

凸輪滑塊在完成往復(fù)運(yùn)動(dòng)后，滾輪的滾動(dòng)下帶動(dòng)移動(dòng)齒條板上升和下降，固定在底板上的固定齒條板與移動(dòng)齒條板形成交錯(cuò)驅(qū)動(dòng)圓形物料滾動(dòng)到下一個(gè)齒上，齒條依次上下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)圓形物料的進(jìn)給和滿足一定精度的定位。完成圓形物料的進(jìn)給和輸送。移動(dòng)齒條板結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

3 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1 模型簡(jiǎn)化與假設(shè)

對(duì)模型有3種假設(shè)。1）不考慮零件的變形。2）通過約束來模擬零件的裝配狀態(tài)。3） 通過添加接觸來模擬零件間的相互作用。

3.2 添加載荷

將UG三維模型導(dǎo)入ADAMS，并按照實(shí)際狀況，對(duì)虛擬樣機(jī)添加載荷和約束。

圖2 凸輪滑塊

由于在該機(jī)構(gòu)中凸輪滑塊的往復(fù)行程是一個(gè)循環(huán)過程，因此該機(jī)構(gòu)只對(duì)一個(gè)循環(huán)過程進(jìn)行仿真，如圖4所示。

為了模擬現(xiàn)實(shí)情況，添加圓棒模型，在升降過程中，圓棒在移動(dòng)齒條板齒之間隨著齒條板一起運(yùn)動(dòng)。為了控制凸輪滑塊的運(yùn)動(dòng)，利用傳感器檢測(cè)它的一個(gè)往返時(shí)間，然后運(yùn)用ADAMS的Motions模擬氣缸的運(yùn)動(dòng)，其控制函數(shù)為：

STEP（time，1，100，1.02，-100）

在MotionsSTEP函數(shù)中0.00 s～1.00 s，凸輪滑塊機(jī)構(gòu)的水平速度為100 mm/s。在1.00 s～1.02 s，凸輪滑塊機(jī)構(gòu)的水平速度由100 mm/s降為0，再反方向增到為100 mm/s。在1.02 s～2.00 s，凸輪滑塊機(jī)構(gòu)的水平速度為-100 mm/s[10-11]。

3.3 仿真分析

在該設(shè)計(jì)的模型中，凸輪滑塊的往復(fù)行程是通過電動(dòng)氣缸來實(shí)現(xiàn)的，該機(jī)構(gòu)的氣缸選取參數(shù)是通過公式計(jì)算氣缸的速度和推力綜合來選取的，氣缸的速度和推力選取如公式（1）所示。

圖3 移動(dòng)齒條的結(jié)構(gòu)

圖4 虛擬樣機(jī)循環(huán)過程仿真

式中：β-負(fù)載率，P-氣壓，D-氣缸直徑。

氣缸的實(shí)際負(fù)載F，氣缸的理論推力如公式（2）所示。

對(duì)于阻性負(fù)載，負(fù)載不產(chǎn)生慣性力，一般選取負(fù)載率β為 0.8。

對(duì)于慣性負(fù)載，負(fù)載將產(chǎn)生慣性力，負(fù)載率β的取值見表1[9]。

表1 β取值與氣缸速度V的關(guān)系

該文通過ADAMS軟件計(jì)算出的凸輪滑塊的接觸力如圖5和圖6所示最大接觸力發(fā)生在0.0036 s最大值為59 N，該值模擬了氣缸的實(shí)際負(fù)載F。氣缸的運(yùn)動(dòng)動(dòng)速度V=1 m/s。

氣缸理論推力要達(dá)到公式（3）的值。

在仿真時(shí)測(cè)量的物料在豎直方向30 mm的升降行程以及水平行程中的速度變化曲線如圖8所示。

通過分析可知物料在水平和豎直方向存在著振動(dòng)和打滑運(yùn)動(dòng)，此時(shí)水平方向的最大速度為167 mm/s，物料在升降的豎直方向的最大速度為132 mm/s此時(shí)正好是物料從移動(dòng)齒條板齒頂運(yùn)動(dòng)到齒根，觀察物料速度曲波動(dòng)變化，可知物料的振動(dòng)和打滑比較小，物料在輸送機(jī)構(gòu)上能夠安全可靠的運(yùn)輸。

在仿真過程中測(cè)量凸輪滑塊的受力的變化曲線如圖9所示，得到凸輪滑塊的最大推力為59 N，凸輪滑塊帶動(dòng)滾輪水平和豎直方向升降和往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

由功率P=FV通過ADAMS后處理中的圖9和圖7曲線相乘可以求得凸輪滑塊的功率如圖10和圖11所示，凸輪滑塊的最大功率為6005N×mm/s，這個(gè)功率可以為選取氣缸功率提供參考。

為了進(jìn)一步研究輸送機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作中的能耗問題，需要測(cè)出氣缸活塞桿在運(yùn)動(dòng)過程中的做功，根據(jù)功的物理表達(dá)式，如公式（4）所示。

圖5 凸輪滑塊受力圖

圖6 凸輪滑塊局部受力圖局部放大圖

圖7凸輪滑塊的水平速度

圖8水平和豎直方向物料的速度

對(duì)功率積分即可求出所做功，在ADAMS后處理中對(duì)功率曲線（如圖10所示）進(jìn)行時(shí)間進(jìn)行積分，求出對(duì)應(yīng)的做功曲線圖，如圖12所示。

通過功率積分可知凸輪滑塊的做功最大值為2057 N×mm，通過仿真分析，對(duì)凸輪滑塊的受力和功率以及做功進(jìn)行分析，對(duì)氣缸功率有了科學(xué)的選取，輸送機(jī)構(gòu)的氣缸的選用都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來確定，有時(shí)候會(huì)導(dǎo)致氣缸的能源浪費(fèi)，為了更好地利用能源，根據(jù)凸輪滑塊的實(shí)際功率可以有效地節(jié)省能源浪費(fèi)，為科學(xué)地選取氣缸提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)了一種中等尺寸圓棒物料自動(dòng)進(jìn)給輸送機(jī)構(gòu)，并利用ADAMS對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)動(dòng)力學(xué)仿真，通過賦予選定的輸送速度，仿真得到了相關(guān)的的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，得到氣缸的實(shí)際推力，并通過后處理得出輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)作的功率。

通過仿真得到的實(shí)際推力和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)功率，并經(jīng)過計(jì)算，得出氣缸的理論推力和功率，為氣缸的選型提供了理論依據(jù)，并從圓棒的運(yùn)動(dòng)動(dòng)姿態(tài)，表明該輸送機(jī)構(gòu)輸送性能安全可靠。

圖9 凸輪滑塊水平受力圖

圖10 凸輪滑塊功率圖

圖12 凸輪滑塊的做功