寧媛松，石 峰，郭 鑫，姜 勇，付薛潔

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.煙臺(tái)南山學(xué)院 工學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265713)

0 引 言

在我國(guó)，精鋅是工業(yè)應(yīng)用最廣的有色重金屬[1]。目前，濕法煉鋅是我國(guó)鋅冶煉行業(yè)的主流工藝，隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用于鋅電解工藝中的各個(gè)環(huán)節(jié)。

剝鋅作業(yè)是直接將電解生成的精鋅薄片從陰極板上剝離，是精鋅生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。近年來(lái)，高速、高效的全自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸發(fā)展起來(lái)。除進(jìn)口品牌外，國(guó)內(nèi)各科研院所以及自動(dòng)化企業(yè)相繼推出自主開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線，自動(dòng)化程度不斷提高，在鋅冶煉企業(yè)中推廣使用[2]。全自動(dòng)剝鋅成套裝備具有對(duì)鋅片陰極板的自動(dòng)搬運(yùn)、輸送、預(yù)剝離、剝片、鋅皮收集、堆碼垛和鋅垛輸出等功能。該裝備的使用，可以大大降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高極板的使用壽命，提高安全性和改善作業(yè)環(huán)境[3]。

鋅片碼垛機(jī)是全自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線的重要組成部分，負(fù)責(zé)將上游設(shè)備剝離后的電解鋅片進(jìn)行碼放堆垛，然后進(jìn)行集中轉(zhuǎn)運(yùn)。碼垛開(kāi)合機(jī)構(gòu)是鋅片碼垛機(jī)關(guān)鍵設(shè)備，直接接收矩形鋅片，通過(guò)斷續(xù)開(kāi)合并配合碼垛升降平臺(tái)將鋅片碼放成垛。開(kāi)合機(jī)構(gòu)的開(kāi)合速度以及同步性能決定了鋅片的掉落姿態(tài)。當(dāng)鋅片發(fā)生傾斜掉落時(shí)易造成鋅片在接鋅箱體內(nèi)錯(cuò)位堆碼擠壓，鋅垛卡在箱體內(nèi)難以傳輸影響生產(chǎn)線效率，此外堆碼不整齊的鋅垛易在傳輸、舉升過(guò)程中發(fā)生傾覆，造成設(shè)備損壞，存在安全隱患。

根據(jù)現(xiàn)有碼垛開(kāi)合裝置的結(jié)構(gòu)，筆者結(jié)合連桿滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)新型的開(kāi)合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其同步開(kāi)合功能，保證鋅片堆碼整齊。

1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析

目前，自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線配備的鋅片碼垛機(jī)碼垛開(kāi)合機(jī)構(gòu)主要有兩種形式，如圖1所示。

圖1 碼垛開(kāi)合機(jī)構(gòu)示意圖

(1)轉(zhuǎn)軸翻板式開(kāi)合機(jī)構(gòu)[4]。當(dāng)鋅片滑入開(kāi)合機(jī)構(gòu)托盤(pán)并到位后，通過(guò)油缸或氣缸直接推動(dòng)直角托盤(pán)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，鋅片掉入升降平臺(tái)，開(kāi)合機(jī)構(gòu)恢復(fù)原位，繼續(xù)接收下一鋅片；

(2)抽拉式開(kāi)合機(jī)構(gòu)[5]。拉擋板安裝在固定滑道上，利用氣缸或油缸實(shí)現(xiàn)水平的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鋅片滑入開(kāi)合機(jī)構(gòu)并到位，托盤(pán)抽出，鋅片掉入升降平臺(tái)，擋板恢復(fù)原位，繼續(xù)等待接收下一鋅片。

上述兩種機(jī)構(gòu)均采用油缸或氣缸，分別對(duì)兩側(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。理論上，通過(guò)同步閥配合傳感器檢測(cè)等方法能夠基本實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作，但在實(shí)際使用過(guò)程受閥塊結(jié)構(gòu)和介質(zhì)的壓縮性影響，仍然難以達(dá)到完全同步動(dòng)作。此外采用水平抽拉式的開(kāi)合機(jī)構(gòu)，即使開(kāi)合實(shí)現(xiàn)同步，受水平摩擦力影響，鋅片仍然是一側(cè)先落，產(chǎn)生傾斜，從而影響堆碼效果。

因此，筆者選擇參考轉(zhuǎn)軸翻板式開(kāi)合機(jī)構(gòu)進(jìn)行連桿滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 連桿滑塊開(kāi)合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 連桿滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決目前現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的局限，筆者考慮將氣缸豎直方向上的上下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為兩側(cè)翻板機(jī)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)機(jī)構(gòu)實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)的連桿滑塊機(jī)構(gòu)[6-8]機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

圖2 同步開(kāi)合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(初始狀態(tài)、終點(diǎn)狀態(tài))

圖2中，開(kāi)合裝置兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，驅(qū)動(dòng)連桿OD通過(guò)O點(diǎn)與滑塊連接，從而實(shí)現(xiàn)兩側(cè)機(jī)構(gòu)完全同步；驅(qū)動(dòng)連桿OD通過(guò)D點(diǎn)與水平滑塊連接，從而將O點(diǎn)的豎直運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平運(yùn)動(dòng)；連桿DC與滑塊為豎直剛性連接；滑塊通過(guò)連桿DC、連桿AC將運(yùn)動(dòng)傳遞至連桿AB，連桿AB中B點(diǎn)為固定鉸接點(diǎn)，連桿AB繞B點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，另一端為L(zhǎng)形翻板，從而實(shí)現(xiàn)翻板的90°翻轉(zhuǎn)。

圖2中虛線部分即為開(kāi)合機(jī)構(gòu)終點(diǎn)位置。

2.2 連桿尺寸計(jì)算

同步開(kāi)合機(jī)構(gòu)中，除連桿AC長(zhǎng)度y、連桿OD長(zhǎng)度x、氣缸行程f為不確定尺寸，其余尺寸均根據(jù)設(shè)備實(shí)際安裝尺寸確定。

因此，由初始狀態(tài)及終點(diǎn)狀態(tài)的尺寸關(guān)系可得x，y之間的函數(shù)：

(1)

(2)

式中：a=170 mm；b=433 mm；c=267 mm；d=76 mm；f—標(biāo)準(zhǔn)氣缸行程，mm。

標(biāo)準(zhǔn)氣缸行程分別為125 mm、175 mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm。

通過(guò)式(1，2)聯(lián)立可確定(x，y)取值。在初始狀態(tài)下，與油缸行程無(wú)關(guān)，因此函數(shù)曲線唯一確定；在終點(diǎn)狀態(tài)下，與f相關(guān)，不同的f值確定不同的函數(shù)曲線。函數(shù)、交點(diǎn)即為聯(lián)立方程組的唯一解。

筆者基于MATLAB進(jìn)行計(jì)算，并繪制了函數(shù)曲線，如圖3所示。

圖3 連桿長(zhǎng)度曲線

圖3中，當(dāng)行程小于200 mm時(shí)，函數(shù)曲線無(wú)交點(diǎn)；當(dāng)f取值分別為250 mm、300 mm、350 mm時(shí)，方程組在第一象限內(nèi)有唯一解。

其對(duì)應(yīng)(x，y)值如表1所示。

表1 不同f值對(duì)應(yīng)連桿尺寸組合

3 開(kāi)合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析數(shù)學(xué)模型及連桿尺寸優(yōu)選

3.1 數(shù)學(xué)模型建立

為保證矩形鋅片平穩(wěn)下落，不發(fā)生側(cè)傾，要求同步開(kāi)合機(jī)構(gòu)在打開(kāi)過(guò)程中，速度盡量平穩(wěn)，避免較大的沖擊。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，筆者繪制了開(kāi)合機(jī)構(gòu)瞬時(shí)狀態(tài)簡(jiǎn)圖，如圖4所示。

圖4 同步開(kāi)合機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖(初始狀態(tài)、瞬時(shí)狀態(tài))

筆者根據(jù)其瞬時(shí)狀態(tài)下的位置關(guān)系，建立連桿AB轉(zhuǎn)角θ與氣缸豎直方向位移S之間的方程。

由豎直滑塊位移S推導(dǎo)水平滑塊位移S1得：

(3)

式中：S1—水平滑塊位移，mm；l1—連桿OD長(zhǎng)度，mm。

水平滑塊位移S1與連桿AB轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系方程：

(4)

式中：l2—連桿AC長(zhǎng)度，mm；θ—連桿AB轉(zhuǎn)角，rad。

由式(3，4)可得豎直滑塊位移方程表達(dá)為：

(5)

對(duì)式(5)求導(dǎo)，得滑塊速度方程：

(6)

式中：v—滑塊速度，mm/s。

其中：

(αccosθ-α2sinθcosθ)+αsinθ

(7)

對(duì)式(6)繼續(xù)求導(dǎo)，并令：

(8)

(9)

C=c-αsinθ

(10)

可得滑塊加速度方程：

(11)

其中：

(12)

3.2 最優(yōu)連桿尺寸確定

根據(jù)建立的碼垛開(kāi)合機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，筆者將不同氣缸行程對(duì)應(yīng)的3組連桿尺寸代入數(shù)學(xué)方程，并基于MATLAB繪制了轉(zhuǎn)角-滑塊位移曲線，如圖5所示[9，10]。

圖5 轉(zhuǎn)角-滑塊位移曲線

圖5中，隨著氣缸位移的增加，連桿AB進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并在終點(diǎn)位置達(dá)到90°。

開(kāi)合機(jī)構(gòu)要求開(kāi)合翻板打開(kāi)時(shí)速度波動(dòng)盡可能小[11，12]，因此，假定連桿AB旋轉(zhuǎn)為勻速旋轉(zhuǎn)，開(kāi)合機(jī)構(gòu)工作時(shí)間假定5 s，反推滑塊速度v，可得出水平滑塊速度曲線如圖6所示。

圖6 水平滑塊速度曲線

水平滑塊加速度曲線，如圖7所示。

圖7 水平滑塊加速度曲線

由圖(5～7)可知：在滿(mǎn)足翻板完全翻轉(zhuǎn)條件下，當(dāng)f取值為250 mm時(shí)，滑塊速度加速度變化較小，因此相同條件下更易保證翻板旋轉(zhuǎn)打開(kāi)的平穩(wěn)性，避免沖擊；且受開(kāi)合機(jī)構(gòu)設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸限制，豎直滑塊行程越短對(duì)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)越有利，有效避免干涉。

因此，筆者最終確定連桿OD長(zhǎng)度l1=331 mm，連桿AC長(zhǎng)度l2=387 mm。

4 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

同步開(kāi)合機(jī)構(gòu)連桿尺寸確定后，需進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)。本文在Creo環(huán)境下進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，根據(jù)碼垛開(kāi)合設(shè)備的工作流程、安裝尺寸等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)各運(yùn)動(dòng)部件之間的裝配關(guān)系，設(shè)定運(yùn)動(dòng)副，最終完成設(shè)備三維設(shè)計(jì)。

碼垛開(kāi)合機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型如圖8所示。

圖8 碼垛開(kāi)合機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型

Creo作為三維設(shè)計(jì)軟件，也具有強(qiáng)大的機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析功能，通過(guò)添加合理的裝配關(guān)系，給定初始條件及邊界條件即可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

氣缸作為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其速度、加速度受氣源及負(fù)載影響存在波動(dòng)。因此，假定其運(yùn)動(dòng)速度為正弦波輸入，運(yùn)動(dòng)周期為10 s，行程250 mm。

筆者在Creo機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真環(huán)境下，將氣缸設(shè)置為“伺服電動(dòng)機(jī)”，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并輸出其位置、速度、加速度曲線，如圖9所示。

圖9 氣缸運(yùn)動(dòng)位置、速度、加速度曲線

最后，筆者選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊，依次設(shè)定仿真幀頻、幀數(shù)、時(shí)間等參數(shù)并運(yùn)行程序。仿真結(jié)果顯示，機(jī)構(gòu)完成開(kāi)合關(guān)閉動(dòng)作，無(wú)干涉、碰撞、斷點(diǎn)等情況，證明三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

筆者建立測(cè)量點(diǎn)監(jiān)測(cè)托盤(pán)翻轉(zhuǎn)速度，輸出速度曲線如圖10所示。

圖10 托盤(pán)翻轉(zhuǎn)速度曲線

筆者對(duì)行程300 mm、350 mm是對(duì)應(yīng)的開(kāi)合機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，將3組仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制角速度曲線如圖11所示。

圖11 不同氣缸行程仿真結(jié)果對(duì)比

圖11中，行程為250 mm時(shí)托盤(pán)翻轉(zhuǎn)速度范圍較小，與數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)結(jié)果一致，證明選定結(jié)構(gòu)尺寸為最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

5 結(jié)束語(yǔ)

參考現(xiàn)有碼垛開(kāi)合結(jié)構(gòu)，筆者利用滑塊連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了碼垛開(kāi)合裝置的同步開(kāi)合功能，并建立了其數(shù)學(xué)模型；基于MATLAB推導(dǎo)，確定了關(guān)鍵連桿尺寸與結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定性之間的關(guān)系，并優(yōu)選出了連桿尺寸；在Creo環(huán)境下進(jìn)行了三維結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。仿真結(jié)果顯示：該機(jī)構(gòu)能夠完整完成開(kāi)合關(guān)閉動(dòng)作，無(wú)干涉、碰撞、斷點(diǎn)等情況，證明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；

同時(shí)，筆者分別對(duì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的三維模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，分析結(jié)果與數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)結(jié)果一致，選定的關(guān)鍵連桿尺寸為最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

新設(shè)計(jì)的同步碼垛開(kāi)合機(jī)構(gòu)能保證鋅垛堆碼整齊，減少人工干預(yù)，提高了自動(dòng)剝鋅生產(chǎn)線的效率。