張曉洋，李然，王宸，趙國華，王生懷

液壓驅(qū)動(dòng)式3T1R重載搬運(yùn)機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)研究

張曉洋，李然，王宸，趙國華，王生懷

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

基于十字滑臺(tái)原理，文中設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)3T1R四自由度的重載搬運(yùn)機(jī)械裝置，達(dá)到對(duì)貨物準(zhǔn)確定位、牢固夾緊以及多自由度搬運(yùn)的目的。利用解析法和有限元法對(duì)承重螺栓進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析，根據(jù)分析結(jié)果提出螺栓根部圓角滾壓的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案；根據(jù)不同滾壓圓角對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，采用Hermite（埃爾米特）方法得到滾壓圓角半徑–應(yīng)力（–）曲線和多項(xiàng)式，求導(dǎo)確定結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。根據(jù)滾壓圓角半徑–應(yīng)力（–）曲線，確定最佳滾壓半徑=4 mm；以PLC控制技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了搬運(yùn)機(jī)械液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。裝置搬運(yùn)載荷達(dá)到55 kN，螺栓根部強(qiáng)度提高了59.54%，屈服極限安全系數(shù)達(dá)到2.4。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該裝置實(shí)現(xiàn)了3T1R 4個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)及控制；通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)達(dá)到了多自由度搬運(yùn)的效果。

3T1R；有限元法；Hermite方法；結(jié)構(gòu)改進(jìn)；液壓驅(qū)動(dòng)控制

現(xiàn)有的貨物搬運(yùn)機(jī)械裝置分為輕載貨物搬運(yùn)和重載貨物搬運(yùn)2種。輕載貨物搬運(yùn)裝置如搬運(yùn)機(jī)械手，搬運(yùn)貨物的質(zhì)量較小、直徑范圍較小，機(jī)械手固定不動(dòng)或沿著直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，自由度3～6個(gè)不等。吳存存等[1]提出了一種2PPPaR并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)移動(dòng)和1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共4個(gè)自由度。劉慧等[2]基于S7–200PLC和維綸TK6050ip觸摸屏，設(shè)計(jì)了一種四自由度全自動(dòng)包裝搬運(yùn)氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，石志新等[3]提出了一種四自由度兩模式并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可應(yīng)用于抓取、加工、定位裝配等多種場(chǎng)合。王宗平等[4]提出了一種2UPS–RPS–UPU構(gòu)型的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)構(gòu)型對(duì)稱，具有良好的運(yùn)動(dòng)解耦，該類裝置自由度柔性好，適用于生產(chǎn)線貨物的搬運(yùn)或碼垛等。重載貨物搬運(yùn)裝置工作原理類似于叉車，搬運(yùn)貨物的質(zhì)量從幾百千克到十幾噸不等，貨物搬運(yùn)的直徑范圍很大，甚至可以跨車間或廠區(qū)搬運(yùn)，但自由度只有1個(gè)，無法實(shí)現(xiàn)貨物的準(zhǔn)確定位和牢固夾緊，需要通過駕駛員精準(zhǔn)操作才能實(shí)現(xiàn)貨物的準(zhǔn)確擺放，且需要使用托盤，使用不安全[5-7]。根據(jù)以上研究現(xiàn)狀，文中基于十字滑臺(tái)原理，設(shè)計(jì)一種可以實(shí)現(xiàn)3T1R 4個(gè)自由度的搬運(yùn)機(jī)械裝置，解決現(xiàn)有搬運(yùn)機(jī)械自由度柔性差、搬運(yùn)貨物質(zhì)量小、移動(dòng)范圍有限等問題。

1 四自由度搬運(yùn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

液壓驅(qū)動(dòng)式3T1R重載搬運(yùn)機(jī)械裝置的工作原理見圖1，3T是笛卡爾坐標(biāo)系中的3個(gè)移動(dòng)自由度，1R是豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，夾持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由4個(gè)自由度準(zhǔn)確控制，該裝置主要技術(shù)指標(biāo)：自由度為4，旋轉(zhuǎn)角度為0～90°，額定載荷為25～55 kN，提升高度為3～4 m，前伸距離為2～3 m，為防止發(fā)生側(cè)翻的單邊最大移動(dòng)距離為0.15 m。

圖1 機(jī)械裝置工作原理

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工作原理及要求的自由度，整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)包含直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)等，裝置整體結(jié)構(gòu)見圖2，圖2中沿–的剖視圖見圖3。

圖2 機(jī)械裝置整體結(jié)構(gòu)

圖3 B–B剖視圖

1.2.1 直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括上下、前后和左右運(yùn)動(dòng)三大機(jī)構(gòu)，見圖2—3。前后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括導(dǎo)軌1、限位塊1、導(dǎo)軌連接板1、液壓油缸1、滾輪1、連接軸1等。連接軸1插入導(dǎo)軌3中且與滾輪1通過軸承配合，滾輪1在導(dǎo)軌1中滾動(dòng)，夾持機(jī)構(gòu)的前后運(yùn)動(dòng)由2個(gè)液壓油缸1驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的極限位置由限位塊1限制。圖2中沿–的剖視圖見圖4，如圖2、圖4所示，上下運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括舉升油缸、導(dǎo)軌2、限位塊2、連接軸2、滾輪2等。連接軸2沿著導(dǎo)軌連接板1豎直方向均勻分布且與導(dǎo)軌連接板1過盈配合，滾輪2與連接軸2通過軸承配合，滾輪2在導(dǎo)軌2內(nèi)滾動(dòng)，夾持機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)由2個(gè)舉升油缸驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的極限位置由限位塊2限制。如圖3所示，左右運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括導(dǎo)軌3、限位塊3、導(dǎo)軌連接板2、連接軸3、滾輪3、液壓油缸2等。連接軸3插入承重板中且與滾輪3通過軸承配合，滾輪3在導(dǎo)軌3中滾動(dòng)，夾持機(jī)構(gòu)的左右運(yùn)動(dòng)由2個(gè)液壓油缸2驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的極限位置由限位塊3限制。

1.2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

圖2中局部放大Ⅰ見圖5，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要包含承重螺栓、軸承限位板、連接套、鎖緊螺母、承重板、齒條缸、連接板、滾針軸承等。如圖2、3、5所示，承重螺栓通過鎖緊螺母將軸承限位板、連接套和連接板固定連接在一起，承重板由2個(gè)連接軸3支撐，軸承限位板通過內(nèi)六角螺栓與連接套固定連接，連接套由滾針軸承徑向定位，軸承限位板上加工有直齒輪，可以與齒條缸形成齒輪齒條傳動(dòng)，將齒條缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為夾持機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，連接板用于連接夾持機(jī)構(gòu)。

1.2.3 夾持機(jī)構(gòu)

夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)見圖6，夾持機(jī)構(gòu)主要包括夾緊缸、橫梁、夾爪、夾板等。夾板固定在夾爪上，它可以快速更換，夾爪通過螺栓及螺母與橫梁鉸接，夾持機(jī)構(gòu)的夾緊動(dòng)作由夾緊缸驅(qū)動(dòng)。

圖4 C–C剖視圖

圖5 局部放大圖

圖6 夾持機(jī)構(gòu)

2 承重螺栓理論分析與計(jì)算

整個(gè)裝置在工作過程中，承重螺栓作為重要的載荷件持續(xù)承受著很大的軸向載荷，因此要對(duì)承重螺栓進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)與分析。

2.1 承重螺栓強(qiáng)度設(shè)計(jì)

螺栓承受軸向載荷時(shí)的拉伸強(qiáng)度條件為：

(1)

整理得到：

(2)

承重螺栓材料為DG20Mn，安全系數(shù)=5[8-11]，該材料主要性能指標(biāo)：屈服極限為333 MPa、彈性模量為210 GPa、泊松比為0.3、密度7.8×103kg/m3、抗拉強(qiáng)度為608 MPa。承重螺栓結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7 承重螺栓結(jié)構(gòu)

圖7中螺栓各參數(shù)：螺紋大徑為2 mm，螺栓長(zhǎng)度為200 mm，螺紋長(zhǎng)度1為96 mm，六角頭對(duì)邊寬度1為65 mm，六角頭對(duì)角寬度2為71.3 mm，六角頭部厚度為26 mm，螺栓承載面直徑為59.9 mm，螺距為3 mm，螺紋牙型高度1為2.25 mm。根據(jù)解析法計(jì)算結(jié)果，螺栓承受的最大軸向載荷=55 kN。

將上述參數(shù)帶入式（1）可得：

故解析法設(shè)計(jì)的承重螺栓符合使用要求。

2.2 承重螺栓強(qiáng)度分析

根據(jù)螺栓參數(shù)建立承重螺栓三維模型，見圖8。

圖8 承重螺栓三維模型

承重螺栓采取三面體自由網(wǎng)格（網(wǎng)格單元尺寸為1 mm）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖9。約束為螺栓根部面約束，限制所有自由度，載荷沿著軸正方向，仿真得到的應(yīng)力云圖見圖10。

圖9 網(wǎng)格劃分

圖10 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前螺栓根部應(yīng)力云圖

由仿真結(jié)果可知，承重螺栓在承受最大載荷時(shí)，根部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為350.68 MPa，超過材料的屈服極限，因此要對(duì)螺栓進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

為了減小根部應(yīng)力集中，提升根部強(qiáng)度，需要在螺栓根部進(jìn)行圓角滾壓[12-14]，螺栓根部不同滾壓圓角半徑對(duì)應(yīng)的應(yīng)力見表1。

根據(jù)表1結(jié)果，采用Hermite（埃爾米特）方法[15-17]擬合得到螺栓根部–曲線見圖11。

對(duì)應(yīng)的插值多項(xiàng)式為：

(3)

對(duì)式（3）求導(dǎo)可得：

(4)

令=0可得=4.332 mm。

在相同約束和載荷條件下，螺栓根部結(jié)構(gòu)改進(jìn)（滾壓圓角半徑=4 mm）后的仿真結(jié)果見圖12。

表1 螺栓根部滾壓圓角半徑–應(yīng)力值

Tab.1 Radius-stress of bolt root rolling fillet

由仿真結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后承重螺栓在最大軸向載荷作用下，根部最大應(yīng)力為140.49 MPa，強(qiáng)度提高了59.54%，屈服極限安全系數(shù)達(dá)到2.4。

2.3 螺紋聯(lián)結(jié)強(qiáng)度分析

鎖緊螺母處的螺紋聯(lián)結(jié)強(qiáng)度會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作及承載安全性有一定的影響，故需對(duì)螺紋的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行分析，螺紋聯(lián)結(jié)承受軸向載荷時(shí)的擠壓應(yīng)力[18]為：

(5)

式中：為螺紋聯(lián)結(jié)軸向最大載荷，N；為螺紋聯(lián)結(jié)圈數(shù)；2為螺紋中徑，mm；1為螺紋牙高度，mm。

由此可知，螺紋聯(lián)結(jié)強(qiáng)度符合要求。

圖12 結(jié)構(gòu)改進(jìn)后螺栓根部應(yīng)力云圖

3 液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓控制系統(tǒng)主要控制搬運(yùn)機(jī)械3T1R 4個(gè)自由度和夾緊動(dòng)作，每個(gè)自由度和夾緊動(dòng)作由液壓油缸驅(qū)動(dòng)完成，并且各自由度與夾緊動(dòng)作之間相互獨(dú)立，液壓控制系統(tǒng)原理見圖13。液壓控制系統(tǒng)采用西門子公司的S7–300PLC做主控制器[19]，主控制器梯形圖見圖14，梯形圖中對(duì)應(yīng)的輸入、輸出信號(hào)見表2。

1.郵箱；2.過濾器；3.變量泵；4.電機(jī)；5.油壓表；6.單向閥；7.兩位兩通換向閥；8.溢流閥；9.三位四通換向閥（5個(gè)）；10.單向節(jié)流閥（10個(gè)）；11.儲(chǔ)能器（2個(gè)）；12.舉升油缸；13.液壓油缸1（前后運(yùn)動(dòng)）；14.液壓油缸2（左右運(yùn)動(dòng)）；15.齒條缸；16.夾緊缸。

圖14 主控制器梯形圖

表2 主控制器輸入、輸出信號(hào)

Tab.2 Input and output signals of main controller

注：輸入信號(hào)“X000”表示開關(guān)閉合、“” 表示開關(guān)斷開；輸出信號(hào)“Y000”表示線圈通電、“”表示線圈斷電；“·”表示邏輯控制中“與”的意思。

4 結(jié)語

文中基于十字滑臺(tái)原理，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)3T1R四自由度的重載搬運(yùn)機(jī)械裝置。針對(duì)機(jī)械裝置中的承重螺栓，首先，利用解析法對(duì)承重螺栓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；其次，利用有限元法對(duì)承重螺栓強(qiáng)度進(jìn)行了分析，提出了螺栓根部圓角滾壓的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案；然后，根據(jù)不同滾壓半徑對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，采用Hermite（埃爾米特）方法，得到滾壓半徑–應(yīng)力值（即–）曲線和多項(xiàng)式，依次確定結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，機(jī)械裝置搬運(yùn)載荷達(dá)到55 kN，螺栓根部強(qiáng)度提高了59.54%，屈服極限安全系數(shù)達(dá)到2.4；最后，基于PLC設(shè)計(jì)了搬運(yùn)機(jī)械液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。該裝置運(yùn)動(dòng)自由度柔性好、搬運(yùn)載荷大、驅(qū)動(dòng)方式可靠性高，可適用于多種重載搬運(yùn)場(chǎng)合，以上研究為3T1R四自由度重載搬運(yùn)機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)研究提供了一定的理論依據(jù)。

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Design of Hydraulically Driven 3T1R Heavy-duty Handling Mechanical Device

ZHANG Xiao-yang, LI Ran, WANG Chen, ZHAO Guo-hua, WANG Sheng-huai

(School of Mechanical Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002, China)

The work aims to design a heavy-duty handling mechanical device that can realize 3T1R four degrees of freedom based on cross slide principle, so as to achieve the purpose of accurate positioning, firm clamping and handling of goods through multiple degrees of freedom. The structural design and strength analysis was carried out to load-bearing bolt by analytical method and finite element method. According to analysis results, the structural improvement scheme of bolt root fillet rolling was proposed. According to the stress values corresponding to different rolling fillets, the radius-stress () curve and polynomial of rolling fillets were obtained by Hermite method, and the structural improvement scheme was determined by derivation. Based on the radius-stress () curve of rolling fillets, the optimal rolling radius was determined as=4 mm. Based on PLC control technology, the hydraulically driven control system of handling mechanical device was designed. The device realized a handling load of 55 kN, the strength of bolt root increased by 59.54% and the yield limit safety factor was up to 2.4. Through structural design, the device realizes the 3T1R four degrees of freedom. Through the structural improvement, the effect of multi-degree-of-freedom handling is achieved.

3T1R; finite element method; Hermite method; structural improvement; hydraulically driven control

TH131.3

A

1001-3563(2022)13-0172-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.13.022

2021?09?07

國家自然科學(xué)基金（51675167）；湖北省教育廳科研項(xiàng)目（Q20201806）；教育部人文社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目（20YJCZH150）

張曉洋（1998—），男，湖北汽車工業(yè)學(xué)院碩士生，主攻機(jī)液電一體化。

李然（1987—），男，碩士，湖北汽車工業(yè)學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)液電一體化。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋