成 暢，顧 婷，陳文靜

(金肯職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211156)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化制造業(yè)的技術(shù)變革，自動(dòng)化生產(chǎn)線已廣泛應(yīng)用于企業(yè)的生產(chǎn)。 我國(guó)高新科技醫(yī)療產(chǎn)業(yè)凍干藥瓶自動(dòng)化生產(chǎn)線主要由帶式輸送機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備構(gòu)成。 傳統(tǒng)的輸送機(jī)、旋轉(zhuǎn)機(jī)傳輸方式單一，只能單次單一傳輸，且需要通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)的輔助來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸中藥瓶的旋轉(zhuǎn)，存在生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)效率偏低的現(xiàn)狀。

筆者重點(diǎn)針對(duì)醫(yī)用凍干藥瓶傳輸過(guò)程中生產(chǎn)成本較高、生產(chǎn)效率偏低的情況，采用齒輪齒條的嚙合關(guān)系[1]結(jié)合帶式輸送機(jī)傳送方式對(duì)傳輸中急停與旋轉(zhuǎn)裝置機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改型，此結(jié)構(gòu)可以通過(guò)柔性聯(lián)結(jié)與其他不同功能的生產(chǎn)線相結(jié)合，使醫(yī)用凍干藥瓶生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)(檢測(cè)瓶身)，急停(方便抽檢)，最終實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 原理及設(shè)計(jì)要求

由于醫(yī)用凍干玻璃藥瓶易碎、易產(chǎn)生劃痕，且不方便多批量生產(chǎn)的相關(guān)特性，通過(guò)調(diào)研旋轉(zhuǎn)檢測(cè)、輸送設(shè)備的運(yùn)動(dòng)過(guò)程與相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合生產(chǎn)要求、藥瓶材質(zhì)以及所處生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)過(guò)程中需要檢測(cè)等相應(yīng)要求，分別進(jìn)行急停與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

急停部分由驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，選用由PLC 點(diǎn)位監(jiān)測(cè)裝置控制的傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)[2]。 由于電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中存在慣性，因此在急停部分要求保持急停時(shí)間小于50 ms，所以需要設(shè)計(jì)阻停裝置[3]。

旋轉(zhuǎn)檢測(cè)部分使用固定的齒條結(jié)構(gòu)。 當(dāng)齒輪向前運(yùn)行時(shí)，機(jī)械通過(guò)嚙合關(guān)系發(fā)生旋轉(zhuǎn)。 經(jīng)過(guò)計(jì)算，可成功使旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)速度大于10 rad/min；同時(shí)采用托盤(pán)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)生產(chǎn)需要一次性替換不同尺寸的托盤(pán)，少次多量的運(yùn)輸，既滿足檢測(cè)要求，又節(jié)約生產(chǎn)成本。

1.2 急停與旋轉(zhuǎn)功能

伺服電機(jī)作為原動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)，通過(guò)同步帶傳遞動(dòng)力驅(qū)動(dòng)鏈?zhǔn)絺魉蛶н\(yùn)行；阻停氣缸推動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程中的急停功能；藥瓶托盤(pán)結(jié)構(gòu)利用托盤(pán)底部與傳送帶上圓形凹槽配合，當(dāng)傳送帶運(yùn)行時(shí)，托盤(pán)的支撐桿上的凍干玻璃藥瓶前進(jìn)；旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)通過(guò)托盤(pán)上部外側(cè)設(shè)計(jì)的齒輪結(jié)構(gòu)與固定在傳送帶側(cè)邊的齒條相配合，在托盤(pán)向前運(yùn)行的同時(shí)發(fā)生嚙合，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，整體流程圖如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)工作流程圖

2 整體設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1 藥瓶托盤(pán)結(jié)構(gòu)

托盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖2、3 所示。 采用單次多量的運(yùn)輸形式，在托盤(pán)上設(shè)計(jì)多個(gè)凍干玻璃藥瓶擺放位。 為適應(yīng)尺寸范圍在直徑14 ～32 mm，瓶身長(zhǎng)度30 ～45 mm的凍干玻璃藥瓶，采用托盤(pán)上安裝支撐桿的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)，支撐桿采用塑料材質(zhì)，保證強(qiáng)度的同時(shí)不會(huì)劃傷瓶子內(nèi)部。 凍干玻璃藥瓶采用瓶口向下的方式擺放，因此托盤(pán)上打孔設(shè)計(jì)可拆卸支撐桿配合藥瓶瓶口尺寸進(jìn)行支撐，帶動(dòng)藥瓶隨托盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還最大可能地將瓶身暴露出來(lái)，以便達(dá)到檢測(cè)、驗(yàn)傷等操作目的。 托盤(pán)與鏈?zhǔn)絺魉蛶еg采用間隙配合，使得托盤(pán)可以順利完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的同時(shí)，也能保證運(yùn)送與旋轉(zhuǎn)過(guò)程的平穩(wěn)，避免打翻傾倒。

圖2 托盤(pán)齒輪

圖3 托盤(pán)剖面圖

2.1.1 托盤(pán)設(shè)計(jì)

目前設(shè)計(jì)托盤(pán)齒輪直徑160 mm，齒數(shù)Z＝65，與齒條1:1.2 嚙合，以達(dá)到旋轉(zhuǎn)一周的目的。 根據(jù)實(shí)際要求旋轉(zhuǎn)速度大于10 r/min，實(shí)際傳送帶運(yùn)行速度大于0.85 m/s。

可以根據(jù)不同的生產(chǎn)需要設(shè)計(jì)不同尺寸大小的托盤(pán)和相對(duì)的托盤(pán)支架，以滿足生產(chǎn)要求。

2.1.2 托盤(pán)齒輪機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算

(1) 齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)選定 ①選用直齒圓柱齒輪；②因本機(jī)構(gòu)傳遞的功率不大，無(wú)特殊要求，為避免生產(chǎn)過(guò)程中玻璃藥瓶產(chǎn)生劃痕，因此選擇透明PC 材質(zhì)；③選齒輪齒數(shù)Z＝65，齒條長(zhǎng)度180 mm，m＝1。

(2) 齒輪的計(jì)算載荷 該機(jī)構(gòu)均勻平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，用電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，系數(shù)KA＝1.50。

分度圓直徑:

許用接觸應(yīng)力:

2.2 鏈?zhǔn)絺魉蛶Р糠纸Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鏈?zhǔn)絺魉蛶?nèi)側(cè)有尺寸為30 mm 的凹槽，與阻停推桿配合，從而在運(yùn)行過(guò)程中達(dá)到急停的目的，并且該凹槽還可以用來(lái)放置、運(yùn)送托盤(pán)和玻璃藥瓶。 傳送帶整體示意圖如圖4 所示。

圖4 鏈?zhǔn)絺魉蛶?/p>

同時(shí)為保證托盤(pán)旋轉(zhuǎn)滿足設(shè)計(jì)要求，傳送帶運(yùn)行速度應(yīng)大于0.85 m/s，轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速應(yīng)大于10 r/min。 初步設(shè)計(jì)選用伺服電機(jī)同時(shí)配合減速器使用[4]，因此設(shè)定初始轉(zhuǎn)速為30 r/min。

2.3 阻停機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣缸傳動(dòng)是將壓縮流體轉(zhuǎn)換成活塞與活塞桿運(yùn)動(dòng)的裝置，可以為阻擋機(jī)構(gòu)提供可靠的推力[5]。 本節(jié)以氣缸傳動(dòng)為研究對(duì)象，著重研究了關(guān)鍵參數(shù)與外力的關(guān)系，特別是缸徑與行程等參數(shù)，為了保證設(shè)計(jì)的嚴(yán)格性，參考了最新的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.1 參數(shù)計(jì)算

(1) 已知條件 氣缸的輸入條件主要是由系統(tǒng)壓力、氣缸缸徑、氣缸行程、連接方式、緩沖方式五項(xiàng)組成，為了查閱方便，列出氣缸系統(tǒng)的輸入條件，如表1 所列。

表1 阻擋機(jī)構(gòu)氣缸系統(tǒng)輸入條件

(2) 氣缸設(shè)計(jì)流程確定 本次阻擋機(jī)構(gòu)采用氣缸為執(zhí)行元件，氣缸的設(shè)計(jì)需先確定氣缸類(lèi)型、安裝形式、負(fù)載大小、工作壓力等初始參數(shù)；然后確定缸徑、行程大小等關(guān)鍵參數(shù)；最后完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核。 對(duì)氣缸的設(shè)計(jì)最重要的要求是保證工作快速靈敏、整體機(jī)構(gòu)緊湊、便于后續(xù)維修。 制定氣缸的設(shè)計(jì)順序如圖5 所示。

圖5 阻擋機(jī)構(gòu)氣缸設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)順序

(3) 確定氣缸的類(lèi)型 根據(jù)氣缸的工作條件，一般情況可以分成兩個(gè)類(lèi)型的氣缸，單作用與雙作用氣缸。 單作用氣缸只有一個(gè)方向的作用力，通過(guò)回位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回位。 雙作用氣缸有兩個(gè)方向的作用力，可以實(shí)現(xiàn)往返作用[6]。 綜合考慮，選擇雙作用力氣缸，可以滿足工作范圍。

(4) 行程長(zhǎng)度 氣缸行程長(zhǎng)度影響阻擋機(jī)構(gòu)的工作范圍及工作可靠程度。 行程長(zhǎng)度參數(shù)S主要是根據(jù)任務(wù)要求決定，從成本角度出發(fā)應(yīng)盡量縮小長(zhǎng)度，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊性。 選擇氣缸行程長(zhǎng)度S＝0.03 m，可以滿足工作范圍。

(5) 作用力 不同的壓力可以產(chǎn)生不同的推力，壓力與氣缸推力的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 氣缸作用力與壓力關(guān)系

(6) 阻停氣缸三維模型數(shù)據(jù) 為了保證阻擋機(jī)構(gòu)的工作順利，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸過(guò)程中的順利停止，考慮使用阻停氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)傳送機(jī)構(gòu)的停止，三維模型效果如圖7 所示。

圖7 氣缸外部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.4 輸送機(jī)架體設(shè)計(jì)

輸送機(jī)架體是整個(gè)機(jī)械設(shè)備的基本部件[7]。 輸送機(jī)架體的每個(gè)部件提供所需的支撐，使輸送機(jī)各個(gè)子部件夾具系統(tǒng)連接成一個(gè)整體。 在輸送機(jī)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到各種外力的影響，輸送機(jī)架體必須克服一切外力，使主要機(jī)構(gòu)能穩(wěn)定工作。 輸送機(jī)架體應(yīng)具有合理的2D 尺寸和外形結(jié)構(gòu)，表面支撐面積應(yīng)足夠大，還需要具有散熱功能。 由于輸送機(jī)架體精度不需要像傳動(dòng)零件那么精密，因此材料可以選擇Q235/45號(hào)鋼，并采用框架結(jié)構(gòu)。 輸送機(jī)架體的設(shè)計(jì)還需要結(jié)合以下原則:①輸送機(jī)架體應(yīng)在機(jī)械技術(shù)手冊(cè)中查找經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；②輸送機(jī)架體應(yīng)防止設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生事故；③輸送機(jī)架體應(yīng)將各種設(shè)備和部件連接成一個(gè)有機(jī)整體；④輸送機(jī)架體應(yīng)具有剩余強(qiáng)度和材料剛度；⑤輸送機(jī)架體應(yīng)有利于傳動(dòng)部件的正確定位。

3 重要零部件有限元分析

3.1 輸送機(jī)架承力分析

底座類(lèi)零件是機(jī)械工程中常用的零部件之一，起承受機(jī)體載荷、支撐、固定等作用。 其主要作用是對(duì)整個(gè)傳送系統(tǒng)進(jìn)行支撐和保護(hù)。 傳送架體整體三維模型結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 傳送架體整體三維模型結(jié)構(gòu)

利用NX12.0 軟件中的有限元分析模塊對(duì)傳送帶支架進(jìn)行承力分析[2]。 在FEM 環(huán)境和操作界面中可以查詢本模型的物理參數(shù)，通過(guò)查表確定其材質(zhì)，架體采用45 鋼材料，對(duì)應(yīng)NX 庫(kù)中的【Steel 鋼】，密度為7.829e-0.6 kg/mm3，楊氏彈性模量為2.064 9×108kPa，泊松比為0.288，屈服強(qiáng)度為137 895 kPa。

有限元整體操作流程如圖9 所示。

圖9 有限元操作流程

采用NX 進(jìn)行前/后處理，采用NX-Nastran 作為解算模塊，整個(gè)仿真的基本順序?yàn)榍疤幚?、求解、后處理?經(jīng)過(guò)一系列的力學(xué)模擬，可得出如圖10、11 所示的云圖。

圖10 位移云圖并顯示最大值

圖11 Von Mises 應(yīng)力云圖

將顯示的最大應(yīng)力值和本模型材料的屈服強(qiáng)度數(shù)值做比較，即可判斷本模型的強(qiáng)度是否符合設(shè)計(jì)要求并可以計(jì)算出理論的設(shè)計(jì)安全系數(shù)大小。

通過(guò)仿真計(jì)算結(jié)果可以得到:機(jī)架的最大應(yīng)力為4 706.49 MPa，由于40 鋼材料的屈服強(qiáng)度為137 895 MPa，所以底座理論上的安全系數(shù)為3.4，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 藥瓶托盤(pán)受力分析

軸套類(lèi)部件(如發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄、凸輪軸等)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，直接影響著產(chǎn)品的工作效率、壽命及人身安全，研究發(fā)現(xiàn)不平衡是此類(lèi)部件產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因之一。 為有效解決產(chǎn)品的振動(dòng)問(wèn)題，對(duì)套筒類(lèi)旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，通過(guò)靜力學(xué)分析可以得到其位移變形和應(yīng)力的分布規(guī)律，并找出應(yīng)力集中的部位或者區(qū)域，有針對(duì)性地對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量及可靠性。

根據(jù)圖12 所示的馮氏應(yīng)力云圖得出，傳輸過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)力為0.035 MPa，振動(dòng)影響為合理范圍；同時(shí)根據(jù)圖13 的剖面應(yīng)力云圖，由于藥瓶托盤(pán)傳輸過(guò)程中齒輪與齒條的嚙合而產(chǎn)生的托盤(pán)中心軸部扭力約為0.034 9 MPa，數(shù)值也在合理范圍內(nèi)，因此該托盤(pán)設(shè)計(jì)符合實(shí)際生產(chǎn)需求。

圖12 馮氏應(yīng)力云圖

圖13 剖面應(yīng)力云圖

3.3 設(shè)計(jì)應(yīng)用測(cè)試

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該醫(yī)用凍干藥瓶旋轉(zhuǎn)與急停機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可用于單次多量運(yùn)輸(檢測(cè))生產(chǎn)中，保證生產(chǎn)的安全與質(zhì)量的同時(shí)也保障了產(chǎn)量的提升，節(jié)約了生產(chǎn)成本，不僅適合于醫(yī)用藥瓶的生產(chǎn)也可以適用于高精度、高要求的儀器生產(chǎn)及單方向流水檢測(cè)等生產(chǎn)線。圖14 為實(shí)物應(yīng)用場(chǎng)景。

圖14 凍干藥瓶旋轉(zhuǎn)與急停機(jī)構(gòu)

4 結(jié) 語(yǔ)

為滿足存放藥品的凍干藥瓶生產(chǎn)和傳輸需求，此次優(yōu)化設(shè)計(jì)采用先進(jìn)非標(biāo)設(shè)計(jì)的帶傳送與阻停氣缸相結(jié)合的方式，以電動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿?lái)源，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。 此結(jié)構(gòu)可以通過(guò)柔性聯(lián)結(jié)與其他不同功能的生產(chǎn)線相結(jié)合，可以進(jìn)行平衡調(diào)劑，不影響各設(shè)備的正常運(yùn)行，既滿足了輸送過(guò)程中單次多量的輸送要求且可以方便、安全啟停整條產(chǎn)線，利用簡(jiǎn)單機(jī)械配合(齒輪齒條嚙合)使傳輸過(guò)程中凍干藥瓶達(dá)到了無(wú)污染、無(wú)破損、方便檢測(cè)等一系列要求，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化程度較高的藥瓶傳輸作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率和管理的可靠性，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。