王燕野，房靈申，王文錠，張 良

（1.沈陽理工大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.中國科學院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016；3.昆山燎原自動化設備有限公司，江蘇 蘇州 215316；4.國網鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114002）

0 引言

目前，日用陶瓷生產的主要成型工藝為滾壓成型和注漿成型兩種，其中都少不了陶瓷模具的使用。陶瓷模具由石膏材料制成，具有制作方便、成本低廉、吸水性好等優(yōu)點。同時，陶瓷石膏模具能夠靈活準確地復制棱角線條，且可以回收再利用，不易對環(huán)境造成污染[1]。

近年來我國各行各業(yè)生產裝備的自動化水平越來越高，但陶瓷行業(yè)自動化設備發(fā)展比較緩慢。目前已有相關原材料制備、成型、施釉、烘干等自動化機械設備投入使用[2]，但并沒有相應的機械設備可以實現陶瓷模具制作過程的自動化。陶瓷企業(yè)主要還是采用手工制作的方式來生產模具，模具生產效率低，生產環(huán)境差且勞動強度大，同時難以保證產品質量。在目前人力資源逐步短缺、人工經費急劇增長等不利因素眾多的經濟背景下，現有的生產環(huán)境滿足不了市場對企業(yè)的需求。企業(yè)迫切需要對現有設備的改造升級，并急需高效率、高產能的自動化設備。因此有必要對陶瓷模具制造設備進行自動化改造，從而提高生產效率，提升產品質量，降低生產成本，推動我國陶瓷產業(yè)的發(fā)展[3]。針對這一行業(yè)難題，本文設計開發(fā)一種基于制模生產線的自動取模裝置，可實現模具從取出到拼接這一過程的自動化，并針對裝置中的關鍵零部件進行分析研究。

1 結構設計

1.1 裝置總體設計

陶瓷模具是由石膏材料制成，包括上模、下模和2 塊中模4 個部分，如圖1 所示。制作陶瓷模具的工藝過程主要是將四瓣模具分別澆注成型后，再取出拼接在一起形成完整的模具。自動取模裝置基于制模生產線，實現模具從取出到拼接這一復雜過程的自動化。如圖2 所示，自動取模裝置主要由夾取機構、移動機構、機架等組成。主要工作原理：通過夾取機構將模具從夾具中取出，并利用移動機構實現升降和橫移，將取出的模具送至成品傳送帶處進行拼接。拼接順序為：先取出放置下模，再通過取中模夾手將兩瓣中模取出，對齊拼接后精準的放置在下模上面，最后將上模精準的放置在中模上，以完成整體模具的拼接。

圖1 陶瓷模具模型

圖2 取模裝置總體裝配模型

1.2 夾取機構設計

夾取機構需要將模具從夾具中精準的夾取出來，以避免對模具內壁造成破壞，影響產品質量。同時在夾取下模的時候要先進行180°翻轉，再移動放置到成品傳送帶處，方便后續(xù)拼接過程。如圖3 所示，夾取機構主要由旋轉氣缸、夾板、導軌、載板、墊片、齒輪、曲柄滑塊等組成。夾取動作通過曲柄滑塊機構實現，由兩組對心曲柄滑塊機構組成，滑塊與夾板相連接，夾板在曲柄滑塊機構的帶動下進行往復直線運動，實現對模具的夾緊和松開。同時兩組曲柄滑塊機構產生的慣性力會相互抵消，實現慣性力平衡，增強機構的穩(wěn)定性[4]。在夾取下模時，通過旋轉氣缸帶動齒輪轉動，經過齒輪傳動使與齒輪相連的墊片產生翻轉，以實現模具的翻轉。

圖3 夾取機構模型

1.3 移動機構設計

移動機構需帶動夾取機構完成上下升降及水平橫移，使夾取機構下降到指定位置進行夾取，并在夾取后提升橫移至傳送帶處，放置模具為之后的拼接做準備。如圖4 所示，移動機構主要由電機、齒輪、齒條、導軌、支承板等組成。通過電機帶動齒輪轉動，采用齒輪齒條的傳動方式，帶動夾取機構實現升降和橫移。齒輪齒條具有傳遞動力大、升降速度快、操作簡便、壽命長、工作平穩(wěn)可靠性高等優(yōu)點，是現代機械中應用最廣的一種機械傳動。因其優(yōu)點及對本機構的適用性，故傳動方式采用齒輪齒條傳動[5]。

圖4 移動機構模型

2 關鍵部件分析

2.1 夾取機構運動學分析

2.1.1 理論分析

夾取機構原理圖如圖5 所示，曲柄繞O點轉動，通過連桿帶動滑塊作往復直線運動，滑塊與夾板相連，以實現夾板的夾緊和松開。曲柄旋轉半徑為R，連桿長度為L，曲柄與連桿鉸接點為A，連桿與滑塊鉸接點為B。設曲柄旋轉的角速度為ω，桿OA與水平方向的夾角為α，桿AB和水平方向的夾角為β，令，則可推導出：

圖5 夾取機構原理

滑塊的位移為：

滑塊的速度為：

滑塊的加速度為：

由以上的理論分析計算，得到了滑塊位移、速度和加速度的運動分析方程，可以計算出滑塊在每個時刻的位移、速度和加速度值。

2.1.2 仿真分析

對自動取模裝置中的夾取機構進行簡化，在Solid-Works 的裝配模塊下將夾取機構的各個零件裝配到一起。將建立好的三維模型導入Motion 分析模塊，曲柄為旋轉副，連桿與曲柄之間為旋轉副，連桿與滑塊之間為旋轉副，滑塊自身為滑動副[6]。設置相關仿真參數，曲柄的最大轉動角度為80°，計算運動算例，得到滑塊的位移、速度和加速度曲線圖，如圖6 所示。

圖6 滑塊的位移速度和加速度曲線圖

通過分析運動仿真生成的圖像，可以得出滑塊的行程為103 mm，故兩側夾板的夾緊距離為206 mm，符合設計方案中夾板的工作行程，能夠滿足對石膏模具的夾取要求?；瑝K速度在-365 mm/s ～365 mm/s 之間，當滑塊位于初始位置和最大行程處速度為0，并根據當前的位置按照一定的規(guī)律進行增大和減小；滑塊加速度在-1961 mm/s2～1759 mm/s2之間，當滑塊速度達到最大值或最小值時加速度為0。結合理論計算和Motion 仿真分析結果可得，設計夾取機構運動規(guī)律符合實際工況要求，驗證了設計機構的合理性。

2.2 齒輪齒條有限元分析

齒輪齒條是帶動夾取機構升降和橫移的關鍵零部件，在工作過程中易發(fā)生破壞，尤其是齒輪和齒條的接觸部分，為防止齒輪齒條在作業(yè)過程中出現變形，對齒輪齒條機構進行有限元靜力學分析，以驗證設計機構強度的可靠性。

2.2.1 有限元計算模型

齒輪齒條機構由伺服電機帶動齒輪提供動力，電機型號為臺達伺服電機ECM-B3M-C20604SS1，額定功率為400 W，額定扭矩為1.27 N·m，齒條靠螺栓固定在支承板上。其中齒輪齒廓曲線為漸開線，齒條為直線，齒輪齒條的基本結構參數見表1。齒輪齒條材料選用S45C，材料屬性參數見表2。

表1 齒輪齒條基本參數

表2 齒輪齒條材料屬性參數

將SolidWorks 中建立好的齒輪齒條幾何模型導入到ANSYS Workbench 軟件中，對幾何模型進行網格劃分。本文采用ANSYS Workbench 提供的Mesh 網格劃分方法對齒輪齒條幾何模型進行網格劃分[7]。由于默認網格劃分比例比較稀疏，會影響分析結果的準確性，對參數進行重新調整，使網格劃分后的節(jié)點和單元數目適中，尺寸均勻，滿足計算要求。在齒輪齒條相應位置施加載荷和約束后，進行靜力學分析求解[8]。

2.2.2 結果分析

計算完成后采用有限元后處理模塊對結果進行處理，得到齒輪齒條的等效應力云圖，如圖7（a）所示。由仿真結果可知，輪齒之間的整體應力不大，但齒輪齒條即將嚙合和脫離的地方存在局部應力集中，該現象符合實際情況。最大應力發(fā)生在齒輪齒條即將脫離處的齒面接觸部分，該位置局部放大應力云圖如圖7（b）所示，齒面最大應力值為6.009 MPa。S45C 的屈服強度為355 MPa，取安全系數為1.7，則其許用應力為208.82 MPa。齒輪齒條所受的最大應力在許用應力范圍內，證明該齒輪齒條機構強度符合設計要求。

圖7 齒輪齒條應力云圖

3 試驗驗證

在福建泉州某陶瓷公司進行生產試驗，根據設計結果待裝置裝配完成之后，將其應用在制模生產線上進行批量試產。通過相關的電氣程序控制裝置的相關動作，整機調試直至能夠穩(wěn)定運行，現場生產試驗狀況如圖8 所示。裝置總體運行狀態(tài)良好，達到設計預期效果，相關機構無偏移和變形的現象發(fā)生。夾取機構能夠精準的將模具從夾具中取出，且模具取出后內壁光滑無刮傷。升降橫移機構運行平穩(wěn)，拼接過程能根據設計要求精準地拼接在一起，滿足模具產品質量要求。在試生產過程中產品合格率可達95%以上，提高了陶瓷模具的良品率。

圖8 現場生產試驗圖

4 結語

利用SolidWorks 三維軟件設計的一款基于制模生產線的自動取模裝置，對取模裝置中的夾取機構進行運動學理論分析，得到了位移、速度和加速度的運動學方程。同時利用SolidWorks 軟件中的Motion 分析模塊對夾取機構進行了運動學仿真分析，得到了相關參數的運動曲線圖。通過理論計算和運動仿真分析相結合的方式，驗證設計機構運動性能滿足實際要求。同時利用ANSYS Workbench 軟件對裝置運行過程中易發(fā)生破壞的齒輪齒條進行了有限元靜力學分析，得出齒輪齒條應力云圖。通過分析得出，齒輪齒條間的最大應力值小于材料的許用應力，設計機構強度符合要求。

在現場生產試驗的過程中，裝置運行狀態(tài)平穩(wěn)，陶瓷模具合格率可達95%以上，與傳統人工制模相比，顯著提高了模具的良品率。將自動取模裝置運用在陶瓷模具制作上，實現了人工取模到全自動取模的突破，提高生產效率的同時減少人工投入成本。提升陶瓷企業(yè)自動化水平，解決了相關難題，為企業(yè)帶來經濟效益。