基于同步矩形運動的型材輸送機械設(shè)計與分析

機械設(shè)計與制造 56 Machinery Design&Manufacture 第10期 201 1年l0月 文章編號：10013997(2011)10005602 基于同步矩形運動的型材輸送機械設(shè)計與分析木 陳潔 肖利 吳桂華- (重慶科技學(xué)院機械與動力工程學(xué)院，重慶401331) ( 重慶航天新世紀(jì)衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)有限責(zé)任公司設(shè)計中心，重慶400050) Design and analysis of profile conveying machinery based on synchronous rectangle movement CHEN Jie ，XIAO Li ，WU Guihua ( College of Mechanical and Dynamic Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing 401331，China) ( Chongqing Aerospace New Century Satellite Application Technology Co，Ltd，Chongqing 400050，China) 【摘要】型材輸送機械是型材生產(chǎn)流水線上的一種橫移轉(zhuǎn)送機械裝置。隨著型材產(chǎn)品向增大尺 寸、提高精度的方向發(fā)展，需要對輸送機械進行相應(yīng)的技術(shù)改造和升級。詳細闡述了基于同步矩形運動 的型材輸送機械的結(jié)構(gòu)、工作原理和關(guān)鍵部件的改進設(shè)計，分析并確定了改進后轉(zhuǎn)動拐臂和橫移梁機 構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點和參數(shù)，并介紹了采用電液比例流量閥來實現(xiàn)液壓同步控制的工作原理及液壓系統(tǒng)的主 要參數(shù)。實踐表明，改進后的型材輸送機械及其控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定可靠，符合設(shè)計要求，并能根據(jù)不同 的產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活控制。 關(guān)鍵詞：輸送機械；橫移梁；拐臂 【Abstract】 le conveying machinery is口transferring mechanism in profiles production lineWith the development ofprofile products towards increasing in size and improving in precision，technical im- provement and upgrading is neededfor conveying machineryIts main structure，working principle based on synchronous rectangle movement and the improved design of critical components is briefly describedThen the structural-廠eatltre$and the parameters of the improved twirling crank arm traversing beam aie analyzed and c0 rmedIn addition，hydraulic control principle and main parameters for hydraulic synchronous con一 trol by adopting electro-hydraulic proportional valve are introducedPravtices shows that the improved con veying machinery and control system is more stable and reliable infunction，which may satisfy the design 2 requirements andflexible control is achievedfor different kinds ofproducts ； Key words：Conveying machinery；TraVersing beam；Crank arm ； 中圖分類號：TH16，TH4文獻標(biāo)識碼：A 1引言 某企業(yè)8000t油壓機型材生產(chǎn)線由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向大尺寸、精 度高及質(zhì)量增大的方向發(fā)展，使原來只能滿足輕型產(chǎn)品生產(chǎn)的生 產(chǎn)流水線需要進行相應(yīng)的技術(shù)改造和升級。 該船用型材的生產(chǎn)過程大致是經(jīng)過加熱的鑄造棒坯料通過 轉(zhuǎn)盤輸送機械手送到重型油壓機，由油壓機通過擠壓等方式來得 到不同截面形狀的型材產(chǎn)品。當(dāng)產(chǎn)品從油壓機擠出來后，其頭部 進入牽引機夾頭，夾頭開始動作夾緊產(chǎn)品頭部，同時牽引機隨型 材產(chǎn)品速度同步移動。當(dāng)產(chǎn)品擠壓出至規(guī)定長度時，其隨動熱鋸 機開始動作，鋸頭先旋轉(zhuǎn)再作上升運動，同時熱鋸機隨型材產(chǎn)品 速度作同步移動；當(dāng)鋸頭旋轉(zhuǎn)上升至極限位置時，型材產(chǎn)品被鋸 斷，余料掉人小車內(nèi)，鋸頭下降復(fù)位，并停止運動，這時鋸切好的 型材產(chǎn)品需要通過型材輸送機械將產(chǎn)品水平橫向送到拉矯機過 橋段的過橋皮帶軌道上，以便對產(chǎn)品進行矯直、檢驗等后期處理。 由于型材輸送機械長36m，是一個大跨度的機械裝置I“，對機架的 剛度、同步動作的精度要求較高，否則易出現(xiàn)由于不同步造成受 力不均使活動機架和橫移梁變形，進而使橫向移動齒輪齒條脫 齒，以致不能正常工作，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進行。設(shè)計在分析原 先設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場狀況和型材輸送機械的具體工藝要 求，對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化改進設(shè)計，并進一步設(shè)計了基于PLC控 制的多缸液壓同步控制系統(tǒng)，保證了橫移和升降的同步精度，使 改造后的型材輸送機械能夠適應(yīng)尺寸更為寬廣的產(chǎn)品范圍。 2設(shè)計方案 21設(shè)備組成及主要參數(shù) 基于同步矩形運動的型材輸送機械主要由機械部分、液壓 控制系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)三部分組成，這三部分有機地結(jié)合在一 起，形成一個有效的整體。其機械部分主要有橫移梁送料機構(gòu)、拐 臂升降結(jié)構(gòu)、同步相關(guān)組件、固定機架和活動機架等；液壓系統(tǒng)包 來稿日期：20101225 基金項目：重慶市科計攻關(guān)項目資助(CSTC，2010AC6082) 第10期 陳潔等：基于同步矩形運動的型材輸送機械設(shè)計與分析 57 括6個橫移液壓缸、3個升降液壓缸、液壓閥組、液壓站及連接管 道等組成；電氣控制系統(tǒng)主要由PLC及相應(yīng)的程序以及位移傳 感器組成。型材輸送機械的主要參數(shù)：型材產(chǎn)品尺寸為(1528) m，產(chǎn)品最大質(zhì)量1200kg；橫移梁水平行程11m，工作速度(0 85)mmin；活動機架升降行程1 50mm；完成一個矩形運動輸送動 作時間25s；型材輸送機械的橫移機構(gòu)由30根間距為12m的橫 移梁構(gòu)成，其總長度為36m，寬為214m。 2-2工作過程 基于同步矩形運：動的型材輸送機械的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所 示。其中，橫移梁送料機構(gòu)組件、橫移同步及其相關(guān)組件安裝在活 動機架3上，3組轉(zhuǎn)動拐臂升降機構(gòu)組件安裝在固定機架1 1上。 該機械作同步矩形運動的工作過程如下：(1)當(dāng)型材產(chǎn)品從油壓機 擠壓出來，由軌道輸送并經(jīng)隨動熱鋸機按尺鋸斷后，橫移液壓缸5 活塞桿同步向后動作，帶動與其活塞頭聯(lián)接在一起的一級齒條4 向后運動，使小齒輪6及其同軸的增程大齒輪8順時針同步轉(zhuǎn)動， 推動安裝在橫移梁9下部的二級齒條7帶動橫移梁向前運動，使 橫移梁伸入鋸切輸送軌道(圖中未畫出)中產(chǎn)品下部的規(guī)定位置并 停止運動。這里橫移液壓缸共6組，30根間距為1200mm的橫移 梁通過傳動軸1及聯(lián)軸器2聯(lián)接在一起，從而實現(xiàn)由6組橫移液 壓缸傳動的橫移梁作機械與液壓同步控制的同步運動。(2)拐臂升 降機構(gòu)的升降液壓缸活塞桿向右運動，使轉(zhuǎn)到拐臂12繞固定軸 13順時針轉(zhuǎn)動，從而推動活動架及其固定在其上的橫移梁組件一 起向上運動，抬起型材產(chǎn)品10上升。在將轉(zhuǎn)到拐臂的旋轉(zhuǎn)運動變 成活動機架的垂直直線運動，是通過固定機架四個角上的導(dǎo)向軸 15來實現(xiàn)的。這里升降液壓缸共3組，由PLC控制來做3缸液壓 同步運動。升降液壓缸向左行程32mm，使型材產(chǎn)品上升150ram， 到達規(guī)定位置。(3)橫侈液壓缸作回程動作(活塞桿向前運動)，推 動其嚙合齒條向前運動，使小齒輪做逆時針轉(zhuǎn)動，帶動大齒輪同步 轉(zhuǎn)動，推動橫移梁底部的被動嚙合齒條做向后直線運動，從而實現(xiàn) 橫移梁橫移產(chǎn)品到拉矯機過橋段的第一段過橋皮帶上方規(guī)定位 置。(4)升降液壓缸作回程動作(活塞桿向右運動)，使轉(zhuǎn)到拐臂繞 固定軸逆時針轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)活動機架及其其上的所有物品向下 垂直降落150mm，將型材產(chǎn)品放置在第一段過橋皮帶上的規(guī)定位 置，完成個同步的矩形運動，實現(xiàn)產(chǎn)品橫移輸送。最后橫移油缸 復(fù)位，升降油缸復(fù)位，進入下個同步矩形的工作流程。 圖1輸送機械結(jié)構(gòu)示意圖 1連接軸2聯(lián)軸器3活動機架4一級齒條5橫移液壓缸6J、齒輪 7二級齒條8大齒輪9橫移梁l0型材產(chǎn)品1 1周定機架12轉(zhuǎn)動拐臂 13固定軸14升降液壓缸15導(dǎo)向軸 23轉(zhuǎn)動拐臂設(shè)計 轉(zhuǎn)動拐臂受力簡圖，如圖2所示。在忽略摩擦力的情況下， 由力矩平衡方程有： ：F一xHctg2a： 墊 (1) L2COSOL2 1-28in 式中：日一升降行程； 制品及活動機架組件的重力 的一部 分，忽略摩擦?xí)r，理論上Fl=W6；L，一豎臂板長； 一升降 油缸對拐臂的拉力。 在式(1)中，H和 可視為常數(shù)，要使 相對較小且波動幅 度較小，其與L1和Ot取值有關(guān)。通過模糊優(yōu)化和運動仿真分析， 在設(shè)計時取a=19。15 ，L，242mm。 而 。= H= 1 50 一241mm (2) 圖2轉(zhuǎn)動拐臂受力簡圖 24橫移梁結(jié)構(gòu)設(shè)計 為增強橫移梁的剛度，將橫移梁由原滾輪滾動的驅(qū)動方式 改為齒輪齒條帶動的 型槽引導(dǎo)的滑動運動，從而提高了橫移梁 的剛度，其結(jié)構(gòu)，如圖3所示。 1 2 3 4 5 6 7 墮 L 圜 一 f _1 F =r_ 圖3橫移梁結(jié)構(gòu)示意圖 1左槽架2導(dǎo)向銅板3橫移梁4齒條5齒輪6右槽架7活動機架 此外，由圖1可知：設(shè)大、小齒輪分度圓直徑分別為d 、d2，轉(zhuǎn) 速分別為 對應(yīng)的齒條速度分別為 有： 1：竹dlnI，132n-d2n2 (3) 又。n = V1= d1 (4) 設(shè)計時取d，=15d ，就有 =15v，并且橫移梁移動速度等 于 。，橫移活塞桿運動速度等于 ，所示當(dāng)橫移缸行程為700mm 時，橫移梁行程為1050ram，實現(xiàn)了增程，也使結(jié)構(gòu)更為緊湊。 3液壓系統(tǒng)簡介 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)：電動機功率55kW；額定工作壓力10MPa， 最大流量65Ihnin；橫移液壓缸速比1A6，Vx=80mms，Q,38IJrnin， 活塞桿行程為(0780)mm；升降液壓缸工作行程(0 50)mm。為了 提高整個輸送機械的系統(tǒng)性能，應(yīng)對結(jié)構(gòu)和控制設(shè)計進行有機 的結(jié)合目。型材輸送機械的橫移梁送料機構(gòu)的6個橫移液壓缸采 用機械同步控制與電液比例流量閥控制相結(jié)合的方式來實現(xiàn)同 步M。機械同步系統(tǒng)是一個局部同步系統(tǒng)，它采用連接軸、聯(lián)軸 器和一個橫移液壓缸使5根橫移梁構(gòu)成一個同步橫移梁組，同 步前后水平移動。這種局部同步系統(tǒng)共有6組(圖1中A 視 58 機械設(shè)計與制造 Machinery Design&Manufacture 第10期 201 1年10月 文章編號：10013997(2011)10005803 8軸激光焊接實驗平臺的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計 肖陽柳劉濤喻俊峰 (華中科技大學(xué)機械學(xué)院，武漢430074) Finite element analysis and optimization design for 8一axises Iaser welding experimental platform XIAO YangI iu，LIU Tao，YU Junfeng (Huazhong University of Science and Technology，Mechanical College，Wuhan 430074，China) ； 【摘要】設(shè)計了面向空間復(fù)雜拼縫的激光焊接的8軸激光焊接實驗平臺，為了滿足激光焊接的加 工要求，達到所要求的精度和穩(wěn)定性，運用有限元方法對其進行設(shè)計和優(yōu)化。首先將原始設(shè)計方案三維 i模型導(dǎo)入ANSYS中，運用有限元優(yōu)化設(shè)計方法建立該平臺的有限元模型，并進行了重要零部件及整機 ；的模態(tài)分析，主要分析了前8階固有頻率和振型，找出了其中的薄弱環(huán)節(jié)，并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提高 了平臺的動態(tài)性能。最后通過大量相關(guān)實驗對該平臺性能進行了驗證，結(jié)果論證了該有限元模型的有效 t ；性和正確性。 關(guān)鍵詞：焊接機床；有限元分析；模態(tài)分析；動態(tài)性能；優(yōu)化設(shè)計 【Abstract】A 8-is laser welding experimental platform is designed and introduced for complex 3D l sealn welding in itA nd in order to reach the requirement of the laser welding,such as the accuracy and the l stability ofthe platform,finite element method is applied in designing and optimizing the platforFirst口 3D model for original design proposal is imported into the ANSYS to build 0 finite element model of the platform with thefinite element optimal design method，and the modal analysisfor keyparts and the whole i unit is conductedThen thefirst eight naturalfrequencies and mode ofvibration ofthe platform are analyzed to find the weaknesses of the platformFurthermore，the structure design is optimized to improve the 一 namic peormance ofthe platformFinally，the more relative experiments are carried out，which result recti fies the effectiveness and the correctness of the finite element mode1 Key words：Laser machine tool；Finite element analysis；Mode analysis；Dynamic performance； ；Optimization design 中圖分類號：TH16，V2618文獻標(biāo)識碼：A 1引言 面向空間復(fù)雜拼縫的激光焊接，為了提高焊接質(zhì)量和效率， 研發(fā)了新型的8軸激光焊接實驗平臺，如圖1所示。 該實驗平臺共有 、l，、Z、C、A和C ，W，個軸，另外可加上1 來稿日期：20101228基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(50875097E051005) 圖所示為一組的側(cè)視圖)，各組間又通過比例流量閥來實現(xiàn)同步 l【作。這樣設(shè)計，既降低了機械同步控制系統(tǒng)對制造和安裝要求 的較高精度，又可減少機架等的變形對同