一種立體上磚機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

一種立體上磚機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

目前，中國(guó)的陶瓷磚產(chǎn)量占世界總產(chǎn)值的一半以上。1齒輪連桿傳動(dòng)構(gòu)件設(shè)計(jì)多角度適應(yīng)的立體上磚機(jī)構(gòu)(如圖1)由絲杠螺母推磚構(gòu)件、擺臂提升構(gòu)件和齒輪連桿傳動(dòng)構(gòu)件三大部分組成,主要完成對(duì)磚塊的分離與提升任務(wù)。堆放在一起的磚塊由絲杠螺母推磚構(gòu)件向前精確推送,再由擺臂提升構(gòu)件完成對(duì)磚塊的分離與提升,提磚過(guò)程中由齒輪連桿傳動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行傳動(dòng)。齒輪連桿傳動(dòng)構(gòu)件結(jié)合不完全齒輪間隙工作特性與曲柄搖桿的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為擺臂的間隙式來(lái)回?cái)[動(dòng),保障上磚過(guò)程的可行與高效性。上磚過(guò)程有時(shí)需要調(diào)整傳送帶的帶面與地面的夾角,即要求從不同角度將磚塊提升到傳送帶上,本機(jī)構(gòu)采用多適應(yīng)性設(shè)計(jì)理念,改變相應(yīng)桿件的長(zhǎng)度,能滿足多角度上磚要求。該機(jī)構(gòu)可以應(yīng)用在陶瓷磚包裝線上,也可以應(yīng)用在鋪磚機(jī)械上,能高效、平穩(wěn)、多角度地完成上磚任務(wù)。1.1立磚架的使用利用絲杠螺母精確傳動(dòng)原理,設(shè)計(jì)了絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)構(gòu)件(如圖2)。磚塊立放于能在滑槽中前后滑動(dòng)的立磚架上,立磚架下固結(jié)有與絲杠配合的螺母裝置。電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn),絲杠通過(guò)立磚架精確地將磚塊向前推送。控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)使絲杠作間歇運(yùn)動(dòng),保證立磚架每次向前移動(dòng)恰好為一塊磚的距離,為后續(xù)擺臂提升構(gòu)件的提磚過(guò)程作好準(zhǔn)備。1.2小幅度上擺動(dòng)擺臂提升構(gòu)件作為上磚機(jī)構(gòu)的核心部分,完成對(duì)磚塊的分離與提升過(guò)程。如圖3所示,擺臂提升構(gòu)件主要由一根L型桿、提升板和鉸接在L型桿前端的限位框組成,鉸接的限位框可以以磚面的法線方向?yàn)榛鶞?zhǔn)作小幅度的上下擺動(dòng)。L型桿的下半段是一段擺臂(如圖4),作為傳動(dòng)構(gòu)件的搖桿部件,鉸接在機(jī)架上。擺臂通過(guò)齒輪連桿傳動(dòng)構(gòu)件傳動(dòng),先向下擺動(dòng)到接近水平位置,此時(shí)鉸接的限位框剛好能搭放在第一塊磚塊的上部,立磚架再將堆放在一起的磚塊向前推送一塊磚厚的距離,提升板便隨著擺臂的旋轉(zhuǎn)將最前方的一塊磚塊向上提升,這時(shí)限位框會(huì)向下擺動(dòng)將磚塊扣住,保證磚塊平穩(wěn)地向上傳送到傳送帶(如圖1)上,之后磚塊隨著傳送帶向前傳送并從限位框中穿過(guò)。L型桿的結(jié)構(gòu),以及傳送帶與L型桿的相對(duì)位置,保證了磚塊以與傳送帶相切的狀態(tài)平穩(wěn)落放到傳送帶上。1.3齒輪連桿傳動(dòng)構(gòu)件設(shè)計(jì)上磚機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置由一組嚙合的齒輪上磚過(guò)程:通過(guò)絲杠螺母的傳動(dòng),磚塊會(huì)隨著立磚架一起向前移動(dòng),當(dāng)最前端磚塊的底部完全移動(dòng)到提升板(如圖3)上時(shí),控制電機(jī)使絲杠停止轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)再由齒輪連桿傳動(dòng)構(gòu)件傳動(dòng),擺桿提升構(gòu)件將磚塊向上提起,鉸接在端部的金屬框向下發(fā)生一定角度的擺動(dòng)進(jìn)而將磚塊扣住。擺桿裝置擺動(dòng)到極限位置后,兩齒輪脫離嚙合,磚塊從限位框內(nèi)部隨著傳送帶向前運(yùn)送,之后兩齒輪進(jìn)入嚙合區(qū),擺臂回轉(zhuǎn)繼續(xù)完成分離與提升磚塊的任務(wù)。2優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程上磚機(jī)構(gòu)作為磚包裝線的核心部分之一,承擔(dān)將磚塊準(zhǔn)確分離和提升的任務(wù),對(duì)其重要部分有必要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從上磚機(jī)構(gòu)的外部結(jié)構(gòu)入手進(jìn)行幾何分析,完成該機(jī)構(gòu)多角度適應(yīng)性特點(diǎn)的設(shè)計(jì),并對(duì)齒輪連桿傳動(dòng)構(gòu)件的曲柄搖桿部分進(jìn)行桿長(zhǎng)優(yōu)化,接著對(duì)主要承載構(gòu)建擺臂進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,最后結(jié)合SolidWorks軟件集成仿真系統(tǒng)對(duì)重要構(gòu)件進(jìn)行靜態(tài)仿真與分析。2.1穩(wěn)地熔噴法的參數(shù)分析針對(duì)瓷磚包裝線不同傳送要求,傳送帶的帶面與地面的夾角經(jīng)常需要調(diào)整,為了保證上磚機(jī)構(gòu)能適應(yīng)從不同角度上磚的要求,并使磚塊能平穩(wěn)地落到傳送帶上,需要通過(guò)幾何分析,對(duì)上磚機(jī)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。幾何作圖過(guò)程如下(如圖5):A、B兩點(diǎn)由兩次放磚的約束條件確定,線段AE、BF分別與傳送帶的邊線平行,這樣可保證磚塊每次都能平穩(wěn)地放到傳送帶上。作AB的中垂線使其與AE的垂線交于點(diǎn)C,再在中垂線作線段CO,使其長(zhǎng)度等于線段AC,這樣可保證∠OAE=∠OBF。確定擺臂旋轉(zhuǎn)軸心的位置O以及夾角α式中:α2.2連塔桿長(zhǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上磚機(jī)構(gòu)在一定夾角范圍內(nèi)擺動(dòng),其動(dòng)力的傳送部分為齒輪連桿構(gòu)件,搖桿是由上磚機(jī)構(gòu)的擺臂充當(dāng)。電機(jī)帶動(dòng)曲柄作圓周轉(zhuǎn)動(dòng),擺臂來(lái)回?cái)[動(dòng)完成上磚任務(wù)。四連桿構(gòu)件完成動(dòng)力的傳送,同時(shí)也限制著上磚軌跡,有必要對(duì)其桿長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。已知行程系數(shù)比例系數(shù)k、搖桿長(zhǎng)度l極位夾角θ表征了擺臂提升機(jī)構(gòu)的急回特性,計(jì)算極位夾角θ:運(yùn)用圖解法對(duì)曲柄搖桿構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì),分析結(jié)果表明,該構(gòu)件存在合理的急回特性,達(dá)到提磚過(guò)程慢行、回程急回的要求,從而也保證了該機(jī)構(gòu)上磚的平穩(wěn)性與高效性。2.3擺臂的matlab優(yōu)化上磚機(jī)構(gòu)的主要承載構(gòu)件為一根繞軸旋轉(zhuǎn)的擺臂構(gòu)件,對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化的目的是在滿足強(qiáng)度、保證一定安全系數(shù)的條件下,進(jìn)行輕量化計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化(如圖7)后,以擺臂梁的截面參數(shù)寬度b、厚度d以及開(kāi)孔處的三個(gè)截面的截面高度g、e和f為設(shè)計(jì)變量,建立以質(zhì)量為目標(biāo)的目標(biāo)函數(shù),亦即找到各截面參數(shù)和質(zhì)量之間的函數(shù)關(guān)系式。根據(jù)M=ρV(ρ為密度),求擺臂質(zhì)量M,應(yīng)先求得擺臂體積V:V=乙式中:h積分得:強(qiáng)度約束:幾何外形約束:截面形狀約束:式中:G為擺臂的重力;α為擺臂與水平面的最小夾角;σ建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件后,根據(jù)數(shù)學(xué)模型的一般形式,將目標(biāo)函數(shù)和約束條件轉(zhuǎn)化為MATLAB優(yōu)化程序認(rèn)可的、可直接用于優(yōu)化計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)型。該優(yōu)化問(wèn)題的設(shè)計(jì)變量是梁的截面參數(shù):寬b、厚d及三個(gè)截面的截面高度g、e和f。式中:l給定初值,經(jīng)MATLAB優(yōu)化得到了不同下限時(shí)的兩組最優(yōu)解(見(jiàn)表1),分析可得厚度下限為4時(shí)比較合理。通過(guò)輕量化計(jì)算,在滿足強(qiáng)度、幾何外形、截面等約束的情況下,得到了重要構(gòu)件擺臂的截面參數(shù)。2.4靜態(tài)折射結(jié)構(gòu)的solid硬件模擬擺臂為主要受力構(gòu)件,有必要對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核3仿真結(jié)果分析本機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù),對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)模擬仿真,在現(xiàn)有上磚機(jī)構(gòu)特性上,提出了一種多角度適應(yīng)的上磚解決方案,并對(duì)核心部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與靜力學(xué)仿真分析。分析和驗(yàn)證表明,所設(shè)計(jì)的上磚機(jī)構(gòu)能完成平穩(wěn)