基于同步矩形运动的型材输送机械设计与分析

机械设计与制造 56 Machinery Design&Manufacture 第10期 201 1年l0月 文章编号：10013997(2011)10005602 基于同步矩形运动的型材输送机械设计与分析木 陈洁 肖利 吴桂华- (重庆科技学院机械与动力工程学院，重庆401331) ( 重庆航天新世纪卫星应用技术有限责任公司设计中心，重庆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】型材输送机械是型材生产流水线上的一种横移转送机械装置。随着型材产品向增大尺 寸、提高精度的方向发展，需要对输送机械进行相应的技术改造和升级。详细阐述了基于同步矩形运动 的型材输送机械的结构、工作原理和关键部件的改进设计，分析并确定了改进后转动拐臂和横移梁机 构的结构特点和参数，并介绍了采用电液比例流量阀来实现液压同步控制的工作原理及液压系统的主 要参数。实践表明，改进后的型材输送机械及其控制系统，性能稳定可靠，符合设计要求，并能根据不同 的产品来实现灵活控制。 关键词：输送机械；横移梁；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-厂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 ； 中图分类号：TH16，TH4文献标识码：A 1引言 某企业8000t油压机型材生产线由于产品结构向大尺寸、精 度高及质量增大的方向发展，使原来只能满足轻型产品生产的生 产流水线需要进行相应的技术改造和升级。 该船用型材的生产过程大致是经过加热的铸造棒坯料通过 转盘输送机械手送到重型油压机，由油压机通过挤压等方式来得 到不同截面形状的型材产品。当产品从油压机挤出来后，其头部 进入牵引机夹头，夹头开始动作夹紧产品头部，同时牵引机随型 材产品速度同步移动。当产品挤压出至规定长度时，其随动热锯 机开始动作，锯头先旋转再作上升运动，同时热锯机随型材产品 速度作同步移动；当锯头旋转上升至极限位置时，型材产品被锯 断，余料掉人小车内，锯头下降复位，并停止运动，这时锯切好的 型材产品需要通过型材输送机械将产品水平横向送到拉矫机过 桥段的过桥皮带轨道上，以便对产品进行矫直、检验等后期处理。 由于型材输送机械长36m，是一个大跨度的机械装置I“，对机架的 刚度、同步动作的精度要求较高，否则易出现由于不同步造成受 力不均使活动机架和横移梁变形，进而使横向移动齿轮齿条脱 齿，以致不能正常工作，严重影响生产的正常进行。设计在分析原 先设计的基础上，结合现场状况和型材输送机械的具体工艺要 求，对其结构进行了优化改进设计，并进一步设计了基于PLC控 制的多缸液压同步控制系统，保证了横移和升降的同步精度，使 改造后的型材输送机械能够适应尺寸更为宽广的产品范围。 2设计方案 21设备组成及主要参数 基于同步矩形运动的型材输送机械主要由机械部分、液压 控制系统和电气控制系统三部分组成，这三部分有机地结合在一 起，形成一个有效的整体。其机械部分主要有横移梁送料机构、拐 臂升降结构、同步相关组件、固定机架和活动机架等；液压系统包 来稿日期：20101225 基金项目：重庆市科计攻关项目资助(CSTC，2010AC6082) 第10期 陈洁等：基于同步矩形运动的型材输送机械设计与分析 57 括6个横移液压缸、3个升降液压缸、液压阀组、液压站及连接管 道等组成；电气控制系统主要由PLC及相应的程序以及位移传 感器组成。型材输送机械的主要参数：型材产品尺寸为(1528) m，产品最大质量1200kg；横移梁水平行程11m，工作速度(0 85)mmin；活动机架升降行程1 50mm；完成一个矩形运动输送动 作时间25s；型材输送机械的横移机构由30根间距为12m的横 移梁构成，其总长度为36m，宽为214m。 2-2工作过程 基于同步矩形运：动的型材输送机械的结构示意图，如图1所 示。其中，横移梁送料机构组件、横移同步及其相关组件安装在活 动机架3上，3组转动拐臂升降机构组件安装在固定机架1 1上。 该机械作同步矩形运动的工作过程如下：(1)当型材产品从油压机 挤压出来，由轨道输送并经随动热锯机按尺锯断后，横移液压缸5 活塞杆同步向后动作，带动与其活塞头联接在一起的一级齿条4 向后运动，使小齿轮6及其同轴的增程大齿轮8顺时针同步转动， 推动安装在横移梁9下部的二级齿条7带动横移梁向前运动，使 横移梁伸入锯切输送轨道(图中未画出)中产品下部的规定位置并 停止运动。这里横移液压缸共6组，30根间距为1200mm的横移 梁通过传动轴1及联轴器2联接在一起，从而实现由6组横移液 压缸传动的横移梁作机械与液压同步控制的同步运动。(2)拐臂升 降机构的升降液压缸活塞杆向右运动，使转到拐臂12绕固定轴 13顺时针转动，从而推动活动架及其固定在其上的横移梁组件一 起向上运动，抬起型材产品10上升。在将转到拐臂的旋转运动变 成活动机架的垂直直线运动，是通过固定机架四个角上的导向轴 15来实现的。这里升降液压缸共3组，由PLC控制来做3缸液压 同步运动。升降液压缸向左行程32mm，使型材产品上升150ram， 到达规定位置。(3)横侈液压缸作回程动作(活塞杆向前运动)，推 动其啮合齿条向前运动，使小齿轮做逆时针转动，带动大齿轮同步 转动，推动横移梁底部的被动啮合齿条做向后直线运动，从而实现 横移梁横移产品到拉矫机过桥段的第一段过桥皮带上方规定位 置。(4)升降液压缸作回程动作(活塞杆向右运动)，使转到拐臂绕 固定轴逆时针转动，从而实现活动机架及其其上的所有物品向下 垂直降落150mm，将型材产品放置在第一段过桥皮带上的规定位 置，完成个同步的矩形运动，实现产品横移输送。最后横移油缸 复位，升降油缸复位，进入下个同步矩形的工作流程。 图1输送机械结构示意图 1连接轴2联轴器3活动机架4一级齿条5横移液压缸6J、齿轮 7二级齿条8大齿轮9横移梁l0型材产品1 1周定机架12转动拐臂 13固定轴14升降液压缸15导向轴 23转动拐臂设计 转动拐臂受力简图，如图2所示。在忽略摩擦力的情况下， 由力矩平衡方程有： ：F一xHctg2a： 垫 (1) L2COSOL2 1-28in 式中：日一升降行程； 制品及活动机架组件的重力 的一部 分，忽略摩擦时，理论上Fl=W6；L，一竖臂板长； 一升降 油缸对拐臂的拉力。 在式(1)中，H和 可视为常数，要使 相对较小且波动幅 度较小，其与L1和Ot取值有关。通过模糊优化和运动仿真分析， 在设计时取a=19。15 ，L，242mm。 而 。= H= 1 50 一241mm (2) 图2转动拐臂受力简图 24横移梁结构设计 为增强横移梁的刚度，将横移梁由原滚轮滚动的驱动方式 改为齿轮齿条带动的 型槽引导的滑动运动，从而提高了横移梁 的刚度，其结构，如图3所示。 1 2 3 4 5 6 7 堕 L 圜 一 f _1 F =r_ 图3横移梁结构示意图 1左槽架2导向铜板3横移梁4齿条5齿轮6右槽架7活动机架 此外，由图1可知：设大、小齿轮分度圆直径分别为d 、d2，转 速分别为 对应的齿条速度分别为 有： 1：竹dlnI，132n-d2n2 (3) 又。n = V1= d1 (4) 设计时取d，=15d ，就有 =15v，并且横移梁移动速度等 于 。，横移活塞杆运动速度等于 ，所示当横移缸行程为700mm 时，横移梁行程为1050ram，实现了增程，也使结构更为紧凑。 3液压系统简介 液压系统主要参数：电动机功率55kW；额定工作压力10MPa， 最大流量65Ihnin；横移液压缸速比1A6，Vx=80mms，Q,38IJrnin， 活塞杆行程为(0780)mm；升降液压缸工作行程(0 50)mm。为了 提高整个输送机械的系统性能，应对结构和控制设计进行有机 的结合目。型材输送机械的横移梁送料机构的6个横移液压缸采 用机械同步控制与电液比例流量阀控制相结合的方式来实现同 步M。机械同步系统是一个局部同步系统，它采用连接轴、联轴 器和一个横移液压缸使5根横移梁构成一个同步横移梁组，同 步前后水平移动。这种局部同步系统共有6组(图1中A 视 58 机械设计与制造 Machinery Design&Manufacture 第10期 201 1年10月 文章编号：10013997(2011)10005803 8轴激光焊接实验平台的有限元分析及优化设计 肖阳柳刘涛喻俊峰 (华中科技大学机械学院，武汉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】设计了面向空间复杂拼缝的激光焊接的8轴激光焊接实验平台，为了满足激光焊接的加 工要求，达到所要求的精度和稳定性，运用有限元方法对其进行设计和优化。首先将原始设计方案三维 i模型导入ANSYS中，运用有限元优化设计方法建立该平台的有限元模型，并进行了重要零部件及整机 ；的模态分析，主要分析了前8阶固有频率和振型，找出了其中的薄弱环节，并进行结构优化设计，提高 了平台的动态性能。最后通过大量相关实验对该平台性能进行了验证，结果论证了该有限元模型的有效 t ；性和正确性。 关键词：焊接机床；有限元分析；模态分析；动态性能；优化设计 【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 中图分类号：TH16，V2618文献标识码：A 1引言 面向空间复杂拼缝的激光焊接，为了提高焊接质量和效率， 研发了新型的8轴激光焊接实验平台，如图1所示。 该实验平台共有 、l，、Z、C、A和C ，W，个轴，另外可加上1 来稿日期：20101228基金项目：国家自然科学基金资助项目(50875097E051005) 图所示为一组的侧视图)，各组间又通过比例流量阀来实现同步 l【作。这样设计，既降低了机械同步控制系统对制造和安装要求 的较高精度，又可减少机架等的变形对同