电梯平衡补偿链盘绕机器人设计-平衡链拖曳系统设计说明书.docx
电梯平衡补偿链盘绕机器人设计-平衡链拖曳系统设计含16张CAD图
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电梯平衡补偿链盘绕机器人设计-平衡链拖曳系统设计摘要：电梯平衡补偿链盘绕机器人的设计主要为了达到补偿链生产过程中盘绕工作的全自动化以及高精度，而且必须要在预订的轨迹之下，实现有序堆放。本设计采用摩擦轮系、通过补偿链与摩擦轮之间的摩擦力将补偿链其从地面提升并拉入机架，具有良好的实用性。主要内容如下：（1）通过采用双摩擦轮的提送链装置，并将两个摩擦轮布置为使其间的补偿链构成U型的机械结构，可以对其采用基于形状的两级控制方法，通过U型粗调节和L型微调节两级控制的技术，可以严格控制和消除补偿链的实际下落长度与其理论盘绕长度之间的累积误差，该摩擦轮系能够很好的接近实际使用中的情况。（2）根据柔软体摩擦理论，可以求出补偿链和摩擦轮之间能够产生的最大摩擦力的大小，从而可以设计出最合理的摩擦轮系。（3）通过机械系统动力学建模和分析，研发能够保证补偿链的实际下落轨迹与理论下落轨迹相吻合的、摩擦轮和变层系统共机架的机械结构。关键词：电梯；补偿链；盘绕机器人；摩擦轮；拖曳系统：IElevator Balanced Compensation Chain Coiled Robot Design - Balanced Chain Drag System DesignAbstract:The design of the elevator balance compensation chain coiled robot is mainly to achieve the full automation and high precision of the coiling work in the compensation chain production process, and must be stacked in order under the reserved track. This design adopts a friction wheel system, and the friction force between the compensation chain and the friction wheel is used to lift the compensation chain from the ground and pull it into the rack, which has good practicability. The main contents are as follows: （1）By adopting a double friction wheel lift chain device and arranging the two friction wheels to form a U-shaped mechanical structure between the two compensation wheels, it is possible to adopt a two-level control method based on shape, through U-shaped rough adjustment and L The micro-adjustable two-stage control technology can strictly control and eliminate the cumulative error between the actual fall length of the compensation chain and the theoretical coil length, and the friction wheel train can be well approached in actual use. （2）According to the soft body friction theory, the maximum friction force that can be generated between the compensation chain and the friction wheel can be obtained, so that the most reasonable friction wheel system can be designed. （3）Through the mechanical system dynamic modeling and analysis, the mechanical structure of the common frame of the friction wheel and the variable layer system can be developed to ensure that the actual fall trajectory of the compensation chain coincides with the theoretical drop trajectory.Key words: Elevators; Compensating Chains; Coiled Robots; Friction Wheels; Towing Systems:II目 录摘要：IAbstract：.II1.绪论11.1课题研究的背景11.2电梯平衡补偿链简介21.3课题研究目的和意义31.4课题的现状与发展趋势41.5课题设计目标51.6课题欲解决的问题51.7应用价值52.整体设计方案的确定62.1课题设计任务说明书62.2课题整体设计方案72.3设计方案的原理82.4设计方案的特点82.5设计方案的选择依据92.6设计步骤93.方案的选型与计算93.1 摩擦轮电机选型93.1.1电机类型简介及选择93.1.2伺服电机选型计算103.2 摩擦轮减速机选型134.摩擦轮系统实验与设计144.1 摩擦轮系统144.2摩擦轮摩擦力实验144.3摩擦轮系统整体设计195.盘绕机器人摩擦轮系统零部件设计225.1摩擦轮系统总装配图与简介225.2摩擦轮装配-Y向天轮轴承盖板235.3摩擦轮装配-Y向天轮支架245.4摩擦轮装配-Y向天轮摩擦轮255.5摩擦轮装配-Y向天轮中心轴265.6摩擦轮装配-Y向天轮轴环275.7摩擦轮装配-Y向天轮轴承端盖275.8摩擦轮装配-Y向天轮傍轮285.9摩擦轮装配-Y向天轮傍轮小轴296.使用与维护306.1机器的安装306.2机器的调试306.3机器的维护与保养31设计小结32参考文献33致谢341.绪论1.1课题研究的背景电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱装吊舱，用于多层建筑乘人载运货物的运输工具。也正是因为发明了电梯（世界上速度最快且运行距离最长的电梯就是迪拜哈利法塔电梯），摩天大楼得以崛起，现代城市也得以迅速发展。在现代社会和经济活动中，计算机技术、自动控制技术和电力电子技术得到了迅速的发展，不断满足社会经济快速发展和人民生活不断提高的需要，电梯作为一种重要的交通运输工具，已经成为城市物质文明的一种标志【1】。而中国作为世界第二大经济体，世界上人口最多的国家，随着经济的进一步发展，城市化将会进一步提高，作为建筑中的核心代步工具电梯，将会普及到每一个建筑物之中。随着高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期，人们对电梯安全性、高效性、舒适性的不断追求推动了电梯技术的进步【2】首先我们对于电梯系统要有一个基本的认识：电梯分为牵引式电梯与液压电梯，而目前市场上使用最普遍的是牵引式电梯【4】。牵引式电梯广泛应用于工厂、生产线、仓库、商场、购物中心、展览馆等场所。目前国内普遍使用的是牵引式电梯。如图1-1所示，牵引式电梯一般由以下几个基本的组成部件：1牵引钢丝绳、2对重、3补偿链、4轿厢、5随行电缆。1牵引钢丝绳 2对重 3补偿链 4轿厢 5随行电缆图1-1 电梯组成部件示意图第 2 页 共 54 页从图1-1可以看出当电梯处于使用状态时，轿厢侧和钢丝绳（随行电缆）对侧的长度是在一直发生变化的，而这将导致处于牵引轮两侧的钢丝绳重量发生改变。当轿厢位于最低的一个水平的时候，作用在轿厢的侧面的最主要是钢丝绳的重量；而当轿厢位于最高水平时，钢丝绳的大部分重量则会作用在沉重的另一侧。但是当电梯不算很高的时候，这样的微小变化是不会特别影响到电梯的运行的，但是高度如果超过一定限度的时候，电梯运行的平稳性会受到严重的影响，最不好的后果是可能会直接威胁到用户的安全。因此在现代电梯的发展中，重量平衡系统对于维持电梯平稳运行起到非常关键的作用，该平衡系统的主要功能是保证轿厢与对重之间的重量平衡,使电梯的轿厢与对重间的重量差保持在限定范围之内,保证电梯牵引传动的正常。该系统主要由对重和重量补偿装置组成。在这种背景下，诞生了电梯平衡补偿链技术，电梯平衡补偿链用于连接电梯的轿厢与对重，平衡牵引绳及随行电缆的重量【3】，对电梯的平稳运行起重要作用的关键部位。1.2电梯平衡补偿链简介 电梯在运行过程中，轿厢侧和对重侧的钢丝绳的长度在不断变化，从而引起曳引轮两侧钢丝绳重量的变化。当轿厢位于最低层站时，钢丝绳的重量大部分作用于轿厢侧；当轿厢位于最高层站时，钢丝绳的重量大部分作用于对重侧。这种变化在电梯提升高度不大时，对电梯的运行性能影响不大，但提升超过一定高度时，会严重影响电梯运行的稳定性，危及乘客的安全。为此，当电梯的提升高度超过一定高度时，必须要设置具有一定重量的部件来平衡因高度变化带来的重量变化，这就是电梯平衡补偿链。所以电梯平衡补偿链定义为：用于连接电梯的轿厢与对重，平衡牵引绳及随行电缆的重量差【4】，对电梯的运行起平衡作用的部件。所以我们可以给电梯平衡补偿链下这样的定义：电梯平衡补偿链是用来在平衡钢丝绳以及电缆的重量的同时让对重与电梯相连的一种电梯运行时的部件。目前来看，市场上有以下类型的几种补偿链。1.纤维缠绕补偿链。它可用于运行速度为4M/S的电梯，能够适应各种恶劣的环境，如严寒、酷热。目前，在所有类型的补偿链中，它是质量与性能最好的，但是相对而言，价格更加昂贵。2.全塑性补偿链。当电梯的运行速度在3M/S的时候，可以选用全塑性补偿链。它的外观更像是PVC电缆的结构，当电梯运行时，如果安装有这种补偿链，那么运行将非常的平稳，安静。它适用于许多大型电梯。3.封装塑料补偿链。它可用于运行速度为2M/S的电梯。它的外观则是扁平PVC结构，但是不如全塑性补偿链的性能和质量好，不过比下一种补偿链，绳索补偿链要好，在价格上来说，比全塑性补偿链要更低。4.绳索补偿链。一般而言，将绳索中插入麻绳，这是我们制造绳索补偿链的生产工艺。使用这种补偿链的电梯在运行时噪音非常大，人们在乘坐这种电梯时能够感觉到明显的振动感，绳索补偿链虽然价格占优势，很便宜，但它是性能与质量都最差的一种补偿链。目前，几乎没有电梯再采用这种补偿链了，相反而是采用上面提到的性能更好的三种补偿链。如果我们乘坐的电梯所安装的补偿链的质量很好，那么在搭乘时，就会感受到电梯在安全平稳地运行，很安静，很舒适。质量不好的补偿链主要有3个特点：1.在电梯运行的时候，它的轿厢晃动非常沉重，有很大的噪音和振动，大幅降低了乘客乘坐电梯的体验度；2.寿命短暂，没有电梯运行所要求的柔韧性，不能抵抗极端条件，外覆层很容易开裂，而在开裂后，会出现非常严重的振动；3.脆弱不稳定，很容易出现断链事故。 由于补偿链有不同的结构类型，所以补偿链的安装也都不一样。最落后的两种补偿链，也就是绳索补偿链和塑性补偿链，考虑到它们的结构与其他两种比起来相对更简单，所以我们一般将它们运用到高度较低的电梯中。它们的安装方法也较为简单，在轿厢的框架和重量处分别连接平衡补偿链的两端，然后将一种导向装置放在电梯的底部，这个导向装置是由两个PVC轮组成的1.3课题研究目的和意义由电焊锚链和PVC及复合材料通过挤出加工制成的包裹型电梯平衡补偿链，具有弹性好、强度高、寿命长、使电梯运行平稳可靠等优点，市场需求量也很大。由于PVC及复合材料是热塑性材料【5】，每个补偿链经过高温的镀皮之后处于柔软的状态，此时需要进行快速的堆叠以防止冷却之后过硬难以弯曲，而堆叠时使用的机器在运行过程中由于存在圆周运动的部分，会对补偿链施加一定的扭矩，当扭矩达到一定程度，这时就需要进行人工的纠正,堆叠效果达不到预期，耗费人力和时间，增大成本，如图1-2所示。 图1-2 人工堆叠状况图 并且在堆叠的过程中，补偿链堆叠的高度会不断提升，这时如果补偿链在其中任一层的堆叠存在误差，在后续堆叠时将会倒塌。因此，研究一种电梯平衡补偿链冷定型自动盘绕装备【6】，利用高精度高效率提高生产质量，降低生产成本，对于目前的补偿链生产行业是十分需要的。由于从挤出机挤出来的补偿链柔软并且易变形，所以该自动盘绕装备的拖曳方式采用摩擦轮系、通过补偿链与摩擦轮之间的摩擦力将其从地面提升并拉入机架。本课题是研究电梯平衡补偿链冷定型自动盘绕装备中的摩擦轮系统设计【7】，该设计的总体意义在于进一步提高堆叠的精度，使补偿链的堆叠效果趋于理想状态，如图1-3。提升生产车间的自动化水平，降低人力成本，使我国具有自主设计的电梯平衡补偿链盘绕机器人，在国内也是属于首创，成功地填补了我国在该项的空白。（a）第一层链堆的尺寸要求；（b）链堆的第一层；（c）为逐层堆放的几何关系；（d）完整链堆图1-3 理想堆叠状况图其中，（a）为第一层链堆的尺寸要求，内圈半径R250，用于保证冷定型后圆弧段链条的平直性，另两尺寸是匹配所选择的输送板车的尺寸；（b）为理想状态下链堆的第一层；（c）为逐层堆放的几何关系；图（d）为堆放于输送平板车上的完整链堆。1.4课题的现状与发展趋势行业数据表明，2014年上半年我国电梯产量增长超过10%，同时全年的产销量增长速度维持在10%左右，增长速度相比上一年有所平缓。但全年电梯生产总量将突破70万，全国电梯将达到350万台以上。我国已经成为全球最大的电梯生产和消费市场，世界上主要的电梯品牌企业均在我国建立独资或合资企业，是电梯领域的世界工厂和制造中心。全球70%的电梯在中国制造，60%至65%的电梯销售在中国市场。研究发现，现阶段国内的生产厂家都是通过人工拖拽盘绕的方式进行补偿链的堆叠，如图1-2所示，这样的生产方式不仅生产效率低，冷定型后平直性精度不高，而且因为劳动强度大，工作环境差致使很难招到工人。目前国内成熟的电梯平衡缠绕设备相对较少，经过深入的理论分析和对补偿链下落轨迹的仔细观察，在已投入生产运行的电梯平衡链冷定型盘绕设备中，找到了前几代盘绕装备的盘绕精度达不到理想盘绕精度的原因，是由于采用单摩擦轮驱动的提送链装置，没能严格控制和消除补偿链的实际下落长度与理论盘绕长度之间的累积误差，以及不断下落的补偿链在水平躺下时会产生自由扭转，偏离了其下落时的理论轨迹，没有将自由扭转后的补偿链推回到其理论轨迹上的机械机构所造成的。目前国内对于拖曳系统的发展趋势是采用双摩擦轮的提送链装置，并将两个摩擦轮布置为使其间的补偿链构成U型的机械结构，可以对其采用基于形状的两级控制方法，通过U型粗调节和L型微调节两级控制的技术，可以严格控制和消除补偿链的实际下落长度与其理论盘绕长度之间的累积误差。1.5课题设计目标通过柔软体摩擦理论的分析，以及基于形状的控制原理和方法的研究与试验。研制出由两个摩擦轮驱动，将两个摩擦轮布置为使其间的补偿链构成U型的双摩擦轮驱动的提送链装置【8】。通过机械系统动力学建模和分析，研发能够保证补偿链的实际下落轨迹与理论下落轨迹相吻合的、摩擦轮和变层系统共机架的机械结构。1.6课题欲解决的问题由于高层建筑不断增多，市场对电梯的需求量也不断增加，因此与之配套的全塑型平衡补偿链的需求量也同步放大。研究该课题希望研发一种全新的电梯平衡补偿链冷定型自动盘绕装备【6】将从挤出机出来的具有既软又重、受力易变形、定位易扭转等物理特性的全塑性电梯平衡补偿链按指定跑道型轨迹进行堆放，以保证其冷定型后的平直品质；以及研究如何实现操作的高智能化。让电梯平衡补偿链盘绕机器人的功能更趋于完善，解决人工堆叠的繁琐过程。1.7应用价值提高盘绕机器人的精度，使平衡链的堆叠更准确，消除堆叠过程中的人为纠正过程，减少整体的运行成本，提高生产效率，应用更广泛，降低工作人员的操作难度，缩短生产周期，提高企业利润。2.整体设计方案的确定2.1课题设计任务说明书1、设计依据目前，我国电梯平衡链的生产厂家，对从挤出机出来的外裹PVC材料的温热补偿链的堆放，仍然采用人工拖曳的方式，由于平衡链自身重量大以及工作环境差，这个工种的工人很难找到。因此需要设计一套高智能化的盘绕机器人，以配合挤出机的挤出速度，自动有序地将补偿链按照规定要求堆放在平板车上，用以完全取代人工，提高生产效率和产品冷定型后的质量。2、 设计参数 （1）电梯平衡绳的规格和生产参数：平衡链规格挤出产品时速外径每米质量挤出长度总质量极限代号（米/时）(mm)(kg/m)（万米）（吨）最小WFBS6400240.8918.9最大WFBS16100565.950.21.2（2）堆链设备总高5m。（3）堆链轨迹如图所示，其中堆链高H=0.8m、外圈最大直径D2.5m、内圈最小半径R=0.25m（4）平板小车长8m、宽2.5m、高0.4m。 图2-1 平板小车2.2课题整体设计方案电梯平衡补偿链盘绕机器人的机械机型如图2-2所示，共有以下几个部分构成：机架1、用于拖曳补偿链的摩擦轮系统10、牵引补偿链按定轨迹堆放的X向运动系统（5、6）和Y向运动系统（7、8、9）、变层系统11、强制偏离的补偿链复位的机械指系统12、支撑导向系统3以及承托补偿链防其下坠的托辊系统4等部分组成。1-机架，2-补偿链，3-支撑轮，4-托辊，5-X向路轨，6-X向小车，7-Y向横梁，8-Y向路轨，9-Y向小车，10-摩擦轮系统，11-变层系统，12-机械指系统。图2-2 电梯平衡补偿链盘绕机器人机构模型其中，机架1是本机器人承重基础，采用钢管焊接而成；X向的两个小车6上面的伺服电机同步运行，通过齿轮齿条传动，带动Y向横梁7沿X轴方向的导轨5运行，该机构用于实现平衡链的X方向运动；Y横梁上铺设有直线路轨8和齿条13，负载着摩擦轮系统10和Z向变层移动装置11的Y向小车9通过齿轮齿条传动沿路轨8运行，该机构用于实现平衡链的Y方向运动；通过X和Y方向的运行机构，可以使平衡链按如上图轨迹排列。摩擦轮系统10主要起拉送平衡链的作用，其上伺服电机带动摩擦轮转动，平衡链与轮子之间产生的摩擦力将从挤出机出来的堆放在地面上的温热链条拽入本装置；支撑轮3可以在一定角度范围转动，起支撑过渡作用；托辊4与X向小车6固定连接，用于承托远离挤出机时支撑轮3与天轮之间的平衡链，防止其下垂，以减少拉力损耗。Z向变层移动装置11固定在Y向小车上，启动其上伺服电机，通过齿轮齿条传动，可以实现平衡链的Z方向位移，用于保证按层堆放的要求。机械指系统12固定在Z向变层移动装置11的末端齿条上，用于整理前一层由于自身扭力导致偏离了正常轨道的链条，使之复位，以保证当前层正确的轨迹，实现精准堆放。2.3设计方案的原理摩擦轮系统主要起拉送平衡链的作用，其上伺服电机带动摩擦轮转动，通过平衡补偿链与摩擦轮系统的轮子之间产生的摩擦力将从挤出机出来的堆放在地面上的温热链条从地面提升并拉入机架。2.4设计方案的特点本设计采用双摩擦轮的提送链装置【8】，并将两个摩擦轮布置为使其间的补偿链构成U型的机械结构，可以对其采用基于形状的两级控制方法，通过U型粗调节和L型微调节两级控制的技术，可以严格控制和消除补偿链的实际下落长度与其理论盘绕长度之间的累积误差，该摩擦轮系能够很好的接近实际使用中的情况，具有良好的实用性【9】。第 48 页 共 54 页2.5设计方案的选择依据根据柔软体摩擦理论【10】，可以求出补偿链和摩擦轮之间能够产生的最大摩擦力的大小，从而可以设计出最合理的摩擦轮系。2.6设计步骤1.分析摩擦轮的使用情况，确定参数2.构思多种摩擦轮设计方案3.通过多次实验与理论推算，选择最佳设计方案4.绘制零件草图5.绘制装配图6.撰写说明书3.方案的选型与计算 3.1摩擦轮电机选型3.1.1电机类型简介及选择 目前的控制电动机分为步进电机和伺服电机。步进电机是通过脉冲信号进行运动，每收到一个脉冲信号，电机自身的转子则转过一个固定的角度，即“步距角”，所以可以通过控制脉冲的个数来控制电机所驱动运动元件的位置。同时可以改变脉冲的频率来改变速度以及加速度。由于步进电机只负责接收脉冲信号，并无反馈过程，所以步进电机是处于开环状态运行的。伺服电机是通过接收伺服系统发出的电信号，转换成电机的角位移。同时伺服电机内部自带编码器，每次接收电信号并转动一定角度之后，电机内部的编码器都会反馈给驱动器一个信号，驱动器通过反馈的信号与目标值进行比较，来调节电机的转角。由于存在反馈系统，所以伺服电机属于闭环控制。电机种类的确定需要考虑很多，如转矩、转量、垂直还是水平负载、精度、加减速等等。一般来说，在控制方式上，步进电机是通过控制转动的角度控制脉冲数。而伺服电机与步进电机不一样，它改变转角的办法是是通过改变脉冲时间的长短做到的。它们在运行的正常流程和正常工作所需设备上的要求也是不同的。步进电机的运行一般只要求信号及方向脉冲两作为其工作要求。而对于伺服电机，必须先用电源衔接开关，再对伺服电机进行衔接。在低频属性方面，两者也有不一致的地方。当步进电机处于一种低的速度属性时，会十分容易呈现出低频下的振动镜像，这种现象一般被认为是与驱动器的性能脱不了关系的。这时需要利用阻尼技术避免这种现象的发生。而相较于步进电机，伺服电机则不会有这样的现象，即使是在很低的速度的时候。在矩频属性上，两者也有很大的不同。当转速不断地持续增加时，步进电机的输入力矩反而减少，尤其是当转动速度很高的时候，输出力矩将大大减少；但是伺服电机是不一样的，它的输入力矩是保持不变的。在过载能力上，步进电机一般没有过载的能力，而伺服电机的过载能力很强。其影响便是，往往选择好了步进电机之后，会出现浪费力矩的现象。与步进电机相比，伺服电机有以下的优点：1.步进电机为开环控制，启动频率过高会丢步，负载过大又会堵转，高转速急停时会过冲。而伺服电机通过闭环控制则可以避免。2.低速运行时步进电机易发生低频震动现象，而伺服电机的运行则十分平稳。3.步进电机的输出力矩会随着转速升高下降，伺服电机属于恒力矩运行。4.伺服电机具备过载能力而步进电机则不具备。5.伺服电机的启动通常只需几毫秒，步进电机则需要上百毫秒。 综上所述，根据该课题设计方案的要求，我们优先选择伺服电机。预选三菱HG-SR352J型号的伺服电机。3.1.2伺服电机选型计算从设计任务书给出的要求可知，本设计可以采用多种平衡补偿链的规格。其中最小规格的补偿链代号为WFBS6，其外径为24mm，每米质量为0.89kg/m，总质量9.9吨，挤出机挤出该产品的速度为400m/h，挤出长度为1万米。最大规格的补偿链代号为WFBS16，其外径为56mm，每米质量为5.95kg/m，总质量为1.2吨，挤出机挤出产品速度为100m/h，挤出长度为2000米。同时各部件的重量如表3-1所示：表3-1序号名称数量单重总重gkgZ向系统合计：286.8117668X向系统合计：444.9832578Y向行走系统合计：985.4211957天轮系统摩擦轮前导向轮支架A(进链处导链环左支架)11697.30461697.30461.6973046前摩擦轮轴肩（摩擦轮联轴器）2661.9871323.9741.323974前摩擦轮中心轴（摩擦轮轴） 27306.217314612.434614.6124346前摩擦轮的轴承端盖（摩擦轮轴承端盖）2421.423842.8460.842846傍轮轴22185.22664370.45324.3704532前摩擦轮支架上的轴承6013（摩擦轮与机架间轴承）4633.572534.282.53428链条导向轮（导链环滚筒）34499.747113499.241313.4992413电机减速器电机减速器合计：884.1824501通过功率计算公式：P=Fv 式中：P功率，单位W， F拉力，单位N， v速度，单位m/s。P=Fv=0.89kg/m40m10N/kg400m/h1/3600h/s32=3366W因为额定功率P额P，所以取P额=3.5kw。图3-1 HG-SR354J伺服电机参数由之前的方案选择初选三菱品牌的交流伺服电机，进一步根据运行情况选择惯性与容量都适中的HG-SR系列，又根据之前所求的额定功率3.5kW，我决定选择型号为HG-SR354J的伺服电机，图3-1为该伺服电机的具体参数。图3-2 HG-SR354J伺服电机实物图3.2 摩擦轮减速机选型减速机是通过齿轮，蜗轮或两者连接在一起的封闭壳体中的齿轮，并通过改变啮合齿轮，小齿轮和输入轴上的齿轮输出之间的齿轮比来改变齿轮比减速器的操作，轴上的齿轮啮合以降低速度。它通常用于电机和工件之间以匹配速度和传输扭矩。减速机按照传动方式可分为齿轮减速机和蜗杆减速机。蜗杆减速机体积大，传动精度不高，效率低；齿轮减速机寿命长，传动精度高，传动功率高，性能优越。因此首先选择通过齿轮传动的齿轮减速机。齿轮减速机又分为立式，卧式，圆柱齿轮减速机，行星齿轮减速机，锥齿轮减速机，斜齿轮减速机等，其中行星齿轮减速机具有精度高，质量小，传动比范围大，运行平稳，噪音低等优点，适合在高精度的场合工作，因此首选行星齿轮减速机。综合考虑，因PLF系列精密行星齿轮减速机可以直接安装到伺服电机上，所以采用PLF系列减速机，该系列减速机同时还具有体积小，高精度，高效率，多段减速比等优点，符合使用条件。为使齿轮转速不过快，使补偿链平稳堆叠，采用3级减速机，有效降低输出转速，同时选择3级减速机里80的传动比，大的传动比可以在功率不变的情况下， 根据公式P=T式中：T转矩，单位Nm 转速，单位rad/s可知，转速降低的同时，会提高输出轴的转矩，即齿轮的转矩，使齿轮在低速状态下有足够的力去带动补偿链运动。因此减速机的选型为PLF115-32减速机。实物图如图3-2所示图3-3 PLF115-32减速机实物图4.摩擦轮系统实验与设计4.1摩擦轮系统经过初步分析摩擦轮系统的使用情况，找到了前几代盘绕装备的盘绕精度达不到理想盘绕精度的原因，是由于采用单摩擦轮驱动的提送链装置，没能严格控制和消除补偿链的实际下落长度与理论盘绕长度之间的累积误差，以及不断下落的补偿链在水平躺下时会产生自由扭转，偏离了其下落时的理论轨迹，没有将自由扭转后的补偿链推回到其理论轨迹上的机械机构所造成的。因此本设计采用双摩擦轮的提送链装置，并将两个摩擦轮布置为使其间的补偿链构成U型的机械结构（如图4-1所示），可以对其采用基于形状的两级控制方法，通过U型粗调节和L型微调节两级控制的技术，可以严格控制和消除补偿链的实际下落长度与其理论盘绕长度之间的累积误差。2-补偿链，10-1-傍轮，10-2-先摩擦轮，10-3-驱动装置，10-4-摩擦轮连接板，10-5-后摩擦轮图4-1 摩擦轮系统模型4.2摩擦轮摩擦力实验通过柔软体摩擦理论的计算和弹性滑动量的测试试验，寻找出了与补偿链之间具有较大摩擦系，以及疲劳寿命较长的摩擦驱动轮衬垫，为能够按照底层长度至少8米，外宽至少2.5米的超大范围跑道型轨迹，盘绕11种规格品种的全塑型补偿链提供了基本保障。摩擦轮与补偿链之间能够产生的最大摩擦力，必须大于摩擦轮紧边张力与松边的张力差，才能使盘绕装备具有足够牵引补偿链的力量，以满足盘绕的基本需要。摩擦轮紧边张力与松边的张力差，主要取决于与盘绕轨迹的尺寸和补偿链的单位长度的质量，以及摩擦轮位置高度与补偿链盘绕高度的高差。盘绕轨迹的尺寸和补偿链的单位长度的质量大，摩擦轮紧边张力大，摩擦轮位置高度与补偿链盘绕高度的高差小，摩擦轮紧边张力小，相应摩擦轮紧边张力与松边的张力差就大，要求摩擦轮与补偿链之间能够产生的最大摩擦力就大。根据柔软体摩擦理论，补偿链和摩擦轮之间能够产生的最大摩擦力的大小为：（1）式中，Fmax补偿链和摩擦轮之间能够产生的最大摩擦力。F1max紧边最大张力。F2松边张力。e自然对数的底。fv补偿链和摩擦轮之间的当量摩擦系数。补偿链在摩擦轮上的围包角（弧度）。由式（1）可知，提高摩擦轮与补偿链之间能够产生的最大摩擦力F有三个途径：增大补偿链在摩擦轮上的包角；增大摩擦轮松边张力F2；增大补偿链和摩擦轮之间的当量摩擦系数fv。理论上采用螺旋摩擦轮，增大补偿链在摩擦轮上的包角，是提高摩擦轮与补偿链之间能够产生的最大摩擦力的最有效和最方便的途径。于是我们开始设计了包角为2的螺旋摩擦轮，对其进行盘绕试验，试验发现，补偿链在进入和离开摩擦轮的螺旋槽时，有沿摩擦轮轴线移动的现象产生，影响补偿链按理论盘绕轨迹在摩擦轮上下落，故采用螺旋摩擦轮的方案不可取，只能采用在加傍论的方法适当增大包角。松边张力为补偿链与摩擦轮相切的切点到补偿链下落到盘绕轨迹上的下落点之间的补偿链总悬挂长度的自重，该段长度长F2大，有利于摩擦力的提高，但该段长度受研发目标至少0.8米的盘绕高度，以及车间行车允许盘绕装备总高不能大于5米的限制。只能采用盘绕装备和摩擦轮尽量高的办法，适当增大补偿链在摩擦轮上的悬挂长度，以适当增大松边张力F2。因此，选用什么材料做摩擦轮的衬垫，可以增大补偿链和摩擦轮之间的摩擦系数，同时还具有重量轻、耐磨、寿命长等特点？以及什么样的摩擦轮槽结构可以适合11种规格品种补偿链？是本研发项目的最基本的关键技术。由于补偿链的PVC等复合材料与其他材料之间的摩擦系数值缺乏直接可查的资料，同时由于受实验设备的限制，基于相同紧边和松边张力，补偿链与摩擦轮衬垫材料的摩擦系数大小，与补偿链在摩擦轮上产生的弹性滑动量的大小的相关性，采取了通过对不同摩擦轮衬垫材料，测定补偿链在摩擦轮上弹性滑动量的试验，寻找最佳衬垫材料，发现用高耐磨橡胶材料做摩擦轮衬垫，以及60度轮槽角、槽高85mm、槽底31mm、槽的底面和侧面都包高耐磨橡胶的摩擦轮槽结构，使补偿链和摩擦轮之间产生的摩擦力，完全可以满足本项目按照底层长度至少8米，底层外宽至少2.5米，盘绕高度至少0.8米的超大范围盘绕轨迹盘绕11种规格品种补偿链的研发目标。高耐磨橡胶衬垫还具有重量轻、耐磨、寿命长等优点，是本项目的理想摩擦轮衬垫材料。如下表4-1，表4-2和表4-3所示，分别为在本项目的研究中，测定补偿链在摩擦轮上的弹性滑动量的方案、步骤及记录表，部分实验数据表和部分数据分析表。表4-1 摩擦力实验方案、步骤和记录表 表4-2 摩擦力实验部分数据表表4-3 摩擦力实验部分数据分析表4.3摩擦轮系统整体设计 通过机械系统动力学建模和分析，解决了第一代研制的盘绕装备存在盘绕圆弧段时，摩擦轮停止和启动时所产生的惯性，引起补偿链在圆弧落段的下落轨迹偏离其理论轨迹的问题。通过机械系统动力学建模和分析，研发了能够保证补偿链的下落轨迹与理论下落轨迹相重合的、摩擦轮和导链环共机架、一起按跑道型轨迹运动的机械结构。克服了第一代盘绕装备摩擦轮和导链环的机架分开，摩擦轮运动轨迹为直线，导链环运动轨迹为跑道型轨迹，盘绕直线段时，同时控制摩擦轮和导链环，使它们同步运动，盘绕圆弧段时，摩擦轮不动，导链环按理论圆弧盘绕轨迹运动，存在盘绕圆弧段时，由于摩擦轮的停止和启动所产生的惯性，引起补偿链抖动而使圆弧落段补偿链的下落轨迹偏离其理论轨迹的问题。通过柔软体摩擦理论的分析，以及基于形状的控制原理和方法的研究与试验。研制出了由两个摩擦轮驱动，将两个摩擦轮布置为使其间的补偿链构成U型的双摩擦轮驱动的提送链装置。解决了第一代和第二代研制盘绕装备中采用单个摩擦轮驱动的提送链装置，存在补偿链实际下落长度与理论下落长度之间的误差难于控制和消除的问题。由柔软体摩擦摩擦理论可知，依靠摩擦轮和补偿链之间的摩擦力牵引和输送补偿链，在摩擦轮和补偿链之间不可避免地存在弹性滑动，由于弹性滑动的存在，使得补偿链的下落长度与理论盘绕长度之间必定存在误差。对于单摩擦轮牵引的输送补偿链的机械结构，不利于控制和消除补偿链下落到轨迹上的长度与其理论盘绕长度之间的累积误差。采用双摩擦轮，并将两个摩擦轮布置为使其间的补偿链构成U型的机械结构，可以对其采用基于形状的两级控制方法，通过U型粗调节和L型微调节两级控制的技术，可以较方便地控制和消除偿链的下落长度与其理论盘绕长度之间的累积误差。如图4-2所示为批量生产的双摩擦轮驱动的补偿链装置的装配图（考虑第三代盘绕装备设计的两个摩擦轮为上下布置，看起来不够美观，并增大了盘绕装备的高度）。在批量生产时改为两个摩擦轮前后水平布置，并且在两个摩擦轮下方都布置傍轮，取消了如图4-3所示的在第三代盘绕装备设计的压轮，这样的改良设计不但提升了美观度，增加了可观赏性，更加符合的客户的需要和追求，对于拓展市场起到了一定的帮助：同样有利于增加结构的可靠性，摩擦牵引力也会大大提高。图4-2 双摩擦轮驱动的提送链装置装配图图4-2中，来自挤出机的补偿链（双点划线）经过先摩擦轮下面的傍轮，绕到先摩擦轮上，再经过后摩擦轮下面的傍轮，绕到后摩擦轮后不断下落到平板车上，随着摩擦轮以盘绕轨迹的跑道形轨迹运动，将不断下落的补偿链盘绕成跑道形状。提送链装置采用双摩擦轮驱动相比于单摩擦轮驱动的结构，具有补偿链下落长度与理论盘绕长度误差小的优点。因为盘绕过程中，提送链装置向远离挤出机方向运动时，需要牵引来自挤出机的补偿链，而向靠近挤出机方向运动时，不需要牵引补偿链，使得提送链装置在远离和靠近挤出机方向运动时，先摩擦轮上的紧边张力不同，先摩擦轮与补偿链之间所产生的弹性滑动量不同，提送链装置在远离挤出机方向运动时，先擦轮上的紧边张力和先摩擦轮与补偿链之间所产生的弹性滑动量，大于提送链装置靠近挤出机方向时的紧边张力和弹性滑动量。导致从先擦轮上下落的补偿链的长度变化量较大，与理论盘绕长度之间的误差变化量较大。如果采用单摩擦轮驱动的提送链装置，从先擦轮上下落的补偿链是直接下落到平板小车上的，给消除补偿链下落长度与理论盘绕长度之间误差的控制带来不便。而采用双摩擦轮驱动的提送链装置，从先擦轮上下落的补偿链不是直接下落到平板小车上的，而是先构成U形后，再绕到后摩擦轮上，补偿链是从后摩擦轮上不断下落到平板车上的，控制先后摩擦轮之间补偿链的U形高度在较小范围内变化比较方便，使得提送链装置无论是向远离或是向靠近挤出机方向运动，后摩擦轮上的紧边张力变化很小，从而使补偿链与后摩擦轮产生的弹性滑动量变化很小，因此，可以较方便地消除补偿链的下落长度与理论盘绕长度之间误差，满足本研发项目补偿链下落长度完全等于理论盘绕长度的需要。如图4-3所示双摩擦轮驱动所采用的消除补偿链下落长度与理论盘绕长度之间误差的基于形状的控制原理图,其中图4-3(a) 对应于第三代盘绕装备两摩擦轮上下布置的机械结构,图4-3(b) 对应于批量生产的两个摩擦轮前后水平布置的机械结构。即采用第一级“U”型控制，对补偿链输送状态进行粗调节控制，第二级“L”型控制，对补偿链输送状态进行微调节控制的原理图。1补偿链，2傍轮， 3先摩擦轮， 4后摩擦轮， 5 导链环，6上限光电开关，7下限光电开关,8平板车， 9后限位开关，10前限位开关，11压轮 （a）对应于第三代盘绕装备的机械结构（b）对应于批量生产盘的绕装备机械结构图4-3 基于形状的控制原理图在图4-3中，先摩擦轮将补偿链经过其下面的傍轮，牵引进入盘绕装备，再由后摩擦轮将补偿链连续下放到平板车上。在先摩擦轮和后摩擦轮之间的补偿链，由于自重形成“U”型形状，在“U”型处上方和下方分别安装上限光电开关和下限光电开关。在下面的导链环和板车上刚盘绕好的补偿链之间成形“L”型形状，在“L”型处前方和后方分别安装前限位电开关和后限位电开关。根据上限光电开关和下限光电开关的通断状态控制先摩擦轮转速的变化，使得补偿链的“U”型形状始终维持在上限光电开关和下限光电开关之间。当“U”型处的补偿链碰到上限光电开关时，先摩擦轮旋转加速，使“U”型形状的最底点下降，当U”型处的补偿链碰到下限光电开关时，先摩擦轮旋转减速，使“U”型形状的最底点上升，从而可使先摩擦轮和后摩擦轮之间的补偿链的“U”型形状始终维持在上限光电开关和下限光电开关之间，使得后摩擦轮两侧补偿链的重量在较小范围内波动，保证了补偿链与后摩擦轮之间所产生的弹性滑动量基本不变。再通过前限位电开关和后限位电开关的通断状态控制后摩擦轮转速的变化，使得补偿链的L”型形状维持在前限光电开关和后限光电开关之间。当“L”型处的补偿链碰到前限光电开关时，后摩擦轮旋转减速，使补偿链下落到平板车上的速度减慢，“L”型形状便逐渐后移。当L”型处的补偿链碰到后限光电开关时，后摩擦轮旋转加速，使补偿链下落到平板车上的速度减加快，使 “L”型形状便逐渐前移。从而可使得补偿链的L”型形状维持在前限光电开关和后限光电开关之间，保证了补偿链在平板车上下落点的速度等于挤出机的挤出速度不变。5.盘绕机器人摩擦轮系统零部件设计5.1摩擦轮系统总装配图与简介摩擦轮系统是由先摩擦轮、后摩擦轮、傍轮、驱动装置、摩擦轮连接板以及平衡补偿链组成（如图4-1所示），通过补偿链与摩擦轮系统的轮子之间产生的摩擦力将从挤出机挤出来的随意堆放在地面上的链条从地面提升并拉入机架。最终达到将全塑性电梯平衡补偿链按指定跑道型轨迹进行堆放的目的，既保证其冷定型后的平直品质，也提高了工作效率，降低了生产成本。摩擦轮系统装置总装配图如图5-1所示：图5-1摩擦轮系统装配图 摩擦轮系统装配图如图5-2所示：图5-2摩擦轮系统三维装配图5.2摩擦轮装配-Y向天轮轴承盖板 图5-3 Y向天轮轴承盖板（外）轴承盖板材料为45钢，表面发黑处理，在112的圆周上均布6个5.5的通孔，通过螺栓连接安装在天轮支架上。为方便拧紧螺母，并使螺母与边缘留有一定距离，使轴承盖板大端直径为125。主要起到阻止灰尘等异物侵入轴承以及一定程度上防止滚动体等易损件受外力作用而损坏。该摩擦轮系统Y向天轮用到两种轴承盖板，外围尺寸大小相同，根据用处对它们进行不同的设计。如图5-3是Y向天轮外轴承盖板，并且详细介绍其尺寸与用处，下面介绍另一种轴承盖板：图5-4 Y向天轮轴承盖板5.3摩擦轮装配-Y向天轮支架图5-5 Y向天轮支架（近电机侧）图5-6 Y向天轮支架（远电机侧）Y向天轮支架的材料为45调质钢，表面发黑处理，焊后退火，消除应力，去毛刺倒角。在支架下端均布4个10.5的销孔，孔之间的中心距都为30cm，销孔上边是在120均布有12M5螺纹孔，拧入12个M5的调节螺钉，通过支架与轴承盖板的结合，起到固定摩擦轮的作用。在图5-5近电机侧Y向天轮支架上，还有2个10的销孔和4M12螺纹孔，同样起到了连接与固定Y向小车的作用。5.4摩擦轮装配-Y向天轮摩擦轮图5-7 Y向天轮摩擦轮摩擦轮的材料为45钢，分为前后摩擦轮，设计是一样的，是摩擦轮系统中最重要的一环，通过补偿链与摩擦轮之间所产生的摩擦力起到了将从挤出机出来的堆放在地上的链条从地面提升并拉入机架的作用。5.5摩擦轮装配-Y向天轮中心轴图5-8 Y向天轮前摩擦轮中心轴图5-9 Y向天轮后摩擦轮中心轴Y向天轮前摩擦轮中心轴如图5-8所示，采用阶梯轴设计，材料为45钢。中心轴两端40轴段安装6308型号深沟球轴承，并通过轴承与滚轴承端盖相配合。35轴段安装6307型号深沟球轴承，并通过轴承与滚轮轴套相配合。中间部分40轴段安装6008型号深沟球轴承，并通过轴承与滚轮轴套相配合。Y向天轮后摩擦轮中心轴如图5-9所示，材料为45钢。两端40轴段安装6308型号深沟球轴承，并通过轴承与滚轴承端盖相配合。轴的整体长度应略小于天轮宽度，以便于轴的安装。该摩擦轮的轴主要起到支撑转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的作用，很好的支持了整个摩擦轮系统的运作。5.6摩擦轮装配-Y向天轮轴环图5-10 Y向天轮轴环轴环如图所示，材料为45调质钢，表面发黑处理，焊后退火，消除应力，去毛刺倒角。主要起到使轴上零件获得轴向定位的作用。5.7摩擦轮装配-Y向天轮轴承端盖图5-11 Y向天轮轴承端盖轴承端盖材料为45钢，表面发黑处理，轴承端盖中心孔为16，通过6308号深沟球轴承与中心轴相配合。主要起到轴承外圈的轴向定位的作用，同样也具有防尘和密封的效果。5.8摩擦轮装配-Y向天轮傍轮图5-12 Y向天轮傍轮装配图图5-12为傍轮的装配图，Y向傍轮由傍轮、小轴、端盖和支架组成，它们的材料与之前的相关零部件相同，作用也相似。整个傍轮系统很好的起到了辅助Y向天轮的作用，利用傍轮增大包角的方法，可以提高摩擦轮与补偿链之间能够产生的最大摩擦力F，从而提高整套盘绕装备的实用性，为缩短生产周期，提高利润打下了很好的基础。图5-13 Y向天轮傍轮三维图图5-13为傍轮装配图的三维图，也可以看出是图5-2总体装配图的下半部分，这是通过柔软体摩擦理论的分析，以及基于形状的控制原理和方法的研究与试验。研制出了由两个摩擦轮驱动，将两个摩擦轮布置为使其间的补偿链构成U型的双摩擦轮驱动的提送链装置。傍轮能够产生更大的摩擦力，使整个装置得到更好的运作。5.9摩擦轮装配-Y向天轮傍轮小轴图5-14 Y向天轮傍轮小轴Y向天轮傍轮小轴如图5-14所示，采用阶梯轴设计，材料为45调质钢，30轴段安装6306型号深沟球轴承，并通过轴承与滚轮轴套相配合。傍轮的小轴主要起到支撑转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的作用，很好的支持了Y向天轮摩擦轮系统的运作。6.使用与维护6.1机器的安装机器的安装应尽量水平。由于机器转轴为立式安装形式，故机器的校平状况如何直接影响轴承寿命，甚至砂的再生效果以及造成挡圈的局部磨损。可使用水平尺放在壳体的上法兰部位来检查，并通过在机架支腿与基础之间加垫塞铁来调整。校平工作须反复进行多次多方位测量与调整后方能确定最佳点，然后拧紧地脚螺栓或将机架脚板与预埋件焊牢。本设备应固定在混凝土基础上。混凝土浇灌时须捣固密实，以保证承受机器的负荷。紧固机器可采用地脚螺栓或预埋板焊接两种形式。采用地脚螺栓紧固时，通常先在浇灌混凝土基础时做好预留孔，待混凝土完全硬化后将机器就位并对已放入地脚螺栓的预留孔进行二次灌浆。将壳体上的吸口用管道接入车间的除尘系统。安装与有关设备联通的进、排料非标钢结构部件。打于机壳上的检修门，检查机器内部的紧固件是否因运输、吊装等原因引起松动甚至脱落，并及时拧紧。清除安装时遗留在机器内部的各种杂物。6.2机器的调试机器安装工作确定无误后方能接通电源启动运转。首先点动电器，并观察电机旋转方向，正确的旋转方向应该是从上向下看为逆时针旋转。机器工作时，应首先调整机器的进料量，使之与机器的生产能力相匹配。观察再生盘工作情况以及砂料抛向挡圈的情况。挡圈的位置可上、下作调整，不同的工作高度对砂料的反弹量和排出量有一定的影响。挡圈位置 调高时，砂料反弹量相对减少，排出量相对增加，反之亦然。调整挡圈的高、低位置须根据实际生产状况对再生机生产能力满足生产要求的前提下尽量降低挡圈工作位置，以便由再生盘抛甩出的砂料尽可能多的反弹返回再生盘而增加相互磨擦的时间，从而提高再生砂的品质。调试结束后，将机壳上的检修门装好。6.3机器的维护与保养机器的操作很简单，接通电源便能工作，由于本机通常是与其它设备组成生产流水线，因此正常工作时由电气联锁控制其启动或停机。鉴于本机结构上的特点，本机应空载启动，然后加料；停机前应首先停止供料，再生机则延时工作一段时间后再切断电源。做好日常维护保养工作对确保机器正常运转，减少故障率，延长零部件使用寿命均有积极意义。其主要内容包括：1、 应定期向各单元的轴承中注入润滑脂。2、 经常检查再生回转轴承工作情况。打开壳体观察孔门，采用细长铁棒等到物测听轴承部位运转噪音情况；采用点测温度计测量轴承部位温度情况。轴承通常使用寿命为5000小时以上。当温度过高时，检查是否与润滑因素有关，否则应考虑更换轴承。3、 经常检查三角皮带松紧，皮带过松会影响再生回转系统转速，从而使旧砂再生脱膜率下降。4、 经常检查电机工作情况，定期对电机轴承清洗换油
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