一種氣動雙向敲擊機構(gòu)的設(shè)計與AMESim仿真試驗

王家興，李 娟，高海濤，楊 漫

(南京工程學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 211167)

0 引 言

鋼絲繩、鋼絞線等鋼線應(yīng)用非常廣泛，常作為架空輸電地線，阻攔索，結(jié)構(gòu)索等用于橋梁、建筑、水利、能源及巖土工程等場合[1]。鋼絞線一般是繞制成盤卷狀進行運輸和存儲的，因而在生產(chǎn)時需要利用繞線機進行盤繞成卷打包，然而由于繞線機在繞卷時相鄰鋼絞線纏繞方向相反，鋼絞線力學(xué)性能動態(tài)變化，再加上繞線機構(gòu)控制精度等原因，鋼絞線繞卷時會出現(xiàn)繞線排列不緊密進而鼓包等現(xiàn)象，從而造成鋼絞線線卷質(zhì)量問題。目前在生產(chǎn)中改善鋼絞線質(zhì)量問題的主要方式為人工方式，通過人觀察缺陷出現(xiàn)，再用工具敲擊修正繞線的不平整現(xiàn)象，該方式效率較低、且勞動強度大，因此，有必要設(shè)計一種能夠模擬人工敲擊方式的雙向敲擊機構(gòu)，通過敲擊將鋼絞線復(fù)位到密排位置，提高鋼絞線質(zhì)量。

1 敲擊機構(gòu)機械方案設(shè)計

1.1 敲擊機構(gòu)方案對比與選擇

鋼絞線盤卷時，是通過工字輪旋轉(zhuǎn)，排線機構(gòu)帶動鋼絞線左右移動，一層層纏繞在工字輪上，最后打包成卷。鋼絞線纏繞過程中，排列不緊密的現(xiàn)象主要發(fā)生在工字輪背面，因此，所設(shè)計的鋼絞線敲擊裝置應(yīng)該位于繞線工字輪背面，并隨著鋼絞線的移動而不斷地敲擊鋼絞線進行復(fù)位。[2]

根據(jù)這一需求，需要設(shè)計一個二維滑臺，在二維滑臺上布置一個敲擊機構(gòu)，敲擊機構(gòu)在二維滑臺的帶動下跟隨鋼絞線移動并進行敲擊。經(jīng)過思考，初步設(shè)計兩種雙向敲擊機構(gòu)方案。

圖1 方案1機構(gòu)圖 圖2 方案2機構(gòu)圖

方案1：曲柄搖桿機構(gòu)+柔性擺桿

機構(gòu)原理如圖1所示由服電機帶動偏心曲柄滑塊機構(gòu)，滑塊帶動擺桿左右擺動，由擺桿產(chǎn)生雙向敲擊運動，實現(xiàn)對鋼絞線的敲擊。[3]由于電機帶動的偏心曲柄滑塊機構(gòu)是一個剛性機構(gòu)，其左右敲擊行程固定，當(dāng)擺桿敲擊到鋼絞線時，機構(gòu)運動被阻礙，無法繼續(xù)，會引起電機堵轉(zhuǎn)，因此需將擺桿設(shè)計為柔性，以便越過敲擊堵點，完成敲擊動作。

方案2：雙作用氣缸+剛性擺桿

如圖2所示，采用一個雙作用往復(fù)氣缸驅(qū)動一剛性擺桿左右擺動，由于氣體具有沖擊力和可壓縮的特點，因此驅(qū)動的擺桿具有一定的沖擊力，能夠產(chǎn)生敲擊作用[4]。為了實現(xiàn)雙向敲擊，氣缸應(yīng)該選用雙作用氣缸。

對比上述兩種方案，方案1采用電機驅(qū)動，偏心曲柄滑塊帶動擺桿產(chǎn)生敲擊動作，機構(gòu)略復(fù)雜，但采用電機作為驅(qū)動，伺服系統(tǒng)簡單，方案1另外一個缺點是需要采用柔性桿，這對后面的敲擊控制，如確定敲擊時刻和檢測敲擊力帶來了難度。方案2結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，但由于采用氣缸驅(qū)動，需配置氣動回路和氣源，伺服系統(tǒng)復(fù)雜，且雙作用氣缸伸縮作用力不同，使得擺桿左右敲擊力不同，需要改進控制回路。

綜合比較兩種方案，盡管方案2驅(qū)動系統(tǒng)復(fù)雜，但考慮到工廠現(xiàn)場布置有氣源，不需要另外布置氣源，且結(jié)構(gòu)簡單，易于控制實現(xiàn)，故選用方案2作為最終方案。

1.2 氣缸驅(qū)動敲擊機構(gòu)主要部件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計初始參數(shù)：擺桿的擺動幅度為左右15 mm，敲擊力為500 N，考慮到結(jié)構(gòu)緊湊及與二維滑臺尺寸的配合，初步確定擺桿長度700 mm，氣缸距擺桿中心距離300 mm，氣缸采用前端耳軸方式安裝。

1.3 雙作用氣缸的選型

按敲擊力F0=500 N，選型氣缸，初步選用亞德客公司的氣缸，氣缸布置在擺桿的中間(如圖2)，估算氣缸輸出桿負(fù)載F=2F0=1 000 N,氣缸工作壓力按P=0.6 MPa，工作效率η=0.5。氣缸行程由擺桿擺動幅度15 mm可得l=30 mm。

根據(jù)以上參數(shù)，計算氣缸缸徑：

按標(biāo)準(zhǔn)型號，初選氣缸型號為：SE80X50S，氣缸內(nèi)徑為80 mm，活塞桿外徑為25 mm，行程為50 mm，壓側(cè)理論輸出力為3 015.6 N，拉側(cè)理論輸出力為2 721.6 N。

1.4 敲擊機構(gòu)三維建模

在確定主要部件后，采用SolidWorks建模，建立的雙向敲擊機構(gòu)三維模型如圖3所示。

套筒結(jié)構(gòu)固定在墊板之上，套筒外壁固定有一剛性桿，剛性桿中部通過魚眼鉤與固定在墊板上的氣缸連接，氣缸伸縮，推動剛性桿以套筒軸心為軸左右擺動，同時帶動固定在剛性桿前端的錘體錘套結(jié)構(gòu)敲擊鋼絞線。

圖3 敲擊機構(gòu)虛擬樣機

2 氣動控制回路設(shè)計

為了實現(xiàn)雙作用氣缸的驅(qū)動控制，設(shè)計了如圖4所示的雙作用氣缸氣動回路[5]。氣動回路主要由三聯(lián)件，直通減壓閥，換向閥，快排閥，氣缸等元件組成。由于雙作用氣缸活塞的作用面積不同，拉力和壓力不等，從而使得擺桿左右方向的敲擊力不同，為了保證氣缸壓力和拉力相等，設(shè)計了雙氣壓驅(qū)動回路，通過減壓閥引出兩路不同氣壓的氣動回路驅(qū)動雙作用氣缸的兩個腔體，保證輸出力相等，以二位三通換向閥實現(xiàn)不同氣壓氣路的切換。氣路通過快排閥實現(xiàn)氣缸高速運動。

圖4 雙作用氣缸氣動控制回路

根據(jù)選用的雙作用氣缸缸徑確定雙氣路的壓力值：

考慮到換向閥、快排閥等壓力損失，最終確定控制回路中的減壓閥的設(shè)定壓力為：P壓≈0.28 MPa，P拉≈0.30 MPa。

3 機構(gòu)的AMESim建模與仿真

3.1 AMESim仿真模型建立

為了確定雙向敲擊機構(gòu)的效果，使用AMESim對敲擊機構(gòu)進行仿真，敲擊裝置在AMESim中的建模如圖5所示，在該系統(tǒng)中主要采用氣源，減壓閥，換向閥，節(jié)流閥，位移傳感器，過濾器，油缸，PID等模塊組成，通過仿真運動曲線驗證機構(gòu)的可行性。

模型建立之后，添加相應(yīng)的元件參數(shù)，元件參數(shù)以實際閥體參數(shù)為依據(jù)，保證仿真過程盡量接近真實狀態(tài)，部分基本參數(shù)如表1所列。

表1 仿真模型部分基本參數(shù)

圖5 敲擊結(jié)構(gòu)仿真模型

3.2 仿真結(jié)果與分析

如圖6擺桿機械模型所示，將擺桿固定，擺桿以固定點為圓心左右擺動。用PID模塊實現(xiàn)擺桿正弦運動，利用換向閥來控制活塞運動，當(dāng)信號為0時，換向閥斷電，活塞桿伸出；當(dāng)信號達到40 mA時，換向閥通電，活塞桿收回。通過設(shè)置兩個減壓閥的壓力差實現(xiàn)不同氣壓氣路的切換。擺桿位移、加速度、力的曲線如圖7～9所示。

圖6 擺桿機械模型

圖7 擺桿位移曲線

圖8 擺桿加速度曲線

圖9 擺桿受力曲線

由AMESim軟件獲取的運動曲線圖形可以獲得以下信息：在一個周期內(nèi)，當(dāng)時間達到2.5 s時，擺桿位于極限位置，擺桿以最大的沖擊力，敲擊鋼絞線，能夠滿足繞線的基本要求。此后加速度趨于穩(wěn)定，擺桿運動平穩(wěn)。正弦運動換向時，加速度發(fā)生改變，導(dǎo)致力產(chǎn)生突變。

4 結(jié) 語

在設(shè)計了雙向敲擊機構(gòu)系統(tǒng)機構(gòu)，分析其工作原理之后，利用AMESim軟件建立了雙向敲擊機構(gòu)系統(tǒng)仿真模型，確定氣缸元件工作參數(shù)，從運動曲線的仿真可知沖擊力最大時，擺桿撞擊到鋼絞線，保證了繞制的規(guī)范性，因此該機構(gòu)滿足敲擊的工作要求。