短圓柱棒料自動順向送料機設(shè)計及運動仿真 *

劉 遠，王全先，王茂盛

(1.安徽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002； 2.特種重載機器人安徽省重點實驗室，安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

在采油鋼管生產(chǎn)過程中，對鋼管進行通徑檢測，是檢測鋼管質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，所謂的通徑就是對鋼管的直線度和內(nèi)徑進行檢測[1]。為了檢測鋼管內(nèi)徑和直線度是否滿足API的規(guī)定，讓標準規(guī)格的通徑規(guī)在驅(qū)動力下完全通過鋼管的內(nèi)徑，若通過則表明鋼管的檢測合格[2-3]。具體工藝是：鋼管到某一位置，停下來，由工人先拿氣槍對著鋼管一端進行吹氣操作，再在同一位置，拿通徑規(guī)塞進鋼管，用高壓氣槍對著鋼管吹，使通徑規(guī)穿過鋼管并噴出，落在鋼管架下的皮帶輸送機上，將通徑規(guī)帶回到操作工人處，依次循環(huán)。工人操作強度大、噪聲大、自動化程度低。

通徑規(guī)分為細長類和短粗類，細長類的通徑規(guī)用于內(nèi)徑較小的鋼管，而大規(guī)格的鋼管采用的是短粗類圓柱棒料式通徑規(guī)(以下簡稱通徑規(guī))。細長類通徑規(guī)長度較長，其落到v形滾道上的方向是確定的。短粗類通徑規(guī)落到皮帶機的皮帶上時，方向是不確定的，保證其順向回收上料是大規(guī)格鋼管通徑實現(xiàn)自動化的關(guān)鍵技術(shù)，為了完成此類通徑規(guī)的列隊回收和有序上料的自動化任務(wù)，設(shè)計一種多規(guī)格短圓柱棒料自動順向送料機，并應(yīng)用ADAMS對該裝置進行運動仿真，分析仿真數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并解決可能出現(xiàn)的問題，進而驗證裝置設(shè)計的合理性。

1 短圓柱棒料送料機結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

1.1 裝置的總體結(jié)構(gòu)和工作原理

多規(guī)格短圓柱棒料自動順向送料機主要由皮帶機1、擺動機構(gòu)2、橫推機構(gòu)3、光電開關(guān)4、上料架5、接近開關(guān)6、縱推機構(gòu)7等組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 裝置工作原理圖1.皮帶 2.擺動機構(gòu) 3.橫推機構(gòu) 4.光電開關(guān) 5.上料架 6.接近開關(guān) 7.縱推機構(gòu)

擺動機構(gòu)固定安裝在皮帶機的機架上，擺動機構(gòu)位于橫推機構(gòu)的左側(cè)，擺動機構(gòu)中的第一搖板和第二搖板構(gòu)成的喇叭口遠離皮帶機的驅(qū)動端，橫推機構(gòu)固定安裝在皮帶機驅(qū)動端的機架上，橫推機構(gòu)中的氣缸與皮帶機中的皮帶運行方向垂直，橫推機構(gòu)中的橫向推板與上料架橫向?qū)R，上料架焊接在皮帶機驅(qū)動端側(cè)面，上料架中的v形槽底板上設(shè)有通孔，通孔位于接近開關(guān)上方對應(yīng)位置，接近開關(guān)的感應(yīng)頭朝上，且感應(yīng)頭與上料架中的v形槽底板的距離小于接近開關(guān)的量程，縱推氣缸固定在上料架的左側(cè)，與上料架的v形槽在同一條線上。

短通徑規(guī)進行完鋼管通徑檢測后，掉落到皮帶機的遠端(圖1的左端)，由皮帶機輸送到擺動機構(gòu)，經(jīng)擺動機構(gòu)兩側(cè)板的喇叭口處進入擺動機構(gòu)，軸線未與運動方向平行的通徑規(guī)在擺動機構(gòu)的往復(fù)推動之下，不斷地調(diào)整位姿，并在皮帶的v形槽幫助下調(diào)整到其軸線與運動方向一致，當通徑規(guī)被運送至橫推機構(gòu)時，光電開關(guān)有信號，且上料架下方的接近開關(guān)無信號時，橫推機構(gòu)的氣缸開始動作，橫推機構(gòu)的推板將通徑規(guī)推到上料架，上料架下方的接近開關(guān)檢測到通徑規(guī)，縱推機構(gòu)將其推到另設(shè)的通徑臺供連續(xù)通徑使用。同時橫推機構(gòu)的推板退回原位，完成一次鋼管通徑的循環(huán)。

1.2 擺動機構(gòu)的設(shè)計

擺動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 擺動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖1.左支座 2.右支座 3.第一滑塊 4.雙向絲杠 5.第二滑塊 6.手柄 7.第三滑塊 8.第一鉸鏈塊 9.曲柄滑塊機構(gòu) 10.三合一電機 11.第一搖板 12.第二鉸鏈塊 13.第四滑塊 14.第二搖板

對稱布置的兩塊豎立的第一搖板11和第二搖板14左端分別通過連接桿與第一鉸鏈塊8和第二鉸鏈塊12剛性連接，第一鉸鏈塊8和第二鉸鏈塊12的下方銷軸分別插在第三滑塊7和第四滑塊13的上表面孔內(nèi)。通過手柄6轉(zhuǎn)動雙向絲杠4可調(diào)節(jié)第一搖板11和第二搖板14的開口度，以適應(yīng)不同直徑規(guī)格的通徑規(guī)。工作時，三合一減速電機10的輸出軸通過鉸鏈連接帶動曲柄滑塊機構(gòu)9做往復(fù)擺動，實現(xiàn)兩搖板右端轉(zhuǎn)動，左端既能轉(zhuǎn)動又能滑動。當通徑規(guī)進入擺動機構(gòu)的喇叭口處，兩搖板不斷調(diào)整通徑規(guī)的位姿，直至通徑規(guī)軸線方向與運動方向一致。

1.3 橫推機構(gòu)的設(shè)計

當皮帶將調(diào)整好方向的通徑規(guī)帶出擺動機構(gòu)后，橫推機構(gòu)將通徑規(guī)橫推送至上料架v形槽上。橫推機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 橫推機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖1.支座 2.導(dǎo)桿 3.滑塊 4.z形板 5.光電開關(guān) 6.氣缸

通徑規(guī)到達z形板4的前擋板，光電開關(guān)5有信號，橫推氣缸6推動z形板4沿著導(dǎo)桿2運動，將通徑規(guī)推至上料架，z形板的后擋板可以將下一個通徑規(guī)擋住，保證通徑規(guī)被有序推至上料架。

2 運動仿真虛擬樣機的建立

2.1 導(dǎo)入模型

針對直徑為φ63 mm和φ100 mm兩種規(guī)格的通徑規(guī)在皮帶上的運動進行研究，分別將兩種規(guī)格的通徑規(guī)按通徑規(guī)軸線與運動方向夾角為90°角度進行擺放。通過ADAMS軟件對多規(guī)格短圓柱棒料自動順向送料機進行仿真分析，首先需要建立該裝置的物理模型，ADAMS雖然具有建模的功能，但是其在建立一些比較復(fù)雜的模型時，不如專業(yè)的三維建模軟件建模方便。因此，本裝置通過Creo將各個部件進行建模，將建模好并裝配完成的裝置模型另存為Parasolid(*.x-t)類型，打開ADAMS軟件，通過導(dǎo)入功能，將建好的模型導(dǎo)入到ADAMS中[4-5]，進行仿真時，在保證不影響仿真分析及視覺真實性的條件下，可以將模型進行適當?shù)睾喕?，刪除掉一些不必要的模型，以縮短計算機的仿真時間[6-7]。

2.2 修改構(gòu)件的屬性

三維模型導(dǎo)入到ADAMS后，將上料架、橫推機構(gòu)、通徑規(guī)、皮帶機支座定義為steel，皮帶材料定義為rubber_belt，兩搖板的材料定義為aluminum,各材料參數(shù)如表1所列。

將構(gòu)件的名稱修改成可辨識的，這樣便可以通過鼠標右擊直接選擇。為了便于觀察仿真動畫，將各部件設(shè)置成不同的顏色。

表1 各材料參數(shù)表

2.3 設(shè)置運動副和驅(qū)動

皮帶機是固定在地面的，因此，在皮帶機的一對支腳上各設(shè)置一個固定副，將皮帶機與地面固定在一起，上料架與皮帶機之間也是固定副。擺動機構(gòu)與地面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)副，在該旋轉(zhuǎn)副上施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動；橫推機構(gòu)與地面設(shè)置為移動副，在該移動副施加平移驅(qū)動，采用STEP函數(shù)控制其動作；皮帶與地面之間設(shè)置為移動副，在該移動副上施加平移驅(qū)動，類型定義為位移。

2.4 設(shè)置接觸

文中進行的是通徑規(guī)在皮帶上的運動仿真，還需要設(shè)定通徑規(guī)與各個機構(gòu)的接觸，這樣通徑規(guī)與各機構(gòu)接觸時才能模擬碰撞，通徑規(guī)是通過與皮帶之間的摩擦力來運動的，在設(shè)置接觸時，摩擦力類型選擇庫侖，庫侖摩擦選擇打開，靜摩擦系數(shù)為0.3，動摩擦系數(shù)為0.1，靜平移速度為10，摩擦平均速度為10。選擇在與裝置所在的地面垂直的z方向設(shè)置重力，方向朝著裝置的下方。設(shè)置完成的仿真模型如圖4所示。

圖4 仿真模型

2.5 仿真實驗

各種機構(gòu)的屬性、連接、接觸、驅(qū)動的設(shè)置完成后，設(shè)置終止時間和步數(shù)，分析類型為默認，開始進行仿真，觀看仿真動畫。

3 運動仿真結(jié)果分析

3.1 φ63 mm通徑規(guī)運動仿真

以φ63 mm的通徑規(guī)在皮帶上運輸進行分析，可以觀察到通徑規(guī)在皮帶的傳送下，經(jīng)過各個機構(gòu)，在機構(gòu)的作用下被平穩(wěn)的運送到上料架，從而完成回收和上料的任務(wù)。仿真結(jié)束后，進入ADAMS的PostProcess模塊，處理類型選擇為繪圖，調(diào)出φ63 mm通徑規(guī)兩端面圓心點A和點B在X方向(與皮帶運動方向垂直)的位移曲線圖如圖5所示，φ63 mm通徑規(guī)的在Y方向(與皮帶運動方向一致)和X方向速度曲線圖如圖6、7所示。

圖5 φ63 mm通徑規(guī)兩端點在X軸上的位移曲線圖

圖6 φ63 mm通徑規(guī)兩端點在Y軸上的速度曲線圖

圖7 φ63 mm通徑規(guī)兩端點在X軸上的速度曲線圖

由圖5位移曲線知，φ63 mm通徑規(guī)在進入擺動機構(gòu)之前，點A和點B對稱分居在皮帶中心線兩側(cè)，在運動過程中，兩端點在X方向上的間距沒有改變，表示在此階段，通徑規(guī)位姿沒有得到調(diào)整。進入擺動機構(gòu)后，在兩搖板的往復(fù)撥動下，兩端點的位移曲線趨于重合，說明通徑規(guī)的位姿得到調(diào)整，最后調(diào)整至順向(即皮帶運動方向)后，保持順向的位姿進行運動。

由圖6Y軸上速度曲線圖知，點A和點B在Y方向上，速度從零開始以相同的加速度在短時間內(nèi)迅速增加到一定值后，速度以較小的加速度不斷增加，但始終未達到皮帶的速度。經(jīng)分析，主要是因為軸線垂直于運動方向的通徑規(guī)在受到皮帶摩擦力的作用下，不僅做平移運動，自身也在做滾動，故平移運動速度低于皮帶速度。通徑規(guī)進入擺動機構(gòu)后，在兩搖板的作用下速度發(fā)生明顯的波動，當通徑規(guī)調(diào)至順向后，通徑規(guī)速度與皮帶速度基本保持相等，其在接觸到橫推機構(gòu)的擋板后，會有一點反彈，隨即速度降為零，即停止在Y方向運動。

由圖7X軸上速度曲線圖知，點A和點B在整個運動過程中，在X軸方向上的速度基本相同，在進入擺動機構(gòu)后，兩點速度由零開始上下波動，當?shù)竭_橫推機構(gòu)后，橫推機構(gòu)的推板將其推至上料架，上料架的v形槽低于皮帶平面，在重力作用下，通徑規(guī)在X方向的速度快速增加，之后在上料架上發(fā)生來回滾動，最后停在上料架的v形槽上。

3.2 φ100 mm通徑規(guī)運動仿真

多規(guī)格短圓柱棒料自動順向送料機不僅要滿足可以將不同位姿的通徑規(guī)調(diào)整為順向，還要適用于多種規(guī)格的短棒料通徑規(guī)，以下是另一規(guī)格(φ100 mm)的短棒料通徑規(guī)兩端面圓心點A和點B在X方向上的位移曲線圖,以及在Y方向和X方向上的速度曲線圖分別如圖8～10所示。

圖8 φ100 mm通徑規(guī)兩端點在X軸上的位移曲線圖

圖9 φ100 mm通徑規(guī)兩端點在Y軸上的速度曲線圖

此次仿真與φ63 mm通徑規(guī)仿真的位移曲線圖和速度曲線圖進行對比，發(fā)現(xiàn)兩次仿真的曲線圖變化趨勢基本一致，說明了該送料機可以達到將不同規(guī)格通徑規(guī)自動順向送料的設(shè)計要求。

圖10 φ100 mm通徑規(guī)兩端點在X軸上的位移曲線圖

4 結(jié) 語

通過構(gòu)思并設(shè)計了短圓柱棒料(通徑規(guī))自動順向送料機，通過ADAMS將短圓柱棒料自動順向送料機適當簡化并進行了運動仿真和分析，通過直接觀看仿真動畫，以及通徑規(guī)兩端圓心點隨時間變化的位移圖和速度曲線圖，發(fā)現(xiàn)軸線與皮帶運動方向夾角為90°的通徑規(guī)，移動速度會低于皮帶運行速度，但其到擺動機構(gòu)的喇叭口處后，會在擺動機構(gòu)作用下迅速修正，達到要求的位姿，調(diào)整好位姿的通徑規(guī)可以被橫推機構(gòu)順利推至上料架，達到設(shè)計的要求。

通過位移曲線圖和速度曲線圖的分析，該裝置的各個機構(gòu)設(shè)計合理，可以順利完成順向和上料的任務(wù)，為鋼管通徑機實機實現(xiàn)自動上料打下了堅實的基礎(chǔ)。