提升翻轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)計(jì)

張向紅 韓忠義

（河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 唐山學(xué)院，河北 唐山 063000）

1 概述

在當(dāng)今發(fā)展的社會(huì),工業(yè)中機(jī)械自動(dòng)化代替人工操作已是大勢(shì)所趨,而許多工廠的加料工作依舊采用人工搬運(yùn)的方式,效率低下?，F(xiàn)如今許多原料自身性質(zhì)對(duì)工人也極具危險(xiǎn)性,在人工搬運(yùn)過程中難免會(huì)出現(xiàn)事故,所以需要設(shè)計(jì)一種自動(dòng)加料的機(jī)構(gòu)來代替人工操作,以提高生產(chǎn)效率和安全可靠性。

工業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中,通常將原料存放在桶里,以桶為單位進(jìn)行搬運(yùn)和運(yùn)輸是工業(yè)中常見的方式,而大多數(shù)料桶的形狀近似為圓柱體,因此,針對(duì)圓桶設(shè)計(jì)的自動(dòng)加料機(jī)構(gòu)具有一定的適用性,能夠普遍應(yīng)用在以圓桶為容器的很多場(chǎng)合,比如土木、冶金、化工等諸多行業(yè)。

提升翻轉(zhuǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)可以很容易地實(shí)現(xiàn)桶料搬運(yùn)處理,連續(xù)自動(dòng)加料操作,高效率和高安全性。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中,安全性和生產(chǎn)效率必須一直放在首位,這也是企業(yè)的生存和競(jìng)爭(zhēng)的重要因素。

2 提升翻轉(zhuǎn)機(jī)方案設(shè)計(jì)

2.1 工作情況分析

提升翻轉(zhuǎn)機(jī)的工作要求是:(1)提升機(jī)構(gòu)將裝有物料的料桶搬運(yùn)至指定高度。(2)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將料桶翻轉(zhuǎn)至一定角度,使物料全部倒入指定位置。原始數(shù)據(jù)為料桶直徑D=600mm,高H=900mm,原料質(zhì)量120kg,桶質(zhì)量20kg。根據(jù)實(shí)際條件分析,機(jī)構(gòu)需對(duì)料桶進(jìn)行提升和下降工作,所以提升翻轉(zhuǎn)機(jī)承受的最小負(fù)載為:原料質(zhì)量20kg+料桶質(zhì)量20kg=140kg。

根據(jù)以上分析得知,提升翻轉(zhuǎn)機(jī)要完成如下運(yùn)動(dòng)過程:(1)夾緊運(yùn)動(dòng),完成機(jī)構(gòu)對(duì)料桶夾緊和放松的工作,確保提升翻轉(zhuǎn)工作中的穩(wěn)定運(yùn)行。(2)升降運(yùn)動(dòng),抓住料桶后,使其提升或下降到指定位置。(3)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),將料桶提升到指定高度后,需要使其翻轉(zhuǎn)一定的角度,實(shí)現(xiàn)加料工作,如圖1 所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)時(shí)序示意圖

圖2 料桶翻轉(zhuǎn)前后示意圖

2.2 總體方案設(shè)計(jì)

2.2.1 夾緊機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用液壓傳動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)夾緊。液壓機(jī)械手以液體為主要?jiǎng)恿υ?用液壓部件來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手動(dòng)作,其結(jié)構(gòu)連接緊密、動(dòng)作靈活矯捷、運(yùn)動(dòng)可靠平穩(wěn)、抓取力大,因此,可以滿足對(duì)料筒的夾緊要求。

工業(yè)生產(chǎn)中,提升機(jī)構(gòu)一般常用的有機(jī)械式的和機(jī)械液壓相結(jié)合兩種。機(jī)械式提升機(jī)構(gòu)的提升形式多為提拉式,而液壓驅(qū)動(dòng)提升機(jī)構(gòu)的提升形式為推舉式?？紤]到驅(qū)動(dòng)功率相同時(shí),液壓式提升機(jī)構(gòu)比機(jī)械式提升機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積也更小,且更耐沖擊。故根據(jù)工作要求和實(shí)際情況,本設(shè)計(jì)提升機(jī)構(gòu)采用液壓式提升機(jī)構(gòu)。

2.2.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的方案確定。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的用途是將零件沿著某個(gè)軸做翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),使工件變更有利方位,以便更好地實(shí)現(xiàn)工作任務(wù)。目前翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的種類有很多,例如,鏈?zhǔn)椒D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、環(huán)式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、推舉式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等。

本設(shè)計(jì)中提升翻轉(zhuǎn)機(jī)選擇用了推舉式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),采用兩個(gè)液壓缸分置兩邊的結(jié)構(gòu)。將料桶翻轉(zhuǎn)的角度設(shè)為500,保證料桶在翻轉(zhuǎn)過程中,物料可以全部被傾倒出,滿足了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求,如圖3 所示。綜上所述,液壓傳動(dòng)與控制是現(xiàn)代機(jī)械工程的基本技術(shù)。在提升翻轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)計(jì)中,夾緊機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)均采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式, 旨在自動(dòng)加料過程中更加平穩(wěn)、高效、安全。

圖3 推舉式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

3 提升翻轉(zhuǎn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

提升翻轉(zhuǎn)機(jī)的夾緊機(jī)構(gòu)即抓桶夾,用來抓取和搬運(yùn)料桶。在料桶提升和翻轉(zhuǎn)過程中,抓桶夾的夾持必須牢靠才能保證整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。這就需要抓桶夾與料桶輪廓充分貼合,確保工作過程中可以提供足夠大的摩擦力,而料桶形狀近似為圓柱體,所以抓桶夾的形狀需要類似,設(shè)計(jì)為圓弧狀保證夾持時(shí)的充分接觸,提高工作過程中的安全系數(shù),防止在提升和翻轉(zhuǎn)過程中意外滑落?？紤]到抓桶夾需要實(shí)現(xiàn)上升翻轉(zhuǎn)過程的夾緊工作和加料之后歸位的放松工作,需要設(shè)計(jì)成張合的形式?？紤]到抓桶夾相對(duì)整體結(jié)構(gòu)的位置,如果將液壓缸安裝在抓桶夾中間位置可能會(huì)與加料過程中的運(yùn)動(dòng)和機(jī)架產(chǎn)生干涉。因此選擇將液壓缸安裝在兩側(cè),通過轉(zhuǎn)動(dòng)銷釘連接抓桶夾。綜上所述,根據(jù)結(jié)構(gòu)和工作要求,選取穩(wěn)定性更好的中轉(zhuǎn)式抓桶夾。中轉(zhuǎn)式抓桶夾直接由一個(gè)固定位置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸連接抓桶夾兩邊,通過液壓缸驅(qū)動(dòng)使得中間轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)張合,完成對(duì)料桶的夾緊放松工作。其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好,在受液壓力驅(qū)動(dòng)時(shí)抓桶夾形狀不會(huì)發(fā)生改變,結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定可靠。抓取時(shí),在抓桶夾的內(nèi)邊裝上石棉基材料,通過增大摩擦來加大抓緊力,保證夾緊牢固可靠。按工作需要,抓桶夾的張合程度與液壓缸活塞桿的行程密切相關(guān)。料桶的直徑為600mm,為了使料桶可以輕松抓取,抓桶夾開口橫向距離應(yīng)≥600mm。夾緊之后為確保抓桶夾與料桶充分接觸,夾子的最終張合應(yīng)為直徑為600mm 的圓,如圖4 所示。

圖4 抓桶夾

3.2 提升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

提升機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式, 提升機(jī)構(gòu)的主體部分是鏈條、滑輪和升降臺(tái)。工作時(shí),液壓缸輸出動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)滑輪鏈條拉著升降臺(tái)上升和下降。驅(qū)動(dòng)抓桶夾的液壓缸及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)均固定在升降臺(tái)上,抓桶夾的升降高度可作為升降臺(tái)升降的高度,結(jié)合工作要求將其范圍定為450mm-1500mm,即升降臺(tái)上升的最高距離為1050mm。機(jī)構(gòu)中的滑輪相當(dāng)于動(dòng)滑輪,根據(jù)其升降規(guī)律,滑輪的升降距離應(yīng)為升降臺(tái)升降距離的一半,即滑輪上升的最高距離為1050/2=525mm,故升降液壓缸活塞桿的行程應(yīng)＞525mm。

當(dāng)升降臺(tái)位于最高位置,距地面1500mm 時(shí),滑輪位置應(yīng)高于升降臺(tái)位置,所以其最高位置距地面1600mm。當(dāng)升降臺(tái)位置最低時(shí),距地面450mm 時(shí),升降臺(tái)下降了1050mm,相應(yīng)的滑輪應(yīng)下降525mm, 此時(shí)滑輪距地面應(yīng)為1075mm, 即為滑輪距地面的最低位置。而滑輪位置必須高于鏈條的固定位置, 所以固定端距地面900mm。如圖5 所示為整個(gè)升降系統(tǒng)的簡(jiǎn)圖。

圖5 升降系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

3.3 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選取液壓驅(qū)動(dòng)的方式, 圖6 為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,A為抓桶夾一側(cè)的旋轉(zhuǎn)軸,AC 為連桿,B 為液壓缸,BC 為可伸縮的活塞桿。要使料桶內(nèi)物料全部倒出, 應(yīng)將料桶的可向下傾斜角設(shè)為500,所以,翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)該使料桶實(shí)現(xiàn)逆時(shí)針翻轉(zhuǎn)角度為1400。為了使翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)具有對(duì)稱性,將1400等分為與法線方向各夾700,即連桿AC 初始位置與水平面夾角為200, 末位置與水平面夾角為逆時(shí)針方向1600。圖6 中展示了翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的兩個(gè)極限位置,即ABC為初始位置,ABC1為末位置,弧CC1為整個(gè)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中連桿的軌跡。F 是料桶翻轉(zhuǎn)過程中,液壓缸給連桿的驅(qū)動(dòng)力。

圖6 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.4 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架是整個(gè)提升翻轉(zhuǎn)機(jī)的骨架,需要承受包括升降臺(tái)及其上面所有結(jié)構(gòu)的重力和物料料桶的重力,所以如果機(jī)架的剛度和抗彎強(qiáng)度不夠,就會(huì)產(chǎn)生很大的彎曲變形。因此,材料的選取十分重要,根據(jù)實(shí)際要求本設(shè)計(jì)選取Q235 鋼。機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 機(jī)架

結(jié)束語

提升翻轉(zhuǎn)機(jī)的設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)工廠的自動(dòng)加料, 適用于工業(yè)卷料、搬運(yùn)、模具、桶料等行業(yè)。它主要由三部分構(gòu)成,分別是夾緊機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。本文確定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式和承載要求。夾緊、提升和翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)分別由兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng),從而確保整個(gè)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定設(shè)備完成自動(dòng)加料工作,提高了工作效率，能夠更加安全、可靠、高效的代替人工操作。