石墨管電爐自動(dòng)進(jìn)舟裝置的設(shè)計(jì)

潘登

（自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，四川自貢 643011）

1 前言

在碳化鎢生產(chǎn)中，需要將原料盛在舟皿中定時(shí)送入石墨管電爐加熱碳化，石墨管電爐采用連續(xù)工作制運(yùn)行，每間隔十分鐘就要送一個(gè)舟皿進(jìn)爐，單個(gè)舟皿裝料后重30kg，目前這個(gè)工作依靠人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)人工操作容易碰碎石墨材質(zhì)的舟皿，操作不及時(shí)還會影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，因此設(shè)計(jì)一個(gè)輸送裝置能自動(dòng)定時(shí)輸送舟皿進(jìn)入石墨管電爐的爐管，該輸送裝置同時(shí)還需要滿足以下要求：

①將輸送鏈上的每個(gè)舟皿存放位置固定，以便于VGA搬運(yùn)車自動(dòng)將舟皿批量補(bǔ)充入輸送鏈。

②舟皿是圓柱形，要求輸送裝置運(yùn)行平穩(wěn)，避免輸送中碰碎石墨材質(zhì)的舟皿，舟皿不能滾動(dòng)傾倒出原料。

2 方案設(shè)計(jì)

本文按照要求制定了多個(gè)技術(shù)方案，設(shè)計(jì)者通過對結(jié)構(gòu)的可靠性、可操作性、可維修性、制造工藝性、制造成本等方面的論證,確定技術(shù)方案為：輸送裝置采用PLC程序控制自動(dòng)運(yùn)行，采用雙平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)輸送傳動(dòng)，利用舟皿的圓柱形表面兩條長素線和舟皿的一個(gè)端面定位在輸送裝置上，輸送裝置采用電機(jī)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，定時(shí)步進(jìn)輸送一個(gè)舟皿到進(jìn)舟工位，然后采用氣缸將進(jìn)舟工位上的舟皿自動(dòng)推入石墨管電爐內(nèi)。方案中用于舟皿步進(jìn)輸送傳動(dòng)的雙平行四邊形機(jī)構(gòu)簡圖如圖1所示：

圖1 雙平行四邊形機(jī)構(gòu)簡圖

圖1中存在ABCD、EFGH兩組四桿機(jī)構(gòu)，連桿AB、CD、EF、GH長度相等，連桿BC、FG及機(jī)架AD、EH長度相等，且存在長度關(guān)系：AB＜BC，因此ABCD、EFGH兩組四桿機(jī)構(gòu)均為平行四邊形機(jī)構(gòu)，平行四邊形機(jī)構(gòu)ABCD、EFGH具有完全相同的機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性，即曲柄AB、CD、EF、GH轉(zhuǎn)向相同且具有相同的角速度，連桿BC、FG始終保持平移運(yùn)動(dòng)［1］。連桿FG、BC剛性連接在一起形成構(gòu)件BCFG，將構(gòu)件BCFG看做平行四邊形機(jī)構(gòu)ABCD的連桿，則構(gòu)件EF、GH通過低副聯(lián)接對構(gòu)件BCFG形成了虛約束，提高了構(gòu)件BCFG的穩(wěn)定性［2］。構(gòu)件BCFG上任意一點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)圓，軌跡圓的半徑等于曲柄長度AB［3］。如圖1所示機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目為1，因此只需一個(gè)動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)曲柄AB整個(gè)機(jī)構(gòu)即可運(yùn)轉(zhuǎn)［4］，同時(shí)在曲柄AB、CD上復(fù)合一組鏈傳動(dòng)，防止從動(dòng)曲柄和連桿在兩個(gè)死點(diǎn)位置出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的不確定性［5］，曲柄AB、CD、EF、GH始終保持同向轉(zhuǎn)動(dòng)。

采用帶電機(jī)減速機(jī)作為雙平行四邊形機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，用雙平行四邊形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)舟皿的徑向水平步進(jìn)傳送，石墨管電爐需要以8個(gè)舟皿為一個(gè)批次運(yùn)行，以8個(gè)舟皿滿載重量為負(fù)載計(jì)算選型減速機(jī)，圖1中的構(gòu)件BCFG作為動(dòng)梁托舉輸送舟皿，則每個(gè)舟皿和圖1中的點(diǎn)P具有相同的運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)舟皿直徑確定最小步進(jìn)距離，依據(jù)最小步進(jìn)距離設(shè)計(jì)曲軸和曲軸鏈輪（曲柄AB、CD、EF、GH），其中鏈輪傳動(dòng)功率與減速機(jī)功率相等，再根據(jù)8個(gè)舟皿擺放尺寸及減速機(jī)尺寸設(shè)計(jì)動(dòng)梁（構(gòu)件BCFG）及機(jī)架（AD、EH）。依據(jù)單個(gè)舟皿的重量及軸向傳送距離選擇滑臺氣缸作為軸向傳送的動(dòng)力源。整套裝置采用CREO設(shè)計(jì)完成后經(jīng)運(yùn)動(dòng)仿真檢驗(yàn)可行，石墨管電爐自動(dòng)進(jìn)舟裝置如圖2所示。

圖2 石墨管電爐自動(dòng)進(jìn)舟裝置

機(jī)架8上固定裝配有減速機(jī)14和帶座軸承11，從動(dòng)軸12裝配在兩個(gè)帶座軸承11上，減速機(jī)14兩側(cè)的輸出軸上分別裝有一個(gè)曲軸鏈輪13和曲軸10，從動(dòng)軸12兩端也對應(yīng)裝有一個(gè)曲軸鏈輪13和曲軸10，連桿9通過軸承與上述的曲軸鏈輪13和曲軸10上的偏心軸連接，動(dòng)梁6采用螺桿固定將四個(gè)連桿9與之連接成一個(gè)剛性整體。

從圖2所示裝置的前側(cè)來看機(jī)構(gòu)聯(lián)結(jié)組成了平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，其中減速機(jī)14是平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，兩個(gè)尺寸和裝配相位完全相同的曲軸10為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的雙曲柄，兩個(gè)連桿9和動(dòng)梁6組成的剛體為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的連桿，機(jī)架8為平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的固定機(jī)架，由平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性可知：當(dāng)減速機(jī)14帶動(dòng)曲軸10轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)梁6將做平移運(yùn)動(dòng)，動(dòng)梁6上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓，該圓的半徑等于曲軸10的回轉(zhuǎn)半徑R。

如圖2所示當(dāng)曲軸10處于水平零相位時(shí)，動(dòng)梁6上平面與機(jī)架8上平面處于同一水平面上，動(dòng)梁6上平面上焊接有一排長圓管，機(jī)架8上平面焊接有兩排短圓管，每個(gè)長圓管兩端各一個(gè)短圓管同軸排列，每兩個(gè)長圓管和四個(gè)短圓管為一組作為圓舟皿5的定位支撐，每組長短圓管之間的中心距為2R，圖2所示機(jī)構(gòu)中有九組（組數(shù)根據(jù)需求而定）圓管按這樣的規(guī)律排列，使用時(shí)可以一次最多擺放八個(gè)圓舟皿5，最左面一組圓管用做推舟工位不擺放舟皿，機(jī)架8一側(cè)焊接有擋板用于八個(gè)圓舟皿擺放時(shí)軸向定位。

裝置工作時(shí)，PLC程序定時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)減速機(jī)14驅(qū)動(dòng)雙平行四邊形機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行，當(dāng)曲軸10從水平零相位逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)180°，動(dòng)梁6將托舉圓舟皿5沿著一個(gè)半徑為R的半圓軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，圓舟皿5在水平橫向的移動(dòng)距離為2R，剛好從機(jī)架8的一組短圓管上移動(dòng)到了下一組短圓管上。當(dāng)曲軸10繼續(xù)從180°逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到360°時(shí)，圓舟皿5停留保持在機(jī)架8的短圓管上，動(dòng)梁6做空轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)復(fù)位，動(dòng)梁檢測開關(guān)7檢測到動(dòng)梁6已轉(zhuǎn)動(dòng)一圈回到初始位置時(shí)給PLC輸入信號，通過PLC程序控制減速機(jī)14及平行雙曲柄機(jī)構(gòu)停止。當(dāng)曲軸10每旋轉(zhuǎn)一周，圓舟皿5在機(jī)架8上的位置水平移動(dòng)一格（水平移動(dòng)距離為2R），隨著曲軸10的逆時(shí)針多次定時(shí)旋轉(zhuǎn)，圓舟皿5可以從機(jī)架8的最右格步進(jìn)到最左格的推舟工位。

從圖2所示裝置的后側(cè)看有一組同樣的平行雙曲柄機(jī)構(gòu)，其中減速機(jī)14是該平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，兩個(gè)尺寸和裝配相位完全相同的曲軸鏈輪13為該平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的兩曲柄，兩個(gè)連桿9和動(dòng)梁6組成的剛體為該平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的連桿，機(jī)架8為該平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的固定機(jī)架，該平行雙曲柄機(jī)構(gòu)和前側(cè)的平行雙曲柄機(jī)構(gòu)公用機(jī)架、動(dòng)力源、連桿，僅增加了兩個(gè)曲柄，其運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)特性與前側(cè)平行雙曲柄機(jī)構(gòu)完全相同，這樣的重復(fù)設(shè)計(jì)是為了提高動(dòng)梁6的支撐穩(wěn)定性，保證動(dòng)梁6對多個(gè)圓舟皿5的承載能力。

為了消除平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的從動(dòng)曲柄在死點(diǎn)位置的運(yùn)動(dòng)方向不確定問題，兩個(gè)曲軸鏈輪13之間用鏈條傳動(dòng)連結(jié)，并始終保持鏈條處在張緊狀態(tài)，這樣從動(dòng)軸11就可以始終保持和減速機(jī)14輸出軸同向轉(zhuǎn)動(dòng)。

在機(jī)架8的左端裝配有滑臺氣缸1，滑臺氣缸1的滑塊上裝有支架3，支架3上裝有推板4，當(dāng)圓舟皿5被步進(jìn)傳送到機(jī)架8最左端的推舟工位時(shí)，舟皿檢測開關(guān)2檢測到推舟工位有圓舟皿5時(shí)給PLC輸入信號，通過PLC程序控制滑臺氣缸1運(yùn)行，滑臺氣缸1帶動(dòng)推板4往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將圓舟皿5逐個(gè)沿著圓管組成的定位支撐軌道推進(jìn)石墨管電爐的爐管，完成整個(gè)石墨管電爐的自動(dòng)進(jìn)舟過程。

3 結(jié)論

（1）裝置采用PLC程序自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了石墨管電爐自動(dòng)進(jìn)舟，匹配AGV搬運(yùn)車自動(dòng)添加舟皿到本機(jī)構(gòu)傳送鏈上，整個(gè)車間可以實(shí)現(xiàn)無人化生產(chǎn)，這大大提高了碳化車間生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，消除了進(jìn)舟的人為不利因素，保證了每個(gè)舟皿在爐內(nèi)的反應(yīng)時(shí)間完全一致，因此碳化產(chǎn)品質(zhì)量得到提高。

（2）平行雙曲柄機(jī)構(gòu)帶動(dòng)舟皿沿著其圓柱面切線方向和機(jī)架上的圓管接觸和脫離，舟皿輸送過程運(yùn)行平穩(wěn)，不會發(fā)生剛性碰撞損毀。

（3）利用舟皿的圓柱形表面兩條長素線和舟皿的一個(gè)端面定位在輸送機(jī)構(gòu)上，限制了舟皿的五個(gè)自由度，舟皿僅有在原位繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的自由度，舟皿隨平行雙曲柄機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中始終處于可靠定位狀態(tài)，不會發(fā)生采用傳送帶輸送時(shí)舟皿的翻滾、滑落、移位等問題，提高了碳化生產(chǎn)線的運(yùn)行可靠性。