輪轂烘干線固定裝置設計與實現

石林峰

（南京理工大學 機械工程學院，南京 210094）

輪轂烘干線固定裝置設計與實現

石林峰

（南京理工大學 機械工程學院，南京 210094）

現階段，國內某些輪轂制造廠現在依舊采用鉸接連接的烘干線，此類烘干線在輪轂轉線過程中常常會發生劇烈晃動，對輪轂轉線時輪轂的放置造成困擾。為便于開發輪轂轉線機械手進行自動化輪轂轉線，需要在輪轂放置過程對烘干架進行短時間固定，以滿足機械手的定位需求，并保證輪轂放置過程中烘干架的平穩。針對這種情況，此項目設計了一種烘干架的短時間固定裝置，并詳細說明了此烘干線固定裝置的原理、結構及特點，以及PLC控制系統的設計和實現過程。

PLC；烘干線；輪轂轉線；固定裝置

0　引言

工業4.0三大主題之一的“智能生產”強調了自動化生產的重要性。輪轂生產制造這一行業目前面臨著設備老化、工人工作強度大等嚴峻挑戰?，F階段，國內有不少輪轂生產廠商仍采用上世紀90年代建成的較為落后的生產線。此類生產線的主要特點是：造價低、穩定性不高。非常適合人力成本很低的90年代和20年代初期[1]。

圖1是江蘇某輪轂公司的噴粉線和烘干線的現場圖（圖中左側為噴粉線，右側為烘干線），國內輪轂生產企業多采用類似流水線，其中烘干架與其上部運動部分采用鉸接固定，在運動過程中晃動幅度較大。

圖1　噴粉線和烘干線現場

目前，國內相關企業大多是人工搬運轉線，將輪轂從噴粉線轉移到烘干線，工廠根據輪轂重量確定工位人數，小輪子需要一個人、大輪子需要兩個人（輪轂較重的可達35kg），工作強度很大，對工人的體力及耐力要求很高。也有部分企業采用助力機械手進行轉線，工人操縱氣動助力機械手搬運輪轂，并放到指定位置。運用助力機械手可以有效降低工人的工作強度，但在放置過程中烘干架的擺動對輪轂的定位造成極大的干擾。因此在輪轂放置時對烘干架進行固定顯得非常必要。

該項目的研究內容為烘干架的固定裝置，將為今后的輪轂生產全自動化的研究工作做鋪墊，也是其重要的組成部分。它的研究工作以江蘇某車輪廠輪轂噴涂線自動化改造為背景，對自動轉線裝置進行設計和開發，旨在為連續運行的工業生產線的轉線難題提供一個性價比較高的解決方案。它與自動噴涂機器人項目都是輪轂自動化生產的重要課題，將會對提高企業生產效率，節約人工成本做出重要貢獻。對于企業面臨的人口紅利弱化的問題，也會得到很好的解決。

1　結構設計

現場噴粉線、烘干線之間的尺寸如圖2所示。烘干架運動過程中若無外力作用，會在重力作用下保持下圖右側白色架子所在的位置，即有13°的傾斜。當烘干架上有一個輪轂時，烘干架會回復到近似豎直狀態，并需要3s左右達到穩定狀態。進行輪轂擺放時，需要將其固定在豎直位置，否則搬運機械手擺放輪轂時難度較大，而且擺放完成之后會引起烘干架的劇烈擺動，容易造成輪轂脫落等安全問題。

圖2　噴粉線、烘干線尺寸

由于現場周圍設施較多，無法安裝導向桿等運動軌跡引導裝置，且用導向桿會導致烘干架在運動過程中產生遲滯或瞬間擺動，對輪轂放置造成麻煩。此設備采用手爪從后部抓取，用氣缸拉到豎直位置并用電磁鐵固定。這樣避免了對生產線本身進行改動，也考慮了周邊環境，能夠在較小空間內對烘干架進行定點固定。

設備結構如圖3所示，由導軌、滑塊、與滑塊連接的抓取設備、氣缸組成。其中，手爪部分由電機驅動。設備放置于電氣柜上方，在電氣柜靠近烘干架一側，接近烘干架最下端位置放置一電磁鐵，用于配合手爪進行烘干架的固定，實現三點固定（鉸接點、手爪、電磁鐵三點固定）。

圖3　設備整體結構

設備的工作流程如圖4所示。

圖4　設備工作流程圖

設備接通時先進行初始化工作，氣缸完全伸出，電機轉動，使得手爪張開。當光電傳感器檢測到烘干架即將到達時，電機帶動手爪閉合，閉合完畢后氣缸開始往回收縮，同時打開電氣柜上的電磁鐵。氣缸收縮完成時手爪、電磁鐵、鉸接處實現對烘干架的三點固定；同時開始計時3s，這段時間留給機械手放置輪轂，3s后電磁鐵失電、電機帶動手爪張開、氣缸伸出，烘干架離開。完成一個循環。

圖5　設備的三維圖和實物圖

圖5所示分別為設備的SolidWorks三維圖和實物圖，設備從上到下依次為：步進電機、墊塊、上板、上軸承座、防松螺母、齒輪、手爪基座、下軸承座、底板、滑塊及導軌。

為確保手爪的轉動角度不會超出允許范圍，確保設備運轉的安全性，本文此設備對電機轉動角度在程序和傳感器方面分別進行了控制。

程序中對發給電機驅動器的脈沖進行控制，使得手爪單次張開和閉合角度小于100°。

硬件部分采用了微動開關和霍爾接近開關，一般而言，此類角度控制還可以采用角度傳感器、電位器和角度編碼器。但在手爪的角度控制過程中對精度要求不高，再結合成本考慮，選擇微動開關作為手爪張開的限位，若兩邊手爪中有一個或同時觸碰到限位開關，則手爪停止張開；選擇霍爾接近開關作為手爪閉合限位，霍爾接近開關對應的磁鐵固定到手爪基座的后側，如圖6所示，分別為固定后的SolidWorks裝配圖、手爪基座的零件圖和實物圖，在后板上安裝霍爾接近開關主體部分，當手爪閉合到指定位置時，霍爾接近開關會傳出信號到PLC，電機停止轉動。

圖6　霍爾接近開關磁鐵固定處

2　計算及校核

需要計算的部分是步進電機扭矩。需要校核的是齒輪和手爪所在軸的強度。以此選擇軸、氣缸和步進電機。

2.1軸校核計算

本項目中采用單直線導軌、單滑塊。根據廠家提供的資料，摩擦系數上限約為0.08～0.1。為保證驅動力足夠，選取摩擦系數上限0.1作為此處設計用的摩擦系數μ，并取n1=1.5作為安全系數。

經實物測量，導軌需要承受的重量約為m1=15，烘干架重量約為m2=10kg。

則需要克服滑塊與導軌之間的摩擦力為：

當烘干架被拉倒豎直位置時，手爪對烘干架拉力最大，根據力矩平衡公式，手爪對烘干架的拉力F2與烘干架重力G之間關系如下：

其中，烘干架重心無法確定，取距離鉸接點最遠處為重心，此處造成的力矩最大，在此情況下手爪對烘干架的拉力也最大。

可以計算出手爪對烘干架的拉力：

軸所需承受的拉力為：F3=F2，產生的主要是外力對軸與軸承固定處的造成的彎矩，對軸心的扭矩很小，幾乎可以忽略不計。

手爪基座中心所在位置高度相對于軸承上表面為d2=0.033m，取n2=1.5作安全系數，則外力對軸作用的彎矩為：

取n3=2作安全系數，則45鋼的彎曲許用應力為：

則剪切應力為：

其中：S=π×D2/4，則可計算出D≥1.39mm。

彎曲應力為：

其中：

T1為橫截面的彎矩，T1=1.9Nm；

Y表示橫截面上該點到中性軸的距離，y=D/2；

Iz表示橫截面對中性軸的慣性矩，Iz=π*D4/64；

則可計算出D≥4.78mm；

則對應最小軸徑為：D≥4.78mm，本項目選取軸徑為15mm，完全符合要求。

2.2氣缸選擇：

根據軸計算部分可以得到，氣缸需要提供的拉力有兩部分：克服導軌的摩擦力F1和拉動烘干架的拉力F2。

則氣缸需要提供的力為：

考慮1.5的安全系數，則需要提供拉力為91.25N。

手爪位置距抓取點距離d=198.5mm。則氣缸所需行程至少為198.5mm（手爪收縮距離）根據氣缸資料，最接近198.5且大于198.5的是200mm行程的。

綜上，選擇亞德客標準氣缸系列SI 63 x 200?？諝鈮毫?.2MPa時，拉側力為329.8N，押側力為392.6N。

2.3電機選擇：

設備中采用的是步進電機，此處須計算步進電機需要提供的轉矩。圖7是手爪插件和轉動手爪的基座的裝配圖。

圖7　手爪基座和插件的裝配圖

用SolidWorks中的質量屬性對其進行計算，得到結果如圖8所示。

圖8　手爪的質量屬性計算結果

圖8中，Iz的慣性主矩的輸出坐標是手爪的重心。根據轉動慣量的平行移軸公式，可以得到：

則每個手爪相對于所對應的軸的轉動慣量為：

手爪需要轉過的角度為π/2，需要的時間為1秒，其中半秒勻速，前1/4秒加速，最后1/4秒減速。則，加速度為：（2*PI）/s2。

則每個手爪需要的扭矩為：0.015309N.m。

則兩個手爪需要的扭矩為：0.015309N.m×2=0.030619N.m。

取安全系數為2，則需要選擇的電機轉矩為0.061238N.m。

根據實驗室現有器材，選擇一扭矩為1N.m的步進電機，完全符合轉矩要求。

3　電氣回路部分

3.1PLC控制設計

可編程邏輯控制器（PLC）是一種專門為工業應用而設計的進行數字運算操作的電子控制裝置。由于其具有可靠性高、抗干擾能力強；配套齊全、功能完善、適用性強；編程簡單；系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造；體積小，重量輕，能耗低；人機交互界面友好等特性而廣泛用于工業控制系統[4]。本文選用西門子S7-200系列PLC對設備進行控制。信號輸入端有四個，分別為：光電開關、2個微動開關和霍爾接近開關。

其中，光電開關是用來檢測烘干架的到達，2個微動開關用來判斷手爪是否到達張開位置，霍爾接近開關是用來判斷手爪是否到達閉合位置。

信號輸出端輸出給三部分：步進電機（用來控制脈沖和電機正反轉）、三位五通電磁閥（控制氣缸活塞的伸縮）、電磁閥（用來控制電磁鐵的開啟和關閉）。

PLC接線圖如圖9所示。

圖9　PLC接線圖

3.2氣路控制設計

如圖10所示，氣路部分由氣源提供壓縮空氣，經過氣源三聯件到達三位五通閥電磁閥，再通過兩個單向節流閥，最終到達氣缸。

初始狀態時，電磁閥的左端處于接通狀態，使氣缸左側得到壓縮空氣，氣缸活塞伸出。

手爪閉合后，電磁閥的右端處于接通狀態，使氣缸右側得到壓縮空氣，氣缸活塞縮回。

圖10　氣路圖

其中氣源三聯件包括過濾器、減壓閥和油霧器。過濾器用于清潔氣源，可過濾壓縮空氣中的水份，避免水份隨氣體進入裝置。減壓閥可對氣源進行穩壓，使氣源處于恒定狀態，可減小因氣源氣壓突變時對閥門或執行器等硬件的損傷。油霧器可對機體運動部件進行潤滑，可以對不方便加潤滑油的部件進行潤滑，大大延長機體的使用壽命[5]。

兩個單向節流閥可以防止氣缸的出氣端出氣速度太快，從而避免氣缸活塞與外殼的沖擊，可以增加氣缸壽命、減少工作噪音。

4　結論

輪轂在噴粉線和烘干線之間轉線工作強度大，在對其進行自動化改造中，烘干架的固定是非常重要的一部分。

本文中的設備用電機帶動手爪抓取烘干架，用氣缸拉動，再用電磁鐵吸附，實現手爪、電磁鐵、鉸接點三點固定，可以在較短時間內讓烘干架處于穩定狀態，方便輪轂的擺放。

[1] 王巨光.中國鋁合金輪轂生產自動化勢在必行[J].2012,40(4).

[2] 濮良貴.機械設計[M].8版.高等教育出版社,2006.

[3] 單輝祖.材料力學教程[M].國防工業出版社,1982,156.

[4] 張桂苓.淺談現代PLC的優勢特點[J].自動化博覽,2003,2:66-67.

[5] 潘敏輝.氣動三聯件組件的工作原理及主要性能指標[J].廣西輕工業,2011,09:76-77.

Design and implementation of hub drying line fixing device

SHI Lin-feng

TP23

B

1009-0134(2016)02-0147-05

2015-12-09

石林峰（1991 -），男，江蘇南通人，碩士，研究方向為機械設計與控制。