一種圓棒自動進給輸送機構的設計

曲利峰 史祖春 劉昆侖

（1.陸軍駐重慶地區軍代局駐成都地區第三軍代室，四川 成都 610000；2.四川海天儀表電器開發有限公司，四川 成都 610000）

隨著社會的發展，我們國家逐漸從勞動密集型產業向高新技術化轉變。為了降低人們的勞動強度，在各行各業中出現了許多自動化設備，極大地提高了生產效率[1]。

目前，國內外對圓形長料的供給，大多采用皮帶式輸送機構直接輸送，雖然輸送機構結構簡單，但是輸送速度較低。部分要求輸送速度較快的，則利用夾緊機構將圓形物料兩端固定在輸送帶上，雖然機構輸送物料較快，但是輸送機構結構較為復雜，制造成本較高。

在保證圓形物料輸送穩定的前提下，盡量提升物料的輸送速度，該文介紹了一種結構簡單的圓棒依次自動進給輸送機構，并對其進行了動態仿真分析，驗證設計機構的輸送性能，為該類物料輸送機構設計提供了參考[1-8]。

1 工作原理

為了滿足自動化生產線對圓棒自動進給輸送機構的要求，該文設計了一種圓棒依次自動進給輸送機構。進給輸送機構主要由主動和被動組件構成。主動件位于被動件的下方，充當源動力。被動件完成圓棒的運輸工作，通過它們的相互配，完成圓棒的自動運輸。進給輸送機構工作原理如圖1所示。

隨著主動組件（主要部件為凸輪滑塊）在生產線上的運動，凸輪滑塊12在電機的帶動下作橫向往復運動，滾輪10在凸輪滑塊上作上升下降運動，套圈3和導桿2做上下移動。在套圈和導桿的作用下滾輪只能上下移動，進而對滾輪和支架實現了限位和定位。支架6在滾輪10的帶動下也做上升和下降運動，這樣固定在支架6上的移動齒條板4也做上升和下降運動，使固定齒條板5和移動齒條板4之間形成相互交錯，從而可以以一定的間距進給圓柱形物料，移動齒條板和固定齒條板還可以對圓柱形物料實行某種精度的定位，左右側擋板的作用是實現對圓柱形物料左右的限位，同時逐步依次送出圓柱形物料工件，前支板7是為了固定安裝左右固定齒條板5和左右移動齒條板4。從而實現了對圓柱形物料實現了進給和輸送。

圖1 進給輸送機構的原理

2 設計過程

市場上的圓棒物料中等尺寸規格主要為φ20 mm×200 mm，為此，輸送機構尺寸主要按照對該尺寸的圓棒物料進行匹配設計。對于其他尺寸規格物料，可以參考該文設計尺寸，進行相關放大或縮小。該產品在進給和輸送時，存在2種局限。1）生產線上的產品對物料的直徑和長度有一定的要求，超出運送長度無法進給運送，該文的物料長度不大于200 mm。2）產品運動具有隨機性，在進給和輸送過程中，需要實時檢測產品的動力學參數，以避免輸送故障。

2.1 凸輪滑塊的設計

凸輪滑塊是主動組件的核心部件，其安裝在底板上，是滾輪的基體。

在產品被鎖緊輸送時，旋轉電機帶動凸輪滑塊在水平方向上作往復運動，由凸輪滑塊驅動滾輪上下運動，實現支架上的移動齒條板的上下運動，使固定齒條板和移動齒條板錯位運動，從而實現物料的進給運輸。由于凸輪滑塊的設計是否合理直接影響移動齒條板的上升和下降能否準確實現物料的進給和運輸，因此，需要對凸輪滑進行合理的設計。凸輪滑塊的結構如圖2所示。

2.2 移動齒條板的設計

移動齒條板是被驅動的主要零件，安裝在支架6上，與固定齒條板4共同作用起對物料的定位和使物料以一定的間距進行輸送進給的作用。

凸輪滑塊在完成往復運動后，滾輪的滾動下帶動移動齒條板上升和下降，固定在底板上的固定齒條板與移動齒條板形成交錯驅動圓形物料滾動到下一個齒上，齒條依次上下運動實現圓形物料的進給和滿足一定精度的定位。完成圓形物料的進給和輸送。移動齒條板結構尺寸如圖3所示。

3 ADAMS動力學仿真分析

3.1 模型簡化與假設

對模型有3種假設。1）不考慮零件的變形。2）通過約束來模擬零件的裝配狀態。3） 通過添加接觸來模擬零件間的相互作用。

3.2 添加載荷

將UG三維模型導入ADAMS，并按照實際狀況，對虛擬樣機添加載荷和約束。

圖2 凸輪滑塊

由于在該機構中凸輪滑塊的往復行程是一個循環過程，因此該機構只對一個循環過程進行仿真，如圖4所示。

為了模擬現實情況，添加圓棒模型，在升降過程中，圓棒在移動齒條板齒之間隨著齒條板一起運動。為了控制凸輪滑塊的運動，利用傳感器檢測它的一個往返時間，然后運用ADAMS的Motions模擬氣缸的運動，其控制函數為：

STEP（time，1，100，1.02，-100）

在MotionsSTEP函數中0.00 s～1.00 s，凸輪滑塊機構的水平速度為100 mm/s。在1.00 s～1.02 s，凸輪滑塊機構的水平速度由100 mm/s降為0，再反方向增到為100 mm/s。在1.02 s～2.00 s，凸輪滑塊機構的水平速度為-100 mm/s[10-11]。

3.3 仿真分析

在該設計的模型中，凸輪滑塊的往復行程是通過電動氣缸來實現的，該機構的氣缸選取參數是通過公式計算氣缸的速度和推力綜合來選取的，氣缸的速度和推力選取如公式（1）所示。

圖3 移動齒條的結構

圖4 虛擬樣機循環過程仿真

式中：β-負載率，P-氣壓，D-氣缸直徑。

氣缸的實際負載F，氣缸的理論推力如公式（2）所示。

對于阻性負載，負載不產生慣性力，一般選取負載率β為 0.8。

對于慣性負載，負載將產生慣性力，負載率β的取值見表1[9]。

表1 β取值與氣缸速度V的關系

該文通過ADAMS軟件計算出的凸輪滑塊的接觸力如圖5和圖6所示最大接觸力發生在0.0036 s最大值為59 N，該值模擬了氣缸的實際負載F。氣缸的運動動速度V=1 m/s。

氣缸理論推力要達到公式（3）的值。

在仿真時測量的物料在豎直方向30 mm的升降行程以及水平行程中的速度變化曲線如圖8所示。

通過分析可知物料在水平和豎直方向存在著振動和打滑運動，此時水平方向的最大速度為167 mm/s，物料在升降的豎直方向的最大速度為132 mm/s此時正好是物料從移動齒條板齒頂運動到齒根，觀察物料速度曲波動變化，可知物料的振動和打滑比較小，物料在輸送機構上能夠安全可靠的運輸。

在仿真過程中測量凸輪滑塊的受力的變化曲線如圖9所示，得到凸輪滑塊的最大推力為59 N，凸輪滑塊帶動滾輪水平和豎直方向升降和往復運動。

由功率P=FV通過ADAMS后處理中的圖9和圖7曲線相乘可以求得凸輪滑塊的功率如圖10和圖11所示，凸輪滑塊的最大功率為6005N×mm/s，這個功率可以為選取氣缸功率提供參考。

為了進一步研究輸送機構在實際工作中的能耗問題，需要測出氣缸活塞桿在運動過程中的做功，根據功的物理表達式，如公式（4）所示。

圖5 凸輪滑塊受力圖

圖6 凸輪滑塊局部受力圖局部放大圖

圖7凸輪滑塊的水平速度

圖8水平和豎直方向物料的速度

對功率積分即可求出所做功，在ADAMS后處理中對功率曲線（如圖10所示）進行時間進行積分，求出對應的做功曲線圖，如圖12所示。

通過功率積分可知凸輪滑塊的做功最大值為2057 N×mm，通過仿真分析，對凸輪滑塊的受力和功率以及做功進行分析，對氣缸功率有了科學的選取，輸送機構的氣缸的選用都是根據經驗來確定，有時候會導致氣缸的能源浪費，為了更好地利用能源，根據凸輪滑塊的實際功率可以有效地節省能源浪費，為科學地選取氣缸提供了依據。

4 結論

該文設計了一種中等尺寸圓棒物料自動進給輸送機構，并利用ADAMS對其進行了相關動力學仿真，通過賦予選定的輸送速度，仿真得到了相關的的運動參數，得到氣缸的實際推力，并通過后處理得出輸送機構的運作的功率。

通過仿真得到的實際推力和機構的運動功率，并經過計算，得出氣缸的理論推力和功率，為氣缸的選型提供了理論依據，并從圓棒的運動動姿態，表明該輸送機構輸送性能安全可靠。

圖9 凸輪滑塊水平受力圖

圖10 凸輪滑塊功率圖

圖12 凸輪滑塊的做功