鋼材打捆包裝機器人驅動系統研究

李成群，陳龍，董小雷

(河北聯合大學機械工程學院，河北唐山 063009)

可根據兩偏心軸連接油缸兩端之間的距離L來確定油缸的大概長度。

在安裝液壓缸時，要保證在壓緊輥壓緊位置，無活塞桿腔供油。在機架上安裝好偏心軸后，安裝壓緊

輥組時，應使兩偏心軸B端處于驅動輥的內側 (如圖1所示)。如果安裝到驅動輥外側，就會出現圖3中情況，此時只有油缸的有桿腔供油時，壓緊輥才能壓緊盤條。由上面分析可知，此時液壓缸輸出的推力要比正常工作力要小，不是最佳的工作狀態。所以，在安裝油缸時，應使偏心軸的B端盡量靠近。

鋼材打捆包裝機器人驅動系統研究

李成群，陳龍，董小雷

(河北聯合大學機械工程學院，河北唐山 063009)

驅動系統是鋼材打捆包裝機器人的關鍵部件，它通過驅動輥和盤條之間的摩擦力，實現盤條的送進和抽緊。新設計的驅動系統采用了偏心軸機構，它與彈簧壓緊型驅動系統相比，克服了4個壓緊輥壓力大小不相等的缺陷。通過盤條的屈服極限來求得所需的壓緊力，進而確定壓緊輥的材料及油缸的安裝、選型的基本參數。

鋼材打捆包裝機器人;驅動系統;偏心軸

鋼材打捆包裝機器人，就是利用盤條為捆扎材料，將螺紋鋼、型鋼 (如槽鋼、角鋼、工字鋼)、帶鋼、線材等捆扎成形的設備，以便于鋼材的運輸、存儲和銷售。驅動系統是打捆機器人的關鍵部件，其設計是否合理將直接影響到鋼材打捆的質量?，F場要求打捆機器人的驅動系統要送線速度快，工作頻繁。驅動輥正轉送進時，要求盤條能迅速到位;反轉抽線時，盤條要抽緊鋼材，從而保證打捆速度和捆扎的牢固性。

1 驅動系統的結構分析

驅動系統工作過程如下:它通過PLC程序來控制液壓系統電磁換向閥的打開和關閉，實現對驅動馬達的正反轉控制，靠驅動輥和盤條之間的摩擦力，來實現盤條的送進和抽緊。如果摩擦力過大，壓緊輥需用較大的力壓緊盤條，易造成盤條變形，且影響驅動系統零件的強度和使用壽命。如果摩擦力過小，就會造成捆松、散捆等打捆缺陷。因此，在驅動輥和壓緊輥之間的摩擦因數一定的情況下，兩者之間必須有相應大小的壓力，以確保送線和抽線時，盤條與接觸面之間不會發生滑動摩擦。

彈簧壓緊型驅動系統是利用壓縮的碟型彈簧對臂桿施加壓力，來實現壓緊輥對盤條的壓緊。蝶形彈簧的壓縮量可以通過調節調整螺母的位置來改變。壓緊力的大小，除與彈簧的壓縮量有關外，還與臂桿的結構等因素有關。在實際的使用過程中，經實驗測量得出，并不能保證各個壓緊輥的壓力大小相等，且彈簧的壓縮量完全憑經驗得出，這就會使盤條的送進和抽緊沒有達到最佳效果。其布局圖如圖1(a)所示。

偏心軸型驅動系統，是把液壓系統的壓力通過偏心軸轉化為壓緊輥和驅動輥之間的壓力。其布局圖如圖1(b)所示:驅動輥由驅動馬達帶動旋轉，壓緊輥組和油缸分別通過軸承連接在偏心軸的兩端，兩偏心軸通過滾子軸承固定在機架上，通過油缸的伸縮帶動偏心軸旋轉，從而實現壓緊輥和驅動輥之間的壓緊和松開。在工作過程中，考慮到驅動輥的強度和撓度，可適當增加驅動輥的厚度。在工作面上加工兩條并行的盤條軌道，工作一段時間后，由于磨損等原因需要更換軌道時，把驅動輥拆卸下來后反過來安裝，使用另一條盤條軌道，簡單方便且節約成本。驅動系統結構簡圖如圖2所示。

圖1 鋼材打捆包裝機器人驅動系統布局圖

圖2 鋼材打捆包裝機器人驅動系統結構簡圖

此機構的優點是:(1)每組壓緊輥能實現對壓緊位置的自動調節，從而實現各個壓緊輥壓力的自適應調節，確保各個壓緊輥以相同大小的力壓緊盤條;(2)利用力矩平衡原理，選擇合適的位置，使壓緊輥對偏心軸的作用力FN的力矩L1較小，油缸的推力FP對偏心軸的力矩L2較大，用較小的推力就可實現較大的壓緊力;(3)相對于彈簧而言，液壓系統能提供較大的推力;(4)該結構不僅在棒材打捆包裝機器人上應用狀況良好，同樣也可應用于鋼帶打捆設備的驅動系統。

2 油缸選型主要參數的確定及安裝

在選擇液壓缸型號時，首先根據工作條件和液壓缸在機構中所要執行的任務來選擇液壓缸的類型和結構，然后按工作要求 (輸出的力、速度和行程)來計算液壓缸的結構尺寸。根據現場實際應用可知，此機構可選擇雙作用單活塞桿液壓缸，根據輸出力的大小來確定液壓缸的基本尺寸。

2.1 油缸缸筒內壁的確定

為避免打捆包裝機器人在捆扎鋼捆時有散捆、捆松的現象，驅動系統必須給盤條提供足夠的拉力以使其抱緊鋼捆，但拉力的最大值應避免將盤條拉斷，故用盤條的屈服極限來計算驅動系統拉力的最大值，所選油缸的輸出拉力小于其極限拉力即可。該驅動系統采用直徑為φ6、材料為Q235的熱軋盤條，可計算達到盤條屈服極限的極限抽緊力為:

式中:σS為Q235的屈服極限，查機械設計手冊取σS=235 MPa;

μ為驅動輥和盤條之間的摩擦因數，查相關資料取μ=0.13。

由圖1可知，油缸的兩端分別連接在兩個結構相同的偏心軸上，所以，油缸傳遞給兩個偏心軸的推力FP大小相等、方向相反。壓緊輥組傳遞給偏心軸的力為FN，由力矩平衡原理可知:

由于壓緊輥支架是對稱結構，且兩個壓緊輥大小一樣，由力的合成與分解可知:

缸筒的內徑D可以根據油缸的推力FP來計算，在給定液壓系統工作壓力后 (設回油背壓為零)，應滿足以下關系式:

式中:p為液壓缸的工作壓力，工作現場液壓系統的可提供的壓力一般為8～10 MPa;

ηm為液壓缸的機械效率，一般取ηm=0.95。

由于Ff是把盤條拉斷的力，此力比需求的拉力要大，考慮到驅動輥和壓緊輥的強度以及軸承的壽命等因素，實際所選的油缸缸筒直徑要比計算出的缸筒內徑D小，以適當減小拉緊力Ff的值。

2.2 活塞桿直徑的確定

確定活塞桿直徑d時，通常先滿足液壓缸往返速比，然后再校核其結構強度和穩定性。若速比為φ，則有:

2.3 油缸長度的確定

可根據兩偏心軸連接油缸兩端之間的距離L來確定油缸的大概長度。

2.4 油缸的安裝要求

在安裝液壓缸時，要保證在壓緊輥壓緊位置，無活塞桿腔供油。在機架上安裝好偏心軸后，安裝壓緊

輥組時，應使兩偏心軸B端處于驅動輥的內側 (如圖1所示)。如果安裝到驅動輥外側，就會出現圖3中情況，此時只有油缸的有桿腔供油時，壓緊輥才能壓緊盤條。由上面分析可知，此時液壓缸輸出的推力要比正常工作力要小，不是最佳的工作狀態。所以，在安裝油缸時，應使偏心軸的B端盡量靠近。

圖3 有桿腔供油驅動系統

3 驅動輥和壓緊輥材料的確定

由于驅動輥和壓緊輥在工作過程中承受較大的壓力，往返動作頻繁且工作時間較長，這就對驅動輥和壓緊輥材料的綜合力學性能提出了較高的要求。作者采用高碳鉻軸承鋼GCr15，它是一種合金含量較少、具有良好力學性能、應用最廣泛的高碳鉻軸承鋼。為滿足對材料硬度的要求，需對零件進行球化退火，淬火后硬度達到HRC58～62。此外，該機構對零件的耐磨性和抗咬合性也有一定的要求，可以對兩零件與盤條接觸的關鍵表面進行表面滲氮處理，深度為0.55～0.6 mm，關鍵表面的維氏硬度達到HV800～820，這樣零件就具有了高而均勻的硬度、良好的耐磨性和較高的接觸疲勞強度。

4 結論

鋼材打捆包裝機器人的偏心軸型驅動系統與彈簧壓緊型驅動系統相比，能使鋼材達到更佳的打捆效果。它通過偏心軸來實現位置和壓緊力的自動調節，保證4個壓緊輥壓力的大小相等。利用盤條屈服極限來求得所需的油缸推力，進而選擇合適的油缸型號。根據受力的大小、材料的力學性能和經濟性等因素，來確定零件結構設計、材料的選擇和適當的熱處理。此機構經現場使用后效果良好。

【1】李壯云.液壓元件與系統［M］.北京:機械工業出版社，2008.

【2】裴忠才.鋼材全自動打捆機的研制［R］.北京:北京航空航天大學博士后出站報告，1999.

【3】魏春雨，高興岐，薛鳳英，等.打捆機驅動系統的設計和受力分析［J］.機械設計與制造工程，2002(4):72－73.

【4】成大先.機械設計手冊［M］.北京:化學工業出版社，2008.

Research on Drive System of Steel Bale Packaging Robot

LIChengqun，CHEN Long，DONG Xiaolei
(School of Mechanical Engineering，Hebei United University，Tangshan Hebei063009，China)

The drive system is a key componentof steel bale packaging robot.Thewire rod is fed and tightened by the friction of drive roller.Compared with the type of spring-loaded drive system，the new drive system overcomes the defectof press notequal.The pressure was calculated by using yield limit of the wire rod.The design included material selection，basic parameters calculation and installation of cylinder.

Steel bale packaging robot;Driven system;Eccentric shaft

TP271+.31

A

1001－3881(2013)8－021－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.008

2012－02－16

李成群 (1963—)，男，副教授，從事機器人技術、機械系統動力學、工業控制和測試技術方面的研究。E－mail:tychenlong@126.com。