一種單行程吊鉤式拋丸機自動送料機的結構設計與控制

修學強

(陜西國防工業職業技術學院機電工程學院，陜西西安710300)

0 前言

一個國家制造業水平的高低取決于自動化程度如何，自動化程度越高，勞動生產率便越高，本文作者設計的自動送料機是專為吊鉤式拋丸機開發的一種全自動送料裝置，不僅可以節省大量繁重的搬運勞動，還可以為不同結構、不同類型的中小工件如復雜缸體缸蓋、電機外殼、曲軸、蝸桿等零部件進行混合傳送、抓舉和搬運。該設備還可為機加、鑄造、鍛造等工業生產提供借鑒。

1 結構設計

1.1 總裝設計

單行程吊鉤式拋丸機的工作次序為吊鉤上料→等待加工→拋丸處理→處理后吊出→出料等待→吊鉤下料→下料等待→吊鉤上料依次循環工作，文中所設計的自動送料機主要是完成將已加工工件通過該設備自動送至拋丸機吊鉤上料區的過程，隨后工件隨吊鉤運行至拋丸機，實現定點拋丸工序，生產效率高，運行可靠，減少了工人繁重的搬運勞動，具體工作過程如圖1 所示。

圖1 自動送料機總裝圖

首先將來料送至右側工件傳送臺上，當側面的光電傳感器檢測到工作臺上有工件后，驅動電機旋轉。電機頂部安裝一個斜齒輪減速器，該減速器采用優質高強度合金鋼，承載能力強、體積小、質量輕、效率高，通過電機旋轉帶動斜齒輪減速器，其輸出轉矩大、運動比較平穩，可以穩定地帶動絲杠做旋轉運動，螺母在絲杠上做直線運動，將工件運送至機械手下方，搬運機械手抓舉工件后沿立柱做180°旋轉，將工件放至在吊鉤上料區，等待拋丸機吊鉤開始完成拋丸工藝處理。

1.2 機械手(臂)的結構設計

如圖2 所示為搬運機械手結構圖，該機械手由伺服電機、滑臺、導軌、液壓缸、立柱等部分構成，其手部用來夾持、抓舉來自工作傳送臺上的工件，根據工件的尺寸和形狀通過驅動旁側的液壓缸來進行抓舉，抓舉工件后可以沿著滑臺做上下直線運動和頂部的橫向導軌做左右直線運動，整個機械手可以完成3自由度的運動和變化，位置反饋控制由伺服電機和旋轉編碼器完成，控制系統核心由PLC 及變頻器PID構成。待位置確定后，沿立柱做180°逆時針旋轉運動，將工件放置在吊鉤上料區平臺上，等拋丸機完成上一批次工件的拋丸工藝后，拋丸機吊鉤開始在上料區平臺上吊運工件，完成本批次的拋丸工藝。

圖2 搬運機械手結構圖

1.3 工件傳送臺結構

如圖3 所示為工件傳送臺的結構，從結構上可以看出，其傳送核心機構為絲杠螺母副，電機通過帶動斜齒輪減速器，將電機的高速低轉矩轉化為低速高轉矩，可以獲得比較平穩的大轉矩輸出，通過聯軸器24 帶動絲杠開始旋轉，在絲杠20 旋轉過程中，螺母座23 做直線運動，同時帶動兩側的支撐塊同步沿著直線導軌21 做直線運動，在兩側支撐塊的上方安裝一個物料臺(圖中未畫出)，工件便存放在這個物料臺內隨螺母座的運動而同步運動。

圖3 傳送臺的結構設計

2 支承結構分析

設備主要搬運工件為中小尺寸工件，回轉類零件尺寸范圍為φ5 ～φ40 mm，箱體類零件尺寸范圍10 ～200 mm (最大邊尺寸)，承載載荷是主要考慮的問題，關于傳送臺支承結構設計考慮有4 種方法:一是在絲杠(圖3 中20)的一端裝止推軸承，另一端懸空;二是在一端裝止推軸承，另一端裝向心球軸承;三是其兩端安裝止推軸承并施加適當的預緊;四是兩端安裝雙列深溝球軸承。

由于設備運行過程中絲杠的自重和螺母座、工件等的質量，使絲杠會產生一定的彎曲變形，其彎曲變形量雖然比較小，但是在形狀位置精度要求很高時，這些變形量不可避免地會影響其輸送的精度，因此對不同支承方式進行力學建模，并根據力學模型求取變形量的數學表示，取得最優化的結果。

2.1 力學模型建立

第一種安裝方式簡化等效為承受分布載荷一端固定，一端懸空的懸臂梁，其彎曲曲線圖如圖4 所示;第二種方式簡化等效為承受分布載荷一端固定，一端為活動鉸鏈的超靜定梁，其彎曲曲線如圖5 所示;第三種方式簡化等效為承受分布載荷一端為固定鉸鏈，一端為活動鉸鏈的靜定梁，其彎曲曲線如圖6 所示;第四種方式可簡化等效為承受分布載荷兩端固定的超靜定梁，其彎曲曲線如圖7 所示。

圖4 第一種安裝方式力學模型及彎曲曲線圖

圖5 第二種安裝方式力學模型及彎曲曲線圖

圖6 第三種安裝方式力學模型及彎曲曲線圖

圖7 第四種安裝方式力學模型及彎曲曲線圖

2.2 曲線方程分析

根據參考文獻中梁彎曲曲線的常微分方程:

EIy″=M(x)

式中:y″為彎曲曲線的二階導數，y'為梁在所求截面的轉角，y 為自重引起的彎曲變形量;I 為絲杠截面慣性矩。

圖4 得到的彎曲曲線方程為:

圖5 得到的曲線方程為:

通過計算可知在位置x =0.421 5l 處，彎曲變形量最大

圖6 得到的彎曲曲線方程為:

圖7 得到的彎曲曲線方程為:

2.3 結論

通過彎曲曲線方程可以知道第四種安裝方式所產生的彎曲變形量最小，同時也是支承結構最為穩定的，但是在傳送臺絲杠的兩側加裝兩對四個軸承無形中增加了絲杠的自重，同時也對設備運動的靈活性產生一定負面的影響。為了保證設備運行的連貫性，選用第一種安裝方式，但是由于一端懸空所形成的懸臂梁結構會給靠近電機一側產生非常大的變形量，為了減小變形量，給靠近電機一側的絲杠端加裝對開軸瓦式滑動軸承，通過對滑動軸承進行潤滑，可以保證設備在足夠剛度的同時也能夠靈活準確地完成對應的運動過程。

3 控制要求與實現

該設備的控制主要由PLC 完成，由自動/手動、啟動、驅動(點動)、停止、急停5 個按鈕構成設備的運行控制狀態，自動/手動按鈕主要確定傳送臺與搬運機械手是否聯機同步運行，如撥動到手動狀態下，兩部分結構各自獨立運行，便于出現故障查找原因，由于手動狀態主要是用于調整設備的功能狀態，在這里簡單地介紹一下自動控制過程要求。

(1)能與拋丸機的運行狀態相匹配，即與拋丸機能夠完成信息交換;

(2)能夠自動調整送料速度，自動識別來料的尺寸，這就需要對傳送臺電機加以變頻器進行控制，并且通過多方位安裝接近開關和光纖傳感器來檢測來料的尺寸范圍;

(3)能夠自動識別無料或缺料的狀態，能夠無料報警和故障報警，可根據工廠的實際要求增加運行狀態指示燈，通過運行狀態指示燈可迅速反饋設備的運行狀態和故障狀態;

(4)機械手有停機記憶位置的功能，在突然斷電或系統故障時，能夠繼續停留在停止工作前位置，待重新通電或系統維護結束后能夠按原有步驟繼續進行下一步工作，防止出現斷電時機械手突然張開等不安全現象，傳送臺應有停機復位功能，當突然斷電時可保持在原位不動，待通電后迅速回到起始位置，重新完成工件的傳送任務;

(5)機械手搬運、夾緊過程中，液壓缸的夾緊、松開必須要與伺服電機同步;

(6)設備調至自動運行之前先手動運行，通過手動模擬運轉，各功能部件運轉正常以后可調整至自動擋下運行。

4 結束語

經過設計和分析后，可以發現該單行程吊鉤式拋丸機自動送料機能夠滿足生產需要，自動化程度高，其不僅可以作為拋丸機的自動送料機，還可以作為普通機床、數控機床、鑄造設備、鍛壓設備的自動送料裝置，可以取得良好的社會和經濟效益，值得推廣應用。作者后期還將繼續通過組態與通信的方式對設備進行控制系統優化、模擬實施狀態，利用ANSYS 對設備的力學狀態進一步系統化分析。

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