鋼管碼垛機移料機構設計及仿真分析

宋新環，張玉華，任 星，余智庭

(1．天津理工大學 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室 天津 300384； 2.天津理工大學 機械工程學院，天津 300384)

鋼管碼垛機移料機構設計及仿真分析

宋新環1,2，張玉華1,2，任 星2，余智庭2

(1．天津理工大學 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室 天津 300384； 2.天津理工大學 機械工程學院，天津 300384)

鋼管碼垛機是制造鋼管企業的重要設備，完成鋼管的自動碼垛和移動入庫就需要鋼管碼垛機。本文設計了一種鋼管碼垛機移料機構，對其工作原理進行了說明，利用三維建模軟件Solid Works建立鋼管碼垛移料機構的三維模型，在動力學分析軟件ADAMS中對模型進行運動仿真，通過仿真測量出機構的最大驅動力、原動件的最大功率、原動件的做功和各關鍵鉸鏈的受力情況，為機構最大驅動力的優化、電機功率的選擇、了解機構的耗能和關鍵部件的強度校核提供參考依據。

碼垛機；移料機構；建模；仿真

0 前言

鋼管在生產建設中具有十分重要的作用，隨著我國工業生產技術的進步，對鋼材的需求量日益提高，而傳統的人工包裝由于生產率低已不能滿足現代化大生產的需要；其次用戶為便于鋼材的運輸和存儲對鋼鐵產品包裝的要求也隨之提高[1]，因此研制鋼管精整包裝生產線需要的設備具有很大的現實意義和經濟價值。鋼材生產的最后一道工序就是鋼材的包裝，通常在進行打包之前需要把鋼管按照一定的規格和形式排列碼放在托架上，再進行捆扎完成打包。鋼管碼垛機就是用來完成鋼管碼垛工作的機器，要求能夠根據碼垛根數及鋼管直徑自動完成送料、計數、及堆垛的工作，由于碼垛移料時，層數不同、鋼管直徑不同以及碼垛根數不同，都會影響移料的送料速度和送料位置，同時對打包機的生產效率也起到重要作用。因此研制能完成鋼管自動碼垛及移動入庫的鋼管碼垛機移料機構顯得尤為重要。

本文對鋼管碼垛機在承載最大載荷時的工況進行仿真，即對碼垛機在同時移送7根Φ76 mm的鋼管時進行運動仿真，通過仿真為確定碼垛機在運動過程中的相關性能參數提供理論參考依據。在ADAMS仿真中求解鋼管碼垛機在運動過程中的最大驅動力、原動件的最大功率和原動件的做功，可以為后續優化提供優化目標，為確定電機功率提供理論參考依據，同時還可以了解機構的耗能情況。根據仿真測量出各關鍵鉸鏈承受的最大載荷可以為關鍵部件的校核提供參考依據。

1 工作原理

鋼管的捆扎包裝件的形式有圓形、矩形、框架式和六角形四種。其中六角形包裝件比矩形包裝形狀穩定,比框架式包裝經濟、簡便易行,比圓形包裝件外形整齊美觀,堆放時受力面大,且便于計算,故采用六角形碼垛[2]。所要碼垛鋼管的斷面尺寸Φ32 mm～Φ76 mm、長度為6～7 m，碼垛根數Φ32 mm 91根，Φ42 mm 91根，Φ48 mm 61根，Φ60 mm 37根，Φ76 mm 37根。移料機構每次移料的根數和需要打捆鋼管每層的根數是相對應的。

鋼管碼垛機移料機構具有取料、移料功能，能完成鋼管的自動碼垛及移動入庫。如圖1所示鋼管碼垛移料機構主要由升降機構和平移機構來組成，其中升降機構由液壓缸驅動，其主要作用是控制支撐板的高度及傾斜角度。平移機構是由伺服電機作為動力源，帶動支撐板做平移運動。

1.擺桿 2.支撐梁 3.支撐板 4.滑塊 5.擺桿 6.擺桿 7.活塞桿 8.液壓缸 9.電機 10.橫梁 11.鏈條 12.鏈輪 13.支座圖1 鋼管碼垛機移料機構簡圖Fig.1 Structure diagram of stacker crane conveying mechanism

圖1中升降機構由擺桿1、5、6支撐梁2、活塞桿7和液壓缸8組成，平移機構由3支撐板、4滑塊、11鏈條、12鏈輪、9電機組成。擺桿5和擺桿6固定在軸上并且相對固定，故當活塞桿7收回，推動擺桿6擺動時，機構構成平行四邊形，可使支撐梁2水平上升；反之，當活塞桿7伸出，支撐梁2將隨機構的運動水平下降。通過滾子鏈接在支撐梁2上裝配有可沿支撐梁作水平移動的支撐板3，支撐板3也可隨支撐梁2升降。滑塊4由滾子固定在橫梁上，可在橫梁上作水平移動。電機9動作帶動鏈輪11轉動，通過滑塊4帶動支撐板3沿支撐梁2水平來回移動。

送料機構工作過程可分為四個行程，第一個行程：液壓缸8動作，活塞桿7收縮，帶動擺桿6、5擺動一定角度，使支撐梁2上升，帶動支撐板3逐漸變水平而接觸鋼管(鋼管在傳送裝置上，圖中未畫出)，支撐板繼續上升一定距離，使鋼管脫離傳送裝置，液壓缸8由接近開關控制而停止運動，第一行程結束。第二個行程：伺服電機9動作帶動鏈條11傳動，帶動滑塊4做水平移動，使支撐板上的鋼管也隨之水平移動一定的距離完成第二行程動作。第三個行程：液壓缸8伸出，帶動支撐梁2下降，支撐板3也隨之下降其向上傾斜的斜面也變為向下傾斜，斜面上的鋼管也隨之移動到打包架上(圖中未畫出)，第三行程結束。第四個行程：然后伺服電機9反轉，驅動鏈輪12使鏈條9傳動，帶動滑塊4反向移動，回到起始位置，完成最后一個行程。移料機構又進入下一周期的送料工作。

2 碼垛機移料機構建模及仿真分析

2.1 移料機構三維建模

建立鋼管碼垛機移料機構模型應盡可能準確，但仿真模型在基本滿足所有工況的條件下應盡可能簡單[3]。本文首先利用三維建模軟件Solid Works建立碼垛機移料機構的三維模型，然后將其導入動力學仿真分析軟件ADAMS中，在ADAMS/View中對移料機構各桿件添加材料屬性、約束方式和相應的驅動，則移料機構的ADAMS運動仿真模型建立好，圖2為碼垛機移料機構的ADAMS運動仿真模型。

在添加約束和驅動的過程中，在ADAMS中鋼管在重力作用下會往下掉，為了表示鋼管起始位置在傳送帶上放置，在大地上建立一個與水平面平行的平面1，該平面1通過每根鋼管的中心，在每根鋼管的中心和平面1之間建立接觸力，接觸類型為Point to Plane[4]，則將鋼管放置在平面1上，由于該移料機構承載的最大鋼管直徑為Φ76 mm，單次最多移送7根鋼管，因此在ADAMS中應該對移料機構同時移送7根Φ76 mm鋼管的工況進行運動仿真。為了逼真的進行仿真分析，將鋼管懸在一定高度，在升降機構升起過程中，接觸鋼管，繼續升高一定距離把鋼管托起并一起運動，這與實際運行過程完全一致。為了控制移料機構的運動過程，首先用傳感器測得每個行程停止的時間點，然后使用ADAMS運行過程函數中的if函數對液壓缸進行控制[5]，升降機構和平移機構的運動控制函數分別為

Motion_1：IF(time-1.0115:200,0, IF(time-3.8352∶0, 0 ,IF(time-4.8467∶-200, 0,0)))

Motion_2：IF(time-1.0115:0, 0, IF(time-3.8352:-400, 0, IF(time-4.8467∶0, 0, 400)))

圖2 碼垛機移料機構ADAMS模型Fig.2 Model of stacker crane conveying mechanism based on ADAMS

在Motion_1中，0～1.0115 s：升降機構向上運動速度為200 mm/s；1.0115～3.8352 s：升降機構速度為0；3.8352～4.8467 s：升降機構向下運動速度為200 mm/s[6]；4.8467 s之后升降機構速度為0。

在Motion_2中，0～1.0115 s：平移機構速度為0；1.0115～3.8352s：平移機構向左運動速度為400 mm/s，3.8352～4.8467 s：平移機構速度為0；4.8467- 7.6704s平移機構向右運動速度為400 mm/s；7.6704 s之后平移機構速度為0。

2.2 仿真分析

在仿真時測量液壓缸推進力的變化曲線，將曲線導入到ADAMS/PostProcessor后處理中，圖3為所測量的活塞桿推進力變化曲線，得到升降機構最大推進力為48 076.517 2 N， 最大推進力可作為零件校核和機械設計的理論依據以及后續優化改進的目標。

圖3 活塞桿7推進力的變化曲線Fig.3 Propulsive force variation tendency of piston rod 7

通常對于鋼管輸送機構的電機選用都是根據經驗來確定，這樣有時會導致出現“大馬拉小車”的現象，浪費了能源，因此需要根據機構驅動所需的實際功率來選用電機，升降機構在運動中的瞬時功率曲線如圖4所示，升降機構的最大功率是9 615.1 W。平移機構在運動中瞬時功率曲線如圖5所示，平移機構的最大功率是7 207 W，通過測得的最大功率可以作為電機功率選擇的依據，避免了傳統上根據經驗來選用電機功率的做法。

圖4 活塞桿7功率的變化曲線Fig.4 Power curve of piston rod 7

圖5 平移機構電機的功率變化曲線Fig.5 Power curve of translation mechanism motor

為了進一步研究機構的驅動系統在實際工作中的能耗問題，需要測出升降機構和平移機構在運動過程中的做功，根據功的物理表達式 ，對功率積分即可求出所做功，在ADAMS/PostProcessor中對兩驅動的功率曲線進行時間上的積分，求出其對應的做功曲線，升降機構的驅動Motion_1做功曲線如圖6所示，平移機構的驅動Motion_2做功曲線如圖7所示。在圖6中可以看出，Motion_1在升降過程中做功，在橫移過程中不做功，Motion_1所做功為4172.3 J[7]；Motion_2在升降過程中不做功，在橫移過程中做功，活塞桿7所做功為4184 J，這與實際情況完全吻合。

圖6 升降機構的驅動Motion_1做功曲線Fig.6 Power curve of Motion_1 for lifting mechanism

圖7 平移機構的驅動Motion_2做功曲線Fig.7 Power curve of Motion_2 for translation mechanism

在仿真分析中，對各個關鍵鉸鏈在運動中的受力進行分析，為每個桿件的校核和設計提供參考依據，各關鍵鉸鏈的受力曲線如圖8所示。各關鍵鉸鏈的最大載荷值見表1。

圖8 各關鍵鉸鏈載荷分析Fig.8 Load analysis of each key hinge

鉸鏈ABCDEFG最大載荷/kN77.37377.22853.29644.31757.24017.82348.130

3 結論

為了設計出滿足不同工況下的鋼管碼垛機移料機構，本文對鋼管碼垛機在承受最大載荷時的工況進行運動仿真。首先利用Solid Works建立碼垛機三維模型,然后在ADAMS中對其進行運動仿真分析，通過仿真分析，求解出碼垛機的最大驅動力、原動件的最大功率和做功曲線，為鋼管碼垛機后續的優化改進、電機的選型和了解機構的能耗情況提供理論依據，同時求解出了各關鍵鉸鏈的最大載荷，為鋼管碼垛機關鍵部件的強度校核提供參考依據。

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Design and the simulation analysis of the conveying mechanism for steel pipe stacker crane

SONG Xin-huan1,2, ZHANG Yu-hua1,2,REN Xing2,YU Zhi-ting2

(1.Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System,Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China；2.School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384,China)

Steel pipe stacker crane is an important machine of steel pipe manufacturing. Stacking automatically and moving storage are completed by steel pipe tracker crane. In this paper, a conveying mechanism of steel pipe tracker crane is designed, and its working theory is described. The 3D model of the conveying mechanism of steel stacker crane is established by software Solid Works, and its motion is stimulated by software ADAMS, the maximum driving force and power, doing work of the driving link, and force condition of every key hinge, which are tested. It offers reference frame for optimizing the maximum driving force of the institution, selecting motor power, understanding energy consumption, strength checking of key parts, etc.

stacker crane; conveying mechanism; modeling; simulation

2015-09-29；

2015-11-03

宋新環(1989-)，女，漢，天津理工大學機械工程學院研究生，研究方向：機械制造及其自動化。

TH246

A

1001-196X(2016)03-0071-04