直角運(yùn)輸軌道的研究

辛 靜，趙高暉，楊 雷，白國振，楊培培

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

直角運(yùn)輸軌道的研究

辛 靜，趙高暉，楊 雷，白國振，楊培培

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

介紹了目前物料運(yùn)輸軌道直角換軌方式的研究現(xiàn)狀，并設(shè)計(jì)了一種新型的，便于自動(dòng)化、數(shù)字化控制的直角換向運(yùn)輸系統(tǒng)。在相互垂直的軌道交叉點(diǎn)處不需要圓形轉(zhuǎn)盤和提升裝置，該系統(tǒng)的運(yùn)輸方式是通過伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，依靠其工作臺(tái)底部的嚙合齒與齒形帶的齒條嚙合，進(jìn)行90°轉(zhuǎn)彎換向，適用于要求數(shù)字化控制，運(yùn)輸精度高的自動(dòng)化生產(chǎn)線上。

數(shù)字控制；直角軌道；單向換軌

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和提高，企業(yè)生產(chǎn)循環(huán)輸送流水線逐漸向自動(dòng)化、數(shù)字化方向發(fā)展。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，直角軌道運(yùn)輸方式主要有電動(dòng)轉(zhuǎn)盤換軌方式、雙輸送車換軌方式、交叉軌道轉(zhuǎn)運(yùn)車運(yùn)輸方式組成。這三種典型的直角運(yùn)輸軌道，實(shí)現(xiàn)了直角轉(zhuǎn)彎運(yùn)輸，為工業(yè)生產(chǎn)帶來了很大的便利，但較難達(dá)到精度要求高的直角回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且空間需求大，適用于重工業(yè)或者精度要求不高的工業(yè)生產(chǎn)。目前工廠加工、裝配、包裝等生產(chǎn)線上依然傾向直線軌道來實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)輸。直線運(yùn)輸方式優(yōu)點(diǎn)是成本低，但不能在X/Y方向上獨(dú)立分開運(yùn)動(dòng)，且精度難以控制。

2 直角軌道的研究現(xiàn)狀

圖1 電動(dòng)轉(zhuǎn)盤換軌運(yùn)輸

（1）電動(dòng)轉(zhuǎn)盤換軌方式運(yùn)輸。電動(dòng)轉(zhuǎn)盤換軌方式的運(yùn)輸方式如圖1所示。電動(dòng)轉(zhuǎn)盤換軌主要是由蓄電池提供動(dòng)力，直流電機(jī)作為牽引，采用電器控制系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)運(yùn)電動(dòng)平車的運(yùn)動(dòng)過程。轉(zhuǎn)運(yùn)車沿著直行軌道行駛，轉(zhuǎn)盤上的軌道與直行軌道對(duì)接，當(dāng)轉(zhuǎn)運(yùn)車走到相互垂直的軌道交叉點(diǎn)，即轉(zhuǎn)盤所在的位置處，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)90°，轉(zhuǎn)盤上的軌道與另一條直線軌道對(duì)接從而實(shí)現(xiàn)90°換軌轉(zhuǎn)向運(yùn)輸。

（2）雙輸送車換軌方式運(yùn)輸。雙輸送車換軌方式運(yùn)輸方式如圖2所示，該轉(zhuǎn)運(yùn)方式主要靠上下兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)有軌轉(zhuǎn)向。輸送系統(tǒng)包括上下兩層軌道、下層平板車和上層運(yùn)輸物料車。下層平板車臺(tái)面上鋪有與前進(jìn)方向垂直的軌道，車體只有前進(jìn)后退功能，上層電車帶有四個(gè)滾輪。工作原理為下層的平板車在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿著下層軌道前進(jìn)，當(dāng)平板車臺(tái)面上的軌道與上層軌道對(duì)接時(shí)，上層轉(zhuǎn)運(yùn)車在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿著上層軌道前進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)90°轉(zhuǎn)彎運(yùn)輸。

圖2 雙輸送車換軌方式運(yùn)輸

圖3 交叉軌道轉(zhuǎn)運(yùn)車運(yùn)輸

（3）交叉軌道轉(zhuǎn)運(yùn)車運(yùn)輸。交叉軌道轉(zhuǎn)運(yùn)車如圖3所示，工作原理：車身的換軌控制模塊與車身通過轉(zhuǎn)動(dòng)換向裝置進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，當(dāng)需要轉(zhuǎn)向換軌時(shí)通過提升裝置使車輪離開軌道，然后在人力或者電動(dòng)馬達(dá)的操作下將車輪轉(zhuǎn)動(dòng)90°，最后在另外一組軌道上定位落車，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)車沿垂直軌道運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)直角轉(zhuǎn)彎的換軌運(yùn)輸功能。

以上三種直角轉(zhuǎn)彎運(yùn)輸方式在一定程度上解決了直角轉(zhuǎn)彎問題，適用場合為精度要求不高的重工企業(yè)，車間運(yùn)輸工件的各系列軌道。問題是鋪設(shè)軌道需求面積較大，使用場地不夠靈活，投入成本較高，不適合用于自動(dòng)化和精度要求較高的運(yùn)輸和生產(chǎn)。在自動(dòng)化和精度要求高的行業(yè)仍是通過運(yùn)動(dòng)部件在直線軌道上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)輸或加工，但又因?yàn)橹本€軌道受空間位置和行程的限制，使運(yùn)動(dòng)部件無法完成較為精確直角回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3 一種自動(dòng)化直角軌道運(yùn)輸設(shè)計(jì)

現(xiàn)介紹一種NC（Numerical Control，數(shù)字控制）自動(dòng)化直角軌道技術(shù)，總體設(shè)計(jì)圖如圖4所示。該NC自動(dòng)化直角軌道可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、數(shù)字化運(yùn)輸，在相互垂直的軌道交叉點(diǎn)處不需要轉(zhuǎn)盤、提升裝置或其他裝置，通過一種數(shù)字化控制的伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)高精度。此換軌方式比較適合于要求數(shù)字化控制，運(yùn)輸精度要求高的自動(dòng)化生產(chǎn)線上，在直角回轉(zhuǎn)體的工作臺(tái)上可以裝配工業(yè)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)集成循環(huán)運(yùn)輸?shù)纳a(chǎn)模式。

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。直角軌道如圖4所示，該軌道運(yùn)輸方式包括支撐部分、驅(qū)動(dòng)部分、傳動(dòng)部分和感應(yīng)部分共4部分。具體如下：①支撐部分：形成直角的X向支撐部和Y向支撐部；②驅(qū)動(dòng)部分：位于所述X向支撐部和所述Y向支撐部的端口，用于驅(qū)動(dòng)所述運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)；③傳動(dòng)部分：結(jié)構(gòu)和所述運(yùn)動(dòng)部件底端的結(jié)構(gòu)相匹配，用于引導(dǎo)所述運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)；④感應(yīng)部分：位于所述直角軌道的直角交叉口處，運(yùn)動(dòng)部件上有感應(yīng)元件，兩者配合使用可檢測所述運(yùn)動(dòng)部件的位置。

圖4 NC自動(dòng)化直角軌道總圖

（2）自動(dòng)化直角軌道的工作原理。齒形帶兩末端安裝的是伺服電機(jī)，線體在齒形帶和鈑金殼組合的軌道內(nèi)部，NC自動(dòng)化直角軌道包括X/Y軸，兩個(gè)方向上均采用齒形帶傳送。直角軌道交叉處，工作臺(tái)底面互相垂直的齒分別與相鄰兩軸的齒形帶上的齒處于嚙合狀態(tài)，為保證工作臺(tái)與齒形帶嚙合跳動(dòng)帶來的誤差，在設(shè)計(jì)過程需要將工作臺(tái)與X/Y軸軌道配合緊密，為了增加穩(wěn)定性和導(dǎo)向性在直角內(nèi)部設(shè)有萬向輪。在換向處通過工作臺(tái)碰撞X/Y軸上的觸位點(diǎn)控制伺服電機(jī)的啟動(dòng)和停止，同時(shí)為保證在兩垂直齒形換向成功，在觸位點(diǎn)碰撞時(shí)，伺服電機(jī)所帶動(dòng)的齒形帶有短暫的歸零設(shè)置。可以根據(jù)實(shí)際情況，如實(shí)際需求精確較高的情況下，可以將齒形帶改成絲杠、滑塊機(jī)構(gòu)。

具體步驟：假設(shè)工作臺(tái)從X軸末端開始運(yùn)動(dòng)，即X軸末端伺服電機(jī)啟動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)Y軸末端的伺服電機(jī)是停止?fàn)顟B(tài)，在齒形帶的牽引下，工作臺(tái)如圖5所示，沿X軸方向平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)工作臺(tái)即將達(dá)到直角交叉口處，工作臺(tái)上的觸位點(diǎn)會(huì)與鈑金殼上的觸位點(diǎn)發(fā)生碰撞，同時(shí)傳感器檢測工作臺(tái)位置，X/Y兩軸軸方向的伺服電機(jī)會(huì)做一個(gè)短暫的歸零處理，確保工作臺(tái)Y軸嚙合齒與鈑金的Y軸嚙合齒，在誤差允許范圍內(nèi)嚙合，同時(shí)工作臺(tái)上的X軸嚙合齒與鈑金的X軸嚙合齒，恰好脫離，此時(shí)工作臺(tái)從Y軸方向開始運(yùn)動(dòng)，即Y軸端的伺服電機(jī)啟動(dòng)，X軸末端的伺服電機(jī)停止。當(dāng)?shù)竭_(dá)Y軸末端時(shí)，就達(dá)到周期的一半。同樣的原理回程到X軸末端，進(jìn)而達(dá)到循環(huán)往復(fù)的過程，與此同時(shí)由于數(shù)字控制的伺服電機(jī)交替動(dòng)作和傳感器的測量反饋，實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)的自動(dòng)化生產(chǎn)。

圖5 工作臺(tái)底部結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語

對(duì)比現(xiàn)有的軌道直角轉(zhuǎn)運(yùn)方式和該NC自動(dòng)化直角軌道轉(zhuǎn)運(yùn)方式,其最大的優(yōu)點(diǎn)是在數(shù)字化控制的條件下運(yùn)行精度較高，在需要換軌時(shí)工作臺(tái)通過感應(yīng)器的感應(yīng)自動(dòng)定位換軌而無需人工操作，省時(shí)省力、操作方便，降低了軌道的空間要求，適用于自動(dòng)化生產(chǎn)流水線和軌道精度要求高的領(lǐng)域內(nèi)。可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制自動(dòng)化換向，而且縮小了軌道空間和投入成本。

［1］葛兆星.在軌換向多功能貨物輸送車在交叉軌道場所輸送中的運(yùn)用［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2016，（11）：62-64.

［2］劉英華，周中平，劉鳴放.多種類型的直角轉(zhuǎn)彎刮板輸送機(jī)［J］.中州煤炭，1997，（3）：29-32.

［3］楊雷，白國振，楊培培，等.一種NC自動(dòng)化直角軌道［P］.中國專利：201510024652.3，2015-06-17.

Research on Right-angle Transportation Track

XIN Jing，ZHAO Gao-hui，YANG Lei，BAI Guo-zhen，YANG Pei-pei
（School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science&Technology，Shanghai 200093，China）

This paper introduces the current research situation of the right angle changing method of material transportation track，and designs a new type of right angle commutation transport system which is convenient for automation and digital control. There is no need for a circular turntable and a lifting device at a crossroads perpendicular to each other.The system is conveyed by a servo motor，turning ninety angle by the teeth corresponding to the toothed belt by means of the engaging teeth in the vertical direction of the bottom of the table.The system can be used for automated production lines that require digital control and high transport accuracy.

digital control；right angle orbit；one-way in rail

TP23

A

2095-980X（2017）02-0052-02

2017-02-25

辛靜（1991-），山東安丘人，碩士研究生，主要研究方向：數(shù)控技術(shù)。