基于ADAMS T型電梯導(dǎo)軌鋼疊鋼裝置設(shè)計及仿真

董 岱 衛(wèi) 衛(wèi) 石海軍 武兆平

(1:中冶華天工程技術(shù)有限公司 南京210019；2:南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院 南京210094)

1 前言

隨著人力成本及型鋼生產(chǎn)線自動化智能化要求的不斷提高，越來越多的生產(chǎn)線開始采用自動碼垛工藝。常用的型鋼中槽鋼、角鋼、H型鋼等的自動化碼垛工藝已有較為廣泛應(yīng)用，但是T型電梯導(dǎo)軌鋼卻因為斷面形狀特殊，而較難實現(xiàn)自動化碼垛[1]。

某T型導(dǎo)軌鋼生產(chǎn)線擬研制自動碼垛系統(tǒng)，由于導(dǎo)軌鋼截面形狀的特點及碼垛垛型的要求，在碼垛機自動碼垛之前，需要進行疊鋼操作，即將多根T型導(dǎo)軌鋼按次序疊放形成一組，以備碼垛機碼垛。疊鋼操作是T型導(dǎo)軌鋼自動碼垛的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因而疊鋼裝置的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及功能對自動碼垛的質(zhì)量及效率有較大影響。

目前型鋼碼垛的研究主要集中在角鋼、槽鋼和H型鋼等自動碼垛系統(tǒng)[2-6]。動力學(xué)仿真軟件ADAMS在型鋼碼垛裝置的研究中被廣泛采用。王琪等[7]采用ADAMS軟件中的參數(shù)化建模和分析功能,實現(xiàn)碼垛機器人機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,提高了機構(gòu)設(shè)計的效率,縮短了設(shè)計周期。朱鎮(zhèn)鐘等[8]基于ADAMS軟件對型鋼堆垛機小車機構(gòu)進行運動學(xué)仿真，獲得小車機構(gòu)的可行參數(shù)和運動特性，為小車結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。針對T型電梯導(dǎo)軌鋼自動碼垛裝置研究的報道較少，自動化碼垛系統(tǒng)設(shè)備及工藝都還存在一定問題，有待進一步研究。

本文針對T型電梯導(dǎo)軌鋼自動碼垛系統(tǒng)中的疊鋼裝置的功能需求，提出了一種疊鋼裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過理論分析得到其運動學(xué)模型，運用動力學(xué)仿真軟件ADAMS對疊鋼裝置的疊鋼過程進行仿真，得到裝置疊鋼過程中驅(qū)動力、速度、位移等關(guān)鍵參數(shù)，為疊鋼裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制提供了參考依據(jù)。

2 疊鋼裝置動作設(shè)計

T型電梯導(dǎo)軌鋼自動碼垛的垛型如圖1所示，其通過碼垛基本單元正反碼垛操作形成，為了得到碼垛基本單元，則需要疊鋼操作。導(dǎo)軌鋼生產(chǎn)線生產(chǎn)的成品導(dǎo)軌鋼依次輸送到碼垛操作區(qū)，經(jīng)過翻鋼/疊鋼/碼垛等操作形成最終垛型。疊鋼作為其中一個關(guān)鍵的操作，其功能是將導(dǎo)軌鋼依次堆疊形成碼垛基本單元。

為了實現(xiàn)疊鋼操作，根據(jù)導(dǎo)軌鋼的輸送方式及結(jié)構(gòu)特點，將疊鋼操作過程分解為為擋鋼、抬鋼和拍鋼三個過程，如圖2所示。疊鋼過程可簡述為：電梯導(dǎo)軌鋼沿著輸送鏈輸送，首先擋鋼機構(gòu)將第一根導(dǎo)軌鋼擋住，當(dāng)?shù)诙鶎?dǎo)軌鋼運動到與第一根導(dǎo)軌鋼接觸時，抬鋼機構(gòu)將其從底端抬起，這時推鋼機構(gòu)動作，從一側(cè)推動導(dǎo)軌鋼，使第二根鋼疊放到第一根鋼上，擋鋼機構(gòu)沿著輸送方向運動一根鋼的寬度，然后重復(fù)上述過程，直到完成要求的疊鋼數(shù)量。

圖1 垛型示意圖

圖2 疊鋼過程分解

3 疊鋼裝置設(shè)計

根據(jù)電梯導(dǎo)軌鋼疊鋼過程的操作要求，提出疊鋼裝置的總體設(shè)計如圖3所示，主要包括支架、輸送鏈、擋鋼裝置、抬鋼裝置、推缸裝置等，其機構(gòu)原理簡圖如圖4所示。疊鋼裝置的工作原理為：電梯導(dǎo)軌鋼沿著輸送鏈輸送，當(dāng)首第一根導(dǎo)軌鋼到達疊鋼位置時，擋鋼裝置的伸縮擋頭伸出將其擋?。划?dāng)?shù)诙鶎?dǎo)軌鋼運動到與第一根導(dǎo)軌鋼接觸時，抬鋼液壓缸驅(qū)動抬鋼擺桿將其從底端抬起，這時推鋼液壓缸推動推鋼擺桿，從一側(cè)推動導(dǎo)軌鋼，使第二根鋼疊放到第一根鋼上，這時抬鋼裝置和推鋼裝置返回初始位置，擋鋼裝置在擋鋼液壓缸的驅(qū)動下沿輸送方向移動一根導(dǎo)軌鋼的寬度，然后重復(fù)上述疊鋼過程，直到完成一組碼垛基本單元所需的疊鋼數(shù)量。

圖3 疊鋼裝置結(jié)構(gòu)圖

圖4 疊鋼機構(gòu)原理圖

單次疊鋼過程需要實現(xiàn)導(dǎo)軌鋼的兩次水平運動和一次上升運動，這里設(shè)計的擋鋼機構(gòu)、抬鋼機構(gòu)和推鋼機構(gòu)，從原理上都可簡化為液壓缸驅(qū)動的擺桿機構(gòu)(圖5所示)，利用擺桿端部的圓弧運動軌跡來近似滿足疊鋼操作過程中所需的導(dǎo)軌鋼直線運動軌跡，大大簡化了疊鋼機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時提高了其可靠性。

由擋鋼機構(gòu)連桿幾何關(guān)系(圖5)可得，擋鋼擺桿頂點A的位置可表示為：

圖5 疊鋼連桿機構(gòu)原理簡圖

x1A=(L11+L12)cos(θ0+θ1)

(1)

y1A=(L11+L12)sin(θ0+θ1)

(2)

其中：

(3)

Lc1=Lc10+ΔL1

(4)

式中：Lc10-擋鋼液壓缸初始長度;

ΔL1-擋鋼液壓缸伸長量。

同理，可得抬鋼擺桿頂點B的位置可表示為：

x2B=L22cos(α1+Δα)

(5)

y2B=L22sin(α1+Δα)

(6)

其中

(7)

Lc2=Lc20+ΔL2

(8)

式中：Lc20-抬鋼液壓缸初始長度;

ΔL2-抬鋼液壓缸伸長量。

推缸擺桿頂點C的位置可表示為：

x3C=L32cos(β)

(9)

y3C=L32sin(β)

(10)

其中

(11)

Lc3=Lc30+ΔL3

(12)

式中：Lc30-推鋼液壓缸初始長度，

ΔL3-推鋼液壓缸伸長量。

綜合式(1)-(12)可以得到擋鋼、抬鋼和拍鋼裝置位移與驅(qū)動液壓缸活塞缸伸長量之間的關(guān)系。

4 疊鋼裝置仿真

為驗證所設(shè)計的疊鋼裝置的疊鋼功能，研究疊鋼過程中各機構(gòu)的運動及受力情況，運用動力學(xué)仿真軟件ADAMS對疊鋼裝置疊鋼過程進行仿真。

4.1 仿真模型

為了方便仿真計算，對仿真模型做如下基本簡化：

1)各構(gòu)件進行多體動力學(xué)分析過程中均視為剛體；

2)設(shè)定液壓缸的驅(qū)動過程為先加速、再勻速、后減速過程；

3)暫不考慮軸承游隙、加工制造誤差及裝配誤差等不確定因素；

4)對輸送鏈的結(jié)構(gòu)進行簡化，通過設(shè)置輸送鏈與導(dǎo)軌鋼的摩擦參數(shù)來模擬實際的輸送過程。

根據(jù)所設(shè)計的擋鋼裝置基本結(jié)構(gòu)，建立其主要運動部件的三維模型，包括驅(qū)動液壓缸、連桿、輸送鏈簡化模型和導(dǎo)軌鋼模型等，然后導(dǎo)入ADAMS軟件，進行約束、運動及力等參數(shù)的設(shè)置，其仿真模型如圖6所示。導(dǎo)軌鋼放置在輸送鏈上，輸送鏈設(shè)置恒定運動速度，通過導(dǎo)軌鋼與輸送鏈之間的摩擦來驅(qū)動導(dǎo)軌鋼向前運動。對于擋鋼、拍鋼和抬鋼液壓缸的運動，采用設(shè)定位移曲線的方法[9]。

根據(jù)疊鋼操作過程的節(jié)奏要求，設(shè)置T75導(dǎo)軌鋼疊鋼操作時抬鋼、推鋼和擋鋼液壓缸的位移曲線如圖7所示，這里設(shè)置抬鋼和推鋼液壓缸伸出和縮回過程均為1s，即抬鋼升起和落下時間均為1s，擋鋼液壓缸主要時驅(qū)動氣動升降擋頭平移，從而實現(xiàn)多次疊鋼操作，其位移發(fā)生在當(dāng)根導(dǎo)軌鋼疊鋼完成后。疊鋼過程中，抬鋼和推鋼這兩個動作需要配合操作，理論上需要抬鋼之后拍鋼，但從方正過程可知，為了縮短疊鋼動作整體耗時，實際控制時，抬鋼和推鋼兩個液壓缸可以同時動作，但要保證抬鋼終位時間不晚于推鋼終位時間。

圖6 疊鋼裝置仿真模型

1-輸送鏈;2-氣動擋頭;3-T型導(dǎo)軌鋼;4-抬鋼機構(gòu);5-擋鋼機構(gòu);6-擋鋼液壓缸;7-拍鋼機構(gòu);8-拍鋼液壓缸;9-抬鋼液壓缸

圖7 液壓缸位移曲線

圖8 液壓缸推力曲線

4.2 仿真結(jié)果及分析

T75導(dǎo)軌鋼疊鋼過程中液壓缸的輸出推力如圖8所示。由于在疊鋼過程中，導(dǎo)軌鋼與疊鋼裝置存在接觸和分離過程，因此仿真過程中存在運動剛體的接觸問題，存在較多的沖擊力，故力曲線存在脈沖尖峰。從抬鋼液壓缸推力曲線可以看出，抬鋼裝置將導(dǎo)軌鋼抬起過程中其推力逐漸增大，待導(dǎo)軌鋼被推鋼裝置推動疊放到前一根導(dǎo)軌鋼時，導(dǎo)軌鋼姿態(tài)翻轉(zhuǎn)，其重力主要由輸送鏈承擔(dān)，此時抬鋼裝置推力急速減小，抬鋼過程中推力整體在2000N以內(nèi)。從推鋼液壓缸的推力曲線可以看出，推力先減小后增大，從曲線可以看出在推鋼裝置與導(dǎo)軌鋼接觸時，推力曲線出現(xiàn)明顯的脈沖尖峰，這說明推鋼接觸階段存在較大的沖擊，因此要控制推鋼裝置的運動速度，以減小沖擊。

圖9 疊鋼過程中導(dǎo)軌鋼位移曲線

由于疊鋼過程中輸送鏈保持運動，造成導(dǎo)軌鋼與伸縮擋頭之間不斷產(chǎn)生碰撞，因而從圖8的擋鋼液壓缸推力曲線中可以看到因碰撞而產(chǎn)生的推力抖動。從擋鋼液壓缸的推力數(shù)值可以看出，擋鋼裝置在疊鋼過程中受到的導(dǎo)軌鋼的作用力較小(T75約1000N)，該力對擋鋼裝置的機構(gòu)的運動及橫向穩(wěn)定性的影響較小。

T75導(dǎo)軌鋼疊鋼過程中的質(zhì)心位移和速度曲線分別如圖9和10所示。由于假設(shè)導(dǎo)軌鋼在兩根輸送鏈上擺放位置完全對稱，其兩端沿輸送鏈運動完全一致，故在z方向(導(dǎo)軌鋼長度方向)導(dǎo)軌鋼沒有位移，因此這里只研究其沿x(輸送鏈運動方向)和y(重力反方向)方向的運動。由位移和速度曲線可以看出疊鋼過程中T型導(dǎo)軌鋼線沿y方向升高，x方向則略有后退，然后在拍剛裝置作用下，迅速沿x方向向前運動，當(dāng)疊鋼完成后，會沿著x反向略有回退，這是兩根導(dǎo)軌鋼因重力作用產(chǎn)生的相對滑動。

分別對型號T75、T89、T14、T127B和T140C的導(dǎo)軌鋼的疊鋼過程進行了仿真，得到抬鋼液壓缸推力曲線如圖11所示?？梢钥闯鎏т撏屏η€變化規(guī)律基本一致，只是數(shù)值上存在由于導(dǎo)軌鋼尺寸和重量的變化引起的變化。以所建立的仿真模型分析仿真過程中液壓缸的位移、驅(qū)動力及導(dǎo)軌鋼的位移、速度等參數(shù)變化情況，為疊鋼裝置的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。

圖10 疊鋼過程中導(dǎo)軌鋼速度曲線

圖11 不同型號導(dǎo)軌鋼抬鋼液壓缸推力變化曲線

5 結(jié)論

本文根據(jù)導(dǎo)軌鋼的結(jié)構(gòu)及垛型特點，分析了疊鋼操作的基本過程，設(shè)計了疊鋼裝置并運用ADAMS進行了仿真分析，主要結(jié)論如下：

1)根據(jù)疊鋼工藝過程設(shè)計了主要包括擋鋼裝置、抬鋼裝置和推鋼裝置的疊鋼裝置的基本結(jié)構(gòu)，通過三套簡單的液壓缸驅(qū)動擺桿機構(gòu)的動作組合，巧妙實現(xiàn)了導(dǎo)軌鋼的疊鋼操作；

2)通過機構(gòu)學(xué)分析，建立了擺桿位移與液壓缸伸縮量的理論模型，為裝置的參數(shù)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計提供了理論參考；

3)運用ADAMS軟件對疊鋼裝置進行了仿真，得到不同型號導(dǎo)軌鋼疊鋼過程的驅(qū)動力、位移和速度等參數(shù)，為裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及控制參數(shù)設(shè)置提供了參考依據(jù)。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計的疊鋼裝置能夠?qū)崿F(xiàn)不同型號導(dǎo)軌鋼的疊鋼操作。