提升翻轉機設計

張向紅 韓忠義

（河北省智能裝備數字化設計及過程仿真重點實驗室 唐山學院，河北 唐山 063000）

1 概述

在當今發展的社會,工業中機械自動化代替人工操作已是大勢所趨,而許多工廠的加料工作依舊采用人工搬運的方式,效率低下。現如今許多原料自身性質對工人也極具危險性,在人工搬運過程中難免會出現事故,所以需要設計一種自動加料的機構來代替人工操作,以提高生產效率和安全可靠性。

工業的實際生產當中,通常將原料存放在桶里,以桶為單位進行搬運和運輸是工業中常見的方式,而大多數料桶的形狀近似為圓柱體,因此,針對圓桶設計的自動加料機構具有一定的適用性,能夠普遍應用在以圓桶為容器的很多場合,比如土木、冶金、化工等諸多行業。

提升翻轉機的設計可以很容易地實現桶料搬運處理,連續自動加料操作,高效率和高安全性。在現代工業生產中,安全性和生產效率必須一直放在首位,這也是企業的生存和競爭的重要因素。

2 提升翻轉機方案設計

2.1 工作情況分析

提升翻轉機的工作要求是:(1)提升機構將裝有物料的料桶搬運至指定高度。(2)翻轉機構將料桶翻轉至一定角度,使物料全部倒入指定位置。原始數據為料桶直徑D=600mm,高H=900mm,原料質量120kg,桶質量20kg。根據實際條件分析,機構需對料桶進行提升和下降工作,所以提升翻轉機承受的最小負載為:原料質量20kg+料桶質量20kg=140kg。

根據以上分析得知,提升翻轉機要完成如下運動過程:(1)夾緊運動,完成機構對料桶夾緊和放松的工作,確保提升翻轉工作中的穩定運行。(2)升降運動,抓住料桶后,使其提升或下降到指定位置。(3)翻轉運動,將料桶提升到指定高度后,需要使其翻轉一定的角度,實現加料工作,如圖1 所示。

圖1 運動時序示意圖

圖2 料桶翻轉前后示意圖

2.2 總體方案設計

2.2.1 夾緊機構方案設計。本設計采用液壓傳動機械手實現夾緊。液壓機械手以液體為主要動力源,用液壓部件來驅動機械手動作,其結構連接緊密、動作靈活矯捷、運動可靠平穩、抓取力大,因此,可以滿足對料筒的夾緊要求。

工業生產中,提升機構一般常用的有機械式的和機械液壓相結合兩種。機械式提升機構的提升形式多為提拉式,而液壓驅動提升機構的提升形式為推舉式。考慮到驅動功率相同時,液壓式提升機構比機械式提升機構的結構簡單,體積也更小,且更耐沖擊。故根據工作要求和實際情況,本設計提升機構采用液壓式提升機構。

2.2.3 翻轉機構的方案確定。翻轉機構的用途是將零件沿著某個軸做翻轉運動,使工件變更有利方位,以便更好地實現工作任務。目前翻轉機構的種類有很多,例如,鏈式翻轉機構、環式翻轉機構、推舉式翻轉機構等。

本設計中提升翻轉機選擇用了推舉式翻轉機構,并在此基礎上進行了改進,采用兩個液壓缸分置兩邊的結構。將料桶翻轉的角度設為500,保證料桶在翻轉過程中,物料可以全部被傾倒出,滿足了翻轉機構的設計要求,如圖3 所示。綜上所述,液壓傳動與控制是現代機械工程的基本技術。在提升翻轉機設計中,夾緊機構、提升機構和翻轉機構均采用液壓驅動的方式, 旨在自動加料過程中更加平穩、高效、安全。

圖3 推舉式翻轉機構

3 提升翻轉機結構設計

3.1 夾緊機構的設計

提升翻轉機的夾緊機構即抓桶夾,用來抓取和搬運料桶。在料桶提升和翻轉過程中,抓桶夾的夾持必須牢靠才能保證整個機構的穩定性。這就需要抓桶夾與料桶輪廓充分貼合,確保工作過程中可以提供足夠大的摩擦力,而料桶形狀近似為圓柱體,所以抓桶夾的形狀需要類似,設計為圓弧狀保證夾持時的充分接觸,提高工作過程中的安全系數,防止在提升和翻轉過程中意外滑落。考慮到抓桶夾需要實現上升翻轉過程的夾緊工作和加料之后歸位的放松工作,需要設計成張合的形式。考慮到抓桶夾相對整體結構的位置,如果將液壓缸安裝在抓桶夾中間位置可能會與加料過程中的運動和機架產生干涉。因此選擇將液壓缸安裝在兩側,通過轉動銷釘連接抓桶夾。綜上所述,根據結構和工作要求,選取穩定性更好的中轉式抓桶夾。中轉式抓桶夾直接由一個固定位置的轉動軸連接抓桶夾兩邊,通過液壓缸驅動使得中間轉軸旋轉實現張合,完成對料桶的夾緊放松工作。其優點是穩定性好,在受液壓力驅動時抓桶夾形狀不會發生改變,結構更加穩定可靠。抓取時,在抓桶夾的內邊裝上石棉基材料,通過增大摩擦來加大抓緊力,保證夾緊牢固可靠。按工作需要,抓桶夾的張合程度與液壓缸活塞桿的行程密切相關。料桶的直徑為600mm,為了使料桶可以輕松抓取,抓桶夾開口橫向距離應≥600mm。夾緊之后為確保抓桶夾與料桶充分接觸,夾子的最終張合應為直徑為600mm 的圓,如圖4 所示。

圖4 抓桶夾

3.2 提升機構的設計

提升機構采用液壓驅動的方式, 提升機構的主體部分是鏈條、滑輪和升降臺。工作時,液壓缸輸出動力,驅動滑輪鏈條拉著升降臺上升和下降。驅動抓桶夾的液壓缸及運動機構均固定在升降臺上,抓桶夾的升降高度可作為升降臺升降的高度,結合工作要求將其范圍定為450mm-1500mm,即升降臺上升的最高距離為1050mm。機構中的滑輪相當于動滑輪,根據其升降規律,滑輪的升降距離應為升降臺升降距離的一半,即滑輪上升的最高距離為1050/2=525mm,故升降液壓缸活塞桿的行程應＞525mm。

當升降臺位于最高位置,距地面1500mm 時,滑輪位置應高于升降臺位置,所以其最高位置距地面1600mm。當升降臺位置最低時,距地面450mm 時,升降臺下降了1050mm,相應的滑輪應下降525mm, 此時滑輪距地面應為1075mm, 即為滑輪距地面的最低位置。而滑輪位置必須高于鏈條的固定位置, 所以固定端距地面900mm。如圖5 所示為整個升降系統的簡圖。

圖5 升降系統簡圖

3.3 翻轉機構的設計

翻轉機構選取液壓驅動的方式, 圖6 為翻轉機構的機構簡圖,A為抓桶夾一側的旋轉軸,AC 為連桿,B 為液壓缸,BC 為可伸縮的活塞桿。要使料桶內物料全部倒出, 應將料桶的可向下傾斜角設為500,所以,翻轉機構應該使料桶實現逆時針翻轉角度為1400。為了使翻轉機構的運動具有對稱性,將1400等分為與法線方向各夾700,即連桿AC 初始位置與水平面夾角為200, 末位置與水平面夾角為逆時針方向1600。圖6 中展示了翻轉運動中的兩個極限位置,即ABC為初始位置,ABC1為末位置,弧CC1為整個翻轉運動中連桿的軌跡。F 是料桶翻轉過程中,液壓缸給連桿的驅動力。

圖6 翻轉機構的機構簡圖

3.4 機架的設計

機架是整個提升翻轉機的骨架,需要承受包括升降臺及其上面所有結構的重力和物料料桶的重力,所以如果機架的剛度和抗彎強度不夠,就會產生很大的彎曲變形。因此,材料的選取十分重要,根據實際要求本設計選取Q235 鋼。機架結構如圖7 所示。

圖7 機架

結束語

提升翻轉機的設計了實現工廠的自動加料, 適用于工業卷料、搬運、模具、桶料等行業。它主要由三部分構成,分別是夾緊機構、提升機構和翻轉機構。本文確定機構的運動形式和承載要求。夾緊、提升和翻轉機構分別由兩個液壓缸驅動,從而確保整個機構的穩定性和可靠性,可以實現對指定設備完成自動加料工作,提高了工作效率，能夠更加安全、可靠、高效的代替人工操作。