液壓驅動式3T1R重載搬運機械裝置的設計研究

張曉洋，李然，王宸，趙國華，王生懷

液壓驅動式3T1R重載搬運機械裝置的設計研究

張曉洋，李然，王宸，趙國華，王生懷

（湖北汽車工業學院 機械工程學院，湖北 十堰 442002）

基于十字滑臺原理，文中設計可以實現3T1R四自由度的重載搬運機械裝置，達到對貨物準確定位、牢固夾緊以及多自由度搬運的目的。利用解析法和有限元法對承重螺栓進行結構設計和強度分析，根據分析結果提出螺栓根部圓角滾壓的結構改進方案；根據不同滾壓圓角對應的應力值，采用Hermite（埃爾米特）方法得到滾壓圓角半徑–應力（–）曲線和多項式，求導確定結構改進方案。根據滾壓圓角半徑–應力（–）曲線，確定最佳滾壓半徑=4 mm；以PLC控制技術為基礎，設計了搬運機械液壓驅動控制系統。裝置搬運載荷達到55 kN，螺栓根部強度提高了59.54%，屈服極限安全系數達到2.4。通過結構設計，該裝置實現了3T1R 4個自由度的運動及控制；通過結構改進達到了多自由度搬運的效果。

3T1R；有限元法；Hermite方法；結構改進；液壓驅動控制

現有的貨物搬運機械裝置分為輕載貨物搬運和重載貨物搬運2種。輕載貨物搬運裝置如搬運機械手，搬運貨物的質量較小、直徑范圍較小，機械手固定不動或沿著直線導軌運動，自由度3～6個不等。吳存存等[1]提出了一種2PPPaR并聯機構，該機構可以實現3個移動和1個轉動共4個自由度。劉慧等[2]基于S7–200PLC和維綸TK6050ip觸摸屏，設計了一種四自由度全自動包裝搬運氣動機械手控制系統，并對系統硬件結構進行了設計。為了實現一機多用的并聯機構，石志新等[3]提出了一種四自由度兩模式并聯機構，可應用于抓取、加工、定位裝配等多種場合。王宗平等[4]提出了一種2UPS–RPS–UPU構型的四自由度并聯機構，該機構構型對稱，具有良好的運動解耦，該類裝置自由度柔性好，適用于生產線貨物的搬運或碼垛等。重載貨物搬運裝置工作原理類似于叉車，搬運貨物的質量從幾百千克到十幾噸不等，貨物搬運的直徑范圍很大，甚至可以跨車間或廠區搬運，但自由度只有1個，無法實現貨物的準確定位和牢固夾緊，需要通過駕駛員精準操作才能實現貨物的準確擺放，且需要使用托盤，使用不安全[5-7]。根據以上研究現狀，文中基于十字滑臺原理，設計一種可以實現3T1R 4個自由度的搬運機械裝置，解決現有搬運機械自由度柔性差、搬運貨物質量小、移動范圍有限等問題。

1 四自由度搬運機械結構設計

1.1 工作原理

液壓驅動式3T1R重載搬運機械裝置的工作原理見圖1，3T是笛卡爾坐標系中的3個移動自由度，1R是豎直平面內的轉動自由度，夾持機構的運動由4個自由度準確控制，該裝置主要技術指標：自由度為4，旋轉角度為0～90°，額定載荷為25～55 kN，提升高度為3～4 m，前伸距離為2～3 m，為防止發生側翻的單邊最大移動距離為0.15 m。

圖1 機械裝置工作原理

1.2 結構設計

根據工作原理及要求的自由度，整個裝置的結構包含直線運動機構、旋轉機構和夾持機構等，裝置整體結構見圖2，圖2中沿–的剖視圖見圖3。

圖2 機械裝置整體結構

圖3 B–B剖視圖

1.2.1 直線運動機構

直線運動機構主要包括上下、前后和左右運動三大機構，見圖2—3。前后運動機構主要包括導軌1、限位塊1、導軌連接板1、液壓油缸1、滾輪1、連接軸1等。連接軸1插入導軌3中且與滾輪1通過軸承配合，滾輪1在導軌1中滾動，夾持機構的前后運動由2個液壓油缸1驅動，運動的極限位置由限位塊1限制。圖2中沿–的剖視圖見圖4，如圖2、圖4所示，上下運動機構主要包括舉升油缸、導軌2、限位塊2、連接軸2、滾輪2等。連接軸2沿著導軌連接板1豎直方向均勻分布且與導軌連接板1過盈配合，滾輪2與連接軸2通過軸承配合，滾輪2在導軌2內滾動，夾持機構的上下運動由2個舉升油缸驅動，運動的極限位置由限位塊2限制。如圖3所示，左右運動機構主要包括導軌3、限位塊3、導軌連接板2、連接軸3、滾輪3、液壓油缸2等。連接軸3插入承重板中且與滾輪3通過軸承配合，滾輪3在導軌3中滾動，夾持機構的左右運動由2個液壓油缸2驅動，運動的極限位置由限位塊3限制。

1.2.2 旋轉機構

圖2中局部放大Ⅰ見圖5，旋轉機構主要包含承重螺栓、軸承限位板、連接套、鎖緊螺母、承重板、齒條缸、連接板、滾針軸承等。如圖2、3、5所示，承重螺栓通過鎖緊螺母將軸承限位板、連接套和連接板固定連接在一起，承重板由2個連接軸3支撐，軸承限位板通過內六角螺栓與連接套固定連接，連接套由滾針軸承徑向定位，軸承限位板上加工有直齒輪，可以與齒條缸形成齒輪齒條傳動，將齒條缸的直線運動轉換為夾持機構的旋轉運動，連接板用于連接夾持機構。

1.2.3 夾持機構

夾持機構的結構見圖6，夾持機構主要包括夾緊缸、橫梁、夾爪、夾板等。夾板固定在夾爪上，它可以快速更換，夾爪通過螺栓及螺母與橫梁鉸接，夾持機構的夾緊動作由夾緊缸驅動。

圖4 C–C剖視圖

圖5 局部放大圖

圖6 夾持機構

2 承重螺栓理論分析與計算

整個裝置在工作過程中，承重螺栓作為重要的載荷件持續承受著很大的軸向載荷，因此要對承重螺栓進行強度設計與分析。

2.1 承重螺栓強度設計

螺栓承受軸向載荷時的拉伸強度條件為：

(1)

整理得到：

(2)

承重螺栓材料為DG20Mn，安全系數=5[8-11]，該材料主要性能指標：屈服極限為333 MPa、彈性模量為210 GPa、泊松比為0.3、密度7.8×103kg/m3、抗拉強度為608 MPa。承重螺栓結構見圖7。

圖7 承重螺栓結構

圖7中螺栓各參數：螺紋大徑為2 mm，螺栓長度為200 mm，螺紋長度1為96 mm，六角頭對邊寬度1為65 mm，六角頭對角寬度2為71.3 mm，六角頭部厚度為26 mm，螺栓承載面直徑為59.9 mm，螺距為3 mm，螺紋牙型高度1為2.25 mm。根據解析法計算結果，螺栓承受的最大軸向載荷=55 kN。

將上述參數帶入式（1）可得：

故解析法設計的承重螺栓符合使用要求。

2.2 承重螺栓強度分析

根據螺栓參數建立承重螺栓三維模型，見圖8。

圖8 承重螺栓三維模型

承重螺栓采取三面體自由網格（網格單元尺寸為1 mm）進行網格劃分，網格劃分結果見圖9。約束為螺栓根部面約束，限制所有自由度，載荷沿著軸正方向，仿真得到的應力云圖見圖10。

圖9 網格劃分

圖10 結構改進前螺栓根部應力云圖

由仿真結果可知，承重螺栓在承受最大載荷時，根部出現了應力集中現象，最大應力為350.68 MPa，超過材料的屈服極限，因此要對螺栓進行結構改進。

為了減小根部應力集中，提升根部強度，需要在螺栓根部進行圓角滾壓[12-14]，螺栓根部不同滾壓圓角半徑對應的應力見表1。

根據表1結果，采用Hermite（埃爾米特）方法[15-17]擬合得到螺栓根部–曲線見圖11。

對應的插值多項式為：

(3)

對式（3）求導可得：

(4)

令=0可得=4.332 mm。

在相同約束和載荷條件下，螺栓根部結構改進（滾壓圓角半徑=4 mm）后的仿真結果見圖12。

表1 螺栓根部滾壓圓角半徑–應力值

Tab.1 Radius-stress of bolt root rolling fillet

由仿真結果可知，結構改進后承重螺栓在最大軸向載荷作用下，根部最大應力為140.49 MPa，強度提高了59.54%，屈服極限安全系數達到2.4。

2.3 螺紋聯結強度分析

鎖緊螺母處的螺紋聯結強度會對旋轉機構工作及承載安全性有一定的影響，故需對螺紋的聯結強度進行分析，螺紋聯結承受軸向載荷時的擠壓應力[18]為：

(5)

式中：為螺紋聯結軸向最大載荷，N；為螺紋聯結圈數；2為螺紋中徑，mm；1為螺紋牙高度，mm。

由此可知，螺紋聯結強度符合要求。

圖12 結構改進后螺栓根部應力云圖

3 液壓驅動控制系統設計

液壓控制系統主要控制搬運機械3T1R 4個自由度和夾緊動作，每個自由度和夾緊動作由液壓油缸驅動完成，并且各自由度與夾緊動作之間相互獨立，液壓控制系統原理見圖13。液壓控制系統采用西門子公司的S7–300PLC做主控制器[19]，主控制器梯形圖見圖14，梯形圖中對應的輸入、輸出信號見表2。

1.郵箱；2.過濾器；3.變量泵；4.電機；5.油壓表；6.單向閥；7.兩位兩通換向閥；8.溢流閥；9.三位四通換向閥（5個）；10.單向節流閥（10個）；11.儲能器（2個）；12.舉升油缸；13.液壓油缸1（前后運動）；14.液壓油缸2（左右運動）；15.齒條缸；16.夾緊缸。

圖14 主控制器梯形圖

表2 主控制器輸入、輸出信號

Tab.2 Input and output signals of main controller

注：輸入信號“X000”表示開關閉合、“” 表示開關斷開；輸出信號“Y000”表示線圈通電、“”表示線圈斷電；“·”表示邏輯控制中“與”的意思。

4 結語

文中基于十字滑臺原理，設計了一種可以實現3T1R四自由度的重載搬運機械裝置。針對機械裝置中的承重螺栓，首先，利用解析法對承重螺栓結構進行了設計；其次，利用有限元法對承重螺栓強度進行了分析，提出了螺栓根部圓角滾壓的結構改進方案；然后，根據不同滾壓半徑對應的應力值，采用Hermite（埃爾米特）方法，得到滾壓半徑–應力值（即–）曲線和多項式，依次確定結構改進方案，結構改進后，機械裝置搬運載荷達到55 kN，螺栓根部強度提高了59.54%，屈服極限安全系數達到2.4；最后，基于PLC設計了搬運機械液壓驅動控制系統。該裝置運動自由度柔性好、搬運載荷大、驅動方式可靠性高，可適用于多種重載搬運場合，以上研究為3T1R四自由度重載搬運機械裝置的設計研究提供了一定的理論依據。

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Design of Hydraulically Driven 3T1R Heavy-duty Handling Mechanical Device

ZHANG Xiao-yang, LI Ran, WANG Chen, ZHAO Guo-hua, WANG Sheng-huai

(School of Mechanical Engineering, Hubei University of Automotive Technology, Hubei Shiyan 442002, China)

The work aims to design a heavy-duty handling mechanical device that can realize 3T1R four degrees of freedom based on cross slide principle, so as to achieve the purpose of accurate positioning, firm clamping and handling of goods through multiple degrees of freedom. The structural design and strength analysis was carried out to load-bearing bolt by analytical method and finite element method. According to analysis results, the structural improvement scheme of bolt root fillet rolling was proposed. According to the stress values corresponding to different rolling fillets, the radius-stress () curve and polynomial of rolling fillets were obtained by Hermite method, and the structural improvement scheme was determined by derivation. Based on the radius-stress () curve of rolling fillets, the optimal rolling radius was determined as=4 mm. Based on PLC control technology, the hydraulically driven control system of handling mechanical device was designed. The device realized a handling load of 55 kN, the strength of bolt root increased by 59.54% and the yield limit safety factor was up to 2.4. Through structural design, the device realizes the 3T1R four degrees of freedom. Through the structural improvement, the effect of multi-degree-of-freedom handling is achieved.

3T1R; finite element method; Hermite method; structural improvement; hydraulically driven control

TH131.3

A

1001-3563(2022)13-0172-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.13.022

2021?09?07

國家自然科學基金（51675167）；湖北省教育廳科研項目（Q20201806）；教育部人文社會科學基金項目（20YJCZH150）

張曉洋（1998—），男，湖北汽車工業學院碩士生，主攻機液電一體化。

李然（1987—），男，碩士，湖北汽車工業學院講師，主要研究方向為機液電一體化。

責任編輯：曾鈺嬋