圓棒送料機設(shè)計與關(guān)鍵零部件分析

朱忠偉

(宜興市華鼎機械有限公司，江蘇 宜興 214214)

工業(yè)自動化是指機器或者裝置在無人干預的情況下按規(guī)定的程序或指令自動進行操作或控制的過程，其目標是 “穩(wěn)、準、快”[1]。自動化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、科學研究、交通運輸、商業(yè)、醫(yī)療、 服務(wù)和家庭等方面[2]。工業(yè)自動化是工業(yè)發(fā)展進程中不可缺少的一個部分，是區(qū)分人工作業(yè)和機器作業(yè)的重要標志，也是工業(yè)生產(chǎn)步入智能化時代的必經(jīng)之路[3]。本文主要對圓棒送料機整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。

1 設(shè)計要求

圓棒送料機作為圓棒加工生產(chǎn)線不可缺少的自動化生產(chǎn)設(shè)備之一，是保證整線自動化運行的關(guān)鍵裝備。圓棒尺寸為長度100mm、直徑20mm，如圖1所示。

圖1 圓棒結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)生產(chǎn)線的生產(chǎn)要求，對圓棒送料機的設(shè)計要求應(yīng)滿足以下幾點：

1)圓棒送料機的總體尺寸為L=1 570mm，B=1 740mm，H=1 218mm；

2)自動取料功能；

3)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的需要，棒料送料、放料具有可控性和時間順序要求；

4)棒料回流設(shè)計，即在送料過程中如遇不符合設(shè)備加工要求的圓棒姿態(tài)，需要將圓棒退回圓棒堆后重新上料。

2 圓棒送料機總體設(shè)計

圓棒送料機由機架、堆料漏斗、三推板送料機構(gòu)、放料緩沖機構(gòu)、回料機構(gòu)和傳輸料機構(gòu)組成，如圖2所示。

1—機架；2—堆料漏斗；3—三推板送料機構(gòu)；4—放料緩沖機構(gòu)；5—回料機構(gòu)；6—傳輸料機構(gòu)

機架起固定支撐作用，亂序圓棒由送料漏斗承載，圓棒在漏斗中亂序放置，由三推板機構(gòu)中的一級推板托起，依次輸送到二級推板和三級推板，并在輸送過程中改變圓棒姿態(tài)，變成統(tǒng)一的姿態(tài)后送入放料緩沖機構(gòu)，放料緩沖機構(gòu)依次放料到傳輸料機構(gòu)中，最終輸送至圓棒加工端。

3 三推板送料機構(gòu)設(shè)計

三推板送料機構(gòu)由固定在滑塊上的三連推板和固定在機架上的三連定板組成，如圖3所示。推板和定板之間的間隙δ=25mm，保證圓棒只能以橫臥的姿勢固定于推板和定板之間，每次推料最多8根，推板推送高度h>240mm，保證推料距離超過定板，推板上沿采用45°斜邊設(shè)計，當推板垂直向上運動時，1級推板從料堆漏斗中頂起雜亂無章的棒料送入2級推板之中，其中只有橫臥姿態(tài)的棒料能夠被順利送入，其他棒料落回送料漏斗之中，依次2級推板送入3級推板之中，至此已經(jīng)完全剔除不規(guī)則姿勢的棒料。

1—料斗架；2—1級推板；3—2級推板；4—3級推板；5—三連定板

三推板送料機構(gòu)采用曲柄滑塊機構(gòu)送料，利用主動件的角度偏心結(jié)構(gòu)，使滑塊復合運動。在三推板送料機構(gòu)中，設(shè)計最短桿為曲柄，最長桿為機架，在規(guī)定的已知滑塊行程為240mm的前提下，保證運動機構(gòu)不存在干涉，即行程速比系數(shù)K>1,根據(jù)機架與曲柄的長度，確定連桿長度為402mm,曲柄長度為163mm。其結(jié)構(gòu)運動簡圖如圖4所示。

圖4 三推板送料機構(gòu)運動簡圖

4 放料緩沖機構(gòu)設(shè)計

放料緩沖機構(gòu)可以控制圓棒放料的節(jié)奏，放料機構(gòu)由放料蓋、復位彈簧、支架座、頂起凸輪和傳動軸組成，如圖5所示。機構(gòu)采用杠桿原理，需要放料時電機帶動傳動軸，繼而帶動凸輪頂起放料蓋，此時復位彈簧拉伸，圓棒沿著放料傾斜槽進入輸料機構(gòu)，電機持續(xù)轉(zhuǎn)動，彈簧復位，停止送料。

1—復位彈簧；2—放料蓋；3—支架座；4—傳動軸；5—頂起凸輪

5 三推板機構(gòu)關(guān)鍵零件有限元分析

三推板傳動機構(gòu)中，連桿部件受力最大，屬于危險零件。本文以連桿機構(gòu)為研究對象，首先利用SolidWorks建立連桿零件的三維模型，然后采用ABAQUS軟件進行聯(lián)合仿真。ABAQUS具有強大的工程模擬仿真功能[4]。

推板機構(gòu)總體受力為推料機構(gòu)的受力總和，假設(shè)2級推板和3級推板完全滿載，1級推板處于堆料漏斗之中，受力較為復雜。以推板和定板相對高度為堆料高度，底排圓棒為橫臥姿態(tài)，其他圓棒以縱臥姿態(tài)排列，可達到理論最大重力。姿態(tài)圖如圖6、圖7所示。

圖6 2級和3級推板姿態(tài)圖

圖7 1級推板姿態(tài)圖

根據(jù)各級推板的最大滿載的裝載姿態(tài)，可知最大負載壓力F為：

F=πr2hρgn

式中：r為圓棒半徑；h為圓棒長度；ρ為圓棒材料密度；g為重力加速度；n為各級推板所承受最大載荷的個數(shù)。由計算可知，總載荷F=588.8N。

設(shè)計時連桿和滑塊之間是間隙配合，且間隙量相當大，滿載時連桿和滑塊之間的接觸為線接觸，受力如圖8所示。線載荷均勻分布，載荷大小為F載=14.7N/mm。

根據(jù)連桿結(jié)構(gòu)尺寸，首先利用SolidWorks對連桿部件三維建模，然后將模型導入ABAQUS軟件進行聯(lián)合仿真。已知連桿材料為Q235，彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，忽略在推板送料過程中圓棒和定板之間的摩擦力和推板自重，以線載荷的形式施加載荷F載=14.7N/mm，固定連桿與曲柄接觸端，建立有限元模型。

圖8 連桿受力圖

在推板推料過程中，連桿垂直于滑塊的位置為承受彎矩最大部位，本文以此狀態(tài)為分析狀態(tài)，分析結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 受力分析圖

圖10 位移分析圖

由圖8和圖9可知，連桿在承受最大載荷作用時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在連桿與三推板機構(gòu)作用處的圓弧下側(cè)，應(yīng)力大小為85MPa，隨后應(yīng)力向模型固定端逐漸減小。由于模型的簡化作用，沒有顯示固定端的反作用力產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。因為此桿件為二力桿，固定端的反作用力與承載端的內(nèi)應(yīng)力總體大小相等反向相反，所以內(nèi)應(yīng)力遠遠小于連桿的屈服應(yīng)力350MPa，滿足應(yīng)力條件。連桿變形的最大位移處于桿件受力端，為1.6mm，桿件處于彎曲變形狀態(tài)，當桿件圓周運行時，位移變形處于循環(huán)變化狀態(tài)，同樣滿足設(shè)計需求。

6 結(jié)束語

本文對圓棒送料機進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用有限元軟件仿真分析關(guān)鍵零部件，證明結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠，能夠滿足送料需求，但本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元分析均建立在理論的基礎(chǔ)之上，后續(xù)工作的重點是根據(jù)樣機的實際情況進行可靠性分析，并對現(xiàn)有設(shè)計進行改進。

[1] 李勃.淺談工業(yè)自動化的發(fā)展趨勢[J].科技傳播，2011(4):60-61.

[2] 鄧悅.計算機控制技術(shù)在工業(yè)自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].科技與企業(yè)，2016(3):73,76.

[3] 于常友.工業(yè)自動化技術(shù)的特點及工業(yè)自動化的重要性[J].冶金自動化，2001(2):1-5.

[4] 連昌偉.ABAQUS后處理二次開發(fā)在塑性成形模擬中的應(yīng)用[J].鍛壓技術(shù)，2006，31(4):111-114.