一種立體上磚機構(gòu)的設計

一種立體上磚機構(gòu)的設計

目前，中國的陶瓷磚產(chǎn)量占世界總產(chǎn)值的一半以上。1齒輪連桿傳動構(gòu)件設計多角度適應的立體上磚機構(gòu)(如圖1)由絲杠螺母推磚構(gòu)件、擺臂提升構(gòu)件和齒輪連桿傳動構(gòu)件三大部分組成,主要完成對磚塊的分離與提升任務。堆放在一起的磚塊由絲杠螺母推磚構(gòu)件向前精確推送,再由擺臂提升構(gòu)件完成對磚塊的分離與提升,提磚過程中由齒輪連桿傳動構(gòu)件進行傳動。齒輪連桿傳動構(gòu)件結(jié)合不完全齒輪間隙工作特性與曲柄搖桿的運動特點,將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為擺臂的間隙式來回擺動,保障上磚過程的可行與高效性。上磚過程有時需要調(diào)整傳送帶的帶面與地面的夾角,即要求從不同角度將磚塊提升到傳送帶上,本機構(gòu)采用多適應性設計理念,改變相應桿件的長度,能滿足多角度上磚要求。該機構(gòu)可以應用在陶瓷磚包裝線上,也可以應用在鋪磚機械上,能高效、平穩(wěn)、多角度地完成上磚任務。1.1立磚架的使用利用絲杠螺母精確傳動原理,設計了絲杠螺母傳動構(gòu)件(如圖2)。磚塊立放于能在滑槽中前后滑動的立磚架上,立磚架下固結(jié)有與絲杠配合的螺母裝置。電機帶動絲杠旋轉(zhuǎn),絲杠通過立磚架精確地將磚塊向前推送?？刂齐姍C的運行狀態(tài)使絲杠作間歇運動,保證立磚架每次向前移動恰好為一塊磚的距離,為后續(xù)擺臂提升構(gòu)件的提磚過程作好準備。1.2小幅度上擺動擺臂提升構(gòu)件作為上磚機構(gòu)的核心部分,完成對磚塊的分離與提升過程。如圖3所示,擺臂提升構(gòu)件主要由一根L型桿、提升板和鉸接在L型桿前端的限位框組成,鉸接的限位框可以以磚面的法線方向為基準作小幅度的上下擺動。L型桿的下半段是一段擺臂(如圖4),作為傳動構(gòu)件的搖桿部件,鉸接在機架上。擺臂通過齒輪連桿傳動構(gòu)件傳動,先向下擺動到接近水平位置,此時鉸接的限位框剛好能搭放在第一塊磚塊的上部,立磚架再將堆放在一起的磚塊向前推送一塊磚厚的距離,提升板便隨著擺臂的旋轉(zhuǎn)將最前方的一塊磚塊向上提升,這時限位框會向下擺動將磚塊扣住,保證磚塊平穩(wěn)地向上傳送到傳送帶(如圖1)上,之后磚塊隨著傳送帶向前傳送并從限位框中穿過。L型桿的結(jié)構(gòu),以及傳送帶與L型桿的相對位置,保證了磚塊以與傳送帶相切的狀態(tài)平穩(wěn)落放到傳送帶上。1.3齒輪連桿傳動構(gòu)件設計上磚機構(gòu)的傳動裝置由一組嚙合的齒輪上磚過程:通過絲杠螺母的傳動,磚塊會隨著立磚架一起向前移動,當最前端磚塊的底部完全移動到提升板(如圖3)上時,控制電機使絲杠停止轉(zhuǎn)動,此時再由齒輪連桿傳動構(gòu)件傳動,擺桿提升構(gòu)件將磚塊向上提起,鉸接在端部的金屬框向下發(fā)生一定角度的擺動進而將磚塊扣住。擺桿裝置擺動到極限位置后,兩齒輪脫離嚙合,磚塊從限位框內(nèi)部隨著傳送帶向前運送,之后兩齒輪進入嚙合區(qū),擺臂回轉(zhuǎn)繼續(xù)完成分離與提升磚塊的任務。2優(yōu)化設計過程上磚機構(gòu)作為磚包裝線的核心部分之一,承擔將磚塊準確分離和提升的任務,對其重要部分有必要進行優(yōu)化設計。從上磚機構(gòu)的外部結(jié)構(gòu)入手進行幾何分析,完成該機構(gòu)多角度適應性特點的設計,并對齒輪連桿傳動構(gòu)件的曲柄搖桿部分進行桿長優(yōu)化,接著對主要承載構(gòu)建擺臂進行強度驗算和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化,最后結(jié)合SolidWorks軟件集成仿真系統(tǒng)對重要構(gòu)件進行靜態(tài)仿真與分析。2.1穩(wěn)地熔噴法的參數(shù)分析針對瓷磚包裝線不同傳送要求,傳送帶的帶面與地面的夾角經(jīng)常需要調(diào)整,為了保證上磚機構(gòu)能適應從不同角度上磚的要求,并使磚塊能平穩(wěn)地落到傳送帶上,需要通過幾何分析,對上磚機構(gòu)的相關參數(shù)進行分析與設計。幾何作圖過程如下(如圖5):A、B兩點由兩次放磚的約束條件確定,線段AE、BF分別與傳送帶的邊線平行,這樣可保證磚塊每次都能平穩(wěn)地放到傳送帶上。作AB的中垂線使其與AE的垂線交于點C,再在中垂線作線段CO,使其長度等于線段AC,這樣可保證∠OAE=∠OBF。確定擺臂旋轉(zhuǎn)軸心的位置O以及夾角α式中:α2.2連塔桿長的優(yōu)化設計上磚機構(gòu)在一定夾角范圍內(nèi)擺動,其動力的傳送部分為齒輪連桿構(gòu)件,搖桿是由上磚機構(gòu)的擺臂充當。電機帶動曲柄作圓周轉(zhuǎn)動,擺臂來回擺動完成上磚任務。四連桿構(gòu)件完成動力的傳送,同時也限制著上磚軌跡,有必要對其桿長進行優(yōu)化設計。已知行程系數(shù)比例系數(shù)k、搖桿長度l極位夾角θ表征了擺臂提升機構(gòu)的急回特性,計算極位夾角θ:運用圖解法對曲柄搖桿構(gòu)件進行設計,分析結(jié)果表明,該構(gòu)件存在合理的急回特性,達到提磚過程慢行、回程急回的要求,從而也保證了該機構(gòu)上磚的平穩(wěn)性與高效性。2.3擺臂的matlab優(yōu)化上磚機構(gòu)的主要承載構(gòu)件為一根繞軸旋轉(zhuǎn)的擺臂構(gòu)件,對它進行優(yōu)化的目的是在滿足強度、保證一定安全系數(shù)的條件下,進行輕量化計算結(jié)構(gòu)簡化(如圖7)后,以擺臂梁的截面參數(shù)寬度b、厚度d以及開孔處的三個截面的截面高度g、e和f為設計變量,建立以質(zhì)量為目標的目標函數(shù),亦即找到各截面參數(shù)和質(zhì)量之間的函數(shù)關系式。根據(jù)M=ρV(ρ為密度),求擺臂質(zhì)量M,應先求得擺臂體積V:V=乙式中:h積分得:強度約束:幾何外形約束:截面形狀約束:式中:G為擺臂的重力;α為擺臂與水平面的最小夾角;σ建立目標函數(shù)和約束條件后,根據(jù)數(shù)學模型的一般形式,將目標函數(shù)和約束條件轉(zhuǎn)化為MATLAB優(yōu)化程序認可的、可直接用于優(yōu)化計算的標準型。該優(yōu)化問題的設計變量是梁的截面參數(shù):寬b、厚d及三個截面的截面高度g、e和f。式中:l給定初值,經(jīng)MATLAB優(yōu)化得到了不同下限時的兩組最優(yōu)解(見表1),分析可得厚度下限為4時比較合理。通過輕量化計算,在滿足強度、幾何外形、截面等約束的情況下,得到了重要構(gòu)件擺臂的截面參數(shù)。2.4靜態(tài)折射結(jié)構(gòu)的solid硬件模擬擺臂為主要受力構(gòu)件,有必要對其強度進行校核3仿真結(jié)果分析本機構(gòu)在設計過程中運用虛擬樣機技術(shù),對機構(gòu)進行建模和運動模擬仿真,在現(xiàn)有上磚機構(gòu)特性上,提出了一種多角度適應的上磚解決方案,并對核心部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與靜力學仿真分析。分析和驗證表明,所設計的上磚機構(gòu)能完成平穩(wěn)