托盘自动供给装置的设计及研究

赵海宝，秦宝荣，韩立光，王淑花

(特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室(浙江工业大学)，浙江杭州 310014)

目前，国家规定的托盘是指由木、塑或钢等材料构成的单层或双层使用平托盘。目前，对于自动存放和供给托盘的装置，尤其是对特定尺寸的托盘进行存放和供给的装置研究较少，现有通用设备存在生产效率低、故障率较高等问题。

1 物料托盘介绍及供给要求

文中托盘指的是具有符合国家规定的外部尺寸，适用于搬运车、叉车和其他装卸设备的木托盘。托盘平面公称外廓尺寸为1 200mm×1 200mm，叉孔尺寸为300mm×80mm。

自动供给装置需要存放18个托盘，满足托盘批量上料的要求，从而减少工作量，提高工作效率。供给装置每隔36s自动送出一个托盘，由输送线送入码垛机等装卸装置。

2 系统方案设计

为了获得托盘进料效率高、整体结构尺寸小、各部件摩擦损耗小的自动供给装置，对几个方案进行了对比，得到的最佳方案［1］的整体结构模型如图1所示。

物料由叉车批量送入托盘自动供给系统，由伺服电机及减速器带动上下提升系统垂直运动，由气缸带动气缸杆水平运动，从而实现两个自由度上的运动，通过控制两个动力源的运动，实现将托盘提升，留下最下面一个托盘的动作功能，再由输送线将一个最下面的一个托盘送出本装置，实现逐次送出一个托盘的功能。

图1 初步模型的整体结构模型图

3 托盘自动供给装置的运动与受力分析

3.1 运动初始设置

托盘自动供给装置实现托盘逐个送出的动作功能，各个动作如图2所示。

为满足生产线总体结构方案和动作方案要求，使得托盘自动供给装置动作连贯，并且满足生产线总体方案要求，保证工程上有一定时间余量，实际一个托盘输出时间设计为30s，因此设定每30s完成一个托盘的输出。初始设置每个动作完成的时间为2s。

图2 单层砌块码垛运动过程简图

具体动作：升降电机通过链轮链条带动上下机构升起，到达与第二个托盘平齐的位置，完成动作①;气缸伸出，将气缸杆伸入第二个托盘中间孔(位点1)，完成动作②;升降电机再次提升上下机构，使得第二个托盘及上方托盘一同升起，脱离最底下的托盘，完成动作③;最底下托盘在输送线摩擦力的作用下被送出;升降电机降下上下机构，使得第二个托盘与输送线接触，完成动作④;气缸缩回，气缸杆与第二个托盘(位点1)分离，完成动作⑤;升降电机提升上下机构，使得气缸与第三个托盘(位点2)平齐，完成动作⑥;气缸伸出，气缸杆进入第三个托盘(位点3)，完成动作⑦;升降电机提升上下机构，使得第三个及上方托盘与第二个托盘分离，完成动作⑧;第二个托盘在输送线摩擦力作用下被送出，完成第二个托盘的送出;气缸缩回，完成动作⑨;以此类推，逐个送出托盘。

3.2 运动仿真与受力分析

对托盘自动供给装置的主要关节添加旋转驱动和位移驱动［2］，将仿真时间设置为30s，上下驱动函数位移曲线如图3，4所示，负载力曲线如图5所示。

图3 上下机构升降驱动位移曲线图

图4 气缸驱动位移曲线图

上下机构的位移最大值为320mm，两个方向的气缸驱动机构的位移最大值分别为150mm和60mm，各机构驱动时位移设置平稳，初步判断位移设置合理。

图5 4个气缸负载力函数曲线图

负载力为托盘重力产生，最大压力为2 200N。

3.3 各部件运动仿真结果

从图6中可以看出，最大速度为1 620mm/s，位移总体和谐，位移比较稳定。从图7中可以看出，最大速度为180mm/s，各部件的速度较小，没有突变速度和速度特别大的部件，时间分配比较合理［3］。

图6 托盘3位移曲线图

图7 上下构件在x，y，z方向上速度及合速度曲线图

从图8可以得出，驱动上下机构上下运动的驱动力最大需要15 281．2N，即上下机构上的驱动电机需要输出最大15 281．2N的驱动力，同时，链轮链条及链条连接件等传递构件也要满足此工况的条件。

图8 上下机构驱动力曲线图

从图9可以得出，气缸1，2受到的最大反作用力为2 144．0N，最大扭矩为43 031．5 N·mm;气缸3，4受到的最大反作用力为2 140．0N，最大扭矩为71 139．7N·mm。

图9 气缸关节力和扭矩曲线图

几个驱动机构的驱动力曲线图及关节力和扭矩曲线图为选择电机、选择气缸、计算电机轴、选择链轮链条和同步带等驱动机构和力传递机构提供了依据，节约了计算成本，缩短了设计周期［4］。仿真的结果证明，托盘自动供给装置各执行机构的运动范围能满足工作的需求。对各机构的位移、速度、角速度、角加速度的分析表明，本装置的总体速度合理，加速度稳定，总体的运动性能良好，整体变化量均在许可范围内，证明了此装置设计的可行性。

4 托盘自动供给装置的静动态特性分析

4.1 静态特性分析

选用Workbench中Static Structure(ANSYS)模块进一步建立有限元模型。首先定义材料属性，各个轴和气缸的材料为45钢，其他零件的材料都是Q235-B;然后在控制各部分网格尺寸的基础上，用Hex-Dominant网格划分方法划分网格［5］，码垛机网格化后的模型如图10所示。

图10 码垛机有限元模型

上下机构与导块为摩擦接触，计算方法采用拉格朗日法，设定为非对称行为，摩擦系数为0．2。

总平均应力云图和总变形云图如图11，12所示，分析可知：(1)该托盘库在静力作用下变形较小，气缸伸出杆的变形最大，最大值为1．540 4mm，可以作为选择气缸的依据。(2)该托盘库的最大应力出现在气缸与上下机构的连接处，最大值为63．274MPa，远远低于材料的极限应力，结果符合要求。

图11 平均应力云图

4.2 动态特性分析

在ANSYS12．0 Workbench平台中，利用Modal(ANSYS)模块求解得到该装置的接触条件为各部件之间固定接触［6］，约束条件为支架下底面位移固定约束，模态的分析阶数为6阶。有限元模态分析计算结果见表1。

图12 总变形云图

表1 固有频率及相应振型

第一阶模态振型如图13所示。

图13 一阶振型

分析可知，托盘自动供给装置的不同模态的振型各不相同，整体不仅存在左右、前后平移，还存在扭转移动，这些振动会削弱机构的强度和刚度，影响托盘出料位置精度。由于两个伺服电机的输出转速为18r/min(0．3Hz)和12r/min(0．2Hz)，托盘自动供给装置的工作频率为28s/次(0．467Hz)，工作频率远远低于共振频率，从而证明前面设计的运动方案不会在装置工作时引起共振，动态特性良好。

5 结束语

本文设计了一种托盘自动供给装置，同时通过建立三维结构模型解决了传统方案设计中的模糊性，提出了运动部件动作时间分配及改进的方法，以及静动态特性的验证方法。本文研究内容涉及结构设计的整个过程，包括整体方案设计，运动方案设计与优化，静动态特性分析，为今后工程项目的整套结构设计提供了更加快捷的方法。分析结果为整机设计过程中需要的各个参数提供了参考数据，从而能够缩短设计周期。为进一步减小设计误差，建议通过对分析数据和样机的实际工作参数进行对比，寻找误差来源，提出相应的缩小误差的方法。

［1］ 濮良贵，纪名刚．机械设计［M］．北京：高等教育出版社，2001．

［2］ Mills J K．Dynamic modeling of a flexible-link planar parallel platform using a sub-structuring approach［J］．Mechanism and Machine Theory，2006，41(6)：671-687．

［3］ 闫华，汪木兰，冯永伟，等．基于ADAMS的垂直弹跳机器人动力学仿真［J］．中国制造业信息化，2011，40(11)：33-36．

［4］ 孙桓，陈作模，葛文杰．机械原理［M］．北京：高等教育出版社，2010．

［5］ 浦广益．ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解［M］．北京：中国水利水电出版社，2010．

［6］ 徐凯，尹志宏，高军，等．机床床身性能分析及方案优选［J］．中国制造业信息化，2012，41(9)：30-33．