瓷砖打包生产线中翻转机的整体结构设计和模态分析*

刘 波，赵玉刚

(山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049)

瓷砖打包生产线中翻转机的整体结构设计和模态分析*

刘 波，赵玉刚

(山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049)

针对AES瓷砖打包生产线中翻转机的整体结构进行设计，并在SolidWorks中进行三维实体建模，然后利用SolidWorks与Ansys Workbench之间的无缝连接，将模型数据输入到Ansys Workbench中对翻转机的简化模型进行无约束条件下的有限元自由模态分析，求解得出翻转机的多阶固有频率和振型特征，根据求解结果对翻转机的整体结构进行分析，找到了翻转机动态性能的敏感区域，得出翻转机的整体结构设计满足基本设计要求，同时为进一步对翻转机整体结构的改进和优化设计提供了良好的技术支持。

翻转机；结构设计；模态分析

0 引言

随着科学技术的不断进步和发展，工业机械化、自动化程度越来越高，自动化控制在工业生产应用中逐渐普及，越来越多的自动化生产线随之出现。尤其是在瓷砖打包行业，伴随着人工成本的不断提高以及工人在施工过程中的安全保障越来越重要，自动化打包生产线已经成为瓷砖行业的一种发展趋势。AES型瓷砖打包生产线就是一条集自动叠砖、自动包角、自动打包、自动码垛于一体的全自动瓷砖打包生产线。

翻转机作为此生产线实现自动化生产的关键，怎样使瓷砖连续、平稳的实现90°翻转是翻转机设计的主要任务，作为自动化生产线中不可或缺的辅助设备，翻转机的结构设计显得尤为重要，此外，翻转机在工作过程中，在内部和外部激励的作用下将产生机械振动，其动态性能对作业有着重要影响。为了使翻转机具有良好的动态性能，在动态设计时要求系统具有一定的固有频率和振型，并且可以避开工作频率。利用Ansys对翻转机进行有限元模态分析能够对结构的设计和性能做出完整的评估，还可以减少设计成本的投入。

根据翻转机的作业环境和受力情况，对翻转机进行了整体结构设计。为了验证设计是否满足基本要求，利用Solidwork建立翻转机的三维模型，并利用Ansys Workbench对其进行自由状态下的模态分析，得出翻转机的固有频率和振型，找到动态性能敏感区域，证明设计满足基本设计要求，同时为机构的进一步改进和优化设计提供方向。

1 翻转机设计要求

由于瓷砖的大小规格不等，本文就以大小为1000×1000的瓷砖为例。翻转机每次翻转瓷砖的数量是3包，每包装有2片瓷砖，每片瓷砖的重量大约是10kg。这就要求翻转机不仅可以连续平稳的进行90°翻转工作，还要具有较强的承载能力，才能保证生产线的正常生产。翻转机模型如图1所示。

图1 翻转机模型

2 翻转机设计

2.1 工作原理

所设计翻转机的整体结构如图2所示，由底座、减速电机、传动轴、翻转机构、辊子、曲柄摇杆机构6个主要部分组成。底座用于与地基固定和支撑翻转机构，减速电机、主轴为翻转机的作业提供动力，翻转机构主要包括翻转底座和翻转托架，翻转托架则是为了在翻转过程中对瓷砖进行装夹，降低在翻转过程中瓷砖的破损率，辊子能使瓷砖在传送过程中平稳并减少对传送轨道的磨损，曲柄摇杆机构使翻转机在动力轴的带动下实现90°翻转运动。在0°位置时，由传送装置将瓷砖输送到翻转机位置，通过翻转机构上的翻转托架对瓷砖进行装夹，然后由减速电机带动翻转机构进行适当翻转，在90°位置，机械手完成对瓷砖的装夹并进行码垛装车作业，翻转机恢复0°，重新装夹瓷砖，继续作业，重复以上步骤，即可完成瓷砖的码垛装车作业。

1.底座 2.减速电机 3.传动轴 4.翻转机构 5.辊子 6.曲柄摇杆组件图2 翻转机结构图

2.2 结构设计

为了能够在保证生产质量的同时缩短制作周期、降低生产成本，减速电机借用温州速安传动机械有限公司的NMRV050型减速电机。底座和翻转托架的主体结构采用Q235焊接而成，既保证了强度，又降低了工装的整体质量，底座采用了H型结构，这样能够有效的在保证工装强度的同时增大与地面的接触面积，从而提高机械作业的平稳性、安全性。主动轴和曲柄摇杆为了保证加工质量由公司自己加工，采用40CrMo并调质至28-32HRC，并在表面进行氮化处理，充分保证了强度。辊子轴心材料为45钢，外部由高强度塑料包裹，保证强度的同时，降低工装的整体质量，降低瓷砖对轨道的冲击，提高操作的便捷性。

3 翻转机几何模型的建立

在进行翻转机的模态分析之前，首先要建立翻转机有限元分析的模型，在进行有限元分析时，不可能考虑到所有的复杂情况，所以在保证计算结果正确的基础上经常会对复杂机构的有限元模型进行一定的简化，一方面降低了计算成本、缩短了计算时间，另一方面在一定程度上提高了科研效率。

翻转机的有限元分析模型是通过SolidWorks建立的，因为Ansys软件自带的建模模块操作性能上不如SolidWorks、UG等专业建模软件。模型建立以后，怎样将模型导入Ansys有限元分析软件，现在主要有两种方法：一种是将建立好的模型在软件中保存为X_T格式后再输入到Ansys中，另一种是通过Ansys Workbench与SolidWorks的无缝连接直接进行数据交换，本文采用的是后者，因为前者在数据交换的过程中容易造成元素丢失，进而影响到网格的划分，而后者则可以保证数据传输的完整性，能够有效的提高容错率。其简化模型如图3所示。

图3 翻转机简化模型

4 翻转机有限元分析

4.1 有限元分析理论

利用兰索斯法对机构的固有频率和振型进行求解，求解系统的固有频率和振型参数，无阻尼自由振动的运动方程为：

[M]{X″}+[K]{X}=0

(1)

其对应的特征方程为：

(K-ω2M){X}=0

(2)

式中：[M]、[K]—质量矩阵和刚度矩阵，{X″}、{X}—结构的加速度向量和位移向量，ω—自由振动固有频率，求解式(2)，即得系统的固有频率和振型。

4.2 网格划分

系统模型导入Ansys Workbench后，首先要对实体模型进行网格划分，网格划分的质量会直接影响到模型分析结果的准确性和计算效率。网格划分单元采用SOLID187单元系统划分网格共生成173256个节点，88140个单元，划分后网格模型如图4所示。系统各部件的材料性能参数，如表1所示。

图4 网格划分

表1 材料性能参数

4.3 模态分析结果

由于翻转机在工作时要完成从水平到竖直90°的翻转，所以系统整体的稳定性对于生产线的连续作业非常重要。本文进行的对于系统的有限元分析是在不加任何约束条件下的自由模态分析，自由模态反映了系统本身的固有特性和频率。自由模态分析时，低阶模态对于振动系统的影响较大，所以本文利用Ansys Workbench只对系统的前7阶次模态进行计算。计算结果显示系统在无约束边界条件下的前3阶次模态接近于零，即所谓的刚体模态。我们需要研究的是系统具有的固有特性和频率，所以真正有研究价值的模态是从第4阶次开始的模态。本文提取计算结果的前4阶次非零模态进行分析，其前4阶次非零模态的固有频率和最大变形值如表2所示。前4阶次非零模态振型，如图5所示。

表2 翻转机前4阶频率及最大变形值

由系统的振型图和动画演示可以得出以下结论：前3阶次振型图表现出系统的变形量比较小，振幅整体比较小；4阶振型表现为在X轴的平移振动，系统的变形量和振幅普遍较大，其中振幅最大的地方出现在L型翻转托架上。由于系统选用的NMRV050型减速电机的额定转速为750r/min，相应的频率为12.5Hz，由表2可知系统的固有频率计算结果可知，系统的最低谐次频率大于系统在电机额定转速下的基频，因此，系统在作业状态时不会出现共振现象。得出翻转机构具有良好的动态特性，其结构设计满足设计要求。

(a)第1阶振型

(b)第2阶振型

(c)第3阶振型

(d)第4阶振型图5 系统前4阶振型图

5 结论

本文首先针对瓷砖自动化生产线码垛装车时需要对瓷砖进行水平到竖直的90°翻转作业进行了翻转机的整体结构设计，同时利用SolidWorks强大的基于特征的建模功能进行了实体建模，然后对系统在Ansys Workbench中对系统进行了无约束条件下的自由模态分析，在Ansys Workbench中利用软件强大的计算能力和图像显示功能求得系统的固有频率和振型的实验数据，实验数据表明该系统的设计具有一定的动态性能，且系统的固有频率都在传动系统的共振区外，说明翻转机系统的设计较为合理。翻转机在投入到实际生产后，大大提高了瓷砖自动打包生产线的生产效率，大大降低了码垛、装车过程中劳力投入。

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(编辑李秀敏)

OverallStructureDesignandModalAnalysisofTurnoverMachineinTilePackagingProductionLine

LIU Bo, ZHAO Yu-gang

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo Shandong 255049, China)

Designed for the overall structure of the flip-flop in the AES Tile Packaging Line and 3D solid modeling in SolidWorks, then use the seamless connection between SolidWorks and Ansys Workbench to import the model data into the Ansys Workbench. The finite element free mode analysis of the model is carried out under the unconstrained condition, and the multi-step natural frequency and mode characteristics of the turning machine are obtained. Based on the analysis results, the whole structure of the flip machine is analyzed, and the sensitive area of the flip machine dynamic performance is found , In order to further improve the overall structure of the flip and optimize the design provides a good technical support.

flip machine; structural design; modal analysis

TH122;TG66

：A

1001-2265(2017)09-0136-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.035

2017-05-08；

：2017-05-22

国家自然科学基金项目资助(51375285)

刘波(1993—)，男，济南人，山东理工大学硕士研究生，研究方向为机电一体化及数控技术，(E-mail)932806901@qq.com；通讯作者：赵玉刚(1964—)，男，山东淄博人，山东理工大学教授，博士生导师，研究方向为数控技术、机电一体化与特种加工，(E-mail)zhaoyg9289@126.com。