离心铸造取件机械手导轨的设计

刘建军 高浩 高广东 吴龙

摘要：随着“中国制造2025”国家战略的不断深入，节能减排目标日趋临近，气缸套的取件机械手可以提高气缸套的生产品质，从而减少整车排放污染。取件机械手在运动过程中对导轨稳定性的提出更高的要求，本文从取件机械手的工作原理出发，针对导轨的使用条件，设计计算导轨的受力载荷和倾覆力矩，从而校核导轨的安全系数和使用寿命，为导轨的安全可靠提供的设计依据，为机械手使用提供了保证。

Abstract： With the deepening of the national strategy of "made in China 2025"， energy-saving and environmental protection has become the key problem of China. The fetching robot arm of cylinder liner can improve the production quality， so reducing the emission pollution of the whole vehicle. In the processing of movement， the fetching manipulator puts forward higher request for the stability of the guide. The structure and the working principle of automatic casting-fetching manipulator are introduced in this paper. According to the service condition of guide rail， its bearing load and overturning moment are designed and calculated， so as to check the safety factor and working life， to provide theoretical basis for safety and reliability of guiding rail， and thus provide guarantee for manipulator.

关键词：离心铸造;取件机械手;导轨;设计

Key words： centrifugal casting;casting-fetching manipulator;guide;design

0  引言

“中国制造2025”国家战略指出，2020年乘用车整体油耗降至5升/100公里，单位GDP碳排放降低40-45%[1]。2017年，中国石油消进口比例达到了70%，远远超过世界警戒红线“50%”。能源消耗、大气污染的压力不断要求传统汽车的转型升级，汽油机的节能新技术发展已经深入发动机内部，气缸套是镶在发动机上的核心零件，它是燃烧室密闭空间的骨干框架，是内燃机的动力源泉之一[2]。我们申请的国家发改委的离心铸造气缸套数字化生产车间专项，能够生产多种高性能的气缸套产品，如低锰气缸套、低排放气缸套、“蘑菇头”气缸套等，结合内燃机的燃烧新技术，可以降低车辆排放10-25%。特别是我们研制开发的离心铸造智能制造机的核心部件——取件机械手的设计成为了项目研究中的重中之重。

1  取件机械手的工作原理

内燃机气缸套制造往往将液体金属注入高速旋转的铸型，金属液体在铸型内做离心运动，从而形成铸件的自由表面，在此期间有助于气体和夹杂物的排出，优化金属结晶过程，从而获得高品质的铸件[3][4]。以往取件往往采用人工进行，劳动强度大，效率低，产品质量无法保证，为此我们研发了取件机械手。如图1所示。

离心铸造取件机械手主要由支撑座1、直线导轨2、拔缸锥头3、弹簧板4、轴承座5、张紧气缸6、前后驱动气缸7和扭动气缸8等构成。取件的动作流程：开始拔缸套时，前后驱动气缸7动作，拔缸锥头3到位;张紧气缸6动作，锥头3回缩，张紧缸套内壁;扭动气缸8动作，弹簧板4带动缸套往复小角度旋转;前后驱动气缸7缩回到位，拔出缸套;前端拖轮架辅助动作，定位缸套;张紧气缸6动作，锥头3回原位，松开缸套;前后驱动气缸7缩回原位，缸套落入料框。

2  取件机械手导轨的设计

取件机械手中直线导轨放置在移动轴承座下方，不仅具有直线导向和支撑作用，在拔缸套时还受到倾覆力矩，因此直线导轨规格型号的选择至关重要。导轨选用上银科技股份有限公司的产品，初选导轨型号为HGW35C，以下对直线导轨尺寸型号的选取进行分析计算：

2.1 导轨的初始条件选择

2.1.1 使用条件

安装方式：水平使用。

使用的导轨根数为2。

2.1.2 选择类型

根据结构设计，直线导轨滑块安装方式为从下向上安装，导轨主要受正上正下方的径向力，在拔缸旋转时受到来自缸套涂料的倾覆力矩，因此选择4个方向（上下和左右方向）均能承受负荷的HG系列直线导轨。

2.2 导轨外载荷的设计计算

2.2.1 计算外加负荷

在solidworks三维设计模型中，对直线导轨支撑的移动轴承座部分的重心进行计算分析，其重心与直线导轨的位置尺寸如图2所示[5]。

当拔缸机械手（图1）中的扭动气缸动作时，直线导轨受到一个倾覆力矩Mc，其值与扭动离心机模具内缸套时受到的阻力矩大小相等，最大值为扭动气缸输出的力矩值，由于阻力矩值与涂料的性質有关，难以判定其值大小，因此用阻力矩的最大值进行计算，即扭动气缸输出的力矩值进行计算[6]。

扭动气缸选定直径为D=63mm，在推力下工作，设定气缸的工作压力为P=0.4MPa，则气缸的推力

l为扭动气缸杆与扭转中心轴之间的距离l=0.173m[7]。

查产品手册表得倾覆力矩Mc径向方向上等价系数为ε=8.31×10-2，则最大阻力矩在一根导轨径向上的等价力为

由于一根导轨上布置有2个滑块，则每个滑块受到的等价径向力为

由图2可知，左下方滑块受力最大[8]，其受力

上式中：m为直线导轨上可移动部分质量，通过对solidworks三维模型分析计算可得m=190kg;l0=270mm;l1=360mm，l2=81.7mm;l3=4.5mm。则计算可得

2.2.2 计算等价负荷

上式中u=1为等价系数。

2.3 导轨安全系数的校核

2.3.1 计算静态安全系数

通过以上计算，可知导轨径向方向负荷较大，查产品手册取fH=1，fT=1，fC=1，HGW35C导轨的基本额定静载荷为Co=102.87kN，则

因此，完全能满足要求。

2.3.2 计算额定寿命

由于拔缸套速度较低，有微小的冲击和振动，查产品手册，取负荷系数fw=1.3，取fH=1，fT=1，fC=1，HGW35C导轨的基本额定动载荷为C=49.52kN，则导轨额定寿命为

根据设计计算，拔卸一个缸套在滑块需要在导轨上往复行走s=2.42m。根据工艺要求，最快1分钟生产一个缸套毛坯，按一天工作24小时，一年工作365天计算，则导轨的时间寿命为

虽然导轨理论计算时间寿命比较大，按照常规理论，应选取低等级规格型号的导轨型号再进行计算，但由于生产现场环境比较恶劣，其实际使用寿命比理论计算值将会大大减少，因此定直线导轨型号为HGW35C。

3  结论

通过对离心铸造取件机械手导轨的受力分析，对导轨的数量、外加载荷、安全系数及额定寿命进行了初步的设计计算，具体结论如下：①导轨型号HGW35C，水平放置2根;②线导轨滑块安装方式为从下向上安装，导轨主要受正上正下方的径向力为767N，在拔缸旋转时受到来自缸套涂料的倾覆力矩为215.7N·m;③导轨静态安全系数大于5，完全满足设计要求，导轨额定寿命可达4819年，因为离心铸造使用条件比较恶劣，高温、应力变化等条件暂时没有考虑，实际寿命将会大大减少，因此我们选用的HGW35C直线导轨是符合实际需要的。

参考文献：

[1]黄裘俊，张凯，宋锦春，等.基于改进粒子群算法的取件机械手轨迹综合优化设计[J].东北大学学报（自然科学版），2018，35（11）：1636-1647.

[2]吴鹏飞.铝合金动、静盘“一模四腔”重力铸造辅助取件装置的研发与应用“[J].科技风，2018（10）：155.

[3]李卫民，华雷.注塑机专用取件机械手结构设计[J].机械工程师，2018（10）：52-54.

[4]王文博，刘跃坤，周黎明.压铸机周边取件手的设计[J].时代农机，2017（12）：112-113.

[5]劳可名，曾庆锋.取件机械臂定位精度的可靠性优化研究[J].机电工程，2017，34（7）：725-729.

[6]王素粉.基于PLC的压铸取件机械手控制系统设计[J].现代制造技术与装备，2017（5）：54-55.

[7]颜新宁.压铸直线机械手的连杆运动设计[J].特种铸造及有色合金，2016（7）：725-727.

[8]楊鹏，钟飞.基于PLC的三轴机器人取件机控制系统设计[J].湖北工业大学学报，2016，31（2）：39-41.