装胎机构中螺旋传动的电动抓胎手设计

谢美群

（江苏省宜兴职业教育中心校，江苏 宜兴 214206）

抓胎手是装胎机构的一个重要部件，国内学者对此研究的比较少，其中比较成功的有：李惠明将抓胎器与主机的横梁分开，改进了抓胎手；陈德生等研究了滚珠螺母丝杆传动机理，设计了升降舞台；魏发孔研究了丝杆传动原理，并用于大型举升设备设计中。本文源于电动轮胎装胎机构的自动化需要，基于螺旋传动原理全新设计抓胎手。

1 装胎

1.1 装胎器的结构

装胎器结构如图1所示。其初始位置为：机械手在顶部缩拢→延时后机械手下降到抓胎位置→机械手伸张抓胎→延时后机械手带生胎上升至极限位置停→硫化机开启自动→机械手转入→机械手下降到装胎位置时停→下环向上→限位块入→胶囊内通入一次定型蒸汽，胶囊舒展进入胎胚内→机械手缩拢→胶囊内一次定型蒸汽切换为保持定型蒸汽→机械手上升到极限→机械手转出。

图1 装胎器

1.2 抓胎手的组成与定位

抓胎手主要由动力系统、动盘、定盘、拨叉、机械爪等组成。

其爪子开合为：抓胎手上的动力系统带动丝杆旋转、螺母作直线运动，并通过导架推动拨叉转动，拨叉又推动动盘转动，转动的动盘带动爪子在支架上来回运动，这样就实现了爪子的闭合或张开。为此，要求动力系统及其传动轨迹对准抓胎手的中心轴线，并使其重心通过轴线，从而增加取放胎的平稳性及其精度；同时为保证胎胚的低损伤，抓胎手必须根据胎胚的规格，自动伸张，自动调节伸张力。

为了使抓胎手准确定位，运动平稳无冲击，并考虑精度及经济因素，本文选用了YS6324伺服电机，它是双速的，可实现螺母快速或慢速的升降，能较好地满足迅速制动和定位精准的要求。采用丝杆传动，能够实现自锁，从而保证胎胚可以在任意位置停留。

螺旋传动在各种机电系统中有着广泛的应用，主要是将旋转运动变成直线运动，同时进行能量与力的传递，或者调整零件的相互位置，也可以将直线运动变成旋转运动。根据螺纹副摩擦性质的不同，可以分为滚动螺旋、静压螺旋和滑动螺旋。滚动螺旋的特点是：结构复杂，制造较难，抗冲击性能较差；静压螺旋的缺点是：螺母结构复杂，需要一套压力稳定、温度恒定、过滤要求较高的供油系统；滑动螺旋虽然传动效率低，但它具有结构简单、加工方便、运动平稳等优点。由于本设计中丝杆所受扭矩不大，在满足机构运动要求的条件下，考虑到经济因素，选用滑动螺旋传动。

2 设计计算

2.1 螺杆的强度计算

受力较大的螺杆需进行强度计算。螺杆工作时承受轴向压力（或拉力）Q和扭矩T的作用。螺杆危险截面上既有压缩（或拉伸）应力；又有切应力。因此；核核螺杆强度时，应根据第四强度理论，求出危险截面的计算应力σca，其强度条件为：

或

式中，A为螺杆螺纹段的危险截面面积；

WT为螺杆螺纹段的抗扭截面系数；

dl为螺杆螺纹小径（mm）；T为螺杆所受的扭矩；

[σ]为螺杆材料的许用应力（MPa），如表1所列。

表1 滑动螺旋副材料的许用应力

2.2 螺杆的稳定性计算

对于长径比大的受压螺杆，当轴向压力Q大于某一临界值时，螺杆就会突然发生侧向弯曲而丧失其稳定性。因此，在正常情况下，螺杆承受的轴向力Q必须小于临界载荷Qc。则螺杆的稳定性条件为：

式中，

Ssc为螺杆稳定性的计算安全系数；

Ss为螺杆稳定性安全系数，对于传力螺旋（如起重螺杆等），Ss=3.5～5.0；对于传导螺旋，Ss=2.5～4.0；对于精密螺杆或水平螺杆，Ss＞4；

Qc为螺杆的临界载荷（N），根据螺杆的柔度λS值的大小，选用不同的公式计算。

λS= μ l/i，此处，μ 为螺杆的长度系数（见表2）；l为螺杆的工作长度（mm），若螺杆两端支承时，取两支点间的距离作为工作长度l；若螺杆一端以螺母支承时，则以螺母中部到另一端支点的距离，作为工作长度l；i为螺杆危险截面的惯性半径（mm），若螺杆危险截面面积：

则

当λS≥100时，临界载荷Qc可按欧拉公式计算，即：

式中：E为螺杆材料的拉压弹性模量，E=2.06×105MPa；I为螺杆危险截面的惯性矩，

当λS＜100时，对于强度极限σB≥380 MPa的普通碳素钢，如 Q235、Q275 等，取

对于强度极限σB＞480 MPa的优质碳素钢，如35～50号钢等，取

当λS＜40时，可以不必进行稳定性校核。若上述计算结果不满足稳定性条件时，应适当增加螺杆的小径d1。

表2 螺杆的长度系数μ

（l）若采用滑动支承时，则以轴承长度l0与直径d0的比值来确定。l0/d0＜1.5时，为铰支；

l0/d0=1.5～3.0时，为不完全固定；l0/d0＞3.0时，为固定支承。

（2）若以整体螺母作为支承时，仍按上述方法确定，此时取l0=H（H为螺母高度）。

（3）若以剖分螺母作为支承时，叫作不完全固定支承。

（4）若采用滚动支承已有径向约束时，可作为铰支；有径向和轴向约束时，可作为固定支承。

2.3 扭矩计算

扭矩的计算不仅可以反映扭矩的大小，而且还是电机选择和减速器选择的依据。扭矩可以用机械原理方法计算：

式中Mmax为螺杆传递的最大扭矩（N·m）；Q为轴向载荷（N）；α 为螺旋升角；φv为当量摩擦角，φv=arctg(f/cos β)；β 为螺纹牙顶的角度；f为摩擦系数；Dcp为螺杆中径（m）。在本设计中 Q=2 000 N，α=5°，f=0.2，Dcp=0.05 m，β =20°，计算得到Mmax=15 N·m。

2.4 功率计算

由于在不同力矩下转速变化很大，同时，当力矩最大时，其功率不一定是最大值。因此，按力矩选择电机较为方便可靠。将负载的阻转矩换算成电机输出轴的阻转矩，可利用下式：

式中，M1max为电机输出轴的阻转矩（N·m）；ηc为传动机构总效率；i为电动机轴与工作机构轴间的传动比。电机功率公式如下：

式中，Nmax为电机功率 (kW)；n为电机额定转速，n=1300 r/min；kn为电机过载系数，kn=3.5～4。

根据所用电机和减速器样本，选择合适的参数反复试算，得出符合设计要求的结果，经计算，初步确定i=20，ηc=75%，计算得到Nmax=40 W。

此外，对电机的要求还有：

（1）具有较高的启动力矩，其运行速度越低，输出力矩越大，从低速接近同步速度都能稳定运行，而且启动力矩（也是最大力矩）与额定力矩的比值较大，一般为3.5～4；

（2）重复短期工作制并可逆运行；

（3）密闭性能良好，以适应高温、高湿的工作环境。根据要求和设计计算，选用的电机为JQLX42-8双速三相异步电动机，可以实现螺杆低速和高速的转换。

3 抓胎手的结构设计

抓胎机构的结构设计如图2所示。

图2 抓胎手组装图

（1）结构关系。电机1、导架10与盖板11都固定于支盘12上，支盘12与支架8连接在一起。动盘15、定盘14与支杆9都固定在支架8上，导架10与拨叉6连接为一体。机械爪7、通连杆13与动盘15铰接，可以在支杆9上往复运动。

（2）工作过程。电机1通过联轴器2带动螺杆3转动，螺母4在螺杆3上来回运动，从而推动导架10转动，导架10带动与其固接的拨叉6运动，拨叉6拨动动盘15绕支架8转动，从而带动与动盘15连接的机械爪7在支杆9上往复运动，实现机械爪的张合过程。

4 测试实验

（1）功率测试。主要测试抓手提升不同规格的胚胎与电机消耗的功率关系，验证所选的电机是否满足设计要求，为进一步优选电机提供依据。测试所用的主要仪器为100无纸记录仪，测试结果见图3。

图3 抓胎手的功率变化曲线

由图3可知，电机消耗的功率与提升胎胚的质量成线性递增关系。在提升胎胚质量最大的条件下，功率消耗最大。本文所选电机的额定功率大于所消耗的最大功率，满足工作要求。

（2）定位精度测试。主要测试抓胎手在工作过程中的定位精度，测试所用的重要仪器为游标卡尺。图4给出了不同转速情况下抓胎手的定位误差。

由图4可知，定位精度随速度变化而变化，基本上呈线性增加，在最高转速时，定位误差仍然不到0.5 mm，精度非常高。

图4 抓胎手定位误差曲线

5 结束语

本文利用电机带动丝杆旋转，从而推动螺母往复运动这个原理，全新设计了抓胎手，使其定位精度得到大大提高；同时解决了以往机械爪单边放气缸、重心偏离中心轴线的问题，具有良好的对中精度。此外，这种新型的电动抓胎手还可以根据胎胚规格，自动伸张，自动调节伸张力，从而减轻了对胎胚的损伤。

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