高速输送辊床结构设计与仿真

赵金凤

【摘 要】高速输送辊床以其模块化的设计、高强度同步带传动以及简易的维护保养的特点，满足产线高节拍、高效率、低维护的设备需求。面对国外高端产品的激烈竞争，这就需要我们加快自动化装备的开发进度，助力高端装备的国产化进程。

【关键词】高速输送;辊床;结构设计

中图分类号： TS203文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）14-0013-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.006

Structural Design and Simulation of High Speed Conveyor Roller

ZHAO Jin-feng

（Shanghai Guanzhi Industrial Automation Co.， Ltd.， Shanghai 201700， China）

【Abstract】High-speed conveyor roller bed with its modular design， high-strength synchronous belt transmission and simple maintenance features， to meet the production line high rhythm， high efficiency， low maintenance equipment requirements. Facing the fierce competition of foreign high-end products， we need to speed up the development of automation equipment and help the localization process of high-end equipment.

【Key words】High-speed conveying; Roller bed; Structure design

0 前言

高速输送辊床研发的目的是：结合项目建设技术指标，根据负载、节拍、工位间距、工件输送高度等技术参数，初步完成高速辊床的结构设计。通过研究高速辊床的动力学曲线和核心部件的性能有限元，为高速辊床的结构优化提供技术支持，并将高速辊床进行产业化应用。

1 高速输送辊床的组成及工作原理

1.1 高速输送辊床的组成

高速输送辊床主要由底部框架、升降驱动机构、水平驱动机构三大部分组成。

底部框架机构是辊床上部装置的安装BASE，其焊接质量和安装面的加工精度直接影响框架的焊接强度和安装精度。为了便于设备的后续安装调试，该单元设计有低位机械限位机构;电机安装面设计有定位支撑板;地脚板可以通过焊块进行上下调节。

升降机构采用曲柄连杆机构实现框架升降。驱动连杆机构安装在高精度的底部框架上，由电机带动连杆机构和平行四边形机构同时作用，达到前后摇臂同步旋转，在升降过程中，上部框架由3组进口导向副进行X、Y向精确导向，在竖直导向机构作用下，将摇臂圆周运动转化为竖直升降，实现辊床上部框架的前后同步升降。

该曲柄连杆机构在90°旋转过程中，存在两个机械极点位置，使得框架分别达到最高位和最低位，也即辊床设计的升降行程。

高速辊床的水平传动原理是滚动摩擦原理。通过SEW电机，带动串联的双排同步带轮驱动输送滚轮转动，输送滚轮采用包胶轮，提供滚动摩擦力，驱动滑橇向前运动。电机布置在水平传动单元的中心位置，使得该驱动机构，结构简单、运行平稳，传动效率高等优点。

1.2 高速输送辊床的工作原理

高速输送辊床主要由升降运动和水平运动两部分组成：

升降运动原理：利用连杆机构进行升降，在电机轴的带动下，曲柄转动，通过连杆传动，带动摇臂转动，同时摇臂顶端沿上部框架軌道滑动，在竖直导向机构作用下，将摇臂圆周运动转化为竖直升降，即上部框架随摇臂的旋转而上升下降。

水平运动原理：利用滚动摩擦原理，电机通过同步带，驱动串联同步带轮组带动台面框架上其它辊轮组旋转。利用滑橇与辊轮组接触面上产生的滚动摩擦力驱动滑橇水平运动。

2 高速输送辊床的结构设计

2.1 输送辊的结构设计

输送辊采用一体式结构，同步带轮、套筒、钢制滚轮加工后采用局部焊接成型，保证输送辊的装配精度和刚度;钢制滚轮采用挡边式结构，对滑橇起粗导向作用;采用一体式包胶，保证输送辊的同心度。

2.2 水平机构的设计

根据规划和工艺要求，确定辊床的设计参数：工位长度6000mm，负载约为750kg（车身m1+滑橇重量m2），水平输送节拍在6.5s以内完成（考虑到电机反应延迟等因素影响，设计时间要比规划时间小一些），滚轮直径为135mm，然后合理的分配水平运动中的加速时间t1、匀速时间t2、减速时间t3，使得电机功率和制动扭矩大小满足要求。

以t1=2.5s，t2=2.5s，t3=1.5s为例，根据以上已经条件，计算得出滑橇的加速度a=0.53m/s2，vmax=1.33m/s，电机选型功率P=2.2kw，减速比i=8.01。

2.3 升降机构的设计

本项目根据实际技术要求，如升降循环时间、负载、行程、工位间距等参数，初步确定升降机构的机械结构形式，升降机构采用曲柄连杆机构，前后摇臂之间利用平行四边形机构进行联动等速旋转，实现辊床台面同步升降。

3 高速输送辊床的性能分析

本项目采用ADAMS样机仿真法研究连杆机构运动规律和各个零部件的运动曲线图。根据三维模型，对连杆仿真机构进行简化处理，并在转轴支撑处施加相应的约束、施加作用载荷，给曲柄设置一定的角速度，再对连杆机构进行运动仿真，后处理模块会自动存储仿真结果，启动测量模块，就会自动输出各个零件的力、力矩等变化曲线图，根据曲线图得到连杆机构的受力薄弱点。

结合ADAMS曲线输出结果，后续采用ANSYS软件对升降机构中结构薄弱零件进行性能分析，比如摇臂是连杆机构是受力最大的核心零件，进行强度校核和疲劳寿命、使用安全系数分析等。

3.1 升降机构的动力学分析

多体系统动力学的核心问题就是建模和求解。根据三维数模，对升降机构仿真模型进行简化，并将简化后的模型导入到 ADAMS分析软件中，利用ADAMS仿真软件[1-2]，获得升降机构各零件之间的相互作用力以及运动规律，根据输出曲线特征，分析主要零部件的强度、疲劳寿命和安全系数等，查找机构的薄弱区域，并进行结构优化。

3.1.1 模型简化

由于ADAMS软件在计算多体系统动力学原理方面功能强大，但是其建模模块相对较弱，因此需要在CATIA软件中进行简化，测量出连杆机构的位置参数表，根据位置参数表、连杆几何体的质量、质心位置等参数，对连杆机构进行等价简化建模，简化后的模型能有效地提高仿真效率，同时保证仿真结果的有效性。

机构建模仿真的步骤：首先设置各个部件的材料属性，然后根据各个运动部件约束之间的关系规律，添加相应的运动副关系，如曲柄与地面之间、曲柄与连杆之间、连杆与摇臂之间、摇臂与地面之间等添加铰接副或移动副。

3.1.2 升降机构的动力学分析

在完成建模后，为了计算出机构中各个部件之间的相互作用力，直观清晰地展示动力学曲线分析结果。升降过程设计参数：假设曲柄匀速旋转，转速为72deg/s，摇臂3.5s内顺时针旋转90°上升到位，3.5s内逆时针回转90°下降到位，机构仿真的具体步骤如下：

（1）设置各个部件的材料属性

（2）在各个运动部件之间添加运动副关系

（3）添加负载等边界条件

（4）添加源驱动，设置驱动类型和运动特性

（5）开启Simulation模块，设置仿真时间为6.5s，仿真步为，200步

在完成6.5s运动过程分析后，创建测量查看结果，观察各铰链处的运动规律，如速度曲线、受力曲线和力矩曲线等，得出各部件上的受力情况。根据分析结果得出，摇臂与拉杆铰链JOINT_3的X向承受的拉力最大。

从上图所知，在辊床从低位到高位上升运动过程中，摇臂铰链承受的力逐渐变大，在高位达到最大值，下降过程中力的变化规律基本和上升过程中的变化规律对称，与实际工况吻合。

根据ADAMS运动学分析结果，得出摇臂为整个连杆升降机构的薄弱部件，需要用有限元分析软件，对该部件进行结构强度进行校核，并将动力学分析结果作为有限元分析中的输入边界条件，对摇臂进行强度校核，分析摇臂的应力分析情况和疲劳寿命。

3.2 摇臂的有限元分析

辊床在升降过程中，摇臂所承受的载荷较为复杂，既承受连杆的拉力，又要承受上部框架的压力作用，同时摇臂在升降过程中角度随时间不断变化，在上述因素综合作用下，使得摇臂在各个部位或同一部位不同瞬间的应力应变都是不同的[3-4]。利用ANSYS有限元软件对摇臂进行有限元分析，计算出摇臂上不同时刻的应力值，并绘制摇臂上应力随时间的变化规律，找出危险截面。

零件的强度、刚度和疲劳寿命是工程结构使用的三个基本要素，而疲劳失效又是工程结构失效的主要原因之一，引起疲劳失效的主要原因是重复载荷作用。由于升降辊床在使用过程中，摇臂一直处于上述复合载荷的循环重复作用，需要对机构进行疲劳分析，从理论上分析摇臂的疲劳寿命和使用安全系数。

3.2.1 简化模型

根据分析需求对模型进行简化，将摇臂模型简化后导入ANSYS软件中。由于摇臂模型为对称模型，为了有效节约计算机资源，首先将模型沿ZX对称面进行Symmetry处理，在同等网格密度情况下，可以将计算速度提高一倍。

3.2.2 边界条件加载

为避免零件在分析过程中出现刚体位移，需要在摇臂转轴处添加固定支撑约束，在动力学仿真过程中，将ADAMS分析得到的摇臂转轴处的力随时间的变化曲线，总共设置6.5s的分析过程，分成26个子步，编制时间-历程载荷曲线，作为输入载荷1施加在摇臂处，求解输出设置，每个子步输出3组数据。

3.2.3 计算结果分析

分析结果表明：由于在摇臂上升和下降过程中，摇臂从0°转动90°再回转动0°，力的加载方向和大小随旋转角度变化而不断发生变化，摇臂上的等效应力值随时间不断变化。

从上分析结果得知，由于摇臂上转轴与转臂的连接部位出现截面突变，该区域出现应力集中现象，截面交变区域的最大应力值约为152MPa，小于材料的屈服极限（235MPa），摇臂的结构强度满足设计要求。而在实际结构设计时，截面突变区域一般采用圆弧过渡，使得截面变化区域的应力集中系数明显减小，该区域的应力值也会相应变小。

3.3 摇臂的疲劳寿命分析

疲勞失效是机械结构的主要失效形式，因此，对于承受交变应力作用下的设备，疲劳分析在设计过程中占据重要的地位。从高速输送辊床的使用工况分析，在工作过程中，摇臂频繁承受交变载荷的作用，摇臂上转轴与转臂的连接处是应力集中最严重的部位，在该应力集中区域处极易萌生疲劳裂纹，随着疲劳裂纹不断扩展，最终导致零件破坏，因此需要对摇臂进行疲劳分析。

在有限元分析结果基础上，选取等效应力最大值的时刻进行疲劳寿命和使用安全系数。插入疲劳工具，鉴于摇臂上承受的交变载荷规律属于类正弦恒幅变化，疲劳分析类型设置为“Full-Reversed”，并对称循环加载，材料的S-N曲线采用系统默认曲线，定义106为材料的无限寿命，在Safety Factor参数设置设计寿命为106。

从疲劳寿命分析结果可知，在承受上述对称循环载荷作用下，摇臂可以循环106次不破坏，就可以承受无限多次循环而永不破坏[5]，因此摇杆满足“无限”使用寿命。危险界面安全系数在1.2以上，设计满足使用要求。

4 结束语

通过对高速辊床输送系统的应用研究，掌握高速辊床输送系统的核心技术并进行产业化应用，助力高端自动化装备的国产化进程。本项目的研究工作，主要工作概括如下：

（1）研究了高速辊床输送系统的结构、工作原理，以及外购件的选型分析。

（2）采用ADAMS软件，对高速辊床升降机构的运动规律进行研究，输出机构的相关动力学曲线，分析升降机构的运动学特性，为升降机构的优化设计提供了基础。

（3）采用ANSYS有限元分析软件，运用瞬态动力学分析模块，对传动机构摇杆进行瞬态动力学分析，应用S-N的方法对摇杆机构进行了疲劳安全系数和疲劳寿命的计算，验证了机构强度和寿命设计的正确性。

【参考文献】

[1]李体振.基于多连杆系统的高速辊床研究与优化设计[D].合肥：合肥工业大学，2013.

[2]段彦放，等.基于ADAMS的曲柄摇杆机构的运动分析[J].北京：北方工业大学机电工程学院，2012

[3]李静明，等.基于ANSYS对连杆的有限元分析[J].煤矿机械，2006（6）：988-989.

[4]戚国胜.工程结构元件疲劳寿命的估计[J].山东科技大学学报（自然科学版），2003，22（增刊）.

[5]赵知辛，等.基于有限元的发动机连杆可靠性分析[J].组合机床与自动化加工技术，2014（9）：35-38.