基于UG 的纵向自动码垛机的设计

2020-08-18秦建国张旭东

时代农机 2020年6期

关键词：转板码垛安全系数

秦建国，张旭东

（内蒙古工业大学机械工程学院，内蒙古，呼和浩特 010051）

目前，小型码垛普遍采用人工码垛方式，效率低、人工成本高、工作环境恶劣及安全生产隐患多等问题突出。本文通过设计一个码垛烘干一体机，将原来使用人工进行码垛的流程简化，减少人工的使用，实现自动化码垛过程，效率更高，可以降低产品生产的成本[1]。

1 码垛烘干一体机的设计

码垛机构是码垛烘干机最重要的结构之一，而设计实现码垛功能时，应该充分考虑理想的码垛效果，还需要考虑托盘的尺寸规格，托盘是物流产业中最为基本的集装单元和搬运器具[2]。

1.1 设计思路

产品在托盘上堆码的方式有4 种：重叠式、交错式、纵横式和旋转式，要求托盘表面的利用率不低于80%[3]。而具体码垛的方式则要根据产品的形状尺寸选定，产品单个尺寸的长宽高为595mm×595mm×95mm，如图1 所示，设计为垂直纵向码垛，10 个产品为一垛，总高 0.95m。

常见码垛机结构有关节机器人式、桥式、龙门式等[4]。机器人码垛结构一般是多轴结构组成，适合多种尺寸规格的产品进行码垛，但每次只能进行一个码垛，且码垛的速度不快；对于桥式、龙门式的码垛机机构，一般较少用于小型纸质产品的码垛。目前，大多数码垛装置都是针对于大尺寸、表面光滑的工件，末端采用普通吸盘或者特制的末端执行机构[5]。根据本产品的形状特点，本文设计了一种新型的纵向码垛机，可以实现逐个连续码垛。

图1 产品包装成品图

1.2 码垛机的整体结构

码垛机的整体结构如图2 所示，图中1 为导杆气缸，通过导杆的伸缩带动连接的整型板横向运动；图中2 为整型板，在气缸的驱动下横向夹紧叠垛产品；图中3 为整体机架，由铝型材搭配构成；图中4 是推出平台，用于堆放码垛好的叠垛，图中5为转板装置，进行单向回转运动；图中6 为超越离合器，保证转板装置只能单向运动；图中7 是暖风机，通过电热提供暖风；图中8 是空气喷嘴，将暖风机的暖风排出；图中9 是普通气缸，在气动作用下使托盘纵向运动将单个产品依次推入转板装置中；图中10 是托盘；图中11 是无杆气缸，可以实现纵向运动，带动连接的推出板，将码垛完成的产品整垛推出；图中12 为推出板，进行纵向运动，将码垛好的产品推出码垛机；图中13 是直线导杆，其上的滑块与推出板相连，进行横向进给运动。

图2 码垛机主要结构图

1.3 码垛机的工作流程

（1）普通气缸开始向上运动，所连接的托盘以及托盘上的产品向上运动。

（2）上升中的产品上表面与转板的下表面相接触时，驱使转板向两侧旋转，当普通气缸的上行行程结束后，此时产品接触的挡板旋转达到45°位置，产品与挡板不再接触，此时产品下表面与挡板上表面接触。

（3）普通气缸开始下降行程，回到原始位置，由于转板只能单向旋转，此时产品在与托盘不相互接触时也会在转板上保持静止，不发生掉落，从而完成一次码垛的运动。

（4）在码垛同时，暖风机开始工作，将产生的暖风经过空气喷嘴输出，对纸盒烘干。

（5）经过若干次的码垛后，产品叠垛到达预先设计高度，此时整型装置的导杆气缸带动整型板进行纵向运动，对叠垛进行整齐，整齐后气缸回到初始位置。

（6）挺多无杆气缸连接的推出板将整齐后的叠垛沿推出平台推出，推出后，无杆气缸回到初始位置，完成一次完整的码垛烘干过程。

2 主要结构工作原理

2.1 转板结构原理

超越离合器具有改变速度、防止逆转、间歇运动的特点[6]。本设计的创新之处在于针对产品的特性设计了一种新型的转板结构，通过转板结构和单向超越离合器的功能可以实现纵向对产品的码垛。

2.2 推出装置原理

推出装置主要由无杆气缸带动推板，沿直线导轨进行往复运动，依靠摩擦力将整个产品的叠垛推出。本设计为2s 完成一次往复，通过无杆气缸上的行程开关设置相应的行程，为了保证在推出过程中叠垛不发生倒塌，需要对推出装置的运动特性进行分析。

3 码垛烘干一体机的动力学及有限元分析

3.1 转板结构的设计及有限元分析

因为转板承受一定的载荷，因此有必要对转板进行结构分析，确定转板的材料结构是否能到达到设计的标准，我们采用UG 中的有限元模块，对转板的主要受力结构长支撑板进行有限元分析。分析结果如图3 所示：

图3 转板静态受力变形图

3.2 有限元分析结论

由于转板是左右对称结构，我们对一侧的转板进行力的载荷的施加，施加载荷为60N，方向为竖直向下，在螺栓连接处施加固定约束，最大形变集中在支撑板连接处，约为0.077mm，整体变形非常微小，可以认为长支撑板的结构符合设计要求。

3.3 耐久性分析

转板在工作时，所承受的最大载荷也成周期性变化，每个周期T 是码垛一次完成的时间。

安全系数合理选择原则是：在安全可靠的情况下，尽可能选择较小的安全系数。根据经验数据法选取安全系数，如果材料性能数据可靠，载荷和应力计算准确，可取[S]=1.23~1.3[7]，确定安全系数为1.3。对于塑性材料，当其达到屈服而发生显著的塑性变形时，即丧失了正常的工作能力，所以通常取屈服极限作为极限应力;支撑板材料使用塑性材料，在进行耐久性分析时，设置使用屈服极限。

综上所述，给有限元模型指派材料为Iron_40，周期T=60s，安全系数确定为1.3，设定循环的次数为100000 次，基于以上参数我们进行耐久性的分析。

图4 疲劳安全系数结果图

图5 疲劳失效指数结果图

3.4 耐久性分析结论

根据分析结果，强度安全系数最小为103.66，最大为232676，云图的分布情况为，右边缘处的强度先降低，其他位置的强度降低较小；疲劳安全系数最小为167.479，最大为1088270，云图分布情况显示，支撑板不会发生疲劳失效；疲劳失效指数最小为 4.29782×10-6，最大为 0.00946437，根据判断标准，强度安全系数大于1，表明支撑板的强度满足要求，疲劳失效指数小于1，表明支撑板在划分的有限元单元中，不会有单元出现疲劳损坏的情况，说明支撑板的结构设计以及材料选择达到设计目的。

3.5 叠垛的运动仿真

叠垛在被推出时，最下层的产品被推出板推动带动整体叠垛推出，推出时的行程由两段组成，第一段，底层产品与作为支撑的产品相互接触，此时两者的动摩擦系数为0.2，在二段，底层产品与推出平台相接触，此时两者的动摩擦系数为0.12，可以得出，第一段所受的摩擦力最大，底层产品与上层产品分离的趋势也越大，简化模型得，若在第一段情况下，整体叠垛不发生相对位移，就可以保证叠垛在推出过程中不倒塌。