角码上料装置结构设计及机架仿真分析

2023-12-04赵玉凤马国平张秋菊李辰皓

现代制造技术与装备 2023年10期

赵玉凤马国平张秋菊李辰皓

（1.南通理工学院机械工程学院，南通 226000；2.牧园大学信息与通信融合工程，大田 35349；3.江苏申阳电梯部件有限公司，镇江 212300）

随着人们生活需求的增加，传统的石油、煤炭、天然气等资源已经无法满足日益增长的能源消耗[1]。随着科技的进步，大量新能源不断被开发与利用，有效缓解了能源问题。太阳能光伏发电作为新能源领域的重要组成，在当前化石燃料日趋枯竭、环境问题愈加严重的背景下，得到了各国政府的广泛支持，并逐步成为全球能源供应的主体[2]。我国太阳能光伏发电产业正处于飞速增长期，对相关配套产业的需求十分旺盛。

铝合金边框与角码作为保护太阳能电池板的重要部件，其生产制造目前已经实现自动化，但二者的组装主要通过人工来实现，效率低、人工强度大且容易划伤人。因此，提升铝合金边框组装的自动化程度是提高生产效率的关键。在物料上料环节，运用工业机械手实现工业应用，主要通过微型电机或气缸等为夹头提供驱动力，并结合视觉技术精准定位物料，同时通过系统控制实现自动抓取[3]。但是，此类设备由于过于精密复杂，容易被外界环境干扰，维护难度较大。吸附式运料主要通过真空负压抓取物料，容易抓取玻璃、陶瓷、金属板材等较为平整的壁面，但不适用于复杂的凹凸壁面。基于此，利用载放组件、升降组件、出料组件相互联动和配合，完成角码的自动上料，并通过机架仿真分析与优化，有效避免机架与外部激励产生共振，保证上料过程的平稳性[4]。

1 角码上料装置的设计及工作步骤

1.1 角码上料装置的设计

太阳能光伏组件的边框由4 根铝合金管材拼装而成，铝合金管材之间依靠角码连接。角码为特殊的L形结构，现阶段整个组装过程主要靠人工完成。设计一种太阳能光伏组件角码上料装置，可以解决现有的人工不足的问题。装置主要包括载放组件、升降组件和出料组件，如图1 所示。

图1 太阳能光伏组件角码上料装置

载放组件主要用于实现角码整齐且间隔的码放，升降组件主要用于实现载放组件整体间歇上升或持续下降，出料组件主要用于有序调出和调用载放组件中的角码，实现角码的自动输出[5]。

1.2 角码上料装置的工作步骤

角码上料的最终目的是保证角码的有序调用，从而完成自动装配[6]。在工作时，角码上料主要包括3 个步骤。首先，角码的码放。通过人工在每块载放板的每个导向槽中放置1 个角码，并通过对应定位片的定位槽定位角码。其次，角码的上升。通过人工将填满角码的载放盒提放至升降平台，并通过升降平台上的定位板对其进行定位，然后利用驱动电机带动同步带运转，进而实现升降板、升降平台及载放盒的间歇上升。最后，角码的调出。当载放盒中某一层的载放板上升到与伸缩气缸等高时，通过出料组件中伸缩气缸和薄型气缸的相互联动与相互配合，逐渐调出并调用每块载放板的每个导向槽中的角码[7-8]。设计的角码上料装置结构合理、使用方便、上料迅速，适用于角码的自动装配设备，可以提高角码在装配时的工作效率。

2 机架结构的设计及优化

2.1 机架外形设计

机架用于固定和支撑机器的各个部件，使机器能够正常运转。机架整体采用结构钢及钢板连接而成，4 根支撑管矩形阵列竖直排布，顶部和底板分别安装于支撑管的顶端和底端，增强装置在运转过程中的稳定性。在钢板上留出螺纹孔，加装固定板，以固定驱动电机。驱动电机的输出轴上均安装同步轮，同侧的同步轮之间通过1 根同步带连接。导向杆的上下两端分别借助连接座与顶板和底板连接。2 个导向杆上均滑动安装连接块并将其固定于升降板。升降平台水平且悬伸焊接于升降板的顶部，升降平台的上端面设有呈矩形阵列排布的L 形定位板。出料组件中的悬伸板水平安装于支撑管上并向内悬伸，以便完成角码的调出和调用。

2.2 机架结构优化

机器在运行过程中，电机会产生振动，并且载放组件在升降运行过程中与升降组件间会存在刚性冲击[9-10]。因此，在设计机架尺寸后，应对其进行应力分析和模态分析，防止机架因共振或变形等产生安全问题。

整个优化流程包含模型参数化、有限元求解和尺寸优化等。模型参数化过程主要指在Creo 软件中实现机架的参数化建模。在Creo 中打开simulasion，以免模型导入过程中丢失参数。打开后就可以点选所需参数，完成模型的参数化。有限元求解主要指模态分析，此分析主要用于求解机架的低阶频率和振型，为初步优化提供思路。在初步优化后，对模型进行修改，可以得到最优结果。

2.2.1 模态分析与初步结构优化

模态分析主要用于分析和研究物体或系统的振动特性，包括其固有频率、振型和模态参数等。机架结构的模态分析是指对机架结构的振动特性进行分析和研究。机架结构通常用于支撑和固定设备或构件，具有较高的刚度和稳定性要求。模态分析可以了解机架结构在振动条件下的响应和性能，以评估设计的合理性和安全性。一般系统的通用运动控制方程表达式为

式中：f(t)为外部施加在系统上的力或激励；m为系统的质量矩阵；为系统的加速度；c为系统的阻尼矩阵为系统的速度；k为系统的刚度矩阵；x(t)为系统的位移或变形。

在模态分析中，通常假设系统的振动在没有外部激励的情况下进行，因此可以将外部激励项f(t)置为零。此外，在某些情况下，可以忽略系统中的阻尼效应，尤其是当阻尼相对较小或对系统的动态响应影响较小时。

基于简化假设，模态分析中经过简化后的控制方程为

式（2）的简化控制方程可以用来求解系统的固有频率和振型，而且由于忽略了阻尼项，可认为结果与外部激励无关。需注意，在实际工程中，阻尼对系统的振动特性可能具有一定的影响，特别是在考虑系统的耗能、稳定性和动态响应等方面时，不能完全忽略阻尼效应[11-12]。因此，具体的模态分析问题中，应根据具体情况决定是否考虑阻尼效应。

2.2.2 机架结构的模态分析

为了加快计算速度，提升求解的准确性，对机架模型进行相应简化，删除地脚结构与模型中的细孔。机架材料选用结构钢，密度为7 850 kg·m-3，弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3。网格划分往往对求解的精度有着较大影响。一般而言，较小的网格尺寸能够提升求解结果的准确性，但是在网格尺寸缩小的同时必然会导致网格数量增多，进而需要更多资源，导致求解效率降低。因此，可以采用自动划分网格的方法。在实际工况中，机架底部由地脚结构固定在地面上，因此边界条件采用Fixed Support 选项来固定机架底面。

对于模态分析而言，由于低阶模态的影响较大，为了减少计算量，提高求解效率，只提取机架模型的前4 阶模态进行分析。前4 阶振型与频率如表1 所示。

从表1 可以看出，机架的一阶和二阶的固有频率相近，并且数值都比较低。一般情况下，在一阶模态下的振动能量比较大，产生的共振很容易造成结构损伤，对角码传动时的影响也比较大[13-14]。当外部激励达到一阶模态下固有频率的75%及以上时，极有可能产生共振，应当引起重视。由于所选电动机的转速为1 400 r·min-1，电动机所施加的外部激励为23.3 Hz，达到一阶频率的132.78%，可以判断此数值已经处于危险区域。由于机架的一阶和二阶振型分别为沿X轴和Y轴方向的弯曲变形，在机架上添加横梁和斜梁将是提高其一阶和二阶频率的有效手段。

添加梁进行优化后，一阶振型计算结果如图2 所示。从图2 可以看出，一阶频率提高到35.370 Hz，横向弯曲变形得到缓解，主要集中在机架上部，其纵向结构得到有效加强。

图2 加梁后一阶振型计算结果

对比优化后的数据，机架模型的前4 阶振型与频率结果如表2 所示。从表2 可以看出，机架的一阶频率相较于优化前提升了101.57%，电动机所产生的外部激励频率只占65.870%，低于75.000%的警戒线，因此可以认为通过结构优化设计，机架的动态性能得到较大提高，这有助于减少共振的产生，保证角码上料过程中的平稳性。