堆垛装置（通用7篇）
堆垛装置 篇1
随着国民经济的持续稳步发展, 铝的需求量越来越大, 而绝大部分铝都需要通过铝锭连续铸造生产线浇铸成型。铝锭连续铸造生产线是生产重熔用铝锭的自动化生产线, 是集机、电、光、液和气于一体的自动化成套冶金装备。在PLC程序控制下, 铝锭连续铸造生产线可自动完成铝锭的铸造、冷却、堆垛、打包和成品运输等生产工序。国内各大电解铝厂的电解铝成型普遍采用这一设备。
铝锭堆垛机是铝锭连续铸造生产线的关键设备, 其功能是将冷却运输机中冷却好的成品铝锭按生产工艺的要求自动堆放成垛 (每垛十一层, 底层为4块, 其余皆为5块) 。因为铝锭堆垛过程要求第一层全部4块铝锭和第2层至第11层中的5块铝锭间隔进行180°翻转, 所以翻转装置是完成铝锭整列以及堆垛的关键设备。
铝锭堆垛机作为铝锭连铸生产线的关键设备, 堆垛机翻转装置的性能好坏决定了铝锭堆垛机的效率。提高翻转装置传动系统的性能, 有利于提高铝锭堆垛的效率, 进而提高整个铝锭连铸生产线的可靠性和高效性。本文应用有限元分析软件AN-SYS对伺服驱动下翻转装置主轴系统进行了瞬态动力学分析, 研究了翻转装置主轴在动态变化扭矩作用下翻转铝锭的位移、速度、加速度响应。分析中应用弹簧—阻尼单元来模拟轴承约束, 比直接约束主轴边界更接近于主轴的实际工作情况, 瞬态动力学分析结果表明运用伺服电机驱动翻转装置翻转铝锭有效减小了翻转机构在两个极端位置的冲击, 提高了翻转过程的平稳性。
1堆垛机翻转装置主轴系统
1.1堆垛机翻转装置的构成
铝锭堆垛机翻转装置的主轴系统是由齿轮轴夹紧块、夹紧定位轴、螺钉轴承等组成, 翻转装置的主轴系统简图如图1。在工作中, 翻转装置的主轴系统承担着大部分的力和力矩, 为了保持一定的效率要求夹紧块夹紧铝锭并在1.6s的时间内翻转铝锭180°。在这个过程中, 伺服电机通过齿轮传动施加给齿轮轴一个动态变化的扭矩, 齿轮轴带动夹紧块和铝锭, 经历了一个先加速后减速的过程, 同时在两端定位块还产生了一定的冲击。
1.2 原有翻转装置存在的问题
1) 翻转装置采用两个翻转气缸驱动铝锭翻转, 铝锭从水平起始位置到达垂直位置过程中, 气缸克服铝锭和夹紧块的重力作正功驱动铝锭翻转运动;铝锭在翻转过垂直位置后, 由于重力作正功, 而气缸又不能反向作功控制铝锭速度, 铝锭加速降落, 降落速度不但没有减小, 反而增大, 运动结束时, 铝锭和夹紧块的速度突然降为零, 运动结束后产生的冲击成了产生工件磕碰伤的重要隐患。
2) 整个翻转装置的转动惯量在速度突然变化时也对机架结构的冲击力相当大, 影响了整机的寿命和平稳性。
3) 翻转的速度过大, 会产生很大的离心力, 可能出现使铝锭飞出夹紧块等问题。
4) 现有的翻转装置生产率低, 不能满足更高的堆垛要求。
2 主轴的瞬态动力学分析
2.1 瞬态动力学概述
瞬态动力学分析 (亦称时间—历程分析) 是用于确定承受任意随时间变化载荷的结构的动力学响应的一种方法。可以使用这种方法来确定结构在静载荷、瞬态载荷和谐载荷的任意组合下的随时间变化的位移、应力和力。载荷和时间的相关性使得惯性力与阻尼作用更加重要, 更不能忽略。
瞬态动力学分析求解的基本方程如式 (1) 。
式 (1) 中:[M]为质量矩阵, [C]为阻尼矩阵, [K]为刚度矩阵, {
给定任意时刻t, 方程可以看成是考虑惯性力 ([M]{
瞬态动力学的求解方法也有3种:Full法 (完全法) 、Reduced法 (缩减法) Mode Superposition法 (模态叠加法) 。
通过比较以上三种方法的优缺点, 以及结合分析对象主轴, 本节瞬态动力学分析采用Reduced法 (缩减法) 。Reduced法通过使用主自由度和缩减矩阵来计算动力响应。它的主要分析步骤为:建模、求得缩减解、观察缩减解结果数据、扩展求解、查看扩展求解结果。
2.2 主轴的瞬态动力学分析
2.2.1 主轴有限元模型的建立
有限元模型的建立包括两部分, 即几何模型的建立和几何模型的单元划分。主轴的几何建模都是根据实际结构和尺寸进行构造的, 有效满足了计算精度且便于有限元建模。在几何建模进行单元划分时, 用实体单元 (Solid45) 进行构造, 注意网格划分应该细到足以反映感兴趣的最高阶振型。
图2为主轴的有限元模型。
2.2.2 施加约束
建模时, 将角接触球轴承简化为弹性支承, 对主轴本体采用Solid45三维实体结构单元进行网格划分, 对轴承采用弹簧—阻尼单元Combin14来模拟, 比直接约束主轴边界更接近于主轴的实际工作情况。假设每个轴承由四个均布的弹簧组成, 如图3所示。
为了限制主轴Z方向的移动, 在轴承支承处与弹簧连接的4个主轴上的节点 (即图4、图5中的T5、T6、T7、T8四个节点) 加上UZ约束。在弹簧的另外一端 (即图4、图5中的T1、T2、T3、T4四个节点) 为完全固结。
2.2.3 加载及求解
主轴承受的动态载荷:堆垛机翻转装置在工作中, 伺服电机通过齿轮施加给主轴齿轮端一个动态变化的扭矩, 根据伺服电机输出扭矩变化图, 在ANSYS函数加载器中绘制出扭矩变化曲线, 这个扭矩由三段余弦曲线组成, 连接处呈阶跃变化, 如图4 (a) , (b) , (c) ;主轴的另一端还承受负载随时间变化的重力矩, 同理根据夹紧块和铝锭对主轴的力矩变化在函数加载器中进行绘制, 如图5。本节主要研究翻转装置主轴在动态变化扭矩作用下翻转铝锭的位移、速度和加速度响应。
将扭矩转换为集中力偶, 用ANSYS函数加载器在主轴左端齿轮啮合处施加随时间变化的动态变化扭矩, 在主轴右端加随时间变化的负载重力矩 (方向与动态变化扭矩相反) 。经过ANSYS瞬态动力学Reduced法的计算, 得到主轴受到冲击后的响应。取齿轮轴右端的一个节点A, 通过POST26就可以分别得到A节点的位移、速度和加速度响应, 如图6 (a) , (b) , (c) 。
对响应过程跟踪分析可以得到:
从加载开始, 主轴上节点A的位移随着时间的增大, 逐步呈余弦曲线向加载力的方向增大, 最大变形量为3.8 mm。
主轴上节点A的加速度响应曲线是一个和扭矩变化有关的变量, 加速度响应曲线反映了铝锭翻转过程速度变化的快慢程度。加速度响应曲线在0～0.3 s和1.3～1.6 s值最大, 并且方向相反, 表明翻转过程中这两个时间段内铝锭经历了急剧加速和急剧减速的过程。
主轴上节点A的速度变化过程反映了翻转装置夹紧铝锭在翻转过程中的速度变化, 开始时速度从零迅速增大, 中间过程速度最大, 最后时刻, 速度几乎减小至零 (0.8 mm/s) , 并且整个过程速度响应曲线变化比较平滑, 波动很小, 这个过程反映了翻转装置在伺服电机驱动翻转过程中, 对两端的冲击明显减小。速度响应曲线中间过程产生的微小波动主要是因为齿轮在啮合传动过程中, 瞬时啮合冲击力的作用, 使得系统产生振动和噪声, 同时影响了传动系统的稳定性。对于这种啮合过程振动的减小, 可以采取以下措施改进:一方面在满足疲劳强度的前提下, 尽量减小齿轮的模数, 增加齿轮的齿数;另一方面, 在满足强度要求的前提下, 尽量减轻齿轮的重量, 以降低齿轮振动的固有频率。
4 结论
本文在考虑支承为弹性的情况下, 运用有限元分析软件ANSYS对翻转装置传动系统的齿轮轴进行了建模和动态特性分析。对齿轮轴的瞬态动力学分析, 得到位移、速度和加速度响应曲线, 速度响应曲线反映出了翻转装置在伺服电机驱动下, 翻转过程中对两端的冲击明显减小, 翻转过程也相对平稳。铝锭堆垛机翻转装置主轴系统的动态特性分析为进一步改进该结构进而提高堆垛机的效率提供了一定的理论依据。
摘要：铝锭堆垛机是铝锭连铸生产线的关键设备, 铝锭堆垛机的性能已经成为制约铝锭连铸生产线高效性和自动化的瓶颈技术。针对铝锭堆垛机翻转装置翻转铝锭过程中存在的冲击大、翻转过程不平稳等问题, 研究了翻转装置主轴的动态特性。通过Pro/e建立了主轴的三维实体模型, 考虑了轴承对主轴的约束、伺服电机施加给主轴的动态变化扭矩等, 运用有限元分析软件ANSYS对主轴进行了瞬态动力学分析, 计算出了翻转装置主轴在动态变化扭矩作用下翻转铝锭的位移、速度、加速度响应。分析结果表明运用伺服电机驱动翻转装置翻转铝锭有效减小了翻转机构在两个极端位置的冲击, 提高了翻转过程的平稳性, 也为进一步改进该结构进而提高堆垛机的效率提供了一定的理论依据。
关键词：翻转装置,主轴,模态分析,瞬态动力学分析
参考文献
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堆垛机货叉选型分析 篇2
高架立体仓库是自动化物流系统的重要组成部分。在高架立体仓库中,如何才能在空间不变的情况下储存更多的物料,提高储存能力,达到节省土地、增大储存量、减少投资的目标?其中,巷道堆垛机货叉的选型(存取货物方式)对于高架立体仓库的储存能力起着至关重要的作用。
在高架立体仓库中,堆垛机和货架构成了密不可分的系统,选用什么样的堆垛机货叉,就应选用与之相匹配的货架。在堆垛机和货架确定后,储存货物的方式也就确定了,因而高架立体仓库的储存能力或密度也就确定了。所以堆垛机货叉的类型决定了立体仓库的储存能力(储存密度)。下文分析了堆垛机不同货叉类型的应用特点。
1. 普通货叉
传统的巷道堆垛机通常采用三级货叉来对货物单元进行存取。这种普通货叉的结构形式要求在货物单元下面留出足够空间(150～200mm)供货叉(100～20mm)伸缩。伸叉占用的空间,货物单元不能进入,同时货物单元上面与货架横梁之间也应留出货叉微升微降的空间,而货叉的挠度也占用一定的空间,这样就降低了立体仓库在高度方向的货物储存密度(见图1、图2)。
2. 推拉式货叉
为了实现货物高度方向上密集排布,充分利用空间,需要对高架库堆垛机的货叉及货格托盘的存取方式进行重新设计。为了利用好货叉伸缩占用的空间,一种无伸缩货叉的推拉式巷道堆垛机应运而生,由于没有货叉的微升、微降,每一层货物可在高度上减少近150mm,使空间得到了很好的利用,提高了立体仓库的储存密度。
推拉式巷道堆垛机的取货方法是:在货叉上设有链式滚轮推拉装置,左右微伸、微缩,滚轮接触到货箱后,链式滚轮转动,滚轮通过拉动货物单元货箱上的沟槽或拉环,在链条的带动下往复运动,从而实现了货箱的推拉运动,即存取作业。其原理见图3,实物照片见图4。
3. 双深式货叉
通常,一台堆垛机负责左右两排货架货物的存取。而对于立体库物料流量不大,存储的品种不多,但要求储存量较大的情况,巷道堆垛机可采取五级双深式货叉方案。该方案可用一台堆垛机负责左右各两排货架(即共四排货架),堆垛机巷道宽度不变。这比常规方案节省一台堆垛机和一个巷道空间,提高了立体仓库的储存密度(见图5)。
双深位伸缩货叉具有独特的构造,可以装卸四排货架(左右各两排)上的货物,提高立体仓库的空间利用效率。换句话说,双深位伸缩货叉可以达到很大的叉程,最大叉程/叉长比大于2.0,远远超过单深位伸缩货叉。
四级或五级双深式货叉的结构比较复杂,要求制造精度高、货叉的整体刚性和强度好,比三级货叉的制造费用相对高一些。同时,为了躲避货叉,靠近巷道两侧货架牛腿与牛腿之间留的空间要大一些,但由于节省了一台堆垛机和一个巷道,整个立体库的总造价还是降低了很多(见图6、图7)。
4. 三深式货叉
这是一款为客户定制的伸缩货叉,有四个可移动叉,比双深位货叉还要多一个。
三深式货叉结构特殊,叉程/叉长比非常大,最大叉程很长。此款货叉用于三深位存储或者需要挠度偏差小的双深位存储。可移动叉的宽度为175mm,可移动叉的总高度为235mm,合理叉程内的载重为1000kg (见图8)。
无论是双深还是三深货叉结构,适用于储存的物料品种不多,但在库存量要求较大的情况下,常用于药品、饮料、牛奶、矿泉水、油漆等成品仓库。
5. 单皮带式、双皮带货叉
皮带式系统和货叉的驱动部分相互独立,皮带式系统可以不通过货叉动作来搬运货物。皮带和伸叉是复合运动,节省空间和时间,出入库频率相当快(见图9、图10)。
皮带式系统通常和迷你载重货叉配合使用,不适合重型货叉。主要适用于小于50kg的货箱。
除了单皮带系统,还有双皮带系统,其驱动单元相互独立,可以同时装卸两组货物单元(见图11、图12)。
6. 单深夹持式货叉
对于重量比较轻、体积比较小的周转箱,在牛腿式货架上排列比较密,要求货叉的伸缩速度快、定位准确。此结构货叉的主体是可往复运动的传送带,两侧的夹持机构实质上是两个可伸缩的三级普通货叉。取货物时,夹持货叉首先伸入货架,夹持住货箱的两侧,在收回货叉的同时,主体货叉的输送带启动,将货箱带回。送货物动作相反。此结构货叉没有微升微降的动作,减少了货架与货箱之间的空间(见图13)。
该系统用于箱式存储的单深位自动化立体仓库,与箱子的尺寸和重量密切关联。如果采用两叉间距可变的移动系统,可以同时叉取从200～700mm宽度不同的箱子,最大重量为50kg/箱,这款设备的一个动作周期可以小于5秒(见图14)。
7. 双深夹持式货叉
该系统用于双深位箱式存储的自动化立体库。货叉中部和端部分别有定位沟,同时隔开两个箱体。系统与箱子的尺寸、重量和材料密切关联:采用两叉间距可变的移动系统,可以在一个巷道内叉取从200～700mm宽度不同的箱子,最大载重为50kg+50kg。这款设备的一个伸缩周期可以小于6秒(见图15)。
8. 两叉间距可变货叉
两叉间距可变系统即两个叉体之间的间隙是伸缩可调的,两个叉中间的距离可以根据不同列、不同层高,而根据托盘尺寸的大小调整。该设备特别适用于在同巷道内有多种尺寸托盘的立体仓库(见图16)。
9. 自提升货叉
自提升货叉一般用于当伸缩货叉固定在货台、AGV或者其他相似的不带提升装置的搬运设备上。
自提升系统有多种类型,不同的重量对应于不同的提升高度,所以基本上所有的伸缩货叉都可以配置一套自提升系统。最大的垂直提升距离相对于不同的设备而不同,也和货物的重量密切关联,适当的距离为120mm (见图17)。
1 0. 卷状物货叉
卷状物货叉是在普通货叉的基础上进行技术改进得到的,是可以叉取卷状货物的伸缩货叉。因为货物很重,需要设计增强型的卷状物货叉。如造纸行业、布料行业、地毯、地板革等卷装物品可以用此类货叉(见图18、图19)。
结论
堆垛机安全机构的设计 篇3
随着中国经济的高速发展,物流配送中心和自动化立体仓库的需求量越来越大,而巷道堆垛机是自动化立体仓库的核心设备。作为一种起重机械,它在又高又窄的巷道内高速运行,为避免对人身及设备造成威胁,堆垛机必须具备一套完善的硬件及软件安全保护措施。
1 堆垛机的机械保护
1.1 堆垛机做的是三维运动
水平方向由行走机构带动整台设备沿着轨道方向运动,因此在轨道终端设置了水平机械限位装置,这种装置一般在金属结构的上下横梁两端安装橡胶缓冲器或液压缓冲器,在轨道终端装有机械死挡,一旦堆垛机失控,能起到缓冲作用,避免堆垛机冲出轨道造成人身及财产损失。
在垂直方向主要是载货台做上下运动,因此在立柱上下两端也装有橡胶缓冲器,以免载货台超出它的上下限,造成设备损伤。
另外,载货台带着货叉机构在垂直方向做水平的伸缩运动,除了为货叉设置机械限位以外,为了防止货叉伸缩时卡住或遇障碍物损坏电机,还在货叉的传动装置上设置了力矩限制器,当货叉超载时,传动轴打滑,电机空转,从而保护了货叉电机。
1.2 松绳过载保护
当起升钢丝绳由于某种原因使其张力超过有货满载荷值的25%以上或小于无货空载荷的75%以下时,过载与松绳保护装置(超载限制器)将动作发出信号,及时断电停车。钢丝绳的松绳过载保护装置采用弹簧滑块式机构,其工作原理是:由于钢丝绳张力的变化引起弹簧伸缩带动滑块位移并碰撞行程开关以控制电动机断电,从而起到保护作用。
1.3 限速器和安全钳
为防止由于链条或钢丝绳全部折断,或由于载货台超载严重而发生的载货台坠落事故,需要在堆垛机设计时考虑限速器和安全钳装置。
限速器是速度反应和操作安全钳的装置,当载货台运行速度超过限定值时,限速器产生机械动作,由于限制器的作用,使装在载货台吊架上的安全钳的楔块制动机构在杠杆和弹簧等的作用下钳住前后升降导轨,制止载货台下落并将其支持在升降轨道上,以保证现场人员与货物的安全,如图1所示:限速器安装在堆垛机上方,限速器绳由安装于下横梁上的张紧装置予以张紧,限速器动作时通过提拉连杆机构将活动钳块上提,与导轨接触并沿斜面滑槽上滑,导轨被夹在活动钳块与静钳块之间,形成自锁,从而防止载货台向下坠落。限速器绳应选柔性良好的钢丝绳,直径不小于6mm,安全系数不小于8。
1.限速器2.限速器绳3.静钳块4.活动钳块5.连杆机构6.导向装置7.张紧装置8.弹簧9.碟形弹簧
安全钳装置安装在载货台的垂直吊架上,由钳座、碟形弹簧、静钳块、弹簧活动钳块、滑槽等组成,其最大的夹紧力由碟形弹簧决定,弹簧用于安全钳释放时钳块复位。
2 堆垛机的电气保护
2.1 水平运行强制换速及限位保护
水平运行强制换速开关一般装于金属结构下横梁上,装于地面的检测片设于运行行程两个终端限位之前,当自动或手动失误,堆垛机仍在高速运行时,通过此开关强制换成低速,防止惯性太大和冲击震动。
水平限位开关一般装在下横梁一侧,一般采用行程开关,撞尺设于两运行终端,当堆垛机进入紧急停止状态时,迅速切断电源,使机械停止运转并发出水平紧急停止报警信号。
2.2 起升下降运行保护
在金属结构立柱的上下终端处,装有撞尺,在载货台上设有行程开关,阻止载货台升降超过上下极限位置,一旦出现紧急停止状态时,切断电源并发出升降紧急停止报警信号。
同样的,在载货台上装有强制换速开关,以用来强制减速载货台上升或下降时的速度。
2.3 货叉伸缩电气保护
一般在货叉上设置左右驱动开关来控制货叉的伸缩方向,同时还设有上叉保护,在确认上叉已经收回的情况下,堆垛机才会运行,避免货叉没有收回碰到货架或货物。
3 结束语
浅析托盘堆垛车技术发展方向 篇4
托盘堆垛车适用于狭窄通道和有限空间内的作业,是仓储物流行业的理想工具。目前国内外生产托盘堆垛车企业很多,功能基本上大同小异。但是由于仓储物流过程中一些特定的操作特点,使得托盘堆垛车的细微功能及结构设计差别会影响到其作业效率及安全。随着用户的使用体验和技术的发展,托盘堆垛车的技术呈现出了几个较为清晰的发展方向,本文结合实际操作特点,来浅谈托盘堆垛车的技术发展方向。
提高作业效率
影响堆垛车操作效率的因素主要有车辆行驶速度、货叉升降速度以及操作方便性。
行驶速度受电机功率、安全、标准及经济性等方面制约,设计时要综合考虑各方面因素。目前,较合理的空载行驶速度为6km/h (步行式)和10km/h (站驾式),满载速度为5km/h (步行式)和8km/h (站驾式)。
货叉升降速度是影响作业效率的另一重要因素。货叉起升速度受到电机功率、电控技术以及经济性等方面的制约,而出于安全性考虑,货叉下降速度不能过快。
货叉的起升和下降是托盘堆垛车实现存取货物的2个基本功能,使用也最为频繁。叉装时,由于堆垛车货叉高度一般在55～70mm之间,而标准托盘的叉槽高度在89～100mm之间,因此货叉在进入托盘时距离叉槽上下两侧只有不到10mm,需要有很高的操作精度。目前,国内的堆垛车设计基本都是采用微动开关控制电机的启动和电磁阀的启闭,来实现货叉升降。由于电机断电后存在短暂的延时,因此开关接触时间以及电磁铁吸合时间并非十分精确,使得货叉的移动距离过长且不可控,特别是空载起升和重载下降,单次移动距离可能超过30mm。这种现象会导致货叉一次很难调整到位,影响作业效率。同时对于多层货架,若存放的货物和上层货架框间隙较小,易导致存取货物时货叉或货物碰擦货架,从而引发安全事故。起升下降功能采用泵控或阀控的形式,通过操作模拟开关可实现货叉升降的无级调速,做到精确定位,提高作业效率和安全。
提高操作性能
门架视野开阔、货叉控制精准、操作轻便、故障自检等,都能减少操作员疲劳、提高工效性,使车辆易于操作。
在操作托盘车存取货物时,除了货叉的定位精度,驾驶员的操作视野也会影响作业效率及安全。在设计上有许多方法可对视野有所改善,比如在叉尖涂上醒目的颜色(如图1),货叉及叉架体设计上采用镂空设计。这样在进行第2层作业时不会出现因叉架板挡住驾驶员视线而无法判断货叉位置的状况。(如图2)。
提高灵活性
提高堆垛车灵活性的目的是提高其对狭小空间的适用性,具体措施有两点,一是减小最小通过宽度和最小转弯半径,二是减小车身宽度和纵向尺寸。以杭叉集团的1.2t A系列堆垛车为例,其车身宽度L1一般为800mm左右,货叉长L3一般为1150mm左右,可以靠设计和改变空间布置等措施来缩小的只有纵向尺寸L2,而纵向尺寸(包括L2和L3)直接影响最小转弯半径及堆垛车的纵向稳定性,如图3所示。在通道宽度比较小的场所进行90°转弯时,车辆外形尺寸尽可能小,货叉长度不要超过托盘的长度,以尽可能减小车辆的转弯半径,满足行驶安全。
车辆正常行驶时,手柄一般必须向车尾方向倾斜一定角度,此时手柄可能会超出车辆转弯半径范围,导致操作者被挤压在车辆和货架之间,引发安全事故。为此,有些车辆设计了直立行驶功能,在手柄直立的状态通过按住一专用的按键同时操作加速开关,能够控制车辆的行驶,从而能够完成狭窄通道车辆的转弯。
增强安全性
随着堆垛车在各个领域中的广泛使用,堆垛车安全问题显得越来越重要,保证操作员的安全是设计人员需要考虑的重要问题。安全性包括操作员人身安全和堆垛车安全保护。堆垛车在设计中已为操作员提供了最大的安全系数,并将堆垛车的损害风险降至最小。电控技术的发展与运用,使堆垛车安全性研究向智能化方向发展。如紧急反向、感知系统、踏板护栏互锁限速、起升高度限速等技术的运用,进一步保证了堆垛车的安全性。另外,多速度模式功能的设计运用也在一定程度上提高了安全性,如在空间狭窄的情况下,可采用龟速模式,提高操作精度,增强安全性。
注重外观设计
客户在使用电动堆垛车时,对车辆的外观要求也越来越重视。良好的外观设计可以提高操作人员的操作效率。大坡面、软硬线条结合配以富有特色的色彩搭配,使堆垛车的造型更加简洁美观,富有肌肉感。虚拟样机设计和三维实体造型等先进设计手段和制造技术的运用,使堆垛车造型越来越具有新意和特色。
堆垛装置 篇5
某生产线的桶装成品搬运堆垛, 目前主要由人工驾驶行车来完成, 5个成品堆垛成一组, 然后手工对此成品组按集装箱要求捆扎。这种人工搬运堆垛作业, 造成行车频繁启动使行车部件磨损加剧, 易发生故障, 且劳动强度大, 工作效率低。近年来, 随着企业生产规模的扩大, 这种人工搬运堆垛方式已不能满足生产的要求;同时, 重型桶装成品主要出口到国外, 外商对成品包装物的外观要求严格, 桶面不能有碰伤、掉漆、变形等缺陷。为此, 研究开发了一种自动搬运堆垛机器人。该机器人具有不损坏成品桶表面油漆、桶盖开启定位销、能按海运装集装箱规格的要求进行堆垛捆扎、价格便宜等特点。
1 系统整体设计
根据需求, 要将辊道输送线上的成品桶在不损坏表面油漆及桶盖开启销的前提下, 搬至承桶平台上的包装箱堆垛并打捆, 该包装箱是一正方形木框, 桶的放置位置如图1所示, 桶与桶之间要有一定的空隙用来插入木条以防止碰伤, 桶上的插销不能摆放在包装箱的对角线上, 也不能使插销朝外, 因为在进行捆扎装集装箱时容易将插销碰坏。桶的直径为420 mm, 高为500 mm。参考工厂中行车的行走机构及起重机械的结构, 设计了一种重型桶装物品专用的搬运堆垛机械, 其中, 行车的行走主要采用液压缸活塞杆的伸缩实现。
2 系统设计原理
当辊道输送线上的桶被输送并碰到橡胶挡条时 (橡胶挡条被设置在输送线的终端) , 为了使桶停留在输送线的中心, 设计了一个类似漏斗状的铁皮, 其漏斗出口正好对准输送线的中心, 这就精确保证了桶的停留位置 (设该停留位置是位置0) 。包装箱的位置也被精确定位 (设其中心位置是位置1) 如图1所示。由于包装箱的对角距离大约为1 500mm, 考虑到行车的行程及搬运速度, 位置0与位置1之间的水平距离定为2 000 mm。为了固定提升机构及行车的行走机构, 设计焊接了一立方体形框架, 四面都是空的, 各棱边用铁柱支撑, 顶面焊接了两条水平行走导轨 (X方向) 。行车的移动是通过液压缸活塞杆的伸缩实现。因此, 要实现X方向的移动必须由液压缸来驱动。行走机构移动到位置0的正上方, 通过液压缸的伸缩下放抓夹机构, 下放一定距离后, 通过步进电机驱动抓夹机构转动, 抓夹机构上装有一竖直细铁丝, 当竖直细铁丝碰到桶的插销时, 抓夹机构上的步进电机失电, 停止转动。然后, 液压缸提升, 通过提升机构的自身重力夹紧桶上提, 上提到一定高度后, 步进电机通电旋转, 当碰到固定在液压缸上的挡铁时, 步进电机失电停止转动, 此时的桶位置即是摆放位置, 然后水平移动到摆放位置正上方放置。这就完成了一次搬运过程。当行车返回搬运第二个桶的同时, 包装箱下的旋转机构驱动使其旋转90°, 等待第二个桶的摆放。以上的行走机构移动到位均是通过安装行程开关, 并应用PLC实现精确控制的。桶的摆放顺序依次为图1中的1, 2, 3, 4, 5。
3 系统机构设计
整个系统可分为行车的行走机构、提升机构、抓夹机构、包装箱的旋转机构及一些辅助安装的行程开关等。
3.1 行走机构
行走机构 (见图2) 主要包括行走小车和驱动液压缸两大部分。行走小车的停止完全由行程开关限定, 当液压缸推动行走小车向左移动一段距离后, 碰到行程开关, 此时电磁阀断电, 液压缸停止供油, 行走小车停止移动, 这是行车的左极限位置。因此, 必须在图1位置0的正上方设置行程开关1, 确保抓夹机构的抓夹位置。当抓夹机构抓紧桶后, 提升并旋转使插销符合摆放位置, 此时液压缸排油收缩, 拉动行走小车向右移动, 到达位置1的正上方, 碰到行程开关3, 使行走小车停止, 这就是行车的右极限位置, 左、右极限位置相距2 000 mm。要摆放中心左边的桶时, 由于桶与桶之间的中心距是450 mm, 因此要在距右极限位置的左边450 mm位置处安装一个行程开关2。由于在包装箱底下有一旋转机构, 每次使其旋转90°, 所以, 无须再另外安装行程开关。
3.2 提升机构
提升机构 (见图3) 主要是由垂直固定安装在行走小车正下方的液压缸所组成, 它起到上下提升桶的目的。
3.3 抓夹机构
抓夹机构 (见图3) 主要由步进电机、旋转桶、旋转齿轮、X形抓手、顶销、悬挂细铁丝、刚性弹簧等组成。当行走小车移动到位置0的正上方时停止, 提升机构的液压缸推动抓夹机构下放到一定距离, 步进电机通电驱动旋转桶旋转, 使得悬挂细铁丝与桶上的插销相碰, 此时, 步进电机失电停转, 提升机构的液压缸继续相下推进, 顶销压住桶顶盖, 液压缸停止下移开始提升, 靠重力实现桶的夹持, 在细铁丝底部要安装行程开关。
3.4 包装箱的旋转机构
包装箱的旋转机构 (见图4) 主要由齿条、驱动液压缸、棘轮及一些辅助机构等组成。由于要使包装箱每次旋转90°, 因此棘轮设计成4个均布棘齿。当液压缸收缩时, 拉动齿条向右移动, 齿条带动棘轮一起旋转90°, 然后液压缸活塞杆向外推进使齿条向左移动, 由于齿轮外圈与棘轮是空套的, 因此它不会与棘轮一起旋转。
4 结束语
重型桶装成品搬运堆垛系统具有价格低廉、搬运堆垛速度快、效率高、操作简便等特点, 现已成功配备在桶装成品搬运堆垛生产线上, 使用效果良好。
参考文献
[1]吴广顺, 凌雷, 方素香, 等.PLC在搬运机器人控制系统中的应用[J].机床与液压, 2006, (2) :188—190.
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[3]杨旭东.通用搬运机器人的PLC控制系统的探讨[J].贵州工业大学学报 (自然科学版) , 2004, (5) :33—35.
堆垛起重机装焊工艺 篇6
该起重机桥架结构件主要由主梁、端梁、联结梁、滑导架、平台等部件组成, 结构形式如图所示, 两主梁中间由四个联结梁与主梁腹板高强螺栓相联, 中间四个联结梁起到增加主梁刚性, 板坯起吊平稳的作用, 端梁与主梁腹板上面、侧面高强螺栓相联, 两侧配有车轮滑向装置, 在厂房轨道装置上滑行, 主梁两侧八个滑导架与主梁平台高强螺栓相联, 每对滑导架中间有一个起吊板坯滑移装置, 使得板坯起吊后, 能够上下移动。
桥架结构主要特点分析:主梁通过螺栓联接分别与端梁、联结梁、滑导架相联, 联结处比较多, 且联结处结合面均需加工, 焊接工艺需要考虑机械加工工艺设备能力, 结合面相关零件如果装焊前加工、配钻, 焊接工艺应考虑焊接变形、起吊翻梁变形的控制, 保证结合面的平面度及配孔零件孔的同心度;端梁与主梁腹板上面、侧面高强螺栓相联, 两侧装有车轮滑向装置, 所有结合面均需焊后加工, 端梁的装焊及在桥架架装位置需要精确控制;滑导架中间有一个起吊板坯滑移装置, 滑导架的装焊及在桥架架装同截面错位差、高低差需要精确控制;主梁高度为2250mm, 滑导架高度为2700mm, 桥架如果正装, 主梁至少架高2700mm, 主梁找正后装焊相关部件, 这对装焊工人操作及厂房空间能力提出很高的要求, 检验人员测量相关尺寸也较为困难, 桥架倒装能够解决这些问题。
1 桥架架装
1.1 整体方案
主梁、端梁、联结梁及滑导架 (不包括联结板部分) 单部件装焊, 桥架整体架装定位焊接, 金工在桥架架装好后整体画线, 桥架拆装, 单部件焊接完成后送金工车间加工。
1.2 主梁倒立找正
两根主梁倒立, 对主梁与滑导架联结板相联结合面处找平, 八个结合面处高低差控制在5mm之内, 同时考虑主梁的垂直偏斜, 水平偏斜, 对角线差, 跨距、轨距, 将主梁找正。
1.3 联结梁装焊
联接梁两头联结板与主梁腹板零件配钻孔, 加工结合面, 联接梁单部件装焊, H型钢两头留有工艺余量, 主梁找正后, 根据桥架H型钢开挡位置尺寸, 将H型钢两头工艺余量切割, 打磨光滑后进行定位焊接, 桥架拆装后, 联结梁按图纸要求焊接。
1.4 端梁装焊
端梁部件与主梁联结板零件由机械加工厂整体配钻孔, 加工结合面后用工艺螺栓把在一起, 两根主梁倒立确定位置找正后, 将带有主梁联结板的端梁架装于主梁两侧, 各项指标值定好位后, 进行焊接, 主梁腹板与联结板坡口打底通焊, 桥架拆装后, 主梁腹板与联结板按图纸要求焊接。
1.5 滑导架的装焊
滑导架联结板与主梁平台联结板单零件跨金工配孔、加工结合面, 后用工艺螺栓把在一起, 主梁单梁装焊时将配有滑导架联结板的平台装焊 (主梁平台施焊对主梁各项控制关键指标值的影响可在主梁中修正) , 两根主梁确定位置倒立找正后, 将滑导架立于主梁平台及滑导架联结板上, 进行定位焊接, 桥架拆装后, 滑导架按图纸要求焊接。
2 设计要求更改
2.1 主梁跨距为26550mm, 截面尺寸为630mmx2250mm, 上下盖板为35mm, 主腹板为60mm、15mm, 副腹板为50mm、15mm, SIEMENS-VAI设计要求为无上拱, 考虑到梁的自重、梁的刚性及承载后的下挠, 焊接工艺提出设置上拱值要求, 经设计计算单梁自重下挠值为12mm, 焊接工艺予制值为20mm, 单梁交检控制在12-16mm之内。
2.2 主梁盖腹板设计时要求角焊缝焊角高度为10mm, 考虑主梁盖腹板板厚较厚且此焊缝为关键受力焊缝, 焊接工艺提出如图3右更改后联结焊缝, 且对有效焊肉进行100%超声波探伤, 焊缝内部质量达到GB/T10559Ⅰ级要求。
2.3 主梁的副腹板侧开有Φ150mm手孔, 用于联结梁与主梁主腹板联结螺栓拆装, 主梁截面尺寸为630mmx2250mm, 主梁平台立筋尺寸为-50x890-2005, 实际操作过程中由于空间尺寸所限, 不能够在主梁的副腹板侧将联结梁与主梁主腹板联结螺栓拆装, 焊接工艺提出在主梁的副腹板侧恰当位置开出Φ500mm人孔, 外封一孔盖的工艺方案, 经过设计计算, Φ500mm人孔影响主梁刚度不大, 能够满足钢板起吊使用要求。
2.4 滑导架联结板 (δ=35) 与其筋板 (δ=50) 联结时, 两外侧筋板与联结板无坡口平对齐, 设计要求角焊缝焊角高度为10mm, 滑导架虽然起板坯滑移装置导向作用, 但是外侧筋板与联结板施焊焊肉小、接头强度底且焊缝成型不好, 焊接工艺提出开坡口且增加焊缝角高的施焊方案。
3 装焊尺寸公差及检验控制
3.1 焊接装焊过程中控制滑导架与联结板的垂直度≤5mm, 主梁两侧滑导架的同截面错位差≤3mm, 八个滑导架的末端高低差≤5mm。
3.2 联结梁H型钢与相联法兰焊后横向收缩, 轨距方向装焊尺寸予放大3mm。
3.3 其余尺寸公差及检验要求按SFC2000、ISO13920 (GB/T19804) 、EN25817B (GB/T19418) 、TZS/K716-2002、TZS/K718-2004制造、验收。
4 总结
0209043ck (26t-26.55mm堆垛起重机) 采用以上装焊工艺, 检验控制要求, 单梁、单部件装焊及桥架架装拆装一次交检合格, 金工在桥架架装好后整体画线, 桥架拆装后单部件加工, 顺利完成了此起重机的生产、制造, 为同类起重机的生产、制造积累经验。
摘要：26t-26.55mm堆垛起重机钢结构尺寸外形较大, 尺寸公差要求较高, 主要部件的装焊工艺创新满足结构件尺寸公差要求及后续加工装配要求, 便于制造和检测。
关键词：桥架架装,装焊,尺寸公差控制
参考文献
[1]贾安东.焊接结构及生产设计[M].天津大学出版社, 1989.
小型堆垛机器人货叉的优化设计 篇7
20世纪70年代初期, 自动仓库技术由欧美和日本等国家相继引进我国, 从此我国开始研究使用巷道堆垛机器人式立体仓库, 这使得堆垛机器人得到了较快的发展[1,2]。国产堆垛机器人在其行走速度、噪音、定位精度等技术指标上有了很大的改进, 但是与国外著名厂家相比还有不小差距[3]。为实现物流的高效率, 必须提高堆垛机器人存取速度, 而降低堆垛机器人自重可减小由堆垛机器人质量引起的惯性载荷, 是提高堆垛机器人速度的有效方法, 同时降低堆垛机器人自重可降低堆垛机器人电机的功率节约能源。货叉装置是堆垛机器人的关键工作装置, 其主要完成货物存取工作。由于工作需要, 堆垛机器人货叉在收回状态下的长度要小于巷道的宽度, 但伸展后的长度却要大于巷道宽度。为了在保证货叉能够顺利存取货物, 并能满足结构紧凑和上述宽度要求, 货叉一般采用3级直线差动机构[4,5]。而优化设计是一种寻找确定最优化方案的技术, 其可在满足设计要求的同时保证支出最小[6]。所以对货叉可变尺寸进行优化设计, 可以在有效减小堆垛机器人自重的同时减小货叉由自重而产生的弯曲变形和货叉驱动电机功率, 达到货叉尺寸的最优设计, 有效节约资源与能源。
1 堆垛机器人货叉原理
货叉采用齿轮齿条差动伸缩装置, 实现行程倍增[7]。货叉结构原理简图如图1所示:主动齿轮6固定在中叉板7上, 齿条4固定在下叉板1上, 下叉板固定在载货台上, 中叉板通过滑轨和滚轮轴承2与下叉板连接, 上叉板8通过滑轨和滚轮轴承3与中叉板连接;当齿轮6转动时, 使得中叉板7在齿轮6带动下相对于下叉板1伸出;而从动齿条5固定在上叉板8上, 当齿轮6运动时, 由相对运动原理可知, 齿条5将带动上叉板8以2倍于中叉板7的速度相对于下叉板1伸出, 从而实现了上叉板相对于中叉板的行程倍增, 满足了货叉工作要求。
2 有限元模型建立与静力学分析
货叉主要构件的材料属性:弹性模量:206Gpa;泊松比:0.3;密度:7800kg/m3。其他构件的材料 (如轴承等) 均根据相应强度要求选择。
货叉其结构复杂, 在建立有限元模型的过程中必须对其进行相应的简化, 以提高有限元软件计算分析效率和计算精度。首先, 删除模型中的倒角、倒圆、直径较小的螺纹孔和小孔, 压缩小于5mm的凸台[8], 同时删除与分析过程无关或对分析过程影响较小的齿轮、轴承座等零部件。以上简化过程都是在保证简化过程不影响计算精度或对计算精度影响很小的前提下完成的。
货叉网格划分过程, 网格形式采用自动控制方法对货叉主体构件进行网格划分;在满足计算精度前提下, 单元尺寸由程序控制;最终生成56239个有限元单元。对下叉底面施加固定约束, 使其满足货叉实际工作情况。由于小型堆垛机器人货叉载货量较小, 所以货叉变形主要由货叉自重引起, 故对货叉各部件施加标准重力加速度9.8kg/m3。货物对货叉的作用力共100N, 以远程力的方式施加在货物重心处。至此得到货叉有限元模型如图2所示。
在建立货叉有限元模型的基础上, 对货叉装置发生最大弯曲变形的伸出状态进行静力学求解, 得到货叉装置在进行尺寸优化前的货叉整体变形图如图3所示。从图中可以得到货叉最大变形发生在上叉端部, 最大变形为0.026021mm, 小于设计许用值1mm, 满足货叉设计要求。
3 优化设计
在保证设计所要求的货叉长度、宽度等主要尺寸不变的情况下, 对货叉的上、中、下各叉的部分尺寸进行优化设计, 以货叉质量最小的同时保证货叉整体变形量满足设计要求为优化目标。货叉进行优化的构件的尺寸 (d 1、d2、d3、d4、d5、d6、d7) 如图4所示。
在上述静力学分析的基础上, 设置模型的设计变量为d 1至d7, 其在设计过程中为可变参数, 以货叉质量最小的同时保证货叉的最大变形最小为优化目标, 对优化变量进行求解。在本优化求解的过程中, 每次仅同时改变两个尺寸变量, 分别得出上、中、下叉优化结果。
已知设计变量d 1至d7的原始尺寸分别为8mm、8mm、6mm、6mm、6mm、10.5mm、11.5mm, 且其中d3与d4始终相等;货叉装置的原始质量为67.72kg。
在分析过程中, 为防止单一设计变量尺寸变化范围过大而产生累计效应, 使得最终各设计变量最优尺寸整合后的货叉装置变形量超过设计许用值, 设定上叉尺寸变化范围为原尺寸的20%, 中叉和下叉的尺寸变化范围为原尺寸的10%。从优化结果图谱图5 (a) 中可得到货叉最大变形量随着d1的增大而增大, 但随着d2的增加货叉最大变形量先增大, 当尺寸达到9mm时开始减小, 说明此时上叉刚度明显增强;对于中叉, 其最大变形量随各设计变量尺寸增大均减小, 但变化很小, 即其设计变量尺寸变化对货叉整体刚度影响很小;对于下叉, 货叉最大变形量随设计变量尺寸增大而减小, 且随d6的增大其最大变形量减小速度较快, 即d6对货叉整体刚度影响较大。从图5中可得到货叉不同位置尺寸变化对货叉刚度影响不同, 但最大变形值均小于0.03mm;而从优化结果图谱图6中得到货叉的质量均随设计变量尺寸的增大而增大。最终综合各设计变量尺寸与最小质量和最大变形量三者的关系, 考虑到优化过程中最大变形值均小于0.03mm, 所以取质量最小时的尺寸为设计尺寸, 得货叉最优化尺寸、质量与变形表, 如表1所示。
在按表1所得的优化尺寸再次建立货叉三维模型和有限元模型后, 重复静力学分析过程 (载荷及边界条件等均相同) , 从而得到货叉尺寸优化后整体变形图, 如图7所示。
从图7中可以得到在货叉尺寸优化后, 其整体最大变形为0.02361mm, 比优化前货叉整体最大变形减小了0.00241mm。且可以得到优化后质量为59.23kg, 比优化前减小8.49kg。
4 结论
从优化前后静力分析的结果对比中可以得出:小型堆垛机器人由于其载重量较小, 货叉装置的变形主要是由于货叉装置本身的自重导致。但是从优化过程图谱 (图5、图6) 中可知, 在货叉装置质量随设计尺寸变量减小而减小的过程中, 货叉的整体刚度是降低的。而最终优化后模型静力学分析结果的最大变形量较优化前的小, 是因为在本次优化设计变量尺寸变化范围内, 货叉自重因素对货叉的刚度影响较尺寸减小因素对刚度影响大。而本次优化分析为保证货叉留有足够的额外载货量, 进而设定设计变量的尺寸变化范围为10%, 没有去求解此小型堆垛机器人货叉装置的质量与尺寸的最佳匹配点。
小型堆垛机器人货叉经优化设计后, 质量减轻8.49kg, 从而有效降低了货叉电机与小型堆垛机器人主体电机的功率, 同时节约制造材料, 降低了该堆垛机器人制造与运行成本, 为其加工制造提供了理论依据和必要的设计参数, 也为相类似装置的设计提供了一种有效的设计方法。
参考文献
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