基于ADAMS T型电梯导轨钢叠钢装置设计及仿真

1 前言

随着人力成本及型钢生产线自动化智能化要求的不断提高，越来越多的生产线开始采用自动码垛工艺。常用的型钢中槽钢、角钢、H型钢等的自动化码垛工艺已有较为广泛应用，但是T型电梯导轨钢却因为断面形状特殊，而较难实现自动化码垛[1]。

某T型导轨钢生产线拟研制自动码垛系统，由于导轨钢截面形状的特点及码垛垛型的要求，在码垛机自动码垛之前，需要进行叠钢操作，即将多根T型导轨钢按次序叠放形成一组，以备码垛机码垛。叠钢操作是T型导轨钢自动码垛的关键环节，因而叠钢装置的结构结构及功能对自动码垛的质量及效率有较大影响。

目前型钢码垛的研究主要集中在角钢、槽钢和H型钢等自动码垛系统[2-6]。动力学仿真软件ADAMS在型钢码垛装置的研究中被广泛采用。王琪等[7]采用ADAMS软件中的参数化建模和分析功能,实现码垛机器人机构的优化设计,提高了机构设计的效率,缩短了设计周期。朱镇钟等[8]基于ADAMS软件对型钢堆垛机小车机构进行运动学仿真，获得小车机构的可行参数和运动特性，为小车结构参数优化奠定了基础。针对T型电梯导轨钢自动码垛装置研究的报道较少，自动化码垛系统设备及工艺都还存在一定问题，有待进一步研究。

本文针对T型电梯导轨钢自动码垛系统中的叠钢装置的功能需求，提出了一种叠钢装置的结构设计，通过理论分析得到其运动学模型，运用动力学仿真软件ADAMS对叠钢装置的叠钢过程进行仿真，得到装置叠钢过程中驱动力、速度、位移等关键参数，为叠钢装置的结构优化及控制提供了参考依据。

2 叠钢装置动作设计

T型电梯导轨钢自动码垛的垛型如图1所示，其通过码垛基本单元正反码垛操作形成，为了得到码垛基本单元，则需要叠钢操作。导轨钢生产线生产的成品导轨钢依次输送到码垛操作区，经过翻钢/叠钢/码垛等操作形成最终垛型。叠钢作为其中一个关键的操作，其功能是将导轨钢依次堆叠形成码垛基本单元。

为了实现叠钢操作，根据导轨钢的输送方式及结构特点，将叠钢操作过程分解为为挡钢、抬钢和拍钢三个过程，如图2所示。叠钢过程可简述为：电梯导轨钢沿着输送链输送，首先挡钢机构将第一根导轨钢挡住，当第二根导轨钢运动到与第一根导轨钢接触时，抬钢机构将其从底端抬起，这时推钢机构动作，从一侧推动导轨钢，使第二根钢叠放到第一根钢上，挡钢机构沿着输送方向运动一根钢的宽度，然后重复上述过程，直到完成要求的叠钢数量。

图1 垛型示意图

图2 叠钢过程分解

3 叠钢装置设计

根据电梯导轨钢叠钢过程的操作要求，提出叠钢装置的总体设计如图3所示，主要包括支架、输送链、挡钢装置、抬钢装置、推缸装置等，其机构原理简图如图4所示。叠钢装置的工作原理为：电梯导轨钢沿着输送链输送，当首第一根导轨钢到达叠钢位置时，挡钢装置的伸缩挡头伸出将其挡住；当第二根导轨钢运动到与第一根导轨钢接触时，抬钢液压缸驱动抬钢摆杆将其从底端抬起，这时推钢液压缸推动推钢摆杆，从一侧推动导轨钢，使第二根钢叠放到第一根钢上，这时抬钢装置和推钢装置返回初始位置，挡钢装置在挡钢液压缸的驱动下沿输送方向移动一根导轨钢的宽度，然后重复上述叠钢过程，直到完成一组码垛基本单元所需的叠钢数量。

图3 叠钢装置结构图

图4 叠钢机构原理图

单次叠钢过程需要实现导轨钢的两次水平运动和一次上升运动，这里设计的挡钢机构、抬钢机构和推钢机构，从原理上都可简化为液压缸驱动的摆杆机构(图5所示)，利用摆杆端部的圆弧运动轨迹来近似满足叠钢操作过程中所需的导轨钢直线运动轨迹，大大简化了叠钢机构的结构设计，同时提高了其可靠性。

由挡钢机构连杆几何关系(图5)可得，挡钢摆杆顶点A的位置可表示为：

图5 叠钢连杆机构原理简图

x1A=(L11+L12)cos(θ0+θ1)

(1)

y1A=(L11+L12)sin(θ0+θ1)

(2)

其中：

(3)

Lc1=Lc10+ΔL1

(4)

式中： Lc10-挡钢液压缸初始长度;

ΔL1-挡钢液压缸伸长量。

同理，可得抬钢摆杆顶点B的位置可表示为：

x2B=L22cos(α1+Δα)

(5)

y2B=L22sin(α1+Δα)

(6)

其中

(7)

Lc2=Lc20+ΔL2

(8)

式中： Lc20-抬钢液压缸初始长度;

ΔL2-抬钢液压缸伸长量。

推缸摆杆顶点C的位置可表示为：

x3C=L32cos(β)

(9)

y3C=L32sin(β)

(10)

其中

(11)

Lc3=Lc30+ΔL3

(12)

式中： Lc30-推钢液压缸初始长度，

ΔL3-推钢液压缸伸长量。

综合式(1)-(12)可以得到挡钢、抬钢和拍钢装置位移与驱动液压缸活塞缸伸长量之间的关系。

4 叠钢装置仿真

为验证所设计的叠钢装置的叠钢功能，研究叠钢过程中各机构的运动及受力情况，运用动力学仿真软件ADAMS对叠钢装置叠钢过程进行仿真。

4.1 仿真模型

为了方便仿真计算，对仿真模型做如下基本简化：

1)各构件进行多体动力学分析过程中均视为刚体；

2)设定液压缸的驱动过程为先加速、再匀速、后减速过程；

3)暂不考虑轴承游隙、加工制造误差及装配误差等不确定因素；

4)对输送链的结构进行简化，通过设置输送链与导轨钢的摩擦参数来模拟实际的输送过程。

根据所设计的挡钢装置基本结构，建立其主要运动部件的三维模型，包括驱动液压缸、连杆、输送链简化模型和导轨钢模型等，然后导入ADAMS软件，进行约束、运动及力等参数的设置，其仿真模型如图6所示。导轨钢放置在输送链上，输送链设置恒定运动速度，通过导轨钢与输送链之间的摩擦来驱动导轨钢向前运动。对于挡钢、拍钢和抬钢液压缸的运动，采用设定位移曲线的方法[9]。

根据叠钢操作过程的节奏要求，设置T75导轨钢叠钢操作时抬钢、推钢和挡钢液压缸的位移曲线如图7所示，这里设置抬钢和推钢液压缸伸出和缩回过程均为1s，即抬钢升起和落下时间均为1s，挡钢液压缸主要时驱动气动升降挡头平移，从而实现多次叠钢操作，其位移发生在当根导轨钢叠钢完成后。叠钢过程中，抬钢和推钢这两个动作需要配合操作，理论上需要抬钢之后拍钢，但从方正过程可知，为了缩短叠钢动作整体耗时，实际控制时，抬钢和推钢两个液压缸可以同时动作，但要保证抬钢终位时间不晚于推钢终位时间。

图6 叠钢装置仿真模型

1-输送链;2-气动挡头;3-T型导轨钢;4-抬钢机构;5-挡钢机构;6-挡钢液压缸;7-拍钢机构;8-拍钢液压缸;9-抬钢液压缸

图7 液压缸位移曲线

图8 液压缸推力曲线

4.2 仿真结果及分析

T75导轨钢叠钢过程中液压缸的输出推力如图8所示。由于在叠钢过程中，导轨钢与叠钢装置存在接触和分离过程，因此仿真过程中存在运动刚体的接触问题，存在较多的冲击力，故力曲线存在脉冲尖峰。从抬钢液压缸推力曲线可以看出，抬钢装置将导轨钢抬起过程中其推力逐渐增大，待导轨钢被推钢装置推动叠放到前一根导轨钢时，导轨钢姿态翻转，其重力主要由输送链承担，此时抬钢装置推力急速减小，抬钢过程中推力整体在2000N以内。从推钢液压缸的推力曲线可以看出，推力先减小后增大，从曲线可以看出在推钢装置与导轨钢接触时，推力曲线出现明显的脉冲尖峰，这说明推钢接触阶段存在较大的冲击，因此要控制推钢装置的运动速度，以减小冲击。

图9 叠钢过程中导轨钢位移曲线

由于叠钢过程中输送链保持运动，造成导轨钢与伸缩挡头之间不断产生碰撞，因而从图8的挡钢液压缸推力曲线中可以看到因碰撞而产生的推力抖动。从挡钢液压缸的推力数值可以看出，挡钢装置在叠钢过程中受到的导轨钢的作用力较小(T75约1000N)，该力对挡钢装置的机构的运动及横向稳定性的影响较小。

T75导轨钢叠钢过程中的质心位移和速度曲线分别如图9和10所示。由于假设导轨钢在两根输送链上摆放位置完全对称，其两端沿输送链运动完全一致，故在z方向(导轨钢长度方向)导轨钢没有位移，因此这里只研究其沿x(输送链运动方向)和y(重力反方向)方向的运动。由位移和速度曲线可以看出叠钢过程中T型导轨钢线沿y方向升高，x方向则略有后退，然后在拍刚装置作用下，迅速沿x方向向前运动，当叠钢完成后，会沿着x反向略有回退，这是两根导轨钢因重力作用产生的相对滑动。

分别对型号T75、T89、T14、T127B和T140C的导轨钢的叠钢过程进行了仿真，得到抬钢液压缸推力曲线如图11所示。可以看出抬钢推力曲线变化规律基本一致，只是数值上存在由于导轨钢尺寸和重量的变化引起的变化。以所建立的仿真模型分析仿真过程中液压缸的位移、驱动力及导轨钢的位移、速度等参数变化情况，为叠钢装置的结构和控制系统设计提供参考数据。

图10 叠钢过程中导轨钢速度曲线

图11 不同型号导轨钢抬钢液压缸推力变化曲线

5 结论

本文根据导轨钢的结构及垛型特点，分析了叠钢操作的基本过程，设计了叠钢装置并运用ADAMS进行了仿真分析，主要结论如下：

1)根据叠钢工艺过程设计了主要包括挡钢装置、抬钢装置和推钢装置的叠钢装置的基本结构，通过三套简单的液压缸驱动摆杆机构的动作组合，巧妙实现了导轨钢的叠钢操作；

2)通过机构学分析，建立了摆杆位移与液压缸伸缩量的理论模型，为装置的参数设计和控制系统设计提供了理论参考；

3)运用ADAMS软件对叠钢装置进行了仿真，得到不同型号导轨钢叠钢过程的驱动力、位移和速度等参数，为装置的结构优化及控制参数设置提供了参考依据。仿真结果表明：所设计的叠钢装置能够实现不同型号导轨钢的叠钢操作。