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PVC地板翻板机构的设计及仿真分析
2019-05-07

0 引言

PVC地板是指采用聚氯乙烯材料生产的地板。它是当今世界上非常流行的一种新型轻体地面装饰材料, 也称为“轻体地材”, 是一种使用非常广泛的产品, 比如家庭、医院、学校、办公楼、工厂、公共场所、超市、体育场馆等各种场所。目前PVC地板生产线速度不断提高, 部分设备的设计理念不断更新, 本文针对PVC地板双端铣槽机流水线设计一种简单快速的翻板机构, 并进行运动仿真分析。

在PVC地板双端铣槽机流水线上, 开槽后的地板 (此时正面朝上) 需要正面相对叠放, 来防止地板正表面磨损, 所以在堆叠过程前, 需要对PVC地板进行奇数片不翻转, 偶数片翻转 (第2n+1片不翻转, 第2n片翻转) , 才能实现地板正面相对叠放。然而在生产过程中, 地板流水线速度快, 人工翻板劳动强度大, 体能消耗多, 工作效率低, 成为生产过程中的瓶颈。因此, 需要设计一种简单快速的翻板机构, 来减轻工人劳动强度, 提高工作效率, 满足生产节拍的要求。

1 翻板机构介绍

目前翻板机构可分为3类:气动翻板、机械翻板、液压翻板。在PVC地板生产线中, 采用*广泛的是机械式翻板机构, 随着生产技术的进步, 对机械翻板设备进行了很大的改进, 主要有以下两种结构。

1.1 翻板臂-接板臂组合方式

该种形式的翻板机构使用*广泛。结构如图1所示, 翻板臂和接板臂的实际翻转角度分别与地板进入时的水平面形成钝角和锐角, 地板由翻板臂落在接板臂上, 从而实现地板翻转。目前应用于PVC地板辊涂生产线上, 这种翻板机构主要特点是:连续翻板时, 地板翻转交接和落板阶段速度变化均匀, 工作状态平稳, 但在实现地板奇数片不翻转, 偶数片翻转时, 翻板周期长, 控制也较麻烦。

图1 翻板臂-接板臂组合方式

图1 翻板臂-接板臂组合方式   


1.2 转笼式

这种结构是参照木工板材的翻转机构设计而成的, 结构如图2所示。转笼翻板机实现在360°方向的连续运转, 分成12组翻板叉, 每进一组地板, 转笼翻转30°并在该位置等候。目前应用于PVC地板削边-倒角机流水线之间, 这种翻板机主要特点是:翻板机省去了“翻板-接板”的往复动作, 生产中动作幅度小, 工作稳定性高。但无法实现地板奇数片不翻, 偶数片翻的功能。

图2 转笼翻板机

图2 转笼翻板机   


2 技术参数、结构模型及工作原理

2.1 翻板机构主要技术参数

翻板速度:1.6 s/片

PVC地板规格:200×1 220 (mm) , 厚度为5 mm, 重2.5 kg

PVC地板移动速度:650 mm/s

PVC地板之间距离:780 mm

2.2 翻板机构结构组成

2.2.1 同步带轮模型的建立

同步带轮模型的建立是个难点, 具体过程如下:用pro/e创建两个带轮及带块的三维模型, 在组件模块中进行同步带样机的装配, 如图3, 在装配时带块和带轮不能使用阵列的方式安装, 因为阵列的零件名称都相同, 导入ADAMS后会发现只有三个刚体零件, 所以带块必须一个一个装配, 并且每一个带块的零件名称都必须不同。将建立好的三维装配模型导入ADAMS中分别定义两个带轮和转轴之间的旋转副, 以及每个带块之间的旋转副, 在各个带块与主动轮以及从动轮之间添加接触副, 完成同步带轮模型的建立。

图3 同步带轮的装配体

图3 同步带轮的装配体   


2.2.2 翻板机构模型的建立

用Pro/e建立翻板机构的三维模型, 如图4所示。

图4 翻板机构的三维模型

图4 翻板机构的三维模型   


翻板机的结构主要由机架、同步带轮、翻板臂、轴承座、接近开关、光电开关、带动翻板臂翻转的电机1和带动同步带轮运转的电机2组成。将Pro/e装配好的模型导入ADAMS中, 完成模型的导入。

从Pro/e导入ADAMS的三维模型, 必须对模型中各构件的属性 (颜色、材料、名称等) 进行修改, 否则在仿真计算过程中就会出现错误信息。修改各构件的属性之后, 就可直接计算出各个构件的质量信息, 捕捉到模型的几何特征。对于由多个零件组成的构件*好进行布尔求和运算, 合并为一个实体, 这样可以简化模型, 减少一些不影响仿真分析的多余约束, 提高仿真效率。至此, 翻板机构的三维模型在ADAMS中已创建完毕。

2.3 翻板机构工作原理

PVC地板翻板机构要实现奇数片不翻转, 偶数片翻转 (第2n+1片不翻转, 第2n片翻转) 的功能, 只需对第一、二片PVC地板翻转工作原理进行详细说明:翻板机工作时, 计数器设定值为2, 光电开关感应到第一片PVC地板, 计数为1, 此时翻板臂不翻转, 当光电开关感应到第二片PVC地板时, 计数为2, 信号发送给电机1, 电机1带动翻板臂旋转, 实现第二片PVC地板的翻转, 同时计数器复位, 重新开始计数。当翻板臂旋转180°时, 接近开关感应到翻板臂, 信号发给电机1令其停止运转, 即翻板臂复位, 为下一个工作循环做准备。

3 翻板机构的仿真分析

在ADAMS中建立PVC地板模型并对翻板机构添加约束和驱动, 如图5所示, 设置仿真时间为3.5 s, 仿真步长为0.001, 开始对第一、二片PVC地板工作过程进行运动学仿真, 得到地板1和地板2 (地板1、2指其质心) 的位置曲线图 (图6) ;地板1、地板2和翻板臂 (取翻板臂一侧的质心) 的速度曲线图 (图7) ;地板1、地板2和翻板臂的角速度曲线图 (图8) 。

图5 翻板机构虚拟样机模型

图5 翻板机构虚拟样机模型   


图6 地板1和地板2的位置曲线图

图6 地板1和地板2的位置曲线图   


图7 地板1、地板2和翻板臂的速度曲线图

图7 地板1、地板2和翻板臂的速度曲线图   


图8 地板1、地板2和翻板臂的角速度曲线图

图8 地板1、地板2和翻板臂的角速度曲线图   下载原图


由地板1和地板2的位置曲线图6可知, 仿真开始时, 第一块PVC地板在780 mm处, 第二块PVC地板在1 560 mm处, 之间距离为780 mm, 第二块地板被翻转后, 两块地板之间距离增加, 为942 mm。从地板1、地板2和翻板臂的速度曲线图7可以看出, 翻板臂从1.9 s开始翻转, 到3.5 s停止, 翻转周期为1.6 s。地板1速度始终为650 mm/s, 说明未被翻转。在2.1 s时, 地板2在翻板臂接触力的作用下, 速度突变, 并跟随翻板臂翻转, 在2.1-2.7 s之间, 地板2的速度变化趋势和翻板臂的速度变化趋势相似, 都呈现正弦变化趋势。在2.7 s时, 翻板臂翻转了半个周期, 转过90°, 2.7 s后, 地板2在重力作用下做初速度为516 mm/s的加速运动。3 s时, 地板2落在同步带上, 在冲击力的作用下, 速度由1 309.5 mm/s突降, 在650 mm/s上下振动, 并跟随同步带一起运动。从地板1、地板2和翻板臂的角速度曲线图8可知, 翻板臂的*大角速度为168.7°/s, 角速度的变化趋势和速度的变化趋势相同, 也间接证明仿真的正确性。

4 结语

通过对两种翻板机构的比较, 设计了一种简单快速的PVC地板翻板机构, 建立了三维实体模型并导入ADAMS中, 对翻板机构进行了运动学仿真分析, 得到了地板1和地板2的位置曲线图;地板1、地板2和翻板臂的速度、角速度曲线图, 真实地反映了该翻板机的运动规律。

由于前期进行了细致的建模与仿真分析, 因此PVC地板翻板机构已经应用在了PVC地板双端铣槽机流水线上, 该翻板机速度效率高, 安全可靠, 后期维护费用低, 用在PVC地板双端铣槽机流水线上优势突出, 经功能性实验和可靠性实验后, 表明翻板机构的设计与制造是可行的, 为类似翻板机构的设计积累了经验。


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