玻璃钢管道缠绕芯模自动存取机的设计与研究

谭瀚禹 王 成 徐东亮 胡 强 朱炯滔
武汉理工大学机电工程学院 武汉 430070

摘 要：根据当前缠绕成型生产线自动化程度不高等情况，研发和设计了一套自动存取设备，以提高芯模的存取效率，从而大大提高芯模的生产效率。文中对玻璃钢管道缠绕芯模自动存取机结构进行设计，采取垂直旋转式立体仓库作为芯模存储形式、多支撑点稳定支撑、垂直循环传动、单链轮导轨式传动结构、直角坐标式搬运机械手装卸芯模方案、液压升降同步控制回路等技术措施，既提高了在纤维管道制作过程中芯模的自动存取效率，又降低了芯模在运输过程中的危险性。利用SolidWorks 完成三维建模，阐述各部件功能实现原理，完成了搬运机械手的结构和芯模自动存取搬运系统的设计。根据搬运方案对搬运机械手X 、Y 、Z 轴分别进行结构设计和建模，对Z轴液压同步控制回路进行设计。运用Ansys Workbench 对搬运机械手的X 轴支撑架进行了力学特性分析，并采用基于响应面的多目标遗传算法对X 轴支撑架进行优化分析，提高了结构的可靠性和稳定性。

关键词：玻璃钢管；缠绕芯模；自动存取；搬运机械手

中图分类号：TH132 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）08-0031-07

0 引言
玻璃钢管（FRP pipe）是一种质量轻、强度高，并且具有良好的电绝缘性的非金属管[1]。目前纤维缠绕技术仍是生产玻璃纤维制品的主要技术手段[2-4]，国内外均集中精力改进玻璃纤维管道的生产效率[5]。探索和研制一套全自动高压绝缘玻璃钢管生产线一直是玻璃钢管发展道路上的一项艰巨而急迫的任务[6]，其中芯模的存储和搬运作业是一个重要环节，实现芯模存取自动化对降低企业成本、提高生产效率和产品质量具有重要意义[7]。

1 缠绕芯模自动存取机工作原理

如图1 所示，芯模自动存取机主要由主体框架、芯模托架、托架导轨、搬运装置、循环传动装置、缠绕芯模、链条导轨组成。

在整个机器运转前期，根据生产需求在芯模制作区制作不同种类的芯模，为每个芯模贴上条形码并将条码信息录入系统，随后通过搬运装置将其运送到芯模存储库进行存储，通过升降执行机构完成上下芯模的动作，滑移机构完成各个工序间的转移动作。芯模存储库的芯模经过纤缠绕、固化、脱模后通过读取条码获得存储位置再通过搬运装置将其放回库中。

1. 框架 2. 芯模托架 3. 托架导轨 4. 搬运装置 5. 循环传动装置 6. 缠绕芯模 7. 链条导轨
图1 总体装配结构图

2 芯模自动存取机各部件结构设计
所设计的玻璃钢管道缠绕芯模自动存取机主要由垂直循环式芯模存储库和自动搬运装置两部分组成，其中垂直循环芯模存储库主要由主体框架结构、循环传动装置和辅助功能部件构成，实现12 个芯模动态存储；自动搬运装置由滑移传送装置和升降托举装置构成，实现芯模入库、出库和输送多项功能，两大模块在结构和功能上相互独立，模块之间又相互配合联系，完成缠绕芯模自动化存取的整个过程。

2.1 垂直循环式芯模存储库结构设计
2.1.1 芯模托架结构设计
芯模托架是垂直循环系统的重要组成部分，是芯模的直接载体[9]。为方便芯模出入托架，设计为开放型芯模托架, 如图2 所示，其主要由底架、支撑座、拉杆、防倾导轮、悬架、横轴组成。

1. 底架 2. 支撑座 3.拉杆 4. 防倾导轮 5. 悬架 6. 横轴
图2 芯模托架总体结构

2.1.2 垂直循环传动系统设计及选型
所设计的传动系统主要由循环链系统和动力系统组成。其中循环链系统由循环链条、循环链轮、半圆支撑导轨组成。采用单链轮导轨布置，自重轻、结构简单、易于安装维护[11]。动力系统由电动机、减速器、制动器、一级减速链组成。如图3 所示，传动系统主要由电动机、减速器、制动器、小链轮、减速链条、循环链轮、大链轮、传动轴、芯模托架、循环链条、半圆支撑导轨组成。系统运行时，给动力系统通电，电动机输出动力，经过减速器减速，然后连接减速链轮链条进行二次减速，从而驱动大链轮慢速转动，传动轴跟随一起同步转动，传动轴两端安装有两个尺寸较小的循环链轮，最终实现循环链条做垂直循环转动，链条上悬挂的芯模托架跟随链条一起运动[12]。

1. 电动机 2. 减速器 3. 制动器 4. 小链轮 5. 减速链条6. 循环链轮 7. 大链轮 8. 传动轴 9. 芯模托架10. 循环链条 11. 半圆支撑导轨
图3 循环传动系统工作原理图

2.2 芯模自动搬运装置设计
2.2.1 搬运机械手结构设计
选用抬举式机械手完成芯模的搬运动作，机械手通过X、Y、Z 轴的直线运动实现一定范围内的运动[13]，其中X 轴可以通过运动实现适应不同长度的芯模，Y 轴运动实现不同工序间的移动，Z 轴运动实现托举装置的上下运动。

如图4 所示，机械手主体结构主要由X 轴驱动电机、X 轴支撑梁、滚动支撑小车、Y 轴滑动轨道、XY 连接台、Y 轴驱动电机、XZ 连接台、升降抬举装置组成。总体结构底座由两条Y 轴滑动导轨组成，XY 连接台由X 轴支撑梁连接，由于X 支撑梁跨度较大易发生变形，中部采用滚动小车加强支撑，升降抬举装置通过YZ 连接台对称分布在支撑梁上。
1) X 轴和Y 轴结构设计
X、Y 轴是机械手的重要组成部件之一，通过X、Y 轴的移动来实现Z 轴托举装置在芯模存储库中的正确定位, 如图5 所示，其主要由Y 轴齿轮条、XY 连接台、Y 轴导轨、Y 轴伺服电机、X 轴齿轮齿条、Y 轴伺服电机组成。

1. X 轴驱动电机 2.X 轴支撑梁 3. 滚动支撑小车4.Y 轴滑动轨道 5.XY 连接台 6.Y 轴驱动电机 7.XZ 连接台 8. 升降抬举装置
图4 芯模存取搬运机械手结构图

1.Y 轴齿轮条 2.XY 连接台 3.Y 轴导轨 4.Y 轴伺服电机
5.X 轴齿轮齿条 6.Y 轴伺服电机
图5 X 轴和Y 轴三维模型

2) Z 轴结构设计
Z 轴运动主要用于实现芯模的托举运动，是承力的直接载体, 如图6 所示，其主要由XZ 连接台、液压缸、连接座、导轨、竖直主体、托举臂、限位座组成。

1.XZ 连接台 2. 液压缸 3. 连接座 4. 导轨 5. 竖直主体6. 托举臂 7. 限位座
图6 Z 轴三维模型

2.2.2 驱动设计
采用4 个液压缸实现同步运动，从而实现芯模两边支撑的升降，如图7 所示，液压回路主要由油箱、 液压泵、 溢流阀、 压力表、 分流阀、 三位四通电磁换向阀、 节流阀、单向节流阀、 液压缸组成。

1. 油箱 2. 液压泵 3. 溢流阀 4. 压力表 5. 分流阀6、7. 三位四通电磁换向阀 8、9. 节流阀
10、11. 单向节流阀 12、13、14、15. 液压缸
图7 液压升降同步控制回路

液压泵开始工作，溢流阀调节所需压力，并恒定将油箱中的油通过分流阀等量分流到2 个三位四通电磁换向阀。需要控制上升时，电磁铁YV1、YV4 得电，换向阀6 左位接通，换向阀7 右位接通，液压油经节流阀流入液压缸，推动4 个液压缸活塞杆同步上升，当活塞杆上升至触碰行程开关，电磁铁失电，2 个三位四通电磁换向阀回中位，此时系统保持一定压力。控制下降时，电磁铁YV2、YV3 得电，换向阀6 右位接通，换向阀7左位接通，液压油推动4 个活塞杆同步下降。整个过程通过调节节流阀控制升降速度，压力表实时监测油路压力值。

3 关键部件仿真分析与优化设计
3.1 X 轴支撑架结构静特性分析
搬运机械手主体采用直角坐标式形式，由Y 轴滑移轨道、X 轴支撑梁、Z 轴升降托举装置等部件组成，其中X 轴支撑梁作为主要的承力部件， 除承受升降托举装置负载外，还包括芯模负载和Z 轴升降产生的惯性力，所以对其进行仿真分析十分必要。表1 为X 轴负载机构质量表。

然后进行 格划分，添加载荷和约束等后得到X 轴支撑架应力以及变形云图，如图8 所示。

从图8a 中可看出应力值分布均匀，没有明显的应力集中现象，最大应力位于矩形钢材与支撑板接触的边缘处，应力值为141.93 MPa，接近于Q235 的许用应力[σ]=160 MPa，基本满足强度要求。

从8b 可以看出X 轴支撑架的最大变形量为4.588 3mm，位于两支撑板之间矩形钢材的中间位置，而一般情况下许用挠度[γ]=0.000 6l， l 为梁的跨距，由此得到X 轴支撑梁许用挠度为2.25 mm，这说明X 轴这支撑架结构尺寸设计不合理，导致刚度不够，会影响运动平稳性，所以需要对其结构进行优化设计。

3.2 X 轴支撑架结构优化设计
3.2.1 X 轴支撑架优化模型建立
如图9 所示，选取支撑梁横截面的高度DS_A、宽度DS_B 和厚度DS_H 以及支撑板的宽度DS_C 作为设计参数，其优化范围如表3 所示。

图9 X 轴支撑架变量参数示意图

依据实际装配尺寸允许变动范围决定以上4 个参数取值。优化过程中，X 轴支撑架的优化目标为minD(X)，其中D表示支撑架的最大变形量，X=[DS_A，DS_B，DS_H，DS_C]。

3.2.2 优化结果分析
在Design Exploration 模块中对横梁进行优化。
1) 响应曲面分析
根据设计参数范围生成多组设计数据，再对数据求解，描绘出设计参数和目标参数之间的变化曲线和曲面，分析得到各参数的变化对目标参数的影响趋势。设计参数有7 个：P1-DS_C、P2-DS_A、P3-DS_B、P4-DS_H、P5-M、P6-D、P7-F，D 为支撑架最大变形量，F 为支撑架所受最大应力值，其中P1、P2、P3、P4 为4 个输入，分别为支撑板宽度、支撑梁横截面的高度、支撑梁横截面的宽度、支撑梁横截面的厚度，P5、P6、P7 为3 个输出，分别为支撑架总质量、最大变形量、最大应力值，其中P5、P7 作为约束条件，P6 为优化目标，如图10 所示。

图10 横梁优化响应曲面

可以看出，随着连接板的宽度P1 的增大，其支撑架总质量增加，变形量减小，最大应力值基本没影响，随着支撑梁横截面高度P2、宽度P3 增大，其支撑架总质量增加，变形量减小，最大应力值也减小，支撑梁横截面厚度P4 增大时，对支撑架总质量、变形量影响较小，最大应力值逐渐增大，所以，在先保证变形较小并保证质量和最大应力不能太大的前提下，需要P1、P2、P3 适当增大，P4 尽量小。

2) 最优解的确定
定义各目标参数的操作函数、约束条件以及函数和约束条件的优先级别，设置求解最大变形量P6 最小值，应变范围设定≤ 2 mm，其他为默认值, 定初始样本数为1 000，最多迭代次数为20 次，最大遗传代数为40，系统自动筛选出三组较好的备选结果见表4。

对3 组数据进行对比分析，发现第3 组的最大变形量最小，最大应力值也最小，总质量比前两组稍大，但在允许范围内，相对而言，第3 组方案要优于另外2 组方案，所以最终选择第3 组方案，对该方案参数取整。优化前后参数对比见表5。

4 结论
针对目前生产线芯模存取的不足，对玻璃钢管道缠绕芯模自动存取机结构进行设计，采取垂直旋转式立体仓库的芯模存储形式、多支撑点稳定支撑、垂直循环传动、单链轮导轨式传动结构、直角坐标式搬运机械手装卸芯模方案、液压升降同步控制回路等技术措施，既提高了在纤维管道制作过程中芯模的自动存取效率，又降低了芯模在运输过程中的危险性，为解决芯模摆放问题提供了一种行之有效的方法。

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