圆铝棒超声波探伤中自动上下料系统设计与应用

摘要：本文主要介绍圆铝棒在超声波探伤工序中涉及自动上下料系统的设计与应用。设备分为上料区、机械手、下料区、自动控制系统。使用时通过与超声波探伤设备控制系统互联，实现控制信号的互相传输，最终实现上料、检测、下料全自动控制，一键操作，不需要人工参与。减少公辅设备的使用频率，提高了工作效率。

关键词：超声波探伤；自动上下料系统；圆铝棒；机械手

引言

圆铝棒在转入下一个生产工序前需要进行超声波探伤，检查是否有缺陷，大尺寸铝棒的探伤设备都配有专有上下料设备。针对小尺寸铝棒探伤，受探伤设备紧凑、铝棒尺寸短小限制，上下料时大多还停留在吊车配夹具、人工参与的吊装模式，工作效率低，存在安全隐患。

在工业生产进入高度自动化的背景下，如何实现生产过程的高效、节能、低成本，对生产企业来说尤为重要。本设计将能解决小尺寸圆铝棒在超声波全水浸自动探伤时的自动上下料问题。与探伤设备互联后，单人操作，即可实现铝棒从上料、计数、转运、检测、下料全过程自动化，同时可实现下料区合格品、不合格品铝棒分区下料，分别统计合格品、不合格品数量，对后续分析不同批次产品合格率也起到辅助作用。

1.设备组成及工作原理

1.1 设备组成

设备主要分为上料区、机械手、下料区三个部分。

上料区包含上料储料架、拨料装置、布料装置，储料架铺设尼龙垫板用来防止铝棒表面磕伤，平面有一定的倾斜坡度（倾斜坡度可调），方便工件在料台上向下滚动。

拨料装置采用翻板拨料的形式，通过气缸驱动带动连杆转动，使得翻板机构动作，从而实现翻料动作，将铝棒平稳的倾翻至布料装置。

布料装置单侧设有气缸，用来推动铝棒至上料工位。

1.2工作原理

叉车将铝棒运至上料储料架上，通过拨料装置将铝棒单根逐次上料至布料装置上，布料装置中对齐机构动作，定位铝棒位置。上料机械手接到布料装置处有料信号后移动至上料工位，夹抓抓取铝棒并移动至探伤水池外安全区待机，探伤设备发送上料信号后上料机械手移动至铝棒检测工位，并将铝棒放置在探伤水池中的旋转托辊上，上料机械手回到安全区待机位，此时给探伤设备发出信号，探伤设备开始工作。当探伤工作完成后（由探伤系统发出合格、不合格信号），下料机械手接到信号后，下料机械手从探伤水池外安全区待机位移动到检测位抓取铝棒，根据探伤系统给出的合格、不合格品信号，自动平移至相应的下料转运平台位置放下铝棒，此时给探伤设备发出取料完成信号，探伤设备可以进行下一根铝棒的探伤工作。下料转运平台根据来料放置的位置，相应区域的翻板机构动作，将铝棒翻至对应的储料台上，完整一个工作循环。

2.关键结构计算及原理设计

2.1车轮轴承寿命计算

单台机械手设备有4个车轮，选取的车轮直径为D1=160mm，每个车轮配备两个调心球轴承1309K。车轮最大轮压f1=500Kg，最小轮压f2=250Kg，基距B=1500mm，跨度S=1050mm，运行速速度V=15m/min。

等效轮压f=（2*f1+f2）/3=（2×500+250）/3=417Kg

单个轴承径向力Fr=f1/2=500/2=250Kg

单个车轮偏斜侧向力Fa=0.5*ΣP*λ=0.5*（Fr+Fr）*λ=0.5×（250+250）×0.05=12.5

式中：λ--水平侧向载荷系数，取0.05，见图1

实际当量动载荷P：

Fa/Fr=12.5/250=0.05 ＜e

P=（Fr+Y1*Fa）*K=（250+2.5×12.5）×10×1.5=4218.75N

式中：轴承查表得常数e=0.25，Y1=2.5，

k--工作条件系数，取1.5。

轴承转速：n=1000V/π/D1=1000×15/3.14/160=29.85

轴承的计算寿命：Lh=（Cr/P）m*106/60n=（21000/4218.75）3*106/（60*29.85）=68867 h

参考起重机械对设备工作状态的考量，取本设备工作级别为M6，对应轴承推荐使用寿命为32000h；

Lh=68867＞32000  合格；

式中：m--寿命指数，取3；

2.2运行电机功率计算

机械手吊载物重Q=1t，机械手自重G=1000Kg，轴承配合处车轮轴直径D2=45mm，传动效率η=0.85

电动机个数m=2，

满载运行静阻力：Fj=10*（1000*Q+G）*（（2*f+μ*D2）*β/D1+0.002）

=10×（1000×1+1000）×（（2×0.25+0.015×45）×1.3/160+0.002）

=230.9N

式中：

f--滚动摩擦系数，取0.25；

μ--车轮轴承摩擦系数，取0.015；

β--附加摩擦阻力系数，取1.3；

电机的静功率：

Pj=（0.1*Fj*v）/（6120*η*m）=（0.1×230.9×15）/（6120×0.85×2）=0.03KW

电机的选择功率：P≈Kd * Pj=2×0.03=0.06kw

式中Kd--功率增大系数，取2。

2.3机械抓取机构

夹爪采用双剪式杠杆机构，气缸作为动力源，气缸伸出夹爪闭合、缩回夹爪打开。此结构虽然是费力杠杆，但气缸输出力只要使夹爪闭合、并保持闭合状态不变，就不会有铝棒脱落的情况发生。采用片状夹爪组合形式能有效避开水槽中铝棒支撑辊位置。

2.4夹爪升降启气动原理设计

上、下料区与水槽铝棒支撑辊标高不同，使用中夹爪需要三个停止位，即夹爪初始位、夹爪伸出位1、夹爪伸出位2，设计时气缸采用三位步进气缸，该气缸通过两种不同气动阀配合，可实现气缸三个点位停止。通过气动原理的巧妙设计，可实现气动系统出现断气或断电等特殊情况下，夹爪停在瞬时位置状态保持不动。

3.结论

设备设计方案时，需要认真分析使用工况，合理设计和选型计算十分重要。只有设备设计时考虑充分，制造时提高产品质量，生产时才能够降低使用、维护成本，提高生产效率，提升产品的市场竞争力。

参考文献

[1] GB/T3811-2008 起重机设计规范[S]

[2]成大先.机械设计手册 第五版 化工出版社

[3] 王金诺，张质文.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2013

作者简介：刘志成（1989.9.3） 男  辽宁朝阳  工程师  本科  从事非标设备设计与研究