CN104555411A - 一种废钢预处理生产线转运方法及机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种废钢预处理生产线转运机构，其包括两套完全相同的曲柄摇杆机构，分别设置于底座的两侧；曲柄摇杆机构包括机架、主动曲柄、摇杆、连杆、取料叉；机架与底座之间固定连接；主动曲柄的一端与机架的上端转动连接，主动曲柄的另一端与连杆的中部转动连接；摇杆的一端与机架的下端转动连接，摇杆的另一端与连杆的一端转动连接；取料叉与连杆的另一端相连接。两套曲柄摇杆机构的主动曲柄与同一根驱动轴固定连接，保证取料叉以相同的轨迹同步运动。本发明的有益效果是：可按设定节拍间歇性将物料转运到输送线；取料过程平稳，堆叠的物料不会倾覆；可实现转运速度与输送线的运动速度匹配，避免两者速度相差过大而造成废钢包块的不稳定。

Description

一种废钢预处理生产线转运方法及机构

技术领域

本发明涉及一种废钢预处理生产线转运方法及机构。

背景技术

二十世纪以来，随着废钢铁行业的发展、科技的进步及观念的转变，传统工艺、设备逐步暴露其固有的缺点，难以适应现代企业高效率、低成本、节能降耗、环境保护的需求。大型废钢加工企业为符合国家产业政策、实现循环经济、节能降耗、降低劳动强度、保护环境、提高工作效率、提供优质炉料的目标，需要先进、可靠、高效率、低能耗、投资少、见效快、污染小、机动灵活、操作简单、维修方便的废钢加工设备的投入使用。随着企业需求的增加，各种采用机电液一体化控制、工作效率高、劳动强度低、自动化程度高、操作简便灵敏、环境污染小、性能可靠的先进设备相继出现，特别是打包机等设备已广泛成为废钢加工行业处理金属废料的理想和重要设备，在废钢铁的装卸、加工和提供优质炉料等方面发挥了积极作用并为企业带来了巨大的社会效益和经济效益。

我国是废钢需求大国，废钢预处理相对落后，废钢处理自动化发展处于不断发展和完善中。在某企业废钢剪切打包生产线将各种废线材、钢丝绳、钢带等轻型废钢进行加工，使之形成紧密的长方体包块，在推料装置作用下，快速坠落到储料槽中。需要将包块搬运到输送线上。

现有三种包块搬运装置：第一种方式是用机械手抓取包块，摆放到输送线上，优点：适应范围广，缺点：机械手价格昂贵；第二种方式是用夹具抓取包块，用卷扬机提升后横移到输送线上，再放下，优点：价格比较低廉，缺点：速度慢，需设计专用夹具；第三种方式是用搬运机构完成取料、横移、摆放动作，将包块搬运到输送线上，优点：搬运速度快，成本低廉，缺点：构的优化设计工作量大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种废钢预处理生产线转运机构，解决现有技术的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种废钢预处理生产线转运机构，其包括设置于底座的两侧的曲柄摇杆机构；两个所述曲柄摇杆机构的结构相同；其中一个所述曲柄摇杆机构包括机架、主动曲柄、摇杆、连杆、取料叉；所述机架与所述底座之间固定连接；所述主动曲柄的一端与所述机架的上端转动连接，所述主动曲柄的另一端与所述连杆的中部转动连接；所述摇杆的一端与所述机架的下端转动连接，所述摇杆的另一端与所述连杆的一端转动连接；所述取料叉与所述连杆的另一端相连接。

本发明的有益效果是：避免包块与输送线的运动速度相差过大而造成废钢包块的不稳定。

附图说明

图1为曲柄摇块搬运机构的简图；

图2为曲柄摇杆搬运机构的简图；

图3为曲柄摇块机构从动件P点轨迹图；

图4为曲柄摇杆机构从动件P点轨迹图；

图5为曲柄摇块机构从动件P点轨迹在x、y轴方向的分解曲线；

图6为曲柄摇杆机构从动件P点轨迹在x、y轴方向的分解曲线；

图7为曲柄摇块机构从动件P点在x轴、y轴方向速度曲线；

图8为曲柄摇杆机构从动件P点在x轴、y轴方向速度曲线；

图9为曲柄摇块机构P点在x轴、y轴方向加速度图；

图10为曲柄摇杆机构、P点在x轴、y轴方向加速度图；

图11为本发明的结构图；

图12为本发明的展开图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

为了解决上述的技术问题，发明人初步考虑了双曲柄平行四边形机构、曲柄摇块机构和曲柄摇杆机构等，最后决定采用曲柄摇块机构和曲柄摇杆机构，因为双曲柄平行四边形机构虽然容易保证取料斗始终竖直向上，而且设计难度相对较小，但料斗的运动轨迹为圆周运动，在需要竖直向上运动的取料和放料过程中，不可避免存在水平方向的分运动，而且该分运动速度并不恒定，因此水平方向的加速度不可能为零。要避免这一问题，需要料斗的运动轨迹中，至少存在一段几乎完全竖直向上的线段，此时水平方向分运动速度和位移几乎为零，这样能保证取料过程更加可靠，曲柄摇块机构和曲柄摇杆机构都有可能实现这一目标。

如图1所示为曲柄摇块搬运机构的简图，曲柄AB为原动件，以等速度n(r/s)转动，各构件的相对长度分别为a,b,e。将该机构置于直角坐标系xoy中，曲柄的固定铰链A点与坐标系原点重合，机架AC与x轴重合。在△ABC中，运用正弦定理有：

$\frac{\mathrm{BC}}{\sin \mathrm{\θ}}=\frac{a}{\sin \mathrm{\α}}=\frac{b}{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}---\left(1\right)$

即有：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{BC}\sin \mathrm{\α}=a\sin \mathrm{\θ}\\ a\sin (\mathrm{\θ}+\mathrm{\α})=b\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(2\right)$

求出：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}={\cot }^{-1}\frac{\frac{b}{a}-\cos \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\θ}}\\ \mathrm{BC}=\frac{a\sin \mathrm{\θ}}{\sin \mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

在△PBC中，运用正弦定理有：

$\frac{\mathrm{PC}}{\sin \mathrm{\β}}=\frac{e}{\sin \mathrm{\γ}}=\frac{\mathrm{BC}}{\sin (\mathrm{\π}-\mathrm{\β}-\mathrm{\γ})}---\left(4\right)$

同理可求得：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\γ}={\cot }^{-1}\frac{\frac{\mathrm{BC}}{e}-\cos \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\β}}\\ \mathrm{PC}=\frac{e\sin \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\γ}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

于是P点的坐为:

$\left\{\begin{array}{c}{x}_P=b-\mathrm{PC}\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\\ y_p=\mathrm{PC}\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\γ})\end{array}\right.---\left(6\right)$

如图2所示曲柄摇杆搬运机构的简图，曲柄AB为原动件，以等速度n(r/s)转动，各构件的相对长度分别为a,b,c,d,e。将该机构置于直角坐标x‘oy‘中，xoy为地面坐标系，x‘oy‘为机构坐标系，机构坐标系相对于地面坐标系旋转的夹角为ω。曲柄的固定铰链A点与坐标系与坐标系原点o重合，机架AD与机构坐标系x轴重合，取各构件在坐标轴x‘和y‘上的投影，可分别得到如下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}a\cos \mathrm{\θ}+b\cos \mathrm{\α}-d-\cos \mathrm{\γ}=0\\ a\sin \mathrm{\θ}+b\sin \mathrm{\α}-c\sin \mathrm{\γ}=0\end{array}\right.---\left(7\right)$

将上式等号两边平方后相加，消去(7)式中的α，整理后得：

Ecosγ+Fsinγ+G＝0   (8)

式中：

$\left\{\begin{array}{c}E=d-a\cos \mathrm{\θ}\\ F=-a\sin \mathrm{\θ}\\ G=\frac{E^2+F^2+c^2-b^2}{2c}\end{array}\right.---\left(9\right)$

将下列三角函数变换公式

$\cos \mathrm{\γ}=\frac{1-{\tan }^2\left(\frac{\mathrm{\γ}}{2}\right)}{1+{\tan }^2\left(\frac{\mathrm{\γ}}{2}\right)},\sin \mathrm{\γ}=\frac{2\tan \left(\frac{\mathrm{\γ}}{2}\right)}{1+{\tan }^2\left(\frac{\mathrm{\γ}}{2}\right)}$

代入(8)式，可得关于的一元二次方程，由此解出：

$\mathrm{\γ}=2{\tan }^{-1}\frac{F+\sqrt{E^2+F^2-G^2}}{E-G}---\left(10\right)$

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\frac{F+c\sin \mathrm{\γ}}{E+c\cos \mathrm{\γ}}---\left(11\right)$

则P点在坐标系x‘oy‘中的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x_P}^{\′}=a\cos \mathrm{\θ}+e\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\α})\\ {y_P}^{\′}=a\sin \mathrm{\θ}+e\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\α})\end{array}\right.---\left(12\right)$

又因为坐标系x‘oy‘相对于坐标系xoy的旋转角为ω，所以P点在坐标系

xoy中的坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_P={x_P}^{\′}\cos \mathrm{\ω}-{y_P}^{\′}\sin \mathrm{\ω}\\ y_P={x_P}^{\′}\sin \mathrm{\ω}+{y_P}^{\′}\cos \mathrm{\ω}\end{array}\right.---\left(13\right)$

机构运动与动力学分析，根据上述方程，运用MATLAB编程求解。经过优化计算，得到曲柄摇块机构一组符合要求的参数为：a＝120，b＝270，e＝210，β＝180°；曲柄摇杆机构符合要求的参数为：a＝163，b＝297，c＝198，d＝330，e＝165，β＝180°，ω＝-19.5°。当曲柄旋转一周，从动件P点轨迹如图3至图6所示。

图3为曲柄摇块机构从动件P点轨迹图，图4为曲柄摇杆机构从动件P点轨迹图。两种机构从动件P点运动轨迹中均有一段几乎竖直向上的线段。其中，曲柄摇块机构对应的y坐标区间为[-85,85],其长度为170mm；曲柄摇杆机构对应的y坐标区间为[-183,-2]，其长度为185mm。可以满足用U型料斗向上叉取废钢包块的取料需要。

图5和图6分别为曲柄摇块机构和曲柄摇杆机构从动件P点轨迹在x、y轴方向的分解曲线，其中纵坐标为P点在x轴、y轴方向的位移，横坐标为曲柄转角。图中可见，在P点轨迹近乎竖直向上段，曲柄摇块机构对应的曲柄转角区间为[-18°,18°]，曲柄摇杆机构对应的曲柄转角区间为[-15°,22°]，此为两种机构的取料区间。

搬运机构将废钢包块摆放到输送线上时，需要从动件P点在x轴方向有一段速度比较稳定的区间，从而避免包块与输送线的运动速度相差过大而造成废钢包块的不稳定。为此，分析了两机构的运动学和动力学特性。

图7为曲柄摇块机构从动件P点在x轴、y轴方向速度曲线，图8为曲柄摇杆机构从动件P点在x轴、y轴方向速度曲线。图中可见，除取料段以外，曲柄摇块机构P点在x轴方向的速度始终随曲柄转动而变化，未见明显的速度稳定区间。速度变化相对较小的区间在曲线的拐点处，其值为±423mm/s，对应的曲柄转角分别为94°和263°。而曲柄摇杆机构除取料段以外，P点在x轴方向的速度有一段较为明显的速度稳定区间，对应的曲柄转角区间[101°,119°]，其值约-500mm/s。

从图9、图10的加速度图也可以看到，曲柄摇杆机构上述区间对应的x轴方向加速度值也是小于曲柄摇块机构的。这说明，与曲柄摇块机构相比，曲柄摇杆机构能更加平稳地将废钢包块摆放到匀速运动的输送线上。

在曲柄旋转的整个区间，曲柄摇杆机构的运动学特性曲线不如曲柄摇块机构的平滑，其最大加速度值也明显大于曲柄摇块机构，因此，在应用该机构时，尽量使加速度较大区间与工作区间错开，保证设备的运行平稳性。

曲柄摇块机构和曲柄摇杆机构从动件P点的运动轨迹中，都有一段几乎竖直向上的线段，能较好实现将储料槽中废钢包块取出的动作。而运动学和动力学分析结果表明，曲柄摇杆机构的x轴方向运动曲线中存在一段比较稳定的区间，而曲柄摇块机构几乎没有这样的区间，因此前者能更好满足将废钢包块平稳摆放到输送线上的动作要求。虽然如此，从总体上看，去摇块机构的运动学与动力学曲线比曲柄摇杆机构的更为平滑，因此，在应用曲柄摇杆机构作为废钢包块搬运机构过程中，应当尽量避免将加速度较大区间作为重要的工作区间，以提高装置的工作稳定性。

图11、图12表示本发明的一种废钢预处理生产线转运机构的结构图：

一种废钢预处理生产线转运机构包括设置于底座2的两侧的曲柄摇杆机构1；两个曲柄摇杆机构1的结构相同；其中一个所述曲柄摇杆机构1包括机架11、主动曲柄12、摇杆13、连杆14、取料叉15；所述机架11与所述底座2之间固定连接；所述主动曲柄12的一端与所述机架11的上端转动连接，所述主动曲柄12的另一端与所述连杆14的中部转动连接；所述摇杆13的一端与所述机架11的下端转动连接，所述摇杆13的另一端与所述连杆14的一端转动连接；所述取料叉15与所述连杆14的另一端相连接，且所述取料叉15的上端设有与被取废钢条3形状相匹配的凹槽。

进一步：两个所述曲柄摇杆机构的所述机架11均与所述底座2固定连接。

进一步：所述机架11、主动曲柄12、摇杆13、连杆14、取料叉15采用碳素钢、合金钢制成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种废钢预处理生产线转运机构，其特征在于：包括设置于底座的两侧的曲柄摇杆机构；两个所述曲柄摇杆机构的结构相同；其中一个所述曲柄摇杆机构包括机架、主动曲柄、摇杆、连杆、取料叉；所述机架与所述底座之间固定连接；所述主动曲柄的一端与所述机架的上端转动连接，所述主动曲柄的另一端与所述连杆的中部转动连接；所述摇杆的一端与所述机架的下端转动连接，所述摇杆的另一端与所述连杆的一端转动连接；所述取料叉与所述连杆的另一端相连接。

2.根据权利要求1所述一种废钢预处理生产线转运机构，其特征在于：所述取料叉的上端设有与被取废钢条形状相匹配的凹槽。

3.根据权利要求1或2所述一种废钢预处理生产线转运机构，其特征在于：两个所述曲柄摇杆机构的所述机架均与所述底座固定连接。

4.根据权利要求3所述一种废钢预处理生产线转运机构，其特征在于：所述机架、主动曲柄、摇杆、连杆、取料叉采用碳素钢、合金钢制成。