动力辊筒线的设计与研究Word格式文档下载.docx
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powerrollerline,ADAMS,VirtualPrototypin
第一章：
概述
1.1引言
2010年中国动力辊筒线市场发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励动力辊筒线产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。
投资者对动力辊筒线行业的关注越来越密切，这使得滚筒转弯机行业的发展需求增大。
1.2动力辊筒的基本概述
辊筒线利用按一定间距架设在固定支架上的若干个辊子来输送成件物品的输送机。
固定支架一般由若干个直线或曲线的分段按需要拼成。
辊子输送机可以单独使用，也可在流水线上与其他输送机或工作机械配合使用，具有结构简单、工作可靠、安装拆卸方便、易于维修、线路布置灵活等优点。
这种输送机按辊子是否具有驱动装置，可分为无动力式和动力式两类。
图1-1辊筒线
其具有结构简单、运行可靠、维护方便、可输送高温物品、节能等特点，适合于运送成件物品。
辊子输送机分动力型和无动力型，可以实现直线、曲线、水平、倾斜运行，并能完成分流、合流等要求，实现物品在机上加工、装配、试验、包装、挑选等工艺。
1.3动力辊筒国内外研究现状
动力辊筒线在国内外的已经是一项很成熟的技术了。
但是国内生产的动力辊筒和国外同类产品还是有一定的差距。
这个差距主要体现在国内生产的动力辊筒比较的简单，一般只是一个动力辊筒。
在与其他设备的相互嵌入方面做得不够好。
滚筒线又称滚筒输送机适用于各类箱、包、托盘等件货的输送，散料、小件物品或不规则的物品需放在托盘上或周转箱内输送。
能够输送单件重量很大的物料，或承受较大的冲击载荷。
结构形式：
按驱动方式可分为动力滚筒线和无动力滚筒线，按布置形式可分为水平输送滚筒线、倾斜输送滚筒线和转弯滚筒线。
还可按特殊要求特殊设计，以满足各类要求。
标准规滚筒线内宽度为200、300、400、500、1200mm等。
转弯滚筒线标准转弯内半径为600、900、1200mm等，直段滚筒所用的滚筒直径有38、50、60、76、89mm等。
滚筒输送机之间易于衔接过滤，可用多条滚筒线及其它输送设备或专机组成复杂的物流输送系统，完成多方面的工艺需要。
可采用积放滚筒实现物料的堆积输送。
滚筒输送机结构简单，可靠性高，使用维护方便。
滚筒输送机适用于底部是平面的物品输送，主要由传动滚筒、机架、支架、驱动部等部分组成。
具有输送量大，速度快，运转轻快，能够实现多品种共线分流输送的特点。
结构形式：
从驱动形式上分为有动力、无动力、电动滚筒等，按布局形式分为水平输送，倾斜输送和转弯输送。
尺寸规格：
滚筒输送机内宽度根据实际情况确定，转弯滚线标准转弯内半径为300、600、900、1200mm等。
直段滚筒所用的滚筒直径有38、50、60、76、89mm等。
转弯滚筒的锥度我们会根据输送物体的重量、外形尺寸、线速度等来设计。
机架材质：
碳钢喷塑，不锈钢，铝型材。
动力方式：
减速电机驱动，电动滚筒驱动等形式。
传动方式：
单链轮、双链轮、O型皮带、平面摩擦传动带、同步带等。
调速方式：
变频调速，无级变速等。
设备特点：
滚筒输送机之间易于衔接过滤，可用多条滚筒线及其它输送设备或专机组成复杂的物流输送系统以及分流合流系统，完成多方面的工艺需要。
滚筒输送机结构简单，可靠性高，使用维护方便，动力滚筒线考虑链条抗拉强度，最长单线长度一般不超过10米。
动力辊筒线有以下技术参数：
1、输送物体的长度、宽度和高度；
2、每一输送单元的重量；
3、输送物的底部状况；
4、有无特殊工作环境上的要求（比如：
湿度，高温，化学品的影响等）；
5、输送机属于无动力式或电机带动式。
为确保货物能够平稳输送，必须在任何时间点都至少有三只滚筒与输送物保持接触。
对软袋包装物必要时应加托盘输送。
1、滚筒的长度选择：
不同宽度的货物应选适合宽度的滚筒，一般情况下采用“输送物+50mm”。
2、滚筒的壁厚及轴径选择：
按照输送物的重量平均分配到接触的滚筒上，计算出每支滚筒的所需承重，从而确定滚筒的壁厚及轴径。
3、滚筒材料及表面处理：
根据输送环境的不同，确定滚筒所采用的材质和表面处理（碳钢镀锌、不锈钢、发黑还是包胶）。
4、选择滚筒的安装方式：
根据整体输送机的具体要求，选择滚筒的安装方式:
弹簧压入式,内牙轴式,全扁榫式,通轴销孔式等。
对于弯道机的锥形滚筒，其滚面宽度及锥度视货物尺寸和转弯半径而定。
国外研究产品：
国内研究产品：
图1-3湖州科尼物流设备有限公司生产的辊道输送系统
1.4本文研究内容概述
本课题来源于教师的横向科研项目“板材送料系统”的子课题“动力辊筒线的设计与研制”。
动力辊筒线是生产线上常用的机械输送装备，锥筒式的辊筒一般的长度尺寸都在1200mm以内，本课题研究的动力辊筒线尺寸达到1600mm，并且具有90°
的转弯部分，是比较具有创新性的设计研究。
要求机械图纸一套，仿真优化设计方案一套、电机与调频器的参数选择方案一套。
1.5本章小结
本章主要讲述动力辊筒线在国内外的发展和研究状况，并概述了本文主要研究的内容。
第二章虚拟样机技术及ADAMS软件
2.1虚拟样机技术
2.1.1概述
虚拟样机技术（VirtualPrototyping,VP）现在还处于发展阶段，他从19世纪80年代兴起的。
从目前国内外研究来看，虚拟样机技术应用到不同的领域就有不一样的定义。
2.1.2虚拟样机代表性的论述
（1）虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作（CSCW）技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法；
（2）虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发（IntegratedProductandProcessDevelopment,简称IPPD）是分不开的。
IPPD是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标。
IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖IPPD才能实现；
（3）虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术；
（4）虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。
借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统；
（5）虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。
它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。
2.1.3DMSO虚拟样机定义
在建模和仿真领域比较通用的关于虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室（DMSO）的定义。
DMSO将虚拟样机定义为对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；
而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对候选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程.
2.2ADAMS软件
2.2.1软件简介
ADAMS，即机械系统动力学自动分析（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems），该软件是美国MDI公司（MechanicalDynamicsInc.）开发的虚拟样机分析软件。
目前，ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。
根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近
图2-1ADAMS软件
八千万美元、占据了51%的份额,现已经并入美国MSC公司。
2.2.2软件应用
ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。
ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。
另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。
ADAMS软件有两种操作系统的版本：
UNIX版和WindowsNT/2000版。
在这里将以Windows2000版的ADAMSl2.0为蓝本进行介绍。
2.2.3ADAMS软件模块
ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，如表3-1所示。
用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。
基本模块用户界面模块ADAMS／View
求解器模块ADAMS／Solver
后处理模块ADAMS／PostProcessor
扩展模块液压系统模块ADAMS/Hydraulics
振动分析模块ADAMS/Vibration
线性化分析模块ADAMS/Linear
高速动画模块ADAMS/Animation
试验设计与分析模块ADAMS/Insight
耐久性分析模块ADAMS/Durability
数字化装配回放模块ADAMS/DMUReplay
接口模块柔性分析模块ADAMS/Flex
控制模块ADAMS/Controls
图形接口模块ADAMS/Exchange
CATIA专业接口模块CAT/ADAMS
Pro/E接口模块Mechanical/Pro
专业领域模块轿车模块ADAMS/Car
悬架设计软件包SuspensionDesign
概念化悬架模块CSM
驾驶员模块ADAMS/Driver
动力传动系统模块ADAMS/Driveline
轮胎模块ADAMS/Tire
柔性环轮胎模块FTireModule
柔性体生成器模块ADAMS/FBG
经验动力学模型EDM
发动机设计模块ADAMS/Engine
配气机构模块ADAMS/EngineValvetrain
正时链模块ADAMS/EngineChain
附件驱动模块AccessoryDriveModule
铁路车辆模块ADAMS/Rail
FORD汽车公司专用汽车模块ADAMS/Pre（现改名为Chassis）
工具箱软件开发工具包ADAMS/SDK
虚拟试验工具箱VirtualTestLab
虚拟试验模态分析工具箱VirtualExperimentModalAnalysis
钢板弹簧工具箱LeafspringToolkit
飞机起落架工具箱ADAMS/LandingGear
履带/轮胎式车辆工具箱Tracked/WheeledVehicle
齿轮传动工具箱ADAMS/GearTool
2.2.4特点综合
1.新的在线帮助系统以及PDF格式文件，方便打印
在MDAdams中，MSC.Software引入了一套新的电子在线帮助系统。
MDAdams和MDAdams/Car的用户可以使用整个帮助系统。
在帮助系统的目录表中，按照模块进行组织，更方便信息的查找和搜索。
对MDAdams/View中的命令语言，新加帮助，对MDAdams/Vibration模块新加了新的理论手册。
为方便打印，帮助文档提供了所有帮助文档的PDF格式。
2.输出线形模型，可用于在NASTRAN中进行进一步的振动性能分析
MDAdams/Vibration的一个新功能就是Adams2Nastran功能，该功能可以输出线形模型，用于在NASTRAN中进行进一步的振动性能分析。
此功能将线性化后的ADAMS模型封装为Nastran的DMIG输入形式。
一旦输出完成，用户能够利用NASTRAN强大的频响分析的功能，对系统进行精确的NVH分析和较高频域范围内系统的响应分析。
3.在3D接触分析中，用于处理球体新的分析方法
当模型中存在3D的球体接触碰撞时，为了得到更为精确的结果，加强了接触计算的算法，即使用真实的几何来代表球体。
同旧的将球体表面用小平面表示的方法相比，这种算法解算的速度明显加快。
例如，如右图所示的滚珠轴承模型，解算的速度提高3.1倍。
这种算法的另一个好处是接触载荷计算的精度提高。
右图所示的曲线图显示旧的算法（黑色曲线）和新的算法（红色曲线）所得到的接触载荷的区别所在。
4.仿真过程中时变累计质量的计算
新版本中开发了新的实用子程序，可以自动地计算仿真过程中时变的系统累计质量。
新的解算器可以完成多体系统质量的计算，包括刚性体和弹性体。
5.对频响仿真节点的应力和应变结果的曲线绘制
MDAdams新版本支持绘制由于强迫载荷激励载荷输入引起的在弹性体上应力应变的结果曲线。
利用此功能，可以让分析人员快速地进行“what-if”的研究，同时考虑系统多体动力学特性和结构的影响。
6.MDAdams/CarMechatronics汽车机电模块
MDAdams/CarMechatronics（汽车机电模块）为新的模块，该模块极大地加强了Adams/Car和Adams/Controls的集成。
新模块的宗旨是在Car模型下标准化控制系统的实现。
使用新的机电模块，你可以很容易地对你的车辆控制系统性能的参数影响进行仿真，控制器的开/关只需要简单地在控制器上切换一下即可。
信号控制器，作为机电模块的一部分，可以在整个系统装配时连接控制系统和机械系统。
7.C++Solver支持Adams/Car
Adams/Car的模型现在可以使用C++Solver解算了，用户可以利用新的HHT积分器以提高解算速度。
MDAdams/Tire和MDAdams/SmartDriver模块也支持新的C++Solver。
新的C++Solver提供分析偏微分方程的功能，因而精度更高也更稳定。
同时还支持基于传动系统建立的一般状态方程（GSE），并改进了包含弹性体和钢板弹簧的模型。
8.更精确的动态悬架分析
现在，MDAdams具有的功能可以利用动态悬架试验台对悬架模型完成更为真实的动态悬架分析。
此新功能将悬架运动的动态影响考虑在内，因而可以提高仿真的精度。
用户同样可以使用RPC格式的文件作为运动驱动，这一点对于悬架系统及其零部件的耐久性能分析则为至关重要的。
9.用于轮胎分析的新试验台
轮胎试验台更为快速地进行多个轮胎模型的比较。
可以为不同的轮胎模型自动地生成轮胎特性比较需要的各种曲线图。
这种高度自动化的分析功能界面有助于你对各种轮胎模型的品质以及轮胎数据库快速地分析比较。
2.3本章小结
本章主要介绍了虚拟样机技术，其中重点讲述了应用最广泛的仿真软件ADAMS的功能、特点等。
第三章动力辊筒结构设计
3.1基本设计要求
动力辊筒线是生产线上常用的机械输送装备，转弯滚筒线标准转弯内半径为600、900、1200mm等，也可根据需求采用其它特殊规格。
直段滚筒所用的滚筒直径有38、50、60、76、89mm等。
本课题研究的动力辊筒线尺寸达到1600mm，并且具有90°
的转弯部分。
3.1.1屋面材料情况简述
其中屋面2400*1200mm型屋面材料为公司生产的标准产品，尺寸为2400mm*1200mm，重量不大于100kg，厚度为12//10/6/8/4mm，生产过程中表面温度不高于80℃，2400*1200mm型屋面材料如图1~2所示。
图3-1堆叠的屋面材料图3-2不同厚度的屋面材料
在实际生产过程中，屋面材料放置在搬运小车上，搬运小车置于摆渡车上，在摆渡车上的堆叠高度不大于1200mm。
堆叠的屋面材料每隔12块左右有一块不锈钢垫板相隔，特别强调：
屋面材料彼此之间有一定粘连，屋面材料的堆叠示意图如图3所示。
图3-3屋面材料堆叠示意图
3.1.2送料任务简述
图3-4平面图
图3-5实景图
图3-6建模图
送料任务为，工人将载有材料的摆渡车推送到接近传输带的某位置，然后启动送料系统，将材料放到传输带上，与此同时将垫板放到增压釜侧面轨道上的小车上面，送料结束后系统停止工作，等待下一次任务。
送料平均速度6-10张/m。
送料过程要求安全可靠，可监测并识别材料、垫板及小车，将材料和垫板送到预定位置。
3.2动力辊筒结构设计
1、滚筒的长度选择：
不同宽度的货物应选适合宽度的滚筒，一般情况下采用“输送物+50mm”。
2、滚筒的壁厚及轴径选择：
按照输送物的重量平均分配到接触的滚筒上，计算出每支滚筒的所需承重，从而确定滚筒的壁厚及轴径。
3、滚筒材料及表面处理：
根据输送环境的不同，确定滚筒所采用的材质和表面处理（碳钢镀锌、不锈钢、发黑还是包胶）。
4、选择滚筒的安装方式：
根据整体输送机的具体要求，选择滚筒的安装方式:
5、机架材质选择：
一般可以选择碳钢喷塑，不锈钢，铝型材等材质。
6、动力方式选择：
通常情况下就选择的动力方式就两种，一种是减速电机驱动，另一种电动滚筒驱动。
7、传动方式选择：
传动方式可选择单链轮、双链轮、O型皮带、平面摩擦传动带、同步带等。
8、调速方式选择：
调速方式分为变频调速，无级变速等。
9、锥筒的选择
锥筒的选择主要考虑两个方面的问题，一个是锥筒的大小，另一个问题就是锥筒的锥度，首先是锥筒大小的确定，锥筒的大小主要考虑的是它所运载货物的重量。
这是为了考虑到锥筒的承载能力。
其次是锥度的确定，这个问题主要是关系到转弯半径，锥筒的锥度没有设计好，就会影响到板材不能顺利转向的问题。
所以锥筒的锥度就应该满足以下关系：
锥筒小端的半径/大端的半径=弯道的内径/弯道的外径
只有这样才能保证板材在转弯部分顺利转向。
通过综合的因素考虑，确定以下的技术参数：
1、输送线由一段动力直道线和一条弯道组成。
2、动力直道线1，总长3750mm，总宽度为1600mm，总高度为1050mm。
3、动力直道线2，总长1250mm，总宽度为1600mm，总高度为1050mm。
4、弯道线半径R=1000mm，总宽度为1600mm，总高度为1050mm。
5、输送线为两个驱动，功率0.75kw，输送速度为0—8米/分钟。
6、输送线辊面高于机架7mm。
7、动力直辊∅76*2.5焊管表面抛光镀锌，链轮08B13齿双排。
8、动力锥辊小端50mm，大端120mm链轮08B13齿双排。
9、机架采用120*30*3C型钢剪折，支腿采用60*40*2.5方管焊接表面酸洗喷塑。
整体的设计图纸如下图所示：
图3-7俯视图
图3-8主视图
3.3本章小结
本章主要讲述了动力辊筒线的设计要求以及动力辊筒线各项参数的确定。
第四章动
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