钢提桶塑料提梁自动弯曲机构的设计

文/程立斌

摘要: 为提高钢提桶生产效率，设计一种能够实现钢提桶塑料提梁自动弯曲的四工位凸轮回转机构。结合提梁、钢提桶结构尺寸及提梁弯曲的位置要求，根据机构方案的空间几何关系，设计了凸轮回转机构各零件关键参数、提梁抓手间距及槽凸轮凸轮轨迹，并通过数学方程表征了凸轮轨迹。研究成果能够实现钢提桶塑料提梁的自动弯曲成型，并为槽凸轮的数控加工提供依据，为提梁自动装配奠定基础。该机构能够显著提高钢提桶塑料提梁的安装速度。

关键词: 钢提桶; 塑料提梁; 自动弯曲; 槽凸轮

0 引言

钢桶是一种圆柱形金属包装容器。工业上普遍用钢桶来存放和搬运货物。一般情况下，小容量的钢桶会加装提梁以方便使用，典型加装提梁的钢桶有油漆桶、涂料桶、润滑油桶等。目前国内专门从事钢桶生产的企业数量众多，生产规模也很大，有的年生产销售能力达千万只。但在提梁的安装工序方面，还必须依靠工人手工装配，这种手工装配的方式费时费力。随着工业4.0的到来，越来越多的企业加紧物流自动化的步伐，比如亚马逊大规模移动机器人的使用，富士康的“百万机器人计划”等，提梁手工装配的方式已经成为桶类容器生产效率难以提高的因素之一，人工安装提梁与快速增长的桶类容器需求极不相符，制约了行业发展，已经成为钢桶生产效率提高的瓶颈之一。

钢桶的关键部件包括钢桶输送装置、提梁输送装置、提梁弯曲装置和提梁安装装置。目前关于钢桶的研究主要集中在钢桶结构、桶虚拟仿真、钢桶定位和在线检测控制的研究。卢鲜亮介绍了一种自动滚压机，可以实现对200 L钢桶桶身焊缝进行自动滚压处理，提高桶身焊缝结合处的强度，该滚压机可应用到钢桶自动化生产线中，满足钢桶自动化生产线的需求。曹玉宝讨论了刚性自动化生产线工件翻转装置的机械结构，分析并设计了工件翻转装置的液压传动系统，指出利用液压传动系统控制机械装置的运动，并与可编程控制器和计算机控制等结合，可以很好地实现工件的翻转。但关于钢桶塑料提梁自动弯曲装置的研究目前尚无文献出现，专业生产钢桶的企业仍然主要依靠人工安装提梁，尚未实现自动化。设计专门的提梁安装装置以满足钢桶自动化生产的需求，对提高生产效率，减轻员工的劳动量，具有十分重要的意义。

因此，本文的目的是设计一种能够实现塑料提料自动弯曲成型的机构，用于钢提桶的自动化生产。

1 提梁弯曲机构

提梁弯曲机构主要由四对提梁抓手和一对槽凸轮构成，四对提梁抓手均匀分布在槽凸轮四周(图1)。

图1 四工位凸轮回转机构

1－提梁抓手(a、b、c、d 四对) ；2－槽凸轮

提梁由输送带输送到位后落入提梁定位槽中，随后提梁入位气缸敲击提梁两端将提梁两端卡入提梁抓手内，与此同时提梁定位槽在气缸驱动下向后缩，配合提梁两端卡入提梁抓手，之后提梁抓手在槽凸轮中转动，在槽凸轮带动下将提梁由拉直状态弯曲至指定弧度，停留在钢桶顶部等待提梁安装。

2 提梁弯曲装置的设计

如图2所示，提梁弯曲机构主要通过槽凸轮完成提梁两抓手的弯曲和复位，因此槽凸轮的凸轮曲线和抓手各杆件尺寸是设计的关键。

(a) 提梁弯曲机构工作原理图

(b) 提梁弯曲机构杆件示意图

图2 提梁弯曲机构

1－提梁抓手头；2－提梁抓手连杆；3－凸轮滚子

图2(a)中抓手处于张开位置时，提梁抓手连杆与提梁抓手头轴线间夹角为45°，与水平线也呈45°角。提梁从张开位置转到闭合位置共转过90°。根据提梁尺寸与提梁安装要求，提梁抓手头轴线间距为332mm，弯曲后提梁两安装面间距离为199mm。将图2(a)中机构简化为图2(b)中的杆件机构，由于结构空间限制，设定凸轮行程为P =70mm，C =25mm。根据图2(b)中的几何关系可得:

根据图2(a)中的几何关系以及提梁的尺寸可得左右两抓手转轴间距离为:

L = 199 + 2 ×( C + 4.5 + 12) = 282mm         (2)

根据工艺要求，凸轮基线在前180°的相位角内均处于零点位置，达到180°以后，开始向工作方向推进，在270°时达到位移最大点，之后凸轮基线逐渐归零，至360°时回归零点位置。为使凸轮机构运动平稳，凸轮工作区间内基线沿一条余弦曲线运动，直至结束(如图3 所示)。凸轮基线表达式为:

式中θ——凸轮相位角

图3 凸轮基线展开图

3 结束语

本文介绍的钢提桶塑料提梁自动弯曲机构结构简单、安装方便。提梁输送带能实现对提梁的自动平稳输送，气缸驱动装置使提梁的定位更加可靠方便，定位槽的布置能有效实现对提梁的抵接，防止提梁在输送导轨的弯曲处产生翻转，有效实现提梁抓手与槽凸轮机构的对接。通过凸轮曲线和抓手各杆件关键尺寸的精确设计，使得槽凸轮能够有效实现提梁弯曲和复位过程的自动化。该机构自动化程度高，对于提高提梁安装效率，减轻员工的劳动量，具有十分重要的意义。

参考文献：

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［2］ 杨文亮，辛巧娟． 金属包装容器－ 钢桶制造技术［M］．北京: 印刷工业出版社，2007．

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