李 雙，李鐘慎

（華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，廈門 361021）

基于SolidWorks的簧片自動(dòng)鉚接生產(chǎn)線撥叉機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 雙，李鐘慎

（華僑大學(xué) 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院，廈門 361021）

為了實(shí)現(xiàn)簧片自動(dòng)鉚接生產(chǎn)線中工件的自動(dòng)撥叉，設(shè)計(jì)一種新型的撥叉機(jī)構(gòu)，該撥叉機(jī)構(gòu)上均勻分布有五個(gè)同步運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)手指，由橫向、縱向兩個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)完成移動(dòng)。通過對撥叉機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)組成和基本原理的介紹，利用SolidWorks對該撥叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，并對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)橫向載重板進(jìn)行應(yīng)力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)力分析結(jié)果表明橫向載重板在指定載荷下的應(yīng)變和位移符合設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化后橫向載重板質(zhì)量減少了52.73%，降低了制造成本，為簧片自動(dòng)鉚接生產(chǎn)線的開發(fā)提供了前期基礎(chǔ)。

撥叉機(jī)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；SolidWorks

0　引言

目前，國內(nèi)的簧片鉚接生產(chǎn)大多采用人工作業(yè)，這樣的操作，成品率很大程度上依賴于工人的熟練程度，而且，現(xiàn)有的人工鉚接的生產(chǎn)工藝中存在如生產(chǎn)效率低、工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)成本高等問題，手工鉚接已不能滿足現(xiàn)有的自動(dòng)化總裝生產(chǎn)線對零部件產(chǎn)量、質(zhì)量的需求，因此對簧片自動(dòng)鉚接生產(chǎn)線的研制就非常有必要［1］。

撥叉機(jī)構(gòu)是簧片自動(dòng)鉚接生產(chǎn)線的關(guān)鍵部件之一，合理地設(shè)計(jì)撥叉機(jī)構(gòu)不僅直接影響著整個(gè)生產(chǎn)線的精度和產(chǎn)品的合格率，而且能減少生產(chǎn)線的占地空間以及縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，為整務(wù)生產(chǎn)線的研發(fā)提供前期準(zhǔn)備?，F(xiàn)有的研究中，文獻(xiàn)［2］利用剛性氣動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)軟袋包裝物料的抓取，文獻(xiàn)［3］是機(jī)械手在汽車挺柱銅銷自動(dòng)裝配線中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料的方案，文獻(xiàn)［4］為夾片多工位動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)、搖桿機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)整合一體，節(jié)省了能源。雖然都把機(jī)械手應(yīng)用到自動(dòng)化生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)了工件的自動(dòng)傳送，但多為單個(gè)機(jī)械手的研發(fā)。為了使簧片自動(dòng)鉚接生產(chǎn)線更高效節(jié)能，本文利用SolidWorks三維軟件建立送料撥叉機(jī)構(gòu)三維模型，該機(jī)構(gòu)上均勻分布五個(gè)相同的機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)多工位同時(shí)運(yùn)作。并對關(guān)鍵部件橫向載重板進(jìn)行受力分析，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)制造提供理論依據(jù)。

1　總體描述

在簧片的自動(dòng)鉚接生產(chǎn)線中，無論是零部件的上料機(jī)構(gòu)還是成品的取出系統(tǒng)都會(huì)經(jīng)常用到工件的送料撥叉機(jī)構(gòu)，由于簧片自動(dòng)鉚接生產(chǎn)線為直線型分布，為了縮短加工時(shí)間，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工序同步無干涉進(jìn)行，設(shè)計(jì)撥叉機(jī)構(gòu)上分布五個(gè)氣動(dòng)手指同步作業(yè)。運(yùn)動(dòng)過程中，首先撥叉機(jī)構(gòu)要在初始位置抓取工件，然后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行到上料的位置，釋放工件后，再隨運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)回歸至初始位置，完成一個(gè)周期，如圖1所示。

圖1　運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可劃分為三個(gè)部分：1）工件的抓取釋放部分；2）X軸方向的運(yùn)動(dòng)部分；3）Y軸方向的運(yùn)動(dòng)部分。即撥叉機(jī)構(gòu)主要包括送料裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、撥叉裝置；驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)送料裝置上下左右移動(dòng)，從而使工件在送料裝置的上下和左右的移動(dòng)過程中完成X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)被推送到撥叉裝置工作位，工件在撥叉裝置處完成鉚接工序。

2　撥叉機(jī)構(gòu)工作原理

生產(chǎn)線中的光纖傳感器和氣缸磁環(huán)等檢測裝置檢測到定位、鉚接機(jī)構(gòu)上的工件到位后，將傳感器信號(hào)傳送至控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接收信號(hào)經(jīng)分析判斷后將運(yùn)動(dòng)指令發(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　工作原理結(jié)構(gòu)圖

工作前，撥叉機(jī)構(gòu)處于復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)檢測裝置光纖傳感和氣缸磁環(huán)檢測到工件到位后控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)后，執(zhí)行氣缸帶動(dòng)撥叉機(jī)構(gòu)向下滑動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至指定位置抓取工件，向上運(yùn)動(dòng)達(dá)到最高位置，然后往復(fù)運(yùn)動(dòng)至原來的位置，工件分被放置在相應(yīng)的定位、鉚接機(jī)構(gòu)上，通過執(zhí)行氣缸的作用，撥叉機(jī)構(gòu)按照原路徑返回復(fù)位，完成一次鉚接工序。

3　撥叉機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1撥叉機(jī)構(gòu)三維建模

SolidWorks軟件是一款功能強(qiáng)大、易學(xué)易用的三維設(shè)計(jì)軟件，在設(shè)計(jì)中它可以提供不同的方案，減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤，提高產(chǎn)品質(zhì)量。它包括零件建模、鈑金設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)，裝配設(shè)計(jì)、工程圖、運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析等，功能全面，擁有多個(gè)版本，兼容和集成了所有Windows系統(tǒng)的卓越性能［5］。利用SolidWorks2014建立撥叉機(jī)構(gòu)三維模型，如圖3所示。

圖3　撥叉機(jī)構(gòu)三維模型

撥叉機(jī)構(gòu)主要由氣動(dòng)手指、手指氣缸、橫向載重板、底板、支撐座、縱向氣缸、浮動(dòng)接頭、橫向氣缸座、橫向氣缸組等部分組成。建模的過程中，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的無干涉運(yùn)動(dòng)，五個(gè)氣動(dòng)手指分布在橫向載重板上，底板設(shè)置在橫向載重板下方，滑軌裝置傳動(dòng)連接在橫向載重板與底板之間，橫向載重板通過滑軌裝置在底板上方左右移動(dòng)，底板通過滑軌裝置在支撐架一側(cè)上下移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)裝置包括橫向氣缸和縱向氣缸，橫向氣缸和縱向氣缸分別固定在橫向氣缸座和縱向氣缸座上，為撥叉機(jī)構(gòu)的上下左右移動(dòng)提供動(dòng)力，橫向氣缸座設(shè)置在橫向載重板的側(cè)面，縱向氣缸座設(shè)置在底板的底面。其中，為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)完整銜接，橫向氣缸座與橫向載重板側(cè)面連接處設(shè)置有魚眼接頭，縱向氣缸座與底板底面連接處設(shè)置有浮動(dòng)接頭，橫向氣缸座與魚眼接頭之間設(shè)置有連接螺桿。撥叉裝置設(shè)置有氣動(dòng)手指，氣動(dòng)手指包括左右對稱設(shè)置的傳送右夾爪和傳送左夾爪以及固定傳送右夾爪和傳送左夾爪的氣爪固定板［6］。

3.2載重板靜力學(xué)分析

經(jīng)典力學(xué)可知，物體的動(dòng)力學(xué)通用方程式為［7］：

式中，［M］是質(zhì)量矩陣；［C］是阻尼矩陣；［K］是剛度矩陣；｛x｝是位移矢量；｛F（t）｝是力矢量；｛x'｝是速度矢量；｛x''｝是加速度矢量。而現(xiàn)行結(jié)構(gòu)分析中，與時(shí)間t

相關(guān)的量都將被忽略，于是上式簡化為：

設(shè)計(jì)中，橫向氣缸和縱向氣缸通過帶動(dòng)橫向載重板的左右上下移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)手指夾持著工件的運(yùn)動(dòng)，因此橫向載重板是撥叉機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，有必要對其進(jìn)行靜力學(xué)分析。結(jié)構(gòu)靜力分析用來解決穩(wěn)態(tài)外載荷引起的系統(tǒng)或局部的位移、應(yīng)變、應(yīng)力。基本流程是建立模型、添加約束載荷、劃分網(wǎng)格、求解、結(jié)果分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化［8］。

首先，啟動(dòng)SolidWorks的Simulation插件，建立新的算例，并對橫向載重板進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了獲得良好的仿真分析精度，選擇高品質(zhì)的網(wǎng)格，并采取實(shí)體網(wǎng)格劃分作為單元類型；并且打開網(wǎng)格化的自動(dòng)過渡功能，以便在劃分網(wǎng)格的過程中，螺紋孔周圍容易產(chǎn)生較大應(yīng)力的部分形成較大的網(wǎng)格密度，而其余部位產(chǎn)生相對較小網(wǎng)格密度。這樣不僅可以有效提高仿真分析的精度，而且可以控制計(jì)算規(guī)模，節(jié)約仿真分析的時(shí)間。劃分網(wǎng)格后的橫向載重板模型如圖4所示。節(jié)點(diǎn)總數(shù)26196，單元總數(shù)15288，最大高寬比例9.5563，總求解時(shí)間為5s。

圖4　橫向載重板網(wǎng)格劃分

將材料設(shè)置為硬鋁合金，其彈性模量為0.7×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=2.7g/cm3，左右氣缸型號(hào)為CDM2B20-100-A93L，即氣缸直徑為20mm，設(shè)備的氣壓源為0.5～0.8Mpa，其中0.6Mpa最佳。每個(gè)氣動(dòng)手指的質(zhì)量為60g，故氣缸的推力：

對橫向載重板進(jìn)行受力分析，推力F1=188.4N，五個(gè)相同大小的氣動(dòng)手指的重力F2=0.6N，摩擦力可忽略不計(jì)。利用Simulation插件對橫向載重板進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，圖5和圖6分別是橫向載重板的von Mises應(yīng)力分布圖和安全系數(shù)圖。在節(jié)點(diǎn)10102處應(yīng)力最小為1.81636×10-3N/m2，安全系數(shù)最大1.5181×1010；在節(jié)點(diǎn)23524處，應(yīng)力最大為1.49508×106n/m2，安全系數(shù)最小，為18.4434，即橫向載重板上最小安全系數(shù)n≥1，符合安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，圖5為放大橫向載重板的應(yīng)變分布，以便于觀察。圖7為橫向載重板的合位移圖，變形最小的在節(jié)698，變形量為0mm，變形最大的在節(jié)1860處，變形量為0.00275564mm，圖中以放大位移表示橫向載重板受力后的變化，也是為了便于仿真者的觀察，其實(shí)非常小。

圖5　橫向載重板應(yīng)力分布圖

3.3結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述的橫向載重板的靜力學(xué)分析，我們得到了在指定載荷下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)是在滿足橫向載重板強(qiáng)度以及性能要求的前提下，使該結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量盡量的小，這樣不僅能夠節(jié)省制造成本，而且還能減輕橫向載重板對撥叉機(jī)構(gòu)中支撐板的壓力。SolidWorks Simulation的優(yōu)化過程與傳統(tǒng)的優(yōu)化過程類似［9］，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖6　橫向載重板安全系數(shù)

圖7　橫向載重板合位移圖

圖8　優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

【】【】

1）目標(biāo)函數(shù)。橫向載重板的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足基本強(qiáng)度和位移的前提下，質(zhì)量最輕。因此，橫向載重板質(zhì)量最輕為目標(biāo)函數(shù)，即：

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