董力銳，王彪，段雅琦，都桂梟，費(fèi)寶祥

(1. 中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 中國兵器工業(yè)集團(tuán)航空彈藥研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036; 3. 陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐秦皇島地區(qū)軍事代表室，河北 秦皇島 066000)

0 引言

測力裝置是自動化檢測設(shè)備中一種應(yīng)用較廣的檢測設(shè)備，在自動化領(lǐng)域有著極其重要的作用。我國的全自動拉力裝置一直在向著智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)拉力測試從定位、夾緊、運(yùn)動、結(jié)束以及數(shù)據(jù)分析的自動化。翼片拉力測量裝置采用了機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)，將電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械測量裝置中，使整體結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，測量精度得以提高，可靠性增強(qiáng)[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中翼片的展開機(jī)構(gòu)、仿真分析及文獻(xiàn)[3]中對折疊翼展開實(shí)驗(yàn)的研究，設(shè)計(jì)出一種調(diào)角度的隨動測力裝置。全自動拉力測試也由剛開始的測試數(shù)據(jù)使用計(jì)算機(jī)控制發(fā)展到用PLC控制拉力測試過程，再到全程由計(jì)算機(jī)控制測試過程并通過PLC控制其測量過程且由計(jì)算機(jī)自動分析測量結(jié)果。夾緊裝置廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。2018年，李豐延等人為實(shí)現(xiàn)輔助快遞包裝功能，設(shè)計(jì)出一種快遞包裝夾持裝置[4]；朱勇巍設(shè)計(jì)出一種新型的、可進(jìn)行無級調(diào)整的彈簧夾結(jié)構(gòu)[5]；師曉寧等人基于SolidWorks對長桿夾持器的運(yùn)動進(jìn)行了分析與驗(yàn)證[6]。2019年，張始齋針對煤礦鉆機(jī)普通夾持器無法在自動鉆機(jī)上應(yīng)用的情況，設(shè)計(jì)出一種新式雙夾持器，并對其進(jìn)行仿真分析[7]。2020年，汪林俊等人設(shè)計(jì)出一種可以應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人末端的連桿機(jī)構(gòu)夾持器，此夾持器滿足了工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器同時(shí)實(shí)現(xiàn)對三種不同工作對象的夾持要求[8]。

本文主要針對折疊翼片的結(jié)構(gòu)特性及檢測要求：需要將夾緊機(jī)構(gòu)伸入到折疊翼片的縫隙中夾緊折疊翼面，并將其拉出，以測得此過程的拉力，設(shè)計(jì)出一種全自動隨動測力裝置。此裝置通過電動推桿控制夾緊折疊翼片，可將翼片繞著其回轉(zhuǎn)中心從殼體中拉出，走出圓弧軌跡，并測得此過程中的拉力。

1 全自動隨動測力的工作原理

全自動可調(diào)角度的隨動測力裝置整體結(jié)構(gòu)包括自動夾緊裝置、拉力傳感器、連接件及隨動裝置。

自動夾緊裝置采用3∶1杠桿式夾緊鉗結(jié)構(gòu)，由電動推桿控制夾緊與松開。夾頭可自適應(yīng)夾緊折疊翼片較復(fù)雜的斜面，使夾頭與翼片盡量實(shí)現(xiàn)面接觸，增加摩擦力，提高夾緊裝置的可靠性以及穩(wěn)定性。

當(dāng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊折疊翼片后，測量路徑需要繞折疊翼片的回轉(zhuǎn)中心走出圓弧軌跡。根據(jù)拉力傳感器的測力原理應(yīng)使所測拉力方向沿拉力傳感器的軸線方向，才能保證拉力傳感器的測量精度。因此夾緊機(jī)構(gòu)及測力機(jī)構(gòu)也要跟隨折疊翼片走出圓弧軌跡，就需要隨動裝置進(jìn)行聯(lián)動。隨動裝置在結(jié)構(gòu)上主要由回轉(zhuǎn)支撐軸承的內(nèi)外圈相對轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)聯(lián)動。夾緊裝置安裝在內(nèi)圈上；外圈安裝在直線模組等運(yùn)動組件上，其運(yùn)動軌跡由PLC控制實(shí)現(xiàn)。此測力機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)行軌跡如圖1所示。

1—隨動裝置軌跡線；2—折疊翼片軌跡線；3—翼片回轉(zhuǎn)中心；4—折疊翼片位置1；5—折疊翼片位置2；6—隨動裝置位置1；7—隨動裝置位置2。圖1 測力裝置整體運(yùn)行軌跡圖

2 夾緊機(jī)構(gòu)與原理分析

自動夾緊裝置的結(jié)構(gòu)主要有夾緊鉗、固定架與電動推桿。夾緊鉗的機(jī)體結(jié)構(gòu)由主動桿、從動桿、夾頭、可調(diào)裝置、子母螺釘以及開口擋圈等部分組成。主、從動桿主要起傳遞動力的作用，夾頭可伸入到折疊翼片的縫隙中夾緊折疊翼面，夾緊平面經(jīng)過轉(zhuǎn)動副結(jié)構(gòu)便可夾緊較復(fù)雜的折疊翼面。子母螺釘是連接各個(gè)傳動桿的機(jī)構(gòu)，保證兩個(gè)傳動桿在節(jié)點(diǎn)處只能轉(zhuǎn)動，即起到轉(zhuǎn)動副的作用。開口擋圈的作用是限制主動桿的行程。電動推桿是此夾緊裝置的動力來源。夾緊鉗的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—夾緊平面轉(zhuǎn)動副；2—杠桿結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)；3—從動桿1；4—開口擋圈；5—固定架；6—主動桿；7—子母螺釘；8—從動桿2；9—可調(diào)夾緊平面。圖2 夾緊鉗結(jié)構(gòu)圖

夾緊鉗材料為45鋼，夾緊鉗的結(jié)構(gòu)原理圖和實(shí)物圖如圖3所示。在結(jié)構(gòu)上采用如圖3(a)所示的連桿機(jī)構(gòu)。圖2中的主動桿是由電動推桿控制，它的伸出與縮回帶動夾緊平面夾緊與松開。傳動部分的從動桿采用杠桿式鉗頭的基本結(jié)構(gòu)，其采用3∶1的增力比。夾緊部分的設(shè)計(jì)考慮到折疊翼面的結(jié)構(gòu)，在鉗頭部分設(shè)計(jì)了一種角度可調(diào)機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)采用轉(zhuǎn)動副結(jié)構(gòu)，使夾頭可繞夾緊端面旋轉(zhuǎn)。因此可自適應(yīng)夾緊平面及一定角度的斜面，以此來增加接觸面積，增大摩擦力，提高夾緊裝置的可靠性以及穩(wěn)定性。

圖3 夾緊鉗

3 主要技術(shù)參數(shù)的分析計(jì)算

3.1 技術(shù)參數(shù)計(jì)算

夾緊鉗的主動推力F由電動推桿提供，經(jīng)從動桿改變方向，又經(jīng)過杠桿機(jī)構(gòu)增力，最后到達(dá)夾頭，產(chǎn)生夾緊力f。主動推力F與平面夾緊力之間的力關(guān)系如圖4所示，

其中θ1=136°；θ2=115°；θ3=100°；OB=3OA。

圖4 夾緊鉗力關(guān)系圖

F1=2F×cos(θ1-90°)

(1)

對AB桿進(jìn)行受力分析，其力矩平衡公式為：

F1×sin(180°-θ2)×OB-F2×OA=0

(2)

F2=3×F1×sin(180°-θ2)

(3)

f=F2×cos(θ3-90°)

(4)

對于夾緊平面物體，f平與f一致，得出：

f平=f≈3.85F

(5)

夾緊鉗的主動推力F與斜面夾緊力之間的關(guān)系在平面夾緊的基礎(chǔ)上得出：

f斜=f×cos(90-θ4/2)

f斜≈3.85F×cos(90-θ4)

(6)

其中θ4為被夾緊物體為斜面時(shí)斜面的角度。

3.2 應(yīng)力分析

對夾緊鉗的靜應(yīng)力分析。本文選用SolidWorks Simulation進(jìn)行仿真分析。SolidWorks Simulation是SolidWorks軟件中有限元分析插件，使SolidWorks同時(shí)具備三維設(shè)計(jì)及仿真分析等功能，有效提高生產(chǎn)效率。

首先建立三維模型，為了減小模型誤差、提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量及節(jié)省計(jì)算時(shí)間，應(yīng)先對模型進(jìn)行簡化：去掉對模型影響較小的特征；其次確定材料屬性，此夾緊鉗材料均為45鋼，45鋼有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性；然后添加夾具，根據(jù)夾緊鉗的設(shè)計(jì)原理及工作環(huán)境，在杠桿連桿的回轉(zhuǎn)中心處添加鉸鏈夾具，在夾頭的夾緊面處添加固定夾具；最后添加載荷，在主動桿尾部添加500N載荷，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 靜應(yīng)力分析圖

從仿真結(jié)果中可以看出：夾緊鉗的夾緊力即夾緊平面在y方向的分力為：FY1=-972N，F(xiàn)Y2=974N。

FY總=FY2-FY1=974+972=1 946N

(7)

FY總≈3.89F

(8)

與理論計(jì)算值十分接近。

4 全自動測力裝置整體結(jié)構(gòu)

隨動測力裝置主要考慮到折疊翼片在測量過程中需要走出圓弧軌跡的同時(shí)，夾緊鉗必須可靠夾緊。此隨動測力裝置一方面可保證在測量過程中夾緊裝置及測力系統(tǒng)可靠聯(lián)動；另一方面可保證拉力傳感器的測力方向沿被測物體軌跡的切線方向，可最大程度保證拉力傳感器的測量精度。

隨動測力裝置中拉力傳感器為壓阻式拉力傳感器，具有較低的成本、較高的精度及較好的線性特性。本文中的拉力傳感器一端連接夾緊裝置，另一端連接隨動裝置。在整個(gè)裝置運(yùn)行過程中，拉力傳感器會顯示實(shí)時(shí)測量值，是測力機(jī)構(gòu)的核心；回轉(zhuǎn)支承軸承的內(nèi)圈連接整個(gè)夾緊裝置，外圈固定在軸承座上，是整個(gè)隨動裝置的核心。隨動裝置的軸承下連接板可以安裝在直線導(dǎo)軌上，由直線導(dǎo)軌提供隨動裝置的動力，若需要走出圓弧、橢圓或其他軌跡的路徑，可以用兩軸插補(bǔ)具體實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 隨動裝置結(jié)構(gòu)

全自動測力裝置可通過自動控制系統(tǒng)，由電動推桿驅(qū)動夾緊鉗，自適應(yīng)夾緊折疊翼面；由隨動測力裝置測得折疊翼片展開過程中的摩擦力，并實(shí)時(shí)顯示拉力值。除了測量折疊翼片的拉力，還可根據(jù)具體需求夾緊不同物體，可以根據(jù)具體工況選擇動力，根據(jù)所需走出不同軌跡的路徑。全自動隨動測力裝置整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 全自動測力裝置整體結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

1) 此測力裝置可以保證拉力傳感器的測力方向沿折疊翼片軌跡的切線方向，最大程度保證拉力傳感器的測量精度。

2) 夾緊鉗采用3∶1增力比的杠桿式連桿機(jī)構(gòu)，可在較大程度上節(jié)省動力；并在夾頭部分設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)角度的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了此結(jié)構(gòu)的應(yīng)用多樣性及提高夾頭的可靠性。

3) 隨動裝置可保證在測量過程中夾緊裝置及測力系統(tǒng)可靠聯(lián)動，并可根據(jù)檢測環(huán)境走出多種所需軌跡。

4) 通過仿真分析，夾緊力與理論值較接近，且最低安全系數(shù)為1.8，說明整個(gè)夾緊鉗的設(shè)計(jì)是合理的。