基于SolidWorks的簧片自動鉚接生產線撥叉機構的優化設計

李 雙，李鐘慎

（華僑大學 機電及自動化學院，廈門 361021）

基于SolidWorks的簧片自動鉚接生產線撥叉機構的優化設計

李 雙，李鐘慎

（華僑大學 機電及自動化學院，廈門 361021）

為了實現簧片自動鉚接生產線中工件的自動撥叉，設計一種新型的撥叉機構，該撥叉機構上均勻分布有五個同步運動的氣動手指，由橫向、縱向兩個氣缸驅動完成移動。通過對撥叉機構的系統組成和基本原理的介紹，利用SolidWorks對該撥叉機構進行三維設計，并對關鍵結構橫向載重板進行應力分析和優化設計，應力分析結果表明橫向載重板在指定載荷下的應變和位移符合設計要求，優化后橫向載重板質量減少了52.73%，降低了制造成本，為簧片自動鉚接生產線的開發提供了前期基礎。

撥叉機構；優化設計；SolidWorks

0　引言

目前，國內的簧片鉚接生產大多采用人工作業，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，現有的人工鉚接的生產工藝中存在如生產效率低、工作勞動強度大、產品質量不穩定、生產成本高等問題，手工鉚接已不能滿足現有的自動化總裝生產線對零部件產量、質量的需求，因此對簧片自動鉚接生產線的研制就非常有必要［1］。

撥叉機構是簧片自動鉚接生產線的關鍵部件之一，合理地設計撥叉機構不僅直接影響著整個生產線的精度和產品的合格率，而且能減少生產線的占地空間以及縮短產品的生產周期，為整務生產線的研發提供前期準備。現有的研究中，文獻［2］利用剛性氣動機械手實現軟袋包裝物料的抓取，文獻［3］是機械手在汽車挺柱銅銷自動裝配線中實現自動上料的方案，文獻［4］為夾片多工位動力傳動機構，將轉化機構、搖桿機構、棘輪機構整合一體，節省了能源。雖然都把機械手應用到自動化生產線中實現了工件的自動傳送，但多為單個機械手的研發。為了使簧片自動鉚接生產線更高效節能，本文利用SolidWorks三維軟件建立送料撥叉機構三維模型，該機構上均勻分布五個相同的機械手，能夠實現多工位同時運作。并對關鍵部件橫向載重板進行受力分析，實現機構的優化設計，為設計制造提供理論依據。

1　總體描述

在簧片的自動鉚接生產線中，無論是零部件的上料機構還是成品的取出系統都會經常用到工件的送料撥叉機構，由于簧片自動鉚接生產線為直線型分布，為了縮短加工時間，實現各個工序同步無干涉進行，設計撥叉機構上分布五個氣動手指同步作業。運動過程中，首先撥叉機構要在初始位置抓取工件，然后運動機構運行到上料的位置，釋放工件后，再隨運動機構回歸至初始位置，完成一個周期，如圖1所示。

圖1　運動結構圖

整個機構的運動可劃分為三個部分：1）工件的抓取釋放部分；2）X軸方向的運動部分；3）Y軸方向的運動部分。即撥叉機構主要包括送料裝置、驅動裝置、撥叉裝置；驅動裝置驅動送料裝置上下左右移動，從而使工件在送料裝置的上下和左右的移動過程中完成X軸和Y軸的運動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　撥叉機構工作原理

生產線中的光纖傳感器和氣缸磁環等檢測裝置檢測到定位、鉚接機構上的工件到位后，將傳感器信號傳送至控制系統，控制系統接收信號經分析判斷后將運動指令發送至執行機構，結構圖如圖2所示。

圖2　工作原理結構圖

工作前，撥叉機構處于復位狀態，當檢測裝置光纖傳感和氣缸磁環檢測到工件到位后控制系統發出信號后，執行氣缸帶動撥叉機構向下滑動，運動至指定位置抓取工件，向上運動達到最高位置，然后往復運動至原來的位置，工件分被放置在相應的定位、鉚接機構上，通過執行氣缸的作用，撥叉機構按照原路徑返回復位，完成一次鉚接工序。

3　撥叉機構優化設計

3.1撥叉機構三維建模

SolidWorks軟件是一款功能強大、易學易用的三維設計軟件，在設計中它可以提供不同的方案，減少設計過程中的錯誤，提高產品質量。它包括零件建模、鈑金設計、模具設計，裝配設計、工程圖、運動仿真和有限元分析等，功能全面，擁有多個版本，兼容和集成了所有Windows系統的卓越性能［5］。利用SolidWorks2014建立撥叉機構三維模型，如圖3所示。

圖3　撥叉機構三維模型

撥叉機構主要由氣動手指、手指氣缸、橫向載重板、底板、支撐座、縱向氣缸、浮動接頭、橫向氣缸座、橫向氣缸組等部分組成。建模的過程中，為了實現整個機構的無干涉運動，五個氣動手指分布在橫向載重板上，底板設置在橫向載重板下方，滑軌裝置傳動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，底板通過滑軌裝置在支撐架一側上下移動。驅動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，為撥叉機構的上下左右移動提供動力，橫向氣缸座設置在橫向載重板的側面，縱向氣缸座設置在底板的底面。其中，為了實現整個機構完整銜接，橫向氣缸座與橫向載重板側面連接處設置有魚眼接頭，縱向氣缸座與底板底面連接處設置有浮動接頭，橫向氣缸座與魚眼接頭之間設置有連接螺桿。撥叉裝置設置有氣動手指，氣動手指包括左右對稱設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載重板靜力學分析

經典力學可知，物體的動力學通用方程式為［7］：

式中，［M］是質量矩陣；［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。而現行結構分析中，與時間t

相關的量都將被忽略，于是上式簡化為：

設計中，橫向氣缸和縱向氣缸通過帶動橫向載重板的左右上下移動從而實現氣動手指夾持著工件的運動，因此橫向載重板是撥叉機構的關鍵部件，有必要對其進行靜力學分析。結構靜力分析用來解決穩態外載荷引起的系統或局部的位移、應變、應力。基本流程是建立模型、添加約束載荷、劃分網格、求解、結果分析、結構優化［8］。

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

圖4　橫向載重板網格劃分

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

對橫向載重板進行受力分析，推力F1=188.4N，五個相同大小的氣動手指的重力F2=0.6N，摩擦力可忽略不計。利用Simulation插件對橫向載重板進行應力和變形分析，圖5和圖6分別是橫向載重板的von Mises應力分布圖和安全系數圖。在節點10102處應力最小為1.81636×10-3N/m2，安全系數最大1.5181×1010；在節點23524處，應力最大為1.49508×106n/m2，安全系數最小，為18.4434，即橫向載重板上最小安全系數n≥1，符合安全生產標準，圖5為放大橫向載重板的應變分布，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698，變形量為0mm，變形最大的在節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，其實非常小。

圖5　橫向載重板應力分布圖

3.3結構優化

根據上述的橫向載重板的靜力學分析，我們得到了在指定載荷下的應力、應變及位移。結構優化的目標是在滿足橫向載重板強度以及性能要求的前提下，使該結構的總質量盡量的小，這樣不僅能夠節省制造成本，而且還能減輕橫向載重板對撥叉機構中支撐板的壓力。SolidWorks Simulation的優化過程與傳統的優化過程類似［9］，優化設計流程如圖8所示。

圖6　橫向載重板安全系數

圖7　橫向載重板合位移圖

圖8　優化設計流程

【】【】

1）目標函數。橫向載重板的優化設計的目標是在滿足基本強度和位移的前提下，質量最輕。因此，橫向載重板質量最輕為目標函數，即：

Shifting fork mechanism design of reed automatic riveting production line based on SolidWorks

LI Shuang， LI Zhong-shen

TH122

A

1009-0134（2016）10-0114-04

2016-06-29

福建省廈門市集美區科技計劃項目（20137C01）；中央高校基本科研業務費（JB-ZR1107）

李雙（1989 -），女，河南周口人，碩士研究生，研究方向為機械工程。