一種調整保壓治具的研發設計

朱德山,孫　亞,吳天水

(蘇州富強科技，江蘇　蘇州　215010)

0　引言

隨著工業和信息技術的飛速發展，德國已經進入了工業4.0，而我國也在2015年發布了關于“中國制造2025”的相關文件，提出大力發展智能制造。自動化行業極大地推進了“中國制造2025”的進程。治具是自動化設備中的核心部分，其設計的合理性決定了工藝的質量。治具包含工裝治具、檢測治具兩種，前者是為了方便加工、滿足精度要求而設計的，一般用于機加工、焊接、裝配等工藝；后者用于檢測，由于某些機構形狀復雜，尺寸難以測量，只能設計專門的治具。本文基于國家項目某生產流水線的需求，設計了一種調整保壓治具，介紹了其機構和工作流程，最后用ANSYS軟件對調整塊進行了有限元分析，校核其剛度和強度，以確保整個治具的合理可靠。

1　保壓調整治具的結構

本文針對于某流水線生產需求，設計了一款操作簡便快捷、調整效果良好的保壓治具。利用數字化建模軟件SolidWorks建立其3D模型，如圖1所示。其主要包含門鎖聯動機構和保壓機構。

1.1　門鎖聯動機構

門鎖聯動機構包含門開合機構和連桿聯動機構。

門開合機構主要包含門、本體、門鉸和卡扣，如圖2所示。當產品放入腔體，通過一個仿型的卡扣將門鎖上，門和型腔內貼有1 mm的硅膠，其目的是為了緩沖和保護產品不受刮傷。卡扣的背面裝有一個彈簧，輕輕一按即可解鎖。

連桿聯動機構包含推塊1、桿1、連桿、桿2和推塊2，如圖3所示。當門關合時，門鉸截面是一個扇形，轉動時通過滾輪與推塊1形成線面接觸，推塊1向左壓住產品。推塊1向左移動的同時也帶動桿1向左平移；向左移動的桿1通過連桿傳動將桿2向上拉動，從而帶動推塊2向上壓住產品。通過推塊1向左的力、推塊2向上的力和門關合的壓力限制了產品X、Y、Z三個方向的移動自由度，即可將產品鎖在腔體內。整個平移部分要求配合公差為0.01 mm～0.02 mm，對桿和槽的加工精度要求較高，這樣才能保證桿在槽里順暢地移動，不發生卡死或松動的現象。

圖1保壓治具3D模型圖2門開合機構

圖3　連桿聯動機構

整個門鎖聯動機構只需合上門，即可實現鎖門、鎖死產品的功能，簡化了操作動作，提高了生產效率。

1.2　保壓機構

保壓機構包含彈簧套筒、壓頭、調整塊、推桿、滾輪等，如圖4所示，具有預壓和保壓功能。

整個預壓和保壓過程見圖5，通過一個帶有兩段弧線的推桿來實現：①當推桿處于最右邊位置時，壓頭在彈簧的彈力作用下和調整塊分離，此時彈簧的壓力等于壓頭的重力；②當推桿往左運行到第二段弧線位置時，滾輪向下運動，帶動壓頭向下移動，彈簧套筒壓住調整塊，由于套筒內裝有彈簧，調整塊沒有完全壓死，此時治具處于預壓階段，調整塊可以在夾頭的夾持力下進行X向、Y向平移和繞Z軸的旋轉，將調整塊調到標準位置(該流程需要夾頭和CCD來實現)；③待位置調整好后，推桿繼續往左運動，壓頭也繼續往下運動，彈簧受力壓縮，直到壓頭和調整塊完全接觸，調整塊完全壓死，自由度為0，此時處于保壓階段。整個動作流程完整連貫、可靠便捷。

圖4　保壓機構

圖5　整個預壓和保壓過程

2　調整壓頭的有限元分析

調整保壓治具主要靠調整塊來調整產品，調整塊壓頭較細且受到產品對其10 N的壓力，所以需要對調整壓頭進行靜力學分析，以校核其剛度和強度是否滿足要求。

調整塊壓頭的材料為Q235，其力學性能見表1。對調整塊壓頭建立實體模型，并進行網格劃分得到有限元模型，網格大小1 mm，共劃分得到195 195個節點、132 204個單元，平均網格質量為0.9，這說明網格質量優良。最后在兩端施加固定約束和負載F，如圖6所示。

表1　Q235鋼力學性能

對模型進行有限元分析后，得到總變形和應力云圖，如圖7和圖8所示。由圖7可知，最大變形量發生在調整塊插頭的肩部，最大變形量為0.002 mm,檢測機要求測量精度為0.02 mm,故插頭的形變量能夠滿足剛度要求。由圖8可知，最大等效應力為55.87 MPa,小于材料的屈服強度，故可滿足強度要求。

圖6添加約束和載荷圖7調整塊變形云圖

圖8　調整塊等效應力云圖

3　結束語

該保壓治具設計合理可靠，通過多次試驗測試，現在已經運用到實際生產過程中，大大地提高了生產效率，降低了企業成本。用ANSYS有限元對調整塊的分析結果顯示，最大變形量發生在調整塊尖頭的肩部，變形量為0.002 mm,最大等效應力為55.87 MPa,滿足強度和剛度要求。

參考文獻：

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