基于SolidWorks的拾取桿有限元分析及優化設計

朱曉晨，周律

（上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

0 引言

在現代制造業中，為了提高工作效率，各廠商普遍會關注生產加工過程中的自動化程度[1-5]。拾取裝置便是各類自動化設備中都會用到的裝置，其通過機械傳動或者是電氣控制，按照一定的規律自行完成人們所要求的一系列動作，既可以改善勞動條件、減輕工人勞動強度，降低生產成本，又能確保生產安全，提高生產效率，縮短產品生產周期。拾取裝置在工作過程中，存在著多種受力情況，如果設計不當，拾取桿受力過大產生變形，便會對之后的拾取工作產生影響，其安全性也得不到保障。

研究拾取桿CAD/CAE仿真分析以及優化設計，可以縮短設計周期，在保證拾取桿可靠性的同時，減少材料的消耗和成本[6]。通過對各種方案進行模擬，在產品制造之前發現潛在的一些問題。雖然有許多專家或學者在桿件方面做過相關研究，但很少有針對拾取桿件的優化設計。

Solidworks是現如今應用較為廣泛的三維軟件之一，它集成了三維建模和分析等多種功能，可以完成零件和裝配體的三維模型建立，并使畫好的三維模型生成有限元網格進行進一步地分析計算，如果得出的分析結果達不到預期效果，或是某些零件不能滿足設計的要求，則可以在設計過程中的任何一個階段對所設置的參數進行修改，此時軟件便會自動實現與之相關的更新[7]，若改動較大，也可以重新進行設計和計算，直到滿意為止，這樣就可以極大地提高設計效率[8]。

1 拾取裝置的工作原理

拾取裝置的結構示意圖如圖1所示。該裝置可用于管狀零件加工前的上料工作，也可以用于加工后的下料拾取，為之后的打包工作做準備。

圖1 結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure

此拾取裝置主要由安裝板、拾取桿、氣缸、導向桿和無油軸承組成。并列放置多個便能拾取不同長度的管材。首先將所需拾取的管材導入至拾取裝置上方的待拾取區域，通過升高拾取裝置使得拾取桿拾取管材，隨后將拾取裝置移動到所需放置處上方，氣缸拉動拾取桿使其拾取的管材落入管材放置處，最后拾取裝置返回至初始位置，便完成一次拾取工作。其中導向桿可以防止因拾取桿轉動而使其拾取的管材從一側滾落，從而影響工作效率。無油軸承可以起到一定的潤滑作用，同時也可減少因拾取桿的往復作用而導致的磨損，且無油軸承由于其橫截面形狀基本都為圓形，故此處設計的拾取桿也為圓桿。拾取桿的拾取側尺寸不能大于無油軸承的內徑，否則不能抽出拾取桿而使拾取的管材從拾取桿上落下，便需要在圓桿上開凹槽。

2 建立模型及運動仿真

2.1 拾取桿的模型建立

根據合理性、可靠性[9]等方面的考慮，對圖1中的拾取桿進行改進，得出初步拾取桿模型如圖2所示，部分參數如圖3所示。兩種拾取桿凹槽長度相同的情況下，后者的凹槽斜面更陡，拾取入凹槽內的管材棒料更加不容易從拾取桿上滾出。

圖2 拾取桿模型Fig.2 Pickup bar model

此拾取桿拾取的目標管材為細管材。細管材的直徑一般為13～25 mm，此處選取直徑最大的25 mm管材，如果拾取桿能滿足拾取最大尺寸管材的要求，則拾取尺寸更小的管材時也必然滿足要求。拾取桿一次拾取4根管材，因此在拾取桿上切除長度為90 mm的凹槽以便放置拾取的管材，并留20 mm余量設置斜面，使其即能在裝置移動時防止拾取的管材從拾取桿上落下，又能在氣缸拉動拾取桿時，管材能順利落下。

從圖3中可以看出，在余量保持不變的情況下，凹槽的深度H決定了斜面與凹槽面夾角α的大小，在不影響管材能從斜面順利滾出以及拾取桿強度足夠的情況下，深度H越大，夾角α就越大，裝置在移動過程中，拾取桿上的管材就越難從拾取桿上滾出，即裝置在移動過程中的速度便可加快，從而提高其拾取的效率。雖然減小余量也能使夾角α增大，但在實際拾取的整個運行過程中，難免會有震動等各種不確定因素在其中，因此保證其具有一定的余量是有必要的。

根據查找實際管材棒料相關參數，確定模擬時每根管材對一根拾取桿的工作載荷壓力為100 N。在拾取之后的橫移過程中，要求橫移的加速度達到5 m/s2。對拾取桿凹槽深度初步設置為10 mm，凹槽倒角設置為5 mm。

當裝置在橫移加速過程中時，對處于斜面上的管材進行受力分析如圖4所示，拾取桿以加速度a橫移，處于斜面上的管材受到慣性力F作用，其中摩擦力為阻礙管材從拾取桿上滾出，且數值較小，可忽略不計。當Fcosα≤Gsinα，即a≤gtanα時管材不會從斜面滾出，根據初始設計參數得出tanα=0.5，所以橫移加速度a≤4.9 m/s2時管材不會滾出，而前面提出要求橫移的加速度達到5 m/s2，即初始的設計參數不能滿足橫移的加速度要求，需要優化改進。

圖4 受力分析Fig.4 Force analysis

2.2 運動仿真[10]

如圖5所示為拾取桿受氣缸側拉時的運動仿真。

圖5 運動仿真Fig.5 Motion simulation

通過仿真之后管材能順利從拾取桿上滾出，同時，可以看到圖5所在時刻拾取桿的半圓處與無油軸承相接觸，而初始拾取桿拾取管材時是拾取桿的整圓處與無油軸承相接觸，受力情況不同，因此，可以假設以上兩種情況拾取桿的危險點不同。

3 拾取桿有限元仿真分析

首先對圖5位置拾取桿進行有限元仿真分析。打開SolidWorks中的Simulation插件, 建立新的算例,對材料、夾具、外部載荷進行設定，并對拾取桿進行有限元網格劃分[11]。

表1 拾取桿材料力學性能Table 1 Mechanical Properties of pickup rod material

其材料選用普通碳鋼，具體參數如表1所示。劃分網格時，在容易產生較大應力處設置較大的網格密度，而其余部位就只需設置相對較小的網格密度，并開啟自動過渡功能，這樣便能在保證仿真分析精度的同時,減少其分析時間[12]。網格化后的拾取桿有限元模型如圖6所示。

圖6 拾取桿有限元網格模型Fig.6 Finite element mesh model of pickup bar

通過運行算例得到應力圖如圖7所示，從圖中可以看出，拾取桿半圓底部與無油軸承靠近拾取側接觸部位為危險點，最大應力為102.5 MPa，小于其屈服強度，故還有優化空間。

圖7 拾取桿應力圖Fig.7 Pickup bar stress diagram

以相同方法對初始位置的拾取桿進行有限元仿真分析。得到的有限元網格模型如圖8所示。兩次仿真的網格參數和材料都相同。

圖8 拾取桿有限元網格Fig.8 Finite element mesh of pickup bar

通過運行算例得到應力圖如圖9所示，從圖中可以看出，拾取桿凹槽倒角處為危險點，最大應力為103.0 MPa，因此也驗證了之前提出的假設，且拾取桿在初始位置受到的應力更大。

圖9 拾取桿應力圖Fig.9 Pickup bar stress diagram

4 拾取桿結構優化設計

觀察上述兩應力圖可知，圖7位置處的最大應力主要與凹槽的深度H有關，凹槽倒角R的大小對其最大應力影響較小；而圖9位置處的最大應力主要與凹槽倒角R有關，凹槽的深度H對其最大應力影響較小。根據拾取裝置的穩定性以及效率方面考慮，先對圖7位置的凹槽深度H進行優化。

SolidWorks軟件自身帶有仿真優化功能，其主要采用多維約束最優化的方法進行 優化分析，在對模型進行仿真分析后，在“分析算例”上右鍵選擇“生成新設計算例”進入優化設計界面[13]。拾取桿優化的目標函數為拾取桿的質量最小化；設計變量為拾取桿凹槽深度H，它對拾取桿的應力水平有較大影響，選定其取值范圍為5～15 mm；約束條件為安全系數，由于可靠度越高，安全系數就越大[14]，因此此次優化安全系數取為1.4。經過如圖10所示的迭代優化之后，得到拾取桿凹槽深度的最優解，優化前后相關數據對比如表2所示。

圖10 優化設計界面Fig.10 Optimal design interface

表2 優化前后相關數據對比Table 2 Comparison of relevant data before and after optimization

由表2可知，在滿足強度條件的情況下，拾取桿的凹槽深度H最多為11.6634 mm，為便于之后相關設計以及實際生產制造，對優化結果進行取整，即拾取桿的凹槽深度H取11mm。與優化前相比，拾取桿的凹槽深度H增大，因此夾角α也隨之增大。

確定凹槽深度H之后，接下來對圖9位置的倒角R進行設計，步驟和上述相同。拾取桿的目標函數為拾取桿的質量最小化；設計變量為拾取桿凹槽倒角R，它對拾取桿的應力水平也有較大影響，選定其取值范圍為1～5 mm；約束條件為安全系數，同樣取為1.4。經過迭代優化之后，得到拾取桿凹槽倒角的最優解如圖11所示。

圖11 優化設計界面Fig.11 Optimal design interface

如圖可知，當拾取桿的凹槽倒角R為2.256 mm時，拾取桿質量最小，即在拾取桿的凹槽深度H取11 mm時，為滿足強度要求必須設置凹槽倒角，且倒角須達到2. 256 mm以上。為便于之后實際生產制造，對其數值進行取整，即拾取桿的凹槽倒角R取3 mm。利用前面選取的設計參數，重新生成拾取桿的模型，并對其進行有限元分析，得出拾取桿的應力圖和位移圖如圖12、13所示。

圖12 拾取桿應力圖Fig.12 Pickup bar stress diagram

圖13 拾取桿位移圖Fig.13 Displacement diagram of pickup bar

從圖中可以看出，拾取桿的最大應力為156.2 MPa，依然滿足其強度要求；最大位移位于凹槽斜面一端，大小為0.425 mm，并不是很大，不會對拾取桿的拾取工作產生較大的影響，也可以通過增大凹槽倒角來提高拾取桿的強度、減小其撓度[15]。根據優化后的設計參數可以得出tanα=0.55，即橫移加速度a≤5.39 m/s2時管材不會滾出，前面要求橫移的加速度達到5 m/s2在其范圍內，即能滿足橫移的加速度要求。

5 結論

（1）本文先介紹了拾取桿在拾取裝置中的工作情況，初步設定拾取桿的相關參數，且對于初始參數需要優化改進，并通過運動仿真來觀察拾取桿在工作過程中的受力情況。

（2）采用SolidWorks中的Simulation功能對拾取桿模型進行了有限元仿真分析，通過對拾取桿工作過程中的兩種情況的仿真結果進行對比，驗證了拾取桿在兩種情況下的危險點不同。得到的仿真結果顯示拾取桿最大應力遠小于材料的屈服應力，說明此拾取桿還有優化空間。

（3）在有限元仿真分析的基礎上，對拾取桿進行優化設計，優化后的性能更趨于合理，在保證拾取桿強度的同時，提升了拾取過程的穩定性。

（4）在使用SolidWorks軟件進行產品設計時，應該充分利用其仿真分析功能，這樣可以縮小產品的設計周期，把一些設計缺陷在生產前暴露出來，在各種相關設計中具有良好的應用前景。