有限元法在某托桿式往復輸送系統中的應用

趙 旭

（中國第一汽車集團公司解放事業本部卡車廠，吉林長春 130011）

0 引言

研究一汽解放卡車廠焊裝車間新基地J6 白車身自動往復自動線，換代駕駛室焊裝生產線由日本富士裝備技術公司總承包，主要針對J6 產品進行了規劃和設計，能滿足6 個系列10 多個品種駕駛室的混流焊接生產，達到國內卡車制造先進水平，使解放卡車的生產躍上了一個新的臺階。新建J6 重卡焊裝線共有9 條生產線，分別為駕駛室調整線、駕駛室主焊線、車身下部線、左側圍線、右側圍線、后圍線、高頂頂蓋線、左車門線和右車門線。其中駕駛室主焊線、車身下部線、左、右側圍線、高頂頂蓋線為自動往復桿結構。

項目投產于2005 年，自2009 年開始進入高產期，本文主要利用有限元分析方法對主焊線托桿式往復輸送系統主驅動站曲柄機構結構進行優化設計，為維修工作提供理論依據。

1 主焊線托桿式往復輸送系統故障

1.1 主焊線簡介

J6 焊裝主焊線是將車身下部總成、左/右側圍總成、后圍總成及頂蓋總成裝配成駕駛室，大量應用焊接點焊機器人、涂膠機器人、搬運機器人、激光在線檢測裝置等先進設備，自動化程度達到90%。主焊線設計生產節拍128 s，滿足6 大系列、十幾個品種車型的柔性混流生產，共設有12 個工位。

J6 重卡白車身主焊線采用可升降往復桿輸送，如圖1 所示，這種輸送方式靠兩條并列的可升降往復桿做往復運動，實現制件的輸送。這種方式常用于固定夾具組成的焊裝線，當往復桿升起時將制件托起離開夾具，然后向前運動，將制件輸送到下一工位，往復桿下降，將制件落在夾具里定位，同時，往復桿后移復位。升降式往復輸送線的設計、制造、安裝、調試及生產必須完全滿足工藝要求，要求設計充分體現裝配結構的合理性，往復桿要有足夠的強度和剛度。往復桿行走軌跡為上升、傳送、下降、返回，往復桿輸送線單個循環時間不得大于15 s，傳送速度變頻調速，每個動作都要實現慢一快一慢；升降式往復輸送線往復桿托架的設計要滿足車型變化要求；上升、下降要求停位精確，總成輸送要考慮其重心位置，輸送要求平穩、安全、可靠，沒有抖動、發顫現象。往復桿連接處要求裝配結構合理，連接穩固，維修方便；往復桿輸送機構要有機械限位裝置，升降式往復輸送線帶有氣缸平衡裝置及緩沖器，并帶有機械保護；在超載情況下起到保護作用；螺紋聯接件要有防松措施。

圖1 可升降往復桿輸送方式

1.2 故障發生及處理過程

M06 工位驅動站負責整個主焊線往復輸送桿的舉升，在J6 車型高產期間，該部位舉升曲柄機構出現開焊，當時維修過程如下。

主焊線1 工位報錯，查升降到位鎖緊銷不能正常伸出與縮回，初步判斷可能為鎖緊銷氣缸底座固定螺栓或往復桿曲臂有松動，使鎖緊銷伸出和縮回過程與曲臂鎖孔發卡，經檢查未發現松動，排除該原因。

由于整條往復自動線有3 工位有該鎖緊銷，其中有一處正常鎖緊即可滿足正常生產，因此在控制程序中將該鎖緊銷短接，使其反饋信號常閉，使往復桿重新開動，這樣既可保證生產又可查看其他兩處鎖緊銷是否可以正常工作。

觀察十輛份生產正常后，其他工位鎖緊銷又無法正常伸出與縮回，但往復桿上升及下降到位信號正常，考慮原因為低壓氣供給不正常，查空壓站低壓輸出正常，由于其他線正常工作，排除空壓站故障可能，判斷故障為主焊線壓縮空氣供給不穩定，查看主焊線儲氣罐壓力檢測開關，該開關已無法正常調節儲氣罐輸入與輸出壓力，造成低壓供給不正常，鎖緊銷氣缸無法正常工作。

更換壓力檢測開關，同時調整鎖緊氣缸底座位置，使鎖緊動作更加平滑順暢。儲氣罐重新打壓，主焊往復自動線工作恢復正常。

主焊線上升動作后，系統報錯，一工位鎖緊銷又無法正常伸出，查氣路系統工作正常，往復桿上升到位信號正常，由于往復桿上升到位信號由減速器主軸所帶動轉盤定位塊檢測，因此判斷往復桿可能產生“假到位”，即電氣信號反饋正常而機械部件發生問題，致使往復桿未上升到準確位置，查看鎖緊銷與往復桿定位處，往復桿目前到位與設定位置相差2 mm。初步懷疑為開關松動，使信號提前反饋，檢查開關位置未發生松動跡象，在六工位檢查升降到位開關的同時，維修人員發現升降驅動曲柄機構連接件開焊。

由修理組配合將開焊處重新焊接。維修人員撤出，堆焊處自然冷卻，曲柄機構恢復原狀態，往復自動線正常工作，維修結束。此次發生的2 次故障根本原因可以歸結為升降驅動曲柄機構連接件開焊（圖2）。

圖2 升降驅動曲柄機構連接件開焊

2 利用有限元法對曲柄機構進行優化設計過程

分析駕駛室白車身總成焊接托桿式往復輸送線系統曲柄機構斷裂故障過程，利用有限元方法對斷裂件進行力學分析，并對該部件進行優化設計，同時對設計結果進行模擬驗證。

2.1 建立升降驅動曲柄機構連接件三維模型

J6 重型卡車駕駛室白車身總成焊接托桿式往復輸送線設備圖紙均為二維圖紙，依據二維圖紙利用CATIA 軟件繪制該部件三維模型（圖3）。

圖3 部件三維模型

圖4 傳遞方向

2.2 對升降驅動曲柄機構連接件受力情況進行有限元分析

主焊線升降主驅動站工作過程：電機正傳-上升到位-電機抱死，然后電機反轉-下降到位-電機抱死。驅動站主減速器輸出軸軸連接曲臂4，該曲臂為整體鑄造件，因此往復桿上升動作初始時：驅動力由減速器主軸通過鍵連接傳遞給曲臂4，曲臂4 經曲臂3 將扭矩轉化為水平方向牽引力作用在曲臂2 上，傳遞方向如圖4 所示，根據上述情況，分析SH-18-01 曲柄機構部件受力情況，如圖5 所示。

利用CATIA 軟件有限元分析功能對該部件受力情況，針對部件受力情況進行分析：J6 車型最重的駕駛室白車身重量為398 kg。在主焊線上駕駛室未安裝車門，但目前不知道車門重量，估計每個為25 kg，每個駕駛室2 個車門，在主焊線每個白車身重量估計為348 kg，駕駛室頂蓋重量為90 kg，頂蓋在主焊線7 車位落下。因此在一個循環的初始階段，主焊線上應該有6 個車無頂蓋，6 個車有頂蓋，因此在往復桿升起的初始階段，整個往復桿上的重量應為3636 kg，主驅動站扭矩為24 200 N·m。

2.2.1 對零件賦予材料屬性

在左邊的模型樹中點擊選中零件名稱【GX026100-SH-18-01】。點擊【應用材料】工具欄內的【應用材料】按鈕。先彈出一個【打開】警告消息框點擊警告消息框內的【確定】按鈕，關閉消息框。彈出【庫（只讀）】對話框。點擊【Metal】（金屬）選項卡，在列表中選擇【Steel】（鋼）材料。點擊對話框內的【確定】按鈕，將鋼材料賦予零件，如圖6 所示。

圖5 SH-18-01 曲柄機構部件受力情況

圖6 軟件界面

2.2.2 網格劃分（nodes and elements）

進入【Advanced Meshing Tools】（高級網格劃分工具）工作臺。點擊菜單中的【開始】→【分析與模擬】→【Advanced Meshing Tools】（高級網格劃分工具）選項，點擊后進入了【高級網格劃分工具】工作臺。進入工作臺后，生成一個新的分析文件，并且彈出一個【新分析算題】對話框。點擊后，在對話框內選擇【Static Analysis】（靜態分析算題），然后點擊【確定】按鈕。

CATIA 軟件的網格劃分是自動進行的，只要轉到有限元模塊，程序就已自動確定劃分方案，只有復雜的模型才需要手動對局部網格進行劃分。當然，用戶可雙擊模型樹中圖7 所示圖像來調整單元劃分參數，則彈出四面體網格密度定義對話框（圖8），輸入圖中所示數值，完成網格參數修正。

圖7 模型樹

圖8 四面體網格密度定義對話框

2.2.3 定義約束（Restraints）

圖9 CLAMP（夾緊）定義對話框

2.2.4 定義載荷（Loads）

2.2.5 求解計算（Compute）

完成上述工作后，可著手進行計算，點擊compute 圖標，系統彈出如圖計算對話框，確定之后，系統彈出計算所需資源估算對話框，點擊YES，繼續計算，經過有限元分析后，該部件受力情況如圖11 所示。經過有限元分析的應力集中區域與實際故障中裂縫處重合，如圖12 所示。

2.3 優化設計措施

對主驅動臂設計進行改進，并更換該部件，具體改進如下。

（1）由往復桿結構限制，以原驅動臂結構為基礎，主軸及軸套部分由焊接連接方式更改為增加單鍵連接，以分散該處應力集中。

圖10 distributed force 定義對話框

圖11 部件受力情況

圖12 區域重合

（2）焊縫全部采用坡口焊接方式，增加焊接強度。

（3）以目前加裝拉筋為參照，增加拉筋。

（4）增加曲臂間筋板厚度，由11 mm 增加到20 mm，提高強度。

優化設計后部件與原部件對比如圖13 所示。更改相關參數后再次進行有限元分析，優化前后對比如圖14 所示。優化后部件，圖14 a 圓圈部分消失，表示優化后受力更均勻，應力集中被有效分散。

圖13 部件

圖14 更改相關參數后的部件

3 效果驗證

經過現場使用情況反饋，改進后的結構已使用近50 萬次未發生斷裂故障。證明該方法應用于駕駛室主焊線托桿式往復輸送系統曲柄機構維修工作的有效性。

4 結束語

通過對駕駛室白車身總成焊接托桿式往復輸送線系統斷裂曲柄進行分析，發現在斷裂處存在大應力趨勢。說明此處存在應力集中，易發生疲勞斷裂。說明有限元方法能夠準確的判斷出易發生故障的方位。

將原結構此處加強，避免此處出現應力集中的現象。由計算結果可知，改進后的斷裂處應力危險點消失，應力分布較為均勻。

往復桿自動輸送方式作為汽車白車身焊接自動線的一種主要方式，自身存在著很多優點，也存在一些不足，主驅動站作為整個系統中最重要的位置，曲柄機構損壞后，進行更換非常費時費力，因此在該部件維修更換前，利用有限元方法進行的優化設計可以有效為結構優化提供方向及理論依據。同時這種方法也可以推廣到其他類似故障排除及解決過程中，目前在機器人螺柱焊槍故障維修過程中使用此方法，也取得了良好效果。