一種基于SolidWorks的線材夾頭裝置的設(shè)計與仿真分析*

石平義，官春平，余 輝

（1.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528225；2.廣州昊志機(jī)電股份有限公司，廣州 510300）

0 引言

在對耳機(jī)線等線材裁切、脫皮等機(jī)械加工時，首先需要對線材進(jìn)行夾緊和拉線。目前耳機(jī)線在生產(chǎn)加工過程具有如下要求：耳機(jī)線加工過程不能出現(xiàn)拉傷、夾傷、劃傷的痕跡。然而，不適當(dāng)?shù)募庸し绞交蛘卟贿m宜的拉線夾緊力均會對耳機(jī)線產(chǎn)品造成不良影響。目前在耳機(jī)線加工過程中，很多企業(yè)是采用人工方式進(jìn)行拉線、裁切。該方式明顯存在效率低下、勞動強(qiáng)度大以及安全隱患。因此設(shè)計出一種合適的拉線夾頭裝置是實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量加工的前提，具有必要性和緊迫性。

1 夾頭機(jī)構(gòu)傳動原理設(shè)計

1.1 夾緊頭設(shè)計

根據(jù)實(shí)際耳機(jī)線后期加工的質(zhì)量要求和工序特點(diǎn)，該拉線夾頭機(jī)構(gòu)的功能設(shè)計如下：

（1）具有高效的工作效率，能夠一次夾住多根線材進(jìn)行拉線；

（2）夾緊的力度可調(diào)且合適，不同線徑的待加工線材，需要調(diào)整夾緊力度，使夾緊力度合適；

（3）操作方便，開始工作前，夾頭能夠方便夾線操作以及移動。

根據(jù)以上設(shè)計要求，該夾頭主要負(fù)責(zé)夾緊線、松開線以及能夠方便移動操作。初步設(shè)計出夾頭構(gòu)件的兩個方案：（1）氣動手指；（2）連桿夾緊。其示意圖如圖1所示。

圖1 夾頭構(gòu)件方案示意圖

對以上兩種方案進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，氣動手指設(shè)計方便，成本比較低，但是當(dāng)線的粗絲不同時，靠近氣動手指末端的線會出現(xiàn)夾的不牢固的現(xiàn)象，而且夾緊的力度也不能調(diào)整導(dǎo)致適用性降低。而采用連桿傳動的夾頭，可以做到調(diào)整夾頭的夾緊力度與張開大小范圍的效果，且連桿機(jī)構(gòu)具有磨損輕、承載能力強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的運(yùn)動要求、能實(shí)現(xiàn)較大的行程或增力的作用、制造安裝與拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)。因此考慮連桿機(jī)構(gòu)作為最終方案。

1.2 基于SolidWorks的夾頭機(jī)構(gòu)傳動原理設(shè)計與分析

圖2 夾頭機(jī)構(gòu)示意圖

圖3 夾頭機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過分析設(shè)計的要求，提出如圖2 所示的傳動原理方案簡圖。該夾頭機(jī)構(gòu)的主要組成部分包括動力源（氣缸）、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。整個機(jī)構(gòu)在氣源作為主動力驅(qū)動下，通過齒輪齒條、連接塊以及連桿機(jī)構(gòu)的傳動，最終將氣缸的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為夾頭的夾緊與松開動作，實(shí)現(xiàn)夾頭在連桿機(jī)構(gòu)的帶動下對線材進(jìn)行夾取。將整個夾頭裝置安裝到移動導(dǎo)軌上，即可實(shí)現(xiàn)拉線。由前面設(shè)計的原理方案，經(jīng)過細(xì)化設(shè)計過程，最終利用SolidWorks 軟件設(shè)計和繪制出該夾頭機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1.3 夾頭機(jī)構(gòu)的原理分析

為了分析和驗(yàn)證夾頭機(jī)構(gòu)的傳動原理，根據(jù)設(shè)計圖，分離出夾頭機(jī)構(gòu)的傳動原理圖并且進(jìn)行簡化，該夾頭機(jī)構(gòu)傳動原理如圖4 所示。其傳動過程如下：氣缸為夾爪運(yùn)動主動力源；動力通過與氣缸固接的齒條12傳遞到大齒輪，實(shí)現(xiàn)了直線往復(fù)運(yùn)動到擺動的轉(zhuǎn)變，動力再通過與大齒輪12-1的軸連接的傳動連桿13傳動到連接塊14上，連接塊將動力通過傳動桿件16傳遞到兩個夾爪15上，實(shí)現(xiàn)兩個夾爪的運(yùn)動；微調(diào)桿件18-1可改變夾頭的張開范圍。

圖4 夾頭機(jī)構(gòu)傳動原理圖

為了研究該傳動方案的正確、可行性，簡化出如圖5 所示的連桿機(jī)構(gòu)模型，連桿機(jī)構(gòu)為瓦特二型六連桿機(jī)構(gòu)，并且建立坐標(biāo)系。

圖5 連桿機(jī)構(gòu)模型

（1）計算該連桿機(jī)構(gòu)的自由度

其自由度F由自由度計算公式可得

因此，采用1 個氣缸作為動力源，則該連桿機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動。

（2）計算連桿的具體長度

送走齊眉，田卓把高潮留在自己辦公室，又把馮可兒叫了過來，和他們一道商量即將舉辦的“最具發(fā)展?jié)摿Ψ康禺a(chǎn)企業(yè)”頒獎典禮的事情。田卓說，十家入選的房地產(chǎn)企業(yè)，今天我們已經(jīng)找齊了。下一步，就要操辦頒獎典禮了。頒獎典禮的主持人，擬邀出席的領(lǐng)導(dǎo)和知名人士，這個就不要我們操心了，馬老會出面聯(lián)系的。以馬老的身份和地位出面，邀請的領(lǐng)導(dǎo)和主持人絕對是重量級的，可謂是全國人民都知道。我們現(xiàn)在所要商量的是，會議什么時間舉辦，在什么地方舉辦，來賓下榻在什么地方，等等等等，你們發(fā)表一下意見。

平面四桿機(jī)構(gòu)位置綜合是求解連桿平面能準(zhǔn)確地或近似地通過若干給定位置時的機(jī)構(gòu)尺寸，又稱剛體引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的綜合[1]，利用該方法，結(jié)合Matlab的矩陣計算功能即可計算出連桿的長度。通過分析，該方案的連桿機(jī)構(gòu)有一個主動件，即曲柄a0a1，所以連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動是確定的。瓦特二型六連桿機(jī)構(gòu)相當(dāng)于兩個四桿機(jī)構(gòu)a0a1b1c0和b0d1c1c0的串聯(lián)，其機(jī)架公用，c1c0b1為一個桿組。根據(jù)設(shè)計要求，假設(shè)桿op 長40 mm，與od1的夾角為120°。當(dāng)主動件a0a1運(yùn)動時，p點(diǎn)要依次通過點(diǎn)p1(40、0)，p2(-30、-2)，p3(-20、-4)，p點(diǎn)位置p2相對位置p1轉(zhuǎn)過的角度為θ12=10°，p點(diǎn)位置p3相對位置p1轉(zhuǎn)過的角度為θ13=30°。

對于四連桿機(jī)構(gòu)b0d1c1c0，按連架桿c1c0和b0d1等長約束方程可得：

由于點(diǎn)c1和d1在剛體d1op上，則滿足以下方程：

其中位移矩陣根據(jù)桿op點(diǎn)的轉(zhuǎn)動可得：

式中：θ1j為預(yù)定點(diǎn)Pj與第一點(diǎn)P1之間的夾角，且θ1j=θj-θ1；[D1j]為p點(diǎn)由P1位置到Pj位置的位移矩陣。

將（2）代入（1）中，消去cjx、cjy、djx、djy，得到關(guān)于c1x、c1y、c0x、c0y和d1x、d1y、b0x、b0y的兩個方程。若給定點(diǎn)c0的坐標(biāo)（-40、-13），b0的坐標(biāo)（-57、-57），則得到兩個分別關(guān)于c1x、c1y和d1x、d1y的二元二次方程，可知c1和d1點(diǎn)的坐標(biāo)就在給定的圓域內(nèi)。為了提取一組解，假設(shè)當(dāng)op 在初始位置時，c1c0與op 平行，即c1y=-13，可求得c1x=7.5。得到c1c0的坐標(biāo)后，假設(shè)桿c1d1=30 mm，則有：

將上式與前面得到的d1x、d1y的二元二次方程方程聯(lián)立得到：

根據(jù)求得的c1y、c1x，由式（1），令j=2，3得：

聯(lián)立以上方程和已知坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可求出c2、c3的坐標(biāo)，即c2(-10、-18)、c3(-13、-25)。由c0、c1、c2、c3可得到桿c1c0在位置2、3時的轉(zhuǎn)角θ分別為20°、54°。給出桿組c1b1和b1c1長分別為20 mm、28 mm，那么a0的坐標(biāo)(-70、-42)。對于四連桿機(jī)構(gòu)a0a1b1c0用上述同樣的方法可以定出a1的坐標(biāo)。最終得出桿a0a1長22 mm，桿a1b1長50 mm。下面對該夾頭機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部分夾頭進(jìn)行運(yùn)動軌跡仿真和有限元分析，以驗(yàn)證設(shè)計的可行性、可靠性。

2 SolidWorks 仿真分析

2.1 SolidWorksmotion仿真夾頭軌跡

圖6 軌跡仿真結(jié)果圖

2.2 夾頭有限元結(jié)構(gòu)分析

運(yùn)用SolidWorks Simulation，一般的工程技術(shù)人員便可以進(jìn)行產(chǎn)品靜態(tài)和疲勞分析，結(jié)合靜態(tài)分析的結(jié)果作為失效判斷的參考，從而得到相應(yīng)的分析結(jié)果[2]，目前，有限元分析技術(shù)具有計算精度高且適應(yīng)各種形狀復(fù)雜的零件，是工程分析的常用手段[3]。結(jié)合本夾頭裝置實(shí)際使用特點(diǎn)：由于夾頭部分需要重復(fù)性夾持線材，導(dǎo)致夾頭機(jī)構(gòu)循環(huán)重復(fù)受力，為了在保證夾頭具有可靠的結(jié)構(gòu)和疲勞壽命，不至于夾壞線材，利用SolidWorks Simulation 插件對夾頭裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析和疲勞分析，以保證其使用過程中的可靠性、預(yù)測其壽命。

2.2.1 夾頭有限元模型的分析過程與結(jié)果

（1）夾頭材料的選擇

用SolidWorks 打開夾頭部分的三維模型，在Solid-Workssimulation 中建立靜態(tài)算例，然后對夾頭部分實(shí)體添選擇普通碳鋼為其材料屬性，該材料的其彈性模量為2.1×105N/mm2，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為220.59 N/mm2，張力強(qiáng)度為399.83 N/mm2。

（2）設(shè)定邊界條件

通過分析夾頭裝置的鏈接與運(yùn)動原理，可以看出夾頭受力的主要部分在于通過轉(zhuǎn)動副與微調(diào)連桿進(jìn)行鏈接的那段，兩桿件不能發(fā)生相對位移，因此此處在載荷處理上施加固定約束。而夾頭中部與傳動桿件一端通過轉(zhuǎn)動副鏈接，此處一起運(yùn)動受力較小，為了簡化分析，此處不施加約束。

（3）施加載荷

為了研究夾頭在工作時所受的載荷大小，通過夾頭實(shí)物實(shí)際動作實(shí)驗(yàn)測定其夾緊時候的受力。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得其在夾緊線材時候的最大壓力約為200 N。

（4）夾頭結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

在給實(shí)體對象劃分網(wǎng)格時不僅要考慮網(wǎng)格數(shù)量、類型、幾何形狀還需要考慮有限元網(wǎng)格的精度和計算效率等問題，根據(jù)實(shí)際，將本算例的網(wǎng)格設(shè)置為最大小2.4 mm，最小為0.12 mm，雅可比為4 點(diǎn)。其他參數(shù)選擇默認(rèn)值。夾頭的網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 夾頭的網(wǎng)格劃分后圖

（5）仿真分析結(jié)果

應(yīng)力分析圖如圖8 所示，位移圖如圖9 所示，由圖可知，加載應(yīng)力后，夾頭的的最大位移為0.013 mm，最大應(yīng)力為17.96 N/mm2，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度220.59 N/mm2。滿足實(shí)際使用的要求。

圖8 應(yīng)力分析圖

圖9 位移圖

2.2.2 夾頭疲勞壽命分析

疲勞壽命是指疲勞失效以前材料所承受的應(yīng)力或應(yīng)變的循環(huán)次數(shù)[4]，該夾頭機(jī)構(gòu)在實(shí)際使用過程中，處于載荷不斷加載和卸載的變動過程中，經(jīng)足夠次數(shù)的交變應(yīng)力后，零件內(nèi)部會產(chǎn)生積累損傷直至裂紋或斷裂爾導(dǎo)致疲勞失效[5]，為得知其循環(huán)周期，評估其使用壽命情況，有效預(yù)知其發(fā)生疲勞失效的時間，有必要對其進(jìn)行疲勞壽命分析。分析過程如下。

（1） 首 先 在Solid-Works 軟件中創(chuàng)建分析算例，選擇該材料的疲勞S-N曲線（圖10）。

圖10 材料的疲勞S-N曲線

（2） 插值選用雙對數(shù)，應(yīng)力比率LR=-1。添加事件中循環(huán)周期1000，確定疲勞屬性恒定振幅事件，交互作用為隨意交互作用，計算交替應(yīng)力的手段設(shè)定為對等應(yīng)力（von Mises），平均應(yīng)力糾正為無。

（3）運(yùn)行疲勞分析，得到夾頭部分的損壞圖解和生命圖解如圖11所示。其中夾頭部分損壞13.28%，夾頭部分最大壽命1000000周期，基本滿足使用要求。

圖11 疲勞分析結(jié)果

3 結(jié)束語

夾頭裝置是相關(guān)線材生產(chǎn)設(shè)備上的重要組成部分，對提高線材加工生產(chǎn)效率與質(zhì)量具有重要的作用。目前一些線材加工裝置缺乏理論分析以及可靠高效結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計開發(fā)的夾頭機(jī)構(gòu)借助SolidWorks 軟件對該夾頭裝置關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到其應(yīng)力應(yīng)變和最大位移等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過疲勞算例計算出使用損壞百分比和生命周期數(shù)，為夾頭裝置的應(yīng)用提供可靠的理論支撐，該機(jī)構(gòu)的設(shè)計不僅能夠?yàn)橄嚓P(guān)企業(yè)減少開發(fā)，降低成本，更能為企業(yè)在今后設(shè)備研發(fā)中提供一些參考與依據(jù)。