缸蓋低壓檢測(cè)站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究

陶 鑫，鮑君華，何衛(wèi)東

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及各國(guó)智能制造戰(zhàn)略的推進(jìn)，制造業(yè)現(xiàn)在不僅要求生產(chǎn)質(zhì)量還要求生產(chǎn)效率[1]。缸蓋生產(chǎn)后需要對(duì)其中的冷卻水路進(jìn)行泄漏檢測(cè)，也就是低壓檢測(cè)(下文都稱(chēng)作低壓檢測(cè))[2-4]。若不進(jìn)行低壓檢測(cè)，可能導(dǎo)致缸蓋“帶病裝車(chē)”，將造成嚴(yán)重的后果[5-7]。傳統(tǒng)的低壓檢測(cè)需要4名操作工，其中2名負(fù)責(zé)裝夾缸蓋、試漏觀察、打標(biāo)記及抄數(shù)，2名操作工負(fù)責(zé)吹干零件表面的殘留水分。這種傳統(tǒng)的低壓檢測(cè)方式效率低下，并且需要將缸蓋完全沒(méi)入水中造成額外的工序，對(duì)檢測(cè)人員的責(zé)任心和經(jīng)驗(yàn)要求高[8,9]。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一套自動(dòng)化程度高的低壓檢測(cè)站。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的缸蓋低壓檢測(cè)站需要將AGV運(yùn)送過(guò)來(lái)的缸蓋送到指定位置，并將缸蓋裝夾到檢測(cè)工位，檢測(cè)完畢后再將其送到指定位置。因?yàn)楦咨w檢測(cè)完畢后還要運(yùn)輸?shù)较乱徊焦の贿M(jìn)行下一步生產(chǎn)操作，因此需要一段直線段運(yùn)輸和180°轉(zhuǎn)彎段運(yùn)輸設(shè)備。由于缸蓋要從指定位置裝夾到檢測(cè)工位，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)缸蓋夾取裝置。當(dāng)然，缸蓋進(jìn)行低壓檢測(cè)還需要一個(gè)低壓檢測(cè)裝置。最后，還需要個(gè)計(jì)算機(jī)控制臺(tái)控制上述所有裝置合理運(yùn)作，檢測(cè)時(shí)只需要1位檢測(cè)人員操作控制臺(tái)即可。

自動(dòng)化低壓檢測(cè)站的總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 建立三維模型

運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)低壓檢測(cè)站進(jìn)行三維實(shí)體建模。低壓檢測(cè)站包括計(jì)算機(jī)控制臺(tái)、夾取裝置、傳送輸入裝置、傳送輸出裝置和低壓檢測(cè)裝置，其三維模型如圖2所示。

3 靜力學(xué)分析及優(yōu)化

3.1 輥筒支撐板靜力學(xué)分析

輥筒支撐板是整個(gè)傳輸裝置的主體結(jié)構(gòu)，支撐所有輥筒以及缸蓋的重量，支撐板的性能關(guān)系著整個(gè)傳輸裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，所以對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，驗(yàn)證其是否滿足工作要求。

圖1 自動(dòng)化低壓檢測(cè)站總體方案設(shè)計(jì)

圖2 建立的低壓檢測(cè)站三維模型

將輥筒支撐板模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件，劃分網(wǎng)格后，選擇需要承受載荷的面，并在選好的面上添加缸蓋和輥筒的重量2 500 N作為載荷，方向?yàn)橹亓Ψ较颉Ｗ詈筮M(jìn)行求解，求解后得到輥筒支撐板的應(yīng)力和變形云圖，如圖3所示。

根據(jù)仿真結(jié)果顯示，列出輥筒支撐板產(chǎn)生的具體數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖3 輥筒支撐板應(yīng)力和變形云圖

表1 輥筒支撐板的分析數(shù)據(jù)

根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果可知，輥筒支撐板最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輥筒支撐板選用材料Q235結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力235 MPa，最大變形量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的0.1 mm。

3.2 導(dǎo)軌支撐梁靜力學(xué)分析

導(dǎo)軌支撐梁是夾取裝置位移部分的主要支撐結(jié)構(gòu)，支撐整個(gè)導(dǎo)軌以及缸蓋和其他部件的重量，是夾取裝置能否正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，所以應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，驗(yàn)證其是否滿足工作要求。

將導(dǎo)軌支撐梁模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，劃分網(wǎng)格后，將支撐梁的上表面作為施加力的面，并在此面上添加缸蓋、夾取裝置以及上支撐板的重量-3 500 N(負(fù)號(hào)代表力的方向)，最后進(jìn)行求解。求解后得到導(dǎo)軌支撐梁的應(yīng)力和變形云圖，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)軌支撐梁應(yīng)力和變形云圖

根據(jù)仿真結(jié)果顯示，列出導(dǎo)軌支撐梁產(chǎn)生的具體數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 導(dǎo)軌支撐梁的分析數(shù)據(jù)

根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果可知，導(dǎo)軌支撐梁的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于支撐梁材料Q235結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力235 MPa，最大變形量也在0.1 mm內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 上支撐板拓?fù)鋬?yōu)化

上支撐板是用來(lái)支撐上方提拉氣缸以及夾取缸蓋時(shí)的所有重量，是整個(gè)夾取裝置正常工作的保證。將上支撐板模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，劃分網(wǎng)格后，選擇支撐板上表面為載荷的承載面，并在面上添加-3 000 N(夾取裝置和缸蓋的重量)的力，同時(shí)定義力的大小和方向。最后進(jìn)行求解，求解后得到上支撐板的應(yīng)力和變形云圖，如圖5所示。

圖5 上支撐板應(yīng)力和變形云圖

根據(jù)仿真結(jié)果顯示，列出上支撐板產(chǎn)生的具體數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 上支撐板的分析數(shù)據(jù)

由有限元分析結(jié)果可知，上支撐板所需的剛度和強(qiáng)度滿足要求，且距離上支撐板選用材料Q235結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力235 MPa和設(shè)計(jì)要求的最大安全變形量0.1 mm還有一定空間，所以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，以減輕重量。將拓?fù)鋬?yōu)化模塊連接到之前的靜力學(xué)分析模塊上，設(shè)置優(yōu)化區(qū)域和保留質(zhì)量后，進(jìn)行優(yōu)化求解。求解后的結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)計(jì)算機(jī)求解后的結(jié)果改進(jìn)原有上支撐板，結(jié)果如圖7所示。

圖6 拓?fù)鋬?yōu)化后 圖7 優(yōu)化后的上支撐板上支撐板示意圖

為檢驗(yàn)優(yōu)化后的上支撐板是否滿足剛度和強(qiáng)度要求，需要對(duì)優(yōu)化后的上支撐板進(jìn)行有限元分析。按照之前分析的步驟重新進(jìn)行求解，求解后的結(jié)果如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的上支撐板應(yīng)力和變形云圖

根據(jù)仿真結(jié)果顯示，列出優(yōu)化后上支撐板產(chǎn)生的具體數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 優(yōu)化后上支撐板分析數(shù)據(jù)

有限元分析的結(jié)果表明：優(yōu)化后上支撐板重量從原來(lái)的35 kg減少到22.75 kg，重量減少了35%的同時(shí)其最大應(yīng)力依舊小于選用材料Q235結(jié)構(gòu)鋼的許用應(yīng)力235 MPa，最大變形量也小于設(shè)計(jì)時(shí)要求的0.1 mm。因此優(yōu)化后的上支撐板仍然滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化有效。

4 結(jié)論

本文運(yùn)用三維建模技術(shù)設(shè)計(jì)了出一款集運(yùn)輸、裝夾、檢測(cè)于一體的缸蓋低壓檢測(cè)站，并利用有限元分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)出的三維模型進(jìn)行了剛度、強(qiáng)度校核，并在滿足剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上對(duì)傳輸機(jī)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，在減輕了自身重量的同時(shí)節(jié)省了制造成本。