基于SolidWorks的拾取杆有限元分析及优化设计

2018-10-20朱晓晨周律

新型工业化 2018年8期

朱晓晨，周律

（上海理工大学机械工程学院，上海 200093）

0 引言

在现代制造业中，为了提高工作效率，各厂商普遍会关注生产加工过程中的自动化程度[1-5]。拾取装置便是各类自动化设备中都会用到的装置，其通过机械传动或者是电气控制，按照一定的规律自行完成人们所要求的一系列动作，既可以改善劳动条件、减轻工人劳动强度，降低生产成本，又能确保生产安全，提高生产效率，缩短产品生产周期。拾取装置在工作过程中，存在着多种受力情况，如果设计不当，拾取杆受力过大产生变形，便会对之后的拾取工作产生影响，其安全性也得不到保障。

研究拾取杆CAD/CAE仿真分析以及优化设计，可以缩短设计周期，在保证拾取杆可靠性的同时，减少材料的消耗和成本[6]。通过对各种方案进行模拟，在产品制造之前发现潜在的一些问题。虽然有许多专家或学者在杆件方面做过相关研究，但很少有针对拾取杆件的优化设计。

Solidworks是现如今应用较为广泛的三维软件之一，它集成了三维建模和分析等多种功能，可以完成零件和装配体的三维模型建立，并使画好的三维模型生成有限元网格进行进一步地分析计算，如果得出的分析结果达不到预期效果，或是某些零件不能满足设计的要求，则可以在设计过程中的任何一个阶段对所设置的参数进行修改，此时软件便会自动实现与之相关的更新[7]，若改动较大，也可以重新进行设计和计算，直到满意为止，这样就可以极大地提高设计效率[8]。

1 拾取装置的工作原理

拾取装置的结构示意图如图1所示。该装置可用于管状零件加工前的上料工作，也可以用于加工后的下料拾取，为之后的打包工作做准备。

图1 结构示意图Fig.1 Schematic diagram of structure

此拾取装置主要由安装板、拾取杆、气缸、导向杆和无油轴承组成。并列放置多个便能拾取不同长度的管材。首先将所需拾取的管材导入至拾取装置上方的待拾取区域，通过升高拾取装置使得拾取杆拾取管材，随后将拾取装置移动到所需放置处上方，气缸拉动拾取杆使其拾取的管材落入管材放置处，最后拾取装置返回至初始位置，便完成一次拾取工作。其中导向杆可以防止因拾取杆转动而使其拾取的管材从一侧滚落，从而影响工作效率。无油轴承可以起到一定的润滑作用，同时也可减少因拾取杆的往复作用而导致的磨损，且无油轴承由于其横截面形状基本都为圆形，故此处设计的拾取杆也为圆杆。拾取杆的拾取侧尺寸不能大于无油轴承的内径，否则不能抽出拾取杆而使拾取的管材从拾取杆上落下，便需要在圆杆上开凹槽。

2 建立模型及运动仿真

2.1 拾取杆的模型建立

根据合理性、可靠性[9]等方面的考虑，对图1中的拾取杆进行改进，得出初步拾取杆模型如图2所示，部分参数如图3所示。两种拾取杆凹槽长度相同的情况下，后者的凹槽斜面更陡，拾取入凹槽内的管材棒料更加不容易从拾取杆上滚出。

图2 拾取杆模型Fig.2 Pickup bar model

此拾取杆拾取的目标管材为细管材。细管材的直径一般为13～25 mm，此处选取直径最大的25 mm管材，如果拾取杆能满足拾取最大尺寸管材的要求，则拾取尺寸更小的管材时也必然满足要求。拾取杆一次拾取4根管材，因此在拾取杆上切除长度为90 mm的凹槽以便放置拾取的管材，并留20 mm余量设置斜面，使其即能在装置移动时防止拾取的管材从拾取杆上落下，又能在气缸拉动拾取杆时，管材能顺利落下。

从图3中可以看出，在余量保持不变的情况下，凹槽的深度H决定了斜面与凹槽面夹角α的大小，在不影响管材能从斜面顺利滚出以及拾取杆强度足够的情况下，深度H越大，夹角α就越大，装置在移动过程中，拾取杆上的管材就越难从拾取杆上滚出，即装置在移动过程中的速度便可加快，从而提高其拾取的效率。虽然减小余量也能使夹角α增大，但在实际拾取的整个运行过程中，难免会有震动等各种不确定因素在其中，因此保证其具有一定的余量是有必要的。

根据查找实际管材棒料相关参数，确定模拟时每根管材对一根拾取杆的工作载荷压力为100 N。在拾取之后的横移过程中，要求横移的加速度达到5 m/s2。对拾取杆凹槽深度初步设置为10 mm，凹槽倒角设置为5 mm。

当装置在横移加速过程中时，对处于斜面上的管材进行受力分析如图4所示，拾取杆以加速度a横移，处于斜面上的管材受到惯性力F作用，其中摩擦力为阻碍管材从拾取杆上滚出，且数值较小，可忽略不计。当Fcosα≤Gsinα，即a≤gtanα时管材不会从斜面滚出，根据初始设计参数得出tanα=0.5，所以横移加速度a≤4.9 m/s2时管材不会滚出，而前面提出要求横移的加速度达到5 m/s2，即初始的设计参数不能满足横移的加速度要求，需要优化改进。

图4 受力分析Fig.4 Force analysis

2.2 运动仿真[10]

如图5所示为拾取杆受气缸侧拉时的运动仿真。

图5 运动仿真Fig.5 Motion simulation

通过仿真之后管材能顺利从拾取杆上滚出，同时，可以看到图5所在时刻拾取杆的半圆处与无油轴承相接触，而初始拾取杆拾取管材时是拾取杆的整圆处与无油轴承相接触，受力情况不同，因此，可以假设以上两种情况拾取杆的危险点不同。

3 拾取杆有限元仿真分析

首先对图5位置拾取杆进行有限元仿真分析。打开SolidWorks中的Simulation插件, 建立新的算例,对材料、夹具、外部载荷进行设定，并对拾取杆进行有限元网格划分[11]。

表1 拾取杆材料力学性能Table 1 Mechanical Properties of pickup rod material

其材料选用普通碳钢，具体参数如表1所示。划分网格时，在容易产生较大应力处设置较大的网格密度，而其余部位就只需设置相对较小的网格密度，并开启自动过渡功能，这样便能在保证仿真分析精度的同时,减少其分析时间[12]。网格化后的拾取杆有限元模型如图6所示。

图6 拾取杆有限元网格模型Fig.6 Finite element mesh model of pickup bar

通过运行算例得到应力图如图7所示，从图中可以看出，拾取杆半圆底部与无油轴承靠近拾取侧接触部位为危险点，最大应力为102.5 MPa，小于其屈服强度，故还有优化空间。

图7 拾取杆应力图Fig.7 Pickup bar stress diagram

以相同方法对初始位置的拾取杆进行有限元仿真分析。得到的有限元网格模型如图8所示。两次仿真的网格参数和材料都相同。

图8 拾取杆有限元网格Fig.8 Finite element mesh of pickup bar

通过运行算例得到应力图如图9所示，从图中可以看出，拾取杆凹槽倒角处为危险点，最大应力为103.0 MPa，因此也验证了之前提出的假设，且拾取杆在初始位置受到的应力更大。

图9 拾取杆应力图Fig.9 Pickup bar stress diagram

4 拾取杆结构优化设计

观察上述两应力图可知，图7位置处的最大应力主要与凹槽的深度H有关，凹槽倒角R的大小对其最大应力影响较小；而图9位置处的最大应力主要与凹槽倒角R有关，凹槽的深度H对其最大应力影响较小。根据拾取装置的稳定性以及效率方面考虑，先对图7位置的凹槽深度H进行优化。

SolidWorks软件自身带有仿真优化功能，其主要采用多维约束最优化的方法进行优化分析，在对模型进行仿真分析后，在“分析算例”上右键选择“生成新设计算例”进入优化设计界面[13]。拾取杆优化的目标函数为拾取杆的质量最小化；设计变量为拾取杆凹槽深度H，它对拾取杆的应力水平有较大影响，选定其取值范围为5～15 mm；约束条件为安全系数，由于可靠度越高，安全系数就越大[14]，因此此次优化安全系数取为1.4。经过如图10所示的迭代优化之后，得到拾取杆凹槽深度的最优解，优化前后相关数据对比如表2所示。

图10 优化设计界面Fig.10 Optimal design interface

表2 优化前后相关数据对比Table 2 Comparison of relevant data before and after optimization

由表2可知，在满足强度条件的情况下，拾取杆的凹槽深度H最多为11.6634 mm，为便于之后相关设计以及实际生产制造，对优化结果进行取整，即拾取杆的凹槽深度H取11mm。与优化前相比，拾取杆的凹槽深度H增大，因此夹角α也随之增大。

确定凹槽深度H之后，接下来对图9位置的倒角R进行设计，步骤和上述相同。拾取杆的目标函数为拾取杆的质量最小化；设计变量为拾取杆凹槽倒角R，它对拾取杆的应力水平也有较大影响，选定其取值范围为1～5 mm；约束条件为安全系数，同样取为1.4。经过迭代优化之后，得到拾取杆凹槽倒角的最优解如图11所示。

图11 优化设计界面Fig.11 Optimal design interface

如图可知，当拾取杆的凹槽倒角R为2.256 mm时，拾取杆质量最小，即在拾取杆的凹槽深度H取11 mm时，为满足强度要求必须设置凹槽倒角，且倒角须达到2. 256 mm以上。为便于之后实际生产制造，对其数值进行取整，即拾取杆的凹槽倒角R取3 mm。利用前面选取的设计参数，重新生成拾取杆的模型，并对其进行有限元分析，得出拾取杆的应力图和位移图如图12、13所示。

图12 拾取杆应力图Fig.12 Pickup bar stress diagram

图13 拾取杆位移图Fig.13 Displacement diagram of pickup bar

从图中可以看出，拾取杆的最大应力为156.2 MPa，依然满足其强度要求；最大位移位于凹槽斜面一端，大小为0.425 mm，并不是很大，不会对拾取杆的拾取工作产生较大的影响，也可以通过增大凹槽倒角来提高拾取杆的强度、减小其挠度[15]。根据优化后的设计参数可以得出tanα=0.55，即横移加速度a≤5.39 m/s2时管材不会滚出，前面要求横移的加速度达到5 m/s2在其范围内，即能满足横移的加速度要求。