一种基于ANSYS的设备门窗自动化开关改造设计

蒋小丽

摘 要：随着“中国制造2025”的提出，智能制造已经成为当今社会工业生产的趋势所在，智能装备、基于工业机器人的自动化生产工厂等正在引领制造方式的变革。为了实现电子产品检测的整条生产线的全自动化方案，该文针对某测试设备的门窗进行了改造，以达到自动控制设备门窗开关的目的。在对开关门组件进行结构设计后，对其中主要的受力构件—连杆基于ANSYS进行了有限元分析，分析结果显示，该文设计的开关门组件力学性能能够满足所选设备门的自动化开关需求。

关键词：自动化；测试设备；有限元分析；结构设计

中图分类号：TH122 文献标志码：A

1 结构设计

该文选取一款工业用的电子产品某性能测试的设备作为改造的载体。设备开门方向由右到左，开关门构件工作状态如图1、图2所示。构件采用曲柄滑块结构原理，选用工业用无杆滑台气缸作为滑块，门铰链作为机架，门的一部分作为曲柄，门与气缸连接的部件作为连杆，通过给气缸供气使气缸滑台左右往复运动，从而带动设备门开关。外部控制方式采用PLC控制。当被检测电子产品需要进入设备测试时，外部PLC控制气动电磁阀的线圈1使电控制气缸向左运动，同时连杆带动设备门绕门铰链转动，直到气缸运动到最左端并保持该状态。待测试电子产品放入设备，确认安全后，PLC控制气动电磁阀的线圈2使电控制气缸往右运动，连杆带动设备门绕门铰链转动，直到整个设备门完全关闭，气缸保持该状态直到测试结束。

2 结构简化以及受力分析

曲柄滑块机构是一种通过曲柄和滑块来实现转动和移动相互转换的平面连杆机构，曲柄滑块机构在工程实践中应用广泛，对其研究和设计一直是机构学中的一个重要课题。该文利用曲柄滑块原理将气缸滑台的往复运动转化为设备门的不整周回转运动。

该文将设计的开关门构件经过简化后，得到如图3所示的正偏心曲柄滑块机构，连杆作为最可能由于受力遭到破坏的构件，其受力如图3所示。基于该研究设备的实际关门情况可知，当压力角最小的时候关门力矩最大，即压力角α为0时关门力矩需要最大。

3 主要部件的有限元分析

有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，由于实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因此成为行之有效的工程分析手段。

该文对设计的开关门机构的主要受力部件—连杆进行了有限元分析，连杆平面几何特征如图4所示，杆总长460 mm，厚度12 mm，左右2个圆孔作为旋转的安装固定孔，圆孔直径30 mm。经过计算，作用在连杆上的压力为12.4 MPa。

分析结果如图5、图6所示，连杆的等效应力为29.213 MPa，如图5所示；最大主应力为29.659 MPa，如图6所示，连杆与旋转销轴接触且靠近两端面的位置所受应力最大。以上得出的数据与该材料的力学性能参数对比后发现，连杆所受的应力远远小于其力学性能的极限值。说明该文设计的连杆在力学上满足使用要求。

4 結语

该文通过将机械设计中常用的曲柄滑块机构进行移植，成功实现了设备门窗的自动开关改造设计。要设计出一款适合设备门窗自动化开关的开门构件，必须合理地选取曲柄的长度，滑台气缸的缸径和行程，同时对连杆的长度和厚度也要做一定的计算。该文在满足结构需求后，对开关门构件的主要受力零部件—连杆做了有限元分析，分析结果显示该连杆机构满足力学性能要求。

参考文献

[1]宋健，王茁，杨杰.工业4.0综述[J].山东工业技术，2015（2）：288.

[2]孙恒，陈作模.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]华大年，华志宏.连杆机构设计及应用创新[M].北京：机械工业出版社，2008.

[4]何德誉.曲柄压力机[M].北京：机械工业出版社，1987.

[5]王富耻，张朝辉.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[6]陈艳霞.ANSYS WorkBench 14.5有限元分析[M].北京：电子工业出版社，2014.