輕型往復(fù)桿機構(gòu)的設(shè)計及有限元分析

樊水晶 劉參參 蒙文范

摘 要：本文介紹了往復(fù)桿機構(gòu)在車身工裝領(lǐng)域的設(shè)計及強度校核分析。通過鋁型材實現(xiàn)設(shè)計結(jié)構(gòu)輕量化處理，通過有限元進行強度校核分析，保證結(jié)構(gòu)使用過程中的穩(wěn)定性，對車身工裝傳輸及輕量化設(shè)計有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：往復(fù)桿;型材;有限元分析

1 背景

車身焊接車間為提高自身生產(chǎn)效率，根據(jù)車身結(jié)構(gòu)、工裝及工藝布局，通常采用往復(fù)桿結(jié)構(gòu)進行白車身工位間傳輸，焊接結(jié)束后舉升托架上升定位，工裝設(shè)備脫銷，舉升機構(gòu)水平移動，托架托舉白車身到下一個工位，舉升機構(gòu)下降，白車身落銷實現(xiàn)工裝定位，托架后退到上一個工位，自動傳輸過程保證了工位間白車身傳輸效率。循環(huán)周期在22s以內(nèi)，該結(jié)構(gòu)特點：高效、便捷、易維護。

2 往復(fù)桿機構(gòu)及原理

本文介紹的輕型往復(fù)桿結(jié)構(gòu)，包括往復(fù)機構(gòu)和舉升機構(gòu)，往復(fù)機構(gòu)與舉升機構(gòu)連接，往復(fù)機構(gòu)包括往復(fù)驅(qū)動裝置、鋁型材，舉升機構(gòu)包括凸輪擺桿、擺桿機構(gòu)和舉升驅(qū)動裝置，往復(fù)機構(gòu)的一端與擺桿機構(gòu)連接，往復(fù)機構(gòu)的另一端與凸輪擺桿連接，凸輪擺桿與舉升驅(qū)動裝置連接，往復(fù)驅(qū)動裝置與鋁型材連接，鋁型材的兩端分別連接有平衡機構(gòu)，平衡機構(gòu)包括平衡氣缸和縱梁，平衡氣缸的一端與縱梁連接，平衡氣缸的另一端與鋁型材連接。整個往復(fù)桿上升下降通過電機帶動凸輪擺桿機構(gòu)實現(xiàn)，前進后退行走部分由鋁型材實現(xiàn)，整體重量降低，結(jié)構(gòu)簡單，電機通過PLC控制運行，穩(wěn)定可靠。

往復(fù)桿結(jié)構(gòu)如圖1所示，往復(fù)桿運行原理：舉升電機+減速機運行，帶動凸輪擺桿轉(zhuǎn)動一定的角度（此角度根據(jù)往復(fù)桿上升高度設(shè)定），拉動縱梁及輔助支撐機構(gòu)、垂直支撐機構(gòu)垂直上升，輔助支撐機構(gòu)剪刀差結(jié)構(gòu)保證垂直支撐機構(gòu)導(dǎo)輪沿立柱穩(wěn)定上升，同時保證整條輸送線在運行過程中保持垂直上升狀態(tài)運行，當(dāng)達到設(shè)定上升高度舉升電機+減速機停止運行，電機抱閘，水平行走電機+減速機通過聯(lián)軸器帶動齒輪、齒條進行工位間傳輸，向前運行一個工位長度，電機抱閘，舉升電機+減速機翻轉(zhuǎn)，往復(fù)桿下降，水平行走電機+減速機翻轉(zhuǎn)，往復(fù)桿回到上一個工位。導(dǎo)輪通過X、Y、Z三個方向的限位，保證鋁型材上的機構(gòu)平穩(wěn)運行，同時輸送托架安裝在鋁型材上。

3 有限元分析

此結(jié)構(gòu)往復(fù)桿設(shè)計中，主體結(jié)構(gòu)采用了鋁型材，其特點結(jié)構(gòu)簡潔，安裝方便，省去了焊接件加工熱處理等繁瑣工藝環(huán)節(jié)，在整體結(jié)構(gòu)上大大的簡化，但是鋁型材相對于金屬Q(mào)235A等材料，其性能是否滿足，以下在模擬環(huán)境中對鋁型材負載情況下進行強度及變形量校核。

往復(fù)桿在不同車身重量作用下的強度和變形量對比分析，通常白車身三大件合拼后重量范圍在180-240kg之間，本次模擬車身重量負載分別為200kg和450kg，在這兩種負載下鋁型材的變形量與等效應(yīng)力進行分析比較。

1、將往復(fù)桿結(jié)構(gòu)進行簡化，保留鋁型材及上部托點情況進行校核。

2、分析模型邊界條件及加載情況（兩種不同車身重量加載）;

3、兩種不同作用形式加載情況下的變形量對比;

4、兩種不同作用形式加載情況下的等效應(yīng)力值對比，見圖5;

5、計算結(jié)果分析

由圖3～圖4可知，往復(fù)桿鋁型材在兩種不同車身加載作用形式下的等效應(yīng)力值和總變形量分析結(jié)果，詳見表1。

從表1數(shù)據(jù)分析，分別在負載兩種不同車身情況下（假設(shè)每個車身重量約為300kg，并均勻施加在每個支撐點），鋁型材上的等效應(yīng)力水平較低，約為15.46～25.39MPa，鋁型材上的最大應(yīng)力值均小于材料的屈服強度（約為502MPa），鋁型材的強度滿足設(shè)計要求。

車身重200kg時，鋁型材遠離支撐區(qū)域的最大變形量為1.262mm;車身重450kg時，鋁型材遠離支撐區(qū)域的最大變形量為2.116mm，請對比車件設(shè)計定位精度要求，鋁型材的形變可滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文以往復(fù)桿設(shè)計結(jié)構(gòu)為研究，對輕型鋁型材進行了不同載荷及變形量，采用有限元進行分析，結(jié)果表明，鋁型材的等效應(yīng)力是滿足設(shè)計要求;鋁型材上的變形量，滿足車身設(shè)計定位精度要求，可在其他車身領(lǐng)域推廣使用。

參考文獻：

[1]聞邦椿編.機械設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2010.