全自動(dòng)可調(diào)角度的隨動(dòng)測(cè)力裝置設(shè)計(jì)

董力銳，王彪，段雅琦，都桂梟，費(fèi)寶祥

(1. 中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030051； 2. 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)航空彈藥研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150036; 3. 陸軍裝備部駐北京地區(qū)軍事代表局駐秦皇島地區(qū)軍事代表室，河北 秦皇島 066000)

0 引言

測(cè)力裝置是自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備中一種應(yīng)用較廣的檢測(cè)設(shè)備，在自動(dòng)化領(lǐng)域有著極其重要的作用。我國(guó)的全自動(dòng)拉力裝置一直在向著智能化發(fā)展，實(shí)現(xiàn)拉力測(cè)試從定位、夾緊、運(yùn)動(dòng)、結(jié)束以及數(shù)據(jù)分析的自動(dòng)化。翼片拉力測(cè)量裝置采用了機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)，將電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)械測(cè)量裝置中，使整體結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，測(cè)量精度得以提高，可靠性增強(qiáng)[1]。根據(jù)文獻(xiàn)[2]中翼片的展開(kāi)機(jī)構(gòu)、仿真分析及文獻(xiàn)[3]中對(duì)折疊翼展開(kāi)實(shí)驗(yàn)的研究，設(shè)計(jì)出一種調(diào)角度的隨動(dòng)測(cè)力裝置。全自動(dòng)拉力測(cè)試也由剛開(kāi)始的測(cè)試數(shù)據(jù)使用計(jì)算機(jī)控制發(fā)展到用PLC控制拉力測(cè)試過(guò)程，再到全程由計(jì)算機(jī)控制測(cè)試過(guò)程并通過(guò)PLC控制其測(cè)量過(guò)程且由計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析測(cè)量結(jié)果。夾緊裝置廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。2018年，李豐延等人為實(shí)現(xiàn)輔助快遞包裝功能，設(shè)計(jì)出一種快遞包裝夾持裝置[4]；朱勇巍設(shè)計(jì)出一種新型的、可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)整的彈簧夾結(jié)構(gòu)[5]；師曉寧等人基于SolidWorks對(duì)長(zhǎng)桿夾持器的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析與驗(yàn)證[6]。2019年，張始齋針對(duì)煤礦鉆機(jī)普通夾持器無(wú)法在自動(dòng)鉆機(jī)上應(yīng)用的情況，設(shè)計(jì)出一種新式雙夾持器，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析[7]。2020年，汪林俊等人設(shè)計(jì)出一種可以應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人末端的連桿機(jī)構(gòu)夾持器，此夾持器滿足了工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)三種不同工作對(duì)象的夾持要求[8]。

本文主要針對(duì)折疊翼片的結(jié)構(gòu)特性及檢測(cè)要求：需要將夾緊機(jī)構(gòu)伸入到折疊翼片的縫隙中夾緊折疊翼面，并將其拉出，以測(cè)得此過(guò)程的拉力，設(shè)計(jì)出一種全自動(dòng)隨動(dòng)測(cè)力裝置。此裝置通過(guò)電動(dòng)推桿控制夾緊折疊翼片，可將翼片繞著其回轉(zhuǎn)中心從殼體中拉出，走出圓弧軌跡，并測(cè)得此過(guò)程中的拉力。

1 全自動(dòng)隨動(dòng)測(cè)力的工作原理

全自動(dòng)可調(diào)角度的隨動(dòng)測(cè)力裝置整體結(jié)構(gòu)包括自動(dòng)夾緊裝置、拉力傳感器、連接件及隨動(dòng)裝置。

自動(dòng)夾緊裝置采用3∶1杠桿式夾緊鉗結(jié)構(gòu)，由電動(dòng)推桿控制夾緊與松開(kāi)。夾頭可自適應(yīng)夾緊折疊翼片較復(fù)雜的斜面，使夾頭與翼片盡量實(shí)現(xiàn)面接觸，增加摩擦力，提高夾緊裝置的可靠性以及穩(wěn)定性。

當(dāng)夾緊機(jī)構(gòu)夾緊折疊翼片后，測(cè)量路徑需要繞折疊翼片的回轉(zhuǎn)中心走出圓弧軌跡。根據(jù)拉力傳感器的測(cè)力原理應(yīng)使所測(cè)拉力方向沿拉力傳感器的軸線方向，才能保證拉力傳感器的測(cè)量精度。因此夾緊機(jī)構(gòu)及測(cè)力機(jī)構(gòu)也要跟隨折疊翼片走出圓弧軌跡，就需要隨動(dòng)裝置進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。隨動(dòng)裝置在結(jié)構(gòu)上主要由回轉(zhuǎn)支撐軸承的內(nèi)外圈相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。夾緊裝置安裝在內(nèi)圈上；外圈安裝在直線模組等運(yùn)動(dòng)組件上，其運(yùn)動(dòng)軌跡由PLC控制實(shí)現(xiàn)。此測(cè)力機(jī)構(gòu)的整體運(yùn)行軌跡如圖1所示。

1—隨動(dòng)裝置軌跡線；2—折疊翼片軌跡線；3—翼片回轉(zhuǎn)中心；4—折疊翼片位置1；5—折疊翼片位置2；6—隨動(dòng)裝置位置1；7—隨動(dòng)裝置位置2。圖1 測(cè)力裝置整體運(yùn)行軌跡圖

2 夾緊機(jī)構(gòu)與原理分析

自動(dòng)夾緊裝置的結(jié)構(gòu)主要有夾緊鉗、固定架與電動(dòng)推桿。夾緊鉗的機(jī)體結(jié)構(gòu)由主動(dòng)桿、從動(dòng)桿、夾頭、可調(diào)裝置、子母螺釘以及開(kāi)口擋圈等部分組成。主、從動(dòng)桿主要起傳遞動(dòng)力的作用，夾頭可伸入到折疊翼片的縫隙中夾緊折疊翼面，夾緊平面經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)便可夾緊較復(fù)雜的折疊翼面。子母螺釘是連接各個(gè)傳動(dòng)桿的機(jī)構(gòu)，保證兩個(gè)傳動(dòng)桿在節(jié)點(diǎn)處只能轉(zhuǎn)動(dòng)，即起到轉(zhuǎn)動(dòng)副的作用。開(kāi)口擋圈的作用是限制主動(dòng)桿的行程。電動(dòng)推桿是此夾緊裝置的動(dòng)力來(lái)源。夾緊鉗的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1—夾緊平面轉(zhuǎn)動(dòng)副；2—杠桿結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)；3—從動(dòng)桿1；4—開(kāi)口擋圈；5—固定架；6—主動(dòng)桿；7—子母螺釘；8—從動(dòng)桿2；9—可調(diào)夾緊平面。圖2 夾緊鉗結(jié)構(gòu)圖

夾緊鉗材料為45鋼，夾緊鉗的結(jié)構(gòu)原理圖和實(shí)物圖如圖3所示。在結(jié)構(gòu)上采用如圖3(a)所示的連桿機(jī)構(gòu)。圖2中的主動(dòng)桿是由電動(dòng)推桿控制，它的伸出與縮回帶動(dòng)夾緊平面夾緊與松開(kāi)。傳動(dòng)部分的從動(dòng)桿采用杠桿式鉗頭的基本結(jié)構(gòu)，其采用3∶1的增力比。夾緊部分的設(shè)計(jì)考慮到折疊翼面的結(jié)構(gòu)，在鉗頭部分設(shè)計(jì)了一種角度可調(diào)機(jī)構(gòu)。此機(jī)構(gòu)采用轉(zhuǎn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)，使夾頭可繞夾緊端面旋轉(zhuǎn)。因此可自適應(yīng)夾緊平面及一定角度的斜面，以此來(lái)增加接觸面積，增大摩擦力，提高夾緊裝置的可靠性以及穩(wěn)定性。

圖3 夾緊鉗

3 主要技術(shù)參數(shù)的分析計(jì)算

3.1 技術(shù)參數(shù)計(jì)算

夾緊鉗的主動(dòng)推力F由電動(dòng)推桿提供，經(jīng)從動(dòng)桿改變方向，又經(jīng)過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)增力，最后到達(dá)夾頭，產(chǎn)生夾緊力f。主動(dòng)推力F與平面夾緊力之間的力關(guān)系如圖4所示，

其中θ1=136°；θ2=115°；θ3=100°；OB=3OA。

圖4 夾緊鉗力關(guān)系圖

F1=2F×cos(θ1-90°)

(1)

對(duì)AB桿進(jìn)行受力分析，其力矩平衡公式為：

F1×sin(180°-θ2)×OB-F2×OA=0

(2)

F2=3×F1×sin(180°-θ2)

(3)

f=F2×cos(θ3-90°)

(4)

對(duì)于夾緊平面物體，f平與f一致，得出：

f平=f≈3.85F

(5)

夾緊鉗的主動(dòng)推力F與斜面夾緊力之間的關(guān)系在平面夾緊的基礎(chǔ)上得出：

f斜=f×cos(90-θ4/2)

f斜≈3.85F×cos(90-θ4)

(6)

其中θ4為被夾緊物體為斜面時(shí)斜面的角度。

3.2 應(yīng)力分析

對(duì)夾緊鉗的靜應(yīng)力分析。本文選用SolidWorks Simulation進(jìn)行仿真分析。SolidWorks Simulation是SolidWorks軟件中有限元分析插件，使SolidWorks同時(shí)具備三維設(shè)計(jì)及仿真分析等功能，有效提高生產(chǎn)效率。

首先建立三維模型，為了減小模型誤差、提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量及節(jié)省計(jì)算時(shí)間，應(yīng)先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：去掉對(duì)模型影響較小的特征；其次確定材料屬性，此夾緊鉗材料均為45鋼，45鋼有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性；然后添加夾具，根據(jù)夾緊鉗的設(shè)計(jì)原理及工作環(huán)境，在杠桿連桿的回轉(zhuǎn)中心處添加鉸鏈夾具，在夾頭的夾緊面處添加固定夾具；最后添加載荷，在主動(dòng)桿尾部添加500N載荷，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 靜應(yīng)力分析圖

從仿真結(jié)果中可以看出：夾緊鉗的夾緊力即夾緊平面在y方向的分力為：FY1=-972N，F(xiàn)Y2=974N。

FY總=FY2-FY1=974+972=1 946N

(7)

FY總≈3.89F

(8)

與理論計(jì)算值十分接近。

4 全自動(dòng)測(cè)力裝置整體結(jié)構(gòu)

隨動(dòng)測(cè)力裝置主要考慮到折疊翼片在測(cè)量過(guò)程中需要走出圓弧軌跡的同時(shí)，夾緊鉗必須可靠夾緊。此隨動(dòng)測(cè)力裝置一方面可保證在測(cè)量過(guò)程中夾緊裝置及測(cè)力系統(tǒng)可靠聯(lián)動(dòng)；另一方面可保證拉力傳感器的測(cè)力方向沿被測(cè)物體軌跡的切線方向，可最大程度保證拉力傳感器的測(cè)量精度。

隨動(dòng)測(cè)力裝置中拉力傳感器為壓阻式拉力傳感器，具有較低的成本、較高的精度及較好的線性特性。本文中的拉力傳感器一端連接夾緊裝置，另一端連接隨動(dòng)裝置。在整個(gè)裝置運(yùn)行過(guò)程中，拉力傳感器會(huì)顯示實(shí)時(shí)測(cè)量值，是測(cè)力機(jī)構(gòu)的核心；回轉(zhuǎn)支承軸承的內(nèi)圈連接整個(gè)夾緊裝置，外圈固定在軸承座上，是整個(gè)隨動(dòng)裝置的核心。隨動(dòng)裝置的軸承下連接板可以安裝在直線導(dǎo)軌上，由直線導(dǎo)軌提供隨動(dòng)裝置的動(dòng)力，若需要走出圓弧、橢圓或其他軌跡的路徑，可以用兩軸插補(bǔ)具體實(shí)現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 隨動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)測(cè)力裝置可通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)，由電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)夾緊鉗，自適應(yīng)夾緊折疊翼面；由隨動(dòng)測(cè)力裝置測(cè)得折疊翼片展開(kāi)過(guò)程中的摩擦力，并實(shí)時(shí)顯示拉力值。除了測(cè)量折疊翼片的拉力，還可根據(jù)具體需求夾緊不同物體，可以根據(jù)具體工況選擇動(dòng)力，根據(jù)所需走出不同軌跡的路徑。全自動(dòng)隨動(dòng)測(cè)力裝置整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 全自動(dòng)測(cè)力裝置整體結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語(yǔ)

1) 此測(cè)力裝置可以保證拉力傳感器的測(cè)力方向沿折疊翼片軌跡的切線方向，最大程度保證拉力傳感器的測(cè)量精度。

2) 夾緊鉗采用3∶1增力比的杠桿式連桿機(jī)構(gòu)，可在較大程度上節(jié)省動(dòng)力；并在夾頭部分設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)角度的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了此結(jié)構(gòu)的應(yīng)用多樣性及提高夾頭的可靠性。

3) 隨動(dòng)裝置可保證在測(cè)量過(guò)程中夾緊裝置及測(cè)力系統(tǒng)可靠聯(lián)動(dòng)，并可根據(jù)檢測(cè)環(huán)境走出多種所需軌跡。

4) 通過(guò)仿真分析，夾緊力與理論值較接近，且最低安全系數(shù)為1.8，說(shuō)明整個(gè)夾緊鉗的設(shè)計(jì)是合理的。