缸蓋低壓檢測站結構設計與仿真研究

陶 鑫，鮑君華，何衛東

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著社會經濟的發展及各國智能制造戰略的推進，制造業現在不僅要求生產質量還要求生產效率[1]。缸蓋生產后需要對其中的冷卻水路進行泄漏檢測，也就是低壓檢測(下文都稱作低壓檢測)[2-4]。若不進行低壓檢測，可能導致缸蓋“帶病裝車”，將造成嚴重的后果[5-7]。傳統的低壓檢測需要4名操作工，其中2名負責裝夾缸蓋、試漏觀察、打標記及抄數，2名操作工負責吹干零件表面的殘留水分。這種傳統的低壓檢測方式效率低下，并且需要將缸蓋完全沒入水中造成額外的工序，對檢測人員的責任心和經驗要求高[8,9]。因此，迫切需要開發一套自動化程度高的低壓檢測站。

1 總體方案設計

本文所設計的缸蓋低壓檢測站需要將AGV運送過來的缸蓋送到指定位置，并將缸蓋裝夾到檢測工位，檢測完畢后再將其送到指定位置。因為缸蓋檢測完畢后還要運輸到下一步工位進行下一步生產操作，因此需要一段直線段運輸和180°轉彎段運輸設備。由于缸蓋要從指定位置裝夾到檢測工位，還需要設計一個缸蓋夾取裝置。當然，缸蓋進行低壓檢測還需要一個低壓檢測裝置。最后，還需要個計算機控制臺控制上述所有裝置合理運作，檢測時只需要1位檢測人員操作控制臺即可。

自動化低壓檢測站的總體方案設計如圖1所示。

2 建立三維模型

運用SolidWorks軟件對低壓檢測站進行三維實體建模。低壓檢測站包括計算機控制臺、夾取裝置、傳送輸入裝置、傳送輸出裝置和低壓檢測裝置，其三維模型如圖2所示。

3 靜力學分析及優化

3.1 輥筒支撐板靜力學分析

輥筒支撐板是整個傳輸裝置的主體結構，支撐所有輥筒以及缸蓋的重量，支撐板的性能關系著整個傳輸裝置的平穩運行，所以對其強度和剛度進行校核，驗證其是否滿足工作要求。

圖1 自動化低壓檢測站總體方案設計

圖2 建立的低壓檢測站三維模型

將輥筒支撐板模型導入ANSYS有限元分析軟件，劃分網格后，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，方向為重力方向。最后進行求解，求解后得到輥筒支撐板的應力和變形云圖，如圖3所示。

根據仿真結果顯示，列出輥筒支撐板產生的具體數據，如表1所示。

圖3 輥筒支撐板應力和變形云圖

表1 輥筒支撐板的分析數據

根據靜力學分析結果可知，輥筒支撐板最大應力遠遠小于輥筒支撐板選用材料Q235結構鋼的許用應力235 MPa，最大變形量也遠遠小于設計要求的0.1 mm。

3.2 導軌支撐梁靜力學分析

導軌支撐梁是夾取裝置位移部分的主要支撐結構，支撐整個導軌以及缸蓋和其他部件的重量，是夾取裝置能否正常運行的基礎，所以應對其強度和剛度進行校核，驗證其是否滿足工作要求。

將導軌支撐梁模型導入有限元分析軟件ANSYS，劃分網格后，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(負號代表力的方向)，最后進行求解。求解后得到導軌支撐梁的應力和變形云圖，如圖4所示。

圖4 導軌支撐梁應力和變形云圖

根據仿真結果顯示，列出導軌支撐梁產生的具體數據，如表2所示。

表2 導軌支撐梁的分析數據

根據靜力學分析結果可知，導軌支撐梁的最大應力遠遠小于支撐梁材料Q235結構鋼的許用應力235 MPa，最大變形量也在0.1 mm內，滿足設計要求。

3.3 上支撐板拓撲優化

上支撐板是用來支撐上方提拉氣缸以及夾取缸蓋時的所有重量，是整個夾取裝置正常工作的保證。將上支撐板模型導入有限元分析軟件ANSYS，劃分網格后，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，同時定義力的大小和方向。最后進行求解，求解后得到上支撐板的應力和變形云圖，如圖5所示。

圖5 上支撐板應力和變形云圖

根據仿真結果顯示，列出上支撐板產生的具體數據，如表3所示。

表3 上支撐板的分析數據

由有限元分析結果可知，上支撐板所需的剛度和強度滿足要求，且距離上支撐板選用材料Q235結構鋼的許用應力235 MPa和設計要求的最大安全變形量0.1 mm還有一定空間，所以對其結構進行拓撲優化，以減輕重量。將拓撲優化模塊連接到之前的靜力學分析模塊上，設置優化區域和保留質量后，進行優化求解。求解后的結果如圖6所示。

根據計算機求解后的結果改進原有上支撐板，結果如圖7所示。

圖6 拓撲優化后 圖7 優化后的上支撐板上支撐板示意圖

為檢驗優化后的上支撐板是否滿足剛度和強度要求，需要對優化后的上支撐板進行有限元分析。按照之前分析的步驟重新進行求解，求解后的結果如圖8所示。

圖8 優化后的上支撐板應力和變形云圖

根據仿真結果顯示，列出優化后上支撐板產生的具體數據，如表4所示。

表4 優化后上支撐板分析數據

有限元分析的結果表明：優化后上支撐板重量從原來的35 kg減少到22.75 kg，重量減少了35%的同時其最大應力依舊小于選用材料Q235結構鋼的許用應力235 MPa，最大變形量也小于設計時要求的0.1 mm。因此優化后的上支撐板仍然滿足設計要求，優化有效。

4 結論

本文運用三維建模技術設計了出一款集運輸、裝夾、檢測于一體的缸蓋低壓檢測站，并利用有限元分析軟件對設計出的三維模型進行了剛度、強度校核，并在滿足剛度和強度的基礎上對傳輸機構進行了拓撲優化，在減輕了自身重量的同時節省了制造成本。