郭帥印，周剛，鄧耀國(guó)，卓雪艷

新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

膠管與接頭裝配設(shè)備聯(lián)動(dòng)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭帥印1，周剛1，鄧耀國(guó)1，卓雪艷2

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西桂林541004.）

設(shè)計(jì)一種聯(lián)動(dòng)裝置用于膠管與接頭裝配設(shè)備，實(shí)現(xiàn)單次氣缸行程內(nèi)完成工作臺(tái)分離和膠管夾持。介紹聯(lián)動(dòng)裝置工作原理，利用SolidWorks三維建模導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，進(jìn)行多因素多參數(shù)設(shè)置仿真模擬，控制變量對(duì)比分析結(jié)果，得到聯(lián)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)碰撞中的接觸力仿真曲線(xiàn)以及最佳參數(shù)選擇。優(yōu)化結(jié)果顯示，聯(lián)動(dòng)裝置可以較好地完成工作，實(shí)現(xiàn)“先緊后裝”、“先松后撤”以及離合工作臺(tái)的目的，同時(shí)歸納總結(jié)各因素對(duì)結(jié)果的影響趨勢(shì)，對(duì)后期裝備設(shè)計(jì)以及物理實(shí)驗(yàn)可以提供參考。

聯(lián)動(dòng)裝置；優(yōu)化設(shè)計(jì)；接觸力；凸輪

隨著國(guó)家工業(yè)化建設(shè)，更多落后的人工生產(chǎn)方式需要得到改變。傳統(tǒng)膠管與多通接頭裝配方式存在裝配效率不高、勞動(dòng)強(qiáng)度大等諸多缺點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于膠管與多通接頭裝配方式研究也具有一定的開(kāi)展，但并未取得較好的應(yīng)用效果，所以此項(xiàng)研究具有較好的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。針對(duì)二者裝配特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種膠管與多通接頭裝配設(shè)備[1]，具有較好的仿真效果，其中關(guān)鍵部件聯(lián)動(dòng)裝置對(duì)于整個(gè)設(shè)備工作性能的好壞起到?jīng)Q定作用，故利用運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，確定設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)組合，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)裝置的工作性能最佳。利用物理學(xué)方法進(jìn)行載荷分析，通過(guò)Adams仿真分析進(jìn)行優(yōu)化[2-4]，最終得到不同參數(shù)下運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)，便于對(duì)后期設(shè)計(jì)制造進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)置。

1 工作原理

1.1 膠管與多通接頭裝配設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)多通接頭與膠管自動(dòng)化裝配的功能，整機(jī)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 膠管與多通接頭裝配設(shè)備示意圖

整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括聯(lián)動(dòng)裝置、多工位回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、膠管裝夾裝置、多通接頭夾具、分度控制模塊五大功能部件，整機(jī)工作原理為：氣缸帶動(dòng)聯(lián)動(dòng)裝置對(duì)多工位回轉(zhuǎn)工作臺(tái)進(jìn)行分離，分離后的多工位回轉(zhuǎn)工作臺(tái)在氣缸的帶動(dòng)下移動(dòng)，聯(lián)動(dòng)裝置配合膠管夾持裝置完成膠管裝夾，多通接頭夾具裝夾的多通接頭與膠管夾持裝置裝夾的膠管裝配，多工位回轉(zhuǎn)工作臺(tái)未分離狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)多通接頭夾具轉(zhuǎn)位。

1.2 聯(lián)動(dòng)裝置工作原理

聯(lián)動(dòng)裝置[5]是由凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行變換組合構(gòu)成，其功能的實(shí)現(xiàn)需要通過(guò)與其他模塊聯(lián)動(dòng)配合，一次工作行程內(nèi)完成分離、牽引工作臺(tái)以及完成“先緊后裝”、“先松后撤”的膠管與多通接頭裝配過(guò)程，詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 聯(lián)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

工作時(shí)，氣缸桿從最大行程處開(kāi)始回程，帶動(dòng)固定在氣缸桿上的活動(dòng)架一起運(yùn)動(dòng)，活動(dòng)架上底端的一對(duì)離合凸輪接觸到壓桿上的滾子，并使壓桿帶動(dòng)離合器向下移動(dòng)，離合器與導(dǎo)向座之間的彈簧被壓縮，與工作臺(tái)分離，當(dāng)氣缸桿端部的螺母接觸到工作臺(tái)時(shí)，工作臺(tái)沿光軸與氣缸桿同步運(yùn)動(dòng)。

隨著回程運(yùn)動(dòng)不斷進(jìn)行，離合凸輪與壓桿上滾子分離，壓桿和離合器在彈簧的作用下復(fù)位到初始位置。當(dāng)活動(dòng)架運(yùn)動(dòng)到膠管夾持裝置時(shí)，固定在活動(dòng)架上的夾緊凸輪與拉桿形成凸輪機(jī)構(gòu)，拉桿受力拉動(dòng)夾塊，夾塊與夾具臺(tái)之間的彈簧被壓縮，由于夾緊凸輪位置較之工作臺(tái)靠前，故膠管先被夾緊，而后工作臺(tái)上的多通接頭通位與膠管實(shí)現(xiàn)裝配，完成“先緊后裝”過(guò)程。

氣缸進(jìn)程時(shí)，活動(dòng)架隨氣缸桿先行移動(dòng)，分離夾緊凸輪與拉桿，在彈簧的作用下夾塊松開(kāi)對(duì)膠管的夾緊，當(dāng)氣缸桿頂端螺母接觸到工作臺(tái)時(shí)，工作臺(tái)開(kāi)始在氣缸桿推動(dòng)下移動(dòng)，從而使多通接頭連帶已經(jīng)裝配好的膠管一起抽離膠管裝夾裝置。

活動(dòng)架底端離合凸輪先接觸到壓桿上的滾子，壓迫壓桿向下移動(dòng)，帶動(dòng)離合器向下移動(dòng)，使工作臺(tái)順利移動(dòng)到與離合器配合的位置，此時(shí)離合凸輪與壓桿上滾子完全分離，離合器在內(nèi)部彈簧的作用下復(fù)位，與工作臺(tái)配合，整個(gè)裝置恢復(fù)到初始狀態(tài)。

2 Adams模型建立

2.1 三維模型導(dǎo)入和簡(jiǎn)化

利用SolidWorks進(jìn)行三維模型建立，并保存為parasolid格式文件，利用Adams導(dǎo)入模型[6-7]，對(duì)于與聯(lián)動(dòng)裝置優(yōu)化仿真無(wú)關(guān)的分度控制模塊、工作支架、多通接頭夾具進(jìn)行刪除處理，利用布爾運(yùn)算將氣缸桿、活動(dòng)架、夾緊凸輪合并處理，將壓桿和離合器合并處理，將拉桿和夾塊合并處理。

根據(jù)聯(lián)動(dòng)裝置的工作原理，在對(duì)其優(yōu)化中可以考慮分為分離工作臺(tái)和夾緊膠管夾持裝置兩個(gè)部分進(jìn)行處理，前提條件是保證各部分分離前后所受到的載荷和運(yùn)動(dòng)參數(shù)一致。

2.2 添加約束與驅(qū)動(dòng)

為模型各部件添加約束。

固定副（Fixed joint）：光軸與大地、夾具臺(tái)與大地。

移動(dòng)副（Translational joint）：活動(dòng)架與光軸、離合器與導(dǎo)向座、拉桿與夾具臺(tái)。

轉(zhuǎn)動(dòng)副（Revolute joint）：壓桿滾子與壓桿、拉桿滾子與拉桿。

2.3 載荷計(jì)算及優(yōu)化目標(biāo)建立

聯(lián)動(dòng)裝置在工作過(guò)程中，與協(xié)作對(duì)象之間產(chǎn)生力的相互作用，其中包括氣缸產(chǎn)生的推拉力[8]、平面凸輪與滾子接觸時(shí)的接觸力[9]、工作臺(tái)與光軸之間的滾動(dòng)摩擦力、復(fù)位彈簧收到的拉壓力，其中摩擦力可以忽略不計(jì)，運(yùn)動(dòng)-力分析如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)-力分析圖

（1）氣缸力

式中：F1無(wú)活塞桿端最大理論輸出力（N）；F2為活塞桿端最大理論輸出力（N）；P為公稱(chēng)壓力（MPa）；D為氣缸內(nèi)徑（mm）；d為活塞桿直徑（mm）.

分析聯(lián)動(dòng)裝置工作行程離合狀態(tài)和夾緊狀態(tài)時(shí)，在氣缸桿端部設(shè)置一個(gè)拉力（Single），利用氣缸力公式1計(jì)算得出數(shù)值。

（2）接觸力

接觸力作為衡量聯(lián)動(dòng)裝置工作穩(wěn)定性的一個(gè)關(guān)鍵因素，其大小需要通過(guò)Adams仿真數(shù)據(jù)獲得，設(shè)置夾緊凸輪與拉桿滾子接觸力（Contact），設(shè)置離合凸輪與壓桿滾子接觸力。

（3）彈簧力

設(shè)置拉桿與夾具臺(tái)之間拉壓彈簧力（Translational spring），彈性系數(shù)為K，設(shè)置離合器與導(dǎo)向座之間拉壓彈簧力，彈性系數(shù)為k.

凸輪的輪廓線(xiàn)對(duì)于接觸點(diǎn)的接觸力大小具有一定的影響，此處輪廓線(xiàn)為具有一定角度的直線(xiàn)，設(shè)夾緊凸輪輪廓線(xiàn)角度變化為A，離合凸輪輪廓線(xiàn)角度變化為a.

優(yōu)化分析模型以得到較小的接觸力為優(yōu)化目標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型如下：

式中：Fj為夾緊凸輪產(chǎn)生的接觸力，F(xiàn)lz為離合凸輪產(chǎn)生的接觸力Z軸方向分力，tan（a）為8除以離合凸輪Z軸方向投影距離，最小值為0.8.

3 優(yōu)化分析

3.1 設(shè)置變量

利用控制變量法安排實(shí)驗(yàn)，通過(guò)模型得到對(duì)照數(shù)據(jù)，通過(guò)仿真軟件給定材料密度，計(jì)算得知聯(lián)動(dòng)裝置離合工作段內(nèi)質(zhì)量為0.766 kg，夾緊工作段內(nèi)質(zhì)量包括工作臺(tái)質(zhì)量為2.63 kg，對(duì)變量P、A、K、a、k分別設(shè)置6組變量值，如表1所示。

表1 變量表

3.2 結(jié)果分析

（1）Fj優(yōu)化目標(biāo)

設(shè)定傾角A1，彈性系數(shù)K2，得到氣壓P變化對(duì)接觸力Fj的影響；設(shè)定傾角A1，氣壓為F1，得到彈性系數(shù)K變化對(duì)接觸力Fj的影響；設(shè)定氣壓為F1，彈性系數(shù)K2，得到傾角A變化對(duì)接觸力Fj的影響，如圖4所示。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖4 接觸力變化圖

由圖4（a）可以看出，氣壓P變化對(duì)Fj數(shù)值最大值無(wú)影響，但從圖中斜率的變化看出P對(duì)于夾緊工作時(shí)間具有明顯的影響，P值越大，工作時(shí)間越短；由圖4（b）看出，變量K彈性系數(shù)變化對(duì)接觸力影響較大，彈性系數(shù)越大，F(xiàn)j最大值越大，對(duì)于工作時(shí)間無(wú)影響；由圖4（c）看出，變量A傾角變化對(duì)接觸力無(wú)明顯影響，與夾緊工作時(shí)間成反比。因此，在夾緊凸輪角度應(yīng)選擇合適范圍，使得工作時(shí)間短，接觸力小，變量K在保證具有復(fù)位能力的前提下選取較小數(shù)值。

（2）Flz優(yōu)化目標(biāo)

設(shè)定傾角a3，彈性系數(shù)k2，得到氣壓P變化對(duì)Flz的影響；設(shè)定傾角a3，氣壓為F1，得到彈性系數(shù)k變化對(duì)Flz的影響；設(shè)定氣壓為F1，彈性系數(shù)k2，得到傾角a變化對(duì)Flz的影響，如圖5所示。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖5 接觸力變化圖

由圖5（a）可以看出，氣壓P變化對(duì)Flz數(shù)值最大值無(wú)影響，但從圖中起始時(shí)間段大小看出P對(duì)于離合工作時(shí)間具有明顯的影響，P值越大，工作時(shí)間越短；由圖5（b）看出，變量k變化對(duì)Flz最大值影響較大，k越大，F(xiàn)lz最大值越大，而對(duì)于工作時(shí)間無(wú)影響；由圖5（c）看出，變量a傾角變化對(duì)Flz具有一定的影響，角度越小Flz最大值越小，離合工作時(shí)間越長(zhǎng)。因此，離合凸輪在保證約束條件的情況下，變量a選取較小數(shù)值，變量k的選擇同K一樣。

對(duì)于變量F變化對(duì)Fj和Flz的影響規(guī)律相同，在設(shè)備使用過(guò)程中應(yīng)選取較大氣壓P，保證工作時(shí)間小。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種聯(lián)動(dòng)裝置，并對(duì)該裝置利用Adams進(jìn)行優(yōu)化分析，完成了其功能參數(shù)的最優(yōu)化選擇。

（2）對(duì)聯(lián)動(dòng)裝置進(jìn)行受力和影響因素分析，得到氣缸力、凸輪曲線(xiàn)、彈性系數(shù)為主要影響因素，建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，為運(yùn)動(dòng)仿真奠定基礎(chǔ)。

（3）利用動(dòng)力學(xué)仿真分析，掌握聯(lián)動(dòng)裝置接觸力與角度成正比，與彈性系數(shù)成正比，工作時(shí)間與氣缸力成反比，與角度成正比的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為后期裝備設(shè)計(jì)提供可參考的數(shù)據(jù)和優(yōu)化解決方案，較好解決膠管與多通接頭自動(dòng)化裝配問(wèn)題。

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Optimization Design of the Linkage Device of Hose and Joint Assembly Equipment

GUO Shuai-yin1，ZHOU Gang1，DENG Yao-guo1，ZHUO Xue-yan2
（1.College of mechanical&engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 530000，China；2.Guilin University of Aerospace Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

To realize the separation of the worktable and the clamping of the hose in a cylinder stroke，a linkage device which is used for assembling the hose and the joint is designed.The linkage device operational principle is introduced，the simulation and optimization analysis which install multi-factor and multi-parameter simulation is carried on by using the 3D modeling which set up by solidworks and import into the dynamics simulation software adams，then this paper comparatively analyzes the results that using control variable and obtains contact-force simulation curve and optimal parameter selection in the motion collision of linkage device.Optimization results show that the linkage device can complete the work，achieve the purpose of“clamp and assemble”and“l(fā)oose and return”and clutching the worktable.Simultaneously，the influence trend of various factors on the results is summarized，which can provide reference for later equipment design and physical experiment.

linkage device；optimization design；contact force；cam

TH122

A

1672-545X（2017）07-0100-05

2017-04-14

科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金（桂科轉(zhuǎn)15247001-64）

郭帥?。?994-），男，河南商丘人，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備。