大尺寸變直徑管樁端板夾具的設計及有限元分析

魏鵬飛，徐志祥，曲瑯博，柳 恒

（大連理工大學 機械工程學院，大連 116024）

0 引言

管樁端板廣泛應用于高強度預應力水泥管樁的兩端，是不可或缺的環(huán)盤形金屬構件[1]。由于預應力水泥管樁需求多樣，個體尺寸差距巨大，因此管樁端板的直徑變化很大。本文研究了在對熱卷取成型法管樁端板[2]進行多工位機器人焊接、搬運及檢測作業(yè)時，外徑變化范圍在300mm～1200mm的管樁端板的夾持問題。

管樁端板夾具按裝夾方式不同可分為徑向夾緊與端面夾緊兩種類型[3]。這兩種類型夾具分別通過氣動卡盤與機械壓合裝置實現(xiàn)對管樁端板的徑向或表面施壓，以達到夾緊的目的，其均可對一定尺寸范圍的管樁端板進行穩(wěn)定、高效的夾持。但是由于氣動卡盤的行程限制與機械壓合裝置不可拆分的特性，將使這兩種夾具受到很大的裝夾限制[4,5]。當管樁端板尺寸變化稍大時則夾具失效，需要機器人頻繁更換不同型號端板夾具以便加工，這不緊提高了管樁端板加工成本，同時也大大降低了生產(chǎn)效率。因而，大尺寸變徑管樁端板的自動裝夾成為工程急需解決的問題，然而，目前還未見該類夾具設計的相關文獻報道。

針對現(xiàn)有設計中的不足，本文提出了一種可實現(xiàn)大尺寸變直徑、裝夾快速可靠的夾緊裝置，以適應多種尺寸規(guī)格管樁端板的夾緊需要。同時，為保證夾具工作可靠性與端板加工精度，建立有限元分析模型對夾具關鍵部件進行了可靠性分析和驗證。

1 大尺寸變直徑管樁端板夾具的設計

1.1 夾具設計要求

綜合考慮端板外徑及環(huán)寬尺寸、夾具占用空間、夾緊力規(guī)劃以及機器人負載等因素，將端板按型號分為幾個加工范圍，針對每種范圍的端板設計對應的管樁端板夾具。本文根據(jù)工程所需針對最常用管樁端板型號，設計夾具滿足條件如下：

1）可夾持外徑為300mm～600mm、內徑為160mm～380mm、厚度為14mm～25mm范圍的管樁端板；

2）工作過程中要求裝夾工件快速、高效，以適應機器人生產(chǎn)線的工作節(jié)拍；

3）機器人有翻轉動作，夾具處于夾緊時需保持穩(wěn)定的自鎖狀態(tài)；

4）在各工作狀態(tài)下，夾具可滿足管樁端板的加工精度要求；

5）夾具體整體重最不超過40kg，可承載重量不小于50kg。

1.2 夾具總體結構設計及工作原理

夾具設計通過整合電控永磁及直線滑軌技術，以交流伺服電機為驅動力，實現(xiàn)管樁端板的自動變徑裝夾。圖1為根據(jù)要求設計的大尺寸變徑管樁端板夾具結構圖，主要由夾緊機構和直線變位機構組成。夾緊機構采用兩個電永磁鐵來實現(xiàn)端板工件的夾持，在夾緊的過程中，只有夾具和工件接觸的上表面存有磁力，周邊不存在漏磁，因而在抓取工件時不會造成“粘連”現(xiàn)象[6]。直線變位機構通過模組化設計，將滾珠絲杠和線性滑軌整合在一起，由高精度雙向滾珠絲杠作為傳動機構，配合“U”型軌道作為導引機構，以確保精度與剛度的需求?；瑝K上設有防塵裝置，同時整個軌道搭配伸縮型護套，可以防止異物、雜質進入進入滑軌內而影響其使用壽命、精度。

圖1 管樁端板搬運機器人夾具結構圖

夾具控制信號包括電磁閥通斷電信號、限位開關動作信號和夾緊裝置到位信號等。這些離散信號由分布式I/O系統(tǒng)匯總后，轉換成PROFIBUS-DP總線信號與PLC進行交互。工作時系統(tǒng)通過前端傳感器采集管樁端板型號信息，PLC接收該信息后與搬運機器人控制系統(tǒng)進行信息交互，控制系統(tǒng)將從端板數(shù)據(jù)庫中選擇對應指令控制伺服電機運轉。電機帶動雙向滾珠絲杠同步旋轉使滑塊沿相對方向做直線運動，電永磁鐵通過固定平臺與滑塊相連，因此通過控制伺服電機旋轉轉數(shù)，可控制兩電永磁鐵之間相對距離，實現(xiàn)對多種尺寸管樁端板的夾持。

1.3 電控永磁裝置

電控永磁技術憑借其高效、經(jīng)濟、環(huán)保等特點，在機械制造、模具加工、混合懸浮技術以及醫(yī)療系統(tǒng)等眾多領域發(fā)展迅速[7,8]。電控永磁裝置工作時通過永磁材料的磁力來提供夾緊力，通過電控系統(tǒng)來實現(xiàn)內部磁路分布控制和轉換，其工作原理如圖2所示。

圖2 電控永磁裝置工作原理

主磁體由高矯頑力的永磁材料釹鐵硼構成，鑲嵌在磁軛中，可逆磁體用中等矯頑力的鋁鎳鈷材料構成。當對勵磁線圈通一正向脈沖電流，主磁體與可逆磁體的磁場相互疊加，其磁力線分布如圖2(a)所示。主磁體和可逆磁體都有磁通從N極出發(fā)經(jīng)工件和磁軛回到各自的S極，裝置呈現(xiàn)出充磁狀態(tài)，從而實現(xiàn)工件的夾緊。當對勵磁線圈通一負向瞬時電流后，勵磁線圈形成一個反方向的磁場使可逆磁體的極性反向。主磁體的磁通由N極出發(fā)經(jīng)磁軛通過可逆磁體，再由磁軛回到主磁體的S極，如圖2(b)所示。磁力線在系統(tǒng)內部循環(huán)，工件內部并無磁通通過，從而實現(xiàn)工件的釋放。

電控永磁裝置只在充磁和退磁的瞬間通電，因此可以實現(xiàn)工件的快速夾緊與釋放，同時相較電磁鐵夾具可以節(jié)約大量電能。裝置通過永磁材料產(chǎn)生吸力，不用擔心系統(tǒng)停電或線路損壞而磁力喪失[8]，因而能夠對管樁端板提供安全可靠的夾緊力。

1.4 直線變位機構設計

變位機構是實現(xiàn)多尺寸管樁端板裝夾必不可少的組成部分。通過模塊化設計，整合滾珠絲杠和線性滑軌，可避免以往傳統(tǒng)制動平臺需經(jīng)過導引和驅動元件造成的安裝不靈活、體積大、占空間等缺點[9]。

軌道和滑塊之間的回流系統(tǒng)如圖3所示。藉由鋼珠在滑塊與滑軌之間作滾動循環(huán)，負載能沿滑軌輕易地以高精度作線性運動。滾珠與珠槽接觸面采用兩列式歌德牙型設計，可保持45°接觸角不變，這使得變位機構具有承受各方向的力和力矩的特性[10]。傳統(tǒng)的滑動導引由于油膜逆流作用以及運動時潤滑不充分等因素，無可避免的將帶來平臺運動精度不良以及軌道接觸面磨損的影響，而滾動導引的損耗非常小，滑軌機構可以長時間維持精度[11]。同時，軌道的構型采用“U”型斷面，有著高剛性、體積精簡等優(yōu)點。

圖3 滑軌截面示意圖

2 “U”型滑軌設計及有限元分析

2.1 滑軌設計及分析方法

滑軌是管樁端板夾具的重要組成部件，工作時軌道在外力作用下，將產(chǎn)生應力變形。為避免局部應力或變形過大導致夾具失效，對端板加工精度造成影響，需要通過有限元分析滑軌工作過程中應力分布及變形情況?；壍木唧w設計過程如下：

1）根據(jù)管樁端板規(guī)格及靜拉伸負荷對滑軌進行初步設計。本文選擇最大規(guī)格的管樁端板，其尺寸為600mm×330mm×25mm。

2）建立軌道有限元模型，根據(jù)實際工作狀況，建立載荷及邊界條件，進行有限元分析，獲得軌道應力分布及位移變化情況。

3）根據(jù)分析結果，對比夾具實際工作情況，修改模型，優(yōu)化設計滑軌結構。

通過有限元分析校驗設計的可靠性，可以直觀準確地發(fā)現(xiàn)設計缺陷，并指導設計的改進，從而縮短設計周期，并降低產(chǎn)品研發(fā)成本[12]。

2.2 有限元模型建立

在ANSYS軟件中建立滑軌模型并對其結構進行優(yōu)化處理，定義滑軌材料的彈性模量E=212GPa，泊松比μ=0.29。接觸部分選用六面體單元，其他部位為四面體單元，對其進行三維網(wǎng)格劃分。為了簡化模型以減少計算時間，模型在建立時以節(jié)點代替滾珠對軌道施加載荷。根據(jù)夾具實際工作情況，分別對其水平和垂直工作狀態(tài)進行分析。

1）當夾具處于水平工作狀態(tài)時，滑軌只承受端板、電永磁鐵、固定平臺及滑塊的垂向重量。

其中，F(xiàn)R為平面力系中所有各力的矢量和；Fi為工件及各機構的垂向重量。

2）當夾具處于垂直工作狀態(tài)時，滑軌除受各機構及工件的垂向重量外還將承受一合力矩。建立平面力系簡化模型：

以及平面力偶等效方程：

由式(2)和式(3)，可將合力矩轉化成接觸節(jié)點上的等效力偶：

其中，MO為平面力系對簡化中心O之距的代數(shù)和；F'為等效力偶大?。籉i為工件及各機構的重量；di為各力作用點到簡化中心O的距離；l為力偶臂。

分別對滑軌添加載荷及邊界條件，并對模型進行解算分析，查看軌道應力與變形云圖。

2.3 結果分析

軌道在水平工作狀態(tài)時，其應力與變形云圖如圖4(a)、(b)所示，其所受最大應力為7.9MPa，這與應力在尖角、圓孔等處易發(fā)生應力集中是相一致的，遠小于材料的參考屈服極限350MPa。從位移云圖可看出，工作時軌道最大變形為6.1×10-3mm，且主要表現(xiàn)為z軸方向的位移，該變形量小于管樁端板在加工過程中所允許的最大變形0.1mm，在該工況下夾具可以滿足端板的加工精度要求。

圖4 軌道水平工作狀態(tài)分析

軌道在垂直工作狀態(tài)時，由圖5(a)、(b)應力與位移云圖可看出，其所受最大應力達到30MPa，變形主要表現(xiàn)為軌道壁側的扭轉變形，最大變形量為1.2×10-2mm。由于受偏心力矩影響，軌道應力與位移變化較水平工作時有明顯增加。從應力云圖可看出，應力主要產(chǎn)生在軌道兩端受約束處，其他部分幾乎無應力產(chǎn)生。同時由于軌道發(fā)生扭轉變形，這將反應到工件距夾具遠端處一個較大的位移量。為保證管樁端板加工精度，使軌道受力更加均勻，需要修改軌道模型，優(yōu)化其受力結構。

圖5 軌道垂直工作狀態(tài)分析

3 夾具結構的改進

根據(jù)以上結果分析可知，夾具產(chǎn)生較大變形主要是由于軌道固定約束相對較遠、自由變形體過長所致。針對此種情況，需要增加軌道結構剛度。為避免增加軌道壁厚致使夾具整體重量與成本提升，采用在軌道中部添加新約束的方法，重新建立載荷及邊界條件，分析得出應力與位移云圖如圖6所示。

圖6 改進后軌道垂直工作狀態(tài)分析

從分析云圖可看出，在添加新約束后，軌道垂直工作時其應力分布與位移變化都有了明顯的改變，最大應力降低至20MPa，且分布更加均勻；最大位移量降低至5.0×10-3mm，相較之前有了明顯的改善，達到了管樁端板的加工精度要求。

4 結論

管樁端板是一類非常具有特點、而且用途十分廣泛的零件，它的尺寸型號繁多且需求量非常大。本文設計的管樁端板搬運機器人夾具，可實現(xiàn)對外徑為300mm～600mm、內徑為160mm～380mm、厚度為14mm～25mm的管樁端板的變直徑裝夾。采用電機驅動可實現(xiàn)夾具的高精度、大尺寸變位，電控永磁技術可保證管樁端板穩(wěn)定可靠的夾持。通過對關鍵零件“U”型滑軌進行有限元分析，合理優(yōu)化了軌道的約束結構，修改后模型達到了設計要求，可滿足管樁端板加工精度需要。

[1] 徐偉.先張法預應力鋼筋混凝土預制管樁端板的生產(chǎn)[J].新型建筑材料,2004,(3)：68-68.

[2] JC/T 947-2005先張法預應力混凝土管樁用端板[S].北京：國家發(fā)展和改革委員會.2005.

[3] 朱耀祥,浦林祥. 現(xiàn)代夾具設計手冊[M].機械工業(yè)出版社,2010.

[4] 沈健.氣動動力卡盤的結構、性能和應用[J].組合機床與自動化加工技術,2004,(11)：85-86.

[5] Neil Sclater, Nicholas P. Chironis. Mechanisms and Mechanical Devices Sourcebook [M].McGraw-Hill,2007.

[6] A. N. Knaian. Electropermanent Magnetic Conectors and Actuators：Devices and Their Aplication in Programable Matter [D].Massachusetts Institute of Technology,June 2010.

[7] Tugwell J, Brennan P, O’Shea C,et al. Electropermanent Magnetic Anchoring for Surgery and Endoscopy[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering,2015,62(3)：842-848.

[8] 郭瑾玉,楊勝強,李文輝.磁性磨粒光整加工中電控永磁部件的設計與仿真[J].機械設計與制造,2013,(10)：175-178.

[9] 鄒翠波,師鴻飛,張彩虹.線性滑軌的應用與安裝技術[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2004,(4)：88-90.

[10] 屈重年,伍良生,肖毅川,張仕海. 機床導軌技術研究綜述[J].制造技術與機床,2012,(1)：30-36.

[11] 吳今姬. 某新型特種夾持系統(tǒng)設計研究[D].南京理工大學,2013.

[12] 馬肇材,孫寶瑞,丁國龍.150t圓環(huán)鏈夾具設計及有限元分析[J]. 工程與試驗,2011,(3)：64-67.