基于有限元分析的陶瓷插針體裝配設(shè)備研究

邊 建 瀟

(隴東學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

基于有限元分析的陶瓷插針體裝配設(shè)備研究

邊 建 瀟

(隴東學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

陶瓷插針體作為光纖連接器中的核心零部件，其市場(chǎng)需求量日益增加。針對(duì)陶瓷插針體完成了自動(dòng)化裝配設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)。選取了一種常見(jiàn)的SC/PC型插針體產(chǎn)品作為研究對(duì)象，應(yīng)用SolidWorks進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的參數(shù)化建模，進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉檢查和模擬運(yùn)行。利用有限元軟件ANSYS分析了兩個(gè)受力零部件，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果證明開(kāi)發(fā)出的裝配設(shè)備設(shè)計(jì)合理，能夠有效地降低生產(chǎn)成本和提升裝配效率。

陶瓷插針體；裝配設(shè)備；ANSYS；光釬連接器

Abstract： As the core of the optical fiber connector,the market demand of the ceramic pin is increasing.In this paper,the mechanical structure of the automatic assembly equipment is developed.A common SC/PC type pin body is selected as the research object,and solid work is used to carry out the parametric modeling of mechanical structure.The finite element software ANSYS was used to analyze the two parts of the force.The results show that the design of the assembly equipment is reasonable,which can effectively reduce the production cost and improve the assembly efficiency.

Keywords： ceramic pin;assembly equipment;ANSYS;optical connector

當(dāng)前隨著國(guó)內(nèi)通信事業(yè)的不斷發(fā)展，光纖通信己步入實(shí)用化階段，且應(yīng)用的范圍已越來(lái)越廣。光纖連接器作為光纖通信技術(shù)中用量最大的光無(wú)源器件之一，被廣泛應(yīng)用，它常常用來(lái)實(shí)現(xiàn)從光源到光纖、從光纖到光纖以及光纖與探測(cè)器之間的光耦合[1]。隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)“三網(wǎng)合一”等政策的出臺(tái)，以及國(guó)際光通信市場(chǎng)的復(fù)蘇，有力地推動(dòng)了光通信行業(yè)的發(fā)展，光纖通信產(chǎn)業(yè)鏈上下游各產(chǎn)品出現(xiàn)供不應(yīng)求的局面，光纖連接器自然隨市場(chǎng)的需求出現(xiàn)供貨緊張局勢(shì)，而同樣作為光纖連接器核心部件的陶瓷插針體也出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象，市場(chǎng)需求量逐年增大。本文正是基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)而針對(duì)陶瓷插針體自動(dòng)裝配技術(shù)進(jìn)行深入探討，完成了自動(dòng)化裝配設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)。

本文選取了一種常見(jiàn)的SC/PC型插針體產(chǎn)品作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出合理的自動(dòng)裝配工藝路線，確定了該自動(dòng)裝配設(shè)備的整體布局方案。需要指出的是，本自動(dòng)化設(shè)備的研究主要為機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。利用三維建模軟件SolidWorks進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的參數(shù)化建模，并進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉檢查和模擬運(yùn)行。后利用有限元分析軟件ANSYS Workbench分析了設(shè)備中的兩個(gè)受力零部件，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果證明開(kāi)發(fā)出的裝配設(shè)備設(shè)計(jì)合理，能夠有效地降低生產(chǎn)成本和提升裝配效率。

1 陶瓷插針體簡(jiǎn)介

1.1光釬連接器簡(jiǎn)介

光纖連接器是把光纖的兩個(gè)端面精密地對(duì)接起來(lái)，使發(fā)射光纖輸出的光能量最大限度地耦合到接收光纖中的一種光纖活動(dòng)連接器。即通過(guò)將兩個(gè)完整的陶瓷插針體進(jìn)行端面精密對(duì)接，再用合適的適配器套筒將兩端固定，光纖就可以通過(guò)光纖連接器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸鏈接了[1]。

1.2陶瓷插針體簡(jiǎn)介

一枚完整的陶瓷插針體由陶瓷插針和金屬尾柄兩部分組成。如圖1所示組裝后的插針體產(chǎn)品和陶瓷插針：

圖1 組裝后的SC/PC型插針體和陶瓷插針

1.2.1 陶瓷插針

光纖陶瓷插針，又稱(chēng)陶瓷插芯，是光纖連接器插頭中精密對(duì)中的圓柱體，中心有一微孔，用作固定光纖。它是一種由納米氧化鋯(ZrO2)材料經(jīng)一系列配方、加工而成的高精度特種陶瓷元件。所制成的連接器是可拆卸、分類(lèi)的光纖活動(dòng)連接器，使光通道的連接、轉(zhuǎn)換調(diào)度更加靈活，可供光通系統(tǒng)的調(diào)試與維護(hù)。陶瓷插針的制造精度和難度遠(yuǎn)大于陶瓷套筒以及其他組件，因此陶瓷插針成為光纖連接器的核心部件。本文的研究對(duì)象是SC/PC型陶瓷插針，即外徑為2.5mm端面對(duì)接方式為平面接觸的陶瓷插針。下圖2為該類(lèi)型陶瓷插針的外形尺寸[2-3]：

圖2 SC/PC陶瓷插針尺寸

圖3 SC型金屬尾柄尺寸

1.2.2 金屬尾柄

SC型金屬尾柄材質(zhì)為銅鍍鎳，此工件精度取決于數(shù)控車(chē)床工藝，四槽底部尖角美觀，材料符合ROHS標(biāo)準(zhǔn)。下圖3為該金屬尾柄的外形結(jié)構(gòu)圖。

2 陶瓷插針體自動(dòng)裝配設(shè)備總體方案研究

2.1確定自動(dòng)裝配工藝

插針體由兩部分組成，即陶瓷插針和金屬尾柄。通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)分析可知，其結(jié)構(gòu)為堆棧式結(jié)構(gòu)，陶瓷插針和金屬尾柄的配合屬于過(guò)盈配合，其裝配過(guò)程如圖4所示：

圖4 插針與尾柄的自動(dòng)裝配圖

裝配工藝有兩種方案：第一種就是按照手動(dòng)固定尾柄的方式，先將尾柄固定，然后把插針?lè)旁谖脖厦?，再進(jìn)行壓接。這種方法利用尾柄的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行定位，定位精度高，又有手動(dòng)裝配的定位經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，是可行的。另外一種就是先固定插針，再將尾柄放到其上進(jìn)行裝配，缺點(diǎn)是陶瓷材料表面光滑，硬而脆，不易進(jìn)行定位。綜合分析故應(yīng)用首先固定尾柄的裝配定位方案[4-5]。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中沿用了手動(dòng)裝配先固定尾柄的工藝特點(diǎn)，采用全新的機(jī)械夾持的方式進(jìn)行裝配零件的固定，再利用自動(dòng)上下料裝置和自動(dòng)裝配機(jī)構(gòu)，共同完成裝配動(dòng)作。由此總結(jié)出了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配的工藝流程，如圖5所示：

圖5 陶瓷插針體自動(dòng)裝配工藝流程

2.2裝配設(shè)備的整體布局設(shè)計(jì)

如圖6所示：該類(lèi)型的布局類(lèi)似于設(shè)備間歇式傳送中的回轉(zhuǎn)型布局，插針供料、插針模塊、尾柄供料、尾柄模塊和卸料模塊分別擺在以裝配模塊為中心的工作臺(tái)上。這種布局的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)比較緊湊、占地面積少、控制操作簡(jiǎn)單、定位精度高。陶瓷插針體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配工位少，綜合考慮，選擇此種設(shè)備布局形式，該布局還有利于設(shè)備的整體控制和故障處理以及日常維護(hù)等。

圖6 設(shè)備回轉(zhuǎn)型整體布局簡(jiǎn)圖

初步設(shè)定設(shè)備所需總的裝配總工位數(shù)為3至5個(gè)。由于設(shè)備采用了模塊化設(shè)計(jì)方案，其中裝配執(zhí)行模塊作為關(guān)鍵模塊劃分為3個(gè)子功能模塊，根據(jù)設(shè)備的整體布局類(lèi)型，由此確定設(shè)備總工位數(shù)為3工位。在工序的劃分上，由于裝配前首先需要固定尾柄，所以尾柄模塊作為初始工位，以插針模塊作為第二工位，裝配模塊作為最后組裝工位。

對(duì)于動(dòng)力執(zhí)行原件的選擇，一般的工廠在自動(dòng)裝配設(shè)備周?chē)鶗?huì)布置壓縮空氣管道，提供氣體動(dòng)力。由于裝配的零件較小，需要的驅(qū)動(dòng)力均不大，因此首選氣缸作為動(dòng)力執(zhí)行元件，通過(guò)選擇不同的缸徑和調(diào)節(jié)氣壓可得到不同的驅(qū)動(dòng)力，選擇不同的行程可以滿(mǎn)足不同的距離需求。設(shè)備中每個(gè)氣缸兩端配置兩個(gè)磁性開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)氣缸的運(yùn)動(dòng)位置，然后將信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化調(diào)控。選擇氣動(dòng)方式還有氣源方便、動(dòng)作迅速、氣動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低廉等優(yōu)勢(shì)。

1.尾柄氣缸 2.尾柄模塊 3.裝配模塊 4.裝配氣缸 5.插針模塊 6.插針氣缸 7.插針?biāo)土掀?8.卸料模塊 9.卸料氣缸 10.尾柄送料器圖7 裝配設(shè)備的總體布局俯視圖

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)平穩(wěn)與啟停準(zhǔn)確，在每個(gè)氣缸兩側(cè)均安裝油壓緩沖器。同時(shí)在氣缸連接塊下方還需要使用精密直線導(dǎo)軌，直線導(dǎo)軌不但可以有效地降低裝置運(yùn)行時(shí)的阻力和噪音，同時(shí)還起到導(dǎo)向作用。在氣缸和尾柄推動(dòng)連接塊之間安裝了浮動(dòng)接頭，浮動(dòng)接頭能夠消除工件自身的加工誤差和安裝誤差，其作用類(lèi)似于聯(lián)軸器，能保護(hù)氣缸和直線滑塊，避免在使用過(guò)程中因誤差而造成損傷，使設(shè)備整體運(yùn)行平穩(wěn)，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。綜合以上各條件設(shè)計(jì)出來(lái)的裝配設(shè)備總體結(jié)構(gòu)布局如圖7所示。

設(shè)備執(zhí)行氣缸共有四個(gè)，其中尾柄氣缸控制尾柄推料桿左右運(yùn)動(dòng)，插針氣缸控制插針推料桿前后運(yùn)動(dòng)，它們分別將尾柄與插針推送到正確的組裝工位。裝配氣缸控制壓料桿上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)裝配動(dòng)作。卸料氣缸控制卸料桿前后運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸料。送料器實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化供料，各模塊間相互配合，共同完成陶瓷插針體的自動(dòng)化裝配。

3 裝配設(shè)備的三維建模

3.1建立裝配設(shè)備的三維建模

在裝配設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用了參數(shù)化建模軟件SolidWorks進(jìn)行裝配體及其零部件的三維建模。使用SolidWorks進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以在虛擬現(xiàn)實(shí)的情景下裝配模型，當(dāng)所有零件的3D模型創(chuàng)建完成后，通過(guò)進(jìn)一步指定零件與零件間的相互配合關(guān)系，如重合、平行、垂直、相切等，然后再將各個(gè)零件裝配在一起，最終成為完整的設(shè)備立體圖。設(shè)備的三維立體效果如圖8所示：

圖8 陶瓷插針體裝配設(shè)備的立體圖

3.2設(shè)備裝配體的干涉分析

在機(jī)械設(shè)計(jì)中干涉檢查是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，是避免設(shè)計(jì)失敗的有效工具，當(dāng)設(shè)備的零部件裝配完成后需要進(jìn)行干涉檢查，消除干涉情況，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。干涉是指同一時(shí)刻出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上零部件體積重合的情況。

本文中設(shè)備的裝配體復(fù)雜，單純用視覺(jué)去檢查各零部件之間是否發(fā)生干涉是很困難的，利用SolidWorks中的干涉檢查功能，可以快速有效地檢測(cè)出裝配體中的干涉情況(干涉的數(shù)量和干涉的位置)，并且可以查看零部件發(fā)生干涉的體積。通過(guò)裝配體干涉檢查功能不僅可以確定零部件之間是否存在干涉，還可以將干涉的部分進(jìn)行上色處理，直觀地顯示出來(lái)，檢查時(shí)還需要排除一些比如緊密配合、螺紋扣件的干涉等。

圖9為設(shè)備裝配體干涉檢查功能檢測(cè)到的干涉情況，反應(yīng)在圖中被檢測(cè)到的干涉中，陶瓷插針與尾柄以及插針軟管與進(jìn)料塊都為過(guò)盈配合，浮動(dòng)接頭、油壓緩沖器以及六角螺栓都為螺紋連接，它們檢測(cè)出的干涉即為可忽略的干涉。當(dāng)零部件出現(xiàn)干涉情況時(shí)，首先要查看干涉的零部件，然后將其孤立，最后編輯干涉零部件并排除干涉[8]。

圖9 裝配體中檢測(cè)到的干涉

4 裝配設(shè)備主要零部件的有限元分析

在裝配設(shè)備的設(shè)計(jì)階段，對(duì)其主要受力零部件進(jìn)行力學(xué)分析是必不可少的步驟。通過(guò)分析可以得到設(shè)備在外力(力矩)作用下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移分布，根據(jù)靜力學(xué)分析結(jié)果，能夠清楚地了解受力零部件設(shè)計(jì)中存在的缺陷及結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的薄弱環(huán)，本文借助有限元分析軟件ANSYS Workbench軟件對(duì)該裝配設(shè)備的主要受力構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)部分零件機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[6-7]。

4.1氣缸支座的優(yōu)化分析

設(shè)備中氣缸支座起到固定氣缸的作用，將氣缸固定在支撐板上，同時(shí)連接油壓緩沖器，若在工作過(guò)程中氣缸支座因變形量過(guò)大或者疲勞破壞引起失效，會(huì)使氣缸活塞桿偏離運(yùn)動(dòng)軸線，不但削減氣缸的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)影響設(shè)備正常使用。

設(shè)備中氣缸支座有三種，即尾柄氣缸支座、插針氣缸支座、卸料氣缸支座，其結(jié)構(gòu)、材料以及工作原理相似，以尾柄氣缸支座為例，對(duì)其進(jìn)行有限元分析，分析其在工作過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變情況。設(shè)備在工作過(guò)程中，該零件所受的作用力主要來(lái)自氣缸在收縮與伸長(zhǎng)時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的反作用力，此作用力隨產(chǎn)品的裝配周期而循環(huán)出現(xiàn)。以下為氣缸支座的有限元分析結(jié)果：

圖10 氣缸支座應(yīng)力云圖

圖11 氣缸支座變形云圖

由分析的云圖可知：該零件所受的最大應(yīng)力為4.0MPa，最大變形量為0.0022mm。分析結(jié)果顯示氣缸支座用來(lái)固定氣缸的一側(cè)發(fā)生了變形，雖然變形量不大，為安全起見(jiàn)，需對(duì)受力的一側(cè)加厚1mm，以滿(mǎn)足實(shí)際情況[9]。

4.2裝配導(dǎo)板的優(yōu)化分析

在每一次產(chǎn)品裝配過(guò)程中，裝配壓合氣缸都要通過(guò)沖擊裝配導(dǎo)板進(jìn)而將插針壓接到金屬尾柄中去，而裝配導(dǎo)板的厚度直接決定著插針體產(chǎn)品的陶瓷插針的突出長(zhǎng)度，若其發(fā)生疲勞變形，影響產(chǎn)品最終的裝配質(zhì)量，因此有必要對(duì)裝配導(dǎo)板進(jìn)行有限元分析和疲勞分析以確保其能夠達(dá)到實(shí)際要求的強(qiáng)度和剛度。裝配導(dǎo)板的材料為Cr12模具鋼，該材料含有極高量的C2.00%～2.30%和Cr11.00%～13.00%，主要用于要求高耐磨受沖擊負(fù)荷的工作零件。該零件分析過(guò)程與氣缸支座的分析過(guò)程類(lèi)似，裝配導(dǎo)板所受的載荷主要來(lái)自壓合氣缸的沖擊力，并隨著產(chǎn)品的裝配周期循環(huán)出現(xiàn)。圖12和圖13為分析求解結(jié)果云圖。

圖12 裝配導(dǎo)板的應(yīng)力分析

圖13 裝配導(dǎo)板的變形分析

由分析結(jié)果可知裝配導(dǎo)板所受的最大應(yīng)力為7.6MPa，遠(yuǎn)小于自身的應(yīng)力極限，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。其變形量為0.0019mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的剛度要求。裝配導(dǎo)板的疲勞分析結(jié)果顯示該零件的最大循環(huán)次數(shù)為100萬(wàn)次，遠(yuǎn)大于該零件的設(shè)計(jì)壽命50萬(wàn)次沖擊[10]。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有金屬尾柄與陶瓷插針的手動(dòng)裝配的現(xiàn)狀，結(jié)合非標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展?fàn)顩r著手進(jìn)行研究分析，提出了適應(yīng)該產(chǎn)品的自動(dòng)裝配的生產(chǎn)工藝流程。

(2)總結(jié)分析了自動(dòng)化機(jī)構(gòu)的布局方案并進(jìn)行了分析，最終采用回轉(zhuǎn)式三工位布局方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該類(lèi)型設(shè)備具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電器控制方便、空間布置合理、動(dòng)作響應(yīng)迅速、組裝件定位準(zhǔn)確、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。

(3)運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)理念，針對(duì)陶瓷插針體的結(jié)構(gòu)對(duì)整體裝配設(shè)備的設(shè)計(jì)提出了新的思路并用SolidWorks進(jìn)行了機(jī)械部分的參數(shù)化建模。

(4)利用三維參數(shù)化軟件SolidWorks對(duì)自動(dòng)化裝配設(shè)備進(jìn)行了三維參數(shù)化建模，生成裝配設(shè)備的完整裝配體，進(jìn)而進(jìn)行了相應(yīng)的干涉檢查，確保設(shè)備設(shè)計(jì)合理。針對(duì)主要受力零部件，運(yùn)用大型有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行相應(yīng)的靜力學(xué)分析和疲勞分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，增加了設(shè)備的穩(wěn)定性。

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【責(zé)任編輯朱世廣】

AResearchontheAssemblyEquipmentofCeramicPinBodybasedonFiniteElementAnalysis

BIAN Jian-xiao

(CollegeofMechanicalEngineering,LongdongUniversity,Qingyang745000,Gansu)

TH122;TP391.9

A

1674-1730(2017)05-0025-05

2017-03-17

邊建瀟(1991—)，男，甘肅慶陽(yáng)人，助教，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助可靠性研究。