有限元法在某托桿式往復(fù)輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用

趙 旭

（中國第一汽車集團(tuán)公司解放事業(yè)本部卡車廠，吉林長春 130011）

0 引言

研究一汽解放卡車廠焊裝車間新基地J6白車身自動(dòng)往復(fù)自動(dòng)線，換代駕駛室焊裝生產(chǎn)線由日本富士裝備技術(shù)公司總承包，主要針對J6產(chǎn)品進(jìn)行了規(guī)劃和設(shè)計(jì)，能滿足6個(gè)系列10多個(gè)品種駕駛室的混流焊接生產(chǎn)，達(dá)到國內(nèi)卡車制造先進(jìn)水平，使解放卡車的生產(chǎn)躍上了一個(gè)新的臺階。新建J6重卡焊裝線共有9條生產(chǎn)線，分別為駕駛室調(diào)整線、駕駛室主焊線、車身下部線、左側(cè)圍線、右側(cè)圍線、后圍線、高頂頂蓋線、左車門線和右車門線。其中駕駛室主焊線、車身下部線、左、右側(cè)圍線、高頂頂蓋線為自動(dòng)往復(fù)桿結(jié)構(gòu)。

項(xiàng)目投產(chǎn)于2005年，自2009年開始進(jìn)入高產(chǎn)期，本文主要利用有限元分析方法對主焊線托桿式往復(fù)輸送系統(tǒng)主驅(qū)動(dòng)站曲柄機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為維修工作提供理論依據(jù)。

1 主焊線托桿式往復(fù)輸送系統(tǒng)故障

1.1 主焊線簡介

J6焊裝主焊線是將車身下部總成、左/右側(cè)圍總成、后圍總成及頂蓋總成裝配成駕駛室，大量應(yīng)用焊接點(diǎn)焊機(jī)器人、涂膠機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人、激光在線檢測裝置等先進(jìn)設(shè)備，自動(dòng)化程度達(dá)到90%。主焊線設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍128 s，滿足6大系列、十幾個(gè)品種車型的柔性混流生產(chǎn)，共設(shè)有12個(gè)工位。

J6重卡白車身主焊線采用可升降往復(fù)桿輸送，如圖1所示，這種輸送方式靠兩條并列的可升降往復(fù)桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)制件的輸送。這種方式常用于固定夾具組成的焊裝線，當(dāng)往復(fù)桿升起時(shí)將制件托起離開夾具，然后向前運(yùn)動(dòng)，將制件輸送到下一工位，往復(fù)桿下降，將制件落在夾具里定位，同時(shí)，往復(fù)桿后移復(fù)位。升降式往復(fù)輸送線的設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試及生產(chǎn)必須完全滿足工藝要求，要求設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)裝配結(jié)構(gòu)的合理性，往復(fù)桿要有足夠的強(qiáng)度和剛度。往復(fù)桿行走軌跡為上升、傳送、下降、返回，往復(fù)桿輸送線單個(gè)循環(huán)時(shí)間不得大于15 s，傳送速度變頻調(diào)速，每個(gè)動(dòng)作都要實(shí)現(xiàn)慢一快一慢；升降式往復(fù)輸送線往復(fù)桿托架的設(shè)計(jì)要滿足車型變化要求；上升、下降要求停位精確，總成輸送要考慮其重心位置，輸送要求平穩(wěn)、安全、可靠，沒有抖動(dòng)、發(fā)顫現(xiàn)象。往復(fù)桿連接處要求裝配結(jié)構(gòu)合理，連接穩(wěn)固，維修方便；往復(fù)桿輸送機(jī)構(gòu)要有機(jī)械限位裝置，升降式往復(fù)輸送線帶有氣缸平衡裝置及緩沖器，并帶有機(jī)械保護(hù)；在超載情況下起到保護(hù)作用；螺紋聯(lián)接件要有防松措施。

圖1 可升降往復(fù)桿輸送方式

1.2 故障發(fā)生及處理過程

M06工位驅(qū)動(dòng)站負(fù)責(zé)整個(gè)主焊線往復(fù)輸送桿的舉升，在J6車型高產(chǎn)期間，該部位舉升曲柄機(jī)構(gòu)出現(xiàn)開焊，當(dāng)時(shí)維修過程如下。

主焊線1工位報(bào)錯(cuò)，查升降到位鎖緊銷不能正常伸出與縮回，初步判斷可能為鎖緊銷氣缸底座固定螺栓或往復(fù)桿曲臂有松動(dòng)，使鎖緊銷伸出和縮回過程與曲臂鎖孔發(fā)卡，經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)，排除該原因。

由于整條往復(fù)自動(dòng)線有3工位有該鎖緊銷，其中有一處正常鎖緊即可滿足正常生產(chǎn)，因此在控制程序中將該鎖緊銷短接，使其反饋信號常閉，使往復(fù)桿重新開動(dòng)，這樣既可保證生產(chǎn)又可查看其他兩處鎖緊銷是否可以正常工作。

觀察十輛份生產(chǎn)正常后，其他工位鎖緊銷又無法正常伸出與縮回，但往復(fù)桿上升及下降到位信號正常，考慮原因?yàn)榈蛪簹夤┙o不正常，查空壓站低壓輸出正常，由于其他線正常工作，排除空壓站故障可能，判斷故障為主焊線壓縮空氣供給不穩(wěn)定，查看主焊線儲氣罐壓力檢測開關(guān)，該開關(guān)已無法正常調(diào)節(jié)儲氣罐輸入與輸出壓力，造成低壓供給不正常，鎖緊銷氣缸無法正常工作。

更換壓力檢測開關(guān)，同時(shí)調(diào)整鎖緊氣缸底座位置，使鎖緊動(dòng)作更加平滑順暢。儲氣罐重新打壓，主焊往復(fù)自動(dòng)線工作恢復(fù)正常。

主焊線上升動(dòng)作后，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，一工位鎖緊銷又無法正常伸出，查氣路系統(tǒng)工作正常，往復(fù)桿上升到位信號正常，由于往復(fù)桿上升到位信號由減速器主軸所帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤定位塊檢測，因此判斷往復(fù)桿可能產(chǎn)生“假到位”，即電氣信號反饋正常而機(jī)械部件發(fā)生問題，致使往復(fù)桿未上升到準(zhǔn)確位置，查看鎖緊銷與往復(fù)桿定位處，往復(fù)桿目前到位與設(shè)定位置相差2 mm。初步懷疑為開關(guān)松動(dòng)，使信號提前反饋，檢查開關(guān)位置未發(fā)生松動(dòng)跡象，在六工位檢查升降到位開關(guān)的同時(shí)，維修人員發(fā)現(xiàn)升降驅(qū)動(dòng)曲柄機(jī)構(gòu)連接件開焊。

由修理組配合將開焊處重新焊接。維修人員撤出，堆焊處自然冷卻，曲柄機(jī)構(gòu)恢復(fù)原狀態(tài)，往復(fù)自動(dòng)線正常工作，維修結(jié)束。此次發(fā)生的2次故障根本原因可以歸結(jié)為升降驅(qū)動(dòng)曲柄機(jī)構(gòu)連接件開焊（圖2）。

圖2 升降驅(qū)動(dòng)曲柄機(jī)構(gòu)連接件開焊

2 利用有限元法對曲柄機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

分析駕駛室白車身總成焊接托桿式往復(fù)輸送線系統(tǒng)曲柄機(jī)構(gòu)斷裂故障過程，利用有限元方法對斷裂件進(jìn)行力學(xué)分析，并對該部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

2.1 建立升降驅(qū)動(dòng)曲柄機(jī)構(gòu)連接件三維模型

J6重型卡車駕駛室白車身總成焊接托桿式往復(fù)輸送線設(shè)備圖紙均為二維圖紙，依據(jù)二維圖紙利用CATIA軟件繪制該部件三維模型（圖3）。

2.2 對升降驅(qū)動(dòng)曲柄機(jī)構(gòu)連接件受力情況進(jìn)行有限元分析

主焊線升降主驅(qū)動(dòng)站工作過程:電機(jī)正傳-上升到位-電機(jī)抱死，然后電機(jī)反轉(zhuǎn)-下降到位-電機(jī)抱死。驅(qū)動(dòng)站主減速器輸出軸軸連接曲臂4，該曲臂為整體鑄造件，因此往復(fù)桿上升動(dòng)作初始時(shí):驅(qū)動(dòng)力由減速器主軸通過鍵連接傳遞給曲臂4，曲臂4經(jīng)曲臂3將扭矩轉(zhuǎn)化為水平方向牽引力作用在曲臂2上，傳遞方向如圖4所示，根據(jù)上述情況，分析SH-18-01曲柄機(jī)構(gòu)部件受力情況，如圖5所示。

圖3 部件三維模型

圖4 傳遞方向

利用CATIA軟件有限元分析功能對該部件受力情況，針對部件受力情況進(jìn)行分析:J6車型最重的駕駛室白車身重量為398 kg。在主焊線上駕駛室未安裝車門，但目前不知道車門重量，估計(jì)每個(gè)為25 kg，每個(gè)駕駛室2個(gè)車門，在主焊線每個(gè)白車身重量估計(jì)為348 kg，駕駛室頂蓋重量為90 kg，頂蓋在主焊線7車位落下。因此在一個(gè)循環(huán)的初始階段，主焊線上應(yīng)該有6個(gè)車無頂蓋，6個(gè)車有頂蓋，因此在往復(fù)桿升起的初始階段，整個(gè)往復(fù)桿上的重量應(yīng)為3636 kg，主驅(qū)動(dòng)站扭矩為24 200 N·m。

2.2.1 對零件賦予材料屬性

圖5 SH-18-01曲柄機(jī)構(gòu)部件受力情況

圖6 軟件界面

2.2.2 網(wǎng)格劃分（nodes and elements）

進(jìn)入【Advanced Meshing Tools】（高級網(wǎng)格劃分工具）工作臺。點(diǎn)擊菜單中的【開始】→【分析與模擬】→【Advanced Meshing Tools】（高級網(wǎng)格劃分工具）選項(xiàng)，點(diǎn)擊后進(jìn)入了【高級網(wǎng)格劃分工具】工作臺。進(jìn)入工作臺后，生成一個(gè)新的分析文件，并且彈出一個(gè)【新分析算題】對話框。點(diǎn)擊后，在對話框內(nèi)選擇【Static Analysis】（靜態(tài)分析算題），然后點(diǎn)擊【確定】按鈕。

CATIA軟件的網(wǎng)格劃分是自動(dòng)進(jìn)行的，只要轉(zhuǎn)到有限元模塊，程序就已自動(dòng)確定劃分方案，只有復(fù)雜的模型才需要手動(dòng)對局部網(wǎng)格進(jìn)行劃分。當(dāng)然，用戶可雙擊模型樹中圖7所示圖像來調(diào)整單元?jiǎng)澐謪?shù)，則彈出四面體網(wǎng)格密度定義對話框（圖8），輸入圖中所示數(shù)值，完成網(wǎng)格參數(shù)修正。

圖7 模型樹

圖8 四面體網(wǎng)格密度定義對話框

2.2.3 定義約束（Restraints）

圖9 CLAMP（夾緊）定義對話框

2.2.4 定義載荷（Loads）

2.2.5 求解計(jì)算（Compute）

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

對主驅(qū)動(dòng)臂設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，并更換該部件，具體改進(jìn)如下。

（1）由往復(fù)桿結(jié)構(gòu)限制，以原驅(qū)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，主軸及軸套部分由焊接連接方式更改為增加單鍵連接，以分散該處應(yīng)力集中。

圖10 distributed force定義對話框

圖11 部件受力情況

圖12 區(qū)域重合

（2）焊縫全部采用坡口焊接方式，增加焊接強(qiáng)度。

（3）以目前加裝拉筋為參照，增加拉筋。

（4）增加曲臂間筋板厚度，由11 mm增加到20 mm，提高強(qiáng)度。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后部件與原部件對比如圖13所示。更改相關(guān)參數(shù)后再次進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化前后對比如圖14所示。優(yōu)化后部件，圖14 a圓圈部分消失，表示優(yōu)化后受力更均勻，應(yīng)力集中被有效分散。

圖13 部件

圖14 更改相關(guān)參數(shù)后的部件

3 效果驗(yàn)證

經(jīng)過現(xiàn)場使用情況反饋，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)已使用近50萬次未發(fā)生斷裂故障。證明該方法應(yīng)用于駕駛室主焊線托桿式往復(fù)輸送系統(tǒng)曲柄機(jī)構(gòu)維修工作的有效性。

4 結(jié)束語

通過對駕駛室白車身總成焊接托桿式往復(fù)輸送線系統(tǒng)斷裂曲柄進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在斷裂處存在大應(yīng)力趨勢。說明此處存在應(yīng)力集中，易發(fā)生疲勞斷裂。說明有限元方法能夠準(zhǔn)確的判斷出易發(fā)生故障的方位。

將原結(jié)構(gòu)此處加強(qiáng)，避免此處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。由計(jì)算結(jié)果可知，改進(jìn)后的斷裂處應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)消失，應(yīng)力分布較為均勻。

往復(fù)桿自動(dòng)輸送方式作為汽車白車身焊接自動(dòng)線的一種主要方式，自身存在著很多優(yōu)點(diǎn)，也存在一些不足，主驅(qū)動(dòng)站作為整個(gè)系統(tǒng)中最重要的位置，曲柄機(jī)構(gòu)損壞后，進(jìn)行更換非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此在該部件維修更換前，利用有限元方法進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供方向及理論依據(jù)。同時(shí)這種方法也可以推廣到其他類似故障排除及解決過程中，目前在機(jī)器人螺柱焊槍故障維修過程中使用此方法，也取得了良好效果。