缸盖低压检测站结构设计与仿真研究

陶 鑫，鲍君华，何卫东

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

随着社会经济的发展及各国智能制造战略的推进，制造业现在不仅要求生产质量还要求生产效率[1]。缸盖生产后需要对其中的冷却水路进行泄漏检测，也就是低压检测(下文都称作低压检测)[2-4]。若不进行低压检测，可能导致缸盖“带病装车”，将造成严重的后果[5-7]。传统的低压检测需要4名操作工，其中2名负责装夹缸盖、试漏观察、打标记及抄数，2名操作工负责吹干零件表面的残留水分。这种传统的低压检测方式效率低下，并且需要将缸盖完全没入水中造成额外的工序，对检测人员的责任心和经验要求高[8,9]。因此，迫切需要开发一套自动化程度高的低压检测站。

1 总体方案设计

本文所设计的缸盖低压检测站需要将AGV运送过来的缸盖送到指定位置，并将缸盖装夹到检测工位，检测完毕后再将其送到指定位置。因为缸盖检测完毕后还要运输到下一步工位进行下一步生产操作，因此需要一段直线段运输和180°转弯段运输设备。由于缸盖要从指定位置装夹到检测工位，还需要设计一个缸盖夹取装置。当然，缸盖进行低压检测还需要一个低压检测装置。最后，还需要个计算机控制台控制上述所有装置合理运作，检测时只需要1位检测人员操作控制台即可。

自动化低压检测站的总体方案设计如图1所示。

2 建立三维模型

运用SolidWorks软件对低压检测站进行三维实体建模。低压检测站包括计算机控制台、夹取装置、传送输入装置、传送输出装置和低压检测装置，其三维模型如图2所示。

3 静力学分析及优化

3.1 辊筒支撑板静力学分析

辊筒支撑板是整个传输装置的主体结构，支撑所有辊筒以及缸盖的重量，支撑板的性能关系着整个传输装置的平稳运行，所以对其强度和刚度进行校核，验证其是否满足工作要求。

图1 自动化低压检测站总体方案设计

图2 建立的低压检测站三维模型

将辊筒支撑板模型导入ANSYS有限元分析软件，划分网格后，选择需要承受载荷的面，并在选好的面上添加缸盖和辊筒的重量2 500 N作为载荷，方向为重力方向。最后进行求解，求解后得到辊筒支撑板的应力和变形云图，如图3所示。

根据仿真结果显示，列出辊筒支撑板产生的具体数据，如表1所示。

图3 辊筒支撑板应力和变形云图

表1 辊筒支撑板的分析数据

根据静力学分析结果可知，辊筒支撑板最大应力远远小于辊筒支撑板选用材料Q235结构钢的许用应力235 MPa，最大变形量也远远小于设计要求的0.1 mm。

3.2 导轨支撑梁静力学分析

导轨支撑梁是夹取装置位移部分的主要支撑结构，支撑整个导轨以及缸盖和其他部件的重量，是夹取装置能否正常运行的基础，所以应对其强度和刚度进行校核，验证其是否满足工作要求。

将导轨支撑梁模型导入有限元分析软件ANSYS，划分网格后，将支撑梁的上表面作为施加力的面，并在此面上添加缸盖、夹取装置以及上支撑板的重量-3 500 N(负号代表力的方向)，最后进行求解。求解后得到导轨支撑梁的应力和变形云图，如图4所示。

图4 导轨支撑梁应力和变形云图

根据仿真结果显示，列出导轨支撑梁产生的具体数据，如表2所示。

表2 导轨支撑梁的分析数据

根据静力学分析结果可知，导轨支撑梁的最大应力远远小于支撑梁材料Q235结构钢的许用应力235 MPa，最大变形量也在0.1 mm内，满足设计要求。

3.3 上支撑板拓扑优化

上支撑板是用来支撑上方提拉气缸以及夹取缸盖时的所有重量，是整个夹取装置正常工作的保证。将上支撑板模型导入有限元分析软件ANSYS，划分网格后，选择支撑板上表面为载荷的承载面，并在面上添加-3 000 N(夹取装置和缸盖的重量)的力，同时定义力的大小和方向。最后进行求解，求解后得到上支撑板的应力和变形云图，如图5所示。

图5 上支撑板应力和变形云图

根据仿真结果显示，列出上支撑板产生的具体数据，如表3所示。

表3 上支撑板的分析数据

由有限元分析结果可知，上支撑板所需的刚度和强度满足要求，且距离上支撑板选用材料Q235结构钢的许用应力235 MPa和设计要求的最大安全变形量0.1 mm还有一定空间，所以对其结构进行拓扑优化，以减轻重量。将拓扑优化模块连接到之前的静力学分析模块上，设置优化区域和保留质量后，进行优化求解。求解后的结果如图6所示。

根据计算机求解后的结果改进原有上支撑板，结果如图7所示。

图6 拓扑优化后 图7 优化后的上支撑板上支撑板示意图

为检验优化后的上支撑板是否满足刚度和强度要求，需要对优化后的上支撑板进行有限元分析。按照之前分析的步骤重新进行求解，求解后的结果如图8所示。

图8 优化后的上支撑板应力和变形云图

根据仿真结果显示，列出优化后上支撑板产生的具体数据，如表4所示。

表4 优化后上支撑板分析数据

有限元分析的结果表明：优化后上支撑板重量从原来的35 kg减少到22.75 kg，重量减少了35%的同时其最大应力依旧小于选用材料Q235结构钢的许用应力235 MPa，最大变形量也小于设计时要求的0.1 mm。因此优化后的上支撑板仍然满足设计要求，优化有效。

4 结论

本文运用三维建模技术设计了出一款集运输、装夹、检测于一体的缸盖低压检测站，并利用有限元分析软件对设计出的三维模型进行了刚度、强度校核，并在满足刚度和强度的基础上对传输机构进行了拓扑优化，在减轻了自身重量的同时节省了制造成本。