1、变步距端子切割机构设计及有限元仿真 张淑红 陶自春 苏州工业职业技术学院机电工程系 快捷半导体(苏州)有限公司研发部 摘 要： 提出一种变步距端子切割机构, 用于端子联的切割压接, 可实现端子联进给、夹紧、切割数量在 26 个间柔性可调。通过 UG/Modeling 功能建立变步距端子切割机构的三维实体模型, 利用 UG/Motion 运动仿真对所设计机构的三维实体模型进行运动学特性分析, 验证该机构运动过程无干涉发生。利用 UG 高级仿真图形分析该机构运动部件的应力与位移变化情况, 找出机构中受力最大、最易破坏变形的受力点, 进行可靠性分析;通过有限元分析得出运动部件的应力和位移变化趋于线性
2、, 远低于机构的许用值, 满足设计要求。该机构已授权发明专利, 并与合作企业进行了生产性中试, 经过试验验证, 证明了该机构的可行性。关键词： 变步距; 端子切割; 柔性; 有限元仿真; 作者简介：张淑红 (1976) , 女, 硕士, 副教授, 主要从事机电设备自动控制与仿真方面的科研和教学工作。E-mail:。收稿日期：2016-05-04基金：苏州市科技计划资助项目 (SYG201347) Design and Finite Element Simulation of Terminal Cutting Mechanism of Variable Step DistanceZHANG Sh
3、uhong TAO Zichun Department of Mechanical and Electrical Engineering, Suzhou Institute of Industrial Technology; Research and Development Department, Fairchild Semiconductor (Suzhou) Co., Ltd.; Abstract： A terminal cutting mechanism with variable step length was which applied in cutting and pressing
4、 connection for terminals. It could realize feeding, clamping, and the terminal cutting number could be adjusted between 2 6. A three dimensional solid model of the variable step length cutting mechanism was established by using UG/Modeling function, and the kinematic characteristics of the 3D solid
5、 model of the designed mechanism were analyzed by using UG/Motion simulation. The mechanism has no interference in the dynamic process by modeling and the analysis. The stress and strain of the moving parts of the mechanism were analyzed by using the advanced UG simulation graphics, reliability test
6、 was done for the points on the mechanism with highest stress and most easily deformation. The finite element analysis shows the stress and strain of the moving mechanism are linear and much lower than the stress allowable value of the mechanism, so the design of the moving parts meets the requireme
7、nt. This mechanism has issued the invention patent, and the productive pilot is finished in partner enterprise; the feasibility of this mechanism is proven by the testing.Keyword： Variable step distance; Terminal cutting; Flexibility; Finite element simulation; Received： 2016-05-04随着现代连接器产业的飞速发展, 对连
8、接器相关零组件的加工制造提出了非常大的挑战。端子, 是接插件的核心元件, 端子产品在接线领域的使用日益增多。针对端子联切割的需要, 先后出现了单刃、单向间歇切割方式、多刃组合连续切割方式, 可将端子从端子联上快速精确切下。随着控制技术的不断提升, 切割速度和切割产品质量也得到大幅度提高1-2。当前面临的问题:一套切割装具, 甚至一套切割装备, 只适用于单一型号端子联的切割, 并且切割端子数量不可调, 加工制造成本非常高, 生产效率低。文中旨在改善原有端子切割机的切割工艺, 结合目前国内外切割工艺, 设计一套可柔性调整、高效切割的非标端子切割装置, 以解决现有技术中存在的只能切割单一型号端子、端
9、子数量不可调的问题, 提高端子柔性可调切割, 降低加工制造成本。1 结构设计端子切割可采用冲压切割、气动切割带动切割刀实现, 或者采用锯切割、折弯切割等方法。由于冲压切割和锯切割不适合非标端子形状多变的特点3-4, 设计的端子切割机放弃现有打端子机冲压切割的作业方式, 端子联在生产加工时预制冲出断裂切痕, 利用端子与铜基材连接的切痕处抗弯强度低的特点, 采用折弯切割方式进行切断。拟开发的端子切割机适用于基材为铜质的非标端子联, 且端子切割的质量满足国标和企业的规定, 端子进给、夹紧、切割数量可在26 个端子间柔性可调。在保证端子切割精度和质量的前提下, 端子切割机能根据端子的类型调整每次切割的
10、数量, 通过调整爪具适应不同类型端子联的切割。非标端子切割装置组成如图 1 所示。端子切割机的进给运动可采用电机、气动元件、四杆机构实现5-7, 其基本动作顺序为:推进一定数量的端子联前进进入导槽压爪插入压紧定位端子折弯切割压爪缩回起点, 完成一次进给运动。由于四杆机构较复杂, 在实际设计时可采用电机控制压爪实现进给运动。图 1 非标端子切割装置组成 下载原图文中重点介绍非标端子切割装置如何实现端子切割数量在 26 个端子间柔性可调。其结构示意图如图 2 所示, 包括:6 个压爪、压紧端子轴、端子步距调整轴、第一导向键槽、第二导向键槽及滑移变距盘、第一导向键、第二导向键槽、步距微调机构压缩弹簧
11、和双螺母、滑移变距盘、锁紧机构。以 6 个压爪为例, 滑移变距盘为 5 个, 具体根据一次切割端子的数量柔性调节。其中:压紧端子轴和端子步距调整轴平行排列;第一导向键槽开在压紧端子轴上;第二导向键槽开在端子步距调整轴上;压爪用于压紧端子, 且可根据端子的型号、形状在第一导向槽上进行一定距离的滑移;滑移变距盘位于压爪之间, 用于固定压爪, 且可在第二导向键槽上进行一定距离的滑移8-10。图 2 变步距端子切割机构结构示意图 下载原图此柔性端子切割装置的步距微调机构, 包括压紧弹簧、垫片及双螺母, 其中:压紧弹簧一端与垫片相连, 垫片与双螺母相连, 双螺母固定在压紧端子轴的一端。压紧弹簧通过双螺母
12、和垫片可以对压爪之间的间距进行微调。该端子切割装置的端子步距调整轴包括一锁紧机构, 通过锁紧结构完成对调整好的滑移变距盘的锁紧。图 2 最左侧的压爪 3 固定, 用于定位, 确定一次切割连带端子的起始位, 与连带端子联上的定位孔相重合。图 3 为柔性端子切割装置中滑移变距盘的结构图和轴向展开图。滑移变距盘为变厚度异形圆柱, 其厚度 B 随着转角 而变化, 即 B=f () , 用于不同型号连带端子切割时压爪的固定。设计的关键即为滑移变距盘的结构为变厚度异形圆柱, 能根据被切割非标端子的类型、规格进行变距调整被切割端子的步距, 从而实现一次切割端子数量柔性可调。图 3 滑移变距盘的结构示意图及轴
13、向展开图 下载原图为了验证该机构设计的合理性, 运动过程有无干涉发生, 运动时的受力及变形情况, 下面将对该机构进行三维模型的建立及运动仿真, 并针对该机构的关键部位进行有限元位移和应力分析, 进行机构的可靠性分析。2 建立模型及有限元仿真2.1 基于 UG 的实体模型采用 UG 软件对变步距端子切割机构进行参数化建模, 将 CAD 中绘制的变步距端子切割机构二维图导入到 UG 中, 在建模界面下, 点击“文件导入dwg/dxf”, 选择要导入的 CAD 文件, 对导入的图形进行拉伸、求和、求差等布尔运算操作, 进行实体建模, 最后将各个零件进行装配11-16, 形成完整的三维变步距端子切割机
14、构模型。变步距端子切割机构模型如图 4 所示。装配完成后对整个机构进行运动干涉分析, 分析该机构的运动合理性。先将各个零件选中设置为“LINK”11-16, 然后根据变步距端子切割机构的运动关系设置运动副, 压紧端子轴中的压缩弹簧与压爪间为面接触, 其接触部分的受力较小, 端子步距调整轴中滑移变距盘与压爪之间为点接触, 其接触部分的受力较大, 需重点分析。确定好运动环境后, 进行运动干涉分析。由运动仿真结果可知, 设计的变步距端子切割机构可以较好地模拟端子变步距切割过程, 运动过程无干涉现象。图 4 变步距端子切割机构 UG 实体模型 下载原图2.2 网格划分UG 结构分析提供了两种类型的网格
15、生成器:MSC 和 ANSYS。MSC 实体网格生成器, 用于实体上产生 4 节点或 10 节点的四面体单元, MSC 还可根据实体表面上存在的三角形壳单元产生四面体单元, 并与之建立连接关系, 一般选用 10 节点四面体单元 (Tetra10) 。ANSYS 实体网格生成器, 提供了另外一种产生三维网格的方法, 当用户需要用实体边属性控制网格生成时, 使用 ANSYS 生成器比较理想11-16。MSC 在模型处理方面具有较强的功能, 因此采用 MSC 进行网格划分。考虑到该变步距端子切割机构对切割步距调整特性, 主要用于支承传动、传递扭矩和承受载荷, 要求有较好的机械性能, 因此该机构选用
16、45 钢。在工具条中单击创建三维网格图标 3DMesh, 在弹出的对话框中设置 Mesher 选项为 MSC, 设置 Type为 Ctetra10, 在 Overall Element Size 选择自动, 再在图形窗口中选择实体, 最后单击 Apply 运行。2.3 有限元仿真变步距端子切割的关键是当端子型号改变时, 能根据端子联的定位孔调整步距, 一方面保证实现 26 个端子的进给、夹紧、切割, 另一方面要保证压端子联机构有足够的强度, 压爪能将端子联固定, 保证端子的切割精度。因此进行变步距端子切割机构运动学仿真的目的在于找到受力最大、最易破坏的受力点, 进行可靠性分析。在此对建立的变步
17、距端子切割机构进行简化, 提取出运动的关键部件。根据设计对象为铜质非标端子联, 变步距端子切割机构为 45 号钢质材质, 45 钢的抗拉强度为 600 MPa, 屈服强度为 355MPa, 伸长率为 16% (GB/T699-1999) , 许用应力是 237400 MPa。弹性模量为 210 GPa, 最大变形量为 1.129101.90510mm16。由于安全系数在不同使用场合要求不同, 因此 45 钢在不同工作环境下许用应力和最大变形量略有不同。针对变步距端子切割机构的压紧端子轴和端子步距调整轴进行受力分析, 找到受力最大、最易破坏的受力点, 对变步距端子切割机构进行受力分析可得, 压紧
18、端子轴中压缩弹簧与压爪之间为面接触, 压爪与滑移变距盘之间为点接触, 根据试验得出使用 45 号钢质材质的变步距端子切割机构夹紧铜质的非标端子联需要施加外力范围为 50200 N。UG 应用软件提供了强大的后处理功能, 通过有限元仿真分析得出压紧端子轴和端子步距调整轴受力点的应力和位移分布情况, 图 5 和图 6 分别为压紧端子轴和端子步距调整轴施加最大夹紧力 200 N 时应力和位移分布云图。图 5 压紧端子轴位移和应力云图 下载原图图 6 端子步距调整轴位移和应力云图 下载原图从图 5 可看出:压紧端子轴的最大应力值在承载区的中心, 应力值以该区域为中心向外递减, 越远离载荷区的部位应力越
19、小;局部最大应力为 1.1 MPa 左右, 分布在压爪与滑移变距盘约束部位, 远远小于许用的设定值, 满足设计要求。从图 6 可看出:端子步距调整轴的最大应力值在承载区的中心部位, 应力值以该区域为中心向外递减, 越远离载荷区的部位应力越小;局部最大应力为 115 MPa 左右, 分布在压缩弹簧与压爪受力点上.远远小于许用的设定值, 满足设计要求。针对上述对压紧端子轴和端子步距调整轴应力和位移分析得出端子步距调整轴局部受力较大, 这里重点分析端子步距调整轴承受最大力 200 N 时中心到最边缘应力应变变化情况。通过有限元仿真得出端子步距调整轴受力 200 N 时中心到最边缘应力和应变渐进变化如
20、图 7 所示, 可知:当端子步距调整轴承受 200N的外力时, 运动机构的中心变形较小, 在划分的网格拐点处有一些突变性增大, 最大变形量在端子步距调整轴的最边缘为 7.2510mm, 远小于端子步距调整轴所能承受的最大变形量;当端子步距调整轴承受 200 N 的外力时, 运动机构的中心承受的应力最大为 113.19 MPa, 在划分的网格拐点处有一些突变性减小, 在端子步距调整轴的最边缘承受的应力较小仅为 7.15 MPa, 均远低于机构的许用应力值, 满足设计要求。图 7 端子步距调整轴承受 F=200 N 中心到边缘应力应变变化图 下载原图3 结论设计的变步距端子切割机构, 在保证切割质
21、量的前提下, 通过滑移变距盘实现一次切割端子的数量可在 26 个之间柔性调节, 能根据不同型号的非标端子进行快速调整, 实现一次切割端子数量可调, 提高了企业生产效率, 降低了端子的加工制造成本。该机构已授权发明专利, 并与合作企业进行了生产性中试, 经过试验验证, 证明了该机构的可行性。参考文献1李军辉.全自动高速排线机优化设计与性能研究D.广州:华南理工大学, 2013. 2董国强.自动端子机机构设计与制作D.台北:大同大学, 2007. 3林连忠.一种五金端子切割下料装置的送料机构:CN204621225UP.2015-09-09. 4郑金镇.可斜线或曲线切割的全自动电路板输出端子斜边机
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