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新型真空吸盤作為一款新產(chǎn)品，它是基于風(fēng)琴吸盤的形狀和尺寸，結(jié)合經(jīng)驗設(shè)計而來的，由于吸盤中間的剛性支撐桿承載絕大部分的載荷，為了節(jié)省材料，可以對吸盤體進行輕量化設(shè)計。本文只介紹吸盤體壁厚的優(yōu)化，其他部分尺寸優(yōu)化另文撰寫。

1、吸盤體輕量化的數(shù)學(xué)模型

為了更好地對新型真空吸盤進行有限元分析，在不影響研究的前提下，對新型吸盤模型進行適當?shù)暮喕?。本文只研究工作中容易損壞的吸盤組件部分( 下文稱為吸盤體) ，該部分是由吸盤座、支撐桿、支撐球頭和吸盤頭四部分組成，由于吸盤座、支撐桿和支撐球頭都是通過螺紋緊密連接在一起，在有限元分析中看成同一零件，材料為45#鋼。吸盤頭的材料是橡膠。如圖7 所示，利用ANSYS Workbench 軟件建立吸盤體的有限元模型。

圖7 吸盤體的有限元模型

為了更加準確地對吸盤體進行分析，先根據(jù)新型真空吸盤的工作狀況建立吸盤體的數(shù)學(xué)模型。

( 1） 設(shè)計變量：通過對吸盤體結(jié)構(gòu)的研究分析，設(shè)定4 個設(shè)計變量X1，X2，X3和X4。根據(jù)吸盤體的實際情況，設(shè)定他們所要滿足的尺寸要求為：

式中X1為吸盤體第一個轉(zhuǎn)彎處的厚度；X2為吸盤體第二個轉(zhuǎn)彎處的厚度；X3為吸盤體第三個轉(zhuǎn)彎處的厚度；X4為吸盤體底部的厚度。

( 2）狀態(tài)變量：對于吸盤體，為了使其在實際工作中不會因為超過材料的許用應(yīng)力而影響新型真空吸盤的工作，則吸盤體在實際工作載荷下等效應(yīng)力的最大值應(yīng)滿足：

( 3）目標函數(shù)：在吸盤體的剛度和強度都滿足要求的情況下，通過優(yōu)化分析計算出吸盤體的最小重量，從而達到節(jié)省材料的目的，可以得出吸盤體輕量化的目標函數(shù)為

2、 吸盤體結(jié)構(gòu)輕量化的實現(xiàn)

完成吸盤體的輕量化模型后，使用ANSYS Workbench 中的Design Exploration 模塊對其進行優(yōu)化分析，通過對整個優(yōu)化過程15 次迭代的動態(tài)觀察，得出吸盤體設(shè)計變量、吸盤體狀態(tài)變量和吸盤體目標函數(shù)的變化過程曲線，如圖8-圖10 所示。

圖8 吸盤體設(shè)計變量的變化過程曲線

圖9 吸盤體狀態(tài)變量的變化過程曲線

圖10 吸盤體輕量化目標函數(shù)的變化過程曲線

通過觀察可以得知在迭代第12 次時發(fā)生收斂，得出最優(yōu)解并取得理想值，此時吸盤體的質(zhì)量從1.251 減少到0.922 g，質(zhì)量降低了26.3%，第一個折彎處壁厚從2 降低到1.361 mm，第二個折彎處的壁厚從2 降低到1.353 mm，第三個折彎處的壁厚從1. 5 降低到1. 083 mm，吸盤體的底部壁厚從4.75 降低到3.145 mm，材料較現(xiàn)有吸盤體有了更充分地利用。

3、優(yōu)化后的吸盤測試分析

通過對優(yōu)化后的吸盤體進行仿真，得出優(yōu)化后的吸盤體的靜強度和靜剛度仍然滿足要求。將優(yōu)化后的尺寸研發(fā)的新型真空吸盤在柔性玻璃定位銷裝配工裝中的試用，發(fā)現(xiàn)效果非常好。