基于虚拟样机的汽车点火线圈装配系统设计与仿真_林坤(寡人猪八戒)

* 收稿日期： 2011 － 04 － 06； 修订日期： 2012 － 07 － 13 作者简介： 林坤（ 1982—） ，男，山东济宁人，工程师，硕士，主要从事机械结构设计及分析等研究工作。
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机械设计
第 30 卷第 1 期
原点，完成一个装配周期。本方案中线圈工作台、壳体 工作台 与 主 装 配 机 构 之 间 的 工 作 相 互 控 制 且 相 互 分离。
关键词： 点火线圈; 装配系统; 虚拟样机; 仿真 中图分类号： TH138 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 2354（ 2013） 01 － 0089 － 04
点火线圈作为汽车电子点火系统的核心部件，其 性能的好坏直接影响到整个点火系统的工作性能乃至 整车动力、燃油经济性及排气净化质量等各项指标。
ignition coil based on virtual prototype technology LIN Kun1 ，DONG Gui-peng2 ，XU Cai-xia3
（ 1． The 718 Research Institute of CSIC，Handan 056027，
China； 2． Research Center of China Heavy Car，Ji' nan 250100，
China； 3． Tianjin OTIS China Co． ，Ltd． ，Tianjin 300457，China）
Abstract： The ignition coil assembly is an important part of
production process，but the assembly technology was developed
装配系统主要由线圈工作台、壳体工作台和主装 配机构组成。其中，线圈工作台由分度台、组合线圈定
位元件、安装就位传感器和到位传感器组成； 壳体工作 台由分度台、壳体定位元件、安装就位传感器、壳体到 位传感器和检测传感器组成； 主装配机构由可升降抓 取机构、压壳机构和横梁气缸组成。
图 1 装配方案示意图
初、次级线圈由操作者手工取件，手工完成装配， 然后将装配后的组合线圈和壳体分别放到线圈工作台 和壳体工作台相应的定位元件 1 上。待装配件安装就 位后按下启动按钮，线圈工作台和壳体工作台将组合 线圈和壳体送到安装工位 2，而原工位 2 上的组合线 圈和壳体被送到工作工位 3 处。工作台上相应的到位 传感器发出使能信号，抓取机构下降抓取组合线圈，抓 取后上升到横梁气缸，沿横梁气缸将组合线圈送到壳 体上方，然后下降将组合线圈初步送到壳体内，最后由 压壳机构将组合线圈装配到壳体内，主装配机构返回
3 压壳过程动力学仿真
图 3 压壳过程刚柔耦合模型
3． 2 刚柔耦合仿真 刚柔耦合仿真的目的主要有两方面，一是得到合
适的下压力； 二是导出线圈的受力载荷文件。 组合线圈与端子的有效下压距离为 6 mm，取下压
速度为 48 mm / s 和 120 mm / s，相应的下压时间为 0． 05 s 和 0． 125 s，分别对两个极限情况进行仿真，得到单个 端子下 压 方 向 反 作 用 力，其 仿 真 曲 线 如 图 4 ～ 图 7 所示。
第 30 卷第 1 期 2013 年1 月
机械设计
JOURNAL OF MACHINE DESIGN
Vol． 30 No． 1 Jan． 2013
*
基于虚拟样机的汽车点火线圈装配系统设计与仿真
林坤1 ，董桂鹏2 ，许彩霞3
（ 1． 中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北 邯郸 056027； 2． 中国重型汽车集团有限公司技术发展中心，山东 济南 250100； 3． 天津奥的斯电梯（ 中国） 有限公司，天津 300457）
从点火线圈的工艺来分析，其线圈的装配是该产 品从设计到投入市场的一个很重要的环节。目前，在 我国点火线圈的装配方法中，初、次级线圈的装配及组 合线圈初步放入壳体内等一系列过程都是由工人手工 完成的。这一过程中为避免工人手上汗渍对线圈质量 产生影响，工人必须配戴手套操作，因此，手工放入壳 体内的线圈位置误差较大，而且装配效率降低，装配精 度下降，严重影响了点火线圈的质量。
（ a）
（ b）
（ a）
（ b）
（ c） 图 9 极限 2 下的反作用力、下压速度与下压位移
由仿真曲线可以看出，单个压杆柱下压力为 60 N 和 70 N 时反作用力和下压速度变化都较为平缓，平均 下压速度分别为 23 mm / s 和 26 mm / s。由实际有效下 压距离为 6 mm 可得下压时间分别为 0． 26 s 和 0． 23 s。为提高下压安全系数，同时获得较高的下压速度， 取单个压杆柱下压力为 70 N。由此可得总下压力 F = 70 × 4 = 280 N。 3． 4 线圈柔性体应力应变分析
在装配过程中压壳是影响装配质量的最重要的一 步，压壳力的大小决定了次级线圈骨架两端子孔耳的 应力应变，直接影响装配质量。
一般来说，机构在较大的载荷作用下做加速或者 减速运动，且产生较大的弹性变形时，为更好、更真实 地模拟机构的动态性能，就必须在静力学基础上进一 步将构 件 作 为 弹 性 体 对 其 进 行 刚 柔 耦 合 动 力 学 分 析 ［1 － 3］。
从图中可以看出，当下压的速度为 120 mm / s 时， 两个极限情况的下压反作用力中心最大值分别为 150 N 和 250 N。当下压的速度为 48 mm / s时，两个极限情 况的下压反作用力中心最大值分别为 75 N 和 85 N。 由此可见，下 压 反 作 用 力 的 大 小 与 下 压 速 度 成 正 比。 在仿真中，下压速度不变，为刚性，因此在下压速度较 大时，出现较大的反作用力波峰，而实际下压过程中下 压的速度为柔性的，因此实际反作用力相对较小。故 每个压杆柱下压力初步定为 60 ～ 100 N。
slowly and the assembly of equipment was dropped behind in do-
mestic，which badly constrained on the ignition coil production and
affected the quality． Therefore，designing a set of ignition coil as-
sembly equipment is of great significance to improve the quality and
efficiency． Assembly system principle program on model of ignition
coil was proposed after analysis of the first，second coils，shell and
林坤，等： 基于虚拟样机的汽车点火线圈装配系统设计与仿真
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图 6 极限 1 下的低速反作用力
（ c） 图 8 极限 1 极限 2 下的低速反作用力
3． 3 刚柔耦合模型参数化分析 为了进一步得到最优的下压力，在前面仿真的基
础上利 用 ADAMS 参 数 化 分 析 中 的 设 计 研 究 进 行 分析。
利用 ANSYS 导出的柔性体文件在 ADAMS 中建立 刚柔耦合模型，如图 3 所示。
2 装配系统模型的建立
根据方案中各部分所要实现的功能，设计装配系 统结构如图 2 所示。
1 底座； 2 壳体工作台； 3 线圈工作台； 4 安全罩； 5 横梁导轨气缸； 6 机械手； 7 支柱型材 图 2 装配系统总体结构三维模型
摘要： 点火线圈的装配是点火线圈生产过程中的重要一环，而点火线圈装配技术在国内发展迟缓，装配设备落后，严 重制约点火线圈的批量生产，影响了点火线圈的质量。因此，设计一套点火线圈装配设备，对提高点火线圈的质量和装 配效率有着重大的现实意义。首先根据某型号汽车点火线圈中的初、次级线圈、壳体的特征和设计要求，提出了装配系 统的方案并进行了结构设计。其次，对重要部件建立刚柔耦合模型，利用 ADAMS 参数化分析中的设计研究方法，对装 配过程中装配机构的下压力进行动力学分析，得出最佳下压力数值。利用 ANSYS 中对线圈施加最优下压力时的动载荷 进行应力应变分析，得出线圈的最大应力应变点，校核了线圈骨架的强度。
当样机的某个设计变量发生变化时，或者取不同 的设计变量时，样机的性能将会发生变化。在设计研 究过程中，某个设计参数在一定的设计范围内设置若 干不同的值，然后每次取一个不同的设计参数，自动进 行仿真分析，完成设计研究后得出每次分析的结果。
对仿真模型创建设计变量为单个压杆柱下压力， 取值范围 60 ～ 100 N。创建测量曲线为端子下压方向 反作用力、线圈下压速度、下压位移。对模型进行参数 化仿真，得到图 8、图 9。
装配系统由底座、壳体工作台、线圈工作台、主装 配机构、安全罩和支柱型材组成。壳体和组合线圈由 工人分别放到两个工作台相应的定位元件中，检测传 感器发出控制信号控制分度台旋转，旋转到位后，机械 手下降抓取组合线圈，抓取线圈后上升并沿着导轨将 线圈送到壳体上方，然后机械手下降将组合线圈初步 装配到壳体内，最后由机械手的压壳机构完成最终装 配。各部分依次复位返回原点，完成一个装配周期。
design requirements． The rigid and flexible model for the important
4 结论
根据某型号汽车点火线圈的特征和设计要求，提
出装配系统的方案，进行结构设计，并建立仿真分析模
型，通过下压位移驱动模型得出下压力的取值范围，然
（ a）
后再由参数化分析中的设计研究方法，通过下压力驱
动模型得出最优下压力。
参考文献
（ b） 图 10 两极限情况应力图
［1］ ［2］
［3］
侯红玲，赵永强，魏伟锋． 基于 ADAMS 和 ANSYS 的动 力学仿真分析［J］． 现代机械，2005，8（ 4） ： 62 － 63． 梁浩，余跃庆，张成新． 基于 ADAMS 及 ANSYS 的柔性 机器人 动 力 学 仿 真 系 统［J］． 机 械 科 学 与 技 术，2002 （ 11） ： 82 － 89． 李军，邢俊文，覃文浩． ADAMS 实例教程［M］． 北京： 北京理工大学出版社，2002： 135 － 150．