李振偉，李建華

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050)

固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)研究

李振偉，李建華

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050)

針對(duì)固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在裝配過程中因設(shè)計(jì)原因無(wú)法裝配的問題。利用虛擬裝配技術(shù)，建立虛擬零件模型和虛擬樣機(jī)模型。對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，檢測(cè)并分析了虛擬樣機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中的干涉現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的虛擬裝配，縮短了開發(fā)周期，節(jié)約了資本。

固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);虛擬裝配;運(yùn)動(dòng)仿真

0 前言

鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組是電解鋁行業(yè)專門用于生產(chǎn)重熔鋁錠的集機(jī)、電、光、液和氣于一體的自動(dòng)化成套冶金生產(chǎn)線。在PLC程序控制下，鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組可以自動(dòng)完成鋁錠的鑄造、冷卻、堆垛、打包和成品運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)工序［1］。鑄造出的鋁錠外形如圖1所示［2］。

圖1 鋁錠外形Fig.1 Appearance of aluminium ingot

固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組重要裝備，其工作目的是按照鋁錠碼垛工藝順序?qū)崿F(xiàn)鋁錠自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。鋁錠翻轉(zhuǎn)裝置零件多，裝配復(fù)雜，且在研發(fā)階段由于設(shè)計(jì)上存在失誤導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法裝配，需要從新設(shè)計(jì)。針對(duì)固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在研發(fā)階段存在的這類問題，本文采用虛擬裝配的設(shè)計(jì)方法，即從裝配的角度進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在產(chǎn)品研發(fā)階段通過試制虛擬樣機(jī)來(lái)檢查產(chǎn)品的可裝配性，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行開發(fā)，同時(shí)考察產(chǎn)品的可裝配性，尋求最佳裝配工藝。

1 固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理原理及其虛擬建模

1.1 固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理

固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖2所示，基功能按照碼垛標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)第一層全部四塊鋁錠和第2層至第11層中的第2、4塊鋁錠翻轉(zhuǎn)180°。傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用往復(fù)式半行程翻轉(zhuǎn)，由氣壓或液壓驅(qū)動(dòng)的一對(duì)結(jié)構(gòu)相同的翻轉(zhuǎn)機(jī)組成，其控制性能差，翻轉(zhuǎn)同步性差，沖擊大，可靠性低，且由于有半圈空行程，效率低。因此，為滿足高效連鑄要求，如何提高翻轉(zhuǎn)效率，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)同步翻轉(zhuǎn)、無(wú)沖擊是翻轉(zhuǎn)裝置需要解決的難點(diǎn)。

圖2 固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural scheme of fixed aluminum turnovermechanism

1.2 固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)虛擬建模

零部件虛擬建模是虛擬裝配的第一個(gè)環(huán)節(jié)，本文在深入了解了固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、工作原理、工況環(huán)境的基礎(chǔ)上，運(yùn)用參數(shù)化虛擬裝配設(shè)計(jì)方法，以三維CAD軟件Pro/E5.0為軟件平臺(tái)，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、鏡像、倒角等特征操作，建立翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的零件模型如圖3所示。

圖3 固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)零件模型Fig.3 Partmodels fixed aluminum turnovermechanism

2 固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)虛擬裝配及虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 虛擬裝配

在完成零部件虛擬建模之后，接著進(jìn)入虛擬裝配設(shè)計(jì)的第二個(gè)環(huán)節(jié)，利用仿真手段在虛擬環(huán)境中進(jìn)行翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的虛擬裝配，基于Pro/E5.0軟件建模時(shí)，樣機(jī)裝配模型通常按位置和功能關(guān)系分為若干個(gè)子裝配體，每個(gè)子裝配體又有若干個(gè)零、部件組成，這樣使整個(gè)模型層次分明，便于查找及修改;圖4為固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝配體的子裝配體的裝配仿真過程，從圖中可以清晰地看到翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝配體的各組成零、部件。圖5為虛擬樣機(jī)的分解視圖。

2.2 虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

運(yùn)動(dòng)仿真虛擬裝配設(shè)計(jì)的第三個(gè)環(huán)節(jié)，虛擬樣機(jī)模型建成之后，點(diǎn)擊“應(yīng)用程序”、“機(jī)構(gòu)”，點(diǎn)擊“編輯”、“查找”完成運(yùn)動(dòng)軸的設(shè)置。點(diǎn)擊“插入”、“齒輪”完成齒輪嚙合的設(shè)置。點(diǎn)擊“插入”、“伺服電機(jī)”完成伺服電機(jī)的設(shè)置。

完成這些設(shè)置之后，接著進(jìn)入機(jī)構(gòu)分析模塊，點(diǎn)擊“分析”、“機(jī)構(gòu)分析”打開分析定義對(duì)話框，先完成各伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)優(yōu)先級(jí)的設(shè)置，再進(jìn)行總運(yùn)動(dòng)時(shí)間和幀的設(shè)置。完成這些設(shè)置之后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析。分析完成單擊“確定”按鈕，點(diǎn)擊“分析”、“回放”打開回放對(duì)話框，在回放對(duì)話框里可進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞干涉檢測(cè)設(shè)置，碰撞干涉檢測(cè)分為無(wú)碰撞檢測(cè)、全局碰撞檢測(cè)、局部碰撞檢測(cè)三個(gè)檢測(cè)級(jí)別。根據(jù)需要設(shè)置好碰撞檢測(cè)級(jí)別，然后點(diǎn)擊回放按鈕進(jìn)行碰撞檢測(cè)分析，圖6為一對(duì)齒輪嚙合發(fā)生碰撞干涉(圖中粗黑線部分所示)。進(jìn)行齒廓間相對(duì)位置調(diào)整，消除齒廓間的碰撞干涉。實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真，虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真過程如圖7所示。

通過運(yùn)動(dòng)仿真、干涉檢驗(yàn)把理論結(jié)果和實(shí)際模型作對(duì)比，使理論和實(shí)際達(dá)到了完美的結(jié)合。碰撞檢測(cè)后如果沒有發(fā)現(xiàn)干涉現(xiàn)象，單擊“捕捉”運(yùn)行機(jī)構(gòu)就可以將運(yùn)動(dòng)過程輸出成MPG格式的影像文件［4］。

3 結(jié)論

基于在產(chǎn)品研發(fā)階段，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)上存在失誤，導(dǎo)致固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在裝配過程中無(wú)法裝配，以Pro/E5.0為軟件平臺(tái)，利用虛擬裝配技術(shù)，建立固定式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的虛擬零件模型和虛擬樣機(jī)模型，成功地在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，完成了產(chǎn)品的裝配過程。對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，考察了虛擬樣機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中的干涉現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的虛擬裝配。達(dá)到了縮短開發(fā)周期、節(jié)約資本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的并行開發(fā)。

［1］蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院項(xiàng)目組．鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)及成套設(shè)備研制科研工作總結(jié)報(bào)告 ［R］．2003．

［2］趙俊天，李鄂民，魏興春，等.LZJ－22新型全自動(dòng)鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組的研制 ［J］．重型機(jī)械，2009(2)．

［3］詹肇麟，楊躍奎，張曉龍，等.虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究 ［J］．昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，26(4):99－10．

［4］詹友剛.Pro/ENGINEER中文野火版教程─專用模塊［M］.北京:清華大學(xué)出版社，200．

［5］梁建華.20kg鋁錠連鑄機(jī)搭錠機(jī)構(gòu)的虛擬裝配設(shè)計(jì)［D］．蘭州:蘭州理工大學(xué)，2006．

Simulation design fixed alum inum turnover mechanism

LIZhen-wei，LI jian-hua
(School of Mechanical＆Electronical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

Aiming at the problem caused by the designmistakes，which result in assembly difficulty of the fixed aluminum turnovermechanism，themodels of virtual prototype and virtual parts were built with the virtual assembly technology．Themotion simulation of virtual prototype was carried out．The interference phenomenon of the virtual prototype in the movement process was surveyed．The virtual assembly of the turnover mechanism was realized．With the virtual technology，the development cycle of the productwas shortened，and the cost and the labor intensity were reduced．

fixed aluminum turnovermechanism;virtual assembly;motion simulation

TF777

A

1001－196X(2012)05－0071－03

2012－04－04;

2012－05－21

李振偉(1986－)，男，蘭州理工大學(xué)碩士研究生。