王雪婷，柴敬平，溫 淏

（1.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺264670；2.煙臺職業(yè)學(xué)院船舶工程系，山東煙臺264670）

自定心滑刷連桿式導(dǎo)向裝置的設(shè)計與仿真分析

王雪婷1，柴敬平2，溫 淏2

（1.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東煙臺264670；2.煙臺職業(yè)學(xué)院船舶工程系，山東煙臺264670）

針對無心車床、剪切機(jī)等長圓金屬加工設(shè)備工作過程中棒料振動大、難定心等問題，設(shè)計一種自定心滑刷連桿式導(dǎo)向裝置。研究對導(dǎo)向裝置進(jìn)行層次劃分，以SolidWorks為平臺建立各零件的三維數(shù)字化模型并依此生成裝配體，在此基礎(chǔ)上生成干涉檢查與裝配體統(tǒng)計信息，并結(jié)合幾何模型對滑刷、導(dǎo)向塊等關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，生成工程圖紙。最后，借助Composer對導(dǎo)向裝置進(jìn)行了工作過程仿真分析，并生成裝置導(dǎo)向過程中滑刷打開與閉合等運動視頻動畫。

自定心；導(dǎo)向裝置；SolidWorks；設(shè)計；仿真

無心車床、剪切機(jī)等長圓金屬加工設(shè)備在執(zhí)行剝皮、剪切等工作過程中，金屬不僅要承受矯直機(jī)等推送設(shè)備的推送力，而且要承受來自加工設(shè)備的軸向力或剪切力。如果不對其加以引導(dǎo)就必然會引起金屬的徑向跳動，從而對剝皮、剪切過程的順利進(jìn)行產(chǎn)生極為不利的影響。為了保證設(shè)備能夠最大程度地減小定位誤差與提高加工精度，保證加工過程順利進(jìn)行，需要一種自定心導(dǎo)向裝置。該裝置需滿足4點要求：1）支撐棒料來保證棒料在穿過導(dǎo)向裝置過程中有足夠的剛度；2）減小棒料的振動量的同時使棒料中心和刀盤中心保持一致；3）工作過程中金屬的移動不影響刀盤中心的運動；4）能適應(yīng)不同直徑的長圓金屬材料［1］。

根據(jù)上述要求，本文設(shè)計了一種自定心滑刷連桿式導(dǎo)向裝置。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 設(shè)計方案

目前，國內(nèi)外常用的自定心裝置形式多為齒輪齒條式、連桿定心輥式與凸輪夾緊式等三點自定心中心架形式。本文在綜合多種不同形式的定心導(dǎo)向裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計了滑刷、連板、導(dǎo)向塊等零件，結(jié)合連桿機(jī)構(gòu)具有回程精度高、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、設(shè)計制造成本低等特點設(shè)計了自定心滑刷連桿式導(dǎo)向裝置，如圖1所示。

由圖1可知，導(dǎo)向裝置主要由機(jī)械部分和液壓動力系統(tǒng)兩部分組成。安裝在機(jī)架上端的液壓夾緊油缸1、儲能彈簧2、導(dǎo)向塊9和導(dǎo)套10組成了導(dǎo)向裝置的液壓動力系統(tǒng)。導(dǎo)向塊9的下端通過接頭螺母3連接有驅(qū)動板8，驅(qū)動板8的左右兩端分別通過鉸接軸連接有一個連桿4，壓板7與連桿4配合起到控制連桿運動線路的作用。導(dǎo)向裝置左右各布置一個V型滑刷6，V型滑刷6的外端連接有滑塊5，滑塊5的外端與同一側(cè)連桿4的外端相鉸接［2］。

圖1 導(dǎo)向裝置工作原理

該裝置具有適應(yīng)多直徑棒料、定位穩(wěn)定、回程精度高、響應(yīng)速度快、方便機(jī)械或自動控制及能夠大幅度提高工作效率等特點。

1.2 工作原理

導(dǎo)向?qū)χ醒b置對長圓金屬的夾緊操作由液壓缸的獨立運動實現(xiàn)，先預(yù)對中，后精對中。

（1）預(yù)對中。工作前，工人將長圓金屬直徑數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)控制中心，控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的圓鋼數(shù)據(jù)，在棒料進(jìn)入定心機(jī)架前，控制液壓缸電磁閥右位電磁鐵工作，液壓缸壓力增加，活塞桿在壓力的作用下外伸帶動接頭螺母3與驅(qū)動板8向下移動，使得左右1對連桿4沿著導(dǎo)槽移動，從而使兩側(cè)的滑刷6同步向外側(cè)打開，將滑刷開口度開至（D+10）mm（即每邊預(yù)留5mm），實現(xiàn)兩側(cè)滑刷預(yù)對中。在預(yù)對中過程中，都是控制系統(tǒng)自動進(jìn)行，且預(yù)對中過程非常快，一般來說棒料還未輸送到對中區(qū)域時預(yù)對中就已完成。

（2）精對中。當(dāng)棒料頭部輸送至剛通過導(dǎo)向?qū)χ醒b置時，光電管檢測到棒料，電磁閥左位電磁鐵工作，液壓缸壓力降低，到達(dá)夾緊位置，裝置立刻進(jìn)行精確對中?？刂葡到y(tǒng)將滑刷開口度開至（D+2）mm，圓鋼就被兩側(cè)滑刷推至此直徑范圍內(nèi)運行。在精對中過程中，圓鋼一直運動，無需停留等待。

當(dāng)圓鋼尾部完全通過導(dǎo)向?qū)χ醒b置時，光電管檢測不到棒料（發(fā)訊），導(dǎo)向?qū)χ醒b置立即打開至初始位置等待下一根棒料對中。每對一根圓鋼完成剝皮或剪切工作，導(dǎo)向?qū)χ醒b置完成1次預(yù)對中，1次夾緊和1次打開動作，此動作循環(huán)工作。

2 SolidWorks環(huán)境下設(shè)計

三維數(shù)字化模型的建立是運動仿真分析與實體樣機(jī)制作與開發(fā)的基礎(chǔ)。本文依托SolidWorks建立三維數(shù)字化模型，建立導(dǎo)向裝置所有零件的幾何模型。零件建模之前，應(yīng)綜合衡量零件的特點以及與其他零件的裝配關(guān)系，考慮建模順序及基準(zhǔn)面的選取，為零件的裝配打好基礎(chǔ)［3］。

2.1 關(guān)鍵零部件設(shè)計

在圖紙初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用達(dá)索公司SolidWorks軟件對每個零件進(jìn)行建模處理，生成零件模型35個。部分主要零部件設(shè)計如下。

2.1.1 滑刷

滑刷設(shè)計成楔形，中間部位設(shè)置有凹槽。凹槽的設(shè)計尺寸至關(guān)重要，它決定著能通過的棒料直徑范圍及棒料通過時所承受的摩擦力大小，具體參數(shù)如圖2。

圖2 滑刷設(shè)計

導(dǎo)向裝置工作過程中，滑刷起著至關(guān)重要的作用，既要對棒料進(jìn)行夾緊定心導(dǎo)向又要減小對棒料的阻礙作用?；⒃O(shè)置有窄型通槽，可以將棒料通過過程中產(chǎn)生的鐵屑雜物等排除出去，同時起到導(dǎo)向作用；滑刷中間部位的矩形槽口可以在棒料通過過程中減小摩擦力，減小棒料的振動。

2.1.2 連桿

連桿是連接液壓動力源與滑塊滑刷組件的部件，它將來自于接頭螺母的力傳遞給滑塊滑刷組件，實現(xiàn)滑刷的打開與夾緊動作。連桿設(shè)計成軛形，軛形連桿夾角為150.98°，圓角為R50，1對連桿通過驅(qū)動板連接，在接頭螺紋的作用下運動。

2.1.3 滑塊

滑塊是連接連桿與滑刷的部件，它可以將連桿的半回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榛⒌耐鶑?fù)運動，從而將力施加給滑刷，實現(xiàn)對棒料的夾緊與打開?；瑝K的外端與同一側(cè)連桿的外端相鉸接，滑塊設(shè)計時有與連桿的弧線相匹配的弧線設(shè)計，便于實現(xiàn)滑刷的運動范圍的限定，具體參數(shù)如圖3所示。

圖3 滑塊設(shè)計

2.2 裝配體生成

裝配體的裝配順序至關(guān)重要，裝配體零部件之間的關(guān)系是有層次的，裝配層次描述了機(jī)械產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，是裝配模型的主框架，裝配樹的層次關(guān)系也體現(xiàn)了實際產(chǎn)品的裝配順序［4］。分析導(dǎo)向裝置的功能與機(jī)構(gòu)，將裝配體分解成3個模塊，分別為裝置基座、滑刷滑塊連桿機(jī)構(gòu)和液壓動力機(jī)構(gòu)。分析各個模塊所包含的零件，利用SolidWorks中的重合、同心、相切、距離等配合關(guān)系生成各子裝配體，從Toolbox中調(diào)用螺栓、螺母等標(biāo)準(zhǔn)件實現(xiàn)各零件的連接。將各子裝配體組合生成總裝配體，如圖4所示。

完成了裝配體的裝配后，對裝配體生成干涉檢查。用視覺檢查復(fù)雜裝配體中零部件之間是否存在干涉的情況是件異常困難的事情，利用SolidWorks進(jìn)行干涉檢查。選擇“工具”/“干涉檢查”菜單命令，在“屬性管理器”中彈出“干涉檢查”屬性管理器，忽略掉緊密配合、螺紋扣件等需要排除的干涉后，結(jié)果為“無干涉”，符合要求。

3 運動仿真分析

應(yīng)用SolidWorks Composer對導(dǎo)向裝置進(jìn)行運動仿真，可以模擬工作時各部件在不同時刻的位置、運動軌跡以及運動狀態(tài)，并檢測各零部件之間是否干涉。此外，通過運動仿真可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，即時進(jìn)行修改，不斷優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，從而縮短設(shè)計周期、降低費用。

3.1 渲染

打開SolidWorks Composer軟件，選擇“文件”/“打開”菜單命令，找到文件所在位置，導(dǎo)入已建好的自定心滑刷連桿式導(dǎo)向裝置裝配體。開啟設(shè)計模式，在窗口中將時間軸、視圖、屬性等工作窗口調(diào)出，并設(shè)定好工作背景及自動關(guān)鍵幀模式。

裝配體模型導(dǎo)入后，先對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)念伾土炼日{(diào)整，同時添加合適的環(huán)境效果和紋理。為了使效果更佳，須將模式、光源和地面設(shè)置進(jìn)行適當(dāng)配置。

圖4 導(dǎo)向裝置裝配體

3.2 動畫制作

為記錄模型的變化，將模型拖動到合適的位置并創(chuàng)建視圖和照相機(jī)視圖。將運動的各個部件根據(jù)在SolidWorks中測量的位置尺寸調(diào)整到相應(yīng)的位置，再記錄新的視圖，具體步驟如下。

（1）將初始視圖拖拽到時間軸最前端，將光標(biāo)調(diào)整到初始視圖后，選中整個模型在變換中選擇旋轉(zhuǎn)使概念模型能夠環(huán)繞Z軸旋轉(zhuǎn)一周，以供更全面的展示模型。

（2）將各個視圖拖拽到時間軸中，按照順序?qū)⑵渑帕姓R再添加其他零碎的動作關(guān)鍵幀（添加動作的時候注意其他零部件關(guān)鍵幀的添加），根據(jù)模型動作需要在零件運動之前添加4個亮暗交替的關(guān)鍵幀使之顯示為運動前的高亮提醒。在動畫制作過程中可以先將暫時不需要的零部件在可視性中選擇隱藏或透明化，在需要的時候再將其顯示出來，如圖5所示。根據(jù)視角需要添加相應(yīng)的照相機(jī)關(guān)鍵幀且應(yīng)遵循“視角與零件不可同時變化”原則，保證零件位移-視角改變-零件位移的順序。

（3）將動畫的各個關(guān)鍵幀之間的間距調(diào)整至播放速度適中。

3.2.1 裝配體旋轉(zhuǎn)動畫的制作

開啟設(shè)計模式和自動關(guān)鍵幀，先將基礎(chǔ)視圖拖動到時間軸的0 s處建立第一幀，再將時間線移動到4 s處并選中裝配體整體，點擊變換一欄中的旋轉(zhuǎn)按鈕，選擇Z軸為旋轉(zhuǎn)中心，在屬性欄中輸入旋轉(zhuǎn)角度720°即可自動填補關(guān)鍵幀形成模型旋轉(zhuǎn)兩周的動畫。

圖5 可視性的調(diào)整

3.2.2 滑刷夾緊與打開動畫的制作

將模型拖動到合適的位置并創(chuàng)建視圖和照相機(jī)視圖，根據(jù)概念模型的設(shè)計尺寸將各個零件調(diào)整到相應(yīng)的位置，先將阻礙視線的外殼立板在可視性中調(diào)整為隱藏，再分別創(chuàng)建滑刷閉合和完全張開的兩個視圖。在窗口中開啟時間軸，將這兩個視圖以1 s為間隔交替放置在時間軸中并重復(fù)2～3次，如圖6所示。通過兩個視圖的交替變換即可產(chǎn)生滑刷夾緊與打開的動畫。

圖6 視圖的交替放置

3.2.3 爆炸視圖動畫制作

打開窗口勾選視圖按鈕，先將模型調(diào)整到合適位置創(chuàng)建一個視圖，再根據(jù)拆卸順序使用“變換”選項欄中的線性爆炸命令將各個零件拆分并創(chuàng)建一張新的爆炸視圖，如圖7所示。將第一個視圖拖動到時間軸中，將時間線向后調(diào)節(jié)3 s并在該位置插入爆炸視圖，這樣就制作完成爆炸視圖的動畫展示。

圖7 爆炸視圖

3.3 后期處理

首先使用SolidWorks Composer生成動畫，在文件中另存為AVI格式，通過設(shè)置壓縮比即可獲得動畫視頻。然后使用視頻軟件進(jìn)行編輯、字幕和配音等，即可完成概念模型的演示動畫。

4 小結(jié)

本文借助SolidWorks與Composer軟件，針對無心車床、剪切機(jī)等長圓金屬加工設(shè)備執(zhí)行操作過程中金屬振動大、定心難度大等問題自主設(shè)計了一種自定心滑刷連桿式導(dǎo)向裝置，該導(dǎo)向裝置具有適應(yīng)直徑范圍廣、響應(yīng)速度快、生產(chǎn)效率高的特點。設(shè)計過程充分利用三維數(shù)字化設(shè)計軟件參數(shù)化、可視化強(qiáng)的優(yōu)點［5］，完成了零件的設(shè)計與裝配，清晰地模擬了導(dǎo)向裝置的裝配與干涉。利用Composer對導(dǎo)向裝置進(jìn)行了仿真分析，直觀地表達(dá)了導(dǎo)向裝置的組成、核心部件工作原理以及各部件的運動情況。本文的研究進(jìn)展也為機(jī)床夾持提供了新思路，對導(dǎo)向與夾持技術(shù)有較好的借鑒作用。后期工作中仍需繼續(xù)優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)，提高裝置的工作可靠性和穩(wěn)定性。

［1］邢預(yù)恩,要二倉.Pro/Engineer在三輥導(dǎo)向裝置運動系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］.制造業(yè)自動化,2011（22）:54-56.

［2］魏慶福,阮學(xué)政,張國憲.自定心滑刷連桿式前導(dǎo)機(jī)構(gòu):中國,CN203265645U［P］.2013-11-06.

［3］張志利,褚識廣,龍勇,等.基于CATIA和3DVIAComposer的液壓元件虛擬裝配仿真［A］//第九屆制造業(yè)自動化與信息化技術(shù)研討會論文集［C］.武夷山:中國機(jī)械工程學(xué)會機(jī)械工業(yè)自動化分會,2010:281-284.

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Design and virtualsimulation analys is of self-alignmentbrush-rod guiding device

WANGXue-ting1,CHAIJing-ping2,WENHao2
（1.Yantai CIMC Raffles Off shore Ltd.,Yantai264670,China;2.Department of Shipping Engineering,Yantai Vocational College,Yantai264670,China）

For longand circularmetal processing equipmentsuch ascenterless latheand trimmachine,metalwill shakewhen theyworked.So paper designsa self-alignmentguide devicewith slider-brush and rod.According to the optimization design,classify the assembly layer ofguide device,construct the three-dimensionmodels of all parts and assembly,create the interference checking and assembly statistics,achieve the drawing of all parts based on Solid Works.Moreover,papermake an virtualassembly simulation of the device and obtain a series of animated videosbased on Composer.

self-alignment;guidedevice;Solid Works;design;simulation

TH112.1

A

1008-0171（2017）06-0041-06

2017-03-09

山東省高等學(xué)?？萍加媱澷Y助項目（J15LB67）；煙臺職業(yè)學(xué)院科研資助項目（2016XBYB006）

王雪婷（1985-），女，山東昌邑人，煙臺中集來福士海洋工程有限公司助理工程師。

任小平 renxp90@163.com】