夾緊式鋁錠翻轉(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)

0 前言

鋁錠從生產(chǎn)到入庫(kù)需要完成鑄造、冷卻、堆垛、打包和成品運(yùn)輸入庫(kù)等多道工序。作為鋁錠鑄造機(jī)組的重要工作單元，夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)按照鋁錠堆垛要求實(shí)現(xiàn)鋁錠自動(dòng)翻轉(zhuǎn)。夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)零件多，裝配復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法，由于裝配過(guò)程不合理，需要通過(guò)反復(fù)的物理樣機(jī)裝配來(lái)尋求最佳裝配方案，優(yōu)化裝配工藝。本文運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，利用虛擬樣機(jī)來(lái)檢查產(chǎn)品的可裝配性，減少了物理樣機(jī)研制次數(shù)，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，減少了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

1 夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理及其虛擬建模

1.1 夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作原理

夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖1所示，鑄造出的鋁錠外形如圖2所示，按照鋁錠堆垛要求，夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在夾緊氣缸的作用下將鋁錠一對(duì)短邊夾緊，再由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)翻轉(zhuǎn)軸將第1層全部4塊鋁錠和第2層至第11層中的第2、4塊鋁錠翻轉(zhuǎn)180°，為后續(xù)成型鋁錠順利堆垛做好準(zhǔn)備。

圖1 夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of clamped turnover mechanism for aluminum pig

圖2 鋁錠外形Fig.2 Outline of aluminum pig

1.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)虛擬建模

以三維CAD軟件Pro/E為軟件平臺(tái)，基于參數(shù)化的虛擬建模方法，建立鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的零件模型如圖3所示［3］。

圖3 夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)零件模型Fig.3 Parts models of clamped turnover mechanism for aluminum pig

2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)虛擬裝配

圖4 夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝配過(guò)程仿真圖Fig.4 Simulation diagram of clamped turnover mechanism for aluminum pig in assembly process

建立了零部件虛擬模型后，利用虛擬裝配技術(shù)完成虛擬樣機(jī)的制造，將虛擬樣機(jī)整機(jī)分成若干個(gè)子裝配體和零件，每個(gè)子裝配體又可分為若干個(gè)零件和子裝配體，圖4為夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝配體的子裝配體的裝配仿真過(guò)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［4］。圖5為虛擬樣機(jī)的分解視圖。

圖5 虛擬樣機(jī)分解視圖Fig.5 Disassembling view of virtual prototype

2.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝配序列規(guī)劃

本著“可拆即可裝”這一基本假設(shè)為前提，把裝配看作是拆卸的逆過(guò)程，根據(jù)裝配知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和慣例利用仿真手段在虛擬環(huán)境中進(jìn)行翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的試拆卸以獲取可行拆卸工藝，再通過(guò)求逆進(jìn)而得到最佳的裝配工藝。裝配體裝配層次關(guān)系樹(shù)如圖6所示。

圖6 裝配體裝配層次關(guān)系樹(shù)Fig.6 Relational tree of assembly hierarchy of parts

2.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

在完成翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的虛擬裝配之后，設(shè)置運(yùn)動(dòng)軸、嚙合齒輪副、伺服電機(jī)，電動(dòng)機(jī)優(yōu)先級(jí)，以及總運(yùn)動(dòng)時(shí)間和幀，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。設(shè)置完成點(diǎn)擊“分析定義”對(duì)話(huà)框中的“運(yùn)行”按鈕，觀察虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)情況，運(yùn)行結(jié)束點(diǎn)擊“確定”按鈕。進(jìn)入機(jī)構(gòu)回放模塊，在機(jī)構(gòu)回放模塊里可進(jìn)行碰撞干涉檢驗(yàn)，根據(jù)檢測(cè)需要設(shè)置檢測(cè)級(jí)別。碰撞干涉檢驗(yàn)通常分為無(wú)碰撞檢測(cè)、全局碰撞檢測(cè)、部分碰撞檢測(cè)等三個(gè)檢驗(yàn)級(jí)別。圖7為碰撞檢測(cè)設(shè)置對(duì)話(huà)框，圖8為發(fā)生干涉的嚙合齒輪副(圖中粗黑線(xiàn)部分為發(fā)生干涉的嚙合齒輪副)，可通過(guò)調(diào)整嚙合齒輪的初始位置消除干涉現(xiàn)象。圖9為虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程［6-8］。

完成運(yùn)動(dòng)仿真和干涉檢驗(yàn)之后，利用捕捉操作可將樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程制作成影視文件，通過(guò)播放動(dòng)畫(huà)觀察虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)情況。

3 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)的夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)研制時(shí)利用實(shí)物模型進(jìn)行裝配驗(yàn)證，導(dǎo)致零部件裝配缺陷發(fā)現(xiàn)滯后的問(wèn)題，基于虛擬裝配技術(shù)對(duì)夾緊式鋁錠翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)裝配過(guò)程進(jìn)行了仿真開(kāi)發(fā)研究。探討了基于“可拆即可裝”的裝配序列規(guī)劃方法，通過(guò)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，考察了虛擬樣機(jī)各個(gè)零部件之間的干涉現(xiàn)象。提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本，實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的虛擬裝配和產(chǎn)品的并行開(kāi)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］.2003，12.

［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).

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