炸藥破碎機(jī)開發(fā)中的虛擬裝配與運(yùn)動(dòng)仿真研究

賀可意，陶俐言，李文波

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

虛擬裝配根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特征，真實(shí)地模擬產(chǎn)品的三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。CATIA中的DMU Kinematics模塊通過各種運(yùn)動(dòng)約束連接方式或者通過自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝配約束條件而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)連接，繼而實(shí)現(xiàn)電子樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真。電子樣機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過模擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)以校驗(yàn)機(jī)構(gòu)性能和運(yùn)動(dòng)分析［1］。在炸藥破碎機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)中，利用 CATIA軟件的虛擬裝配及運(yùn)動(dòng)仿真模塊對炸藥破碎機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，具有重要意義和參考價(jià)值。

1 炸藥破碎機(jī)的工作原理

圖1為炸藥破碎機(jī)的工作原理圖。炸藥破碎機(jī)主要是完成對廢棄炸藥的破碎并回收，工作流程為：供料→投料→一級破碎→二級破碎→三級破碎→出料。

圖1 炸藥破碎機(jī)工作原理圖Fig.1 Principle diagram of explosive crusher

由投料機(jī)械手將過期炸藥或炸藥廢料送入炸藥破碎機(jī)裝藥斗，啟動(dòng)裝藥控制，藥斗給藥控制器打開，藥斗底板由氣缸帶動(dòng)抽離，炸藥在重力的作用下進(jìn)入破碎機(jī)體內(nèi)，關(guān)閉底板防止破碎粉塵外泄對人體造成傷害。破碎機(jī)體內(nèi)三級軋輥在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過鏈傳動(dòng)及齒輪傳動(dòng)以相反的方向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行工作。炸藥進(jìn)入第一級軋輥進(jìn)行初級破碎，使較大體積的炸藥破碎為較小體積；破碎后的炸藥進(jìn)入第二級軋輥，尺寸小于兩輥間隙的直接進(jìn)入第三級，尺寸大于兩輥間隙的進(jìn)行強(qiáng)行破碎，然后進(jìn)入第三級軋輥。第三級軋輥間的間隙較小，這樣可以保證炸藥最終破碎為理想的粒度，保證炸藥的爆轟能力。破碎后的炸藥通過炸藥破碎機(jī)機(jī)體底部的密閉通道直接進(jìn)入出料接盤進(jìn)行搜集，再由傳送小車送出防爆間。整個(gè)破碎過程中無任何外泄，保證了操作人員的安全。同時(shí)操作人員還可通過炸藥破碎機(jī)體內(nèi)的監(jiān)控器對炸藥的破碎過程進(jìn)行全程監(jiān)控［2，3］。

2 零件設(shè)計(jì)

本文采用自下而上（down-top）設(shè)計(jì)方法［4］，先設(shè)計(jì)好零件，然后將零件插入裝配體，根據(jù)設(shè)計(jì)要求配合零件，其優(yōu)點(diǎn)是零部件獨(dú)立設(shè)計(jì)，零部件之間的相互關(guān)系和重建行為比較簡單。自下而上（down-top）設(shè)計(jì)有利于不同的設(shè)計(jì)人員共同設(shè)計(jì)、修改與交流，從而提高了設(shè)計(jì)效率。在進(jìn)行零部件三維建模時(shí)主要是按照破碎機(jī)的功能分類，即進(jìn)料裝置、破碎裝置、出料裝置及機(jī)體，分別完成各部分的零件三維建模，這樣在以后的三維裝配中就可以分部分裝配，最后進(jìn)行整體裝配。這樣做便于查找出現(xiàn)的問題，使后續(xù)的工作事半功倍。

2.1 進(jìn)料、出料以及機(jī)體零部件的設(shè)計(jì)

進(jìn)料、出料以及機(jī)體裝置包括的零部件眾多，多為簡單的實(shí)體零件，在 CATIA零件設(shè)計(jì)模塊（Part Design）可以容易地建立，在此不作詳細(xì)的建模過程描述。

其他零部件如鍵、軸、墊片、聯(lián)軸器、密封裝置等也可以在Part Design模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)體建模。

2.2 齒輪的建模方法

直接通過三維軟件建模存在一定的難度，而且計(jì)算過程也比較繁瑣，數(shù)據(jù)量較大。為了減小設(shè)計(jì)難度和提高設(shè)計(jì)制造的效率，本文采用 CATIA和CAXA數(shù)據(jù)交換設(shè)計(jì)的方法，有效快速地解決了這一問題。

（1）打開CAXA主程序，在工具欄中啟動(dòng)齒輪命令，輸入齒輪的參數(shù)，包括齒數(shù)，模數(shù)，壓力角，變位系數(shù)等。

（2）將建好的齒輪模型存為.igs格式文件。

（3）打開 CATIA主程序?qū)?CAXA輸出的.igs格式文件。

（4）將圖轉(zhuǎn)到CATIA的草圖中，對齒輪各個(gè)齒的齒廓連接點(diǎn)進(jìn)行焊接。

（5）完成后拉伸成型。結(jié)果如圖2所示。

圖2 齒輪拉伸成型Fig.2 Extruded gear

2.3 鏈輪的參數(shù)化建模計(jì)算公式［5］

定義拉伸特征，生成鏈輪實(shí)體模型即可。

圖3 鏈輪參數(shù)化草圖［6］Fig.3 Parametric sketch of chain wheel

3 炸藥破碎機(jī)的層次化虛擬裝配

炸藥破碎機(jī)是由具有層次關(guān)系的零部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)。按照UP-DOWN的設(shè)計(jì)過程，炸藥破碎機(jī)的裝配可以分解為若干個(gè)零件和子裝配體，一個(gè)子裝配體又可以分為下一層的若干個(gè)零件和子裝配體。炸藥破碎機(jī)裝配層次的劃分如圖4所示。按照這樣的層次進(jìn)行裝配，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配過程出現(xiàn)的問題，提高裝配效率［7］。

圖4 炸藥破碎機(jī)裝配結(jié)構(gòu)樹Fig.4 Assembly structure tree of explosive crusher

虛擬裝配是在CATIA裝配設(shè)計(jì)模塊（Assembly Design）中進(jìn)行的。根據(jù)炸藥破碎機(jī)三維模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其功能要求，可確定各零部件間的裝配約束關(guān)系。CATIA中提供了各種配合約束關(guān)系如重合、同軸心、平行、垂直、平行距離、角度、限制配合等，這里主要用到重合、對齊兩種約束關(guān)系。在根據(jù)實(shí)際裝配關(guān)系進(jìn)行子裝配體和子裝配體之間的裝配時(shí)，對零件之間、子裝配體之間實(shí)施干涉分析和檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并更改零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。裝配完成后的炸藥破碎機(jī)整體虛擬效果圖如圖 1所示。圖5顯示的是裝配過程中實(shí)施干涉檢查的結(jié)果。

4 炸藥破碎機(jī)三維運(yùn)動(dòng)仿真

組裝完成的炸藥破碎機(jī)在運(yùn)動(dòng)機(jī)制上是否合理、是否存在零件之間的干涉、是否按照預(yù)期的方式運(yùn)動(dòng)，這些問題的解決依賴于 CATIA的數(shù)字樣機(jī)（DMU）功能。

三級破碎部分是本文運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵部分，因此將其列為仿真對象進(jìn)行單獨(dú)分析。在CATIADMU模塊下的DMU Kinematics中，導(dǎo)入各級破碎部分的三維實(shí)體模型，分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬。為了便于觀察和施加運(yùn)動(dòng)約束，可將部分零件隱藏。利用KinematicsJoints工具條對各運(yùn)動(dòng)副如CylindricalJoints（同軸副）、gear Joints（齒輪副）、Revolution Joints（旋轉(zhuǎn)副）等施加定義，最后應(yīng)用Simulation with commands命令進(jìn)行仿真［8］。

在DMU Kinematics中，通過調(diào)用已有的多個(gè)種類的運(yùn)動(dòng)副或者通過自動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)械裝配約束條件而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)副，依照運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理，以約束自由度的方式建立機(jī)構(gòu)；通過運(yùn)動(dòng)干涉檢驗(yàn)和校核最小間隙來進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的分析。

一級破碎仿真過程如圖6所示。約束、運(yùn)動(dòng)的施加方式如下：

第一級輥輪1.1與軸承Part1.1之間施加相合約束、偏移約束；

第一級輥輪2.1與軸承Part1.1之間施加相合約束、偏移約束；

對軸承Part1.1施加固定約束；

在第一級輥輪1.1與軸承Part1.1之間施加旋轉(zhuǎn)副；

在第一級輥輪2.1與軸承Part1.1之間施加旋轉(zhuǎn)副；

對第一級輥輪1.1和第一級輥輪2.1上的一對齒輪施加齒輪副。

開啟實(shí)施碰撞檢測，圖6結(jié)果顯示有碰撞的發(fā)生，碰撞檢測結(jié)果如圖7所示。

結(jié)果顯示，齒輪之間發(fā)生了碰撞，出現(xiàn)“嵌入”的現(xiàn)象。返回零件設(shè)計(jì)模塊重新修改參數(shù)，直至沒有碰撞干涉想象的發(fā)生。

5 結(jié)束語

圖5 干涉、碰撞檢查結(jié)果Fig.5 Results of interference and clash

圖6 一級破碎運(yùn)動(dòng)仿真Fig.6 Kinematics simulation of first level crush

圖7 碰撞檢測結(jié)果Fig.7 Results of clash

本文應(yīng)用 CATIA完成炸藥破碎機(jī)的建模、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真，優(yōu)化了零部件設(shè)計(jì)，提高了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可裝配性，避免了碰撞與干涉的發(fā)生，有效地減少了設(shè)計(jì)失誤率，大大縮短了設(shè)計(jì)周期。使用三維軟件輔助產(chǎn)品總體工作的完成是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的一種高效、可靠的方法。

［1］郭越，歷建剛.基于CATIA的減速器三維參數(shù)化建模與運(yùn)動(dòng)仿真［J］.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（2）:145-147.

［2］王銀峰.炸藥破碎機(jī)的數(shù)字樣機(jī)研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2009.

［3］梁鵬飛.基于數(shù)字化功能樣機(jī)的炸藥破碎機(jī)性能分析［D］.長春理工大學(xué)，2010.

［4］魯君尚，張安鵬.無師自通CATIAV5之電子樣機(jī)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［5］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［6］杜黎蓉，林博正.CATIAV5三維零件設(shè)計(jì)［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［7］李蘇紅，劉記，左春檉.基于CATIAV5的四桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)仿真［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（2）：181-183.

［8］曾洪江，黃聰.CATIAV5機(jī)械設(shè)計(jì)從入門到精通進(jìn)階篇［M］.北京：中國青年出版社，2004.