Pro/Engineer在三輥導向裝置運動系統的應用研究

邢預恩，張根保

（1. 內蒙古科技大學 機械學院，包頭 014010；2. 重慶大學 機械學院，重慶 400030）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，鋼管行業面臨著經濟全球化和社會信息化的挑戰，為了適應迅速變化的市場需求，提高產品的競爭力，必須快速調整產品結構，縮短開發周期，從而有效地降低生產成本，以最快的上市速度、最好的質量、最低的成本來滿足市場的需求。

Pro/Engineer 作為一個集CAD/CAM/CAE 于一體的優秀軟件，其強大的實體和智能特征造型功能使得機械設計正向著高效率、低成本、優良可靠和一次成型的目標發展。Pro/Engineer具有基于特征的實體建模特點，是基于特征的實體造型軟件。三輥導向裝置是無縫鋼管穿孔及后臺I段的一個設備，本文將Pro/Engi-neer軟件的建模和仿真分析等模塊應用于該裝置設計階段，可使設計達到最優化。

1 三輥導向裝置

在無縫鋼管的穿軋生產中，頂桿的定心具有重要的意義。頂桿定心不準，頂頭會偏離穿軋中心線，造成毛管壁厚不均。此外，頂頭偏離軋制中心，會加劇穿軋過程的振動，增加毛管在穿軋過程中的金屬滑移，使穿軋速度降低，影響產量，甚至造成生產事故。

1.1 三輥導向裝置的作用

三輥導向裝置在無縫鋼管穿軋生產過程中的主要作用是：1）保證頂桿在穿軋過程其中心和軋制中心保持一致；2）支持頂桿，使頂桿形成一個連續梁，保證頂桿在穿軋過程中有足夠的剛度，使毛管穿軋順利進行；3）在穿軋過程中保證頂桿繞軋制中心旋轉；4）當毛管穿軋至該組定心輥時，及時張開，并抱緊毛管，使毛管中心與軋制中心保持一致，減小頂桿的振動；5）當管坯穿軋完畢時，及時打開定心輥，保證毛管能被夾送輥及時夾住，送出穿孔機。

1.2 結構組成及機構的運動分析

1.2.1 結構組成

三輥導向裝置主要由二部分組成。一部分是機械部分，另一部分是液壓系統，液壓系統有二個液壓缸，液壓缸2與聯動板相連，控制聯動板的轉動，使三個輥同時夾緊，并實現導向作用。液壓缸1是與杠桿2直接相連，并固定在與聯動板同心的軸上，它是在拔出荒管時，保證輥2打開，使荒管順利取出。

1.2.2 機構的運動分析

根據機構運動簡圖進行機構的運動分析，如圖1所示，液壓缸2推動聯動板運動，聯動板上有拉板1和拉板3，它們分別接杠桿1和杠桿3，杠桿1帶動輥子1，杠桿3帶動輥子3一起運動。當液壓缸2伸出時，聯動板順時針方向轉動，控制輥子1的拉板1處于拉狀態，控制輥子3的拉板3處于推狀態。此時，輥子1、3同時處于夾緊狀態。杠桿2與液壓缸1連接，液壓缸2推動聯動板夾緊時液壓缸1不工作，液壓缸與聯動板固定在同一根軸上并成一定角度，液壓缸1控制拉板2來推動杠桿2使輥子2也同時夾緊，以實現三個輥子的同時夾緊的運動過程。

圖1 三輥導向裝置運動簡圖

2 三輥導向裝置運動系統仿真

機構運動分析的方法很多，主要有圖解法和解析法。圖解法可以直觀地了解機構的某個或某幾個位置運動特性，但精度較低；解析法可以獲得很高的計算精度及一系列位置，但分析計算很復雜。為了獲得較高計算精度，同時也能直觀地了解機構的某個或某幾個位置運動特性，運用Pro/Engineer動態仿真運動分析模塊來對拉板進行機構運動分析，在這里我們沒有必要畫出真實的物理模型，采用簡化的四連桿機構進行建模就可以滿足需求，而且實現起來較容易。

拉板1比較特殊，它所鉸接的杠桿1，與液壓缸1連接的杠桿2是同軸的，這就容易造成拉板1與液壓缸的柱塞桿出現碰撞，特別是在液壓缸1運動不穩定的情況。拉板1處在四桿機構中，需要分析在運動過程中是否會存在死點，是否會出現卡死現象。在設計之初我們應該預測到拉板1是否會出現上述的情況，因為它將影響到無縫鋼管的軋制質量、生產效率以及設備的使用壽命。下面運用Pro/Engineer軟件對機構運動過程進行動態仿真分析，判斷拉板1在運動中是否存在死點及傳動角的大小的變化。

2.1 四桿機構仿真模型

我們將拉板1及其周圍的相關部件簡化成簡單的四桿機構，當機構運轉時，其傳動角的大小是變化的，為了保證機構傳動性能良好，設計時通常應使最小傳動角γmin≥40°；對于高速和大功率的傳動機械，應使γmin≥50°。已知：各桿長L1＝320mm，L2＝882mm，L3＝520mm，L4＝894.48mm，L5＝743mm。

壓力角α在20°～－13°角之間變化，應用Pro/Engineer軟件按實際尺寸建立簡單仿真模型如圖2。機構各運動位置簡圖如圖3～圖5所示。

用Pro/Engineer仿真求γmin，以判斷機構傳力性能是否良好，共分析3個位置，α的兩個極限位置和一個α=0°的位置，如圖6所示。

圖2 四桿機構仿真模型

圖3 位置一 α＝20°

圖4 位置二 α＝0°

圖5 位置三 α＝－13°

可見在位置1到位置3 兩個極限位置，γ的范圍是 70°～ 86°，符合γ＞40°～ 50°的要求，由開始所論述的死點位置得出拉板1不會出現死點，即不會出現卡死現象，可以完成正常的運動周期。

2.2 運行仿真模型

首先對該機構定義驅動裝置，在Pro/ Engineer軟件中使用伺服電機來代替該機構的驅動裝置，為了更好得檢測其運動性能良好及是否存在死點等問題，我們加大了壓力角α的范圍，即－20°＜α＜20°，而該裝置的實際壓力角范圍是在－13°與20°之間。同時為了模擬真實機構運動，我們定義的電機位置圖如圖7所示。

圖6 在運動中測量γ的值

圖7 電機位置

通過進行運動學仿真得出壓力角與傳動角隨時間變化關系，如圖8所示。

2.3 仿真研究分析

從圖上我們可以看出該機構傳動角γmin遠大于40°～50°，很顯然機構傳動性能良好，也可以很清晰看到機構不存在死點位置。當然為了降低該裝置的成本并同時滿足傳動性能，可以調整拉板1的尺寸，對該裝置進行合理的設計，直到達到最優化為目標。

從以上的分析過程可知, 運用Pro/ Engineer的機構運動仿真,具有很大的優越性，它使機構造型形象化、可視化,大大提高機構的設計開發效率,并能盡早發現設計缺陷, 提前進行改善和修正,減少試制樣機的費用,大大縮短機械產品的開發周期, 進而提升整體的設計水平。

3 結束語

本文應用Pro/ Engineer軟件的建模和仿真分析模塊, 成功地進行了三輥導向裝置的虛擬樣機設計,獲得了三輥導向裝置工作過程的動畫圖形, 進行適當的改進,進一步提高了裝置的工作性能。綜上所述，Pro/Engineer仿真分析在鋼管的生產中有著巨大的應用潛力, 它不消耗現實的資源和能量，卻能反映實際產品的有關情況。將Pro/Engineer仿真技術應用于三輥導向裝置中，可提高無縫鋼管的生產質量，降低生產成本。將本方案應用到內蒙古包鋼無縫鋼管的生產中，收到很好的效果，降低了鋼管的成本，提高了鋼管的質量，更好滿足了鋼管行業不同客戶的需求。

圖8 壓力角與傳動角隨時間變化關系

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