固定式鋁錠翻轉機構仿真設計研究

李振偉，李建華

(蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州730050)

固定式鋁錠翻轉機構仿真設計研究

李振偉，李建華

(蘭州理工大學機電工程學院，甘肅 蘭州730050)

針對固定式鋁錠翻轉機構在裝配過程中因設計原因無法裝配的問題。利用虛擬裝配技術，建立虛擬零件模型和虛擬樣機模型。對虛擬樣機進行運動仿真，檢測并分析了虛擬樣機在運動過程中的干涉現象。實現了翻轉機構的虛擬裝配，縮短了開發周期，節約了資本。

固定式鋁錠翻轉機構;虛擬裝配;運動仿真

0 前言

鋁錠連續鑄造機組是電解鋁行業專門用于生產重熔鋁錠的集機、電、光、液和氣于一體的自動化成套冶金生產線。在PLC程序控制下，鋁錠連續鑄造機組可以自動完成鋁錠的鑄造、冷卻、堆垛、打包和成品運輸等生產工序［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

固定式鋁錠翻轉機構是鋁錠連續鑄造機組重要裝備，其工作目的是按照鋁錠碼垛工藝順序實現鋁錠自動翻轉。鋁錠翻轉裝置零件多，裝配復雜，且在研發階段由于設計上存在失誤導致產品無法裝配，需要從新設計。針對固定式鋁錠翻轉機構在研發階段存在的這類問題，本文采用虛擬裝配的設計方法，即從裝配的角度進行產品設計，在產品研發階段通過試制虛擬樣機來檢查產品的可裝配性，發現問題及時反饋到設計環節，實現產品的并行開發，同時考察產品的可裝配性，尋求最佳裝配工藝。

1 固定式鋁錠翻轉機構工作原理原理及其虛擬建模

1.1 固定式鋁錠翻轉機構工作原理

固定式鋁錠翻轉機構如圖2所示，基功能按照碼垛標準要求對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180°。傳統的翻轉機構采用往復式半行程翻轉，由氣壓或液壓驅動的一對結構相同的翻轉機組成，其控制性能差，翻轉同步性差，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，如何提高翻轉效率，實現平穩同步翻轉、無沖擊是翻轉裝置需要解決的難點。

圖2 固定式鋁錠翻轉機構示意圖Fig.2 Structural scheme of fixed aluminum turnovermechanism

1.2 固定式鋁錠翻轉機構虛擬建模

零部件虛擬建模是虛擬裝配的第一個環節，本文在深入了解了固定式鋁錠翻轉機構的結構、工作原理、工況環境的基礎上，運用參數化虛擬裝配設計方法，以三維CAD軟件Pro/E5.0為軟件平臺，通過拉伸、旋轉、掃描、鏡像、倒角等特征操作，建立翻轉機構的零件模型如圖3所示。

圖3 固定式鋁錠翻轉機構零件模型Fig.3 Partmodels fixed aluminum turnovermechanism

2 固定式鋁錠翻轉機構虛擬裝配及虛擬樣機運動仿真

2.1 虛擬裝配

在完成零部件虛擬建模之后，接著進入虛擬裝配設計的第二個環節，利用仿真手段在虛擬環境中進行翻轉機構的虛擬裝配，基于Pro/E5.0軟件建模時，樣機裝配模型通常按位置和功能關系分為若干個子裝配體，每個子裝配體又有若干個零、部件組成，這樣使整個模型層次分明，便于查找及修改;圖4為固定式鋁錠翻轉機構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機構裝配體的各組成零、部件。圖5為虛擬樣機的分解視圖。

2.2 虛擬樣機運動仿真

運動仿真虛擬裝配設計的第三個環節，虛擬樣機模型建成之后，點擊“應用程序”、“機構”，點擊“編輯”、“查找”完成運動軸的設置。點擊“插入”、“齒輪”完成齒輪嚙合的設置。點擊“插入”、“伺服電機”完成伺服電機的設置。

完成這些設置之后，接著進入機構分析模塊，點擊“分析”、“機構分析”打開分析定義對話框，先完成各伺服電機運動優先級的設置，再進行總運動時間和幀的設置。完成這些設置之后點擊運行按鈕即可進行機構分析。分析完成單擊“確定”按鈕，點擊“分析”、“回放”打開回放對話框，在回放對話框里可進行動態碰撞干涉檢測設置，碰撞干涉檢測分為無碰撞檢測、全局碰撞檢測、局部碰撞檢測三個檢測級別。根據需要設置好碰撞檢測級別，然后點擊回放按鈕進行碰撞檢測分析，圖6為一對齒輪嚙合發生碰撞干涉(圖中粗黑線部分所示)。進行齒廓間相對位置調整，消除齒廓間的碰撞干涉。實現虛擬樣機運動仿真，虛擬樣機運動仿真過程如圖7所示。

通過運動仿真、干涉檢驗把理論結果和實際模型作對比，使理論和實際達到了完美的結合。碰撞檢測后如果沒有發現干涉現象，單擊“捕捉”運行機構就可以將運動過程輸出成MPG格式的影像文件［4］。

3 結論

基于在產品研發階段，設計者在設計上存在失誤，導致固定式鋁錠翻轉機構在裝配過程中無法裝配，以Pro/E5.0為軟件平臺，利用虛擬裝配技術，建立固定式鋁錠翻轉機構的虛擬零件模型和虛擬樣機模型，成功地在計算機虛擬環境中，完成了產品的裝配過程。對虛擬樣機進行運動仿真，考察了虛擬樣機在運動過程中的干涉現象，實現了翻轉機構的虛擬裝配。達到了縮短開發周期、節約資本、降低勞動強度的目的，實現了產品的并行開發。

［1］蘭州理工大學機電工程學院項目組．鋁錠連續鑄造機組關鍵技術及成套設備研制科研工作總結報告 ［R］．2003．

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

［3］詹肇麟，楊躍奎，張曉龍，等.虛擬裝配技術應用研究 ［J］．昆明理工大學學報，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:清華大學出版社，200．

［5］梁建華.20kg鋁錠連鑄機搭錠機構的虛擬裝配設計［D］．蘭州:蘭州理工大學，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，蘭州理工大學碩士研究生。