平立可換軋機翻轉機構的建模與運動仿真

侯青林 晏 輝 郗照亮

（北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京 100029）

1 引言

虛擬制造技術是以虛擬現實和仿真技術作為基礎，在產品真正制出之前，首先在虛擬制造環境中生成數字化樣機代替傳統的物理模型進行試驗，對其性能和可制造性進行預測和評價，從而縮短產品的設計與制造周期，降低產品的開發成本，提高系統快速響應市場變化的能力［1］。

CATIA是法國達索公司開發的大型CAD／CAE／CAM一體化軟件。利用其基于特征的參數化實體造型功能建立準確的零件三維模型，通過三維模型中的裝配約束來確定各零件之間的靜態相對位置，并進行靜態干涉檢查。模擬裝配完成后，利用CATIA電子樣機模塊DMU定義各部件之間的運動關系。DMU模塊在模擬機構運動的同時，進行機構運動干涉檢查，以此判斷機構各個零件之間有無干涉，運動是否自如，進而返回對機構模型進行必要的修改。最后將機構的運動過程制作成動畫，便于直觀觀察和演示機構的運動過程。

2 平立可換軋機翻轉機構建模

2.1 平立可換軋機翻轉機構簡介

棒材軋鋼生產線軋機一般成平立交替布置，當需要切分軋制時，一般把14＃、16＃、18＃架軋機由立輥式工作狀態調整為水平輥式工作狀態進行軋制。平立可換軋機翻轉機構用來實現軋機從立輥式工作狀態調整為平輥式工作狀態一種重要的離線輔助設備。現代軋鋼技術向著高速軋制，快速換輥等技術發展，也對軋機平立可換裝置提出來更高的要求：運動平穩可靠，機構簡單，維護方便。

2.2 機構工作原理

平立可換軋機翻轉機構由固定架總成、活動架總成、旋轉液壓缸、旋轉連接架及兩個液壓鎖緊裝置組成。通過安裝在固定架上部兩側的旋轉液壓缸的伸縮，帶動旋轉連接架，旋轉連接架帶動活動架繞軋制中心正反旋轉90°。活動架旋轉到位后靠固定架下部外側的兩個液壓鎖緊裝置進行鎖緊固定，鎖緊裝置液壓缸活塞桿頭帶有兩個互為90°的30°斜面。平輥狀態時，活動架兩側上面的斜楔與鎖緊裝置活塞桿頭的一個斜面相接觸，楔緊活動架。立輥狀態時，活動架兩側下面的斜楔與鎖緊裝置活塞桿頭的另一斜面相接觸，楔緊活動架［2］。

2.3 裝配層次的劃分

在模擬裝配中，一個機構可以分解為多個子機構，一個子機構又可分解為多個零部件，這個過程就是自上而下的設計過程。在平立可換軋機翻轉機構的設計過程中，按照各組成部件之間邏輯關系確定模型間父子關系，從而實現裝配設計層次的劃分，如圖1所示。

圖1 翻轉機構裝配層

2.4 裝配模型的建立

在CATIA裝配設計中，對于產品數量不是特別多的機構，可以對單個零件進行單獨建模，建模后再導入裝配體中約束其位置關系。但是對于大型復雜產品，在統一的坐標系下建模是必要的，這時即使沒有對零部件之間進行位置約束，他們的靜態位置關系也已完全確定。這樣不但節省了大量裝配約束占據的系統數據空間，而且有些零件設計過程中，其位置或者形狀需要參考其他零件，可以直接利用已完成零件的某個圖形元素為建模基準［3］。此翻轉機構的三維模型建立就采用這種設計方法，機構所有零件采用統一坐標系，直接把每一個零件建立到他需要的位置，這樣既不用再次定位也不用約束就可實現機構裝配。

根據翻轉機構運動的特點，固定架固定不動，旋轉連接架及活動架總成在旋轉液壓缸驅動下繞同一中心軸旋轉，這一中心軸即為兩固定架鋼軌中心連線。因此，選擇兩固定架鋼軌中心連線中點為此翻轉機構坐標系原點。

根據翻轉機構各部件邏輯關系，建模次序依次為固定架→固定擋塊及其它→活動架→滾輪及其它→旋轉連接架→旋轉液壓缸→液壓鎖緊裝置。模擬裝配后的翻轉機構三維模型如圖2所示。

2.5 靜態干涉檢查

圖2 平立可換軋機翻轉機構三維模型

機構模擬裝配設計完成后，應進行靜態干涉檢查。靜態干涉檢查包括裝配體各零部件之間的相對位置關系是否存在干涉，裝配公差設計是否合理。打開模擬裝配后的機構，點擊碰撞檢查按鈕，在結構樹上選取裝配體，這時沖突列表中固定架與旋轉連接架之間距離值不為0，其余零部件之間距離值為0，說明固定架與旋轉連接架之間存在靜態干涉。在沖突列表中選擇固定架及旋轉連接架，然后點擊結果窗口，兩零件之間干涉部位在窗口中高亮顯示，干涉值約為37mm，如圖3所示。此時需對設計結果進行分析，兩零件之間發生干涉的主要原因是旋轉連接架內側加強板在X方向上過高，降低加強板在X方向高度。重復執行上述步驟，直至無靜態干涉為止。

圖3 固定架與旋轉連接架靜態干涉結果窗口

3 平立可換軋機翻轉機構運動仿真

3.1 運動仿真

利用CATIA DMU進行運動仿真之前，根據各部件運動關系，分析出主要的運動骨架、運動方式、約束條件等。機構的驅動部件為旋轉液壓缸，依次帶動旋轉連接架及活動架總成繞固定架鋼軌中心連線旋轉。運動副的添加，應從運動終端開始，逐漸往驅動部件加［4］。

首先，建立一個新機制，將固定架作為機構的固定件。為方便起見，將固定擋塊及液壓鎖緊裝置用剛體副與固定架固定在一起，將滾輪及旋轉連接架與活動架固定在一起。旋轉液壓缸固定在固定架上部兩側，且可往復擺動，因此在旋轉液壓缸缸筒與固定架之間添加圓柱結合副。為實現旋轉液壓缸活塞桿在缸筒內上下伸縮，在二者之間添加圓柱結合副。接著定義兩個旋轉結合副，旋轉液壓缸帶動旋轉連接架及活動架總成繞固定架鋼軌中心連線往復旋轉90°，在活動架與固定架之間添加旋轉結合副，在旋轉液壓缸與旋轉連接架之間添加旋轉結合副，由于旋轉液壓缸為驅動部件，因此設置旋轉液壓缸與旋轉連接架之間角度驅動作為機構運動的原始驅動。

添加一條法則曲線與角度驅動相關聯，如圖4所示，每10 s旋轉液壓缸帶動旋轉連接架及活動架總成繞固定架鋼軌中心連線往復旋轉90°一次。這樣就可實現平立可換軋機翻轉機構運動仿真，圖5為翻轉機構運動仿真過程示意圖。

圖4 角度驅動法則曲線

圖5 翻轉機構運動仿真示意圖

3.2 動態干涉檢查

動態干涉檢查是在機構運動仿真過程中，其運動包絡體之間是否存在運動干涉。具體方法是在運動仿真同時，選取自動碰撞檢測，這樣，機構在運動仿真過程中，發生動態干涉的部位會高亮顯示，但是機構仍然可以繼續運動，便于觀察完整的運動過程。此翻轉機構的活動架在旋轉至約75°時與安裝在固定架下部的固定擋塊發生動態干涉，如圖6所示。對機構進行檢查，首先確定機構各部件之間的相對位置關系是否存在問題，確定位置無誤后，對下部固定擋塊進行結構修改。重復執行上述步驟，直至機構在運動仿真過程中無動態干涉發生。

圖6 動態干涉檢查結果顯示

3.3 運動仿真結果輸出

為方便觀察及演示平立可換軋機翻轉機構完整的工作過程，可利用CATIA自帶的視頻捕捉功能，將機構的運動仿真過程存為動畫格式。

4 結論

利用CATIA軟件不僅建立了軋機平立可換翻轉機構三維裝配模型，而且通過DMU模塊對機構進行了運動仿真，完整模擬了平立可換軋機翻轉機構的實際工作過程，靜態干涉檢查法提前發現設計中存在的問題，并及時對其進行改進。通過動態干涉檢查，及時糾正了運動中的干涉部件，驗證了機構的裝配合理性。實現了機構快速設計及優化，大大提高了工作效率，為以后類似設計工作提供了經驗。

［1］張樹生，楊茂奎，朱明銓.虛擬制造技術［M］.西安：西北工業大學出版社，2006.

［2］朱天仕.型鋼連軋機組平立轉換軋機簡介.鋼鐵廠設計，2000（1）：21-23.

［3］尤春風.CATIAV5機械設計［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［4］魯君尚，張安鵬等.無師自通CATlAV5之電子樣機［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.