三維數字化技術在破碎機產品裝配過程的應用

林 健，郭 杰，孫利強

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

隨著工業規模不斷擴大、礦山企業產業升級以及礦業界對“多碎少磨”理念的認識，破碎機作為礦山領域的重要粗碎設備，應用越來越廣泛。中信重工生產的 PXZ 系列液壓旋回破碎機具有能耗低、自動化程度高、生產效率高等優點，得到了廣大用戶的認可，取得了良好的市場效益。在礦山企業升級步伐加快以及客戶對性價比要求日益提高的背景下，破碎機產品的加工制造進度成為制約交貨期的重要影響因素。

筆者以中信重工 PXZ62-75 旋回破碎機為例，通過應用三維數字化技術對橫梁臂和橫梁臂襯板裝配過程的模擬、分析研究以及具體操作實踐，將三維數字化技術應用到破碎機產品工廠裝配過程。用三維數字化模擬裝配替代工廠實物裝配，縮短了制造流程，加快了制造進度，保證了破碎機產品的交付期。

1 三維數字化技術的原理及現狀

三維數字化技術是利用激光測距原理確定目標空間位置，用三維激光掃描儀的雙鏡頭識別粘貼在被測零件上的標志點定位，確定三維激光掃描儀與被測工件的相對位置，用三維激光掃描儀發射交叉激光線識別被測工件并生成數據模型。該技術具有適應環境廣泛、數據采集時效性強、動態測量等特點。鄧文怡等人研究分析了近景攝影測量原理，用最小二乘的廣義逆法求解非線性方程組，解決了三維數字測量系統的畸變問題，特別適合具有三維復雜曲面或輪廓的大尺寸工件的非接觸測量[1]。劉昌霖對三維激光掃描技術的原理、分類和應用領域進行了研究，分析了該技術的發展趨勢[2]。劉進等人將三維攝影測量技術應用在水輪機葉片上進行試驗檢測，研究了三維測量模型與理論圖形對比檢查制造偏差的方案[3]。以上研究主要針對三維數字化技術在復雜形狀零件加工和檢測方面的應用，而在復雜形狀零件裝配模擬中的應用還很少。

近年來，隨著中信重工智能化工廠、數字化車間等智能制造專項的逐步推進，對裝配提出了更高的要求。筆者結合三維攝影測量技術與三維軟件進行模擬分析，創新地提出了一種模擬裝配方案，并應用于破碎機產品裝配過程，為后續智能制造的推進提供參考。

2 破碎機產品裝配概況

為確保用戶現場安裝質量，破碎機產品出廠前需進行廠內裝配試裝，由于一些零部件之間相互配合面為毛坯面，同時零件外形又為不規則三維空間曲面，存在一定的鑄造誤差，如破碎機產品橫梁臂與橫梁臂襯板的配合（見圖 1）。由于毛坯尺寸鑄造誤差，需要對兩者進行裝配試裝，再根據結合面配合情況進行修磨，使配合接觸滿足設計、使用要求。由于是三維空間曲面配合，裝配試裝時無法一次確定修磨的位置及修磨量。以 PXZ62-75 旋回破碎機為例，每組橫梁臂與橫梁臂襯板在廠內裝配試裝時，需重復試裝修磨 10次左右才能達到要求，試裝效率低，裝配周期長。

圖1 破碎機橫梁臂與橫梁臂襯板

3 三維數字化模擬裝配過程

3.1 裝配零件三維數字化掃描建模

首先，分別對裝配零件橫梁臂和橫梁臂襯板進行三維數字化掃描建模，得到零件掃描模型，如圖2、3 所示。

圖2 破碎機橫梁臂三維掃描模型

圖3 破碎機橫梁臂襯板三維掃描模型

3.2 掃描模型與理論模型偏差檢查

將橫梁臂三維數字化掃描模型與橫梁臂襯板理論模型放在同一坐標系下進行裝配模擬分析，通過截面分析判斷兩工件毛坯面裝配配合情況，通過平移、旋轉調整裝配兩工件三維數字化掃描模型，尋找兩者配合的最合理狀態，即修磨最少的狀態。在確定最佳配合狀態后，通過三維軟件的偏差檢查功能，檢查測量出需要修磨部位置與最佳配合位置的最大距離偏差量。橫梁臂和橫梁臂襯板在3 種不同裝配狀態下的干涉情況如圖 4所示，在不同的模擬裝配狀態下，兩工件產生的干涉位置和干涉面積是不同的。表 1所列為3 種模擬狀態下不同干涉位置對應的偏差數值。通過對比可以看出，模擬裝配狀態3 的干涉位置最少，偏差量最小，為裝配合理位置。

表1 不同狀態的偏差數值 mm

圖4 模擬裝配狀態和偏差檢查

3.3 確定裝配修磨位置和修磨量

通過三維軟件對掃描模型與理論模型進行裝配位置、狀態的微量平移、旋轉，以及上述各狀態不同位置點的偏差數值比較，筆者認為模擬裝配狀態3 為裝配合理狀態。根據表 1中狀態3 的偏差數值，可以通過局部修正橫梁臂位置 1、2，去除量按最高點去除5 mm，位置3 處修正去除2 mm 以內。圖 5所示為裝配合理位置（模擬裝配狀態 3）對應的橫梁臂修磨位置。

圖5 橫梁臂修磨位置

4 實施效果

采用三維數字化掃描模擬裝配技術之后，先對橫梁臂襯板和橫梁臂進行三維掃描、模擬裝配，根據模擬結果，指導生產提前進行修磨，然后進行試裝，試裝1～2 次即可達到裝配要求，裝配周期顯著縮短。

實施效果表明，三維摸擬裝配技術能夠更加直觀地發現大部分干涉位置，可以為試裝修配提供指導意見，提高裝配試裝效率，縮短裝配周期。

5 結語

在當今數字化、網絡化、智能化的新科技革命時代，推動礦山企業向數字化轉變，進一步解放和發展生產力，降低工人的勞動強度，將是必然的趨勢。三維數字化技術在破碎機產品裝配過程的成功應用，為其他礦山企業產品裝配的應用和推廣積累了寶貴經驗。