基于UG的管材切割生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計

孫 萌，石成江，柏宜群

（遼寧石油化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

0 引言

傳統(tǒng)的管材切割過程主要由工人手工完成。工人先將待切鋼管放到工作臺上，然后操縱手動切割機(jī)器進(jìn)行切割；在切割完成后，再由下一工序的工人進(jìn)行沖壓并收集。在這種生產(chǎn)方式下，產(chǎn)品精度要靠工人的經(jīng)驗來保證，對工人的技術(shù)要求高且勞動強(qiáng)度較大。在目前勞動力緊缺的情況下，采用上述生產(chǎn)方式顯然成本很高，而且難以控制次品率。鋼管切割生產(chǎn)線可有效解決上述問題，因為其是一體化生產(chǎn)，而且在自動化條件下進(jìn)行，可大大縮短切割時間，易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。UG軟件是美國EDS公司的集CAD/CAM/CAE于一體的軟件集成系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、模具及家用電器等行業(yè)［1］。相比其他軟件，UG在建模的靈活性方面比較突出，不必定義和參數(shù)化新曲線，可以直接利用實體邊緣的幾何特征，其特點是參數(shù)化實體建模，得到的是計算機(jī)輔助制造（CAM）、計算機(jī)輔助分析（CAE）和計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）需要的實體模型。UG的主要特征有：3D實體模型；基于特征的參數(shù)化實體建模；單一數(shù)據(jù)庫；機(jī)構(gòu)設(shè)計技術(shù)；行為建模技術(shù)；NC加工；強(qiáng)大的裝配功能；二次開發(fā)技術(shù)［2］。

UG軟件不僅具有強(qiáng)大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)生工程圖等設(shè)計功能，而且在設(shè)計過程中還可以進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、動力學(xué)分析和仿真模擬，以提高設(shè)計的可靠性。UG將優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術(shù)與傳統(tǒng)的實體、線框和表面功能結(jié)合在一起，這一結(jié)合被實踐證明是強(qiáng)有力的，并被大多數(shù)CAD/CAM軟件廠商所采用［3］。UG三維建模方法打破了傳統(tǒng)二維設(shè)計的局限性，使設(shè)計人員在方案設(shè)計階段就能在計算機(jī)上看到產(chǎn)品的三維立體圖像，完成對產(chǎn)品的虛擬制造，可以最大限度地減少設(shè)計失誤，避免設(shè)計加工過程中的浪費(fèi)和損失，降低成本，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力。所以，本次設(shè)計選擇使用UG軟件來完成。

1 鋼管切割生產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)設(shè)計

總體說來，本條鋼管切割生產(chǎn)線可分為3個部分：上料單元、切割單元和沖壓單元。這3個單元完全統(tǒng)一于一體化的生產(chǎn)流程，均可在PLC控制下自動進(jìn)行工作。

1.1 上料單元

上料單元見圖1。本條生產(chǎn)線以切割長度為6m～8m的管材為初始值進(jìn)行設(shè)計，管材直徑為Φ40 mm～Φ60mm。上料主要通過待切管材本身的重力實現(xiàn)，待切管材在自重的作用下緩慢滑行至輸送軌道上。這個滑行過程在鐵皮通道3中進(jìn)行，該通道與水平面呈30°夾角，用于提供管材滑行所需動力?；虚L度為1.5m，這個長度足以保證正常持續(xù)切割工況下上料間隔為20min。采用輸送軌道大大降低了工人的勞動強(qiáng)度。

在管材滑行到輸送軌道附近時，需要對鐵皮滑行軌道中的一排管材進(jìn)行分離，以保證只有一根待切管材進(jìn)入到輸送軌道上。采用步進(jìn)電機(jī)5驅(qū)動的分離圓盤4來實現(xiàn)輸送功能，每當(dāng)圓盤轉(zhuǎn)過90°時，會有一根待切管材被輸送到輸送軌道上。輸送軌道在兩個驅(qū)動輪2的驅(qū)動下，以設(shè)定速度向切割機(jī)床方向運(yùn)動［4］。動力由三相交流異步電機(jī)1驅(qū)動。整個上料單元的縱向結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2所示。

圖1 上料單元

圖2 上料單元縱向尺寸圖

建模是UG設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)，UG虛擬裝配、工程制圖、機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、有限元分析、編制加工程序等均須直接應(yīng)用已建立的主模型。如在UG機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析模塊中直接應(yīng)用主模型進(jìn)行二維或三維機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)動分析和設(shè)計仿真，并可完成大量的裝配分析工作，如最小距離、干涉檢查，以及反作用力、位移、速度和加速度繪制等。

這部分在UG建模中主要運(yùn)用到“實體拉伸”、“片體拉伸”以及“墊塊”等操作。在這個過程中要建立基準(zhǔn)平面，在基準(zhǔn)平面上進(jìn)行草圖繪制。在草圖模式下，繪制所要進(jìn)行拉伸的基本圖形。相比CAD制圖，UG在繪制草圖方面更加靈活，只需要繪制形狀特征，而不用在繪制過程中保證精確的尺寸。然后運(yùn)用“約束”操作，極其方便地達(dá)到尺寸要求，進(jìn)而準(zhǔn)確完成草圖繪制。這種繪圖方法可大大減少繪圖的工作量，進(jìn)而提高設(shè)計效率。

1.2 切割單元

在待切管材滿足切割長度時，接近開關(guān)發(fā)出信號，由機(jī)械手抓緊管材。抓手及彈簧連接見圖3，該機(jī)械手的兩個抓手3分別固定在直線導(dǎo)軌的兩個滑塊2上，兩個滑塊內(nèi)部安裝型號為GCH-20/15的電磁鐵以提供抓緊力。當(dāng)機(jī)械手抓緊管材時切割機(jī)床作出反應(yīng)，完成切割動作。兩個滑塊分別通過彈簧與中間的固定塊連接，在電磁鐵斷電后可及時使抓手分離［5］。在切割完成后，機(jī)械手松開，被切鋼管沿斜面滑行到下一工序。輸送軌道將下一部分的待切管材再次輸送到切割區(qū)域，進(jìn)行下一段管材的切割。

在UG軟件中繪制“彈簧”結(jié)構(gòu)時有兩種方法：通常是直接運(yùn)用三維建模中的“彈簧”命令，或者是先畫出螺旋線，然后再通過建模中的“管道”命令，沿該螺旋線進(jìn)行管道建模，此時，需要注意到是，管道內(nèi)徑設(shè)置成“0”。在完成一側(cè)的建模后，可以直接運(yùn)用“鏡像體”命令，對稱到另外一側(cè)［6］。

圖3 抓手及彈簧連接

1.3 沖壓單元

在這一工序里，需要對已切鋼管進(jìn)行沖壓。已切鋼管會在斜坡軌道上利用重力向下滑行，再次采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的分離圓盤對接連而下的已切鋼管進(jìn)行分離，以確保每次只有一根已切鋼管進(jìn)行沖壓。在分離完成后，利用氣缸將已分離的鋼管推進(jìn)沖床。在沖壓完成后，再次利用氣缸退出沖床，然后由分離圓盤進(jìn)行成品收集。沖壓收集如圖4所示。至此，集上料、切割、沖壓于一體的鋼管切割一體化生產(chǎn)全部完成，其整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 沖壓收集

圖5 鋼管切割機(jī)整體結(jié)構(gòu)

這部分的UG建模主要通過“拉伸”操作來完成。機(jī)械手的支架和頂部平板都是在繪制草圖基礎(chǔ)上在三維建模下進(jìn)行實體拉伸完成的；而已切管材滑行的軌道則主要通過“片體拉伸”來完成。機(jī)械手的抓手開槽處和滾輪開槽處主要通過“求差”布爾運(yùn)算來完成，這個運(yùn)算通常有兩種方式，一是通過在拉伸的過程中直接求差；二是在拉伸完成后，通過操作里的“求差”命令來進(jìn)行。

2 結(jié)論

本文以UG軟件為平臺進(jìn)行了鋼管切割生產(chǎn)線設(shè)計，有效地把結(jié)構(gòu)設(shè)計、生產(chǎn)線實物統(tǒng)一在一起。通過UG軟件的建模功能，直觀地展示了鋼管切割生產(chǎn)線設(shè)計的結(jié)構(gòu)特點及其尺寸擬定，可方便進(jìn)行可行性分析和研究，能使問題在設(shè)計階段就得以發(fā)現(xiàn)并得到有效解決。

［1］霍尚斌.UG的CAD技術(shù)和UG/CAD在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005，15（10）：214-215.

［2］趙波，龔勉.《UG基礎(chǔ)》課程建設(shè)經(jīng)驗研討［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)教育研究，2004（2）：12-16.

［3］王林峰，畢長飛.UG技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2010，37（7）：51-54.

［4］楊可楨，程光蘊(yùn)，李仲生.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.第5版.北京：高等教育出版社，2006.

［5］鄭文緯，吳克堅.機(jī)械原理［M］.第7版.北京：高等教育出版社，1997.

［6］毛炳秋.UGNX7.0基礎(chǔ)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.