基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的自調(diào)心焊接滾輪架的研制與應(yīng)用

李廣周，劉玉虎，王 剛

(天津重鋼機(jī)械裝備股份有限公司 天津300459)

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的自調(diào)心焊接滾輪架的研制與應(yīng)用

李廣周，劉玉虎，王 剛

(天津重鋼機(jī)械裝備股份有限公司 天津300459)

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，利用 Solidworks軟件研制了自調(diào)心焊接滾輪架并建立了滾輪架的仿真模型，詳細(xì)介紹了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與設(shè)備配置設(shè)計(jì)以及滾輪架的結(jié)構(gòu)、選材與加工工藝設(shè)計(jì)。根據(jù)滾輪架加工工件原理，針對(duì)圓形管件、錐形管件和箱體結(jié)構(gòu)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬現(xiàn)實(shí)仿真，實(shí)現(xiàn)了自調(diào)心焊接滾輪架的研制與應(yīng)用，為高效、高精度的先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)提供了可行性分析及參考依據(jù)。

虛擬樣機(jī) 自調(diào)心 滾輪架 圓管 錐管 箱體

0 引 言

虛擬樣機(jī)技術(shù)是20世紀(jì)90年代中后期興起的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段，是建模、仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)相互結(jié)合的產(chǎn)物。其基本思想是在物理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)之前，通過(guò)在虛擬樣機(jī)上的全面仿真，對(duì)產(chǎn)品功能、性能、外觀等進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估和優(yōu)化，以達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低開(kāi)發(fā)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期的目的。[1]圖 1給出了基于虛擬樣機(jī)(實(shí)線)和基于物理樣機(jī)(虛線)的兩種產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式的比較：

本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù) Solidworks軟件研制了一種自調(diào)心焊接滾輪架(見(jiàn)圖2)。滾輪架利用滾輪與工件之間的摩擦力帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)的變位設(shè)備，應(yīng)用時(shí)不需另行制作安裝基礎(chǔ)，可根據(jù)工件直徑大小，憑借自調(diào)式滾輪架的兩個(gè)滾輪架繞絞軸回轉(zhuǎn)以適應(yīng)不同管徑的工作，配套操作機(jī)、埋弧焊機(jī)等，實(shí)現(xiàn)工件的內(nèi)、外縱縫或內(nèi)外環(huán)縫的連續(xù)焊接。一般每組兩臺(tái)一主一從使用，組成主要包括：機(jī)座、滾輪裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)，從動(dòng)架上無(wú)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。通過(guò)Solidworks軟件依次建立各部件虛擬樣機(jī)模型，模擬實(shí)際進(jìn)行加工和裝配并分析設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)產(chǎn)品功能、性能外觀等進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)估和優(yōu)化，為高效、高精度的先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)提供了可行性分析及參考依據(jù)。

圖2 自調(diào)心焊接滾輪架虛擬樣機(jī)模型與組成Fig.2 Virtual prototype model and structure of the selfalignment turning rolls

1 自調(diào)心焊接滾輪架技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與設(shè)備配置設(shè)計(jì)

利用 Solidworks軟件建立自調(diào)心焊接滾輪架主動(dòng)滾輪組模型后，轉(zhuǎn)化為CAD二維平面視圖(見(jiàn)圖3、4)。

圖3 自調(diào)心焊接滾輪架平面圖Fig.3 Plane graph of the self-alignment turning rolls

圖4 自調(diào)心焊接滾輪架剖視圖Fig.4 Section view of the self-alignment turning rolls

YCT160-4A電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī) 1的具體參數(shù)為：2.2,kW、14.1,N/m、1250-125轉(zhuǎn)、三相交流 50,Hz、380,V。它是一種利用直流電磁滑差恒轉(zhuǎn)矩控制的交流無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)，具有調(diào)速范圍廣、速度調(diào)節(jié)開(kāi)滑、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制功率小，以及速度負(fù)反饋、自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)機(jī)械特性硬度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。所選用的減速機(jī)和電動(dòng)機(jī)具有較高的同步性能，使?jié)L輪架上的滾輪可以同步進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.2 滾輪架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材與加工工藝設(shè)計(jì)

主、從動(dòng)滾輪架上的所有滾輪組件均以滾輪支架的軸心線向兩邊對(duì)稱分布，且各個(gè)滾輪的高度一致，可保證工件在滾輪架上正常進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。主動(dòng)架4只滾輪全齒嚙合，傳動(dòng)齒輪與驅(qū)動(dòng)減速機(jī)聯(lián)接為“十”字聯(lián)軸器，使用該種聯(lián)軸器傳動(dòng)可靠，所傳遞的扭矩大，并可對(duì)微量的不同軸度進(jìn)行適量的補(bǔ)償。所有傳動(dòng)齒輪均采用優(yōu)質(zhì)鋼材制造，齒面表面淬火，經(jīng)常加注潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑，可長(zhǎng)時(shí)間使用，無(wú)需更換齒輪。在傳動(dòng)齒輪的外側(cè)和十字聯(lián)軸器外側(cè)都安裝保護(hù)罩。

主、從動(dòng)架采用型鋼鋼板結(jié)構(gòu)支架，承重軸等主要零配件均采用優(yōu)質(zhì)鋼材制造，在加工前均經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，鋼性強(qiáng)、綜合性能好、承重量大。主、從動(dòng)架各軸孔一次裝卡鏜床加工，各軸線平行度好，竄動(dòng)量小。滾輪組件內(nèi)安裝的是國(guó)內(nèi)知名生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)調(diào)心滾子軸承，使用該軸承具有承載能力強(qiáng)，本身所具有的一定自調(diào)心性能可減少一些承載過(guò)程中的彈性變形，使?jié)L輪架具有較長(zhǎng)的使用壽命，減少維修費(fèi)用和維修時(shí)間，具有較好的使用性能。軸承內(nèi)所使用的潤(rùn)滑脂為鋰基潤(rùn)滑脂，有較好的潤(rùn)滑性能。

主、從動(dòng)架各有4只滾輪，主動(dòng)架上4只滾輪均為同步主動(dòng)輪。滾輪安裝在滾輪架側(cè)板組件內(nèi)。滾輪采用整體式滾輪結(jié)構(gòu)，采用鋼膠組合輪，將橡膠壓注在鋼輪體的燕尾槽內(nèi)，具有較高的承載能力和耐磨性能，不易老化、脫膠。

2 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的自調(diào)心焊接滾輪架的應(yīng)用

2.1 利用自調(diào)心焊接滾輪架加工圓管的虛擬仿真應(yīng)用

本滾輪架能調(diào)整圓管工件直徑 0.2～2.5,m，詳見(jiàn)圖 5，虛線為滾輪最大調(diào)節(jié)圓管直徑，承重 10,t。如果圓管直徑小于1,m，圓管外表面僅接觸左、右各一滾輪，無(wú)需調(diào)節(jié)中心。如圓管直徑大于 1,m，圓管外表面才能接觸左、右各兩滾輪，由于滾輪支架通過(guò)回轉(zhuǎn)軸鉸接在支架上，因此利用圓管工件的自重可使?jié)L輪架繞回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到自調(diào)中心，以適應(yīng)多種規(guī)格直徑的工件焊接需要。

圖5 加工圓管虛擬仿真應(yīng)用Fig.5 Virtual simulation app lication in circular tubeprocessing

2.2 利用自調(diào)心焊接滾輪架加工錐管的虛擬仿真應(yīng)用

圖6 加工錐形管虛擬仿真應(yīng)用Fig.6 Virtual simulation app lication in taper pipe processing

利用焊接滾輪架焊接錐形管時(shí)，主動(dòng)滾輪架放置于地面上，從動(dòng)滾輪架需墊高放置，如果主、從動(dòng)滾輪架放置于錐形管兩端時(shí)，其高度是錐形管大小口直徑之差的一半。如圖 6所示：錐形管大口直徑 1,m，小口直徑 0.5,m，主動(dòng)架放置于錐形管大口水平地面上時(shí)，從動(dòng)架放置于錐形管小口處，其相對(duì)主動(dòng)架水平高度需墊高 0.25,m。如果主、從動(dòng)滾輪架放置于錐形管中間某位置，其高度是主、從動(dòng)滾輪架滾輪接觸錐形管面的點(diǎn)的直徑之差的一半。

2.3 利用自調(diào)心焊接滾輪架加工箱體的虛擬仿真應(yīng)用

箱體結(jié)構(gòu)各焊道的焊接，一般需將箱體通過(guò)吊車等外力來(lái)回翻身實(shí)現(xiàn)，其工作量大、效率低、有安全隱患，同時(shí)浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力。如果能夠利用滾輪架在焊接箱體結(jié)構(gòu)的面板、腹板和底板等各個(gè)焊道過(guò)程中實(shí)現(xiàn)翻身、翻轉(zhuǎn)，對(duì)提高工作效率、節(jié)約生產(chǎn)成本將具有重要的意義。利用兩組環(huán)形卡箍，套在箱體兩端上，通過(guò)緊固絲杠調(diào)整箱體重心和卡固箱體，將箱體結(jié)構(gòu)變?yōu)閳A形結(jié)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)箱體結(jié)構(gòu)在滾輪架上的翻身和焊接，如圖7所示。

圖7 加工箱體結(jié)構(gòu)虛擬仿真應(yīng)用Fig.7 Virtual simulation app lication in box structure processing

3 結(jié) 論

虛擬樣機(jī)技術(shù)是當(dāng)前先進(jìn)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)軟件建立自調(diào)心焊接滾輪架的三維實(shí)體模型，可直觀分析和評(píng)估機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理、應(yīng)用是否高效，為自調(diào)心焊接滾輪架的實(shí)際生產(chǎn)與應(yīng)用提供參考依據(jù)和可行性分析，對(duì)于提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率、降低制作成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要作用。■

［1］ 李廣周. 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的可移動(dòng)式鏜床的研制與應(yīng)用[J]. 天津科技，2009，36(5)：34-36.

［2］ 熊光楞，李伯虎，柴旭東. 虛擬樣機(jī)技術(shù)[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2001(1)：114-117.

［3］ 卞向娟，龔友平，陳國(guó)金. 焊接機(jī)器人的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與仿真[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)，2008(4)：27-28.

Development and Application of Self-alignment Turning Rolls Based on the Virtual Prototype Technology

LI Guangzhou，LIU Yuhu，WANG Gang
(Tian Jin Heavy Steel Mechanical Equipment CO.，LTD，Tianjin 300459，China)

Based on the virtual prototype technology，a self-alignment turning rolls was developed using Solidworks and its simulation model was established．The driving mechanism，equipment configuration design and the structure，material selection and process design of the turning rolls were described．According to the principle of roller processing work-piece，in view of the circular conical pipe fittings，pipe fittings and enclosure structure，realistic simulation was realized w ith the help of virtual prototype technology，which enables the development and application of the self-alignment turning rolls．This may provide a feasibility analysis and reference for the design of high efficiency and high precision advanced manufacturing technology.

virtual prototype；self-alignment；turning rolls；circular tube；taper pipe；box

TG433，TP319

：A

：1006-8945(2015)10-0052-03

2015-09-18