三維數(shù)字化技術(shù)在破碎機(jī)產(chǎn)品裝配過(guò)程的應(yīng)用

林 健，郭 杰，孫利強(qiáng)

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

隨著工業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、礦山企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)以及礦業(yè)界對(duì)“多碎少磨”理念的認(rèn)識(shí)，破碎機(jī)作為礦山領(lǐng)域的重要粗碎設(shè)備，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。中信重工生產(chǎn)的 PXZ 系列液壓旋回破碎機(jī)具有能耗低、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣大用戶的認(rèn)可，取得了良好的市場(chǎng)效益。在礦山企業(yè)升級(jí)步伐加快以及客戶對(duì)性價(jià)比要求日益提高的背景下，破碎機(jī)產(chǎn)品的加工制造進(jìn)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(jī)為例，通過(guò)應(yīng)用三維數(shù)字化技術(shù)對(duì)橫梁臂和橫梁臂襯板裝配過(guò)程的模擬、分析研究以及具體操作實(shí)踐，將三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到破碎機(jī)產(chǎn)品工廠裝配過(guò)程。用三維數(shù)字化模擬裝配替代工廠實(shí)物裝配，縮短了制造流程，加快了制造進(jìn)度，保證了破碎機(jī)產(chǎn)品的交付期。

1 三維數(shù)字化技術(shù)的原理及現(xiàn)狀

三維數(shù)字化技術(shù)是利用激光測(cè)距原理確定目標(biāo)空間位置，用三維激光掃描儀的雙鏡頭識(shí)別粘貼在被測(cè)零件上的標(biāo)志點(diǎn)定位，確定三維激光掃描儀與被測(cè)工件的相對(duì)位置，用三維激光掃描儀發(fā)射交叉激光線識(shí)別被測(cè)工件并生成數(shù)據(jù)模型。該技術(shù)具有適應(yīng)環(huán)境廣泛、數(shù)據(jù)采集時(shí)效性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)測(cè)量等特點(diǎn)。鄧文怡等人研究分析了近景攝影測(cè)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(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的畸變問(wèn)題，特別適合具有三維復(fù)雜曲面或輪廓的大尺寸工件的非接觸測(cè)量[1]。劉昌霖對(duì)三維激光掃描技術(shù)的原理、分類和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了研究，分析了該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。劉進(jìn)等人將三維攝影測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在水輪機(jī)葉片上進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，研究了三維測(cè)量模型與理論圖形對(duì)比檢查制造偏差的方案[3]。以上研究主要針對(duì)三維數(shù)字化技術(shù)在復(fù)雜形狀零件加工和檢測(cè)方面的應(yīng)用，而在復(fù)雜形狀零件裝配模擬中的應(yīng)用還很少。

近年來(lái)，隨著中信重工智能化工廠、數(shù)字化車間等智能制造專項(xiàng)的逐步推進(jìn)，對(duì)裝配提出了更高的要求。筆者結(jié)合三維攝影測(cè)量技術(shù)與三維軟件進(jìn)行模擬分析，創(chuàng)新地提出了一種模擬裝配方案，并應(yīng)用于破碎機(jī)產(chǎn)品裝配過(guò)程，為后續(xù)智能制造的推進(jìn)提供參考。

2 破碎機(jī)產(chǎn)品裝配概況

為確保用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量，破碎機(jī)產(chǎn)品出廠前需進(jìn)行廠內(nèi)裝配試裝，由于一些零部件之間相互配合面為毛坯面，同時(shí)零件外形又為不規(guī)則三維空間曲面，存在一定的鑄造誤差，如破碎機(jī)產(chǎn)品橫梁臂與橫梁臂襯板的配合（見(jiàn)圖 1）。由于毛坯尺寸鑄造誤差，需要對(duì)兩者進(jìn)行裝配試裝，再根據(jù)結(jié)合面配合情況進(jìn)行修磨，使配合接觸滿足設(shè)計(jì)、使用要求。由于是三維空間曲面配合，裝配試裝時(shí)無(wú)法一次確定修磨的位置及修磨量。以 PXZ62-75 旋回破碎機(jī)為例，每組橫梁臂與橫梁臂襯板在廠內(nèi)裝配試裝時(shí)，需重復(fù)試裝修磨 10次左右才能達(dá)到要求，試裝效率低，裝配周期長(zhǎng)。

圖1 破碎機(jī)橫梁臂與橫梁臂襯板

3 三維數(shù)字化模擬裝配過(guò)程

3.1 裝配零件三維數(shù)字化掃描建模

首先，分別對(duì)裝配零件橫梁臂和橫梁臂襯板進(jìn)行三維數(shù)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(jī)橫梁臂三維掃描模型

圖3 破碎機(jī)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(shù)字化掃描模型與橫梁臂襯板理論模型放在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行裝配模擬分析，通過(guò)截面分析判斷兩工件毛坯面裝配配合情況，通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)調(diào)整裝配兩工件三維數(shù)字化掃描模型，尋找兩者配合的最合理狀態(tài)，即修磨最少的狀態(tài)。在確定最佳配合狀態(tài)后，通過(guò)三維軟件的偏差檢查功能，檢查測(cè)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(tài)下的干涉情況如圖 4所示，在不同的模擬裝配狀態(tài)下，兩工件產(chǎn)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(tài)下不同干涉位置對(duì)應(yīng)的偏差數(shù)值。通過(guò)對(duì)比可以看出，模擬裝配狀態(tài)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(tài)的偏差數(shù)值 mm

圖4 模擬裝配狀態(tài)和偏差檢查

3.3 確定裝配修磨位置和修磨量

通過(guò)三維軟件對(duì)掃描模型與理論模型進(jìn)行裝配位置、狀態(tài)的微量平移、旋轉(zhuǎn)，以及上述各狀態(tài)不同位置點(diǎn)的偏差數(shù)值比較，筆者認(rèn)為模擬裝配狀態(tài)3 為裝配合理狀態(tài)。根據(jù)表 1中狀態(tài)3 的偏差數(shù)值，可以通過(guò)局部修正橫梁臂位置 1、2，去除量按最高點(diǎn)去除5 mm，位置3 處修正去除2 mm 以內(nèi)。圖 5所示為裝配合理位置（模擬裝配狀態(tài) 3）對(duì)應(yīng)的橫梁臂修磨位置。

圖5 橫梁臂修磨位置

4 實(shí)施效果

采用三維數(shù)字化掃描模擬裝配技術(shù)之后，先對(duì)橫梁臂襯板和橫梁臂進(jìn)行三維掃描、模擬裝配，根據(jù)模擬結(jié)果，指導(dǎo)生產(chǎn)提前進(jìn)行修磨，然后進(jìn)行試裝，試裝1～2 次即可達(dá)到裝配要求，裝配周期顯著縮短。

實(shí)施效果表明，三維摸擬裝配技術(shù)能夠更加直觀地發(fā)現(xiàn)大部分干涉位置，可以為試裝修配提供指導(dǎo)意見(jiàn)，提高裝配試裝效率，縮短裝配周期。

5 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的新科技革命時(shí)代，推動(dòng)礦山企業(yè)向數(shù)字化轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步解放和發(fā)展生產(chǎn)力，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，將是必然的趨勢(shì)。三維數(shù)字化技術(shù)在破碎機(jī)產(chǎn)品裝配過(guò)程的成功應(yīng)用，為其他礦山企業(yè)產(chǎn)品裝配的應(yīng)用和推廣積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。