夹紧式铝锭翻转机构仿真设计研究

李振伟，李建华

(兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

0 前言

铝锭从生产到入库需要完成铸造、冷却、堆垛、打包和成品运输入库等多道工序。作为铝锭铸造机组的重要工作单元，夹紧式铝锭翻转机构按照铝锭堆垛要求实现铝锭自动翻转。夹紧式铝锭翻转机构零件多，装配复杂，使用传统的设计制造方法，由于装配过程不合理，需要通过反复的物理样机装配来寻求最佳装配方案，优化装配工艺。本文运用虚拟样机技术，利用虚拟样机来检查产品的可装配性，减少了物理样机研制次数，缩短了产品开发周期，减少了产品开发费用。

1 夹紧式铝锭翻转机构工作原理及其虚拟建模

1.1 夹紧式铝锭翻转机构工作原理

夹紧式铝锭翻转机构如图1所示，铸造出的铝锭外形如图2所示，按照铝锭堆垛要求，夹紧式铝锭翻转机构在夹紧气缸的作用下将铝锭一对短边夹紧，再由伺服电机驱动翻转轴将第1层全部4块铝锭和第2层至第11层中的第2、4块铝锭翻转180°，为后续成型铝锭顺利堆垛做好准备。

图1 夹紧式铝锭翻转机构示意图Fig.1 Diagram of clamped turnover mechanism for aluminum pig

图2 铝锭外形Fig.2 Outline of aluminum pig

1.2 翻转机构虚拟建模

以三维CAD软件Pro/E为软件平台，基于参数化的虚拟建模方法，建立铝锭翻转机构的零件模型如图3所示［3］。

图3 夹紧式铝锭翻转机构零件模型Fig.3 Parts models of clamped turnover mechanism for aluminum pig

2 翻转机构虚拟装配

图4 夹紧式铝锭翻转机构装配过程仿真图Fig.4 Simulation diagram of clamped turnover mechanism for aluminum pig in assembly process

建立了零部件虚拟模型后，利用虚拟装配技术完成虚拟样机的制造，将虚拟样机整机分成若干个子装配体和零件，每个子装配体又可分为若干个零件和子装配体，图4为夹紧式铝锭翻转机构装配体的子装配体的装配仿真过程，从图中可以清晰地看到翻转机构装配体的各组成零、部件［4］。图5为虚拟样机的分解视图。

图5 虚拟样机分解视图Fig.5 Disassembling view of virtual prototype

2.1 翻转机构装配序列规划

本着“可拆即可装”这一基本假设为前提，把装配看作是拆卸的逆过程，根据装配知识、经验和惯例利用仿真手段在虚拟环境中进行翻转机构的试拆卸以获取可行拆卸工艺，再通过求逆进而得到最佳的装配工艺。装配体装配层次关系树如图6所示。

图6 装配体装配层次关系树Fig.6 Relational tree of assembly hierarchy of parts

2.2 翻转机构虚拟样机运动仿真

在完成翻转机构的虚拟装配之后，设置运动轴、啮合齿轮副、伺服电机，电动机优先级，以及总运动时间和帧，进行运动仿真。设置完成点击“分析定义”对话框中的“运行”按钮，观察虚拟样机运动情况，运行结束点击“确定”按钮。进入机构回放模块，在机构回放模块里可进行碰撞干涉检验，根据检测需要设置检测级别。碰撞干涉检验通常分为无碰撞检测、全局碰撞检测、部分碰撞检测等三个检验级别。图7为碰撞检测设置对话框，图8为发生干涉的啮合齿轮副(图中粗黑线部分为发生干涉的啮合齿轮副)，可通过调整啮合齿轮的初始位置消除干涉现象。图9为虚拟样机运动仿真过程［6-8］。

完成运动仿真和干涉检验之后，利用捕捉操作可将样机运动仿真过程制作成影视文件，通过播放动画观察虚拟样机运动情况。

3 结论

本文针对传统的夹紧式铝锭翻转机构研制时利用实物模型进行装配验证，导致零部件装配缺陷发现滞后的问题，基于虚拟装配技术对夹紧式铝锭翻转机构装配过程进行了仿真开发研究。探讨了基于“可拆即可装”的装配序列规划方法，通过对样机进行运动仿真分析，考察了虚拟样机各个零部件之间的干涉现象。提高了产品设计质量，缩短了开发周期，降低了开发成本，实现了翻转机构的虚拟装配和产品的并行开发。

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