基于UG的管材切割生产线结构设计

2014-12-31石成江柏宜群

机械工程与自动化 2014年2期

孙萌，石成江，柏宜群

（辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 113001）

0 引言

传统的管材切割过程主要由工人手工完成。工人先将待切钢管放到工作台上，然后操纵手动切割机器进行切割；在切割完成后，再由下一工序的工人进行冲压并收集。在这种生产方式下，产品精度要靠工人的经验来保证，对工人的技术要求高且劳动强度较大。在目前劳动力紧缺的情况下，采用上述生产方式显然成本很高，而且难以控制次品率。钢管切割生产线可有效解决上述问题，因为其是一体化生产，而且在自动化条件下进行，可大大缩短切割时间，易于实现批量化生产。UG软件是美国EDS公司的集CAD/CAM/CAE于一体的软件集成系统，广泛应用于飞机、汽车、模具及家用电器等行业［1］。相比其他软件，UG在建模的灵活性方面比较突出，不必定义和参数化新曲线，可以直接利用实体边缘的几何特征，其特点是参数化实体建模，得到的是计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助分析（CAE）和计算机辅助设计（CAD）需要的实体模型。UG的主要特征有：3D实体模型；基于特征的参数化实体建模；单一数据库；机构设计技术；行为建模技术；NC加工；强大的装配功能；二次开发技术［2］。

UG软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能，而且在设计过程中还可以进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，以提高设计的可靠性。UG将优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数CAD/CAM软件厂商所采用［3］。UG三维建模方法打破了传统二维设计的局限性，使设计人员在方案设计阶段就能在计算机上看到产品的三维立体图像，完成对产品的虚拟制造，可以最大限度地减少设计失误，避免设计加工过程中的浪费和损失，降低成本，缩短设计周期，提高设计质量，增强产品的市场竞争力。所以，本次设计选择使用UG软件来完成。

1 钢管切割生产线的结构设计

总体说来，本条钢管切割生产线可分为3个部分：上料单元、切割单元和冲压单元。这3个单元完全统一于一体化的生产流程，均可在PLC控制下自动进行工作。

1.1 上料单元

上料单元见图1。本条生产线以切割长度为6m～8m的管材为初始值进行设计，管材直径为Φ40 mm～Φ60mm。上料主要通过待切管材本身的重力实现，待切管材在自重的作用下缓慢滑行至输送轨道上。这个滑行过程在铁皮通道3中进行，该通道与水平面呈30°夹角，用于提供管材滑行所需动力。滑行长度为1.5m，这个长度足以保证正常持续切割工况下上料间隔为20min。采用输送轨道大大降低了工人的劳动强度。

在管材滑行到输送轨道附近时，需要对铁皮滑行轨道中的一排管材进行分离，以保证只有一根待切管材进入到输送轨道上。采用步进电机5驱动的分离圆盘4来实现输送功能，每当圆盘转过90°时，会有一根待切管材被输送到输送轨道上。输送轨道在两个驱动轮2的驱动下，以设定速度向切割机床方向运动［4］。动力由三相交流异步电机1驱动。整个上料单元的纵向结构和尺寸如图2所示。

图1 上料单元

图2 上料单元纵向尺寸图

建模是UG设计技术的基础，UG虚拟装配、工程制图、机构运动分析、有限元分析、编制加工程序等均须直接应用已建立的主模型。如在UG机构运动分析模块中直接应用主模型进行二维或三维机械系统的复杂运动分析和设计仿真，并可完成大量的装配分析工作，如最小距离、干涉检查，以及反作用力、位移、速度和加速度绘制等。

这部分在UG建模中主要运用到“实体拉伸”、“片体拉伸”以及“垫块”等操作。在这个过程中要建立基准平面，在基准平面上进行草图绘制。在草图模式下，绘制所要进行拉伸的基本图形。相比CAD制图，UG在绘制草图方面更加灵活，只需要绘制形状特征，而不用在绘制过程中保证精确的尺寸。然后运用“约束”操作，极其方便地达到尺寸要求，进而准确完成草图绘制。这种绘图方法可大大减少绘图的工作量，进而提高设计效率。

1.2 切割单元

在待切管材满足切割长度时，接近开关发出信号，由机械手抓紧管材。抓手及弹簧连接见图3，该机械手的两个抓手3分别固定在直线导轨的两个滑块2上，两个滑块内部安装型号为GCH-20/15的电磁铁以提供抓紧力。当机械手抓紧管材时切割机床作出反应，完成切割动作。两个滑块分别通过弹簧与中间的固定块连接，在电磁铁断电后可及时使抓手分离［5］。在切割完成后，机械手松开，被切钢管沿斜面滑行到下一工序。输送轨道将下一部分的待切管材再次输送到切割区域，进行下一段管材的切割。

在UG软件中绘制“弹簧”结构时有两种方法：通常是直接运用三维建模中的“弹簧”命令，或者是先画出螺旋线，然后再通过建模中的“管道”命令，沿该螺旋线进行管道建模，此时，需要注意到是，管道内径设置成“0”。在完成一侧的建模后，可以直接运用“镜像体”命令，对称到另外一侧［6］。

图3 抓手及弹簧连接

1.3 冲压单元

在这一工序里，需要对已切钢管进行冲压。已切钢管会在斜坡轨道上利用重力向下滑行，再次采用步进电机驱动的分离圆盘对接连而下的已切钢管进行分离，以确保每次只有一根已切钢管进行冲压。在分离完成后，利用气缸将已分离的钢管推进冲床。在冲压完成后，再次利用气缸退出冲床，然后由分离圆盘进行成品收集。冲压收集如图4所示。至此，集上料、切割、冲压于一体的钢管切割一体化生产全部完成，其整体结构如图5所示。

图4 冲压收集

图5 钢管切割机整体结构

这部分的UG建模主要通过“拉伸”操作来完成。机械手的支架和顶部平板都是在绘制草图基础上在三维建模下进行实体拉伸完成的；而已切管材滑行的轨道则主要通过“片体拉伸”来完成。机械手的抓手开槽处和滚轮开槽处主要通过“求差”布尔运算来完成，这个运算通常有两种方式，一是通过在拉伸的过程中直接求差；二是在拉伸完成后，通过操作里的“求差”命令来进行。