固定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)

固定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)

针对固定式铝锭翻转机构在装配过程中因设计原因无法装配的问题。利用虚拟装配技术，建立虚拟零件模型和虚拟样机模型。对虚拟样机进行运动仿真，检测并分析了虚拟样机在运动过程中的干涉现象。实现了翻转机构的虚拟装配，缩短了开发周期，节约了资本。

固定式铝锭翻转机构;虚拟装配;运动仿真

0 前言

铝锭连续铸造机组是电解铝行业专门用于生产重熔铝锭的集机、电、光、液和气于一体的自动化成套冶金生产线。在PLC程序控制下，铝锭连续铸造机组可以自动完成铝锭的铸造、冷却、堆垛、打包和成品运输等生产工序［1］。铸造出的铝锭外形如图1所示［2］。

图1 铝锭外形Fig.1 Appearance of aluminium ingot

固定式铝锭翻转机构是铝锭连续铸造机组重要装备，其工作目的是按照铝锭码垛工艺顺序实现铝锭自动翻转。铝锭翻转装置零件多，装配复杂，且在研发阶段由于设计上存在失误导致产品无法装配，需要从新设计。针对固定式铝锭翻转机构在研发阶段存在的这类问题，本文采用虚拟装配的设计方法，即从装配的角度进行产品设计，在产品研发阶段通过试制虚拟样机来检查产品的可装配性，发现问题及时反馈到设计环节，实现产品的并行开发，同时考察产品的可装配性，寻求最佳装配工艺。

1 固定式铝锭翻转机构工作原理原理及其虚拟建模

1.1 固定式铝锭翻转机构工作原理

固定式铝锭翻转机构如图2所示，基功能按照码垛标准要求对第一层全部四块铝锭和第2层至第11层中的第2、4块铝锭翻转180°。传统的翻转机构采用往复式半行程翻转，由气压或液压驱动的一对结构相同的翻转机组成，其控制性能差，翻转同步性差，冲击大，可靠性低，且由于有半圈空行程，效率低。因此，为满足高效连铸要求，如何提高翻转效率，实现平稳同步翻转、无冲击是翻转装置需要解决的难点。

图2 固定式铝锭翻转机构示意图Fig.2 Structural scheme of fixed aluminum turnovermechanism

1.2 固定式铝锭翻转机构虚拟建模

零部件虚拟建模是虚拟装配的第一个环节，本文在深入了解了固定式铝锭翻转机构的结构、工作原理、工况环境的基础上，运用参数化虚拟装配设计方法，以三维CAD软件Pro/E5.0为软件平台，通过拉伸、旋转、扫描、镜像、倒角等特征操作，建立翻转机构的零件模型如图3所示。

图3 固定式铝锭翻转机构零件模型Fig.3 Partmodels fixed aluminum turnovermechanism

2 固定式铝锭翻转机构虚拟装配及虚拟样机运动仿真

2.1 虚拟装配

在完成零部件虚拟建模之后，接着进入虚拟装配设计的第二个环节，利用仿真手段在虚拟环境中进行翻转机构的虚拟装配，基于Pro/E5.0软件建模时，样机装配模型通常按位置和功能关系分为若干个子装配体，每个子装配体又有若干个零、部件组成，这样使整个模型层次分明，便于查找及修改;图4为固定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。图5为虚拟样机的分解视图。

2.2 虚拟样机运动仿真

运动仿真虚拟装配设计的第三个环节，虚拟样机模型建成之后，点击“应用程序”、“机构”，点击“编辑”、“查找”完成运动轴的设置。点击“插入”、“齿轮”完成齿轮啮合的设置。点击“插入”、“伺服电机”完成伺服电机的设置。

完成这些设置之后，接着进入机构分析模块，点击“分析”、“机构分析”打开分析定义对话框，先完成各伺服电机运动优先级的设置，再进行总运动时间和帧的设置。完成这些设置之后点击运行按钮即可进行机构分析。分析完成单击“确定”按钮，点击“分析”、“回放”打开回放对话框，在回放对话框里可进行动态碰撞干涉检测设置，碰撞干涉检测分为无碰撞检测、全局碰撞检测、局部碰撞检测三个检测级别。根据需要设置好碰撞检测级别，然后点击回放按钮进行碰撞检测分析，图6为一对齿轮啮合发生碰撞干涉(图中粗黑线部分所示)。进行齿廓间相对位置调整，消除齿廓间的碰撞干涉。实现虚拟样机运动仿真，虚拟样机运动仿真过程如图7所示。

通过运动仿真、干涉检验把理论结果和实际模型作对比，使理论和实际达到了完美的结合。碰撞检测后如果没有发现干涉现象，单击“捕捉”运行机构就可以将运动过程输出成MPG格式的影像文件［4］。

3 结论

基于在产品研发阶段，设计者在设计上存在失误，导致固定式铝锭翻转机构在装配过程中无法装配，以Pro/E5.0为软件平台，利用虚拟装配技术，建立固定式铝锭翻转机构的虚拟零件模型和虚拟样机模型，成功地在计算机虚拟环境中，完成了产品的装配过程。对虚拟样机进行运动仿真，考察了虚拟样机在运动过程中的干涉现象，实现了翻转机构的虚拟装配。达到了缩短开发周期、节约资本、降低劳动强度的目的，实现了产品的并行开发。

［1］兰州理工大学机电工程学院项目组．铝锭连续铸造机组关键技术及成套设备研制科研工作总结报告 ［R］．2003．

［2］赵俊天，李鄂民，魏兴春，等.LZJ－22新型全自动铝锭连续铸造机组的研制 ［J］．重型机械，2009(2)．

［3］詹肇麟，杨跃奎，张晓龙，等.虚拟装配技术应用研究 ［J］．昆明理工大学学报，2001，26(4):99－10．

［4］詹友刚.Pro/ENGINEER中文野火版教程─专用模块［M］.北京:清华大学出版社，200．

［5］梁建华.20kg铝锭连铸机搭锭机构的虚拟装配设计［D］．兰州:兰州理工大学，2006．

Simulation design fixed alum inum turnover mechanism

LIZhen-wei，LI jian-hua
(School of Mechanical＆Electronical Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China)

Aiming at the problem caused by the designmistakes，which result in assembly difficulty of the fixed aluminum turnovermechanism，themodels of virtual prototype and virtual parts were built with the virtual assembly technology．Themotion simulation of virtual prototype was carried out．The interference phenomenon of the virtual prototype in the movement process was surveyed．The virtual assembly of the turnover mechanism was realized．With the virtual technology，the development cycle of the productwas shortened，and the cost and the labor intensity were reduced．

fixed aluminum turnovermechanism;virtual assembly;motion simulation

TF777

A

1001－196X(2012)05－0071－03

2012－04－04;

2012－05－21

李振伟(1986－)，男，兰州理工大学硕士研究生。