三维数字化技术在破碎机产品装配过程的应用

林 健，郭 杰，孙利强

1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039

2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039

随着工业规模不断扩大、矿山企业产业升级以及矿业界对“多碎少磨”理念的认识，破碎机作为矿山领域的重要粗碎设备，应用越来越广泛。中信重工生产的 PXZ 系列液压旋回破碎机具有能耗低、自动化程度高、生产效率高等优点，得到了广大用户的认可，取得了良好的市场效益。在矿山企业升级步伐加快以及客户对性价比要求日益提高的背景下，破碎机产品的加工制造进度成为制约交货期的重要影响因素。

笔者以中信重工 PXZ62-75 旋回破碎机为例，通过应用三维数字化技术对横梁臂和横梁臂衬板装配过程的模拟、分析研究以及具体操作实践，将三维数字化技术应用到破碎机产品工厂装配过程。用三维数字化模拟装配替代工厂实物装配，缩短了制造流程，加快了制造进度，保证了破碎机产品的交付期。

1 三维数字化技术的原理及现状

三维数字化技术是利用激光测距原理确定目标空间位置，用三维激光扫描仪的双镜头识别粘贴在被测零件上的标志点定位，确定三维激光扫描仪与被测工件的相对位置，用三维激光扫描仪发射交叉激光线识别被测工件并生成数据模型。该技术具有适应环境广泛、数据采集时效性强、动态测量等特点。邓文怡等人研究分析了近景摄影测量原理，用最小二乘的广义逆法求解非线性方程组，解决了三维数字测量系统的畸变问题，特别适合具有三维复杂曲面或轮廓的大尺寸工件的非接触测量[1]。刘昌霖对三维激光扫描技术的原理、分类和应用领域进行了研究，分析了该技术的发展趋势[2]。刘进等人将三维摄影测量技术应用在水轮机叶片上进行试验检测，研究了三维测量模型与理论图形对比检查制造偏差的方案[3]。以上研究主要针对三维数字化技术在复杂形状零件加工和检测方面的应用，而在复杂形状零件装配模拟中的应用还很少。

近年来，随着中信重工智能化工厂、数字化车间等智能制造专项的逐步推进，对装配提出了更高的要求。笔者结合三维摄影测量技术与三维软件进行模拟分析，创新地提出了一种模拟装配方案，并应用于破碎机产品装配过程，为后续智能制造的推进提供参考。

2 破碎机产品装配概况

为确保用户现场安装质量，破碎机产品出厂前需进行厂内装配试装，由于一些零部件之间相互配合面为毛坯面，同时零件外形又为不规则三维空间曲面，存在一定的铸造误差，如破碎机产品横梁臂与横梁臂衬板的配合（见图 1）。由于毛坯尺寸铸造误差，需要对两者进行装配试装，再根据结合面配合情况进行修磨，使配合接触满足设计、使用要求。由于是三维空间曲面配合，装配试装时无法一次确定修磨的位置及修磨量。以 PXZ62-75 旋回破碎机为例，每组横梁臂与横梁臂衬板在厂内装配试装时，需重复试装修磨 10次左右才能达到要求，试装效率低，装配周期长。

图1 破碎机横梁臂与横梁臂衬板

3 三维数字化模拟装配过程

3.1 装配零件三维数字化扫描建模

首先，分别对装配零件横梁臂和横梁臂衬板进行三维数字化扫描建模，得到零件扫描模型，如图2、3 所示。

图2 破碎机横梁臂三维扫描模型

图3 破碎机横梁臂衬板三维扫描模型

3.2 扫描模型与理论模型偏差检查

将横梁臂三维数字化扫描模型与横梁臂衬板理论模型放在同一坐标系下进行装配模拟分析，通过截面分析判断两工件毛坯面装配配合情况，通过平移、旋转调整装配两工件三维数字化扫描模型，寻找两者配合的最合理状态，即修磨最少的状态。在确定最佳配合状态后，通过三维软件的偏差检查功能，检查测量出需要修磨部位置与最佳配合位置的最大距离偏差量。横梁臂和横梁臂衬板在3 种不同装配状态下的干涉情况如图 4所示，在不同的模拟装配状态下，两工件产生的干涉位置和干涉面积是不同的。表 1所列为3 种模拟状态下不同干涉位置对应的偏差数值。通过对比可以看出，模拟装配状态3 的干涉位置最少，偏差量最小，为装配合理位置。

表1 不同状态的偏差数值 mm

图4 模拟装配状态和偏差检查

3.3 确定装配修磨位置和修磨量

通过三维软件对扫描模型与理论模型进行装配位置、状态的微量平移、旋转，以及上述各状态不同位置点的偏差数值比较，笔者认为模拟装配状态3 为装配合理状态。根据表 1中状态3 的偏差数值，可以通过局部修正横梁臂位置 1、2，去除量按最高点去除5 mm，位置3 处修正去除2 mm 以内。图 5所示为装配合理位置（模拟装配状态 3）对应的横梁臂修磨位置。

图5 横梁臂修磨位置

4 实施效果

采用三维数字化扫描模拟装配技术之后，先对横梁臂衬板和横梁臂进行三维扫描、模拟装配，根据模拟结果，指导生产提前进行修磨，然后进行试装，试装1～2 次即可达到装配要求，装配周期显著缩短。

实施效果表明，三维摸拟装配技术能够更加直观地发现大部分干涉位置，可以为试装修配提供指导意见，提高装配试装效率，缩短装配周期。

5 结语

在当今数字化、网络化、智能化的新科技革命时代，推动矿山企业向数字化转变，进一步解放和发展生产力，降低工人的劳动强度，将是必然的趋势。三维数字化技术在破碎机产品装配过程的成功应用，为其他矿山企业产品装配的应用和推广积累了宝贵经验。