炸藥破碎機開發(fā)中的虛擬裝配與運動仿真研究

賀可意，陶俐言，李文波

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

虛擬裝配根據(jù)產(chǎn)品設計的形狀特征，真實地模擬產(chǎn)品的三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產(chǎn)品的可裝配性。CATIA中的DMU Kinematics模塊通過各種運動約束連接方式或者通過自動轉換裝配約束條件而產(chǎn)生運動連接，繼而實現(xiàn)電子樣機的運動仿真。電子樣機運動機構通過模擬機械運動以校驗機構性能和運動分析［1］。在炸藥破碎機的研發(fā)生產(chǎn)中，利用 CATIA軟件的虛擬裝配及運動仿真模塊對炸藥破碎機結構進行輔助設計，具有重要意義和參考價值。

1 炸藥破碎機的工作原理

圖1為炸藥破碎機的工作原理圖。炸藥破碎機主要是完成對廢棄炸藥的破碎并回收，工作流程為：供料→投料→一級破碎→二級破碎→三級破碎→出料。

圖1 炸藥破碎機工作原理圖Fig.1 Principle diagram of explosive crusher

由投料機械手將過期炸藥或炸藥廢料送入炸藥破碎機裝藥斗，啟動裝藥控制，藥斗給藥控制器打開，藥斗底板由氣缸帶動抽離，炸藥在重力的作用下進入破碎機體內(nèi)，關閉底板防止破碎粉塵外泄對人體造成傷害。破碎機體內(nèi)三級軋輥在電動機的驅動下，通過鏈傳動及齒輪傳動以相反的方向旋轉進行工作。炸藥進入第一級軋輥進行初級破碎，使較大體積的炸藥破碎為較小體積；破碎后的炸藥進入第二級軋輥，尺寸小于兩輥間隙的直接進入第三級，尺寸大于兩輥間隙的進行強行破碎，然后進入第三級軋輥。第三級軋輥間的間隙較小，這樣可以保證炸藥最終破碎為理想的粒度，保證炸藥的爆轟能力。破碎后的炸藥通過炸藥破碎機機體底部的密閉通道直接進入出料接盤進行搜集，再由傳送小車送出防爆間。整個破碎過程中無任何外泄，保證了操作人員的安全。同時操作人員還可通過炸藥破碎機體內(nèi)的監(jiān)控器對炸藥的破碎過程進行全程監(jiān)控［2，3］。

2 零件設計

本文采用自下而上（down-top）設計方法［4］，先設計好零件，然后將零件插入裝配體，根據(jù)設計要求配合零件，其優(yōu)點是零部件獨立設計，零部件之間的相互關系和重建行為比較簡單。自下而上（down-top）設計有利于不同的設計人員共同設計、修改與交流，從而提高了設計效率。在進行零部件三維建模時主要是按照破碎機的功能分類，即進料裝置、破碎裝置、出料裝置及機體，分別完成各部分的零件三維建模，這樣在以后的三維裝配中就可以分部分裝配，最后進行整體裝配。這樣做便于查找出現(xiàn)的問題，使后續(xù)的工作事半功倍。

2.1 進料、出料以及機體零部件的設計

進料、出料以及機體裝置包括的零部件眾多，多為簡單的實體零件，在 CATIA零件設計模塊（Part Design）可以容易地建立，在此不作詳細的建模過程描述。

其他零部件如鍵、軸、墊片、聯(lián)軸器、密封裝置等也可以在Part Design模塊實現(xiàn)實體建模。

2.2 齒輪的建模方法

直接通過三維軟件建模存在一定的難度，而且計算過程也比較繁瑣，數(shù)據(jù)量較大。為了減小設計難度和提高設計制造的效率，本文采用 CATIA和CAXA數(shù)據(jù)交換設計的方法，有效快速地解決了這一問題。

（1）打開CAXA主程序，在工具欄中啟動齒輪命令，輸入齒輪的參數(shù)，包括齒數(shù)，模數(shù)，壓力角，變位系數(shù)等。

（2）將建好的齒輪模型存為.igs格式文件。

（3）打開 CATIA主程序導入 CAXA輸出的.igs格式文件。

（4）將圖轉到CATIA的草圖中，對齒輪各個齒的齒廓連接點進行焊接。

（5）完成后拉伸成型。結果如圖2所示。

圖2 齒輪拉伸成型Fig.2 Extruded gear

2.3 鏈輪的參數(shù)化建模計算公式［5］

定義拉伸特征，生成鏈輪實體模型即可。

圖3 鏈輪參數(shù)化草圖［6］Fig.3 Parametric sketch of chain wheel

3 炸藥破碎機的層次化虛擬裝配

炸藥破碎機是由具有層次關系的零部件組成的復雜系統(tǒng)。按照UP-DOWN的設計過程，炸藥破碎機的裝配可以分解為若干個零件和子裝配體，一個子裝配體又可以分為下一層的若干個零件和子裝配體。炸藥破碎機裝配層次的劃分如圖4所示。按照這樣的層次進行裝配，有利于及時發(fā)現(xiàn)裝配過程出現(xiàn)的問題，提高裝配效率［7］。

圖4 炸藥破碎機裝配結構樹Fig.4 Assembly structure tree of explosive crusher

虛擬裝配是在CATIA裝配設計模塊（Assembly Design）中進行的。根據(jù)炸藥破碎機三維模型結構特點及其功能要求，可確定各零部件間的裝配約束關系。CATIA中提供了各種配合約束關系如重合、同軸心、平行、垂直、平行距離、角度、限制配合等，這里主要用到重合、對齊兩種約束關系。在根據(jù)實際裝配關系進行子裝配體和子裝配體之間的裝配時，對零件之間、子裝配體之間實施干涉分析和檢驗，及時發(fā)現(xiàn)問題并更改零件結構設計參數(shù)。裝配完成后的炸藥破碎機整體虛擬效果圖如圖 1所示。圖5顯示的是裝配過程中實施干涉檢查的結果。

4 炸藥破碎機三維運動仿真

組裝完成的炸藥破碎機在運動機制上是否合理、是否存在零件之間的干涉、是否按照預期的方式運動，這些問題的解決依賴于 CATIA的數(shù)字樣機（DMU）功能。

三級破碎部分是本文運動仿真的關鍵部分，因此將其列為仿真對象進行單獨分析。在CATIADMU模塊下的DMU Kinematics中，導入各級破碎部分的三維實體模型，分別進行運動模擬。為了便于觀察和施加運動約束，可將部分零件隱藏。利用KinematicsJoints工具條對各運動副如CylindricalJoints（同軸副）、gear Joints（齒輪副）、Revolution Joints（旋轉副）等施加定義，最后應用Simulation with commands命令進行仿真［8］。

在DMU Kinematics中，通過調(diào)用已有的多個種類的運動副或者通過自動轉換機械裝配約束條件而產(chǎn)生的運動副，依照運動學的原理，以約束自由度的方式建立機構；通過運動干涉檢驗和校核最小間隙來進行機構運動狀態(tài)的分析。

一級破碎仿真過程如圖6所示。約束、運動的施加方式如下：

第一級輥輪1.1與軸承Part1.1之間施加相合約束、偏移約束；

第一級輥輪2.1與軸承Part1.1之間施加相合約束、偏移約束；

對軸承Part1.1施加固定約束；

在第一級輥輪1.1與軸承Part1.1之間施加旋轉副；

在第一級輥輪2.1與軸承Part1.1之間施加旋轉副；

對第一級輥輪1.1和第一級輥輪2.1上的一對齒輪施加齒輪副。

開啟實施碰撞檢測，圖6結果顯示有碰撞的發(fā)生，碰撞檢測結果如圖7所示。

結果顯示，齒輪之間發(fā)生了碰撞，出現(xiàn)“嵌入”的現(xiàn)象。返回零件設計模塊重新修改參數(shù)，直至沒有碰撞干涉想象的發(fā)生。

5 結束語

圖5 干涉、碰撞檢查結果Fig.5 Results of interference and clash

圖6 一級破碎運動仿真Fig.6 Kinematics simulation of first level crush

圖7 碰撞檢測結果Fig.7 Results of clash

本文應用 CATIA完成炸藥破碎機的建模、虛擬裝配和運動仿真，優(yōu)化了零部件設計，提高了新產(chǎn)品設計的可裝配性，避免了碰撞與干涉的發(fā)生，有效地減少了設計失誤率，大大縮短了設計周期。使用三維軟件輔助產(chǎn)品總體工作的完成是現(xiàn)代機械設計的一種高效、可靠的方法。

［1］郭越，歷建剛.基于CATIA的減速器三維參數(shù)化建模與運動仿真［J］.延邊大學農(nóng)學學報，2008，30（2）:145-147.

［2］王銀峰.炸藥破碎機的數(shù)字樣機研究［D］.長春：長春理工大學，2009.

［3］梁鵬飛.基于數(shù)字化功能樣機的炸藥破碎機性能分析［D］.長春理工大學，2010.

［4］魯君尚，張安鵬.無師自通CATIAV5之電子樣機［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2008.

［5］濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［6］杜黎蓉，林博正.CATIAV5三維零件設計［M］.北京：人民郵電出版社，2005.

［7］李蘇紅，劉記，左春檉.基于CATIAV5的四桿機構參數(shù)化設計及其運動仿真［J］.長春理工大學學報：自然科學版，2009，32（2）：181-183.

［8］曾洪江，黃聰.CATIAV5機械設計從入門到精通進階篇［M］.北京：中國青年出版社，2004.