淺探基于SolidWorks軟件橡膠體旋切機(jī)的設(shè)計

庾潤超

（東莞市裕隆機(jī)械制造有限公司，廣東 東莞523052）

當(dāng)前橡膠體旋切機(jī)在再生橡膠加工生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如何實現(xiàn)機(jī)械設(shè)備功率與產(chǎn)能的最優(yōu)化，成為機(jī)械設(shè)備研發(fā)與制造領(lǐng)域亟待攻克的技術(shù)難題?，F(xiàn)階段傳統(tǒng)機(jī)械式旋切機(jī)已逐步替換為自動式旋切機(jī)，對于旋切機(jī)的零部件造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計精度提出更高要求，引入三維建模技術(shù)成為解決設(shè)計問題的重要突破點。

1 橡膠體旋切機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 切割部分設(shè)計

1.1.1 設(shè)計方案

橡膠體旋切機(jī)的切割部分主要由機(jī)架、刀架、進(jìn)料組件、刀夾組件及磨刀組件組成，針對切割部分現(xiàn)有兩種設(shè)計方案：方案一是固定一把刀體，泡體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動切割；方案二是由電機(jī)直接驅(qū)動無齒帶鋸旋轉(zhuǎn)，泡體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動?？紤]到固定的刀體需要定時需要專用的磨刀機(jī)修磨磨損的刃口，并且拆卸耗時。而帶鋸刀可邊切割邊進(jìn)行磨刀，使用完后更換方便。并且特點是對于密度較大的在800kg/m3-1200kg/m3的橡膠泡體切割后的光潔度良好和精度準(zhǔn)確，對材料有雜質(zhì)的情況亦可修復(fù)。因此應(yīng)選取方案二進(jìn)行切割部分設(shè)計[1]。（圖1）

圖1 無齒帶鋸示意圖

1.1.2 工作流程

在完成方案設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對切割部分的運(yùn)行流程進(jìn)行分析。主刀架上帶鋸被帶輪拉緊，在主電機(jī)驅(qū)動下，由帶傳動帶動帶輪，切割帶鋸隨帶輪做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；帶鋸的一側(cè)中心寬度為1680MM 的空間為固定帶鋸的刀夾，其光電傳感器感應(yīng)帶鋸伸出刀夾的距離為4MM，可自動進(jìn)行補(bǔ)償帶鋸磨損量。帶鋸另一側(cè)為磨刀機(jī)構(gòu)，用于修磨帶鋸刃口形狀，保持鋒利。帶鋸前為進(jìn)給機(jī)構(gòu)，通過絲桿滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)退滑座平臺前后移動來再生橡膠泡體控制切割厚度?；赑LC 程序進(jìn)行電動機(jī)與編碼器的控制，使其依照制定順序動作。

1.2 機(jī)械傳動部分設(shè)計

1.2.1 切割電機(jī)選型

結(jié)合旋切機(jī)的使用要求，綜合考慮電機(jī)型號、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩等設(shè)計參數(shù)進(jìn)行合理選型，并兼顧電動機(jī)在運(yùn)行過程中的發(fā)熱情況、允許過載數(shù)值等指標(biāo)。例如根據(jù)橡膠再生橡膠的生產(chǎn)要求，可選用Y 系列三相異步電動機(jī)，型號為Y200-8、額定功率15kW、額定電壓380V、額定轉(zhuǎn)速750rpm、額定轉(zhuǎn)矩147N·m、頻率50Hz，采用三角形啟動方式[3]。

1.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)對主要結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進(jìn)行分析：

刀夾機(jī)構(gòu)設(shè)計，刀夾機(jī)構(gòu)作為控制精度穩(wěn)定性的核心部分，其主要作用為：①夾住帶鋸防止竄動;②保持帶鋸切割的刃口高度。對于功能①應(yīng)考慮多個實際應(yīng)用發(fā)生的情況，首先刀輪驅(qū)動的帶鋸在旋轉(zhuǎn)過程中會有上下竄動，另外再生橡膠硬度可達(dá)到邵氏硬度80，切割厚度在0-30MM，帶鋸切割阻力大，會產(chǎn)生發(fā)熱變軟與彎曲的現(xiàn)象。為實現(xiàn)切割精度在±0.2MM 以內(nèi)，也要求刀架部分使用高強(qiáng)度的錳鋼作為主要材料并使用調(diào)質(zhì)處理、表面滲氮、鍍鐵氟龍等處理。刀夾分2 部分，主體部分為70MM厚210 寬保證強(qiáng)度，刀尖部分需精磨至0.5MM 厚度，輔刀架與主夾刀夾住帶鋸，其2 者之間間隙均勻相互配合，其中并設(shè)置散熱槽使厚度在0.8MM 的帶鋸在其中運(yùn)動?？偟男Ч麨榈秺A有足夠的強(qiáng)度耐磨性，光潔度，刀尖薄而且強(qiáng)度高。對于功能②主刀夾下部設(shè)計有下刀體，其主要原理為利用合金頂?shù)稐U頂緊帶鋸底部，使帶鋸在刀夾上伸進(jìn)伸出。頂?shù)稐U外套空心螺桿套,螺桿套與下部渦輪相配合，而一條貫穿刀盒的蝸桿與刀盒7 個渦輪相配合，當(dāng)蝸桿旋轉(zhuǎn)時帶動全部渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪中心絲牙與螺桿套配合，帶動螺桿套上升下降，從而頂起合金頂?shù)稐U上下帶鋸高度升降。

1.2.3 磨刀機(jī)構(gòu)設(shè)計

磨刀機(jī)構(gòu)主要作用為把帶鋸修整鋒利。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，硬包裝砂輪硬度與線速度足夠大，因此選用白剛玉材質(zhì)直徑200,1.5KW 電機(jī)驅(qū)動，在結(jié)構(gòu)上則應(yīng)適應(yīng)帶鋸在切割過程中帶鋸寬度不斷磨損，修磨的接觸面不斷變化，因此磨刀砂輪應(yīng)可在帶鋸寬度90MM-50MM 的全過程都可適應(yīng)。又由于帶鋸切割時為傾角14°的狀態(tài)，可把機(jī)構(gòu)動作分為擺角與平移運(yùn)動，通過旋轉(zhuǎn)擺角絲桿使其中螺母進(jìn)出，螺母連接的整個砂輪組件繞軸線旋轉(zhuǎn)到合適角度，調(diào)整組件的平移絲桿使砂輪平移前進(jìn)或者后退，砂輪緊靠帶鋸進(jìn)行修磨。在傳動方面，應(yīng)對砂輪軸進(jìn)行跳動測試，避免砂輪修磨有跳動，導(dǎo)致刃口凹凸不平，結(jié)構(gòu)上選用皮帶傳動。

1.2.4 進(jìn)給機(jī)構(gòu)

進(jìn)給機(jī)構(gòu)為核心部分，控制切割厚度。進(jìn)給機(jī)構(gòu)包括兩種運(yùn)動，進(jìn)給運(yùn)動與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。進(jìn)給運(yùn)動由伺服電機(jī)帶動，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動則有減速電機(jī)驅(qū)動。進(jìn)給運(yùn)動與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動必須保持嚴(yán)格的運(yùn)動聯(lián)系，為保持厚度不變，橡膠泡體每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，其進(jìn)給量大小等于切割厚度名義大小，改變進(jìn)給量可獲得不同厚度。

進(jìn)給運(yùn)動主要由絲桿螺母機(jī)構(gòu)、定比傳動減速機(jī)、主滑塊、聯(lián)軸器等組成。伺服電機(jī)的動力通過同步帶傳動到減速機(jī)的傳動軸，傳動軸帶動兩組減速機(jī)輸入端，減速機(jī)又帶動絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿螺母在絲杠上其兩側(cè)有直線軸承的滑臺，兩側(cè)滑臺同步進(jìn)給，滑臺上部則有安裝轉(zhuǎn)套、轉(zhuǎn)軸、驅(qū)動鏈輪、減速機(jī)等，轉(zhuǎn)軸設(shè)計有卡口位置。在泡體的穿心輥與之相配合，上部有減速機(jī)通過鏈傳動帶動轉(zhuǎn)軸進(jìn)而帶動泡體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

1.2.5 輥道與導(dǎo)軌設(shè)計

旋切機(jī)多個地方采用導(dǎo)軌、刀輪組件、磨刀組件、進(jìn)給機(jī)構(gòu)，用于維持再生橡膠的連續(xù)穩(wěn)定輸送。在直線導(dǎo)軌設(shè)計上，通常導(dǎo)軌的傳動精度將直接影響到再生橡膠切割效果，在電動機(jī)作用下使直線導(dǎo)軌驅(qū)動切割部位做平移移動，采用固定式軸承座結(jié)構(gòu)，位于中間部滑臺隨絲桿螺母進(jìn)行前后滑動，保證獲得理想的再生橡膠切割效果。

2 基于SolidWorks 軟件建立旋切機(jī)三維模型

2.1 三維建模

2.1.1 設(shè)計流程

基于SolidWorks 軟件進(jìn)行橡膠體旋切機(jī)的設(shè)計，設(shè)計流程為：確定旋切機(jī)技術(shù)參數(shù)→選擇設(shè)計方案→零件造型設(shè)計→工程分析與設(shè)計優(yōu)化→機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真→三維建模。

2.1.2 三維建模

采用基于特征的參數(shù)化建模方法，利用SolidWorks 軟件進(jìn)行旋切機(jī)零件與整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在設(shè)計流程規(guī)劃上，首先建立零件環(huán)境，選定基準(zhǔn)面、建立截面草圖；隨后參考零件的截面特征，執(zhí)行旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描等特征命令，以此形成相應(yīng)零件的主要特征機(jī)構(gòu)；最后進(jìn)行零件細(xì)節(jié)的裝飾設(shè)計，包括制作螺紋、倒角等，完成零件的三維建模。以旋切機(jī)主軸為例，該零件采用拉伸、旋轉(zhuǎn)工藝制成軸體結(jié)構(gòu)，借助軟件的拉伸切除功能完成整體零件結(jié)構(gòu)的造型，利用異型孔向?qū)Чぞ咧瞥陕菁y孔，最后完成螺紋線、倒角的裝飾設(shè)計，建立零件三維模型。在利用SolidWorks 軟件建立零件三維模型的過程中，可調(diào)用軟件中的Toolbox 標(biāo)準(zhǔn)件庫，輸入具體結(jié)構(gòu)參數(shù)即可直接調(diào)用螺栓、軸承等標(biāo)準(zhǔn)件，無需再單獨(dú)建模，并且保證其余同類零件三維造型過程的一致性。

2.1.3 虛擬裝配設(shè)計

待完成零件建模后，利用SolidWorks 軟件還可實現(xiàn)對各零件的虛擬裝配，組成整體樣機(jī)。根據(jù)橡膠體旋切機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，采用自底向上的裝配設(shè)計方法，鉸接點轉(zhuǎn)動副的配合使用“同心”約束，移動副采用“重合”、“相切”約束，基于子裝配體方法先將部分零件裝配成為子結(jié)構(gòu)，再在總裝配環(huán)節(jié)完成整體旋切機(jī)虛擬樣機(jī)的裝配作業(yè)（旋切機(jī)整體結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示）。

2.2 運(yùn)動仿真

圖2 橡膠體旋切機(jī)三維建模

待完成旋切機(jī)建模后，結(jié)合工廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)的實際需要采用SolidWorks 軟件中的運(yùn)動算例進(jìn)行旋切機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真，分別完成工作進(jìn)給、切割進(jìn)給的動力源設(shè)置，利用軟件自動完成仿真計算，獲得旋切機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作進(jìn)給機(jī)構(gòu)、切割進(jìn)給機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特征數(shù)據(jù)。

觀察工作產(chǎn)量與時間的變化關(guān)系，設(shè)定初始泡體直徑為1500MM，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下切割10MM，t=1min,此時的泡體旋轉(zhuǎn)了3.5圈，進(jìn)給機(jī)構(gòu)前進(jìn)了35MM，泡體直徑為1430MM，工作產(chǎn)量為16.1 米。當(dāng)t=5min 時，此時的泡體旋轉(zhuǎn)了17.5 圈，進(jìn)給機(jī)構(gòu)前進(jìn)了175MM，體直徑為1150MM，工作產(chǎn)量為72.8 米。后抽取多時間節(jié)點，從中可以看出在隨時間變化產(chǎn)量產(chǎn)出的速度會由快變慢特性，因此在切割后期可修改切割速度，提高生產(chǎn)效率加快。

3 結(jié)論

總體來看，基于SolidWorks 軟件進(jìn)行橡膠體旋切機(jī)的虛擬設(shè)計，利用參數(shù)化特征建模技術(shù)完成零件造型與整機(jī)裝配設(shè)計，并結(jié)合實際工況環(huán)境進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，相較于傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計方法能夠有效提升旋切機(jī)的設(shè)計精度，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期與成本，實現(xiàn)對橡膠體旋切機(jī)的模塊化設(shè)計，滿足產(chǎn)品使用需求。