920钢管铣头倒棱机—公转机构的设计

第一章 绪论1 课题的研究背景近年来，随着国内石油、机械等行业的快速发展，无缝钢管需求量大幅增加，如图 1 所示，尤其是大口径、高钢级、高精度的无缝钢管具有更高的附加值。出于产品质量的考虑，国内许多无缝管生产厂新建的钢管生产线，尤其是大型无缝管生产线，则要求倒棱机系统具备良好的稳定性、高进给精度、高自动化程度及快的生产节奏，经过倒棱后的管材须端面光滑、平整，符合API、DNI 、ANSI 等国际标准的要求。所以高控制精度、高控制水平及高生产率已成为该类设备的发展趋势。图 1 无缝钢管我国钢管倒棱机经过近二十年的发展，己逐步由单一机型的低技术水平向多机型的方向过渡，但整体控制水平及精度与国外有较大的差距，在生产中难以满足要求，尤其是坡口尺寸达不到 API 等国际标准的要求，如图 2 所示为倒棱机结构。虽然国内众多无缝钢管厂对高精度钢管倒棱设备需求迫切，但国外进口设备价格很高，而且对使用的电液伺服控制系统技术保密，给用户产品更新、设备维护带来很大不便。因此开发高精度钢管倒棱设备具有广阔的市场前景及较大社会价值。钢管倒棱机是集机械、电气、液压、传动、控制于一体的复杂设备。其旋转的切削刀具固定在刀盘上，刀盘及旋转主轴箱、电机固定在一起，由进给机构驱动沿轴向进给从而完成对钢管的平端面及倒棱加工。轴向进给机构在进给切削时工作的稳定性、进给位置控制的精度直接影响着钢管端面质量、刀具使用寿命图 2 钢管倒棱机及生产率，从而决定了整个钢管倒棱机的装机水平，因此轴向进给机构的控制是高精度钢管倒棱机设备需要解决的核心问题。我国目前生产及使用的倒棱设备的轴向进给机构普遍采用普通液压缸或电机减速机驱动，属于开环控制，控制精度低，稳定性差。本课题主要针对钢管厂对高水平钢管倒棱机的要求，研究开发其公转机构，并提高钢管倒棱机的工作效率。2 钢管制造过程和端面倒棱加工的意义按照生产方法，钢管分为无缝钢管和焊管。不论是无缝钢管还是焊管，其加工过程都包括热区的成形和冷区的精整。以下以无缝钢管为例，简单介绍钢管制造过程。在无缝钢管的加工中，管坯经过剪断、加热、穿孔、轧管、定径、冷却等一系列加工工艺后，进入精整工序，完成钢管出厂前的精加工。根据技术要求进行如下的精整工序：矫直，吹刷管子内表面，切头和切成定尺，去除耳子和倒棱，端部定径，修理内外表面，水压试验，内外表面目视检查，车、键、磨以及抛光内外表面，检查几何尺寸(直径、壁厚、长度、弯曲度)，管子几何尺寸和质量的非破坏性检查，喷漆，标记，打印，称重和包装(装箱)等，如图 3 所示。图 3 无缝钢管加工流程图焊管的热区成形工艺与无缝管不同，但冷区的精整同样是包括倒棱等在内的类似的工艺，如图 4 所示。精整区域的生产设备及工艺水平直接影响到钢管的品质，是钢管生产线中附加值最高的部分。图 4 焊接钢管和无缝钢管的比较随着我国加入 WTO，国内市场与国际市场的接轨，钢铁企业的竞争也日趋激烈，对钢管的质量要求日益增高，如海底管线对钢管的内在质量稳定性、可焊性、几何精度、防腐性能等均有较高的要求。为了适应市场对钢管需求数量不断增长和对品种质量越来越高的变化要求，近年来，我国钢管生产企业均加大了技术改造的力度，对钢管生产线技术装备进行改造。多年来，我国钢管企业存在重视钢管成型工序，而轻视钢管热处理工序、精整工序以及后续探伤检查工序的现象。这些工序不是处理能力不足，就是工序流程不畅或是装备水平配置较低，难以满足生产高质量产品的要求。而高附加值的产品就是因为有了这些高水平配置的精整工序才生产出来的，所以对精整工序的技术改造十分必要。据统计，我国 2005 年 1-9 月进口管材 78 万吨，其中 80%用于石油化工行业。进口钢管中大部分是附加值很高的产品，也是我国钢管生产能力不足或不具备生产条件的产品。从国外进口钢管，无论是采购周期还是采购价格均给石化生产建设的顺利进行造成一定的困难。因此，石化行业呼唤钢管制造业国产化，全力支持国内钢管制造企业进行高质量钢管研发工作，以使我国早日成为真正的钢管制造强国。倒棱是钢管精整区域中的一个重要生产工艺。根据APISPECSL-2000 管线钢管规范 、 GB/T9711.2-1999 石油天然气工业输送钢管交货技术条件 规定，除非订货合同另有规定，通常钢管的端面应有坡口和钝边，如图 5 所示。图 5 倒棱机加工图因此要在精整区对钢管进行铣头倒棱处理，经过倒棱的钢管，品质高，属于标准产品。倒棱后的钢管在实际生产中，能大大提高工程质量，在石油、冶金、石化等行业得到了广泛的应用。倒棱机是对钢管进行倒棱加工的专用机床，倒棱机的设计和制造水平决定了倒棱的效率和精度，是钢管生产线上的一台重要的生产设备。3 钢管自动倒棱机技术的研究现状国外钢管倒棱机的发展已经比较成熟，无论是装机水平或者是控制精度都比较高。主要的倒棱机生产企业有美国的 PMC 公司，德国的 REIKAWERK公司。我国钢管倒棱机经过近二十年的发展，己逐步由单一机型的低技术水平向多机型的方向过渡，但整体控制水平及精度与国外有较大的差距，在生产中难以满足要求，尤其是坡口尺寸达不到国际标准的要求。虽然国内众多钢管厂对高精度钢管倒棱设备需求迫切，但国外进口设备价格很高，而且对使用的液压伺服控制系统技术保密，给用户产品更新、设备维护带来很大不便。因此开发高精度钢管倒棱设备具有广阔的市场前景及较大社会价值。倒棱机在钢管生产线上己经应用了较长的一段时间，经过科研工作者的不断试验和总结，已经解决了某些一直阻碍倒棱设备应用的技术难题。但是由于倒棱机技术含量较高，造价和维护费用也较高，国内许多资金实力薄弱的中小型钢管厂尚无法配置倒棱机，而大中型钢管厂大都配置了进口的倒棱机，如宝钢从美国 PMC 公司引进的小 140 平头倒棱机，如图 6 所示，天津无缝钢管公司引进了中 273 平头倒棱机，衡阳华菱钢管有限公司从德国 REIKAWERK 公司进口了小 133 平头倒棱机等。国产的平头倒棱机主要是由西安重型机械研究所(西重所 )设计成套的，在国内大型钢管厂也得到了较好的应用。国内外这些主要的倒棱机生产厂家，在倒棱机设计上各有特点，所生产的倒棱机适用于不同的工作要求。图 6 平头倒棱机(l) 美国 PMC 公司的平头倒棱机的主要结构特点是：导轨轴承采用带有预紧系统的直线滚柱轴承，保证切削时系统稳定，承载能力大；主轴进给采用了液压伺服系统，响应速度快；夹紧装置采用了浮动夹紧机构及锁紧机构，保证了钢管的自然形状并消除夹瓦滑动间隙，刚性好；步进传动采用了液压马达机构，速度快，运行平稳；主轴刀盘带有冷却系统对刀具进行冷却，能有效延长刀具的寿命。(2) 德国 REIKAwERK 公司的平头倒棱机的主要结构特点是：导轨轴承采用了无预紧系统的直线滚柱轴承，主要用于负载较轻的场合；主轴进给采用了电机伺服系统，低速性好，维护方便；无冷却系统，带有排屑运输装置；步进传动采用了电机减速器机构。(3) 西重所生产的平头倒棱机导轨轴承采用了带有预紧力滚柱直线轴承，主轴箱里主轴带有预紧力轴承，夹紧装置采用带有浮动机构及轴向锁紧机构，提高了设备的刚性和稳定性；刀盘上刀具采用了内浮动机构新技术，解决了因壁厚不均而引起倒坡口后的钝边质量问题。带有冷却系统，对刀具进行冷却并且带有对切屑的冲洗功能。由以上对国内外先进的无缝钢管倒棱机的结构特点的分析可以看出，目前进给系统一般采用电液伺服系统或电机伺服系统；步进系统可根据节奏要求采用液压马达或电机减速器机构。美国 PMC 公司的倒棱机就采用电液伺服系统控制刀盘轴向进给。电液伺服系统具有结构紧凑、系统快速性好，响应快，伺服系统抗负载刚度大，低速稳定性好等优点，并且伺服系统可以与计算机相结合，具有很大的灵活性和适应性。德国 REIKAWERK 公司的平头倒棱机采用了电机伺服系统。伺服电机进给系统采用伺服电机与滚珠丝杠直联，进给精度高、低速性好，维护方便，而且主轴进给的动态特性比采用液压伺服系统要高一些。电机伺服系统由于其易于维护，远距离传输方便，噪音低，应用越来越广泛。由以上分析可知，在目前实际应用中，针对某些工况设计的倒棱机对于相应规格的钢管管端的加工已经取得了成功，这对于我们改进传统倒棱机的设计，使新型倒棱机能够具有更高的加工精度和更大的加工能力提供了经验和数据。4 钢管自动倒棱机技术的发展方向随着钢管种类的增多和工程对钢管质量要求越来越高，高柔性、高质量、高自动化水平的钢管精整设备是现代化钢管精整工艺的新需求。作为钢管精整设备中比较重要的倒棱机，大致朝以下方向发展：1、高柔性高柔性具体表现在：一个倒棱系统上可以加工钢管的口径范围变广和坡口多角度。国内生产焊管倒棱机的较多，但主要以小 140 以下的倒棱机为主，而且装机水平普遍较低。随着焊管向着大口径的(如宝山钢铁的公司小 1420ERW直缝焊管生产线) 发展，倒棱机的可加工口径范围也要相应地增加。对于钢管坡口角度，除了国际市场上统一的标准，各个国家都还有具体的标准，为了便于钢管的出口贸易，在一个倒棱系统上可以加工多角度坡口成为一种必然趋势。2、高精度，闭环伺服控制轴向进给机构在进给切削时工作的稳定性、进给位置控制的精度直接影响钢管断面质量、刀具使用寿命及生产效率，从而决定了整个钢管倒棱机的装机水平。因此，轴向进给机构的控制是高精度钢管倒棱机设备需要解决的核心问题。目前大部分生产及使用的倒棱设备的轴向进给控制普遍采用液压缸或电机减速机驱动，属于开环控制，控制精度低，稳定性差。所以倒棱设备要达到高精度，带有速度、位置反馈的半闭环、闭环伺服进给控制必取代传统的开环伺服控制。3、高自动化水平，控制系统模块化在数控机床控制系统逐渐模块化的大背景下，钢管倒棱机控制也必然走向模块化。传统的倒棱机控制系统结构复杂，走线较多，不但增加了干扰源，导致系统不稳定而且系统响应慢。当采用各种功能模块，如伺服功率模块、总线控制接口模块、远程 FO 信号模块等，不但简化了控制结构，缩短安装、维修周期，而且提高控制精度，便于功能扩展。所以，控制系统模块化也是钢管倒棱机发展的一个重要方向。5 课题研究的意义提高先进制造装备的国产化对促进我国钢管行业的发展有着很重要的意义。石化、冶金、建筑等钢管使用广泛的行业，所需要的钢管的管径、壁厚不断增大对钢管的质量要求也不断提高。国内钢管走向世界市场，在更大的舞台上同外国的钢管产品竞争，对钢管加工设备如倒棱机的稳定性，进给精度及自动化程度提出了更高的要求。传统的倒棱机加工精度、自动化程度低，显然不能满足需求。 本文所研发的新型自动倒棱机公转机构稳定性好，除了能加工较宽范围直径的钢管外，加工、控制精度高，操作简单，所加工的钢管完全符合API、Dm 、ANsl 等国际标准的规定，可为钢管厂创造可观的经济效益，加之价格低廉，可以替代进口，能够被各大中小型钢管厂采用，为我国钢管的发展做出了贡献。国际上的钢管设备设计制造公司一直都在关注和占领着我国的这一重要市场，我国的钢管装备市场不但面临国内的竞争，而且面临着更严峻的国际市场竞争。本论文研发的新型倒棱机公转机构，加工质量达到国际水平，且价格低廉，具有很大的国际竞争力，对提高我国钢管制造装备技术水平，促进先进装备的国产化，起到了很好的示范作用。6 本文的主要内容本文旨在开发一种可以替代进口、填补国内空白的全自动数控钢管倒棱系统的公转机构，满足实际生产的要求，提高钢管倒棱加工的质量和自动化程度。具体来说，论文的主要工作有以下几个方面：1、分析了国内外钢管倒棱机的发展现状和趋势，结合加工工艺要求进行倒棱系统的总体设计及总体参数确定；2、设计了倒棱机公转机构的机械部分，对倒棱切削力进行了计算和完成了倒棱主轴电机和进给电机的选型；3、进行各主要零件的选择和强度校核；4、绘制总装图及零件图；5、对钢管自动倒棱系统公转机构的研制工作进行了总结，并对其进一步的开发研究做了展望。本文所论述的倒棱机在完成现场的安装调试工作后，已经投入运行，设备运行稳定，加工精度高，为无缝钢管厂取得了可观的经济效益。第二章 力矩计算与电机和标准件的选择与校核1 切削力的计算和电机的选择1.1 切削力的计算为了选择电机，需要进行电机各个参数的计算，计算倒棱机的切削力，进而求的公转机构电机所需的扭矩，从而选择电机。刀盘一次进刀就完成对钢管端面的加工，夹紧的钢管在切削过程中承受轴向、径向及切削速度方向上的主切削力，其中主切削力做功最多，占切削功率的 90%以上。倒焊接坡口刀具承受极大部分切削力，其上消耗功率是平端面刀具巧倍以上，内圆倒角刀具消耗功率略去不计。在切削过程中，随着刀具的进给，切削量越来越大，切削力也随之增加，计算切削即将完成时的切削力，此时刀具所承受的切削力最大。以两种有代表性的钢管为例，主切削力可作为钢管夹紧力的计算依据。钢管规格，如表 1 和表 2 所示：表 1 钢管规格参数表钢管直径D（mm）426920mm 椭圆度公差（mm） 0.51mm钢管壁厚（mm）1050mm 直径公差（mm） 0.231mm壁厚公差（mm） 0.79mm 生产效率（根/小时） 300表 2 刀具主偏角表倒焊接坡口 平端面 内圆倒角刀具主偏角 60 90 9.5（1）倒焊接坡口倒焊接坡口的切削深度： =1.6am切削速度： -30/invnD金属切除率： 3=-2/minznfaD式中：n- 刀盘转速（r/min） ，f- 进给量（mm/r） 。根据表可知钢管壁厚以及上式可知：切削深度： =-1.650-.=48.ma根据钢管规格和倒棱机生产效率选取，刀盘转速 ，进给量160/innr。=0.3/fmr根据表 1 和表 2 可知，钢管直径 D=600mm，刀具角度 Kr=60。切削速度： -3=10=60.1=524/minvnD切削厚度： si.38.6/rhfKr金属切削率： 3=-2=160.410-248.=9.510/minznfaD当 时，单位切削功率：0.6/hmr-5-53P2.8103.810/mind kw:考虑到工件为碳钢中等强度，取： -53=./idk切削功率： Pdz主切削力： 6120/Fv将 Pd、z、v 代入上式，可得：倒焊接坡口的切削功率：-541=3.810.10=3.9dPz kw主切削力： 11620/62./5.248KgFv（2）平端面钢管端面的切削深度： =1.6am由表 2 可知，平端面时：K r=90。代入公式可知切削厚度为： =sin0.31=./rrafK平端面时金属切削率： 3=-29.6(0-21.6)/minznfD 当 时， ；0.3/amr-5-53=.8103.71/idNkw:考虑到碳钢中等强度，取 ；-./inm将 Pd、z、v 带入上述公式：平端面时切削功率： -542=3.10.3=0.6dPz kw（3）总切削功率 P 和主切削力 F总切削功率： 12=+P总切削力： 12F将上述 P1、P 2、F 1、F 2 代入上式得： 12=+3.90.46=3.5Pkw8进给抗力：F=sinj rtgK式中 为主切削力与切削合力的夹角，取 =20。进给功率： =/6120jjPFv将 F、Kr、v 代入上述各式： F=sin4=4j rtgKtgkg /61205.2/61.5jjPv w1.2 电机的选型主轴电机选型：根据上述对钢管的分析计算结果，进行主轴电机和进给电机的选型。倒棱机的同步带传动的传动比： 12=ni传动的效率： 2211=pTn式中：n 1、n 2 分别为电机轴和刀盘转速，T 1、T 2 分别为电机轴和刀盘的扭矩。切削扭矩： 3 310.51097801.5108MFD Nm 将 P2=9.04kw，n 2=100r/min，T 2=881Nm，代入上式，取 i=4，=0.9，得：111=.,4,=4/inPkwNmnr可选 8 极（50Hz 时同步转速 n=750rpm） ，冷却方式为 IC416(全封闭带单步轴流风机的外表轴向风机冷却)的 YSTP 系列变频调速三相异步电动机YTSP250M1(IC416),其标称功率为 30kw，额定转矩为 M=382Nm，M 大于 T1，满足要求。进给电机选型：取进给传动效率 =0.6，则：所选进给电机功率： 0=P/2.85/06=4.7jj kw选用额定转速 n=1500rpm 的电机，则：转矩 T=9550N0j/n=95504.75/1500=30.24Nm；进给电机需提供的转矩： ；=T/i30.24/=7.56j Nm根据上述计算结果，以及实际应用的需要，进给电机选用西门子 IFT6102-8AB71-IEG0 型电机，其额定转速为 n=1500rpm，额定转矩为 M=24.5Nm，M大于 Tj，满足设计要求。2 轴的强度校核公转机构为通过电机带动执行机构转动，中间通过减速器和传动机构，减速器告高速轴和低速轴通过齿轮配合进行传递运动，因此，有必要对轴进行必要的校核，使得满足条件，下面为轴的校核分析。1、计算齿轮受力见 1 图直齿圆柱齿轮的受力情况，所受轴向力 N，扭矩 T：0.8.6 0.80.626210.37612149NDfHB N1.9. . 72.Tf圆周力： 2472.6=143tTFd径向力： tan13.0.52r N，1=6rFN2=8r，9r4r由上述条件画水平面受力图（a） ；画水平面弯矩图（b）： =140xMNm画垂直面受力图（c ） ，画垂直面弯矩图（ d）：386y合成弯矩图（e ）： 2=+=4108xyMNm2、画轴转矩图轴受转矩 T，画转矩图(f) 。3.许用应力根据机械设计，P315 表 16.3 转轴和心轴的许用弯曲应力可知：0=13bMPa-175应力校正系数： -10=.58b4、画当量弯矩图计算当量转矩： =0.58472.6740TNm计算当量弯矩，轴承和齿轮中间处： 22 22 18938M画当量弯矩图（g）：（a ）（b）（c ）（d）（e ）（f）（g）图 1 轴的校核校核轴径，轴径 330.1498=.720.5bMd m校核合格，符合设计要求。2.2 齿轮的参数选择和校核2.2.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1、根据公转机构减速器的总体设计方案要求，齿轮传动机构中选用直齿圆柱齿轮。2、公转机构为一般工作机器，速度不高，故选用 7 级精度。3、材料选择。查表选择小齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质）硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。4、选小齿轮齿数为 z1=20，齿数比 u=4.9，大齿轮齿数 z2=98。2.2.2 按齿面接触强度设计有设计计算公式进行试算，即 21312.Et HdZKTu(1)确定公式内的各计算数值1)试选载荷系数 Kt=1.2。2)根据工作输出功率P 1(设为1.5kw) 、效率(设为 98%)和转速n 1(设为156.67r/min)，计算小齿轮传递的转矩。 55 4119.08%9.01.98%.96067T NmNmn3)查表选取齿宽系数 。 d4)查表得材料的弹性影响系数 。1289.EZMPa5) 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ；大齿轮的lim160HPa接触疲劳强度极限 。lim250Ha6)由公式 计算应力循环次数。 n 为齿轮转速（单位为 r/min） ；j6hNnjL为齿轮每转一周时，同一齿面啮合次数；为齿轮的工作寿命（单位为 h） 。81605.715.4102830N82.4.97)取接触疲劳寿命系数 ； 。10.HNK20.4HN8)计算接触疲劳许用应力。取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由式 得，limNHKS1lim0.96546NHMPaS2li417K(2) 计算1) 试算小齿轮分度圆直径 d1t，代入 中较小的值。 H2 221331 1.89605.189.2. 60.17447Et HdZKTu m2)计算圆周速率 v。 10.74./0.9/6061tnss3) 计算齿高 b 。4）计算齿宽与齿高之比 b/h。模数 160.743.012ttdmmz齿高 .5.5.6.7th m601748.9.b5) 计算载荷系数。根据 ，7 级精度，可查得动载系数 kv=1.05；0.49/vms直齿轮， ；1HFK由表查得使用系数 KA=1；由表用插值法查得 7 级精度、小齿轮相对支承对称布置时， ；1.34HK由 ， 查图得 ；故载荷系数：8.9bh1.34HK1.27FK05.341.8AvH6) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式得 3311.86.746.2ttKdm7）计算模数 m 。 1.03.152z2.2.3 按齿根弯曲强度设计弯曲强度的设计公式为 132FaSdYKTmz1）由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；大齿轮的弯曲疲150FEMP劳强度极限 ；2380FEMPa2) 由图取弯曲疲劳寿命系数 ， ；10.8FNK2.9FN3) 计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式 得：limNs10.85314.294FNEKMPaas2.97FE4) 计算载荷系数 K。 1.053.192AvF5) 查取齿形系数。由表查得 ； 。12.65FaY2.84Fa6) 查取应力校正系数。由表查的 ； ；1.58SaY27.8Sa7) 计算大、小齿轮的 并加以比较。 FY12.6580.132349FaS2.7.5FaSY大齿轮的数值大。（2） 设计计算 413322 21.8.960.1582.1FaSEdYKTmmz对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取弯曲强度算得的模数 2.11 并就近圆整为标准值 m=2.5，按接触强度算得的分度圆直径 d1=35.278mm，算出小齿轮齿数： 163.0425dzm大齿轮齿数： ，取 z2=128。24.967.z这样设计出来的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。2.2.4 几何尺寸计算(1) 计算分度圆直径 126.5dzmm28320(2) 计算中心距 126519dam(3) 计算齿轮宽度165dbm第三章 钢管倒棱机公转机构零件实体造型与装配3.1 钢管倒棱机实体造型概述计算机实体造型进行虚拟制造，是借助电子计算机及相关技术，对复杂的真实系统和状态进行数字模拟，具有经济、安全、快捷、具有优化设计和预测的特殊功能。借助计算机进行虚拟制造，具有以下优点：将新产品维修和维护的方法直观地演示给观众，使观众更容易理解，以便能准确操作；很多复杂的设备，由于在其设计阶段，其工作过程中的状态无法具体化，采用三维抽象模拟，就可以解决此类问题，大大节省了成本和时间，让设计者能轻易地理解运行状态中产品的实际情况，改进设计； 大型设备的运送、现场安装、安装过程、现场工作实景，特别是一些特殊场景，无法以传统的拍摄模式将设备信息展现给观众，而采用三维模拟，可以将这些难以表达清楚的场景和过程，一一列举，清晰准确。 本章将以第二章完成的设计方案为依据，通过计算机进行倒棱机虚拟样机的设计和验证所设计机构的正确性和有效性。3.2 钢管倒棱机零部件造型零件的几何造型与虚拟装配是动画仿真的基础，为了实现钢管倒棱机工作过程的动画仿真，首先得建立钢管倒棱机的三维几何模型。钢管倒棱机三维模型的建立主要包括各个零部件的实体造型以及整机的虚拟装配。几何建模采用自下而上的建模方法，即根据各个零件的结构形状与尺寸建立零件的三维几何模型，然后再按照零件之间的配合与约束关系进行装配，完成整机的虚拟装配。Solidworks零部件的建模过程为：首先选取合适的基准面，建立各零部件的平面草图；其次利用拉伸、特征扫描、旋转、切除、放样等命令完成零件的基本特征的造型；然后利用倒角、圆角等命令完成局部的造型，最后完成整个零件的建模。Solidworks提供了强大的装配功能，其优点为：在装配体环境下，可以方便地设计及修改零部件；可以动态观察整个装配体中的所有运动，可以对运动的零部件进行动态干涉检查及间隙检测；可以通过镜像、阵列零部件，设计创建出新的零部件及装配体。在纺纱机的装配过程中，首先插的零部件会自动定义为固定静止的部件，然后依次插入各零部件，通过一系列的配合约束关系，装配成整机。装配前，应该认真分析各零件、部件在部件、整机中的位置、作用、以及相关的装配关系、运动关系，以保证装配运动的灵活性、不干涉性。下面通过介绍装配过程， 说明在Solidworks中的装配体生成方法：打开新建装配体命令，即进入生成装配体的界面；在装配体界面中，点击“插入零部件” 命令，排列各零部件，顺序按照从上到下排列。注意插入的零部件应该集中在一个区域，不要过于分散，以便于下一步装配步骤；装配时，将所有的零部件通过“重合” 、 “平行”、 “垂直 ”、 “距离 ”、 “同轴心” 等配合约束装配起来。装配好具有对称特征的一边零部件后，运用圆周阵列特征命令，装配零件。装配时，要运用“移动零部件 ”、 “旋转零部件” 将零件拖动到便于配合的合适位置。装配时应该注意做干涉检查，消除装配干涉，最后装配成虚拟样机。本节针对齿轮、轴、电机、滚筒和固定板零件分别进行几何建模与整机虚拟装配，这是实现钢管倒棱机动画仿真的关键。3.2.1 齿轮建模齿轮是轮缘上有齿能连续啮合传递运动和动力的机械元件。轮齿简称齿，是齿轮上每一个用于啮合的凸起部分，这些凸起部分一般呈辐射状排列，配对齿轮上的轮齿互相接触，可使齿轮持续啮合运转。齿槽是齿轮上两相邻轮齿之间的空间，端面是圆柱齿轮或圆柱蜗杆上，垂直于齿轮或蜗杆轴线的平面。法面指的是垂直于轮齿齿线的平面；齿顶圆是指齿顶端所在的圆；齿根圆是指槽底所在的圆；基圆形成渐开线的发生线作纯滚动的圆；分度圆是在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆。根据第二章的几何参数设计，进行齿轮的几何建模。大齿轮和小齿轮的几何模型如下图1 、图 2、图3 所示。图 1 大齿轮的三维线框图图 2 大齿轮的三维实体图图 3 小星轮的三维实体图和线框图3.2.2 上支架三维建模根据第二章的几何参数设计，进行上支架的几何建模。上支架三维线框图和实体几何模型如下图4和图5所示。图4 上支架的三维线框图图5 上支架的三维实体图3.2.3 下支架的三维建模根据第二章的几何参数设计，进行下支架的几何建模。下支架三维线框图和实体几何模型如下图6和图7所示。图 6 轴承的三维线框图图 7 轴承的三维实体图3.2.4 支座的三维建模根据第二章的几何参数设计，进行支座的几何建模。支座三维线框图和实体几何模型如下图8 所示。图 8 支座实体图和三维线框图3.2.5 固定座三维建模根据第二章的几何参数设计，进行固定座的几何建模，固定座线框图和实体几何模型如下图9 所示。图 9 固定座的三维线框和实体建模3.2.6 滑板的三维建模根据第二章的几何参数设计，进滑板的几何建模，滑板线框图和实体几何模型如下图10所示。图 10 滑板的三维线框和实体建模3.2.7 横梁的三维建模根据第二章的几何参数设计，进横梁的几何建模，横梁线框图和实体几何模型如下图11所示。图 11 滑板的三维线框和实体建模3.3 钢管倒棱机公转机构整体装配根据工作条件要求，对钢管倒棱机整体进行装配，装配后的三维线框图如图12所示，实体如图13所示。图 11 装配后的三维线框图图 11 装配后的三维实体图第四章 钢管倒棱机装配仿真和绘制工程图4.1 基于 Solidworks 和 Cosmosmotion 建立装配仿真模型机械产品的三维仿真动画在产品的设计、开发、加工制造和产品营销中都具有现实意义。不同客户对同一产品的要求有时会不一样，传统设计要反复修改实物样品或制造多个实物样品，周期长，费用高，动态仿真可以根据客户的修改意见把产品逼真、直观地模拟演示出来，得到客户确认后再实际进行生产。在加工制造环节中，动态仿真可以进行直观的全方位动态视频演示。因此，制作机械产品的动画仿真不仅可以缩短设计周期，降低设计成本，同时也增强了产品的竞争力以及与客户的亲和力，方便产品推广和技术交流。目前可以完成机械产品动态仿真的三维软件很多，比较常用的有SolidWorks、Pro/E 、UG、Matlab等。性价比较高，设计过程简单方便的莫过于SolidWorks了。SolidWorks 是在Windows 环境下实现的一款功能强大的中高端三维CAD软件，具有超动感的用户操作界面和独到的特征管理树，智能化的装配功能和动态的运动模拟等特色，而且操作简单，易学易用。同时SolidWorks软件还集成了很多应用插件，特别是An-imator插件，如图1 所示，启用An-imator插件，秉承SolidWorks一贯的简便易用的风格，可以很方便的生成形象逼真的机械产品演示画，让原先呆板的设计成品动起来，实现产品的功能展示。COSMOSMotion插件集成于SolidWorks软件中，并且与SolidWorks软件实现无缝连接。COSMOS Motion插件是一个较强大的装配分析与仿真模块，通过它进行行走机构的动画仿真时，能够精确地得到钢管倒棱机各个零部件的速度、位移、是否干涉等运动情况。机械产品零部件的三维实体建模与装配是实现动画仿真的基础和前提。对于机械设计而言，单纯的零件没有实际意义，必须装配成完整部件或机器实体。装配不仅是表达零件之间的配合关系，也是运动分析、干涉检查和实现动画的基础。装配的方法是将准备好的零件逐一插入装配体文件，并依次添加零件之间的配合关系。在SolidWorks中系统默认第一个插入的零件是固定的，以作为其它零件装配的基础和参考，因此必须仔细考虑第一个零件的插入，一般选择产品的支架、底座等主要零件作为第一零件。图1 插件对话框SolidWorks软件通过生成装配体的爆炸视图实现产品拆装的动态仿真。建立爆炸视图有自动爆炸和手动爆炸两种方式。自动爆炸可以自动分解零部件，但要受装配顺序的影响。为了准确展现产品的拆装关系，可以采用手动爆炸方式，合理灵活地选择零件的爆炸顺序、爆炸方向和爆炸距离。方法如下：单击主菜单中的/插入/ 爆炸视命令，打开/爆炸属性管理器，如图 2所示。在装配体上单击要爆炸的零件，此时装配体中被选中的零件以高亮显示，同时出现一个设置移动方向的坐标，单击坐标上的箭头，确定爆炸方向。然后在/爆炸属性管理器中的/设定面板中输入爆炸距离，单击/ 应用按钮，预览爆炸效果，调整满意后单击/完成，至此第一个零件爆炸结束。重复上述步骤，逐一生成每个零件的爆炸操作。图2 爆炸属性管理器在前面已经给钢管倒棱机几何建模的基础上，COSMOSMotion仿真模块钢管倒棱机装配仿真主要分为以下几个步骤，如图3所示。添加约束Solidworks 各零件的建模COSMOSMotion 装配仿真Solidworks 整机装配相关结论，得到仿真结果结束与实际相符？图 3 钢管倒棱机仿真过程 钢管倒棱机装配仿真过程具体实施步骤：确定钢管倒棱机运动零部件与静止零部件，将机座设为静止零部件，其他的部件设置为运动部件；生成约束，COSMOSMotion提供旋转副、球副、平移副、圆柱副、固定约束万向节等约束副，钢管倒棱机机座在整个装配过程中就将相应的约束副自动添加到模型中了，如大小齿轮用齿轮配合形成了齿轮副，键和键槽之间采用平行配合形成了平移副连接，轴与轴套等采用同心