基于虚拟样机技术的自调心焊接滚轮架的研制与应用

李广周，刘玉虎，王 刚

(天津重钢机械装备股份有限公司 天津300459)

基于虚拟样机技术的自调心焊接滚轮架的研制与应用

李广周，刘玉虎，王 刚

(天津重钢机械装备股份有限公司 天津300459)

基于虚拟样机技术，利用 Solidworks软件研制了自调心焊接滚轮架并建立了滚轮架的仿真模型，详细介绍了驱动机构的结构与设备配置设计以及滚轮架的结构、选材与加工工艺设计。根据滚轮架加工工件原理，针对圆形管件、锥形管件和箱体结构，利用虚拟样机技术进行模拟现实仿真，实现了自调心焊接滚轮架的研制与应用，为高效、高精度的先进设计制造技术提供了可行性分析及参考依据。

虚拟样机 自调心 滚轮架 圆管 锥管 箱体

0 引 言

虚拟样机技术是20世纪90年代中后期兴起的一种现代设计方法和手段，是建模、仿真、虚拟现实等技术相互结合的产物。其基本思想是在物理样机实现之前，通过在虚拟样机上的全面仿真，对产品功能、性能、外观等进行预测、评估和优化，以达到提高产品质量、降低开发成本、缩短开发周期的目的。[1]图 1给出了基于虚拟样机(实线)和基于物理样机(虚线)的两种产品开发模式的比较：

本文基于虚拟样机技术 Solidworks软件研制了一种自调心焊接滚轮架(见图2)。滚轮架利用滚轮与工件之间的摩擦力带动工件旋转的变位设备，应用时不需另行制作安装基础，可根据工件直径大小，凭借自调式滚轮架的两个滚轮架绕绞轴回转以适应不同管径的工作，配套操作机、埋弧焊机等，实现工件的内、外纵缝或内外环缝的连续焊接。一般每组两台一主一从使用，组成主要包括：机座、滚轮装置、驱动机构、控制系统，从动架上无驱动机构和控制系统。通过Solidworks软件依次建立各部件虚拟样机模型，模拟实际进行加工和装配并分析设计的合理性，对产品功能、性能外观等进行预测、评估和优化，为高效、高精度的先进设计制造技术提供了可行性分析及参考依据。

图2 自调心焊接滚轮架虚拟样机模型与组成Fig.2 Virtual prototype model and structure of the selfalignment turning rolls

1 自调心焊接滚轮架技术参数设计

1.1 驱动机构结构与设备配置设计

利用 Solidworks软件建立自调心焊接滚轮架主动滚轮组模型后，转化为CAD二维平面视图(见图3、4)。

图3 自调心焊接滚轮架平面图Fig.3 Plane graph of the self-alignment turning rolls

图4 自调心焊接滚轮架剖视图Fig.4 Section view of the self-alignment turning rolls

YCT160-4A电磁调速异步电动机 1的具体参数为：2.2,kW、14.1,N/m、1250-125转、三相交流 50,Hz、380,V。它是一种利用直流电磁滑差恒转矩控制的交流无级变速电动机，具有调速范围广、速度调节开滑、起动转矩大、控制功率小，以及速度负反馈、自动调节系统时机械特性硬度高等一系列优点。所选用的减速机和电动机具有较高的同步性能，使滚轮架上的滚轮可以同步进行运转。

1.2 滚轮架结构设计、选材与加工工艺设计

主、从动滚轮架上的所有滚轮组件均以滚轮支架的轴心线向两边对称分布，且各个滚轮的高度一致，可保证工件在滚轮架上正常进行运转。主动架4只滚轮全齿啮合，传动齿轮与驱动减速机联接为“十”字联轴器，使用该种联轴器传动可靠，所传递的扭矩大，并可对微量的不同轴度进行适量的补偿。所有传动齿轮均采用优质钢材制造，齿面表面淬火，经常加注润滑脂进行润滑，可长时间使用，无需更换齿轮。在传动齿轮的外侧和十字联轴器外侧都安装保护罩。

主、从动架采用型钢钢板结构支架，承重轴等主要零配件均采用优质钢材制造，在加工前均经过调质处理，钢性强、综合性能好、承重量大。主、从动架各轴孔一次装卡镗床加工，各轴线平行度好，窜动量小。滚轮组件内安装的是国内知名生产厂家生产的优质调心滚子轴承，使用该轴承具有承载能力强，本身所具有的一定自调心性能可减少一些承载过程中的弹性变形，使滚轮架具有较长的使用寿命，减少维修费用和维修时间，具有较好的使用性能。轴承内所使用的润滑脂为锂基润滑脂，有较好的润滑性能。

主、从动架各有4只滚轮，主动架上4只滚轮均为同步主动轮。滚轮安装在滚轮架侧板组件内。滚轮采用整体式滚轮结构，采用钢胶组合轮，将橡胶压注在钢轮体的燕尾槽内，具有较高的承载能力和耐磨性能，不易老化、脱胶。

2 基于虚拟样机技术的自调心焊接滚轮架的应用

2.1 利用自调心焊接滚轮架加工圆管的虚拟仿真应用

本滚轮架能调整圆管工件直径 0.2～2.5,m，详见图 5，虚线为滚轮最大调节圆管直径，承重 10,t。如果圆管直径小于1,m，圆管外表面仅接触左、右各一滚轮，无需调节中心。如圆管直径大于 1,m，圆管外表面才能接触左、右各两滚轮，由于滚轮支架通过回转轴铰接在支架上，因此利用圆管工件的自重可使滚轮架绕回转轴转动达到自调中心，以适应多种规格直径的工件焊接需要。

图5 加工圆管虚拟仿真应用Fig.5 Virtual simulation app lication in circular tubeprocessing

2.2 利用自调心焊接滚轮架加工锥管的虚拟仿真应用

图6 加工锥形管虚拟仿真应用Fig.6 Virtual simulation app lication in taper pipe processing

利用焊接滚轮架焊接锥形管时，主动滚轮架放置于地面上，从动滚轮架需垫高放置，如果主、从动滚轮架放置于锥形管两端时，其高度是锥形管大小口直径之差的一半。如图 6所示：锥形管大口直径 1,m，小口直径 0.5,m，主动架放置于锥形管大口水平地面上时，从动架放置于锥形管小口处，其相对主动架水平高度需垫高 0.25,m。如果主、从动滚轮架放置于锥形管中间某位置，其高度是主、从动滚轮架滚轮接触锥形管面的点的直径之差的一半。

2.3 利用自调心焊接滚轮架加工箱体的虚拟仿真应用

箱体结构各焊道的焊接，一般需将箱体通过吊车等外力来回翻身实现，其工作量大、效率低、有安全隐患，同时浪费人力、物力和财力。如果能够利用滚轮架在焊接箱体结构的面板、腹板和底板等各个焊道过程中实现翻身、翻转，对提高工作效率、节约生产成本将具有重要的意义。利用两组环形卡箍，套在箱体两端上，通过紧固丝杠调整箱体重心和卡固箱体，将箱体结构变为圆形结构，即可实现箱体结构在滚轮架上的翻身和焊接，如图7所示。

图7 加工箱体结构虚拟仿真应用Fig.7 Virtual simulation app lication in box structure processing

3 结 论

虚拟样机技术是当前先进设计制造领域的一项新技术。利用计算机软件建立自调心焊接滚轮架的三维实体模型，可直观分析和评估机械系统的设计是否合理、应用是否高效，为自调心焊接滚轮架的实际生产与应用提供参考依据和可行性分析，对于提高产品的开发效率、降低制作成本、提高产品质量具有重要作用。■

［1］ 李广周. 基于虚拟样机技术的可移动式镗床的研制与应用[J]. 天津科技，2009，36(5)：34-36.

［2］ 熊光楞，李伯虎，柴旭东. 虚拟样机技术[J]. 系统仿真学报，2001(1)：114-117.

［3］ 卞向娟，龚友平，陈国金. 焊接机器人的虚拟样机设计与仿真[J]. 机械设计，2008(4)：27-28.

Development and Application of Self-alignment Turning Rolls Based on the Virtual Prototype Technology

LI Guangzhou，LIU Yuhu，WANG Gang
(Tian Jin Heavy Steel Mechanical Equipment CO.，LTD，Tianjin 300459，China)

Based on the virtual prototype technology，a self-alignment turning rolls was developed using Solidworks and its simulation model was established．The driving mechanism，equipment configuration design and the structure，material selection and process design of the turning rolls were described．According to the principle of roller processing work-piece，in view of the circular conical pipe fittings，pipe fittings and enclosure structure，realistic simulation was realized w ith the help of virtual prototype technology，which enables the development and application of the self-alignment turning rolls．This may provide a feasibility analysis and reference for the design of high efficiency and high precision advanced manufacturing technology.

virtual prototype；self-alignment；turning rolls；circular tube；taper pipe；box

TG433，TP319

：A

：1006-8945(2015)10-0052-03

2015-09-18