基于CAD的汽车半轴模锻生产线三维数字建模和运动仿真设计

基于CAD的汽车半轴模锻生产线三维数字建模和运动仿真设计

基于CAD的汽车半轴模锻生产线三维数字建模和运动仿真

1 绪论

1．1 选题背景

目前汽车半轴模锻生产线存在的问题是：工人劳动强度大；生产过程不连续，生产流程无序；工作环境存在着安全隐患；产量不能稳定；故需要对汽车半轴模锻生产线进行设计和改造。目前，国内外很多科研单位和企业都已经开始着手从事小型自动生产线的研究，并已经取得了一些研究成果，如物流运输类小型自动生产线、装箱

类小型自动生产线等。但是，这些所谓的小型自动生产线基本上只能完成一个工序的动作，无法完整地实现机械加工过程这样复杂的连续性动作，与工程实训的实际需要有很大的差距[1,2]。因此，研究并开发出一套针对汽车半轴模锻加工过程、融合各种工种和工序的自动生产线是非常重要的。

1．2 汽车半轴模锻自动生产线技术综述

1.2.1 汽车半轴模锻自动化生产技术现状

我国对汽车半轴制造的研究开展的较晚，还有许多问题需要探讨。国内半轴自动制造生产线技术比较落后，生产加工环境恶劣，生产效率比较低，环境污染情况比较严重。大多数生产厂家还没有实现生产的自动化，如图1.1~1.2所示是某汽车半轴制造工厂车间的实际作业情况，从图中可以看出该厂待加工零件和已加工零件随意摆放，严重影响生产环境和效率，在非自动化的生产车间里，工件的运输完全依靠工人，劳动强度大，生产效率地下。

(a) 零件摆放情况

(b) 工人工作环境

图1.1 生产车间现状图

在汽车半轴生产车间生产环境恶劣，设备破旧，通风系统不完善，工作过程完全出于人工操作，如图1.2所示。

(a) 摆

(b) 压

图1.2 半轴加工设备

1.2.2 汽车半轴模锻自动化生产技术发展趋势

随着工业生产和科学技术的发展变化，自动化生产技术也发生着阶段性变化。早期的自动化生产是指用输送机和加工设备等机器代替人的体力劳动即机械化。后来，由于生产的发展，机械设备的增多，人们控制机器设备的任务日益加重[3]。为了减轻控制机器设备的负担，人们研制出用自动调节器去控制机器和生产过程，这时把利用反馈技术对机器设备进行自动控制称为自动化[4]。

在自动化生产线的发展过程中，各种技术的不断更新推动了它的迅速发展。我国汽车半轴生产在上世纪70年代以前，一直采用两种工艺：一是汽锤上胎模预锻，然后锤上终锻成形；二是汽锤上胎模预锻后，平锻机上终锻成形。中小型企业多采用前一种工艺，大型企业则多采用后一种工艺。自国内引进摆辗机以来，汽车半轴的生产发生了巨大变化。摆辗汽车半轴工艺，以其投资少、成本低、质量好、无噪声等显著优点被各汽车厂所青睐。而后，经过二三十年的生产实践，我们发现，尽管采用了先进设备----摆辗机，但由于采用二火工艺锻造，锻造中氧化皮脱落严重，一是造成环境污染，另一方面影响表面质量，掌握不好还会造成材料过烧，因此要研究一种汽车半轴的自动生产线，以节省设备投资费用和能源消耗，降低人工费用，提高班产和降低生产线运行费用为目的[5]。

机器人技术由于微机的出现，内装的控制器被计算机代替而产生了工业机器人，以工业机械手最为普遍。各具特色的机器人和机械手在自动化生产中的装卸工件、定位夹紧、工件传输、包装等部分得到广泛使用[6]。

液压技术在自动化生产中也得到了迅速发展和广泛应用。液压技术具有传动反应快、动作迅速、液压元件系列化、成本小和便于集中供应和长距离输送等优点，而引

起人们的普遍重视[7]。进入二十一世纪，自动化的功能在计算机技术、网络通信技术和人工智能技术的推动下，将生产出智能控制的设备，使工业生产过程有一定的自适应能力[8]。所有这些支持自动化生产的相关技术的进一步发展，使得自动化生产技术功能更加齐全、完善、先进，从而能完成技术性更复杂的操作和生产或装配工艺更高的产品。

1.2.3 汽车半轴模锻自动生产线特点

目前已经广泛应用于工业生产的自动化生产线为汽车半轴模锻自动生产线的研究提供了一些经验。但是汽车半轴模锻自动生产线也有其特殊性，由于它处理的对象主要是小型胚料，其结构尺寸与大型设备有所不同，而且它的生产过程是断续的，不太容易控制。所以就需要考虑它的特点，采用一些针对它的机电液一体化应用技术，以实现汽车半轴模锻自动生产线加工连续化[9]。

自动生产线要尽可能地模拟六个机械零件的全部加工过程，包括上下料、平行传输、转位传输以及各种机械加工。在整套生产线系统工作的过程中，要保证各个工序和工种按预定的顺序进行各自的动作，并相互配合，以最短的时间完成胚件的机械加工，从而实现自动生产线的高效率运行。在各种生产过程中，许多生产参数的变化难以直接由人工检测，如被加工工件的形状和尺寸、传输装置运送的工件加工位置以及各种驱动机构的运动和停止时间。因此必须应用各种检测方法进行自动化测量，以便了解和分析生产的运行状况。同时，由于各种干扰的影响使工艺参数偏离正常工艺规定值，如不及时调节就会影响生产线的正常运行。

1．3 研究内容及意义

1.3.1 研究内容

汽车半轴模锻自动生产线是建立在机械技术、驱动技术、控制技术等基础上的一套综合系统，并从系统工程观点出发，应用这些综合技术，根据生产的不同需要，对他们进行有机的组合与综合，从而实现整体设备的最佳化。汽车半轴模锻自动生产线最主要的特点是具有严格的生产节奏，胚件只能以固定的生产节拍经过各个工位完成预定的加工。从功能上来看，汽车半轴模锻自动生产线应具备最基本功能:运转功能、控制功能和驱动功能。其中运转功能的实现主要是依靠系统提供的动力源，在生产线中完成各种预定动作。控制功能由可编程控制器和其他一些电子装置来承担，对系统各个单元发出指令来控制自动生产线的运行[10]。驱动功能主要由液压缸、电磁阀等执行机构来完成。根据汽车半轴模锻自动生产线的功能特性，对其研究应该从几个方面

入手:结构设计，包括了机械本体的机构装置的设计和动力传动系统的设计，这两部分构成了自动生产线的主体框架。在具体的研究过程中，采用的研究思路和方法如下: 1．分析汽车模锻自动生产线的工艺方案和系统组成，确定系统的设计方案，研究并设计系统的机械结构、输送方式、加工步骤和各工种的加工位置，完成整体布局。

2．根据机械结构的要求参数，计算执行元件的外负载，以此选用符合要求的液压元件和液压辅助装置，设计汽车模锻自动生产线的液压系统原理图，分析并验算液压传动系统的性能。

3．采用计算机仿真软件对送料装置等执行机构进行运动性能仿真，分析仿真结果，找出影响性能参数的因素，并通过增加或调节控制环节使系统的性能达到要求。

4．通过对汽车半轴自动生产线运行过程的分析，合理安排各种辅助装置的安装位置。

1.3.2 研究意义

在自动化生产线中，液压系统作为主要的的动力装置和执行装置，己广泛地应用在各行各业。比例电磁阀以其良好的控制特性，高度的准确性受到广大使用者的青睐。可编程控制器也因其具有功能丰富、使用方便、工作可靠及经济实用的特点，有无限的发展生命力和非常广泛的应用前景。比例控制技术、液压技术的飞速发展促进了机械技术的变化。自动生产线在结构设计上改变了传统的设计方法，向着缩小体积、减轻重量、提高刚性、实现标准化、系列化和提高系统整体可靠性的方向发展。以上技术的综合应用必然会更突出地发挥各自的技术优势，为机械行业提供一个新的发展空间。

在将各个设备串联起来协调运作后，运用Pro/E软件绘制出生产线的三维图用于检查整个系统的连贯性及可行性，对汽车半轴模锻自动生产线的研究，正是采用了上述各种先进的应用技术[11]。它不仅可以为本科学生的机械制造工程实训提供加工过程的演示实验装置，更为重要的是它开辟了电液比例闭环控制技术与控制器技术的综合应用在工业生产自动化领域发展的新空间[6]。因此对汽车半轴模锻自动生产线的开发和研究具有重要的现实意义，它可以减轻传统实际工作过程中的负担，为以后进一步提高自动化生产线的工作效率和工作精度提供了良好的素材。

2 系统方案设计

2．1 系统组成

汽车半轴模锻自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一系列机械加工工艺设备和其他辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成从毛坯到成品的全部制造过程的生产系统。采用这套生产线进行生产加工的设计工艺应先进、稳定、可靠，并能有效地提高加工精度和生产效率。

图2.1 汽车半轴模锻生产线的系统组成机构图该自动生产线主要由工艺设备、传送系统、和辅助系统组成，如图2.1所示。各组成部分的工作要求如下:

（1）工艺设备部分是自动生产线的机械加工中心。加热炉、上下料机械手和摆辗机等加工机构组合被固定在生产线周围，按照生产顺序进行运作。

（2）传送系统主要包括上下料翻转装置、输送装置。在各种机械加工工序间的送料，如果相对有合适的输送基面，就可以采用直接输送方式。由于加工工件是钢料毛坯，选用链式直线输送，并增加合适的固定装置。

（3）辅助系统是指自动生产线的其他组成部分，包括动力源和机械设备。动力源为整套小型自动生产线各个部分提供动力，如液压缸为送料装置和输送装置等提供机械运动动力。在输送装置中，除了输送链和动力机构外，还需要减速器、链轮轮和各种齿轮的配合使用。这些辅助装置也是自动生产线不可缺少的组成部分。

2．2 生产工艺及生产流程

2.2.1 生产工艺

加工的胚料是圆钢棒料，尺寸为: Φ48mm~55mm，长度范围是1350mm~1590mm，重量小于30Kg。由生产纲领知工艺尺寸，见表2.1。

表2.1 工艺尺寸

2.2.2 生产流程

由生产纲领可知，每天大约需要加工零件个数为120件，每班工作时间为8小时/天，生产为两班制，生产线能够完成的加工任务为128件。由此确定生产节拍见表2.2。

表2.2 生产节拍

汽车半轴模锻生产线所要加工的是圆钢棒料，生产线工艺流程为：胚料端1预热

→胚料端1预锻→胚料端2预热→胚料端2预锻→摆辗。

图2.2 生产线平面布置示意图

生产线平面布置示意图如图2.2，所以加工工艺可以描述如下：

(1)当工件进厂时，对工件进行检测、分级，来确定预加工工艺。

(2)将待加工工件送入料斗，根据生产节拍确定料斗送料节拍。

(3)工件从料斗的出料口落到下面的输送链上，当传送到翻转机构时，翻转机构翻转其一工件，使其落入机械手1。

(4)机械手1将待加工工件一端预热后，件将由水平方向转为垂直方向，并保持垂直平推进入锻压机。

(5)待锻压完成之后，机械手将工件保持垂直平拉出锻压机，再由垂直方向转为水平方向，放到输送链上。

(6)工件传至机械手2处，将胚料另一端加热后，用相同的方法预墩粗后放入输送链。

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则如图2.3平面局部布置图1所示，设计各设备间的位置状况如下：以料仓处的翻转机构为参照，其至机器人1处翻转机构水平距离为440mm，其至机器人2处翻转机构水平距离为1500mm，其至机器人3处翻转机构水平距离为2460mm。以料仓为参照，总邮箱液压控制阀在料仓水平距离780mm，垂直距离1716mm位置处。以液压机2为参照，邮箱在其垂直距离500mm处。液压机2距图中料仓中心垂直距离为300mm。

图2.4 生产线设备平面布置局部图2 根据实际生产中的情况可知，各设备平面外形尺寸约为(水平长度x垂直长度)：

加热炉2电气控制柜和加热炉控制柜3是600mm x 400mm；液压机1是900mm x 800mm。

则如图2.4平面局部布置图2所示，设计其余各设备间的位置状况如下：以料仓处的翻转机构为参照，液压机1在其水平距离200mm，垂直距离800mm处。以液压机1为参照，邮箱在液压机1垂直距离500mm处；加热炉2电气控制柜在液压机1水平距离500mm处。

图2.5 生产线设备平面布置局部图3 如图 2.5生产线设备平面布置局部图3所示，机器人3至摆辗机水平距离为200mm。因此，综上所述，整条生产线占地平面水平长度为7090mm，垂直长度为7000mm。

3 结构设计及计算

3．1 输送装置设计及计算

3.1.1 输送链的选择

考虑到汽车半轴模锻生产线的特殊性，工件经由机械手1进行加热预锻后形状改变，因此需在机械手1之后的输送链板上装上支架，如图3.1所示，支撑工件继续传送。

图3.1 支架结构示意图

传送装置有很多类型，由于在输送装置上需要进行定位和夹紧工序，因此输送装

置选择履带式链条输送。它有很多优点:结构紧凑，承载能力比较大;输送位置准确，且能完成几个动作的同步输送;还可以在恶劣的环境里工作，如高温、灰尘、油或水中，这些特点也恰恰符合汽车半轴模锻自动生产线液压系统的需要。本生产线采用履带式链条输送，其链轮结构示意图如图3.1所示。

图3.1 链轮结构示意图

本生产线中，链条材质并无特殊要求，因此，选用45# 钢[12]。型号可以选择浙江输送链长生产的标准输送链GB8350-87（ISO1977-1996）。

3.1.1 输送链驱动装置选择

输送装置的驱动方式有:液压式、气动式、电动式等。综合比较，汽车半轴模锻生产线宜采用液压驱动[13]，有以下优点:

①采用液压容易达到较高的压力(常用液压为2.5MPa~ 6.3MPa)，体积较小，可以获得较大的推力或转矩。

②液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠。

③液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制。

④液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。

图3.2 液压缸机构示意图

选用的液压缸要符合本生产线，并驱动棘轮机构（下节介绍），则应采用双作用单杆活塞式液压缸，缸径取40mm，活塞杆直径取25mm，压力等级取16MPa，并且杠头耳环带衬套，杆端内螺纹，不带缓冲，油口连接方式为内螺纹连接。则则其型号为：HSGL01-40/25E-1201。其机构示意图如图3.2所示。

3.1.2 输送链的改造

a. 结构设计

考虑到汽车半轴模锻生产线上，汽车半轴的加工工序，输送链并不是连续传送的，因此有必要对输送链进行改造，使其间歇传送。输送链改造设计是该生产线设计的一个创新点。其工作原理如图3.3所示。由工作条件可知，半轴模锻是逐根进行的，因此送料动作为间歇运动。经多方调研，考虑到棘轮棘爪机构能够实现间歇运动，因此在最终设计中采用棘轮棘爪机构实现工件的单向间歇式送料动作。

棘轮机构主要由棘轮、棘爪、止动棘爪、摇杆、弹簧和液压缸等所组成。

图3.3 棘轮机构工作原理图

棘轮通过键固联在输送链链轮轴上实现棘轮与轴的同步运动，摇杆空套在轴上。当摇杆在油缸的推动下顺时针摆动45°时，与摇杆相连的棘爪借助于弹簧的作用插入棘轮的齿槽内，使棘轮随着顺时针转过45°，输送链链轮轴同步运动。当摇杆逆时针摆动45°时，驱动棘爪便在棘轮齿背上滑过。此时，弹簧迫使止动棘爪插入棘轮的齿槽，阻止棘轮逆时针方向转动，故棘轮静止不动。当摇杆在油缸的推动下往复地摆动时，棘轮便带动输送链间歇传送，从而实现不断的送料运动。

棘轮装置作为该设计中的一个创新点，机构选择合理，结构设计紧凑，能够结合实际工况，用最简便的方法解决了较为复杂的运动问题，极大提高了送料的效率。 b. 棘轮相关计算

根据液压缸推动棘轮所转的角度，取棘轮的模数16=m ，齿数16=z 。取棘轮齿槽夹角?=60θ，齿槽圆半径mm r 5.1=，厚度mm b 40=。如图3.3所示。

图3.3 棘轮结构示意图

则齿高:

mm m h 121675.075.0=?==

齿顶厚:

mm m a 16==

齿顶圆直径:

mm mz d a 2561616=?==

齿根圆直径:

mm m d h d d a a f 232165.12565.12=?-=-=-=

齿底长度:

mm z h e 21.91636060tan 1625.136060tan ≈??? ?

?-??=??? ??-= 设定棘轮的材料为45# 钢，取其弯曲应力MPa b 55.225=σ，

则容许传动力为：

N be F b b 52

21028.16

21.94055.2256?≈??==σ 此容许传动力在机构要求范围内，故棘轮设计合理。

(a)

棘爪

(b) 止动棘爪 图3.4 棘爪结构示意图

棘爪机构示意图如图3.4所示。棘爪上的止动弹簧连接开口尺寸不应太小，否则难以符合工作强度要求。棘爪尖顶圆角半径r 1 一般取2mm ，棘爪底长度a 1一般取0.8mm~1mm ，在此，取a 1 =1mm 。则计算得：

棘爪工作长度为：

mm m p l 48.10022≈==π

符合文中机构工作要求。

c. 液压缸的计算

由上节选用液压缸型号可以进行以下计算：

(1) 理论驱动力：

kg G P P P P 90≈±++=封磨贯驱

(2) 实际驱动力：

ηK

P P ?=理实 .902

K K ==ηη，—传力机构的机械效率——安全系数，—

(3) 油缸的工作压力：

222

/92.1540.42004cm kg D P

P =?==ππ

(4) 流量：

油缸推动摇杆顺时针旋转45°，油缸行程为250mm ，动作时间为2s ， 则s cm t v /.5122

25===λ

摇杆顺时针旋转45°所需流量Q 为：

min /2.491000460

.5120.4422

l v D Q ≈????=?=ππ

(5) 油泵选择

由于油路中由调速阀，故其压力损失为5kg/cm 2

()MPa cm kg P 2.2/966.2105.1592.152=≈?+=∴

因为最大泵Q K Q ?= 15.1=K K —泄露系数，

— min /3.8102.4915.1l Q =?=∴泵

3．2 送料装置设计及计算

工件在自动线上的自动运送，是实现工艺过程化的必要和重要环节。由于各种工件的外形尺寸、组成材质和加工工艺上的不同，实现各种工件的自动运送采用的方式和机构也各不相同。

3.2.1 机架设计

要使工件从料仓处自动下落，则工件滚落面需为斜面，如图3.5机架结构示意图所示。

图3.5 机架结构示意图

机架上平面与水平面夹角取8°，此角度可以使工件靠自身重力及工件间的挤推力自动下落，又不至因滚落速度太快而无法控制。本设计中工件重量不大于30kg，对机架的抗弯抗扭性能要求不是很强，因此，机架选择材质为Q235-A。

3.2.2 翻转机构

a. 翻转机构工作原理

首先，设计翻转机构的拔轮立体图如图3.6所示。

图3.6 拔轮

拔轮用键固定在拔轮轴上，与轴一起旋转实现工作的翻转，而拔轮轴安装在生产