王晓霞

(天津工业职业学院，天津300400)

0 引言

拔丝机是金属制品生产预加工设备，它把金属制品的线材进行拉拔处理，使其圆度、直径、表面光洁度、内部金相结构和矫直度都达到要求。 放线架是拔丝生产线中最前端的设备。 放线架按照动力传动方式的不同可以分为主动放线架和被动放线架。主动放线架又被称为动力放线架，随着钢丝线缆行业的产品多样化、 生产自动化等高的技术层次发展，动力放线架作为一种有技术含量的设备，在整个生产线过程中发挥了重要的作用。 本文所设计的鼠笼式放线架属于主动放线架。 动力放线架在在引取速度加快时， 放线速度也跟着引取速度快速加速；在引取速度减速时，放线速度也跟着引取速度减慢；当稳定运行在某个速度时，放线架要运行稳定；当出现松线和断线的时候，要求放线盘可以进行自动反转。 这些都对放线架的结构设计和制造提出了较高的要求。 本文针对的是鼠笼式动力放线架的实体建模，并进行了运动仿真，为后续的优化设计和制造奠定了基础。

1 放线架结构与工作原理

1.1 放线架结构

鼠笼式动力放线架主要由机座、 立轴部件、落子和阻尼装置四大部分组成。 图1 为鼠笼式动力放线架简图。 其中机座是整个放线架的底架，所有部件安装在机座之上。机座材质采用45#钢，按照需要的设计尺寸焊接而成。 立轴部件支撑整个线圈，并传递动力，它包括了立轴、侧板、上板及油缸支板等零部件。 落子直接与线圈接触，根据实际线圈直径大小焊接而成，为防止落子在转动过程中对线材的表面破坏和磨损，鼠笼式动力放线架的落子外形采用圆周焊接， 而落子构架均采用直径相同的钢管，运用折弯技术制作成型。 阻尼装置在放线减速和停止放线时，提供运动的阻力，主要由阻尼连扳、摩擦片、销轴等组成。

1.2 放线架工作原理

放线架根据使用的环境和用途的不用，分为有站立式、躺卧式等多种形式，本文所设计的鼠笼式放线架属于站立式放线架。 其工作原理为：鼠笼式动力放线架工作时，其主轴部件和落子在动力的作用下，首先共同处于水平位置，此时外界机械装置将线圈安装在落子上并固定好，之后主轴部件和落子在动力的作用下共同处于工作状态，放线电动机通过三角皮带把动力传递给立轴， 再经过立轴，把动力传输到放线架落子上， 实现对线缆的放线，放线电机的转速控制着线缆的前进速度。 收线速度控制着线缆在收线处的速度， 收放线之间协调统一、形成放线与收线之间的速度差， 形成放线张力，对线缆产生拉力作用。 在配重块的作用下，实现放线电机转速与线缆之间的精确配合，动态调节张力大小，从而保持张力恒定，提高产品的成品率，保持生产稳定性。

图1 鼠笼式动力放线架简图

2 放线架实体建模

UG 软件是一款交互式CAD/CAM 系统，它具备了辅助设计、辅助分析和辅助制造的功能。 运用辅助设计也就是建模功能，可以进行三维造型，绘制出工程图纸。 运用辅助分析功能，可以检查零部件间的装配是否有问题，建模是否正确。 辅助制造功能主要应用于打样出模，数控加工。

对放线架进行实体建模， 可以在实际加工制造放线架前，了解实体的全部几何信息，清楚放线架内部结构形状，为结构优化做好准备。在对鼠笼式动力放线架实体建模之前， 首先对放线架整体装配图进行分析，研究机座、立轴部件、落子和阻尼装置之间的相互位置关系、结构特征，之后对各个组成部分的零部件图进行分析，研究各零件图的尺寸关系，细节特征，以阻尼装置为例介绍实体建模过程。

首先分析阻尼装置的装配图与零件图。 阻尼装置由阻尼连板、摩擦片、销轴、螺母M14、M12，六角螺丝M16x50、M12x85， 压缩弹簧组成。 其中螺母M14、M12，六角螺丝M16x50、M12x85 属于标准件，利用UG 软件的标准件库，快速创建模型，避免花费大量的时间在简单的重复建模工作上，节约时间成本。 在UG 软件中，调用标准件的具体步骤如下：

(1)在UG 软件中，新建一模型。

(2)在[应用模块]中选择[装配]， 打开装配模式。

(3)在左侧图标中，选中[重用库]，也就是标准件库，在GB Standard Parts 中，选中需要的标准件。

(4)根据零件图上的尺寸要求，修改标准件的参数，设置定位并检验，即完成了标准件的选用。 建立标准件时注意，坐标系一般设置在标准件的对称中心上，通过主参数来约束次要参数，使得特征数尽量的少。 压缩弹簧则直接点击圆柱压缩弹簧命令，在弹出的对话框中输入相应的参数，如旋向，端部结构，中间直径、自由高度、有效圈数等，完成弹簧的造型。

阻尼装置图中的主要部件， 如阻尼连扳、 摩擦片、销轴等建模的基本思路是将零件图进行分解，运用UG 的建模功能，绘制草图、创建特征，完成实体造型。以摩擦片为例，分三步完成建模。首先打开UG 软件，新建一个空白的模型文件，选中基准坐标系中的“XY 平面”，直接进入草图，绘制零件图外圆基本形状，退出草图，选择拉伸命令，完成28 mm 的拉伸；进入草图做圆直径为20 和35 同心圆，退出草图，选择拉伸命令，完成28 mm 的拉伸；进入草图做直径13的圆，反向拉伸，完成φ13 孔的建模；最后进入草图，绘制内测的两个同心半圆， 退出草图， 选择拉伸命令，完成摩擦片左侧的实体造型。 整个摩擦片是对称结构，通过UG 软件的镜像功能，对摩擦片左侧的实体造型进行镜像，最终完成摩擦片的整体造型。 同样方法完成机座、落子、立轴及其他零件的实体建模。

图2 阻尼装置装配图

图3 摩擦片实体造型

3 放线架虚拟装配

虚拟装配是产品在生产制造前的重要一步，利用虚拟装配，可以验证放线架设计、相对位置和装配操作是否正确，通过可视化显示装配过程，可以方便及时发现设计或装配中的问题，及时对模型进行修改。 创建装配图一般分为自下向上和自上向下两种方法。 根据放线架的结构特征，采用自下向上的装配方法，即先进行单个零部件的创建，然后再对零部件摆放的位置进行合理的设计，这种装配方式直接精准，简单、快速。 对于鼠笼式动力放线架整体装配，采用先部分后整体的装配方式，即先将机座、立轴部件、落子和阻尼装置四大部件分别进行装配，然后对放线架整体按照自下而上的方式进行装配。 以阻尼装置的虚拟装配为例。

打开UG 软件，点击文件菜单栏下的新建按钮，选中第二个装配模块，生成新的装配文件，系统弹出添加组件的对话框，从最近访问的部件中，选中摩擦片为第一个添加的部件，将摩擦片放置在指定的原点位置，在装配约束的对话框中，选择固定，完成摩擦片的装配定位。 添加阻尼板为第二个部件，在装配约束中选中面接触，且阻尼板上的孔φ20 孔与摩擦片上的φ20 孔轴线保持一致，完成阻尼板的装配。 添加2 个销轴，与摩擦片孔对齐，面接触，添加2 个螺母，完成销轴、螺母、阻尼板和摩擦片的装配。 同样的方法完成弹簧，六角螺栓和摩擦片的装配。至此，以摩擦片为基体，在UG 装配模块下，通过添加组件，装配约束将阻尼装置的各个零件装配在一起，如图4 所示。

图4 阻尼装置

同样的方法，立轴部件的虚拟装配，以立轴为基体，将立轴、侧板、油缸支架、轴承座等零件依次进行约束装配。 放线架的虚拟装配，以机座为基体，依次进行立轴部件、落子部件和阻尼装置的装配。

4 放线架运动仿真

在放线架真正生产前， 用运动仿真来预测它的运动特性。UG 软件的运动仿真可以实现装配体的仿真运动，对装配体进行运动学或动力学运动分析，验证该运动机构设计的合理性，其分析结果直观易懂。在进行放线架的运动仿真之前， 干涉检查是不可或缺少的一部分。通过干涉检查，对放线架的装配进行干涉检验，以保证仿真运动的顺利进行。 在UG 装配模块下，点击“分析”菜单对装配体进行简单干涉检查，选择需要分析的装配的所有对象，对装配件的全部进行间隙分析， 在干涉部件导航器上没有出现干涉现象，可以进行放线架的运动仿真。

UG 运动仿真一般包括是运动分析类型的设定、运动控制参数的设定、运动仿真过程的的控制、运动仿真过程的跟踪记录、 动画文件的输出和运动结果数据的输出。 运动仿真中的形式运动包括了关节运动仿真和动画运动仿真两种， 在本次放线架运动仿真中，采用的是动画运动仿真的形式。 在UG“开始”菜单下，进入“运动仿真”模块，对放线架进行运动仿真。在弹出的“运动导航器”中选中放线架，并单击鼠标右键“新建仿真”，建立运动场景，设置运动场景参数。 在设置完环境之后，创建连杆“旋转副”，选中除了机座、侧板和油缸支架之外的所有零部件，指定旋转的原点为落子地盘的中心，创建解算方案并求解，求解完成后点击动画即可观看放线架放线状态运动仿真。同样的方法选中除机座以外的所有零部件，创建旋转副，完成放线架上线状态的运动仿真。最后通过“运动仿真”模块中的解算方案和求解，实现对放线架运动仿真的动画控制。经过运动仿真，检查到放线架各部分的运动状况良好，设计满足实际需求，将运动分析结果以图表的形式输出，保存数据。

5 结语

在整条生产线中，放线架处于工艺流程的起始端位置，合理的设计放线架，将使放线架更好地与生产线主控制部分配合，最大程度地发挥放线架的作用。 本文运用UG 软件对鼠笼式动力放线架进行了各零部件的实体建模， 在对其进行虚拟装配之后，对放线架的运动进行了运动仿真，检查了各部件相互之间的运动干涉情况，对整个放线架的优化设计和制造提供了参考，奠定了基础。