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。