基于SolidWorks的機(jī)械式剪板機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)

2013-06-26 by:廣州Solidworks培訓(xùn)中心來源:仿真在線

1 引言
剪板機(jī)是機(jī)械行業(yè)用于切斷金屬材料的—種機(jī)械設(shè)備,廣泛地在機(jī)械制造和修理等部門使用,是各工業(yè)部門使用最廣泛的板料剪斷設(shè)備。中小規(guī)格的機(jī)械式剪板機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、行程次數(shù)高等特點(diǎn),在國內(nèi)外剪板機(jī)的產(chǎn)量上仍然占多數(shù)。在機(jī)械式剪板機(jī)的設(shè)計(jì)上,大部分企業(yè)仍采用二維設(shè)計(jì)方法,但以往機(jī)械式剪板機(jī)常規(guī)的二維設(shè)計(jì)方法主要靠經(jīng)驗(yàn)和類比同型機(jī)器,設(shè)計(jì)的反復(fù)性大,周期長,可靠性差,設(shè)計(jì)精度和質(zhì)量還受到人為因素的影響。借助三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks進(jìn)行機(jī)械式剪板機(jī)虛擬設(shè)計(jì),不僅可以真實(shí)地反映剪板機(jī)的幾何形狀,還能反映各部件的空間位置,進(jìn)而有效檢測(cè)工作裝置各部件之間是否發(fā)生干涉與碰撞,還可進(jìn)一步進(jìn)行有限元分析計(jì)算。另外,SolidWorks軟件還可以完成參數(shù)化設(shè)計(jì),可為今后新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)建基礎(chǔ)模型,提高設(shè)計(jì)的復(fù)用性,縮短變形產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。因此,研究機(jī)械式剪板機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)用價(jià)值。

2 虛擬設(shè)計(jì)流程

應(yīng)用Solidworks進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì),首先要明確設(shè)計(jì)任務(wù),構(gòu)思出樣品的大致輪廓;接著整理并寫出設(shè)計(jì)方案,細(xì)化要求,分析計(jì)算零部件的尺寸,對(duì)零件建模;而后對(duì)零件組裝,形成裝配體并檢驗(yàn);進(jìn)而對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析計(jì)算;最后制作二維工程圖,交付廠家加工。設(shè)計(jì)流程,如圖l所示。

圖1 虛擬設(shè)計(jì)流程圖

3 設(shè)計(jì)步驟
3.1 機(jī)械式剪板機(jī)結(jié)構(gòu)
現(xiàn)以圓柱齒輪上傳動(dòng)式機(jī)械式剪板機(jī)機(jī)為例,其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。該機(jī)床主要由機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、刀架、壓料器、擋料架、刀片間隙調(diào)整裝置等部件組成。其工作過程為:電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪軸,再通過離合器和齒輪減速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)偏心軸,然后通過連桿帶動(dòng)上刀架,使其做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)行剪切工作。機(jī)械式剪板機(jī)組織結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示。

圖2 機(jī)械式剪板機(jī)組成結(jié)構(gòu)圖

     3.2 實(shí)體建模
      SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件是一個(gè)基于特征的參數(shù)化實(shí)體建模設(shè)計(jì)工具。參數(shù)化特征建模設(shè)計(jì)不僅能夠方便客戶對(duì)產(chǎn)品提出參數(shù)修改使之符合實(shí)際需要,而且可促進(jìn)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。對(duì)不符合設(shè)計(jì)開發(fā)要求的產(chǎn)品,采用直接修改特征模型或關(guān)系來實(shí)現(xiàn)同種零件不同參數(shù)的設(shè)計(jì)。
      特征建模過程就是選擇特征類型、定義特征屬性、安排特征建立順序從而生成零件的過程。在SolidWorks中建立實(shí)體前,首先要對(duì)實(shí)體進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征分析,確定特征建立的先后順序以及每個(gè)特征建立的方法,所建立的特征盡可能簡單,參數(shù)尺寸盡可能少,建立特征時(shí)應(yīng)盡量減少尺寸的修改,同時(shí)保證不引起其他特征的改變。特征建模是從草圖開始的,可以新建草圖,也可以利用原有在CAD中創(chuàng)建的DWG文件生成草圖,然后利用SolidWorks軟件提供的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等基本體特征造型方法以及圓角、倒角、抽殼、拔模、筋、孔向?qū)А驳裙こ烫卣髟煨头椒?通過對(duì)特征的堆積、切挖和相交等組合方式完成實(shí)體建模。因此建模時(shí)將零件的每—個(gè)加工形狀定義成特征,再利用各種特征的組合就可以完成零件的建模。同時(shí)利用SolidWorks軟件中的插件可快速生成某些零件,如利用Geartax插件可快速生成齒輪,利用toolbox生成某些標(biāo)準(zhǔn)件等,非常方便快捷。例如圖3所示傳動(dòng)系統(tǒng)中的大齒輪即利用Geartax插件生成基體,再生成切除、陣列等特征完成大齒輪的設(shè)計(jì)。

圖3 齒輪零件模型

      由于SolidWorks軟件采用參數(shù)化設(shè)計(jì)思路,在實(shí)體建模中所做的更改可以自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確地反映到裝配體、工程圖等相應(yīng)關(guān)聯(lián)模塊中去,而無需再像二維CAD圖那樣,更改零件后必須同時(shí)在裝配圖中作相應(yīng)的改動(dòng),這樣既免去了不必要的麻煩,又保證了設(shè)計(jì)的精確性。
      3.3 裝配
     裝配體設(shè)計(jì)分為自下向頂(Down-TopDesign)和自頂向下(Top-Down Design)設(shè)計(jì)兩種方法。自下向頂是一種從局部到整體的設(shè)計(jì)方法,當(dāng)裝配體中含有較多重復(fù)出現(xiàn)的零部件,或裝配體零部件之間的配合關(guān)系較為簡單時(shí),優(yōu)先考慮此方法;自頂向下設(shè)計(jì)是由整體到局部的設(shè)計(jì)方法,此方法適用于相互配合復(fù)雜、相互影響配合關(guān)系較多、多數(shù)零部件外形尺寸未確定的裝配體。兩種方法也可結(jié)合應(yīng)用,使設(shè)計(jì)更為快捷。
      本設(shè)計(jì)中由于機(jī)械式剪板機(jī)零件較多,而且有重復(fù)零件,配合關(guān)系復(fù)雜,某些零件尺寸不易確定,因此采用自頂向下和自下向頂相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。裝配時(shí),首先確定機(jī)架為固定件,再依次導(dǎo)入其他已建好的零部件,對(duì)于尺寸不易確定的零件,可以利用零件間的裝配關(guān)系生成新零件,例如傳動(dòng)軸和上橫梁之間的連接零件,由于尺寸不好確定,可在裝配體模式中利用與傳動(dòng)軸和上橫梁的裝配關(guān)系生成零件。導(dǎo)人零件后,要使零件間達(dá)到精準(zhǔn)的配合,必須建立準(zhǔn)確的裝配約束,系統(tǒng)在配合菜單下提供了包括角度、重合、同軸心、距離、平行、垂直、相切、鎖定8種標(biāo)準(zhǔn)配合和對(duì)稱、寬度等6種高級(jí)配合以及齒輪、凸輪等5種機(jī)械配合,可以使用這些配合精確地放置實(shí)體,這些約束使得到的裝配體更接近實(shí)際裝配體,整個(gè)裝配過程猶如在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行實(shí)物組裝一樣,較為逼真。在本設(shè)計(jì)中要注意齒輪的裝配和壓料器上彈簧的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì),否則不能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的正確運(yùn)動(dòng)。
      SolidWorks對(duì)裝配體進(jìn)行的檢查主要包括碰撞檢查、動(dòng)態(tài)間隙檢測(cè)、體積干涉檢查和裝配體統(tǒng)計(jì)等功能,用來檢查裝配體各個(gè)零部件裝配后的正確性,可判斷零部件之間有無干涉,以保證任意兩個(gè)零件在空間上不出現(xiàn)相互重疊的現(xiàn)象。通過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)來檢查零部件之間的間隙,避免實(shí)物安裝時(shí)產(chǎn)生干涉,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)對(duì)模型進(jìn)行修改,直到獲得滿意的結(jié)果。
      3.4 有限元分析
    機(jī)械式剪板機(jī)在工作過程中,主軸是主要的傳動(dòng)和工作部件,利用SolidWorks內(nèi)嵌集成的COsMOswork8有限元分析軟件對(duì)裝配有齒輪傳動(dòng)裝置、連桿和機(jī)架裝置的主軸裝配體進(jìn)行有限元分析計(jì)算。首先將所建模型進(jìn)行簡化,忽略圓角倒角鍵槽等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口,調(diào)入到COSMOSWorks有限元分析模塊,進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格劃分,添加軸一端“不可平移”約束、軸承載荷和兩個(gè)連桿分布?jí)毫?然后進(jìn)行有限元分析計(jì)算,得到剪板機(jī)主軸應(yīng)力分布情況、應(yīng)變和變形狀況,計(jì)算出危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變,為主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)是否合理進(jìn)行準(zhǔn)確快速的評(píng)估。
     3.5 工程圖
     盡管隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,三維設(shè)計(jì)技術(shù)有了很大的發(fā)展與進(jìn)步,但是三維模型并不能將所有的設(shè)計(jì)參數(shù)表達(dá)清楚,有些信息如加工要求的精度、形位公差和表面粗糙度等仍然需要借助二維的工程圖將其表達(dá)清楚,因此,工程圖的創(chuàng)建是三維設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。
      SolidWorks利用模型文件可以快速自動(dòng)轉(zhuǎn)換成工程圖文件。和傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助繪圖相比,利用模型文件生成工程圖只需簡單的指定模型的投影方向、插入模型的尺寸或添加其他的工程圖細(xì)節(jié),就可完成工程圖的操作。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的圖形十分準(zhǔn)確,并且可生成各種視圖,如剖視圖、軸測(cè)圖、局部放大圖等。通過設(shè)置圖紙大小、填寫標(biāo)題欄等操作,可生成符合機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖。具體如圖4所示。

圖4 機(jī)械式剪板機(jī)裝配體二維工程圖

4 結(jié)論
基于SolidWorks的機(jī)械式剪板機(jī)的虛擬設(shè)計(jì),充分利用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件的強(qiáng)大功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械式剪板機(jī)的虛擬設(shè)計(jì),為探索機(jī)械式剪板機(jī)的新的設(shè)計(jì)方法提供了良好的途徑。應(yīng)用此技術(shù)可及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤,降低設(shè)計(jì)成本,提升產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)踐表明基于SolidWorks軟件的虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在剪板機(jī)的設(shè)計(jì)中有良好的應(yīng)用前景。

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