基于SolidWorks的機械式剪板機的虛擬設(shè)計

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

1 引言
剪板機是機械行業(yè)用于切斷金屬材料的—種機械設(shè)備,廣泛地在機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)格的機械式剪板機由于結(jié)構(gòu)簡單、易于維護、行程次數(shù)高等特點,在國內(nèi)外剪板機的產(chǎn)量上仍然占多數(shù)。在機械式剪板機的設(shè)計上,大部分企業(yè)仍采用二維設(shè)計方法,但以往機械式剪板機常規(guī)的二維設(shè)計方法主要靠經(jīng)驗和類比同型機器,設(shè)計的反復(fù)性大,周期長,可靠性差,設(shè)計精度和質(zhì)量還受到人為因素的影響。借助三維設(shè)計軟件SolidWorks進行機械式剪板機虛擬設(shè)計,不僅可以真實地反映剪板機的幾何形狀,還能反映各部件的空間位置,進而有效檢測工作裝置各部件之間是否發(fā)生干涉與碰撞,還可進一步進行有限元分析計算。另外,SolidWorks軟件還可以完成參數(shù)化設(shè)計,可為今后新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)建基礎(chǔ)模型,提高設(shè)計的復(fù)用性,縮短變形產(chǎn)品的設(shè)計周期。因此,研究機械式剪板機的虛擬設(shè)計具有重要的實用價值。

2 虛擬設(shè)計流程

應(yīng)用Solidworks進行虛擬設(shè)計,首先要明確設(shè)計任務(wù),構(gòu)思出樣品的大致輪廓;接著整理并寫出設(shè)計方案,細化要求,分析計算零部件的尺寸,對零件建模;而后對零件組裝,形成裝配體并檢驗;進而對關(guān)鍵零部件進行有限元分析計算;最后制作二維工程圖,交付廠家加工。設(shè)計流程,如圖l所示。

圖1 虛擬設(shè)計流程圖

3 設(shè)計步驟
3.1 機械式剪板機結(jié)構(gòu)
現(xiàn)以圓柱齒輪上傳動式機械式剪板機機為例,其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。該機床主要由機架、傳動系統(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:電動機驅(qū)動飛輪軸,再通過離合器和齒輪減速系統(tǒng)驅(qū)動偏心軸,然后通過連桿帶動上刀架,使其做上下往復(fù)運動,進行剪切工作。機械式剪板機組織結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示。

圖2 機械式剪板機組成結(jié)構(gòu)圖

     3.2 實體建模
      SolidWorks三維設(shè)計軟件是一個基于特征的參數(shù)化實體建模設(shè)計工具。參數(shù)化特征建模設(shè)計不僅能夠方便客戶對產(chǎn)品提出參數(shù)修改使之符合實際需要,而且可促進企業(yè)對產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。對不符合設(shè)計開發(fā)要求的產(chǎn)品,采用直接修改特征模型或關(guān)系來實現(xiàn)同種零件不同參數(shù)的設(shè)計。
      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中建立實體前,首先要對實體進行結(jié)構(gòu)特征分析,確定特征建立的先后順序以及每個特征建立的方法,所建立的特征盡可能簡單,參數(shù)尺寸盡可能少,建立特征時應(yīng)盡量減少尺寸的修改,同時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)?、包覆等工程特征造型方?通過對特征的堆積、切挖和相交等組合方式完成實體建模。因此建模時將零件的每—個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生成某些標準件等,非常方便快捷。例如圖3所示傳動系統(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。

圖3 齒輪零件模型

      由于SolidWorks軟件采用參數(shù)化設(shè)計思路,在實體建模中所做的更改可以自動、快速、準確地反映到裝配體、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在裝配圖中作相應(yīng)的改動,這樣既免去了不必要的麻煩,又保證了設(shè)計的精確性。
      3.3 裝配
     裝配體設(shè)計分為自下向頂(Down-TopDesign)和自頂向下(Top-Down Design)設(shè)計兩種方法。自下向頂是一種從局部到整體的設(shè)計方法,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,優(yōu)先考慮此方法;自頂向下設(shè)計是由整體到局部的設(shè)計方法,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)計更為快捷。
      本設(shè)計中由于機械式剪板機零件較多,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)計方法。裝配時,首先確定機架為固定件,再依次導(dǎo)入其他已建好的零部件,對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,要使零件間達到精準的配合,必須建立準確的裝配約束,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種標準配合和對稱、寬度等6種高級配合以及齒輪、凸輪等5種機械配合,可以使用這些配合精確地放置實體,這些約束使得到的裝配體更接近實際裝配體,整個裝配過程猶如在實際生產(chǎn)中進行實物組裝一樣,較為逼真。在本設(shè)計中要注意齒輪的裝配和壓料器上彈簧的關(guān)聯(lián)設(shè)計,否則不能實現(xiàn)機構(gòu)的正確運動。
      SolidWorks對裝配體進行的檢查主要包括碰撞檢查、動態(tài)間隙檢測、體積干涉檢查和裝配體統(tǒng)計等功能,用來檢查裝配體各個零部件裝配后的正確性,可判斷零部件之間有無干涉,以保證任意兩個零件在空間上不出現(xiàn)相互重疊的現(xiàn)象。通過移動或旋轉(zhuǎn)來檢查零部件之間的間隙,避免實物安裝時產(chǎn)生干涉,發(fā)現(xiàn)問題及時對模型進行修改,直到獲得滿意的結(jié)果。
      3.4 有限元分析
    機械式剪板機在工作過程中,主軸是主要的傳動和工作部件,利用SolidWorks內(nèi)嵌集成的COsMOswork8有限元分析軟件對裝配有齒輪傳動裝置、連桿和機架裝置的主軸裝配體進行有限元分析計算。首先將所建模型進行簡化,忽略圓角倒角鍵槽等設(shè)計細節(jié),通過標準數(shù)據(jù)接口,調(diào)入到COSMOSWorks有限元分析模塊,進行實體網(wǎng)格劃分,添加軸一端“不可平移”約束、軸承載荷和兩個連桿分布壓力,然后進行有限元分析計算,得到剪板機主軸應(yīng)力分布情況、應(yīng)變和變形狀況,計算出危險點的應(yīng)力和應(yīng)變,為主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo),同時對設(shè)計是否合理進行準確快速的評估。
     3.5 工程圖
     盡管隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,三維設(shè)計技術(shù)有了很大的發(fā)展與進步,但是三維模型并不能將所有的設(shè)計參數(shù)表達清楚,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清楚,因此,工程圖的創(chuàng)建是三維設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。
      SolidWorks利用模型文件可以快速自動轉(zhuǎn)換成工程圖文件。和傳統(tǒng)的計算機輔助繪圖相比,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節(jié),就可完成工程圖的操作。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的圖形十分準確,并且可生成各種視圖,如剖視圖、軸測圖、局部放大圖等。通過設(shè)置圖紙大小、填寫標題欄等操作,可生成符合機械制圖標準的二維工程圖。具體如圖4所示。

圖4 機械式剪板機裝配體二維工程圖

4 結(jié)論
基于SolidWorks的機械式剪板機的虛擬設(shè)計,充分利用SolidWorks三維設(shè)計軟件的強大功能,實現(xiàn)對機械式剪板機的虛擬設(shè)計,為探索機械式剪板機的新的設(shè)計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)計中的錯誤,降低設(shè)計成本,提升產(chǎn)品質(zhì)量。實踐表明基于SolidWorks軟件的虛擬設(shè)計技術(shù)在剪板機的設(shè)計中有良好的應(yīng)用前景。

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