基于SolidWorks的機械式剪板機的虛擬設計

2013-06-26 by:廣州Solidworks培訓中心來源: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備。中小規(guī)格的機械式剪板機由于結構簡單、易于維護、行程次數高等特點,在國內外剪板機的產量上仍然占多數。在機械式剪板機的設計上,大部分企業(yè)仍采用二維設計方法,但以往機械式剪板機常規(guī)的二維設計方法主要靠經驗和類比同型機器,設計的反復性大,周期長,可靠性差,設計精度和質量還受到人為因素的影響。借助三維設計軟件SolidWorks進行機械式剪板機虛擬設計,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化設計,可為今后新產品的開發(fā)創(chuàng)建基礎模型,提高設計的復用性,縮短變形產品的設計周期。因此,研究機械式剪板機的虛擬設計具有重要的實用價值。

2 虛擬設計流程

應用Solidworks進行虛擬設計,首先要明確設計任務,構思出樣品的大致輪廓;接著整理并寫出設計方案,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。設計流程,如圖l所示。

圖1 虛擬設計流程圖

3 設計步驟
3.1 機械式剪板機結構
現以圓柱齒輪上傳動式機械式剪板機機為例,其組成結構如圖2所示。該機床主要由機架、傳動系統(tǒng)、刀架、壓料器、擋料架、刀片間隙調整裝置等部件組成。其工作過程為:電動機驅動飛輪軸,再通過離合器和齒輪減速系統(tǒng)驅動偏心軸,然后通過連桿帶動上刀架,使其做上下往復運動,進行剪切工作。機械式剪板機組織結構圖,如圖2所示。

圖2 機械式剪板機組成結構圖

     3.2 實體建模
      SolidWorks三維設計軟件是一個基于特征的參數化實體建模設計工具。參數化特征建模設計不僅能夠方便客戶對產品提出參數修改使之符合實際需要,而且可促進企業(yè)對產品的創(chuàng)新設計。對不符合設計開發(fā)要求的產品,采用直接修改特征模型或關系來實現同種零件不同參數的設計。
      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構特征分析,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,參數尺寸盡可能少,建立特征時應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、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、孔向導、包覆等工程特征造型方法,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計。

圖3 齒輪零件模型

      由于SolidWorks軟件采用參數化設計思路,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、工程圖等相應關聯模塊中去,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的改動,這樣既免去了不必要的麻煩,又保證了設計的精確性。
      3.3 裝配
     裝配體設計分為自下向頂(Down-TopDesign)和自頂向下(Top-Down Design)設計兩種方法。自下向頂是一種從局部到整體的設計方法,當裝配體中含有較多重復出現的零部件,或裝配體零部件之間的配合關系較為簡單時,優(yōu)先考慮此方法;自頂向下設計是由整體到局部的設計方法,此方法適用于相互配合復雜、相互影響配合關系較多、多數零部件外形尺寸未確定的裝配體。兩種方法也可結合應用,使設計更為快捷。
      本設計中由于機械式剪板機零件較多,而且有重復零件,配合關系復雜,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合的設計方法。裝配時,首先確定機架為固定件,再依次導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系生成零件。導人零件后,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中進行實物組裝一樣,較為逼真。在本設計中要注意齒輪的裝配和壓料器上彈簧的關聯設計,否則不能實現機構的正確運動。
      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相互重疊的現象。通過移動或旋轉來檢查零部件之間的間隙,避免實物安裝時產生干涉,發(fā)現問題及時對模型進行修改,直到獲得滿意的結果。
      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計細節(jié),通過標準數據接口,調入到COSMOSWorks有限元分析模塊,進行實體網格劃分,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,得到剪板機主軸應力分布情況、應變和變形狀況,計算出危險點的應力和應變,為主軸的結構設計提供指導,同時對設計是否合理進行準確快速的評估。
     3.5 工程圖
     盡管隨著科學技術的發(fā)展,三維設計技術有了很大的發(fā)展與進步,但是三維模型并不能將所有的設計參數表達清楚,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)建是三維設計中的重要環(huán)節(jié)。
      SolidWorks利用模型文件可以快速自動轉換成工程圖文件。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。經過轉換的圖形十分準確,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 結論
基于SolidWorks的機械式剪板機的虛擬設計,充分利用SolidWorks三維設計軟件的強大功能,實現對機械式剪板機的虛擬設計,為探索機械式剪板機的新的設計方法提供了良好的途徑。應用此技術可及早發(fā)現設計中的錯誤,降低設計成本,提升產品質量。實踐表明基于SolidWorks軟件的虛擬設計技術在剪板機的設計中有良好的應用前景。

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