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基于SolidWorks的型材自动切割机虚拟样机设计

发表时间: 2017/9/6 作者: 周琦 来源: 互联网
介绍了型材自动切割机的机械结构和工作原理,提出了基于SolidWorks软件建立其虚拟样机的设计流程和方法。完成了切割机中所有零件的三维造型,采用自底向上的方法进行虚拟装配,建立了切割机的虚拟样机模型。根据其工作原理对执行机构进行运动仿真并分析,为该款自动切割机的设计制造提供了理论参考依据。
 

    基于三维CAD 技术的虚拟样机设计,使设计人员能够快速建立产品虚拟模型,提高产品的直观性,减少设计的失误和错误。通过进行产品虚拟样机的运动仿真和结构分析,对设计方案进行比较和优化,且能够随时根据设计需求进行设计和修改零部件,实现产品设计意图。该设计方法能将产品设计中物理样机的大量试验通过仿真完成,提高产品设计的成功率,降低产品的研发周期和研发成本。另外,采用虚拟样机设计,通过对零部件虚拟模型的结构及尺寸修改,易于实现产品的模块化、系列化设计,以满足不同客户群对产品的使用要求。

    以型材自动切割机的设计为例,介绍了基于SolidWorks 软件的虚拟样机设计方法,对其进行零件三维造型与装配,建立切割机的虚拟样机,并进行执行机构的运动仿真与分析。

    1 型材切割机结构及工作原理

    根据热剪炉和铝型材的加工工艺要求,型材自动切割机的主体设计为台式结构,为实现全自动切割过程,其机械结构主要由机架、工作进给和切割进给三大部分组成,具有结构布局简单、操纵便利等特点。其中,工作进给部分由液压马达带动齿轮齿条机构实现运动,通过变频器控制电动机平稳运转,行程开关的设置实现行走部分的精准定位;切割进给部分由液压系统实现顺序动作进行切割,液压缸控制锯片纵向移动完成切割过程,很好地实现了对型材的同步追踪和定长切割功能。采用西门子S7-200 型PLC 作为控制系统核心,控制电气与液压回路,实现对设备的机电液一体化控制,且能够进行手动与自动控制的选择,有效应对生产过程中的生产控制要求。该型材自动切割机的具体结构如图1 所示。

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    图1 型材自动切割机主体结构图

    工作过程如下:首先,电动机通过带传动机构使得锯片做高速旋转运动,接着由液压马达驱动齿轮齿条机构,齿轮和齿条配合推动工作台横向移动。当移动到设定的距离时,液压缸推动高速旋转的锯片做纵向运动进行切割,在切割的同时工作台的横向移动并未停止,两个动作同步进行。当切割运动完成后液压缸带动锯片快速返回,同时锯片停止旋转,工作台横向移动到圆形导轨行程尽头停止,然后齿轮齿条机构反转带动工作台返回起始位置,完成一次完整的切割过程结束。

    2 型材切割机虚拟样机

    利用SolidWorks 软件进行的自动型材切割机三维造型设计的流程如图2 所示。

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    图2 虚拟样机计流程图

    2.1 零件三维造型

    三维CAD 软件中基于特征的参数化建模,是将特征造型技术与参数化技术有机地结合起来,实现对多种设计方式自顶向下或自底而上等设计形式支持的一种建模方法。SolidWorks中的零件设计,就是利用了该软件的参数化建模手段。其设计步骤是首先设置零件环境,在选择的基准面中建立截面草图;其次利用零件的基本截面特征进行拉伸、旋转、扫描、混合等特征命令操作,完成零件的主要特征结构;最后,完成一些对零件整体形状影响较小的装饰性特征,如螺纹、倒角、圆角等,最终生成零件的三维模型。

    同一零件的三维模型在SolidWorks 中可以有多种不同的生成方法,因此,在开始生成零件之前,应做好充分的准备工作,明确设计意图,认真考虑设计采取何种方法更为合理、高效。对于复杂的零件,选择合理的生成方法就显得尤为重要。因为选择不正确的生成方法不但效率低,而且有些情况根本就不能生成实体模型。一般来说,要根据图形的形状选择生成模型的方式,且需要有一个经验积累过程。

    以切割机主轴为例,该零件的造型先通过拉伸或旋转形成轴的主体结构,再通过拉伸切除功能完成键槽结构的造型,难点在于辅助基准的选择和建立。然后利用SolidWorks 自带的异型孔向导工具完成螺纹孔的造型。最后进行装饰螺纹线和倒角工作,完成零件的三维模型,如图3 所示。

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    图3 主轴三维模型

    另外,SolidWorks 软件中带有螺栓、轴承等的Toolbox 标准件库,设计人员可方便地调用标准件而无需对其进行三维建模,大大提高了设计效率。例如,型材自动切割机的工作进给机构是一对齿轮齿条机构,由于齿形截面为渐开线,单独建模将耗费大量的时间和精力,而从Toolbox 调用后,只需输入相应的结构参数,即可自动生成齿轮齿条的三维模型。

    切割机中其余零件的三维造型过程基本一致,重点在于选择合理的特征生成方法。

    2.2 虚拟装配设计

    型材同步切割机零件的三维模型完成后,为建立其虚拟样机需对各个零件进行虚拟装配。在SolidWorks 软件的虚拟装配中,有自底向上和自顶向下两种装配设计方法。本文型材自动切割机采用了自底向上的方法,通过零件来控制整个装配体的设计过程,由于该款切割机相对其他复杂设备而言,结构比较简单且相关产品已较成熟,采用这种方法可以有效控制切割机零部件之间的关系,根据设计的需要随时对装配件中的零件进行修改,满足其设计要求,比自顶向下装配设计效率更高。

    在型材自动切割机具体装配设计时,采用SolidWorks 提供的易于掌握的一般装配手段,铰接点转动副的配合约束使用“同心”约束,移动副约束使用“重合”和“相切”两种约束。为提高虚拟装配效率,本次设计还采用了子装配体的方式,即先将部分部件装配成子装配体,再在总装配中完成型材自动切割机整机的装配。装配完成后的虚拟样机如图4 所示。

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    图4 型材自动切割机虚拟样机

    3 执行机构运动仿真

    型材自动切割机虚拟样机建立后,即可根据其工作要求和过程进行设备中执行机构的运动仿真。在SolidWorks 软件环境中,运动仿真可通过运动算例(Motion Manager)来完成,该功能可以对研究对象进行真实的物理模拟,如模拟马达、弹簧、阻尼及引力等物理作用,以测算出机构的运动轨迹和运动特性等。

    根据型材自动切割机的工作过程,分别设定其工作进给和切割进给动力源(马达),软件自动进行运动仿真计算,利用“结果和图解”工具,将执行机构运动特性的分析数据通过表格图线形式显示。该设备中工作进给和切割进给机构的运动特性曲线如图5~图8 所示。

    从图5、图6 中可以看出,工作进给机构在拖动切割机构运动的过程中,位移的距离随时间线性变化,移动的速度平稳,能够满足材切割部件的快速移动要求。

    从图7、图8 中可以看出,切割进给机构在对铝型材的切割运动过程中,能够实现切割部件的切割进给和快速退回,部件移动的速度在切割进给阶段稍慢,完成切割后快速退回,总体满足设计动作要求。

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    4 结语

    基于SolidWorks 软件的机械产品虚拟样机设计,利用该软件的参数化特征建模技术,完成机械产品的三维造型与虚拟装配,建立产品的虚拟样机,模拟其工作环境进行仿真分析。设计过程与实际的产品样机试制过程相类似,通过观察模型结构、干涉检查和仿真等功能,提前发现设计中存在的误差和缺陷。与常规的机械设计相比,该方法提高了新产品设计的成功率,缩短了产品的研发周期。



责任编辑:郝秋红