1 引言
鋼絞線(xiàn)松弛試驗(yàn)機(jī)主要用于評(píng)定鋼絞線(xiàn)的松弛性能。SXW-300是一種新型鋼絞線(xiàn)松弛試驗(yàn)機(jī)，是機(jī)械、電氣、計(jì)算機(jī)一體化產(chǎn)品，主機(jī)采用機(jī)械加載方式，試驗(yàn)力由傳感器測(cè)量，測(cè)控卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，計(jì)算機(jī)屏幕顯示試驗(yàn)力和試驗(yàn)曲線(xiàn)。該試驗(yàn)機(jī)專(zhuān)用于預(yù)應(yīng)力和混凝土鋼絞線(xiàn)、刻痕鋼絲、鍍鋅鋼絲的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，可適用于線(xiàn)材生產(chǎn)廠(chǎng)、公路建設(shè)、建工質(zhì)監(jiān)站等單位進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)和科學(xué)研究。因此，對(duì)此類(lèi)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，三維實(shí)體造型、虛擬裝配、工況仿真模擬已成為CAD的重要發(fā)展方向，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方面引起了重大變革。為了用最真實(shí)的模擬將設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想在計(jì)算機(jī)上呈現(xiàn)出來(lái)，本文以SXW-300鋼絞線(xiàn)松弛試驗(yàn)機(jī)為原型，重點(diǎn)研究試驗(yàn)機(jī)的主機(jī)部分，利用Sslid Edge軟件對(duì)其各典型零件進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行虛擬轉(zhuǎn)配。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元分析軟件ANSYS,對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行初步的受力分析。
Solid Edge源自UGS公司，是一款功能強(qiáng)大的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。它為機(jī)械制造行業(yè)提供基于管理的設(shè)計(jì)工具，讓設(shè)計(jì)者將數(shù)據(jù)管理融入到設(shè)計(jì)過(guò)程中，達(dá)到縮短產(chǎn)品上市周期、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低費(fèi)用的目的。
2 使用三維建模和設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
（1）三維設(shè)計(jì)符合人的思維過(guò)程。設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)，總是先構(gòu)思，后表達(dá)，即先構(gòu)思出產(chǎn)品的形狀，然后再將構(gòu)思出產(chǎn)品的形狀表達(dá)出來(lái)。由于在腦海中構(gòu)思出的產(chǎn)品形狀是三維的，因此，三維建模符合設(shè)計(jì)師的創(chuàng)新識(shí)流，有利于設(shè)計(jì)的深入進(jìn)行。
（2）由于三維設(shè)計(jì)得到的三維立體圖具有直觀、易于理解等特點(diǎn)，便于與他人進(jìn)行技術(shù)交流。
（3）三維模型與二維工程圖關(guān)聯(lián)，可將三維模型直接轉(zhuǎn)換成多個(gè)二維投影視圖，不用逐一繪制各個(gè)工程圖。
（4）三維建模不僅可以得到描述對(duì)象的形狀、大小和位置等幾何特征，還可以得到其力學(xué)特性，如質(zhì)量、質(zhì)心、慣性積、慣性矩等。
（5）可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)零件進(jìn)行力學(xué)分析、虛擬加工、虛擬裝配、檢驗(yàn)零件的裝配情況（如是否干涉、松動(dòng)等），從而最大限度地降低產(chǎn)品成本。
（6）可以將三維模型轉(zhuǎn)換成精美的彩色照片，并制作動(dòng)畫(huà)，生動(dòng)形象地展示產(chǎn)品，有利于產(chǎn)品的銷(xiāo)售。
（7）計(jì)算機(jī)化、信息化、智能化和集成化是現(xiàn)代制造技術(shù)的4個(gè)基本特征。其中，信息化將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理等環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系到一起，而三維模型是機(jī)械產(chǎn)品最重要的信息載體之一。
3 SXW-300主機(jī)三維模型的建立
SXW-300鋼絞線(xiàn)松弛試驗(yàn)機(jī)主要由主機(jī)、測(cè)控系統(tǒng)和測(cè)控軟件三部分組成。主機(jī)采用立式結(jié)構(gòu)，由上橫梁、上夾頭、立柱、下夾頭、按鈕盒、工作臺(tái)組成，電器部分安裝在工作臺(tái)下
部，上橫梁與工作臺(tái)、兩根立柱組成固定框架，上、下夾具分別安裝在上橫梁和工作臺(tái)的傳動(dòng)絲杠上。電機(jī)安裝在工作臺(tái)的下面，可以通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下夾頭上下移動(dòng)，試驗(yàn)在上下夾具之間進(jìn)行。
機(jī)械結(jié)構(gòu)的零部件越多，裝配過(guò)程就越復(fù)雜。本文采用自下而上的裝配設(shè)計(jì)方法，將各個(gè)零件逐漸裝配成部機(jī)，然后再集中裝配成整機(jī)。裝配時(shí)，將松弛試驗(yàn)機(jī)的主機(jī)分為工作臺(tái)、上橫梁、附具分別制作裝配體，最終進(jìn)行集中裝配。以下對(duì)主機(jī)工作臺(tái)、上橫梁、附具等部機(jī)進(jìn)行三維建模。
3．1工作臺(tái)
試驗(yàn)機(jī)的工作臺(tái)部分主要由強(qiáng)電板、地腳板、電機(jī)、減速機(jī)、同步齒形帶、從動(dòng)帶輪、后罩板、減速機(jī)支架、工作臺(tái)、端蓋、軸承、絲母、絲杠、鎖緊螺母、主動(dòng)帶輪、上限位、彎板、立柱、下限位、接線(xiàn)板組成。電機(jī)輸出軸直接插裝在減速機(jī)的輸入軸孔內(nèi)，減速機(jī)的輸入套由螺釘緊固在電機(jī)軸上，絲杠上端的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使其只能上下運(yùn)動(dòng)，不能旋轉(zhuǎn)，因此，電機(jī)運(yùn)行時(shí)就可以通過(guò)絲杠驅(qū)動(dòng)下夾頭上下移動(dòng)，對(duì)試樣施加試驗(yàn)力。
首先運(yùn)用Solid Edge 零件設(shè)計(jì)模塊建立上述各零件的三維模型。由于各零件的形態(tài)差異，建模的方法也有所不同，建模的基本思路是對(duì)零件進(jìn)行形體分析，將其視為多個(gè)基本體的疊加和切割，確定好各基本體的相對(duì)位置關(guān)系，在二維輪廓草圖的基礎(chǔ)上通過(guò)拉伸切除、旋轉(zhuǎn)、掃描、孔、筋板、陣列燈特征操作來(lái)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體建模。圖1為Solid Edge零件設(shè)計(jì)環(huán)境下所建立減速機(jī)支架的三維模型。
圖1 減速機(jī)支架的三維模型
類(lèi)似上述操作，可以建立工作臺(tái)部件其他零件的三維模型。完成工作臺(tái)部件各零件建模之后，根據(jù)不同零部件的位置約束關(guān)系，運(yùn)用面貼合、面對(duì)齊、軸對(duì)齊、相切、插入等裝配關(guān)系，建立工作臺(tái)傳動(dòng)部分的裝配模型，如圖2所示（后視圖）。
圖2 工作臺(tái)傳動(dòng)部分三維模型
最后，運(yùn)用貼合、面對(duì)齊等裝配關(guān)系，完成工作臺(tái)部件的裝配，裝配圖如圖3所示。
圖3 工作臺(tái)模型
3.2 附具部分
附具主要由拉桿、鎖緊螺母、夾片、上夾具體、錐套、試樣、下夾具體、夾片、絲杠等組成。上夾具體通過(guò)拉桿與傳感器相連，下夾具體與絲杠相連，電機(jī)運(yùn)行時(shí)通過(guò)絲杠驅(qū)動(dòng)下夾具體上下運(yùn)動(dòng)。試樣夾持部分由錐套和與其配合的錐形夾片組成。建立各零件的過(guò)程前面已有詳細(xì)的敘述，此處不再贅述。
運(yùn)用貼合、軸對(duì)齊、插入等關(guān)系，將附具各零件進(jìn)行虛擬裝配，上、下夾具夾緊試樣的三維模型如圖4所示。
圖4 附具三維模型
3.3 上橫梁
上橫梁主要由螺釘、上橫梁、傳感器、拉桿、螺母、立柱等組成。傳感器安裝在上橫梁的上面，拉桿上端通過(guò)螺母與傳感器連接在一起，下端與上夾頭相連。整個(gè)部分通過(guò)兩根立柱與工作臺(tái)相連。整個(gè)部分通過(guò)兩根立柱與工作臺(tái)相連。
同3.1，首先建立上橫梁、傳感器、拉桿、螺母、立柱的三維模型，然后運(yùn)用面貼合、面對(duì)齊、插入、陣列等裝配關(guān)系完成上橫梁部件的裝配，圖5為所建立的上橫梁三維模型：
圖5 上橫梁三維模型
3.4 SXW-300主機(jī)整體裝配
裝配不僅能表達(dá)零件間的配合關(guān)系，也是其他工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，如運(yùn)動(dòng)分析、干涉檢查、模具設(shè)計(jì)、自動(dòng)加工等。在建立工作臺(tái)、附具和上橫梁等部件裝配的基礎(chǔ)上，按照自下而上的裝配方法，將上橫梁、附具、工作臺(tái)等部件進(jìn)行集中裝配，得到SXW-300主機(jī)整體的裝配效果圖，如圖6所示。
圖6 SXW-300主機(jī)整體裝配效果圖
4 有限元初步分析
通過(guò)對(duì)三維模型進(jìn)行有限元分析，可以評(píng)估零件的力學(xué)性能，并為零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。這對(duì)減少樣機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量、降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本、縮短產(chǎn)品的面市時(shí)間具有重要的意義。因此，本文對(duì)SXW-300的工作臺(tái)進(jìn)行有限元分析，研究工作臺(tái)部件的受力情況，將工作臺(tái)設(shè)計(jì)的約束和載荷，工作臺(tái)的應(yīng)力分析云圖如圖7所示。
圖7 工作臺(tái)受力情況
由圖7可以看出，當(dāng)給工作臺(tái)施加300kN的載荷時(shí)，工作臺(tái)的最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在與立柱接觸的內(nèi)側(cè)，最大應(yīng)力值為1.043×108MPa，此結(jié)論為該類(lèi)試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。
5 結(jié)束語(yǔ)
廣州澳金工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司以Solid Edge為工具，研究了SXW-300鋼絞線(xiàn)松弛試驗(yàn)機(jī)的建模和裝配過(guò)程，得到主機(jī)整體的裝配體，并借助有限元分析軟件ANSYS對(duì)工作臺(tái)的受力情況進(jìn)行了初步分析，結(jié)論如下：
（1）利用Solid Edge進(jìn)行了松弛試驗(yàn)機(jī)主機(jī)各零件的三維建模，為虛擬裝配奠定了基礎(chǔ)；
（2）給出了主機(jī)“自下而上”的裝配順序及裝配細(xì)節(jié)，為現(xiàn)場(chǎng)安裝提供了參考；
（3）對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行了初步的有限元分析，找出了工作臺(tái)的最大應(yīng)力點(diǎn)，為該類(lèi)試驗(yàn)機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。 |
