虛擬樣機(jī)技術(shù)是建造物理樣機(jī)前對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象在計(jì)算機(jī)上建立的虛擬模型機(jī)，利用其完成設(shè)計(jì)對(duì)象功能的可行性及其工作性能的分析，更好地理解系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)力特性，比較設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和機(jī)械設(shè)計(jì)效率等。仿真模型的建立和模擬現(xiàn)實(shí)條件是虛擬樣機(jī)的重要基礎(chǔ)。本文以輪胎定型硫化機(jī)(簡(jiǎn)稱硫化機(jī))的設(shè)計(jì)為例，運(yùn)用SolidWorks對(duì)其進(jìn)行建模，最后以一定的裝配關(guān)系和約束條件來(lái)完成對(duì)硫化機(jī)的幾何建模，并利用Solidworks Cosmotion對(duì)其工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真；應(yīng)用“質(zhì)量特性?”功能，完成整機(jī)重心的分析和配重的設(shè)計(jì)、建模，以此來(lái)介紹用SolidWorks 進(jìn)行大型產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法和思路。 1 輪胎定型硫化機(jī)硫化機(jī)主要有底座、主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，裝胎機(jī)構(gòu)，中心機(jī)構(gòu)，卸胎機(jī)構(gòu)等部件組成。它的工作機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊，由曲柄齒輪驅(qū)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)模，合模及加壓硫化。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：工作軌跡的設(shè)計(jì)和自鎖的分析。用傳統(tǒng)的二維CAD 設(shè)計(jì)，其工作機(jī)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)很困難，工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否發(fā)生碰撞干涉，如何在運(yùn)動(dòng)中避免自鎖。這些問(wèn)題用二維CAD 解決起來(lái)很困難，依靠做出大量的運(yùn)動(dòng)軌跡線，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而用SolidWorks 對(duì)側(cè)裝機(jī)進(jìn)行幾何建模的話，以上問(wèn)題就迎刃而解了，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。 2 硫化機(jī)幾何模型的建立 2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的劃分硫化機(jī)為大型裝配體，在建立幾何模型之前，利用硫化機(jī)各結(jié)構(gòu)的功能和特點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)行合理的劃分，把它分成若干子裝配體和零件；這些子裝配體根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還可以劃分成若干更低一級(jí)的子裝配體和零件；如此下去，直至把所有子裝配體拆成零件。這樣，產(chǎn)品、部件和零件組成了一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)。利用這種結(jié)構(gòu)形式，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)計(jì)人員的協(xié)同設(shè)計(jì)，有助于提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，并降低生產(chǎn)的復(fù)雜性。 2.2 零件建模根據(jù)各零件特征，在經(jīng)過(guò)一系列特征構(gòu)建，利用尺寸、幾何關(guān)系、參數(shù)驅(qū)動(dòng)、方程式等在特征之間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，最終完成所有硫化機(jī)零件的造型，并且賦予各零件的材料屬性。 2.3 裝配件的設(shè)計(jì)零件裝配形成裝配體的過(guò)程，其實(shí)就是一個(gè)SolidWorks 指定零件間約束關(guān)系的過(guò)程，通過(guò)指定零件間的約束，確定零件的裝配位置關(guān)系。從最低一級(jí)子裝配體開(kāi)始，逐漸向上級(jí)進(jìn)行，直至完成總裝配體的裝配，此方法為“至下而上”設(shè)計(jì)。同時(shí)，靈活利用“至上而下”的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行焊接件的設(shè)計(jì)。 圖1 硫化機(jī)主機(jī) 3 工作機(jī)構(gòu)的干涉檢查幾何建模建立好以后，通過(guò)“移動(dòng)零部件”功能，用鼠標(biāo)分別拖拽各運(yùn)動(dòng)件，同時(shí)選擇“碰撞檢查”的“碰撞時(shí)停止”復(fù)選框，檢查運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有無(wú)發(fā)生碰撞和干涉，這樣就可以動(dòng)態(tài)的模擬出硫化機(jī)開(kāi)合模時(shí)，橫梁以及硫化室在空間的不同位置和姿態(tài)。同時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)視圖，對(duì)各個(gè)狀態(tài)進(jìn)行多方位、多角度的觀察。通過(guò)虛擬樣機(jī)，直觀地評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。并利用SolidWorks 參數(shù)化設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)的相關(guān)聯(lián)性，對(duì)相應(yīng)的零部件進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，使性能達(dá)到最佳。 4 硫化機(jī)主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)仿真運(yùn)動(dòng)仿真是在成功建立了其裝配模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)定義靜止部件、運(yùn)動(dòng)部件，并為在各起始運(yùn)動(dòng)件上定義驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、選擇連接軸和運(yùn)動(dòng)方向、設(shè)定運(yùn)動(dòng)初始條件或參數(shù)等一系列操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。打開(kāi)設(shè)計(jì)樹(shù)右側(cè)的齒輪標(biāo)文件夾即為運(yùn)動(dòng)分析模塊(Cosmos Motion )，它內(nèi)置于SW，使用ADAMS/SOLVER求解器，能對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，包括運(yùn)動(dòng)極限位置分析、千涉分析、軌跡跟蹤、測(cè)量、圖表、動(dòng)畫(huà)生成，以及為ADAMS及其它大型分析軟件輸出三維設(shè)計(jì)文件等。裝配體直接應(yīng)用于分析模塊，分析模塊會(huì)根據(jù)零件間的裝配關(guān)系而賦予零件間以恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)副，表征運(yùn)動(dòng)關(guān)系。 圖2 硫化機(jī)主機(jī)機(jī)構(gòu)原理圖 圖3 硫化機(jī)開(kāi)模過(guò)程圖 5 有限元技術(shù)與優(yōu)化設(shè)計(jì)隨著輪胎向著高速化、扁平化和子午化的方向發(fā)展，對(duì)其工作性能的要求越來(lái)越高，不僅要求硫化機(jī)具有良好的機(jī)械性能，而且要具有較好的經(jīng)濟(jì)性。為了保證這些零、部件工作時(shí)的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)具有足夠的精確度，必須保證其具有良好的強(qiáng)度和剛度。因此，合理的強(qiáng)度剛度分析方法對(duì)整機(jī)精度、性能和造價(jià)有著極其重要的影響。然而，由于硫化機(jī)部分零件、組件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)中受到許多工程條件的限制，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的類比設(shè)計(jì)方法顯然難以適應(yīng)新的設(shè)計(jì)要求。為了提高質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，有限元法和優(yōu)化技術(shù)提供了新的解決思路和方法。 圖4 橫梁優(yōu)化結(jié)果在整機(jī)的建模全部完成后，就可以通過(guò)photoworks 模塊，對(duì)其進(jìn)行美工渲染工作；通過(guò)Animator 模塊對(duì)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)，輸出AVI 格式的視頻文件。以此用來(lái)前期的廣告宣傳，或銷售人員對(duì)客戶進(jìn)行演示，以更早的贏得市場(chǎng)。 6 結(jié)語(yǔ) SolidWorks 軟件為輪胎定型硫化機(jī)等大型復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。同時(shí)，SolidWorks 將三維圖自動(dòng)轉(zhuǎn)化成二維圖的功能，為快速進(jìn)入生產(chǎn)階段提供了可靠的保證。運(yùn)用軟件進(jìn)行實(shí)體建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，能夠使設(shè)計(jì)人員直觀看到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和改正設(shè)計(jì)中的干涉等問(wèn)題，交互地進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整和改進(jìn)。實(shí)踐表明SolidWorks軟件的虛擬設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)在虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)中具有良好的應(yīng)用前景。

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