基于Solidworks的焊接機(jī)械手的系列化設(shè)計

龍燕華

(湖北省地質(zhì)勘查裝備中心，湖北武漢 430034)

利用Solidworks這樣的新一代數(shù)字化、虛擬化、智能化設(shè)計平臺來完成設(shè)計工作，能夠更直觀地呈現(xiàn)零件的形態(tài)，更迅速地完成零件建模和裝配，更有效地進(jìn)行運(yùn)動和動力分析，更便捷地進(jìn)行更改和系列化，從而縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高了產(chǎn)品的可靠性，保證了產(chǎn)品開發(fā)的一次成型。這樣也為企業(yè)節(jié)省了大量的人力、物力和財力，降低開發(fā)成本，增強(qiáng)快速應(yīng)對市場、積極參與競爭的能力。

1 Solidworks簡介

Solidworks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)［1］。功能強(qiáng)大、易學(xué)易用、技術(shù)創(chuàng)新是Solidworks的三大特點，使得Solidworks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。Solidworks能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。Solidworks不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。

2 焊接機(jī)械手的設(shè)計與分析

Solidworks軟件本身提供了自上而下和自下而上兩種設(shè)計方法，兩種方法各有自己的優(yōu)點和不同的應(yīng)用范圍。但是自上而下的設(shè)計方法對軟硬件的要求都很高，因此這里采用自下而上的設(shè)計方法，首先進(jìn)行零件建模。

2.1 焊接機(jī)械手的零件建模

Solidworks的零件建模是以草圖和基本特征為基礎(chǔ)。它的草圖繪制尤其簡單，在繪制的過程中設(shè)計者不需要考慮尺寸，而只需要繪制基本形狀。因為以尺寸為驅(qū)動的Solidworks草圖，便于設(shè)計者隨時修改。在零件建模的過程中，主要應(yīng)該考慮的是設(shè)計者意圖的表達(dá)形式，因為同一零件在三維建模過程中，可能有多種建模方法［2］。因而，最恰當(dāng)、最簡單的建模方式，是一個好的設(shè)計者應(yīng)該追求的方向。焊接機(jī)械手包含有基座、連桿機(jī)構(gòu)、連接套和焊接頭四大部分。其零件構(gòu)成主要為軸類、齒輪和基本桿和座類零件，不涉及機(jī)架類焊件和鈑金件，建模過程比較簡單。齒輪和軸類三維建模時分別可以采用的兩種設(shè)計方法:對于齒輪，一種方法是先利用拉伸特征生成齒輪圓柱形齒坯，然后再利用掃描切除、拉伸切除或者放樣切除方法切除齒槽的部分;第二種方法是先在草圖中繪制出齒輪的二維齒廓線，然后通過拉伸特征，得到齒輪的實體模型。對于直齒圓柱齒輪來說，由于其端面的形狀便是齒廓的輪廓形狀，所以在本文中所繪制的直齒輪均采用了這種方法。對于軸類的三維建模設(shè)計，一種方法是采用草圖旋轉(zhuǎn)而成，另一種方法是對各軸段依次拉伸凸臺而成，然后切除鍵槽。其中軸上的長槽的創(chuàng)建時，可采用Solidworks草圖中的直槽口。零件建模過程中，應(yīng)該養(yǎng)成良好的習(xí)慣，及時定義零件的名稱、材料、顏色等相關(guān)配置信息，為下一步設(shè)計分析做準(zhǔn)備?；S零件圖如圖1所示。

圖1 基座

2.2 焊接機(jī)械手的裝配和檢查

Solidworks提供的裝配平臺也是比較自由的，設(shè)計者根據(jù)零件點、線、面的配合關(guān)系來搭建裝配體，可以隨時修改零件和配合關(guān)系，可以隨意地根據(jù)自己的設(shè)計意圖更改零件的固定或者浮動模式，可以根據(jù)裝配需要隱藏或者顯示零部件，也可以根據(jù)裝配體重建復(fù)雜程度的需要壓縮或者解壓零部件。焊接機(jī)械手的裝配零件數(shù)目較少，可以直接組成裝配體，不需要多級子裝配體。在裝配體仿真之前，設(shè)計者可以直接將各零件設(shè)置成完全定義，以便檢查裝配關(guān)系是否遺漏。焊接臂子裝配體和總裝配體如圖2、圖3所示。

圖2 焊接臂

圖3 裝配圖

在裝配體完全定義之后，干涉檢查、質(zhì)量特性和間隙驗證是利用Solidworks進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的第一步。這三個工具，可以知道干涉關(guān)系、檢查尺寸錯漏、核算質(zhì)量特征。通過這一步的檢查和修正之后，焊接機(jī)械手應(yīng)該是一個完全定義、參數(shù)明確，沒有干涉、質(zhì)量合適的裝配體，可以進(jìn)一步進(jìn)行仿真分析。

2.3 焊接機(jī)械手的仿真分析

Solidworks提供了強(qiáng)大的算例分析工具，不同版本可能稍有差異。其中Simulation是其專門的模擬插件，提供了單一屏幕解決方案來進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析和優(yōu)化分析。Solidworks Simulation憑借著快速解算器的強(qiáng)有力支持，能夠使用個人計算機(jī)快速解決大型問題［3］，打開Simulation插件，分析焊接機(jī)械手，優(yōu)化應(yīng)力集中點。

2.4 焊接機(jī)械手的工程圖生成

焊接機(jī)械手仿真分析完成、修正優(yōu)化之后，利用Solidworks軟件中的工程圖模塊將零件圖和裝配圖生成設(shè)計圖紙。自動標(biāo)注尺寸，生成明細(xì)表和標(biāo)題欄，通過人工標(biāo)注修改尺寸。由于Solidworks各模塊具有全相關(guān)性［4］，當(dāng)系統(tǒng)對某一模塊中任一尺寸進(jìn)行修改時，相對應(yīng)其它模塊的數(shù)據(jù)會自動更新?？傃b配圖的工程圖輸出如圖4所示。

圖4 工程圖

2.5 焊接機(jī)械手的系列化設(shè)計

Solidworks可以將 Microsoft Excel表格內(nèi)嵌到Solidworks文件里面作為系列零件設(shè)計表［5］。通過系列零件設(shè)計表來控制模型的相關(guān)屬性(約二十多種屬性可被系列零件設(shè)計表控制)?？梢院芊奖愕貙α慵蜓b配體進(jìn)行配置。采用Solidworks軟件中的系列零件設(shè)計表，使系列化設(shè)計過程變得簡單、重復(fù)性工作少，從而提高了設(shè)計人員的效率。本設(shè)計中的焊接機(jī)械手，零部件全部相同，只是尺寸大小有別，依照系列零件設(shè)計表設(shè)計不同大小尺寸，即可獲得相關(guān)不同系列的焊接機(jī)械手，大大簡化了系列化設(shè)計的過程。系列化設(shè)計表截圖如圖5所示。

圖5 系列化設(shè)計表

3 結(jié)語

利用Solidworks對焊接機(jī)械手進(jìn)行三維設(shè)計，包含了零件建模、搭建裝配體、仿真分析、工程圖生成、系列化等五個部分。三維實體設(shè)計直觀性強(qiáng)、參數(shù)化設(shè)計的特點，保證了設(shè)計人員設(shè)計意圖的完美呈現(xiàn)，最大限度地將分析和驗證留在了設(shè)計階段，縮短了設(shè)計周期，降低了產(chǎn)品的設(shè)計成品，為現(xiàn)代企業(yè)參與激烈的市場競爭提供了技術(shù)保障。

［1］ 沈海榮.基于VB技術(shù)的Solidworks二次開發(fā)方法［J］.計算機(jī)輔助工程，2004，(2):22－24.

［2］ 陳超祥，葉修梓.Solidworks零件與裝配體教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］ 陳超祥，葉修梓.Solidworks Simulation基礎(chǔ)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］ 劉宏芹.Solidworks2010中文版從入門到精通［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［5］ 彭和平.基于Solidworks的零件系列化設(shè)計［J］.自動化加工技術(shù)，2004，(8):12－14.