基于SolidWorks的鋼筋對(duì)焊夾具三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真

Three-dimensional modeling and motion simulation of welded steel fixture based on Solidworks

賀甲甲1,2，袁忠杰2，朱先琦1

HE Jia-jia1,2, YUAN Zhong-jie2, ZHU Xian-qi1

（1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，蕪湖 241000；2.安徽易特流焊割發(fā)展有限公司，合肥 230001）

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基于SolidWorks的鋼筋對(duì)焊夾具三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真

Three-dimensional modeling and motion simulation of welded steel fixture based on Solidworks

賀甲甲1,2，袁忠杰2，朱先琦1

HE Jia-jia1,2, YUAN Zhong-jie2, ZHU Xian-qi1

（1.安徽工程大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，蕪湖 241000；2.安徽易特流焊割發(fā)展有限公司，合肥 230001）

摘 要：鋼筋電渣壓力焊是一種高效的豎向鋼筋連接技術(shù)，完成這種焊接的主要工具之一是鋼筋對(duì)焊夾具。應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)鋼筋對(duì)焊夾具的主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和三維建模，完成了鋼筋對(duì)焊夾具三維模型的裝配，并對(duì)裝配體進(jìn)行了分析和檢查，最后應(yīng)用SolidWorks Motion插件對(duì)鋼筋對(duì)焊夾具的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了動(dòng)畫仿真。

關(guān)鍵詞：鋼筋連接；對(duì)焊夾具；裝配；仿真

0 引言

豎向鋼筋電渣壓力焊技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑施工行業(yè)中，代替了原來經(jīng)常使用的搭接捆綁和手工埋弧焊的方法[1]。這是一種綜合性的焊接工藝，同時(shí)具有埋弧焊、電渣焊、壓力焊等焊接工藝的特點(diǎn)。其焊接方法是，將兩根鋼筋安放在豎向?qū)有问?，利用焊接電流通過鋼筋端面間隙，在焊劑層下形成電弧過程和電渣過程，產(chǎn)生電弧熱和電阻熱，熔化鋼筋端部，加壓完成連接的一種焊接方法[2]。

在建筑施工中，鋼筋對(duì)焊連接質(zhì)量的好壞對(duì)施工的質(zhì)量和安全具有重大影響。影響鋼筋對(duì)焊連接質(zhì)量的一個(gè)重要因素就是鋼筋對(duì)焊夾具。鋼筋安裝應(yīng)上下同心同肋對(duì)齊，夾具應(yīng)緊固，嚴(yán)防晃動(dòng)。一個(gè)合格的鋼筋對(duì)焊夾具不僅要滿足鋼筋對(duì)焊的焊接質(zhì)量，同時(shí)也要能提高操作者的勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。本文旨在利用SolidWorks2013軟件，完成滿足上述要求的鋼筋對(duì)焊夾具的三維建模，并為鋼筋對(duì)焊夾具的設(shè)計(jì)提供參考。

1 鋼筋對(duì)焊夾具主要零部件設(shè)計(jì)及建模

組成鋼筋對(duì)焊夾具的主要零部件有：夾具座、一對(duì)互相嚙合的錐齒輪、夾具絲桿、絲桿螺母、夾鉗、夾鉗手柄和夾具提手等。

1.1 夾具座的鈑金設(shè)計(jì)與建模

夾具座是鋼筋對(duì)焊夾具的承載主體，主要用于安裝鋼筋對(duì)焊夾具的主要零部件。應(yīng)用SolidWorks中的鈑金設(shè)計(jì)模塊對(duì)夾具座進(jìn)行鈑金設(shè)計(jì)。本文應(yīng)用鈑金特征直接創(chuàng)建夾具座的鈑金件，即首先在繪圖平面上直接創(chuàng)建一個(gè)基本法蘭特征，然后以此法蘭為基礎(chǔ)創(chuàng)建其他法蘭特征和切除材料孔特征。夾具座三維模型如圖1所示。

圖1　夾具座

其中長(zhǎng)圓孔的作用是作為軌道供絲杠螺母滑動(dòng)，從而在焊接前帶動(dòng)上鋼筋的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)與下鋼筋的對(duì)接。其他圓柱螺紋孔的作用是固定夾具提手、夾具夾鉗。

1.2 錐齒輪的設(shè)計(jì)與建模

齒輪傳動(dòng)在機(jī)械傳動(dòng)中廣泛應(yīng)用。齒輪傳動(dòng)有多種形式，本文采用錐齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)上鋼筋的運(yùn)動(dòng)?；赟olidWorks軟件中的toolbox插件，以及SolidWorks建模的常用命令對(duì)直齒錐齒輪進(jìn)行了建模。生成的錐齒輪的三維模型如圖2所示。

圖2　錐齒輪

1.3 夾具絲桿的設(shè)計(jì)與建模

本文設(shè)計(jì)的夾具絲桿的主要作用是連接錐齒輪和絲桿螺母。螺紋孔用于連接錐齒輪，螺紋用于旋合絲桿螺母。當(dāng)搖動(dòng)手柄帶動(dòng)傘齒輪傳動(dòng)的時(shí)候，與之連接的絲桿會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)絲桿螺母的滑動(dòng)，因夾鉗固定夾是與夾具絲桿連接的，從而也就帶動(dòng)了夾鉗固定夾的滑動(dòng)，最終帶動(dòng)鋼筋的上下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)上下兩根鋼筋的對(duì)接與焊接。絲桿的三維模型如圖3所示。

圖3　夾具絲桿

1.4 絲桿螺母的設(shè)計(jì)及建模

如1.3節(jié)所言，絲桿螺母主要用來連接夾具絲桿和固定夾鉗，中間的螺紋孔是用來連接夾具絲桿的，凸臺(tái)上的四個(gè)螺紋孔主要是用來固定夾鉗固定夾和連接夾鉗活動(dòng)夾的。螺母三維模型如圖4所示。

圖4　絲桿螺母

1.5 夾鉗固定夾和活動(dòng)夾的設(shè)計(jì)與建模

顧名思義，夾鉗固定夾是固定不動(dòng)的，其通過夾鉗墊板隔著夾具座與絲桿螺母固定連接，夾鉗活動(dòng)夾是能夠在水平方向上自由移動(dòng)的。夾鉗固定夾和活動(dòng)夾中間開有螺紋孔，功能是與夾鉗手柄連接。夾鉗固定夾和活動(dòng)夾組合在一起，當(dāng)搖動(dòng)絲桿手柄的時(shí)候，活動(dòng)夾能夠自由來回移動(dòng)，從而固定穿過于其間的鋼筋，實(shí)現(xiàn)上下鋼筋對(duì)焊時(shí)能夠準(zhǔn)確定位及穩(wěn)定焊接。夾鉗固定夾和活動(dòng)夾的三維模型如圖5和圖6所示。

1.6 手柄的設(shè)計(jì)與建模

如1.5節(jié)所述，夾鉗手柄的主要功能是夾緊固定鋼筋，夾鉗手柄通過螺紋孔和固定夾及活動(dòng)夾相連接。夾鉗手柄連接桿上設(shè)計(jì)有圓孔。夾鉗手柄如圖7所示。

圖5　夾鉗固定夾

圖6　夾鉗活動(dòng)夾

圖7　夾鉗手柄

夾具手柄的主要功能是通過與錐齒輪連接，施加外力帶動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)遵循方便省力的原則。夾具手柄的三維模型如圖8所示。

圖8　 夾具手柄

1.7 夾具提手的設(shè)計(jì)與建模

夾具提手的功能是攜帶夾具，設(shè)計(jì)主要遵循方便攜帶及省力的原則。其三維模型如圖9所示。

圖9　夾具提手

2 鋼筋對(duì)焊夾具的虛擬裝配

鋼筋對(duì)焊夾具的零部件完成設(shè)計(jì)及建模后，就要在軟件中對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配。虛擬裝配的主要流程是，首先確定各個(gè)零部件的裝配層次，再確定裝配順序，再確定裝配約束。虛擬裝配一般有兩種方式：自頂向下和自底向上。自頂向下是在裝配體環(huán)境下進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)，而自底向上是指采用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的零件進(jìn)行部件和整機(jī)的裝配[3]。根據(jù)鋼筋對(duì)焊夾具的實(shí)際情況，本文采用自底向上的裝配方式對(duì)鋼筋對(duì)焊夾具進(jìn)行虛擬裝配，并對(duì)其裝配體進(jìn)行干涉檢查和質(zhì)量檢查。

2.1 添加約束

對(duì)鋼筋對(duì)焊夾具各個(gè)零部件的自由度及零部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析，確定運(yùn)動(dòng)副的約束形式，主要用到了同軸心、平行、重合及齒輪配合。例如夾鉗手柄和夾鉗固定夾和活動(dòng)夾之間的配合及絲桿和絲桿螺母之間的配合用到了同心，夾鉗固定夾與夾具座之間的裝配會(huì)用到重合和平行，互相嚙合的兩個(gè)錐齒輪裝配會(huì)用到機(jī)械配合里的齒輪配合。最后完成的鋼筋對(duì)焊夾具三維裝配體如圖10所示。

圖10　鋼筋對(duì)焊夾具三維模型

2.2 干涉檢查和質(zhì)量檢查

干涉檢查的主要目的是發(fā)現(xiàn)裝配體中靜態(tài)零部件之間的干涉，以確保各零部件之間的間隙適當(dāng)，避免發(fā)生干涉；質(zhì)量檢查是計(jì)算出各零部件的準(zhǔn)確質(zhì)量，從而再估算出裝配體的質(zhì)量。

1）干涉分析和檢查

一個(gè)復(fù)雜的裝配體中，很難憑視覺來檢查零部件之間是否有干涉情況可以在零部件之間進(jìn)行干涉檢查，并能查看檢查到的干涉體積。干涉檢查分為靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)干涉檢查。靜態(tài)干涉檢查的只是裝配體的零部件在一定條件下的干涉，當(dāng)裝配體運(yùn)動(dòng)時(shí)，干涉檢查所需的方法即是一種動(dòng)態(tài)地檢查碰撞的方法。干涉檢查能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的零件再裝配體中存在問題的部分，然后依據(jù)裝配體的結(jié)構(gòu)和零部件的干涉情況修改零件原模型[4]。應(yīng)用SolidWorks中的“干涉檢查”分析，能夠檢查出鋼筋對(duì)焊夾具裝配體中各零部件之間的干涉關(guān)系。干涉檢查結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)鋼筋對(duì)焊夾具各零部件之間不存在靜態(tài)干涉，如圖11所示。

圖11　干涉檢查

2）質(zhì)量檢查

應(yīng)用SolidWorks軟件的“質(zhì)量特性”功能，通過參數(shù)設(shè)置，定義材料的密度，從而記算出各零件的質(zhì)量和整個(gè)裝配體的質(zhì)量。以夾具座為例，選取材料主要參數(shù)：ANSI1045鋼，冷拔，計(jì)算出夾具座的質(zhì)量為722.211g，如圖12所示。

圖12　質(zhì)量檢查

3 鋼筋對(duì)焊夾具的運(yùn)動(dòng)仿真

將鋼筋對(duì)焊夾具裝配好以后，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在SolidWorks環(huán)境中運(yùn)行Motion插件，在SolidWorks Motion管理器中設(shè)定鋼筋對(duì)焊夾具的運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)。利用已經(jīng)創(chuàng)建好的夾具裝配體模型建立起運(yùn)動(dòng)仿真算例。

在裝配體環(huán)境中，點(diǎn)擊SolidWorks軟件界面左下角的運(yùn)動(dòng)算例1，將其重命名為運(yùn)動(dòng)仿真。單擊運(yùn)動(dòng)仿真按鈕，則SolidWorks界面下方出現(xiàn)Motion運(yùn)動(dòng)仿真管理器，如圖13所示。

圖13　motion運(yùn)動(dòng)仿真管理器

下面結(jié)合工程實(shí)際情況簡(jiǎn)述鋼筋對(duì)焊夾具的運(yùn)動(dòng)過程。將要準(zhǔn)備焊接的鋼筋置于夾鉗活動(dòng)夾和固定夾之間，搖動(dòng)夾鉗手柄，從而使夾鉗活動(dòng)夾向固定夾方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)鋼筋的夾緊固定；重復(fù)上述過程，將另外一根鋼筋也夾緊固定。再搖動(dòng)夾具手柄，帶動(dòng)夾具絲桿的運(yùn)動(dòng)，因絲桿與絲桿螺母是旋合在一起的，從而帶動(dòng)絲桿螺母及其上的夾鉗運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)上下兩根鋼筋的對(duì)接。在兩個(gè)鋼筋的對(duì)接處覆蓋焊接藥劑，與電焊機(jī)接通后即可實(shí)現(xiàn)鋼筋的對(duì)焊。

從上述過程可知，鋼筋對(duì)焊夾具主要存在水平方向（夾鉗活動(dòng)夾的運(yùn)動(dòng)）和豎直方向（夾鉗的運(yùn)動(dòng)）的運(yùn)動(dòng)，且兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)是錯(cuò)開的，先是夾鉗活動(dòng)夾作水平方向的運(yùn)動(dòng)夾緊固定鋼筋，接著是安裝在絲桿螺母上的夾鉗在豎直方向的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上下兩根鋼筋的對(duì)接。

在視圖欄中的相應(yīng)時(shí)間位置放置鍵碼，不同的時(shí)間段代表不同的運(yùn)動(dòng)過程。如圖14所示為夾鉗活動(dòng)夾的在水平方向運(yùn)動(dòng)過程。

圖14　夾鉗活動(dòng)夾運(yùn)動(dòng)過程

將夾鉗活動(dòng)夾的運(yùn)動(dòng)過程設(shè)置好以后，開始設(shè)置夾鉗的豎直方向的運(yùn)動(dòng)。將該方向的運(yùn)動(dòng)過程設(shè)置好后，兩者運(yùn)動(dòng)過程示意圖如圖15所示。

動(dòng)畫仿真完成以后，可將仿真動(dòng)畫的結(jié)果輸出。單擊“保存動(dòng)畫即可將仿真動(dòng)畫保存為AVI格式或其他文件類型，如圖16所示。

圖15　鋼筋對(duì)焊夾具運(yùn)動(dòng)

圖16　動(dòng)畫保存

4 結(jié)束語

利用SolidWorks軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼筋對(duì)焊夾具各零部件的設(shè)計(jì)及建模，完成了三維模型的裝配，并對(duì)裝配體進(jìn)行了裝配分析。最后運(yùn)用SolidWorks自帶的Motion插件實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼筋對(duì)焊夾具的運(yùn)動(dòng)仿真。這種虛擬設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于不需要制造真實(shí)的物理樣機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和仿真，節(jié)約了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到上市的時(shí)間成本和制造成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張貴萍.電渣壓力焊在工程中的應(yīng)用[J].工藝與設(shè)備,2008(9): 197-198.

[2] 王勇.鋼筋電渣壓力焊缺陷產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施[J].裝備制造技術(shù),2009(7):134-135.

[3] 許延奇.面向產(chǎn)品裝配的工藝管理系統(tǒng)研究[J].CAD/CAM制造業(yè)信息化,2004(4):31-34.

[4] 孫雪蓮.扒渣機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].蘭州,蘭州理工大學(xué),2005.

作者簡(jiǎn)介：賀甲甲（1988 -），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)槟＞逤AD/CAM。

收稿日期：2015-10-07

中圖分類號(hào)：TH12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0120-04