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基于SolidWorks 的礱谷機零部件CAD/CAM 系統(tǒng)研究

2013-04-23 14:16:58武照云張海紅阮競蘭劉楠嶓
關鍵詞:膠輥建模有限元

武照云,張海紅,阮競蘭,秦 鋒,劉楠嶓

(河南工業(yè)大學 機電工程學院,河南 鄭州 450007)

0 引言

多年來,我國的糧食機械制造企業(yè)為糧食加工行業(yè)提供了很多性能優(yōu)良的產品,為該行業(yè)的發(fā)展和滿足人民生活需要做出了巨大貢獻.但是,隨著科學技術的發(fā)展和市場競爭的加劇,我國糧機行業(yè)的整體實力和水平與世界發(fā)達國家的差距越來越大,主要表現(xiàn)在糧機裝備制造成本高、研發(fā)效率低、功能質量差等方面.究其原因,主要是目前大多數(shù)糧機企業(yè)普遍存在著技術含量低、設計手段落后、信息化程度不高等問題.因此,提高糧機企業(yè)的現(xiàn)代化設計水平是解決問題的關鍵.為此,很多科研人員在該方面做出了探索與努力,取得了很多成果,如在產品設計過程中應用了CAD/CAM、Pro/E、有限元等現(xiàn)代設計手段[1-3].

礱谷機是碾米工藝中的一種重要設備,主要用于稻谷脫殼加工[4].經調研發(fā)現(xiàn),目前在礱谷機的設計工作中,手段依然比較落后,缺乏先進的設計方法與設計工具,科學化與現(xiàn)代化水平有待提高[5].本文以膠輥礱谷機為對象,研究其關鍵零部件的數(shù)字化設計方法,以SolidWorks 為平臺,開發(fā)礱谷機零部件CAD/CAM 系統(tǒng),實現(xiàn)礱谷機零部件的計算機輔助設計與制造,提升設計水平.

1 系統(tǒng)體系結構設計

礱谷機主要由主體機身、進料機構、膠輥裝置、輥壓調節(jié)裝置、傳動裝置和風選裝置等組成[6].針對以上零部件,設計了系統(tǒng)的主要功能,包括零件參數(shù)化設計、三維虛擬裝配與干涉檢驗、有限元分析、零件CAM 等模塊.系統(tǒng)的體系結構分為3個層次,即數(shù)據(jù)層、應用層與用戶層.該系統(tǒng)體系結構如圖1 所示.

(1)數(shù)據(jù)層.該層是系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)存儲層,運用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存儲相關數(shù)據(jù)與文件,主要包括系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)庫、三維參數(shù)化零件庫、CAM/NC 代碼庫等.

(2)應用層.該層是系統(tǒng)的核心關鍵層,遵循面向接口設計的思想,對各項業(yè)務邏輯與處理流程進行封裝,主要完成零件模型重建與機械性能仿真分析等功能.

(3)用戶層.該層主要采用圖形用戶界面技術,以友好的界面形式將結果呈現(xiàn)給終端用戶,為用戶提供數(shù)據(jù)輸入與結果輸出功能.

圖1 系統(tǒng)體系結構圖

2 三維參數(shù)化零件庫設計

在礱谷機零部件的設計與造型過程中,對于外形復雜且結構參數(shù)較多的非標準件,其三維模型的建模時間相對較長.對于不同型號和不同系列的膠輥礱谷機而言,大多數(shù)零部件的結構形狀基本相同,因此,可以針對礱谷機專用件和常用件,建立三維參數(shù)化零件庫,進而避免設計人員將大量時間花費在重復建模上,減輕工作負擔,提高設計速度和效率.零件庫設計方法如下:(1)首先在SolidWorks 中對零件進行三維建模,然后根據(jù)實際需要,將模型中的結構尺寸變量分別定義成固定尺寸參數(shù)變量和可變尺寸參數(shù)變量.(2)將建好的模型文件存儲在零件庫中,將模型索引信息存儲在數(shù)據(jù)庫中.(3)運用C# 設計一個零件庫調用開發(fā)包ModelLibToolkit,根據(jù).NET 體系思想,Model-LibToolkit 按命名空間對不同功能類進行劃分.在實體對象命名空間中,每個零件模型都對應一個模型類,并將該模型的所有可變尺寸參數(shù)變量都設計為類的公共屬性,將尺寸修改和模型重建等操作都設計為類的公共方法.ModelLibToolkit 的設計為系統(tǒng)調用零件庫提供了方便.

3 系統(tǒng)關鍵技術

3.1 零件模型參數(shù)化設計

參數(shù)化設計是快速生成礱谷機零件模型的重要技術,按照實現(xiàn)原理的不同,分為程序驅動法建模和參數(shù)驅動法建模,本文選取后者.運用方法為:首先選取要設計的零件對象,采用C# 調用零件庫開發(fā)包ModelLibToolkit,在ModelClass 中訪問零件庫中的零件模型,動態(tài)修改結構尺寸參數(shù),再利用SolidWorks API 對.NET 封裝類的支持(如類庫SldWorks、SwConst、SwPublished)來 驅 動Solid-Works 進行模型重建,即可快速準確地生成同一形狀不同大小的零件模型.該方法不涉及過多的SolidWorks API 函數(shù),降低了程序的復雜性.在膠輥裝置的參數(shù)化設計模塊中,包括膠輥軸、膠輥、連接法蘭、帶輪、軸承座及壓蓋、底部托板、拉臂等常用件的設計.以底部托板為例,其參數(shù)化設計界面及生成的三維模型如圖2—圖3 所示.

圖2 膠輥底部托板參數(shù)化設計界面

圖3 生成的底部托板三維模型

3.2 三維虛擬裝配與干涉檢驗

零部件裝配是礱谷機設計工作的一個重要環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)工作量大,耗時費力.針對該問題,研究了礱谷機零部件三維虛擬自動裝配技術.根據(jù)礱谷機各部件的組成特點,基于分層裝配的思想,按照“零件-小部件-大部件-整機”的原則來規(guī)劃裝配路徑[7],定義各零件之間的定位基準和裝配關系,然后由C# 調用SolidWorks 的API 函數(shù)來完成礱谷機的自動化虛擬裝配.干涉檢驗是虛擬裝配的關鍵技術之一,根據(jù)礱谷機的特性,對各零件尺寸約束進行定義,利用SolidWorks 中的干涉檢查功能可以快速地對各裝置進行干涉檢驗.該方法有利于快速發(fā)現(xiàn)零件裝配相互干涉的情況,以便及時進行修改.裝配后的礱谷機膠輥裝置三維模型和干涉檢驗結果如圖4—圖5 所示.

圖4 礱谷機膠輥裝置三維裝配體

圖5 干涉檢驗結果

3.3 基于Simulation 的有限元分析

從SolidWorks 2009 版本開始,其FEA 軟件COSMOSWorks 正式改名為SolidWorks Simulation,并將仿真界面和仿真流程集成到SolidWorks 軟件中.利用SolidWorks Simulation 對參數(shù)化設計中生成的零件模型進行有限元分析,按照如下步驟進行:①建立零件數(shù)學模型;②建立有限元模型;③求解運算;④分析結果處理與顯示.在礱谷機的各個零件模型中,主要針對關鍵零件進行受載后的有限元分析與仿真.例如,由于膠輥軸的性能優(yōu)劣直接影響了機器的脫殼效果,所以經參數(shù)化設計得到的膠輥軸必須進行相關力學性能分析,避免實際運行中可能出現(xiàn)的剛度低或強度不足等問題.膠輥軸受載后的von mises 等效應力分析結果如圖6 所示.

圖6 膠輥軸von mises 等效應力分布

3.4 基于NC 代碼庫的CAM 模塊

針對礱谷機中板殼類零件數(shù)控加工與激光切割的需要,根據(jù)三維零件庫與參數(shù)化建模的設計思想,設計了參數(shù)化的NC 代碼庫.在NC 代碼庫中,建立了各種板殼類零件數(shù)控加工的NC 代碼文件,然后將各個可變參數(shù)作為可替換變量對外發(fā)布.在系統(tǒng)的CAM 模塊中,采用OLE 自動化技術調用NC 代碼庫中的NC 模板,再用實際參數(shù)值對變量進行賦值即可快速生成符合要求的NC 代碼.

4 結論

針對目前礱谷機設計水平與設計手段落后的問題,研究了礱谷機零部件的數(shù)字化設計方法.以SolidWorks 為平臺,設計并開發(fā)了礱谷機零部件CAD/CAM 系統(tǒng).該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了礱谷機零部件的參數(shù)化設計和有限元分析,而且為其他糧食機械的專用設計系統(tǒng)開發(fā)打下了良好的基礎,在糧食機械設計與研發(fā)領域具有廣闊的應用前景.

[1]姬耀鋒,黨培,沈勝利,等.CAD/CAM 技術在糧食機械設計制造中的應用研究[J].包裝與食品機械,2011,29(2):64-66.

[2]劉國鋒,常興.三維設計軟件Solidworks 在粉絲機設計中的應用[J].河南工業(yè)大學學報:自然科學版,2005,26(1):65-67.

[3]曹憲周,孫磊,邱放.有限元在糧食機械Pro/E 設計中的擴展應用[J].糧食科技與經濟,2008(2):39-40,52.

[4]向光波,阮競蘭.國內外膠輥礱谷機現(xiàn)狀及發(fā)展概述[J].糧食加工,2009,34(5):60-62,65.

[5]程相法,阮競蘭.基于Visual Basic 的輥筒礱谷機參數(shù)程序化設計[J].包裝與食品機械,2011,29(3):60-62,52.

[6]秦鋒.基于參數(shù)化原理膠輥礱谷機設計系統(tǒng)的研究[D].鄭州:河南工業(yè)大學,2012.

[7]周凱旋.創(chuàng)新設計中的起重機可互換性虛擬裝配及干涉檢查[D].武漢:武漢科技大學,2006.

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