陳學(xué)文 ，劉文超，王良文

（1.廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣州 510300；2.鄭州宇通重工有限公司，鄭州 450052；3.鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

1 引言

鋼筋切斷機(jī)由于工作可靠、效率高等，是鋼筋加工必不可少的設(shè)備之一，它主要用于房屋建筑、橋梁、隧道、電站、水利等工程中對(duì)鋼筋的切斷，應(yīng)用十分廣泛。各生產(chǎn)廠家為提高自己產(chǎn)品的技術(shù)性能、增加產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，努力降低生產(chǎn)成本，并不斷開(kāi)發(fā)新的品種。對(duì)鋼筋切斷機(jī)的理論研究也不斷深入［1-3］。

目前，國(guó)內(nèi)的鋼筋切斷機(jī)多以機(jī)械輪剪式切斷為主。其工作過(guò)程基本為：電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力經(jīng)過(guò)帶傳動(dòng)和三級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，曲軸推動(dòng)連桿使滑塊和動(dòng)刀片在機(jī)座的滑道中做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)刀片和定刀片相錯(cuò)而切斷鋼筋。其閉式的鋼筋切斷機(jī)的構(gòu)造基本雷同，如GQ32、GQ40、GQ50、GQ70等。圖1為這些鋼筋切斷機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 基本結(jié)構(gòu)

在目前的市場(chǎng)上，以GQ40 型鋼筋切斷機(jī)的產(chǎn)量最大，也有部分廠家生產(chǎn)GQ32 及GQ50 型鋼筋切斷機(jī)，而生產(chǎn)GQ70 型鋼筋切斷機(jī)的廠家還很少。

文獻(xiàn)［4］對(duì)國(guó)產(chǎn)鋼筋切斷機(jī)的機(jī)體減型、配用電機(jī)、采用一次性結(jié)構(gòu)等問(wèn)題進(jìn)行了討論，并就改良與發(fā)展方向進(jìn)行了探討，提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)，采用有限元技術(shù)對(duì)機(jī)體進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)優(yōu)化，發(fā)展新的品種，改良涂裝質(zhì)量等。

最近兩年來(lái)，我國(guó)在鋼筋切斷機(jī)技術(shù)裝備方面的進(jìn)步不明顯，產(chǎn)品的技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比，尚有一定的差距，主要表現(xiàn)為：品種尚不夠豐富，外形結(jié)構(gòu)雷同，同等功率條件下，切割效率低。從鋼筋切斷機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)看，隨著建筑設(shè)計(jì)與建筑施工技術(shù)的規(guī)范化，建筑工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用鋼筋必將進(jìn)入商品化供應(yīng)時(shí)代。即根據(jù)建筑配筋表采購(gòu)鋼筋，在鋼筋使用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)化成可用鋼筋，采用商品化供應(yīng)鋼筋。這類鋼筋的一體化生產(chǎn)與供應(yīng)要求鋼筋切斷機(jī)有更高的性能、更豐富的品種。

開(kāi)發(fā)新的切斷機(jī)品種是各生產(chǎn)廠家的重點(diǎn)工作，比如現(xiàn)有的鋼筋切斷機(jī)在切口部分對(duì)鋼筋形成擠壓，使鋼筋在切斷處有一段近似半橢圓或者不規(guī)則的變形，此處的鋼筋就不能直接用于工程建筑上的套絲連接。由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)手段還比較落后，主要采用AutoCAD 設(shè)計(jì)軟件，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及改良過(guò)程比較緩慢，設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)仿真及干涉檢查功能欠缺。本文基于Inventor 對(duì)鋼筋切斷機(jī)的通用結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模分析，為快速進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)改良奠定了基礎(chǔ)。

2 Autodesk Inventor 軟件介紹

Autodesk Inventor 軟件是一種三維可視化實(shí)體模擬軟件。它包含三維建模、信息管理、協(xié)同工作和技術(shù)支持等各種特征。使用該軟件可以創(chuàng)建三維模型和二維制造工程圖、可以創(chuàng)建自適應(yīng)的特征、零件和子部件，還可以管理上千個(gè)零件和大型部件，它的“連接到網(wǎng)絡(luò)”工具可以使工作組人員協(xié)同工作，方便數(shù)據(jù)共享和同事之間設(shè)計(jì)理念的溝通。Inventor在用戶界面簡(jiǎn)單，三維運(yùn)算速度和著色功能方面有突破的進(jìn)展。它是建立在ACIS 三維實(shí)體模擬核心之上，設(shè)計(jì)人員能夠簡(jiǎn)單迅速地獲得零件和裝配體的真實(shí)感，這樣就縮短了用戶設(shè)計(jì)意圖的產(chǎn)生與系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間的距離，從而最小限度地影響設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)意和發(fā)揮。

3 使用Autodesk Inventor 2011 進(jìn)行三維建模

3.1 主要零件的設(shè)計(jì)及建模

典型的鋼筋切斷機(jī)的結(jié)構(gòu)基本相同，共有一百多個(gè)零件。GQ32、GQ40、GQ50、GQ70 切斷機(jī)的零件結(jié)構(gòu)相同，尺寸大小不同，其中主要的零件有：機(jī)體，小帶輪，大帶輪，各個(gè)齒輪軸及大齒輪，曲軸，連桿，刀座及刀片。本文以機(jī)體的建模設(shè)計(jì)過(guò)程為例說(shuō)明，其他零件的設(shè)計(jì)建模過(guò)程可參照機(jī)體的設(shè)計(jì)。

機(jī)體的設(shè)計(jì)主要流程包含：（1）啟動(dòng)Autodesk Inventor 2011 軟件，選擇【新建】，新建類型為【standard.ipt】。（2）在【草圖】面板，創(chuàng)建機(jī)體整體輪廓草圖，如圖2 所示。（3）退出【草圖】環(huán)境，進(jìn)入【特征】面板，選擇【拉伸】操作，形成機(jī)體的厚度及腔體結(jié)構(gòu)。（4）在機(jī)體上，確定三根傳動(dòng)軸及曲軸的位置，并在側(cè)面上建立草圖，選擇【拉伸】操作，形成機(jī)體上各軸承端蓋所對(duì)應(yīng)的凸緣。（5）確定螺孔位置，建立草圖，創(chuàng)建【打孔】特征，選擇螺紋孔，形成機(jī)體上各軸承端蓋所對(duì)應(yīng)凸緣上聯(lián)接端蓋的螺紋孔。（6）在凸緣所對(duì)應(yīng)的平面創(chuàng)建草圖，并由【拉伸】操作，創(chuàng)建出軸孔特征，形成機(jī)體上各軸承安裝孔。（7）在機(jī)體的另一面，運(yùn)用【拉伸】操作，創(chuàng)建出滑塊的滑道及大側(cè)蓋的基本配合輪廓。（8）運(yùn)用【拉伸】及【打孔】特征，建立大側(cè)蓋的配合部分以及緊固螺孔。（9）運(yùn)用【拉伸】特征，在機(jī)體上平面拉伸出凸起，并運(yùn)用【拉伸】切除操作，拉伸出機(jī)體上視孔。（10）在機(jī)體的上加工面創(chuàng)建草圖，并在此草圖上建立【打孔】特征，設(shè)計(jì)出上蓋板的聯(lián)接螺紋孔。（11）運(yùn)用【拉伸】特征，做出尾座上的固定刀座的卡槽以及放置鋼筋的凹槽。（12）運(yùn)用【拉伸】特征，創(chuàng)建出送料軸的安裝槽。（13）運(yùn)用【拉伸】特征，創(chuàng)建出機(jī)器行走輪軸的安裝部分。把機(jī)器的前輪設(shè)計(jì)為可轉(zhuǎn)向輪，建立其轉(zhuǎn)向軸安裝孔。（14）調(diào)整擋料滾輪座的安裝位置。（15）完成整體設(shè)計(jì)后，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 機(jī)體整體輪廓草圖

圖3 機(jī)體整體結(jié)構(gòu)圖

3.2 鋼筋切斷機(jī)的裝配

在Inventor2011中，可以將主軸箱的三維實(shí)體零件或部件按照一定的裝配約束條件裝配成一個(gè)部件，同時(shí)這個(gè)部件也可以作為子部件裝配到其他的部件中去，最后零件和子部件構(gòu)成一個(gè)符合設(shè)計(jì)構(gòu)思的整體部件。

切斷機(jī)的主要裝配過(guò)程為：裝入所有零件→向機(jī)體上安裝Ⅰ軸→向機(jī)體上安裝Ⅱ軸→向機(jī)體上安裝Ⅲ軸→向機(jī)體上安裝曲軸→向Ⅰ軸上安裝大帶輪→向Ⅱ軸上安裝齒輪→向Ⅲ軸上安裝齒輪→向曲軸上安裝游動(dòng)大齒輪芯套→向芯套上安裝游動(dòng)大齒輪→向曲軸上安裝軸瓦→向曲軸上安裝連桿→向連桿上安裝活動(dòng)刀座→向活動(dòng)刀座上安裝活動(dòng)刀片→向機(jī)體上安裝固定刀座→向固定刀座上安裝固定刀片→向機(jī)體上安裝頂蓋→向各個(gè)軸上安裝對(duì)應(yīng)型號(hào)的軸承→向機(jī)體上安裝大側(cè)蓋→向機(jī)體上安裝兩側(cè)的軸端蓋→向機(jī)體上安裝送料軸→向機(jī)體上安裝行走輪軸→向行走輪軸上安裝行走輪→向機(jī)體上安裝調(diào)整六方→向機(jī)體上安裝吊環(huán)→向機(jī)體上安裝各個(gè)螺栓（為運(yùn)行更流暢，裝配圖中省略安裝墊片，實(shí)際機(jī)器需要對(duì)應(yīng)墊片）→向機(jī)體安裝送料輥。

完成裝配后的效果圖如圖4，其透明視圖如圖5。

3.3 應(yīng)用Inventor 軟件進(jìn)行干涉檢查

在部件中，兩個(gè)或多個(gè)零部件不能同時(shí)占用相同的空間。要檢測(cè)這樣的錯(cuò)誤，可以檢查部件中的干涉。在零部件交疊處，干涉部分臨時(shí)顯示為實(shí)體。另外，Inventor2011 還可以檢查子部件中零部件之間或所選的一組零部件或兩組零部件之間的干涉。

圖4 裝配效果圖

圖5 透明視圖

檢查出干涉之后，干涉體積顯示為實(shí)體。干涉報(bào)告列出干涉的零件或子部件，給出干涉體積形心的x、y、z 坐標(biāo)，列出干涉的體積。根據(jù)檢查，可以編輯零部件以刪除干涉。

應(yīng)該注意的是：使用Inventor 2011 設(shè)計(jì)的螺紋，為了提高運(yùn)行效率，并不是用真實(shí)的切削加工來(lái)把螺紋表達(dá)出來(lái)，而是在表面貼一層涂層，給人以真實(shí)螺紋的感覺(jué)。因此在進(jìn)行螺紋裝配時(shí)，本來(lái)是正確的裝配關(guān)系，進(jìn)行干涉檢查時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示有干涉，如果干涉部分是指螺紋處，可以不予理睬。因?yàn)槟鞘窍到y(tǒng)本身的錯(cuò)誤。

普通零件干涉檢查及解決方案的過(guò)程和方法都是一樣的，在此以連桿和連桿銅瓦的干涉檢查為例說(shuō)明：（1）選擇【檢驗(yàn)】面板中的【過(guò)盈分析】選項(xiàng)，打開(kāi)【干涉檢查】對(duì)話框。（2）點(diǎn)擊【定義選擇集1】按鈕前的箭頭按鈕，然后選擇連桿；點(diǎn)擊【定義選擇集2】按鈕前的箭頭按鈕，然后選擇連桿銅瓦。點(diǎn)擊【確定】按鈕顯示檢查結(jié)果。（3）如果檢查不到任何的干涉存在，則打開(kāi)對(duì)話框顯示【沒(méi)有干涉檢查】，則說(shuō)明部件中沒(méi)有干涉存在。否則會(huì)打開(kāi)【檢查到過(guò)盈】對(duì)話框。如圖6。

圖6 連桿與連桿銅瓦干涉檢查

3.4 繪制各主要零件的工程圖

與AutoCAD 相比，Inventor的二維繪圖功能更加強(qiáng)大和智能：（1）Inventor 可以自動(dòng)由三維零部件生產(chǎn)二維工程圖。（2）由實(shí)體生產(chǎn)的二維圖也是參數(shù)化的，二維三維雙向關(guān)聯(lián)，如果更改了三維零部件的尺寸參數(shù)，那么它的工程圖的對(duì)應(yīng)尺寸參數(shù)自動(dòng)更新；也可以通過(guò)直接修改工程圖上的零件尺寸而對(duì)三維零件的特征進(jìn)行修改。（3）用Inventor2011 可以直接創(chuàng)建standard.dwg 格式的工程圖，與AutoCAD 創(chuàng)建的圖紙格式完全互通，通用性、交流性沒(méi)有任何障礙。圖7為生成的連桿工程圖。

圖7 連桿工程圖

3.5 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)效果，需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。為了表達(dá)得更加清晰，僅取設(shè)計(jì)的傳動(dòng)部分，即三級(jí)減速器及曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。在運(yùn)動(dòng)仿真之前，其裝配結(jié)構(gòu)是不完全約束的，保留了各個(gè)齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)中繞軸旋轉(zhuǎn)的自由度。

運(yùn)動(dòng)仿真主要步驟為：（1）進(jìn)入【環(huán)境】面板，選擇【運(yùn)動(dòng)仿真】模塊。（2）當(dāng)仿真播放器已自動(dòng)打開(kāi)后，需要打開(kāi)【構(gòu)造模式】，選中菜單中的【插入運(yùn)動(dòng)約束】，選擇運(yùn)動(dòng)模式為【傳動(dòng)：外齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)】，然后【零部件1】選擇Ⅰ軸的分度圓，【零部件2】選擇Ⅱ軸大齒輪的分度圓，點(diǎn)擊【確定】。如圖8 所示。（3）按上述方法，依次確定各個(gè)齒輪間的運(yùn)動(dòng)鏈接類型。（4）在運(yùn)動(dòng)仿真樹(shù)結(jié)構(gòu)中，選擇Ⅰ軸與Ⅱ軸大齒輪的鏈接，右鍵單擊選擇【特性】，加入驅(qū)動(dòng)【轉(zhuǎn)矩】和驅(qū)動(dòng)【速度】。（5）點(diǎn)擊【仿真播放器】上的【播放】按鈕，即可清晰地觀察到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)按真實(shí)傳動(dòng)比速度下的運(yùn)動(dòng)情況。并且可以在【輸出圖示器】中觀察到各個(gè)齒輪的運(yùn)動(dòng)速度及轉(zhuǎn)矩等各項(xiàng)參數(shù)。如圖9 所示。

圖8 運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置

圖9 運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)

根據(jù)仿真分析結(jié)果，我們可以對(duì)上述的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行更改，直到獲得滿意的設(shè)計(jì)方案與結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼筋切斷機(jī)屬于生產(chǎn)量大、技術(shù)較為成熟的產(chǎn)品。對(duì)其進(jìn)一步進(jìn)行改良，可以提高產(chǎn)品的性價(jià)比，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文介紹了使用三維設(shè)計(jì)軟件Inventor 2011進(jìn)行鋼筋切斷機(jī)三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真的技術(shù)。由于該軟件中，由實(shí)體生產(chǎn)的二維圖也是參數(shù)化的，且二維三維圖雙向關(guān)聯(lián)，如果更改了三維零部件的尺寸參數(shù)，那么它的工程圖的對(duì)應(yīng)尺寸參數(shù)自動(dòng)更新；也可以通過(guò)直接修改工程圖上的零件尺寸而對(duì)三維零件的特征進(jìn)行修改。

本設(shè)計(jì)可以大幅降低鋼筋切斷機(jī)的研發(fā)周期及成本，從而提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文等技術(shù)手段與方法對(duì)設(shè)計(jì)同類產(chǎn)品，如鋼筋彎曲機(jī)、鋼筋調(diào)直機(jī)、鋼筋彎箍機(jī)等有一定的參考意義。

［1］王良文，王允地，張衛(wèi)印，等.基于VB的鋼筋切斷機(jī)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算模型［J］.建筑機(jī)械，2005（3）：71-74.

［2］王良文，李長(zhǎng)詩(shī)，王新杰，等.基于VB的鋼筋切斷機(jī)通用動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型［J］.鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（3）：76-80.

［3］王良文，尚欣,黃書(shū)明.基于ANSYS的鋼筋切斷機(jī)機(jī)體的有限元分析［J］.建筑機(jī)械化，2006（7）：24-27.

［4］王良文，陳學(xué)文.國(guó)產(chǎn)鋼筋切斷機(jī)的生產(chǎn)現(xiàn)狀與改良方向［J］.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2009（3）：113-115.