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的鋼筋對焊夾具三維建模及運(yùn)動仿真

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焊夾具。應(yīng)用SolidWorks軟件對鋼筋對焊夾具的主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和三維建模，完成了鋼筋對焊夾具三維模型的裝配，并對裝配體進(jìn)行了分析和檢查，最后應(yīng)用SolidWorks Motion插件對鋼筋對焊夾具的運(yùn)動過程進(jìn)行了動畫仿真。

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

1 鋼筋對焊夾具主要零部件設(shè)計(jì)及建模

組成鋼筋對焊夾具的主要零部件有：夾具座、一對互相嚙合的錐齒輪、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

夾具座是鋼筋對焊夾具的承載主體，主要用于安裝鋼筋對焊夾具的主要零部件。應(yīng)用SolidWorks中的鈑金設(shè)計(jì)模塊對夾具座進(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

其中長圓孔的作用是作為軌道供絲杠螺母滑動，從而在焊接前帶動上鋼筋的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)與下鋼筋的對接。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

齒輪傳動在機(jī)械傳動中廣泛應(yīng)用。齒輪傳動有多種形式，本文采用錐齒輪傳動來實(shí)現(xiàn)上鋼筋的運(yùn)動?；赟olidWorks軟件中的toolbox插件，以及SolidWorks建模的常用命令對直齒錐齒輪進(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)搖動手柄帶動傘齒輪傳動的時(shí)候，與之連接的絲桿會轉(zhuǎn)動，從而帶動絲桿螺母的滑動，因夾鉗固定夾是與夾具絲桿連接的，從而也就帶動了夾鉗固定夾的滑動，最終帶動鋼筋的上下移動，從而實(shí)現(xiàn)上下兩根鋼筋的對接與焊接。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 夾鉗固定夾和活動夾的設(shè)計(jì)與建模

顧名思義，夾鉗固定夾是固定不動的，其通過夾鉗墊板隔著夾具座與絲桿螺母固定連接，夾鉗活動夾是能夠在水平方向上自由移動的。夾鉗固定夾和活動夾中間開有螺紋孔，功能是與夾鉗手柄連接。夾鉗固定夾和活動夾組合在一起，當(dāng)搖動絲桿手柄的時(shí)候，活動夾能夠自由來回移動，從而固定穿過于其間的鋼筋，實(shí)現(xiàn)上下鋼筋對焊時(shí)能夠準(zhǔn)確定位及穩(wěn)定焊接。夾鉗固定夾和活動夾的三維模型如圖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，施加外力帶動錐齒輪的轉(zhuǎn)動。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 鋼筋對焊夾具的虛擬裝配

鋼筋對焊夾具的零部件完成設(shè)計(jì)及建模后，就要在軟件中對其進(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)鋼筋對焊夾具的實(shí)際情況，本文采用自底向上的裝配方式對鋼筋對焊夾具進(jìn)行虛擬裝配，并對其裝配體進(jìn)行干涉檢查和質(zhì)量檢查。

2.1 添加約束

對鋼筋對焊夾具各個(gè)零部件的自由度及零部件之間的運(yùn)動關(guān)系進(jìn)行分析，確定運(yùn)動副的約束形式，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用到重合和平行，互相嚙合的兩個(gè)錐齒輪裝配會用到機(jī)械配合里的齒輪配合。最后完成的鋼筋對焊夾具三維裝配體如圖10所示。

圖10　鋼筋對焊夾具三維模型

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)動時(shí)，干涉檢查所需的方法即是一種動態(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 鋼筋對焊夾具的運(yùn)動仿真

將鋼筋對焊夾具裝配好以后，對其進(jìn)行運(yùn)動仿真。在SolidWorks環(huán)境中運(yùn)行Motion插件，在SolidWorks Motion管理器中設(shè)定鋼筋對焊夾具的運(yùn)動仿真參數(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)動算例1，將其重命名為運(yùn)動仿真。單擊運(yùn)動仿真按鈕，則SolidWorks界面下方出現(xiàn)Motion運(yùn)動仿真管理器，如圖13所示。

圖13　motion運(yùn)動仿真管理器

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

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

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)動過程。如圖14所示為夾鉗活動夾的在水平方向運(yùn)動過程。

圖14　夾鉗活動夾運(yùn)動過程

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

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

圖15　鋼筋對焊夾具運(yùn)動

圖16　動畫保存

4 結(jié)束語

利用SolidWorks軟件實(shí)現(xiàn)了對鋼筋對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)了對鋼筋對焊夾具的運(yùn)動仿真。這種虛擬設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于不需要制造真實(shí)的物理樣機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)對產(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)動仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].蘭州,蘭州理工大學(xué),2005.

作者簡介：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：TH12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0120-04