劉偉，張江華

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213064）

基于Solidworks的新型顯示屏支架三維建模設(shè)計(jì)工藝分析

劉偉，張江華

（常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州213064）

利用Solidworks軟件來完成新型軍用工程機(jī)械顯示屏支架的三維建模設(shè)計(jì)與工藝分析。通過使用Solidworks軟件進(jìn)行支架三維建模設(shè)計(jì)、討論了支架輕量化技術(shù)的選取和工藝分析，以達(dá)到提高設(shè)計(jì)效率、優(yōu)化新型顯示屏支架及簡(jiǎn)化其生產(chǎn)工藝過程的目的。

顯示屏支架；Solidworks；三維建模設(shè)計(jì)；自沖鉚接；輕量化技術(shù)

軍用工程機(jī)械的發(fā)展一直受到各軍事強(qiáng)國的高度重視。尤其是隨著高技術(shù)武器裝備的大量應(yīng)用和新的作戰(zhàn)理論的形成，各種武器裝備機(jī)動(dòng)性能和作戰(zhàn)效能的快速提高，對(duì)軍用工程機(jī)械提出了更高的要求。為滿足新的作戰(zhàn)需求，各國軍隊(duì)在發(fā)展各種武器裝備的同時(shí)，也在不斷發(fā)展新型軍用工程機(jī)械，并對(duì)己有裝備不斷進(jìn)行改進(jìn)和完善，特別是軍工專用工程機(jī)械的發(fā)展更適應(yīng)末來作戰(zhàn)的需要［1］?，F(xiàn)代化的軍用工程機(jī)械裝備為優(yōu)化人機(jī)交互界面會(huì)用到顯示設(shè)備及與其配套的交互設(shè)備。顯示設(shè)備的安裝是對(duì)軍用工程機(jī)械設(shè)備提出的新要求?，F(xiàn)有的軍用工程機(jī)械設(shè)備上使用的顯示屏支架大多為鋁合金鑄造結(jié)構(gòu)。為了提高整個(gè)軍用工程機(jī)械設(shè)備的性能，軍用工程機(jī)械設(shè)備整機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)其上應(yīng)用的顯示屏支架提出新要求：在不改變?cè)械陌惭b接口及顯示設(shè)備總體安裝空間及尺寸的前提下減重。

本文利用Solidworks軟件對(duì)這種軍用工程機(jī)械設(shè)備上的新型顯示屏支架進(jìn)行了三維建模設(shè)計(jì)，同時(shí)通過討論支架輕量化技術(shù)的選取及其建模的過程結(jié)合現(xiàn)有的生產(chǎn)條件，對(duì)其生產(chǎn)加工工藝過程進(jìn)行了分析。

1　顯示屏支架的三維建模設(shè)計(jì)

1.1支架輕量化方案確定

通過已有產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)，企業(yè)能夠提高產(chǎn)品族中的平臺(tái)通用性，實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益［2］。所以新型的顯示屏支架設(shè)計(jì)是采用在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上的改進(jìn)設(shè)計(jì)。其整體的設(shè)計(jì)需求是：安裝接口與原型一致并滿足對(duì)顯示設(shè)備的減震隔震作用，同時(shí)新的產(chǎn)品重量控制在原產(chǎn)品重量的2/3以內(nèi)?；谝陨显O(shè)計(jì)需求正確的選擇輕量化技術(shù)是新型顯示屏支架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。原支架為鑄鋁結(jié)構(gòu)，借鑒相關(guān)行業(yè)輕量化技術(shù)可以使用焊接結(jié)構(gòu)或鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行新產(chǎn)品的整體輕量化。

在本項(xiàng)目需求中支架是應(yīng)用在軍用工程機(jī)械裝備內(nèi)部，顯示屏支架主要完成顯示設(shè)備的安裝及支撐作用，同時(shí)在軍用工程機(jī)械裝備高速移動(dòng)時(shí)減緩對(duì)顯示設(shè)備的振動(dòng)和沖擊。新型的顯示屏支架方便到軍用工程設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)替換老型號(hào)產(chǎn)品。針對(duì)上述需求對(duì)焊接結(jié)構(gòu)和鉚接結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比：

首先，在軍用工程機(jī)械裝備內(nèi)部使用的顯示屏支架，靜態(tài)受力載荷簡(jiǎn)單但動(dòng)態(tài)受力載荷比較復(fù)雜。研究顯示，在靜態(tài)測(cè)試中點(diǎn)焊連接的強(qiáng)度要比自沖鉚接連接大，然而在疲勞測(cè)試中自沖鉚接連接性能要好得多。在106次的循環(huán)里，自沖鉚接連接疲勞強(qiáng)度是點(diǎn)焊連接強(qiáng)度的兩倍［3］?？梢姡趧?dòng)態(tài)載荷條件下自沖鉚接的性能比焊接要好。

其次，鋁合金焊接有以下難點(diǎn)：鋁合金焊接容易產(chǎn)生氣孔、鋁合金焊接易產(chǎn)生熱裂紋還有由于其線膨脹系數(shù)大，易產(chǎn)生焊接變形。而自沖鉚接工藝過程的普遍特征工序周期短是所有，通常一個(gè)鉚接工序周期僅為幾秒。此外，自沖鉚接工藝作為新型板件連接工藝相對(duì)于其它連接工藝（如電阻點(diǎn)焊工藝）仍有如下突出優(yōu)點(diǎn)：可以鉚接多層板材組；無熱效應(yīng)一一可以用于涂層或鍍層板材的連接而不會(huì)破壞其涂鍍層，也無其它任何損害。

最后，到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)既有產(chǎn)品上應(yīng)用的老型產(chǎn)品改造，鉚接過程簡(jiǎn)單，無需在板材上預(yù)先開孔；鉚接質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定，鉚接點(diǎn)質(zhì)量可以通過視覺觀察；鉚接時(shí)無熱量、煙、汽、火花、粉塵或碎屑等產(chǎn)生。而焊接結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)操作不如鉚接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便。

基于以上三點(diǎn)考慮，新型顯示屏支架采用自沖鉚接輕量化技術(shù)進(jìn)行整體組裝設(shè)計(jì)。

1.2 Solidwork軟件介紹

Solidworks是一套基于Windows操作系統(tǒng)開發(fā)的機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，其是采用用戶熟悉的Windows圖形界面，操作簡(jiǎn)便，易學(xué)易用，被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、汽車和航空等領(lǐng)域。SolidWorks三維設(shè)計(jì)直接從三維模型入手，省去了三維與二維之間的轉(zhuǎn)化。設(shè)計(jì)者可以方便地通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、鈑金特征、高級(jí)抽殼、特征陣列、鉆孔等操作不斷改變其結(jié)構(gòu)，最終完成全部零部件的設(shè)計(jì)。同時(shí)，SolidWorks軟件采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)模式，可以通過修改相關(guān)的參數(shù)來完善設(shè)計(jì)方案，支持設(shè)計(jì)方案的動(dòng)態(tài)修改。這使得該軟件成為了機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的主流三維設(shè)計(jì)軟件?；谝陨弦蛩?，新型顯示屏支架采用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)。

1.3新型顯示屏支架部件三維建模

結(jié)合原有鑄鋁結(jié)構(gòu)的顯示屏支架設(shè)計(jì)方案，確定新型的鉚接結(jié)構(gòu)的顯示屏支架主要由兩側(cè)的左、右側(cè)主立板、底座安裝板、前安裝板、后安裝板五個(gè)主要部件和各個(gè)轉(zhuǎn)角處加強(qiáng)筋板等組成。顯示屏支架的三維建模設(shè)計(jì)包括其所有零件三維建模和整個(gè)支架的裝配。

由于是參考原有鑄造支架基礎(chǔ)上的改進(jìn)設(shè)計(jì)，所以對(duì)整個(gè)鉚接的支架的三維建模采用自底向上的裝配設(shè)計(jì)方法，即先依據(jù)各零部的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸建立其三維模型，然后再按照它們彼此之間的裝配和約束關(guān)系逐個(gè)進(jìn)行組裝，最后完成整機(jī)的虛擬裝配。

Solidworks零部件造型的一般過程：首先、選擇適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)面，繪制生成零件模型特征草圖；然后、使用拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃描等基本特征命令創(chuàng)建反映零件主要形狀的基礎(chǔ)特征；最后、使用倒角、圓角等修飾特征命令在基礎(chǔ)特征上添加其它特征完成整個(gè)零件對(duì)象的造型。針對(duì)Solidworks三維建模的實(shí)踐，提出以下三個(gè)零件建模技巧：首先、分析零件對(duì)象的基礎(chǔ)特征，繪制的草圖應(yīng)能生成零件的基礎(chǔ)特征；其次、繪制截面草圖時(shí)，盡量采用實(shí)體轉(zhuǎn)換命令使用已生成的實(shí)體特征中的圖線，這樣既準(zhǔn)確又快捷、同時(shí)減少了編輯修改時(shí)的參數(shù)；最后、零件的命名要簡(jiǎn)單直觀合理（建議使用圖號(hào)來命名零件的模型文件），建好的零部件最好保存在一個(gè)目錄便于修改查找。

新型軍用工程機(jī)械設(shè)備顯示屏支架的各個(gè)組成部件的精確建模和正確定義各部件之間的裝配關(guān)系，是完成顯示屏支架整體建模的關(guān)鍵。裝配好各主要部件后，再按照上述的方法完成整機(jī)的裝配。圖1-圖5分別是左、右側(cè)主立板、底座安裝板、前安裝板和后安裝板子裝配三維模型。圖6為整個(gè)新型顯示屏支架的三維模型。

圖2　右側(cè)主立板子裝配三維模型

圖3　底座安裝板子裝配三維模型

圖4　前安裝板子裝配三維模型

圖5　后安裝板子裝配三維模型

圖6　新型顯示屏支架三維模型

2　新型顯示屏支架虛擬裝配及工藝分析

虛擬裝配是虛擬制造的一個(gè)重要而關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與裝配技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它是將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為輔助工具應(yīng)用于裝配技術(shù)研究，利用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供的交互性、沉浸性和想象性，為產(chǎn)品裝配工藝的研究提供一個(gè)理想的環(huán)境，以解決產(chǎn)品在裝配過程中可能出現(xiàn)的問題，并將裝配信息反饋給設(shè)計(jì)人員，修改、優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量與水平［4］。在產(chǎn)品試制生產(chǎn)前可以使用虛擬裝配技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查來確定靜止零件間是否滿足設(shè)計(jì)要求的最小距離，確定零件的可裝配性。利用動(dòng)態(tài)干涉檢查來檢查三維零部件實(shí)體在相互運(yùn)動(dòng)過程中或是安裝過程中是否產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。對(duì)于產(chǎn)品的裝配過程，這一操作步驟具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，是對(duì)整個(gè)產(chǎn)品裝配過程的一個(gè)初步的裝配工藝分析過程。它將直接關(guān)系到產(chǎn)品實(shí)際組裝的成敗。

對(duì)于新型顯示屏支架供給新的軍用工程機(jī)械產(chǎn)品使用時(shí)，可以在出廠前完整組裝。對(duì)于現(xiàn)有在現(xiàn)場(chǎng)使用的工程設(shè)備進(jìn)行老顯示屏支架的改造工作，應(yīng)先以五個(gè)主要子裝配的形式運(yùn)送到改造場(chǎng)地。按照如下的安裝工藝過程進(jìn)行安裝：首先在工程設(shè)備內(nèi)部對(duì)應(yīng)的支架安裝接口上安裝底座安裝板子裝配，完成后安裝前、后安裝板子裝配，接下來安裝左、右側(cè)主立板子裝配，完成主體安裝后在安裝相關(guān)配件。這樣的工藝流程有利于在工程設(shè)備內(nèi)部完成整個(gè)顯示屏支架的安裝，同時(shí)能使其安裝的工藝質(zhì)量得到保障。

3　結(jié)束語

本文充分發(fā)揮SolidWorks軟件的三維建模設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，討論了新型顯示屏支架輕量化方案并進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)和虛擬裝配。通過虛擬裝配對(duì)新型顯示屏支架整個(gè)模型進(jìn)行干涉檢查，以及工藝分析，優(yōu)化新型顯示屏支架的設(shè)計(jì)工程及工藝工程。縮短了設(shè)計(jì)周期，為新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)造有利條件。同時(shí)為其后續(xù)進(jìn)行振動(dòng)沖擊仿真做了相應(yīng)的準(zhǔn)備。

［1］張欲保.軍用工程機(jī)械的發(fā)展、分析與未來［J］交通世界（建養(yǎng).機(jī)械）2009，（19）：41.

［2］Nanda J，Thevenot H J，Simpson T W.Product family repre sentation and redesign:increasing commonality using formal concept analysis［C］Proceedings of ASME DesignEngineer ing Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference，Long Beach，2005：969-978.

［3］A.R.Krause，R.A.Chernenkoff.A comparative study of the fatigue behavior of spot-welded and mechanically fastened aluminuet joints［J］.Society of Automotive Engineers，1995，45（3）：85-88.

［4］張林鍹，童秉樞.并行工程中的裝配仿真系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究［J］計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)1999，（3）：163-167.

3D Modeling Design and Process Analysis of a New type Display Screen Bracket based on Solidworks

LIU Wei，ZHANG Jiang-hua
（Changzhou Institute of Mechatronic Technology，Changzhou Jiangsu 213164，China）

Three dimensional modeling and process analysis of the new military engineering machinery display screen support using Solidworks software.Through the use of SolidWorks software for three-dimensional modeling design，discussed support lightweight technology selection and process analysis，in order to improve the design efficiency and optimization model display screen bracket and the production process is simplified.

display screen bracket；solidworks；3D modeling design；self-piercing riveting；lightweight technology

TP31

A

1672-545X（2016）08-0249-03

2016-05-18

常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題（2014/YJKT/09）

劉偉（1977-），男，黑龍江富裕人，碩士，高級(jí)工程師，教師，研究方向：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造；張江華（1973-），男，浙江東陽人，碩士，副教授，主任，研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化。