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基于Solidworks的三维设计在机械工业中的应用

2020/11/26    来源:互联网    作者:韩绿霞  宋怀俊  雒廷亮      
关键字:机械CAD  SolidWorks  系列零件设计表  装配体设计  
本文主要论述了机械CAD的过程,SolidWorks软件的功能和SolidWorks三维造型技术在泵体涡壳、叶轮、弹簧造型上的应用以及利用系列零件设计表形成标准件方面的应用,尤其是利用型腔和装配体功能形成内腔复杂的零件。

1 前言

    机械设计就是根据使用要求确定产品应该具备的功能,构思出产品的工作原理、运动方式、力和能量的传递、结构形状、所用材料等内容,并转化为具体的描述。机械设计是产品设计、制造、装配、销售和使用中很重要的环节,它要经过“设计—评价—再设计”的反复迭代,不断的优化,设计制造周期长成本高。因此计算机辅助设计(Computer Adid Design即CAD)正是在这样的背景下产生的。

    机械CAD过程如图1,CAD设计要经过几何模型定义,并将其转化为具体的数据,对其进行数据处理和工程分析计算,再进行修改,详细设计,最后编制全部设计文件和输出工程图。

机械CAD过程

图1 机械CAD过程

    CAD技术是随着计算机技术的发展而发展起来的一门综合性技术,是人们不断将计算机技术引入到机械设计和制造领域而产生的一门综合性应用技术。CAD技术主要应用于下列几个方面:二维图形处理代替传统的手工绘图;将图形和符号存入图库以便在其它图形中调用;进行工程分析如有限元分析、优化设计、物理特性计算和数据管理和数据交换等;进行参数化设计,减少设计人员工作量,缩短产品设计研发周期;利用三维造型技术以实现装配、运动仿真、干涉检查。利用CAD技术可促进设计工作的规范化、系列化、标准化,提高设计质量,缩短设计周期,降低设计成本,加快产品更新换代的速度。

    三维设计在工业领域的应用越来越普及。二维CAD着眼于完善产品的几何描述能力,而三维设计是着眼于更好表达产品完整的技术和生产管理信息,使得一个工程项目的设计和生产准备各环节可以并行展开。设计人员的操作对象是产品的功能要素,建立的产品模型容易为别人理解和组织生产,从产品的造型、构思、方案的确定,结构分析到加工过程的仿真,系统随时保证用户能够观察、修改中间结果,进行实时编辑处理,设计的图样更容易修改。而且三维设计可方便地设计出所见即所得的三维实体产品模型,进行装配和干涉检查,在做模具之前就可以拿到实物零件进行装配及测试。

    参数化特征造型软件的新秀SolidWorks是生信国际有限公司推出的机械设计软件。

2 SolidWorks简介

    SolidWorks有全面的零件实体建模功能,变量化的草图轮廓绘制,驱动参数改变特征的大小和位置,并能够自动进行动态过程约束检查,可以进行特征换序(ChangeOrder)操作。SolidWorks允许用户利用系列零件设计表自定义自己的标准件库,从而极大的简化设计人员的重复劳动,而且SolidWorks提供免费的开发工具(API),用户可以用VisualBasic、Visual C++或其它支持OLE的编程语言建立自己的应用方案,通过数据转换接口SolidWorks可以将几乎所有的机械CAD软件集成到现在的设计环境中来,SolidWorks支持的数据标准有:IGES,DXF,DWG,SAT(ACSI),STEP,STL,ASCⅡ,VDAFS(VDA),VRML,Parasolid。在装配体设计方面,它提供了自底向上的设计方法自底向上既传统的先生成零件后装配和自顶向下即从装配体开始设计零件,利用一个零件的几何体定义另一个零件或生成组装零件后才有的加工特征,甚至可以利用两个零件的坐标原点、草图平面为两个零件添加配合,这种与传统不同的设计方法大大简化设计开发工作量,符合实际设计思想,缩短设计开发周期。

3 SolidWorks的应用

    3.1 叶轮的三维造型

    模型从特征开始是三维造型的基本思想,形成特征和添加特征是三维造型的基本方法。实际建模过程是生成特征和添加特征的过程。在叶轮的造型过程中,首先利用放样操作形成一个叶片如图2,然后再利用阵列特征添加其它数目叶片如图3。用同样的方法添加前盖板和孔特征形成叶轮如图4。

形成叶片

图2 形成叶片

叶片阵列

图3 叶片阵列

形成叶轮

图4 形成叶轮

    3.2 弹簧及系列零件设计表

    对于弹簧、外螺纹类零件在特征造型中需要首先形成螺旋线,再插入与螺旋线垂直的基准面,绘制草图圆,利用扫描工具形成螺纹,再添加切除特征完成弹簧的特征造型如图5。

弹簧形成

图5 弹簧形成

    当弹簧的尺寸改变时,可以利用系列零件设计表形成一系列的弹簧如图6。选择不同规格的弹簧时只需要打开配置管理器,从中双击相应的弹簧即可。

系列零件设计表

图6 系列零件设计表

    3.3 泵体的三维造型

    SolidWorks在复杂型腔零件的制造方面有独到的作用,可以利用型腔和装配体功能派生零件。

    以离心泵泵体如图7内外形状复杂,需要通过铸造的方法成型,再经过热处理和机械加工。但是传统的制造方法是先有零件再进行装配,这样形成泵体就需要首先制造两个型芯,通过铸造得到泵体。利用SolidWorks的三维造型技术,在SolidWorks环境下,与传统的先生成零件再形成装配体相反,借助于计算机技术允许首先生成装配体,然后由装配体利用型腔功能生成零件。

泵体涡壳

图7 泵体涡壳

    我们可以首先在零件图环境下生成没有孔腔的泵体基本体模型如图8所示,作为生成模具基本体,并根据螺旋形蜗壳的形状创建如图9所示的涡壳型芯、根据扩压管段的形状创建如图10模型作为扩压器型芯。然后打开一个装配体文挡,并将其保存为泵体模具,在装配体环境下插入-零部件-已有零部件,将图8所示的模型插入到该装配体文挡。利用同样的方法将图9和图10所示的涡壳型芯、扩压器型芯插入到该装配体文档中。然后分别为两个型芯与泵体模型添加适当的配合关系将其装配到图8中,在特征管理器中选择泵体,单击装配体工具栏上的编辑零件,此时铸造工具栏的型腔工具有效,选择型腔工具,在型腔对话框中输入材料的缩放系数确定,文件另存即可得到内部已经生成型腔的泵体如图7。

涡壳模具基本体

图8 涡壳模具基本体

涡壳型芯

图9 涡壳型芯

扩压器型芯

图10 扩压器型芯

    类似的应用还有螺杆泵、活塞、汽缸等均可利用型腔的方法成型。此外对于内螺纹的形成也可利用外螺纹和型腔工具来生成内螺纹,外螺纹的生成方法与弹簧的形成类似,从而达到从视角上逼真的效果。

    3.4 大型装配体的优化

    SolidWorks提供对装配体进行静态干涉检查和动态碰撞检查,以保证任意两个零件在空间上不得有相互重叠,并且可以动态模拟装配体上运动零件的运动效果,形象逼真,以便从中发现问题及时修改。在大型装配体设计中,SolidWorks为之提供了封套和轻化功能以快速改变装配体中零部件的显示状态。装配体中的零件有三种状态:还原状态、压缩状态和轻化状态。零件处于还原状态时,零件的所有模型数据均装入内存,而当零件为轻化状态时,只有部分模型数据装入内存,其余的数据根据需要装入,这样零件装入装配体的速度加快,显示性能提高。

    同时,在产品设计过程中,为了更明确的表达产品结构,往往需要提供一张所有零件按拆卸关系放置的装配体图,这种装配体即爆炸视图,在装配体环境下,在[插入]下拉菜单中选择[爆炸视图],出现爆炸视图对话框,生成爆炸视图有两种方法:自动爆炸和手动爆炸。对离心泵手动生成如图11所示的爆炸视图。

离心泵爆炸视图

图11 离心泵爆炸视图

4 SolidWorks在机械设计与制造中的应用前景

    随着数控加工编程软件CAMworks、有限元分析软件CosMos/Works、流体力学分析软件FloWorks等黄金伙伴的加入,SolidWorks更是如虎添翼,功能更加强大,再借助于SolidWorks本身丰富的数据接口在机械设计和制造方面有着更加广泛的应用。

责任编辑:程玥
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