基于Inventor的鋼筋切斷機的三維建模與運動仿真

陳學文 ，劉文超，王良文

（1.廣東輕工職業技術學院機電工程系，廣州 510300；2.鄭州宇通重工有限公司，鄭州 450052；3.鄭州輕工業學院機電工程學院，鄭州 450002）

1 引言

鋼筋切斷機由于工作可靠、效率高等，是鋼筋加工必不可少的設備之一，它主要用于房屋建筑、橋梁、隧道、電站、水利等工程中對鋼筋的切斷，應用十分廣泛。各生產廠家為提高自己產品的技術性能、增加產品的競爭優勢，不斷優化結構，努力降低生產成本，并不斷開發新的品種。對鋼筋切斷機的理論研究也不斷深入［1-3］。

目前，國內的鋼筋切斷機多以機械輪剪式切斷為主。其工作過程基本為：電動機輸出動力經過帶傳動和三級齒輪傳動減速后，帶動曲軸旋轉，曲軸推動連桿使滑塊和動刀片在機座的滑道中做往復直線運動，使動刀片和定刀片相錯而切斷鋼筋。其閉式的鋼筋切斷機的構造基本雷同，如GQ32、GQ40、GQ50、GQ70等。圖1為這些鋼筋切斷機的基本結構。

圖1 基本結構

在目前的市場上，以GQ40 型鋼筋切斷機的產量最大，也有部分廠家生產GQ32 及GQ50 型鋼筋切斷機，而生產GQ70 型鋼筋切斷機的廠家還很少。

文獻［4］對國產鋼筋切斷機的機體減型、配用電機、采用一次性結構等問題進行了討論，并就改良與發展方向進行了探討，提出結構改進，采用有限元技術對機體進行輕量化設計，對傳動系統的齒輪傳動優化，發展新的品種，改良涂裝質量等。

最近兩年來，我國在鋼筋切斷機技術裝備方面的進步不明顯，產品的技術水平與國外先進水平相比，尚有一定的差距，主要表現為：品種尚不夠豐富，外形結構雷同，同等功率條件下，切割效率低。從鋼筋切斷機的發展趨勢看，隨著建筑設計與建筑施工技術的規范化，建筑工程設計與應用鋼筋必將進入商品化供應時代。即根據建筑配筋表采購鋼筋，在鋼筋使用現場轉化成可用鋼筋，采用商品化供應鋼筋。這類鋼筋的一體化生產與供應要求鋼筋切斷機有更高的性能、更豐富的品種。

開發新的切斷機品種是各生產廠家的重點工作，比如現有的鋼筋切斷機在切口部分對鋼筋形成擠壓，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。由于國內生產廠家的設計手段還比較落后，主要采用AutoCAD 設計軟件，產品的設計及改良過程比較緩慢，設計中的運動仿真及干涉檢查功能欠缺。本文基于Inventor 對鋼筋切斷機的通用結構進行了建模分析，為快速進行產品設計改良奠定了基礎。

2 Autodesk Inventor 軟件介紹

Autodesk Inventor 軟件是一種三維可視化實體模擬軟件。它包含三維建模、信息管理、協同工作和技術支持等各種特征。使用該軟件可以創建三維模型和二維制造工程圖、可以創建自適應的特征、零件和子部件，還可以管理上千個零件和大型部件，它的“連接到網絡”工具可以使工作組人員協同工作，方便數據共享和同事之間設計理念的溝通。Inventor在用戶界面簡單，三維運算速度和著色功能方面有突破的進展。它是建立在ACIS 三維實體模擬核心之上，設計人員能夠簡單迅速地獲得零件和裝配體的真實感，這樣就縮短了用戶設計意圖的產生與系統反應時間的距離，從而最小限度地影響設計人員的創意和發揮。

3 使用Autodesk Inventor 2011 進行三維建模

3.1 主要零件的設計及建模

典型的鋼筋切斷機的結構基本相同，共有一百多個零件。GQ32、GQ40、GQ50、GQ70 切斷機的零件結構相同，尺寸大小不同，其中主要的零件有：機體，小帶輪，大帶輪，各個齒輪軸及大齒輪，曲軸，連桿，刀座及刀片。本文以機體的建模設計過程為例說明，其他零件的設計建模過程可參照機體的設計。

機體的設計主要流程包含：（1）啟動Autodesk Inventor 2011 軟件，選擇【新建】，新建類型為【standard.ipt】。（2）在【草圖】面板，創建機體整體輪廓草圖，如圖2 所示。（3）退出【草圖】環境，進入【特征】面板，選擇【拉伸】操作，形成機體的厚度及腔體結構。（4）在機體上，確定三根傳動軸及曲軸的位置，并在側面上建立草圖，選擇【拉伸】操作，形成機體上各軸承端蓋所對應的凸緣。（5）確定螺孔位置，建立草圖，創建【打孔】特征，選擇螺紋孔，形成機體上各軸承端蓋所對應凸緣上聯接端蓋的螺紋孔。（6）在凸緣所對應的平面創建草圖，并由【拉伸】操作，創建出軸孔特征，形成機體上各軸承安裝孔。（7）在機體的另一面，運用【拉伸】操作，創建出滑塊的滑道及大側蓋的基本配合輪廓。（8）運用【拉伸】及【打孔】特征，建立大側蓋的配合部分以及緊固螺孔。（9）運用【拉伸】特征，在機體上平面拉伸出凸起，并運用【拉伸】切除操作，拉伸出機體上視孔。（10）在機體的上加工面創建草圖，并在此草圖上建立【打孔】特征，設計出上蓋板的聯接螺紋孔。（11）運用【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）運用【拉伸】特征，創建出送料軸的安裝槽。（13）運用【拉伸】特征，創建出機器行走輪軸的安裝部分。把機器的前輪設計為可轉向輪，建立其轉向軸安裝孔。（14）調整擋料滾輪座的安裝位置。（15）完成整體設計后，其結構如圖3 所示。

圖2 機體整體輪廓草圖

圖3 機體整體結構圖

3.2 鋼筋切斷機的裝配

在Inventor2011中，可以將主軸箱的三維實體零件或部件按照一定的裝配約束條件裝配成一個部件，同時這個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成一個符合設計構思的整體部件。

切斷機的主要裝配過程為：裝入所有零件→向機體上安裝Ⅰ軸→向機體上安裝Ⅱ軸→向機體上安裝Ⅲ軸→向機體上安裝曲軸→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→向曲軸上安裝游動大齒輪芯套→向芯套上安裝游動大齒輪→向曲軸上安裝軸瓦→向曲軸上安裝連桿→向連桿上安裝活動刀座→向活動刀座上安裝活動刀片→向機體上安裝固定刀座→向固定刀座上安裝固定刀片→向機體上安裝頂蓋→向各個軸上安裝對應型號的軸承→向機體上安裝大側蓋→向機體上安裝兩側的軸端蓋→向機體上安裝送料軸→向機體上安裝行走輪軸→向行走輪軸上安裝行走輪→向機體上安裝調整六方→向機體上安裝吊環→向機體上安裝各個螺栓（為運行更流暢，裝配圖中省略安裝墊片，實際機器需要對應墊片）→向機體安裝送料輥。

完成裝配后的效果圖如圖4，其透明視圖如圖5。

3.3 應用Inventor 軟件進行干涉檢查

在部件中，兩個或多個零部件不能同時占用相同的空間。要檢測這樣的錯誤，可以檢查部件中的干涉。在零部件交疊處，干涉部分臨時顯示為實體。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，干涉體積顯示為實體。干涉報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，列出干涉的體積。根據檢查，可以編輯零部件以刪除干涉。

應該注意的是：使用Inventor 2011 設計的螺紋，為了提高運行效率，并不是用真實的切削加工來把螺紋表達出來，而是在表面貼一層涂層，給人以真實螺紋的感覺。因此在進行螺紋裝配時，本來是正確的裝配關系，進行干涉檢查時，系統會提示有干涉，如果干涉部分是指螺紋處，可以不予理睬。因為那是系統本身的錯誤。

普通零件干涉檢查及解決方案的過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明：（1）選擇【檢驗】面板中的【過盈分析】選項，打開【干涉檢查】對話框。（2）點擊【定義選擇集1】按鈕前的箭頭按鈕，然后選擇連桿；點擊【定義選擇集2】按鈕前的箭頭按鈕，然后選擇連桿銅瓦。點擊【確定】按鈕顯示檢查結果。（3）如果檢查不到任何的干涉存在，則打開對話框顯示【沒有干涉檢查】，則說明部件中沒有干涉存在。否則會打開【檢查到過盈】對話框。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大和智能：（1）Inventor 可以自動由三維零部件生產二維工程圖。（2）由實體生產的二維圖也是參數化的，二維三維雙向關聯，如果更改了三維零部件的尺寸參數，那么它的工程圖的對應尺寸參數自動更新；也可以通過直接修改工程圖上的零件尺寸而對三維零件的特征進行修改。（3）用Inventor2011 可以直接創建standard.dwg 格式的工程圖，與AutoCAD 創建的圖紙格式完全互通，通用性、交流性沒有任何障礙。圖7為生成的連桿工程圖。

圖7 連桿工程圖

3.5 傳動結構的運動仿真

為了檢驗設計效果，需要進行運動仿真。為了表達得更加清晰，僅取設計的傳動部分，即三級減速器及曲柄滑塊機構。在運動仿真之前，其裝配結構是不完全約束的，保留了各個齒輪嚙合運動中繞軸旋轉的自由度。

運動仿真主要步驟為：（1）進入【環境】面板，選擇【運動仿真】模塊。（2）當仿真播放器已自動打開后，需要打開【構造模式】，選中菜單中的【插入運動約束】，選擇運動模式為【傳動：外齒輪嚙合運動】，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，點擊【確定】。如圖8 所示。（3）按上述方法，依次確定各個齒輪間的運動鏈接類型。（4）在運動仿真樹結構中，選擇Ⅰ軸與Ⅱ軸大齒輪的鏈接，右鍵單擊選擇【特性】，加入驅動【轉矩】和驅動【速度】。（5）點擊【仿真播放器】上的【播放】按鈕，即可清晰地觀察到傳動機構按真實傳動比速度下的運動情況。并且可以在【輸出圖示器】中觀察到各個齒輪的運動速度及轉矩等各項參數。如圖9 所示。

圖8 運動仿真設置

圖9 運動仿真參數

根據仿真分析結果，我們可以對上述的設計結果進行更改，直到獲得滿意的設計方案與結構。

4 結語

鋼筋切斷機屬于生產量大、技術較為成熟的產品。對其進一步進行改良，可以提高產品的性價比，增強產品的市場競爭力。本文介紹了使用三維設計軟件Inventor 2011進行鋼筋切斷機三維建模與運動仿真的技術。由于該軟件中，由實體生產的二維圖也是參數化的，且二維三維圖雙向關聯，如果更改了三維零部件的尺寸參數，那么它的工程圖的對應尺寸參數自動更新；也可以通過直接修改工程圖上的零件尺寸而對三維零件的特征進行修改。

本設計可以大幅降低鋼筋切斷機的研發周期及成本，從而提高產品的市場競爭力和企業的經濟效益。本文等技術手段與方法對設計同類產品，如鋼筋彎曲機、鋼筋調直機、鋼筋彎箍機等有一定的參考意義。

［1］王良文，王允地，張衛印，等.基于VB的鋼筋切斷機飛輪轉動慣量計算模型［J］.建筑機械，2005（3）：71-74.

［2］王良文，李長詩，王新杰，等.基于VB的鋼筋切斷機通用動力學計算模型［J］.鄭州輕工業學院學報，2005（3）：76-80.

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

［4］王良文，陳學文.國產鋼筋切斷機的生產現狀與改良方向［J］.建設機械技術與管理，2009（3）：113-115.