基于SolidWorks的鋼筋對焊夾具三維建模及運動仿真

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 機械與汽車工程學院，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 機械與汽車工程學院，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，完成這種焊接的主要工具之一是鋼筋對焊夾具。應用SolidWorks軟件對鋼筋對焊夾具的主要零部件進行設計和三維建模，完成了鋼筋對焊夾具三維模型的裝配，并對裝配體進行了分析和檢查，最后應用SolidWorks Motion插件對鋼筋對焊夾具的運動過程進行了動畫仿真。

關鍵詞：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廣泛應用于建筑施工行業(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，同時具有埋弧焊、電渣焊、壓力焊等焊接工藝的特點。其焊接方法是，將兩根鋼筋安放在豎向對接形式，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，鋼筋對焊連接質量的好壞對施工的質量和安全具有重大影響。影響鋼筋對焊連接質量的一個重要因素就是鋼筋對焊夾具。鋼筋安裝應上下同心同肋對齊，夾具應緊固，嚴防晃動。一個合格的鋼筋對焊夾具不僅要滿足鋼筋對焊的焊接質量，同時也要能提高操作者的勞動效率，降低勞動強度。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計提供參考。

1 鋼筋對焊夾具主要零部件設計及建模

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 夾具座的鈑金設計與建模

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。應用SolidWorks中的鈑金設計模塊對夾具座進行鈑金設計。本文應用鈑金特征直接創(chuàng)建夾具座的鈑金件，即首先在繪圖平面上直接創(chuàng)建一個基本法蘭特征，然后以此法蘭為基礎創(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動實現(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 錐齒輪的設計與建模

齒輪傳動在機械傳動中廣泛應用。齒輪傳動有多種形式，本文采用錐齒輪傳動來實現(xiàn)上鋼筋的運動。基于SolidWorks軟件中的toolbox插件，以及SolidWorks建模的常用命令對直齒錐齒輪進行了建模。生成的錐齒輪的三維模型如圖2所示。

圖2　錐齒輪

1.3 夾具絲桿的設計與建模

本文設計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。當搖動手柄帶動傘齒輪傳動的時候，與之連接的絲桿會轉動，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 絲桿螺母的設計及建模

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計與建模

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，當搖動絲桿手柄的時候，活動夾能夠自由來回移動，從而固定穿過于其間的鋼筋，實現(xiàn)上下鋼筋對焊時能夠準確定位及穩(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 手柄的設計與建模

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計有圓孔。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動。設計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 夾具提手的設計與建模

夾具提手的功能是攜帶夾具，設計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計及建模后，就要在軟件中對其進行虛擬裝配。虛擬裝配的主要流程是，首先確定各個零部件的裝配層次，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)境下進行零件的設計，而自底向上是指采用已經(jīng)設計好的零件進行部件和整機的裝配[3]。根據(jù)鋼筋對焊夾具的實際情況，本文采用自底向上的裝配方式對鋼筋對焊夾具進行虛擬裝配，并對其裝配體進行干涉檢查和質量檢查。

2.1 添加約束

對鋼筋對焊夾具各個零部件的自由度及零部件之間的運動關系進行分析，確定運動副的約束形式，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，互相嚙合的兩個錐齒輪裝配會用到機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，避免發(fā)生干涉；質量檢查是計算出各零部件的準確質量，從而再估算出裝配體的質量。

1）干涉分析和檢查

一個復雜的裝配體中，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，當裝配體運動時，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)設計的零件再裝配體中存在問題的部分，然后依據(jù)裝配體的結構和零部件的干涉情況修改零件原模型[4]。應用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系。干涉檢查結束后，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）質量檢查

應用SolidWorks軟件的“質量特性”功能，通過參數(shù)設置，定義材料的密度，從而記算出各零件的質量和整個裝配體的質量。以夾具座為例，選取材料主要參數(shù)：ANSI1045鋼，冷拔，計算出夾具座的質量為722.211g，如圖12所示。

圖12　質量檢查

3 鋼筋對焊夾具的運動仿真

將鋼筋對焊夾具裝配好以后，對其進行運動仿真。在SolidWorks環(huán)境中運行Motion插件，在SolidWorks Motion管理器中設定鋼筋對焊夾具的運動仿真參數(shù)。利用已經(jīng)創(chuàng)建好的夾具裝配體模型建立起運動仿真算例。

在裝配體環(huán)境中，點擊SolidWorks軟件界面左下角的運動算例1，將其重命名為運動仿真。單擊運動仿真按鈕，則SolidWorks界面下方出現(xiàn)Motion運動仿真管理器，如圖13所示。

圖13　motion運動仿真管理器

下面結合工程實際情況簡述鋼筋對焊夾具的運動過程。將要準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動，從而實現(xiàn)鋼筋的夾緊固定；重復上述過程，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動，最終實現(xiàn)上下兩根鋼筋的對接。在兩個鋼筋的對接處覆蓋焊接藥劑，與電焊機接通后即可實現(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（夾鉗活動夾的運動）和豎直方向（夾鉗的運動）的運動，且兩個方向的運動是錯開的，先是夾鉗活動夾作水平方向的運動夾緊固定鋼筋，接著是安裝在絲桿螺母上的夾鉗在豎直方向的運動，實現(xiàn)上下兩根鋼筋的對接。

在視圖欄中的相應時間位置放置鍵碼，不同的時間段代表不同的運動過程。如圖14所示為夾鉗活動夾的在水平方向運動過程。

圖14　夾鉗活動夾運動過程

將夾鉗活動夾的運動過程設置好以后，開始設置夾鉗的豎直方向的運動。將該方向的運動過程設置好后，兩者運動過程示意圖如圖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　鋼筋對焊夾具運動

圖16　動畫保存

4 結束語

利用SolidWorks軟件實現(xiàn)了對鋼筋對焊夾具各零部件的設計及建模，完成了三維模型的裝配，并對裝配體進行了裝配分析。最后運用SolidWorks自帶的Motion插件實現(xiàn)了對鋼筋對焊夾具的運動仿真。這種虛擬設計的優(yōu)勢在于不需要制造真實的物理樣機，即可實現(xiàn)對產(chǎn)品的設計和仿真，節(jié)約了產(chǎn)品從設計到上市的時間成本和制造成本。

參考文獻：

[1] 張貴萍.電渣壓力焊在工程中的應用[J].工藝與設備,2008(9): 197-198.

[2] 王勇.鋼筋電渣壓力焊缺陷產(chǎn)生的原因及預防措施[J].裝備制造技術,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.扒渣機械手的運動仿真與結構優(yōu)化[D].蘭州,蘭州理工大學,2005.

作者簡介：賀甲甲（1988 -），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為模具CAD/CAM。

收稿日期：2015-10-07

中圖分類號：TH12

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0120-04