基于SolidWorks的萬能試驗機建模與仿真*

王玉鵬，楊　青，王建國，張　釗，郝妮妮

(1.山東科技大學 機械電子工程學院，山東　青島　260000； 2.北京航空航天大學 生物與醫學工程學院，北京　100191； 3.濟南鑫光試驗機制造有限公司，山東　濟南　250214)

0　引言

根據國家或國際相關標準，利用電液伺服萬能試驗機可以進行各種材料的拉伸、壓縮和彎曲測試[1]。傳統的電液伺服萬能試驗機設計是通過裝配人員對物理樣機進行組裝并安裝調試，繪出的裝配圖不能直觀表達各零件的裝配關系，運動關系無法動畫演示，難以突破由圖想物及由物畫圖的難點[2]，設計過程耗費大量的人力與物力，不能滿足企業現階段的設計要求。

本文介紹了一種利用SolidWorks對電液伺服萬能試驗機進行三維建模與動畫仿真的方法。通過參數化建模、添加約束關系、智能標注尺寸完成各零部件的模型設計；利用虛擬裝配環境完成裝配體的構建，結合干涉檢查功能，排除零部件間的裝配誤差；依次添加爆炸視圖、運動算例，更改視圖鍵碼，生成演示動畫，為安裝人員提供直觀的指導。

1　電液伺服萬能試驗機的三維建模

電液伺服萬能試驗機主要由底座、油缸、導柱、絲杠、移動橫梁和上橫梁等零部件組成[3]。利用SolidWorks對電液伺服萬能試驗機主機進行三維建模時，應充分了解各零部件的結構特征，選擇合適的基準面，繪制出能生成模型基本特征的草圖；其次，利用拉伸、掃描、旋轉和切除等常用特征命令完成模型對象的造型[4]；最后通過PhotoView插件，對各零部件進行材料定義與外觀渲染。本文以底座、移動橫梁為例，闡述零部件的三維建模流程。

1.1　底座的三維建模

選擇前視基準面，草圖繪制構建二維圖形，智能標注約束尺寸，生成的底座二維圖如圖1(a)所示；利用特征中的拉伸功能給定深度生成凸臺，采用從下往上的原則構建模型，依次添加合適基準面，繪制草圖并拉伸切除得到模型毛坯，如圖1(b)所示；將模型毛坯進行三維編輯，利用異形孔向導生成沉頭孔，并用裝飾螺紋線進行編輯生成螺紋，從而完成底座三維模型的建立，如圖1(c)所示。

圖1　底座三維建模

1.2　移動橫梁的三維建模

設置命令快捷鍵，使快捷鍵字母控制常用的正視圖、草圖繪制、拉伸、切除和陣列等命令，提高畫圖效率，如圖2(a)所示；通過快捷鍵繪制二維草圖，利用特征中的拉伸、切除、鏡像等功能，得到移動橫梁三維模型，如圖2(b)所示；通過PhotoView360插件，選擇移動橫梁零件，添加渲染功能，將移動橫梁外觀設計成鍛鋼材料，如圖2(c)所示。

2　電液伺服萬能試驗機的虛擬裝配

采用自下而上的方式對電液伺服萬能試驗機進行裝配[5]，根據各零部件的配合關系來選擇合適的約束條件將各零部件裝配為一體。因電液伺服萬能試驗機零部件多達百件，如果僅在一個裝配體內完成，裝配關系不易捕捉，裝配錯誤不便于查找修改，導致軟件運行速度較慢，因此在此采用總—分—總的裝配原則。先將各個零件裝配成基底裝配組、移動橫梁裝配組及上橫梁裝配組，再用3個子裝配體構建主機裝配體，提高裝配效率，便于操作零件。下面以移動橫梁裝配組為例，闡述裝配體創建流程。

以移動橫梁為基底，將移動橫梁的原點設置為裝配體的原點；添加鉗口夾板、擋板，并通過螺栓固定；鉗口夾板與輔具是通過小油缸伸縮實現夾緊功能，通過裝配關系，完成移動橫梁卡具裝配，如圖3(a)所示；上螺母與下螺母分別裝配于移動橫梁上、下表面，通過螺栓固定，與絲杠螺紋連接，螺紋傳動實現移動橫梁上下移動，移動橫梁裝配組如圖3(b)所示。

基底裝配組、移動橫梁裝配組及上橫梁裝配組創建完成后，新建裝配體文件，將基底裝配組設置為基底，后續添加兩個子裝配體，將鈑金裝配到工作臺上；利用絲杠、導柱與上橫梁的同軸心配合和 前視基準面平行得到電液伺服萬能試驗機整機，如圖3(c)所示。

圖3　移動橫梁組及整機裝配

3　電液伺服萬能試驗機的演示動畫

正確建立電液伺服萬能試驗機的裝配模型后，根據實際裝配工藝流程，選擇相應的爆炸零部件、爆炸方向及距離，對電液伺服萬能試驗機主機分步驟爆炸，如圖4(a)所示。完成爆炸視圖后，便可進入SolidWorks Motion分析界面。在MotionManager工具欄中，選中動畫向導中的爆炸選項，依次添加爆炸、解除爆炸和旋轉模型，通過設計時間長度與開始時間(間隔最好控制在5 s內)，使其平滑過渡到下個演示環節，動畫控制選項如圖4(b)所示。

完成裝配體的動畫制作后，在時間線視圖中對應生成爆炸動畫鍵碼，拖動時間軸，瀏覽動畫效果，在展示零部件的過程中，添加合適的視圖鍵碼，以便于更好地展示各零部件的裝配關系，SolidWorks Motion界面如圖4(c)所示。

演示動畫無誤后，即可保存成AVI演示動畫，方便安裝人員裝配，代替紙質版的裝配流程文件。若演示動畫時間較長，輸出的視頻文件較大，可以通過視頻錄制軟件進行截屏錄制[6]，保證視頻畫面清晰，同時降低了文件的大小。

圖4　動畫向導界面

4　電液伺服萬能試驗機的運動仿真

SolidWorks Motion中運動單元功能強大，在裝配好的主機上定義底座為靜止部件，活塞和工作臺為運動部件[7]，以油缸底面中心為原點建立坐標系，X軸正方向水平向右，Z軸正方向垂直向上(見圖5)，并將活塞定義為線性馬達，運動方向為Z軸正方向[8]。

調試過程中，需要對電液伺服萬能試驗機主機進行力值標定，設定出廠標準值，方便使用單位檢測試樣[9]。其過程為借用力值傳感器，液壓系統將活塞升高頂起工作臺，工作臺與中橫梁形成一個反力架，對力值傳感器進行擠壓。為使標定數值更準確，避免傳感器擠壞，需對活塞進行運動仿真。仿真完成后，Motion能將工作臺的位移、速度、加速度的變化趨勢通過圖表的形式直觀地表現出來，如果數據偏差大，可在設計模式下直接修改運動參數，重復進行仿真，直到符合預期的結果為止[10]。

圖6為工作臺的運動特性曲線。從圖6可以直觀地看到工作臺上升過程中位移、速度、加速度與時間的關系。選取最大試驗力為1 000 kN，工作臺的上升距離不能超過250 mm，力值標定中傳感器變形量較小，工作臺上升距離一般為4 mm～5 mm即可，運行速度上限為50 mm/min，通過線性馬達中的線段函數，可以得出工作臺的加速度低于10 mm/min2，滿足電液伺服萬能試驗機主機設計要求。

圖5　電液伺服萬能試驗機坐標

圖6　工作臺的運動特性曲線

5　結語

發揮SolidWorks三維設計的優勢，對電液伺服萬能試驗機主機進行三維建模與虛擬裝配，為零件加工與裝配提供便捷；結合Motion模塊，生成演示動畫視頻，為安裝人員提供直觀的指導；發揮軟件的運動單元功能，分析工作臺的運動特性曲線，通過曲線可以得到工作臺的位移、速度、加速度的變化趨勢，并得出最大加速度在承受范圍內，對力值傳感器不會產生損壞。

參考文獻：

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