机械机构三维CAD设计和仿真

1、基于虚拟技术的往复式套缸泵的设计和研制目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 3执行机构三维CAD设计和仿真2设计环境2软件环境2 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 硬件环境3 HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 往复式套缸泵零部件设计所用到的Inventor的功能4 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 建立基于特征的零件实体造型4 HYPERLINK l bookmark

2、38 o Current Document 标准件的插入和装配5 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 参数化结构尺寸设计6 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 虚拟装配6 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 往复式套缸泵零部件设计和虚拟装配7 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 主要零部件的设计7 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 零部件的虚拟装配和运动仿

3、真13 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 二维工程图的生成17小结183执行机构三维CAD设计和仿真随着三维几何模型技术的发展，设计人员可以直接在计算机显示器前构建和观察产品三 维形体和结构，进行三维装配、干涉检查、运动仿真、性能分析等，其设计结果可以用三维 模型存储，也可以由模型生成二维工程图供设备制造厂家参考使用。由于往复式套缸泵作为 一种新型有待开发的设备，对他的研究还刚刚起步，目前没有成型的产品可供参考，所以本 章采用三维CAD技术建立套缸泵执行机构的三维实体装配模型对其进行虚拟设计和分析。 这主要包括软件选型、零部件设计、虚拟装配和运

4、动分析等内容。3.1设计环境3.1.1软件环境目前市场上各类机械CAD/CAM软件产品众多，功能也各异，但总的来说可分为三类， 如表3.1。表3.1 CAD/CAM软件产品的分类软件类型软件功能价格高低高档软件以三维实体造型为主，功能强大，能较好地完成从设计、工程分 析到制造，从三维实体造型到二维工程图地一体化CAD/CAM功能， 具有仿真分析及有限元分析，带有二维及三维标准件模型库。代表：Autodesk Inventor、Pro/ENGINEER、UG、I-DEAS高中档软件以三维实体或曲面造型结合二维绘图，功能有限且较单一，能完 成中等复杂零件地CAD，有的具有简单的模具CAD的功能。代

5、表：Autodesk Mechanical Desktop、Pro/DESKTOP、Solidwork中低档软件以二维绘图功能未主，能实现计算机辅助绘图。代表：Autodesk Mechanical、CAXA、KMCAD低在一定经济基础条件下，目前能满足CAD/CAM流程功能图中的所有功能又能形成一 定CAD应用规模，并能真正实现虚拟样机设计和仿真的软件选型方案应为高端CAD软件。 以其核心模块为软件系统基本配置，再配备一些机械设计、制造、仿真分析等专业模块，该方案性能价格比较好，基本模块主要用于产品零部件设计、一般复杂程度的装配设计、基本 机构设计及绝大部分2D工程图的设计出图。专业模块主要

6、用于复杂装配设计、标准件选用、 各类工程分析及CAM加工，由于软件各模块具有相同核心，故集成性好，可实现并行设计、 整个系统利用率高，成本相对也较低。从满足CAD/CAM项目总体流程功能等角度出发，建议采用美国 Autodesk公司的Inventor.Professional CAD/CAM软件为首选软件，其理由如下：Inventor.Professional软件是参数化、特征造型、全相关性、实体建模、统一数据库等代 表当今CAD/CAM软件先进技术水平，这些技术也成为MCAD (Mechanical CAD)领域的新 标准。Inventor.Professional软件功能强大，系统稳定可靠

7、，硬件配置要求低、集成高中低档软 件(Inventor、Mechanical Desktop和Mechanical)于一体，能很好地满足设计人员从设计分 析、三维造型、工程分析及绘制2D工程图不同时期不同层次的需要。Inventor.Professional软件在产品设计、模具设计、二维工程图设计、制造等开发的任意 阶段，可方便地允许工程师修改方案，即使在开发的最后阶段更改后，所有相关数据自动更 新，从而保证设计质量、提高效率。Inventor.Professional软件的资源中心提供访问和利用标准件库中包含的标准零件和特 征的功能。设计人员可以在其中查找相关国家的标准件、零件或特征，然后将

8、该标准件放置 到文档中。同时也可以在其中查找和编辑资源中心库，或将自有零件或特征发布至现有可读 写库中，作为自有标准件储存起来。Inventor.Professional软件最终输出的二维工程图以DWG格式为主，便于交付生产厂家 制作，提供生产效率。Autodesk公司是世界领先的设计软件和数字内容创建公司，产品用于制造业、建筑设 计、土地资源开发、生产、公用设施、通信、媒体和娱乐。在数字设计市场，没有哪家公 司能在产品的品种和市场占有率方面与Autodesk匹敌。作为世界上最大的软件公司之一， Autodesk的用户遍及150多个国家，数量超过六百万。目前全球财富100强企业的100% 和财

9、富500强企业的98%，都已经采用了 Autodesk软件技术及其应用解决方案。本课题往复式套缸泵零部件设计采用的软件环境是Autodesk公司最新的 Inventor.Professional 软件即 Autodesk Inventor Professional 11。3.1.2硬件环境目前运行机械CAD/CAM软件的硬件环境主要有：UNIX图形工作站、NT PC工作站和 高性能PC机，这三类硬件的有关比较如表3.2所示：表3.1 CAD/CAM软件产品的分类硬件环境性能价格UNIX图形工作站运行高端CAD/CAM软件的传统硬件，图形处理效果优异， 系统响应快，但因是操作系统维护及操作有一定

10、难度，价格较昂 贵，淘汰后再利用程度低。高NT PC工作站基于Windows NT环境、运行高端及中端CAD/CAM软件的 硬件，图形处理效果好，比UNIX工作站较逊色，但价格相对便 宜，且因仍是PC机，系统维护及操作较简单。硬件淘汰后可用 于OA及MIS。中高性能PC机采用3D图形加速卡及大屏幕彩显/液晶，配置高于普通PC 机；可运行中端CAD/CAM软件及二维绘图CAD软件。运行三 维CAD/CAM软件时稳定性较差，系统响应慢。低本课题在高性能PC机完成。3.2往复式套缸泵零部件设计所用到的Inventor的功能往复式套缸泵机械机构由很多装配件和零件组成，在Inventor环境下进行机械机

11、构的虚 拟设计也是从这些子装配体及其零件开始的。从总体上分析，进行机械机构的虚拟设计可以 按照流程图4.1所示的流程来进行。人机界面图3.1机械机构虚拟设计流程3.2.1建立基于特征的零件实体造型在不同的应用领域和不同的企业，特征的抽象和分类方法有所不同，针对机械产品及其 工程图纸信息，可将常用的特征信息分为如下五大类：1）管理特征，是与零件管理有关的信息集合，包括标题栏信息（如零件名、图号、设 计者、设计日期等），零件材料属性，标注粗糙度等信息；2）技术特征，是描述零件性能和技术要求的信息集合；3）材料特征，是与零件材料和热处理有关的信息集合，如材料性能、热处理方式、硬 度要求等；4）形状特

12、征，是描述零件几何形状、尺寸的许可变动量的信息集合，包括公差（尺寸 公差和形位工程）和表面粗糙度；5）装配特征，是与零部件装配有关的信息集合，如零部件的配合关系，装配关系等。 本课题在建模过程中，主要用到的是零部件的形状特征和装配特征，在此可以分解出各零部件的形状特征类别如图3.2所示:图3.2形状特征类别3.2.2标准件的插入和装配在Inventor环境下所有标准零部件的特征和类别都集成到资源中心，设计人员通过Auto Drop方式可以在三维造型空间环境中插入和装配标准件。资源中心是一个预安装的零部件库，其中包含数千个可插入部件中的标准螺钉、螺栓、 螺母、垫圈、销等。其有两种不同的使用环境：

13、使用者环境：允许查找库零件或特征，并将其放置到文档中。编辑者环境：允许查找并编辑资源中心库，或将零件或零件特征发布到现有可读写库 中。资源中心使用者环境可满足资源中心客户在设计过程中使用库零件的需要。通过使用以 下操作之一可访问并使用资源中心库零件：从资源中心打开，打开族零件。从资源中心放置，将特征放置到打开的零件文件或将选定零件放置到打开的部件文件 中。从资源中心放置特征，将族特征放置到打开的部件文件中。放置自动放置的零部件。更改尺寸更改放置的族零件的尺寸。使用资源中心库中的成员替换现有资源中心零件或非资源中心零件。标准零件（紧固件、轴用零件）将所有零件参数均以精确值定义在参数表中。您可以通

14、 过从下拉列表中选择各零件参数的值来选择标准零件的大小（尺寸）。Auto Drop使用功能设计自动化增强拖放技术。当您以Auto Drop方式将标准零件插 入部件时，标准零件的零件文件会自动保存到资源中心库零件的指定保存位置。自动放置将 自动询问要基于标准件族特征放置和测定尺寸的几何图元。将亮显能够支持所选族中的标准 件的几何图元，且Auto Drop将预览建议的尺寸和放置。当您在各种支持的几何图元上移 动光标时，Auto Drop将动态地更新预览直到您做出选择。选择后，将会显示工具，以帮助 您编辑或接受尺寸。例如，可以将“螺母”族拖放到部件中的垫圈，Auto Drop会查找适当的螺母、将其插

15、入 到部件中并使其与部件中的环境向配合。这样，就不再需要浏览或搜索适当的零件和尺寸。使用自动放置可以放置以下零部件：螺栓、螺母、垫圈、带孔销、轴承、弹性挡圈。同时在集成的Inventor软件中还包括孔、型材、轴用零件、弹簧、链条和皮带凸轮等标 准件，可以在三维和二维环境中插入和装配。3.2.3参数化结构尺寸设计三维设计开始于零件模型的建立，零部件三维模型的构建是实现虚拟设计和虚拟制造的 基础。采用三维CAD造型系统是实现产品三维设计的有效途径，而提高三维模型设计效率 的最好方法之一是基于特征的参数化设计。参数化设计主要体现在两个方面：一是用程序实 现参数化设计，即利用参数化绘图程序生成图形：二

16、是利用CAD系统提供的参数化功能实 现模型的设计变量驱动，即在模型构建过程中用变量来控制模型的几何尺寸和约束关系。后 者主要是利用CAD系统的全参数化功能，无须用户编程，利用设计变量控制模型的形状和 大小，即用户通过直接控制变量的数值实现对模型的编辑，同时可以建立电子表格驱动设计 变量实现同类型模型的编辑。这种方法较之前者要求用户必须掌握CAD系统的造型方法和 一定的使用技巧。3.2.4虚拟装配虚拟装配是产品设计工程中，为了更好地帮助设计者进行与装配有关地设计决策，在 虚拟环境下对三维造型环境下地模型进行装配关系分析地异向计算机辅助设计技术。虚拟 装配的定义是根据产品设计的形状特性、精度特性，

17、三维真实地模拟产品装配过程，并允 许用户以交互方式控制产品地三维真实模拟装配过程，以检验产品地可装配性。虚拟装配主要有以下两个装配原则：按自底向上（down-top）装配原则，对机械机构的零件实体建立、零件间的装配约束 关系分析完成后，接着按约束关系进行虚拟装配，即从子装配到总装配体的过程。首先进 行各子装配体的装配，经检查无误后再将各子装配体装配成总装配体。对某一子装配体来 说，其装配是通过每两个或两个以上零件之间的装配来完成。只要装配成功，对零件的个 别特征修改不影响装配约束关系，这为修改设计节省了时间，带来了方便。按自顶向下（top - down）装配原则，设计者首先根据设计要求、设计空

18、间要求计划机 械机构部件的设计意图和产品结构，建立BOM表。在Inventor环境喜爱利用模型树（Model Tree）建立产品的结构（BOM），而不是实现创建所有零件。接着把未创建的零件和现存 的零件或子部件加入排序中，随后导入模型，这样可以设计零件空间、零部件的装配关系、 表达简化型机构运行关系。该模型符合了人们“Top - Down ”式的自然习惯，先粗后精， 由抽象到具体，在产品从上而下的设计、限制、规格等要素明确定义清楚后，将这些设计 规范传送到每一个子装配体（Sub-Assembly）与零件（Part）中，以保持产品结构的一致性。 掌握设计意图，使组织明确，更能在设计协作分工间迅速

19、传递设计信息，达到信息共享的 目的。产品中零部件的装配设计往往是通过相互之间的装配关系表现出料，因此描述产品零 部件之间的装配关系是建立装配模型的关键。装配关系是零部件之间的相互位置和配合关 系，它反映零件之间的相互约束以及相互运动。零部件的装配关系如图3.3所示：图3.3装配关系分类进行两个零件的装配时，首先要正确确定两个零件之间的约束关系，Inventor软件提供 装配约束关系有：配合约束（贴合关系和对齐关系）、对准角度约束、相切约束、插入约束、 转动约束、转动-平动约束。这些约束关系在机械机构中经常用到。但任何一种约束在装配 体中一旦被指定，除非重新改变装配零件之间的约束关系，它不会发生

20、改变。3.3往复式套缸泵零部件设计和虚拟装配在往复式套缸泵设计中的所有零部件中，对每个零部件的三维设计都要用到上述的基本 功能。在考虑每个零件的建模时，首先应该根据零件的最终形状特性绘制合适的初始草图， 然后对各个草图添加需要的约束，将零件特征的种类及生成顺序进行系统的规划和分析，针 对每个零件的具体特征，确定是选用草图特征、直接生成特征还是辅助特征。方案确定后， 按照既定顺序，采用恰当的手段来生成零件的基本特征，最后再附加一定的修饰特征，完成图3.4往复式套缸泵执行机构总体设计流程图3.3.1主要零部件的设计由于往复式套缸泵所设计的零部件较多，这里主要介绍主要零部件的设计即输送缸、料 斗及切

21、换阀的设计。（1）输送缸 输送缸作为套缸泵的最关键部件其是由缸底、缸体、活塞体、套缸、密 封环、橡胶活塞、进油管、密封件、螺栓联接件等零件组成。由于先前的计算我们首先确定了套缸的缸径为160mm，行程为1000mm。这样我们先创建套缸零件，然后根据装配关系 设计其他零件。套缸零件具体创建过程如下，具体如图3.5所示。（b）绘制草图特征- 4*- MiTF: GHIIa）新建零件（c）添加草图约束（d）生成基本特征（旋转特征）(e)添加修饰特征(倒角特征、打孔特征)(f)指定零件物理特性(g)保存零件(h)完成零件建模其他零件的建模如缸底、图缸体套活零件具体创封聃示橡胶舌塞、进油管、导向套、密封

22、件 等都可采用上述的过程，具体步骤不在详述，以下是各个零件的三维模型图，如图3.6所示。(a)缸底三维模型(b)缸体三维模型(c)活塞体三维模型(d)橡胶活塞三维模型（e）密封环三维模型（f）进油管三维模型图3.6输送缸零件三维模型图（2）料斗体料斗体是套缸泵用于存料的方形斗，它的一段与输送缸联接，另一端与 切换阀联接，其底部与机架联接。它是由料斗、压环、密封座、过料环、密封件及螺栓联接 件等零件组成。料斗、压环、密封座和过料环的设计都是零件三维模型，其创建过程如同上 述，具体模型图如图3.7所示。(a)料斗三维模型(b)压环三维模型(c)密封座三维模型(d)过料环三维模型图3.7料斗体零件三

23、维模型图这里我们介绍密封件O型圈的装入，由于在INVENTOR软件的资源中心已集成各个国 家标准的O型圈三维模型，这样我们就可以不必再绘制O型圈，直接可以从资源中心把所 需尺寸的O型圈放置到部件环境中，具体过程如图3.8所示。(a)打开资源中心选择O型圈3）插入O型圈的三维模型图3.8 O型圈装入过程示意图（3）切换阀切换阀是套缸泵的关键部件，它直接影响整个执行机构的结构和性能， 如料斗的布置、泵的出口形式以及工作可靠性等。对于套缸泵，切换阀具有二位二通的性能 （二位一一开启或关闭；二通一一通料斗出料口及人形管进料口）。本课题切换阀采用的是 闸板式结构，它靠一个液压缸带动一个往返运动的闸板组件

24、，周期地开闭料斗的出料口，闸 板组件内设有耐磨件和弹性元件，可以补偿因闸板磨损导致的密封间隙，从而确保切换阀能 维持可靠的高压密封性。其特点是构造简单、制作方便、耐磨损、寿命长；闸板关闭通道时， 象一把刀子切断散料柱，所以比较省力；闸板组件由液压缸直接驱动，开关迅速、及时。切换阀主要是由进料管、出料管、联接板、静摩擦板、阀芯、摩擦板、橡胶弹簧、侧板、 液压缸、密封件及螺栓联接件等零件组成。进料管、出料管、联接板、静摩擦板、阀芯、摩 擦板、橡胶弹簧、侧板、液压缸的设计都是零件三维模型，其创建过程如同上述，主要零件 具体模型图如图3.9所示。（a）进料管三维模型（b）出料管三维模型（C）静摩擦板三

25、维模型（d）摩擦板三维模型（e）橡胶弹簧三维模型（f）阀芯三维模型（g）联接板三维模型（h）液压缸三维模型图3.9切换阀零件三维模型图3.3.2零部件的虚拟装配和运动仿真完成了所有零件的三维实体造型，只是完成了产品结构设计工作的一个部分。每个零件 的结构造型是否合理，是否能够满足装配要求，是否能够顺利地组装，都还需要通过装配设 计步骤的检验。我们使用Inventor软件中装配模块的装配功能，利用上述三维零件，根据一 定的装配关系，可以生成往复式套缸泵的装配模型，然后使用运动仿真可以在建立原型之前 预测运动性能和应力峰值。（1）虚拟装配往复式套缸泵执行机构是由多个零部件、标准联接件及密封件组装而

26、成。我们先对各个 主要部件进行虚拟装配，然后再最后对整个执行机构进行装配。每个部件虚拟装配的基本步 骤是创建部件一一装入零部件一一添加装配约束一一干涉检查一一插入标准联接件一一保 存部件。这里以输送缸部件为例具体介绍虚拟装配设计，如图3.10所示。（a）创建部件（员装入零部件（c）添加装配约束（d）干涉检查（6）插入标准联接件（f）保存部件图3.10输送缸部件装配流程示意图其他部件和执行机构的虚拟装配设计流程也如同上述，具体装配模型图如图3.11所示。（a）料斗体装配图（b）切换阀装配图一由虐. 探混!Q1 O*.N 4i flbAMtd .Ci VKflKR t $I中 EF U.;E |

27、.sHMirS i.r?uir：t*嬲折* 口1 OWDLiEi siiut：2i o 耶:nw .。：刑胃出JO5：1=5j：-3i1L* 口HWI瞬河N爵粘件”I亍靖弱：1 ! 3* # 尊漕（c）执行机构装配图图3.11部件和执行机构装配图（2）运动仿真第二章进行了往复式套缸泵的运动分析，这样在完成执行机构的总装配模型后，我们就 可以使用Inventor软件的运动仿真模块预测套缸泵运动性能和应力峰值。因为运动过程存在 相似性，所以本文主要对单个输送缸进行运动过程分析和对套缸泵执行机构进行整个输送过 程的仿真分析。1）输送缸 在输送缸零件运动过程中，动作顺序为：套缸前进装料一一套缸到位活塞

28、 前进一一活塞到位套缸后退，循环往复。下面介绍如何对输送缸进行运动仿真，具体如图 3.12所示。（a）启动运动仿真模块（b）建立运动关系连接（c）添加运动载荷（d）添加约束条件（e）运行仿真（f）输出仿真结果录像（g）仿真录像截图（h）仿真录像截图图3.12输送缸运动仿真示意图2）执行机构运动仿真在执行机构运动过程中，动作顺序为：1#套缸前进装料一一1# 套缸到位/1#活塞前进送料/2#套缸前进装料/1#切换阀开启一一1#活塞到位/1#套缸后退/1#切 换阀关闭/ 2#活塞前进送料/2#切换阀开启一一1#套缸后退到位/1#套缸前进装料一一2#活塞 到位/2#套缸后退/2#切换阀关闭/1#套缸到位/1#活塞前进送料，循环往复。在附录A中给出 套缸泵执行机构在一个运动周期的仿真动画图片，其所示为几个代表性位置的动画截取图 像，以演示机构在运动过程中的相对位置和总体状态。3.3.3二维工程图的生成在传统设计中，设计和加工的依据是二维工程图，二维图制作也就是整个设计的最后环 节，当工程图绘制完成后，即可将其送至加工部门进行加工，以往这个环节都是使用Autocad、 CAXA等二维相关软件，但采用Inventor软件后，由于其本身就具有工程模块（idw），使得 二维工程图可以从3D造型设计到2D工程绘制一气呵成，大大节省了不同软件之间转换的 时间。Inven