三维建模在支架设计中的应用

三维建模在支架设计中的应用

三维建模工具已经越来越流行。因为它有很多与二维软件相比的优点。就支架设计而言,采用三维建模软件来进行设计目前只是处于起步阶段,还没有真正地运用到具体的设计工作当中。作为一个有益的尝试,本文就三维建模工具在支架设计中需注意的几个问题进行了说明,并就如何实现支架运动仿真问题进行了阐述。1solidford软件的特性三维建模软件众多,但价格大多比较昂贵,选择何种软件更符合企业的要求,使性价比达到最佳,是设计人员在选用软件时必须要考虑的问题。就目前市场上存在的各种三维建模软件来说,对于支架设计而言,选择SolidWorks、CAXA等中低端软件较为合理。这是基于以下几点考虑的:(1)SolidWorks能够胜任支架设计工作。其除了具备大多数三维建模软件所具有的功能外,还提供了独有的FeatureWorks(特征参数识别)技术,解决了不同CAD系统间在转化模型时无法识别特征的问题;具有自上而下的全相关设计功能,使得设计效率更高。不足之处是曲面造型功能不强。由于支架多是焊接结构件,不存在复杂的曲面,因而这个缺陷对于支架设计工作几乎没有什么影响。(2)价格较低。对于时下流行的各种三维设计软件来说,SolidWorks价格较低——其价格仅为工作站相应软件价格的1/4～1/5。(3)提供了比较完备的接口功能,目前能够和AutoCAD、有限元分析软件ANSYS和Cosmos、机构运动学分析软件MotionWorks和VisualNastranDesktop、三维建模软件Pro/E和UG以及产品数据管理(ProductDataManager-PDM)等软件实现无缝兼容。(4)易于掌握和操作。在众多的三维建模工具当中,SolidWorks易学易用是众所周知的。这样可以节省大量的学习费用和时间。(5)具有简体中文和英文两种界面,同时还提供了AutoCAD模拟插件——可以象在AutoCAD环境下那样去完成草图制作(也可以将AutoCAD绘制的草图直接调到SolidWorks中)。可以轻松地实现软件间无障碍过渡。2在建模中，我们应该注意几个问题2.1绘制二维工程实例草图上最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。这是因为三维绘图软件的草图绘制功能大多较弱,如果要象绘制二维工程视图那样绘制草图,效率会很低,实践证明也没有这个必要。再就是如果草图过于精细,生成模型时会耗尽计算机资源,使得三维模型生成速度很慢,有时简直达到难以忍受的地步。这是由于实体模型是通过布尔运算生成的,草图过于复杂会导致运算工作量较大,耗费机时较多,实体模型的生成速度自然也就很慢。2.2创建实体模型的前提由于实体模型可以有多种不同的生成方法,采取何种方法更为合理、高效,需要有一个经验积累过程。一般来说,旋转、扫描(sweeping)比拉伸生成的模型高效;排列、镜向比逐个生成快捷。就象制作圆柱模型,可以通过拉伸生成,也可以通过旋转获得。但旋转生成模型的速度会更快,生成的文件的体积也较小。对于复杂的零件,选择合理的生成方法就显得尤为重要。因为选择不正确的生成方法不但效率低,而且有些情况根本就不能生成实体模型。因此设计人员在设计实体模型之前,必须要考虑好模型的生成方法和步骤。这就要求设计人员要有较好的空间想像力和抽象思维能力,这也是三维建模同二维图形绘制最大的不同点之处。2.3零件组合设计自上而下(Top-Down)设计是针对传统的自下而上的设计而言的。所谓自下而上的设计,是先绘制零件图,再由零件装部件,然后用零件和部件总装产品,这也是通常采用的设计方法。而自上而下的设计是先设计总装图,然后拆部件和零件图。由于在装配体上直接设计出零部件,这样就从根本上避免了干涉现象的产生。同时当装配体设计完毕,零部件也就生动生成,自然就减少了工作量,提高了工作效率。特别是在新产品的开发和研制阶段,这种设计方法的优点是不言而喻的。图1是自上而下设计过程说明图例。二维视图同三维模型具有互动性。所谓互动性,即如果修改了二维视图,则三维零件图、部件图和装配图都随之修改。反之,如果三维零件图、部件图和装配图其中任何一个得到了修改,则所有的其它的视图(模型)也就自动发生相应的变化。为了更能说明问题,下面在支架底座部件图上设计前连杆模型,最后将前连杆模型分离出来的具体图例(图2)。如图2所示,先在底座部件图上直接绘制前连杆模型,当前连杆模型生成后,其零件图也就自动生成了(绘制零件模型前必须为零件模型另命一文件名,这样当零件模型建立后,除了部件图上有该零件,同时该零件模型也已自动地存储到另外一个文件中)。当装配模型生成后,所有的零件模型也就生成了。这样做的效率自然事半功倍。要注意的是,用这种方法绘制图形前必须要注意零件间的约束关系。正确的约束关系不但使零件模型生成得快捷,而且修改起来也十分方便。2.4支架模型的建立创建三维模型,不仅仅是为了造型,更多的是为了今后使用方便——如设计的修改和调整、虚拟装配、动力学分析、运动分析等。一般对于开发性设计来说,造型的近期目标就是为了修改。具体到支架设计,由于每次设计所要求的支护强度各不相同,所设计的支架模型在完成机构运动学目标后,还要通过强度验算同时确保支架总重量不超过一定数值,因此支架模型只有在通过强度验算合格和总重量不超标的情况下才能正式确定下来。也可以说,在设计时,修改零件模型是必不可少的。这就要求所创建的零件造型结构完整,尺寸和几何约束齐全、正确,以便在今后的零件设计过程中,随时可以方便地对不合理的结构做出修改。要明确零件造型的目的。在不影响零件的基本特征和受力的情况下,某些细小特征(如较小的圆角和倒角)可以省略,还可以将有关部件直接绘成一个零件模型,减少模型存储量以及缩短模型生成时间,从而提高了工作效率。对此设计人员必须有一个正确的认识。2.5在安装过程中，应注意几个问题总的来说,装配过程是较为简单的。但是还是要注意几个问题。(1)简化立柱、千斤顶的装配由于现有的很多软件很难识别柱窝和立柱缸体底部圆球面的配合关系,所以装配过程比较复杂,有时甚至没法装配。有一个解决方法就是将立柱简化成图3所示的铰点(joint),这样还有一个优点就是在进行动力学分析(dynamic)和运动学分析(kinematic)时比较方便(简化成转动副)。还有就是立柱以及各种千斤顶的活塞和缸体最好在总装图中装配,不要先装配成一个部件,然后调入到总装图当中。如果先装配成部件,在进行运动分析时,软件很难识别其约束关系,而将立柱和千斤顶视为一个整体。(2)将民间职能作模型进行渲染对于销轴等联接件应尽量先装配到部件图当中,然后作为一个部件调到总装图中,这样易于进行动力学分析。如图4所示的底座部件图那样,先将销轴装配到底座部件图当中,然后将底座部件图调入到总装图中。为了使实体模型有逼真的效果,可以通过PhotoWorks来对模型进行渲染,以达到逼真的效果。另外也可以将模型以*.IGS/IGE/IGES格式存储,然后调到3dsmax下进行渲染。图5是三维建模软件所设计的支架三维实体模型。2.6仿真中的应用必须指出的是,目前现有的三维建模工具仅仅是完成模型制作,并不能实现运动仿真以及完成动力学分析。要想实现上述两个功能,必须要选用相应的软件或模块。具体到SolidWorks,能够同其实现无缝兼容的运动仿真软件有MotionWorks、SimpleMotion、DynamicDesigner/Motion、VisualNastranDesktop等。这里将就支架实现运动仿真可能会出现问题的地方进行有关说明。目前运动仿真软件能够自动识别大多数约束关系(也可以手工加上约束关系),但是个别地方还是需要调整的。具体到支架,需要调整的地方主要是立柱和千斤顶。首先要注意装配顺序。对于立柱、千斤顶来说,最好将柱塞和缸体放到总装图中来进行装配,这样做的目的是为了让系统自动识别其约束关系,从而将其识别成为移动副(cylindricaljoint)。如果先将立柱组装成部件图,然后再将部件图调入到总装图中,则系统大多不会识别柱塞和缸体的约束关系,这时需要手工加上约束关系。还有就是将系统识别错误的运动副改为正确的运动副,这种情况大多数会发生在销轴处。一般来说,系统更多的时候将销轴的约束关系识别成移动副,这时需要将更改为转动副(revolutionjoint)即可。所有的约束关系都无误,加上动力系统就可以进行运动仿真了。图6为支架加上约束时的状态。2.7维工程实例目前设计、生产、制造、加工等部门最终都是以二维工程视图为依据来对机械产品进行描述。因而三维实体模型在完成动力学分析、运动仿真后最终还要生成二维工程视图。一般来说,二维工程图是由三维建模软件自动生成的,但也有几个问题需要注意。(1)必须调整和修改图纸所刻的尺寸由于尺寸标注是由三维建模软件自动生成,个别地方还要加以调整和修改,以符合国标要求。(2)零件需要作剖视图、局部剖视由于三维软件只自动生成3个主视图,为求信息表达的完整性,对于某些零件还要视情况加上剖视图、局部剖视图以及局部放大图。于设计人员需要做的工作就是决定在什么位置加上剖视图、局部放大图,然后让三维软件生成所需视图。(3)开目cd的开目目前对于二维图形的绘制、打印较理想的环境是AutoCAD和国内的开目CAD。由于SolidWorks能够以dwg格式存储二维图形文件,这样在完成上述几项工作后,只需要将工程图以扩展名为dwg格式存储,然后在AutoCAD环境下调用该文件就行了。3建立三维建模设计软件需要说明的是,三维建模工具仅仅完成了实体模型的制作,只有和有限元