0 引言

氣壓閥主要用于控制氣體進(jìn)出，通過(guò)電氣或手動(dòng)信號(hào)輸入控制閥體開(kāi)關(guān)，使氣體進(jìn)出停止?jié)M足控制要求。氣壓控制閥主要有三種：壓力調(diào)節(jié)閥、節(jié)流閥和順序閥。以氣壓調(diào)節(jié)閥為例，其功能是控制和保持出口工作壓力不受入口壓力和空氣消耗的影響。其原理是利用彈簧和螺釘來(lái)控制出口空氣的壓力。當(dāng)出口壓力高于彈簧設(shè)定壓力時(shí)，空氣從接頭的孔流出，直到恢復(fù)原來(lái)的壓力。氣壓調(diào)節(jié)閥廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)機(jī)械行業(yè)，其結(jié)構(gòu)和模擬是設(shè)計(jì)和教學(xué)的難點(diǎn)。

Solidworks是優(yōu)秀的CAD其中一個(gè)軟件可以完成氣壓調(diào)壓閥的建模設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行虛擬組裝、運(yùn)動(dòng)模擬、運(yùn)動(dòng)分析，最終在其插件中生成工程圖和PHOTOWORKS渲染輸出等。機(jī)構(gòu)分析的模擬結(jié)果可以方便地用于設(shè)計(jì)和多媒體教學(xué)，也為機(jī)械專(zhuān)業(yè)的虛擬教學(xué)提供了思路。

1 分析過(guò)程

1.1 建模設(shè)計(jì)

Solidworks通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、掃描、抽殼、圓角、特征陣列、沖孔等操作，提供強(qiáng)大的基于特征的物理建模功能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。氣壓閥部件包括：閥體、上蓋、軸承、軸承襯套、偏心凸輪、軸承、鑰匙、螺釘、管接頭1、壓力調(diào)節(jié)螺母、鋼珠、彈簧座、壓力調(diào)節(jié)彈簧、O型環(huán)一、外蓋、活塞桿、O型環(huán)二、彈簧塞桿、彈簧、調(diào)壓螺帽、螺塞、管接頭二，共有22個(gè)部件，以下是主要部件的造型過(guò)程。氣壓調(diào)壓閥的具體建模設(shè)計(jì)工藝如下：

（1）打開(kāi)Solidworks2010年，新零件1閥體，基準(zhǔn)面新草圖，依次具有拉伸、旋轉(zhuǎn)卸料、倒角、陣列、螺紋線、基準(zhǔn)面、草圖、掃描切割、圓角等特點(diǎn)。具體建模尺寸參照建模/機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)綜合培訓(xùn)教程，三維建模過(guò)程如圖1所示。

圖1 閥體建模

（2）新零件2軸，在基準(zhǔn)面上創(chuàng)建草圖后給出旋轉(zhuǎn)添加劑特征，然后創(chuàng)建草圖，然后給出旋轉(zhuǎn)卸料和倒角特征，最后創(chuàng)建草圖后拉伸卸料。三維建模過(guò)程如圖2所示。

圖2 心軸建模

(3)新零件3上蓋，在基準(zhǔn)面創(chuàng)建草圖后給出旋轉(zhuǎn)添加劑特征，然后添加倒角特征，給出拉伸卸料特征后的圓形陣列；同樣，構(gòu)建零件4軸承襯套和零件5偏心凸輪模型如圖3所示。

圖3 上蓋、軸承襯套、偏心凸輪建模

(4)從設(shè)計(jì)庫(kù)中取出標(biāo)準(zhǔn)零件，然后存儲(chǔ)為6軸承、7螺釘和8平鍵。三維模型如圖4所示。

圖4 軸承、螺釘、平鍵建模

(5)新零件9管接頭、10調(diào)壓螺帽、11鋼珠，三維模型如圖5所示。

圖5 墊片、彈簧蓋和活塞桿的建模

♂

(6)12彈簧座、13彈簧、14外蓋、螺栓、13彈簧、14外蓋、螺栓和螺帽中的螺紋。三維模型如圖6所示。

圖6 彈簧座、彈簧、外蓋建模

1.2 虛擬裝配

虛擬組裝可以驗(yàn)證組裝設(shè)計(jì)和操作是否正確，以便盡快發(fā)現(xiàn)組裝中的問(wèn)題，修改模型，并通過(guò)可視化顯示組裝過(guò)程。虛擬組裝系統(tǒng)允許設(shè)計(jì)師考慮可行的組裝順序，并自動(dòng)生成組裝計(jì)劃，包括數(shù)值計(jì)算、組裝過(guò)程規(guī)劃、工作面布局、組裝操作模擬等。

(1)新建裝配體1氣壓調(diào)壓閥，插入零件1-22次，插入六角螺母4次，增加配合重合和同軸關(guān)系。整個(gè)裝配體如圖7所示。

圖7 氣壓閥組裝

（2）單擊工具中的干涉檢查和計(jì)算表明有多種干涉。詳細(xì)的檢查干涉是螺紋干涉，因此可以忽略（建議用裝飾螺紋線代替螺紋形狀，不存在干涉問(wèn)題，提高運(yùn)行速度），表明組裝完全正確，干涉檢查如圖8所示。

圖8 氣壓閥干涉檢查

(3)干涉檢查完成后，單擊插入爆炸視圖，爆炸順序?yàn)檠b配逆序，裝配體爆炸效果圖如圖9所示。

圖9 氣壓閥爆炸視圖

1.3效果圖渲染

效果圖是使用插件PHOTOWORKS完成后，添加零件的材料為帶有完整光源的默認(rèn)塑料和工作室，其他參數(shù)默認(rèn)，渲染效果圖如圖10所示。

圖10 氣壓閥的渲染效果圖

1.4 工程圖    

新建工程圖，新建模板設(shè)置為A4圖紙，插入所需部件軸，添加視圖、剖面圖、截面圖，標(biāo)記尺寸公差、形狀公差、表面粗糙度，生成軸工程圖，如圖11所示。

圖11 心軸工程圖輸出

♂

1.5 運(yùn)動(dòng)分析    

MOTION它的運(yùn)動(dòng)模擬CAE插件，可建立三維動(dòng)力模擬機(jī)構(gòu)模型，增加運(yùn)動(dòng)、約束、力、碰撞、模擬、干預(yù)分析、跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡、分析速度、加速度、力、反應(yīng)力、扭矩等，可輸出動(dòng)畫(huà)、圖形、表格等形式的結(jié)果，分析結(jié)果可指導(dǎo)修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或調(diào)整材料。

其具體運(yùn)動(dòng)過(guò)程：氣壓閥的動(dòng)力由軸傳輸，驅(qū)動(dòng)凸輪，使活塞桿向左推，使左密封空間變小。這增加了氣體的壓力，管接頭內(nèi)的彈簧也會(huì)由于內(nèi)部壓力的增加而排出高壓氣體，從而達(dá)到氣壓閥的壓力。

當(dāng)凸輪頂部朝相反方向時(shí)，活塞桿會(huì)壓縮彈簧的推力，向右移動(dòng)，增加左密封空間，氣體通過(guò)下管接頭進(jìn)入。

點(diǎn)擊菜單中的工具選項(xiàng)MOTION具體操作步驟如下：

(1)為了方便后期凸輪機(jī)械配合的操作，打開(kāi)零件凸輪，點(diǎn)擊分割線工具，選擇基準(zhǔn)面做草圖，將凸輪與活塞桿的接觸面分成四個(gè)接觸面，具體分割前后如圖12所示。

圖12 凸輪面分割

（2）與凸輪表面相同，打開(kāi)零件活塞桿，選擇基準(zhǔn)表面作為草圖，增加拉伸特性。注意不要檢查合并的實(shí)體選項(xiàng)，這將產(chǎn)生兩個(gè)實(shí)體，右擊新生成的矩形實(shí)體隱藏，如圖13所示。

圖13 創(chuàng)建活塞桿端部接觸平面

   (3)打開(kāi)裝配體，系統(tǒng)將重建對(duì)話(huà)框。點(diǎn)擊確定，刪除彈簧部件，重建基準(zhǔn)面，構(gòu)建彈簧，添加關(guān)系，然后保存彈簧，使彈簧相關(guān)，如圖14所示。

   

圖14 彈簧關(guān)聯(lián)設(shè)置

♂

(4)點(diǎn)擊添加配合，選擇凸輪相切配合，選擇新分割的凸輪四面和活塞桿端的接觸平面，如圖15所示。

圖15 凸輪配合

(5)點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)算例，添加旋轉(zhuǎn)電機(jī)，選擇軸，每秒輸入30轉(zhuǎn)，如圖16所示。

圖16

(6)選擇運(yùn)動(dòng)菜單MOTION點(diǎn)擊計(jì)算按鈕，點(diǎn)擊結(jié)果和圖解選擇零件活塞桿，獲得活塞桿Z如圖17所示。

圖17 輸出z平移位移和質(zhì)心速度的方向

（7）單擊運(yùn)動(dòng)菜單中的播放按鈕，獲得包括彈簧和凸輪實(shí)體模擬運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的完整氣壓閥。整個(gè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)如圖18所示，最終保存動(dòng)畫(huà)AVI格式。

圖18 氣壓閥實(shí)體運(yùn)動(dòng)模擬

2小結(jié)

本文主要分析了常用工業(yè)元件中的氣壓閥Solidworks對(duì)軟件及其插件進(jìn)行建模、組裝、渲染、工程圖和運(yùn)動(dòng)分析。各行各業(yè)的工程師和教師應(yīng)逐步認(rèn)識(shí)到CAD/CAM/CAE掌握一種或多種軟件的技術(shù)在當(dāng)前項(xiàng)目中的重要性已成為市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)日益具有競(jìng)爭(zhēng)力的必要技能之一。