0 引言

氣壓閥主要用于控制氣體進出，通過電氣或手動信號輸入控制閥體開關(guān)，使氣體進出停止?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，空氣從接頭的孔流出，直到恢復(fù)原來的壓力。氣壓調(diào)節(jié)閥廣泛應(yīng)用于輕工業(yè)機械行業(yè)，其結(jié)構(gòu)和模擬是設(shè)計和教學(xué)的難點。

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

1 分析過程

1.1 建模設(shè)計

Solidworks通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、掃描、抽殼、圓角、特征陣列、沖孔等操作，提供強大的基于特征的物理建模功能，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計。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個部件，以下是主要部件的造型過程。氣壓調(diào)壓閥的具體建模設(shè)計工藝如下：

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

圖1 閥體建模

（2）新零件2軸，在基準面上創(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。三維建模過程如圖2所示。

圖2 心軸建模

(3)新零件3上蓋，在基準面創(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)計庫中取出標(biāo)準零件，然后存儲為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

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(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

虛擬組裝可以驗證組裝設(shè)計和操作是否正確，以便盡快發(fā)現(xiàn)組裝中的問題，修改模型，并通過可視化顯示組裝過程。虛擬組裝系統(tǒng)允許設(shè)計師考慮可行的組裝順序，并自動生成組裝計劃，包括數(shù)值計算、組裝過程規(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算表明有多種干涉。詳細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，不存在干涉問題，提高運行速度），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，爆炸順序為裝配逆序，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塑料和工作室，其他參數(shù)默認，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

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1.5 運動分析    

MOTION它的運動模擬CAE插件，可建立三維動力模擬機構(gòu)模型，增加運動、約束、力、碰撞、模擬、干預(yù)分析、跟蹤運動軌跡、分析速度、加速度、力、反應(yīng)力、扭矩等，可輸出動畫、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)計或調(diào)整材料。

其具體運動過程：氣壓閥的動力由軸傳輸，驅(qū)動凸輪，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)的彈簧也會由于內(nèi)部壓力的增加而排出高壓氣體，從而達到氣壓閥的壓力。

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

點擊菜單中的工具選項MOTION具體操作步驟如下：

(1)為了方便后期凸輪機械配合的操作，打開零件凸輪，點擊分割線工具，選擇基準面做草圖，將凸輪與活塞桿的接觸面分成四個接觸面，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，打開零件活塞桿，選擇基準表面作為草圖，增加拉伸特性。注意不要檢查合并的實體選項，這將產(chǎn)生兩個實體，右擊新生成的矩形實體隱藏，如圖13所示。

圖13 創(chuàng)建活塞桿端部接觸平面

圖14 彈簧關(guān)聯(lián)設(shè)置

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(4)點擊添加配合，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)點擊運動算例，添加旋轉(zhuǎn)電機，選擇軸，每秒輸入30轉(zhuǎn)，如圖16所示。

圖16

(6)選擇運動菜單MOTION點擊計算按鈕，點擊結(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）單擊運動菜單中的播放按鈕，獲得包括彈簧和凸輪實體模擬運動在內(nèi)的完整氣壓閥。整個運動動畫如圖18所示，最終保存動畫AVI格式。

圖18 氣壓閥實體運動模擬

2小結(jié)

本文主要分析了常用工業(yè)元件中的氣壓閥Solidworks對軟件及其插件進行建模、組裝、渲染、工程圖和運動分析。各行各業(yè)的工程師和教師應(yīng)逐步認識到CAD/CAM/CAE掌握一種或多種軟件的技術(shù)在當(dāng)前項目中的重要性已成為市場經(jīng)濟日益具有競爭力的必要技能之一。