基于SolidWorks的机用台虎钳

《装备制造技术）２００９年第６期基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的机用台虎钳虚拟装配及运动仿真徐琳（广西机械高级技校，广西柳州５４５００５）摘要：介绍了在使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ款件完成机用台虎钳装配体设计的基础上。

利用其自带的Ａｎｉｍａｔｏｒ插件和ＣＯＳＭＯＳＭｏｄｏｎ插伴制作仿真动画。

实现机用台虎钳的虚拟装配度运动仿真。

仿真结果直观、生动、形象。

可以方便地用于多媒体教学．激发学习兴趣，便于学生理解知识．收到良好的教学效果，同时也为机械类专业虚拟教学模型的制作提供了思路。

关键词：机用台虎钳；虚拟装配；运动仿真；ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ；Ａｎｉｍａｔｏｒ；ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ中图分类号：ＴＨｌ２２文献标识码：Ｂ机用台虎钳，是安装在机床工作台上，用于夹紧工件，以便进行切削加工的一种通用工具。

在机械类专业许多课程的教学中，都需要借助该模型进行辅助教学。

但由于模型存在体积大、携带不便，演示效果不够直观、清晰等缺点，所以教学效果不够理想。

随着计算机技术的迅速发展和多媒体技术在教学中的广泛使用，本文提出了一种基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的机用台虎钳虚拟装配和运动仿真。

实践证明，该研究的成功，可以方便地用于多媒体教学，使复杂、抽象的教学内容，以三维动态方式直观生动地显示出来，从而活跃课堂气氛，激发学生的学习兴趣，便于学生理解知识，弥补了传统教学手段的不足，提高了教学效果。

１ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件功能简介ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件是美国ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ公司在Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上研制开发的三维机械设计软件，操作简单方便、易学易用。

它是一套优秀的、综合性的软件，除了具有草图绘制、零件造型、装配体设计、工程图生成、模具设计、钣金设计等主要功能外，还可利用自带的插件对设计的零件部件进行相关的分析和优化。

通过插件的使用，用户可以在同一个软件界面下对同一个模型进行设计、分析、优化的操作，不需要将模型转换文件格式并重新熟悉其他分析软件界面。

其中Ａｎｉｍａｔｏｒ插件具有动画制作功能，它可以将装配好的机用台虎钳旋转、爆炸或解除爆炸，模拟它的装拆过程，展示装配体中零部件的配合关系，非常直观、生动、形象，使学生从不同角度去观察机用台虎钳，清楚地了解它的结构和组成。

ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ插件具有运动仿真功能，将装配好的机用台虎钳转到ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ，装配约束将自动转化为仿真模型的约束，通过添加必要的驱动力、工作阻力以及ＣＯＳＭＯＳＭｏｆｉｏｎ特有的其他约柬，建立仿真模型，就可以模拟机用台虎钳运动，使学生清楚地理解它的工作原理和螺旋传动的形式。

文章编号：１６７２—５４５Ｘ（２００９）０６－０１８１－０３２机用台虎钳组成零件的造型设计在进行机用台虎钳的虚拟装配及运动仿真之前，要进行有关零件的造型。

机用台虎钳由固定钳座、螺杆、螺母块、活动钳身、钳口板、螺钉、垫圈、环、圆柱销等零件组成，其中圆柱销、部分连接用螺钉是标准件，可激活Ｔｏｏｌｂｏｘ插件从标准件库中调用，不需另外造型，其他为专用件，需要进行造型设计。

ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２００８用户界面非常人性化，便于操作，它提供了强大的参数化、基于特征的实体造型技术，利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的基础特征（拉伸、旋转等）、设计特征（圆角、倒角、异形孔等）、镜像特征（阵列、镜像等）以及参考几何体中基准轴、基准面等定位特征这些三维实体造型工具，能够方便、快捷地创建出机用台虎钳组成零件的实体，通过草图的几何约束及尺寸约束功能，可以创建出尺寸十分精确的零件造型，如图１所示。

图１机用台虎钳组成零件的造型设计３装配体的设计设计装配体有两种方式，一是自下而上，一是自顶向下。

自下而上设计法是一种比较传统的方法，首先生成各个零件，收稿日期：２００９—２—１６作者简介：徐琳（１９７５一），女，广东新会人，讲师，主要从事机械制图、ＣＡＤ、机械设计基础等方面的教学和研究。

１８１万方数据ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＭａｎｕｆａｃｔｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮｏ．６，２００９将其插入装配体，然后根据设计要求配合零部件，将其装配起来。

因为零件为独立设计的，对于一般相互结构关系及重建行为较为简单的机械设计，这种方法比较清楚，也很实用。

自顶向下的设计方法是在装配体中边生成零件边配合零件来生成装配体，可以使用一个零件的几何体来帮助定义另一个零件或生成组装零件后才添加加工特征，对于装配关系复杂的零部件设计较适用。

本文机用台虎钳装配体的设计就是在前面完成零件造型的基础上，完成自下而上的装配。

先新建一个装配体，然后在插入零部件对话框中点击浏览依次选择要插入的零部件即可。

其中第１个插入的零件十分重要，它是整个装配体的装配基础，ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件已默认第１个插入的零件为固定零件，其他所有的装配体零件都是以此为基础，本装配选择固定钳座为装配参照体。

调入零件后，要使零件之间达到准确的配合，必须建立准确的装配约束，两个零件之间的装配约束一般用３个坐标方向的位移以及绕这３个坐标方向的转动表示，系统在配合菜单下提供了包括重合、平行、垂直、相切、同轴心、距离、角度７种标准配合和包括对称、凸轮、宽度、齿轮、齿条小齿轮５种高级配合。

在装配过程中的配合关系应根据零件的运动状态来选取，并且要考虑运动自由度的问题，本装配只需选取同轴心与基准面重合两种标准配合方式就可以将机用台虎钳各个组成零件精确地装配在一起。

装配顺序及装配后的效果见图２所示。

圈２机用台虎钳装配体完成装配后，为了避免真正实物安装时产生干涉而无法安装，必须进行装配体的干涉检查。

如果干涉修改相应零件，直到获得满意结果。

最后，为了直观地表达出零部件之间的装配关系与装配意图，为虚拟装配作准备，需要将装配体生成爆炸视图，如图３所示。

各零件的爆炸步骤应该按照各零件的实际拆卸顺序进行，先拆卸的零件先爆炸。

爆炸的方向及距离通过拖动操纵杆控标确定，以能看清各零件的结构为宜。

１８２图３机用台虎钳装配体爆炸视图４虚拟装配虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。

在生成了机用台虎钳装配体爆炸视图的基础上，下面利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ自带的Ａｎｉｍａｔｏｒ插件的动画制作功能，来模拟机用台虎钳虚拟装配过程。

Ａｎｉｍａｔｏｒ插件通常不在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的工作界面，单击“工具、插件”命令，选择“ＳｏｌｌｄＷｏｒｋｓＡｎｉｍａｔｏｒ”，激活“Ａｎｉｍａｔｏｒ”插件，在工作界面上出现了“Ａｎｉｍａｔｏｒ”菜单和工具栏，图形区域底部出现了“动画１”标签。

将机用台虎钳装配体爆炸视图解除爆炸后，恢复到装配体状态，点击“动画１”标签，切换到动画制作界面，利用动画向导可以生成旋转装配体模型、爆炸、解除爆炸３种基本动画。

旋转装配体模型可使装配体绕ｘ轴、Ｙ轴、ｚ轴作整体地旋转，用于展示装配体的外观；爆炸和解除爆炸分别用于生成装配体的爆炸过程动画和其反过程动画，用于展示装配体的结构和装拆过程，但使用的前提是装配体必须生成爆炸视图。

为了便于学生从不同角度观察机用台虎钳，清楚地了解机用台虎钳的结构和装拆过程，下面按旋转—爆炸～解除爆炸的动作顺序来制作动画。

具体操作过程为：单击ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ’＿¨’Ａｎｉｍａｔｏｒ工具栏的动画向导图标糖，创建旋转装配体模型动画，选择旋转轴、旋转次数和旋转方向，设置动画的播放时间为１０ｓ，开始时间为０ｓ，于是在时间栏０—１０ｓ范围内产生旋转动画的路径，如图４所示。

将时间线移至１２ｓ、２８ｓ处，同样的方法分别创建爆炸和解除爆炸动画，动画播放时间可根据机用台虎钳中零件的数量设置为１４ｓ，延迟时间为２ｓ，这样在时间栏上１２～２６ｓ、２８～４２ｓ范围内分别产生爆炸动画和解除爆炸动画的路径，如图４所示，整个动画持续播放时问为４２ｓ。

从头播放动画，在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的工作界面上可以预览到机用台虎钳先旋转，然后拆卸成零件，最后装配成部件的三个连续的动画演示过程，实现了机用台虎钳的虚拟装配。

通过观察后两个过程的动画演示，可以清楚的判断装配和拆卸过程中的动态干涉情况，若存在干涉则说明产品无法装配或无法拆卸，需要改进设计。

若没有干涉，则可以确定产品拆装的顺序。

单击“保存”按钮，将动画保存为ＡＶＩ格式的视频文件，通过超链接，插入课件中进行动画播放。

图４机用台虎钳旋转一爆炸一解除爆炸动画路径５运动仿真ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ是ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件中的运动仿真插件，在成功建立了机用台虎钳装配体的基础上，下面利用ＣＯＳ－万方数据《装备制造技术５＞２００９年第６期ＭＯＳＭｏｔｉｏｎ插件的运动仿真功能来模拟机用台虎钳的运动，以验证其工作原理。

（１）激活“ＣＯＳＭＯＳＭｏｆｉｏｎ”插件。

与Ａｎｉｍａｔｏｒ插件一样。

ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ插件也不在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的工作界面，按同样的方法激活“ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ”插件，于是在工作界面出现了“ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ”菜单和工具栏。

点击设计树中的“Ｍｏｔｉｏｎ”运＾动分析图标扩，进入ＣＯＳＭＯＳＭｏｆｉｏｎ界面。

（２）工作原理分析。

对于机用台虎钳，其工作原理为：旋转螺杆使螺母块带动活动钳身作水平方向左右移动，以实现夹紧工件进行切削加工或松开工件的动作。

最大夹持厚度为７０ｍｍ。

由此可见，需要在ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ中对螺杆和螺母块之间添加一个螺旋运动约束，从而当螺杆旋转时，螺母块带动活动钳身以设定的参数作直线运动。

螺杆作为原动件，需要单独对其运动规律进行设置。

（３）运动仿真的实现。

仿真成功与否的关键在于仿真参数的设置。

ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ仿真设置包括划分运动和静止零部件、添加运动副约束、定义原动件运动、添加工作阻力等。

１）零部件分组。

在ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ中，需要将零部件划分为两类：运动零部件和静止零部件。

固定钳座和与它相连的钳口板、连接用的螺钉是固定不动的，将它们设置为静止零部件，其余所有零件设置为运动零部件。

图５机用台虎钳仿真设置界面２）添加约束。

在进入ＣＯＳＭＯＳＭｏｒｉｏｎ界面时，ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件会根据装配体中各零部件的配合关系自动为零部件添加约束．以限制零部件之间的相对位置。

同时，各约束的图标在装配体上显示出来，如图５所示。

根据工作原理分析，只需在螺杆和螺母块之间添加一个螺纹副约束，就可实现螺杆转，螺母移的螺旋传动形式。

具体操作过程是：在设计树右击螺杆零件，添加螺纹副约束，选择第二个部件为螺母块，设置螺纹副位置和螺纹副方向，螺纹节距设置为每转１０ｒａｍ，即螺杆每转１圈，螺母块将移动１０ｒａｍ。

３）添加驱动。

以螺杆为原动件，设置螺杆绕ｚ轴转动，运动角速度为恒定值３６００／ｓ，这样就在在螺杆与螺母之间的螺旋副添加了一个角速度为３６０。