基于Inventor的钢筋切断机的三维建模与运动仿真

陈学文 ，刘文超，王良文

（1.广东轻工职业技术学院机电工程系，广州 510300；2.郑州宇通重工有限公司，郑州 450052；3.郑州轻工业学院机电工程学院，郑州 450002）

1 引言

钢筋切断机由于工作可靠、效率高等，是钢筋加工必不可少的设备之一，它主要用于房屋建筑、桥梁、隧道、电站、水利等工程中对钢筋的切断，应用十分广泛。各生产厂家为提高自己产品的技术性能、增加产品的竞争优势，不断优化结构，努力降低生产成本，并不断开发新的品种。对钢筋切断机的理论研究也不断深入［1-3］。

目前，国内的钢筋切断机多以机械轮剪式切断为主。其工作过程基本为：电动机输出动力经过带传动和三级齿轮传动减速后，带动曲轴旋转，曲轴推动连杆使滑块和动刀片在机座的滑道中做往复直线运动，使动刀片和定刀片相错而切断钢筋。其闭式的钢筋切断机的构造基本雷同，如GQ32、GQ40、GQ50、GQ70等。图1为这些钢筋切断机的基本结构。

图1 基本结构

在目前的市场上，以GQ40 型钢筋切断机的产量最大，也有部分厂家生产GQ32 及GQ50 型钢筋切断机，而生产GQ70 型钢筋切断机的厂家还很少。

文献［4］对国产钢筋切断机的机体减型、配用电机、采用一次性结构等问题进行了讨论，并就改良与发展方向进行了探讨，提出结构改进，采用有限元技术对机体进行轻量化设计，对传动系统的齿轮传动优化，发展新的品种，改良涂装质量等。

最近两年来，我国在钢筋切断机技术装备方面的进步不明显，产品的技术水平与国外先进水平相比，尚有一定的差距，主要表现为：品种尚不够丰富，外形结构雷同，同等功率条件下，切割效率低。从钢筋切断机的发展趋势看，随着建筑设计与建筑施工技术的规范化，建筑工程设计与应用钢筋必将进入商品化供应时代。即根据建筑配筋表采购钢筋，在钢筋使用现场转化成可用钢筋，采用商品化供应钢筋。这类钢筋的一体化生产与供应要求钢筋切断机有更高的性能、更丰富的品种。

开发新的切断机品种是各生产厂家的重点工作，比如现有的钢筋切断机在切口部分对钢筋形成挤压，使钢筋在切断处有一段近似半椭圆或者不规则的变形，此处的钢筋就不能直接用于工程建筑上的套丝连接。由于国内生产厂家的设计手段还比较落后，主要采用AutoCAD 设计软件，产品的设计及改良过程比较缓慢，设计中的运动仿真及干涉检查功能欠缺。本文基于Inventor 对钢筋切断机的通用结构进行了建模分析，为快速进行产品设计改良奠定了基础。

2 Autodesk Inventor 软件介绍

Autodesk Inventor 软件是一种三维可视化实体模拟软件。它包含三维建模、信息管理、协同工作和技术支持等各种特征。使用该软件可以创建三维模型和二维制造工程图、可以创建自适应的特征、零件和子部件，还可以管理上千个零件和大型部件，它的“连接到网络”工具可以使工作组人员协同工作，方便数据共享和同事之间设计理念的沟通。Inventor在用户界面简单，三维运算速度和着色功能方面有突破的进展。它是建立在ACIS 三维实体模拟核心之上，设计人员能够简单迅速地获得零件和装配体的真实感，这样就缩短了用户设计意图的产生与系统反应时间的距离，从而最小限度地影响设计人员的创意和发挥。

3 使用Autodesk Inventor 2011 进行三维建模

3.1 主要零件的设计及建模

典型的钢筋切断机的结构基本相同，共有一百多个零件。GQ32、GQ40、GQ50、GQ70 切断机的零件结构相同，尺寸大小不同，其中主要的零件有：机体，小带轮，大带轮，各个齿轮轴及大齿轮，曲轴，连杆，刀座及刀片。本文以机体的建模设计过程为例说明，其他零件的设计建模过程可参照机体的设计。

机体的设计主要流程包含：（1）启动Autodesk Inventor 2011 软件，选择【新建】，新建类型为【standard.ipt】。（2）在【草图】面板，创建机体整体轮廓草图，如图2 所示。（3）退出【草图】环境，进入【特征】面板，选择【拉伸】操作，形成机体的厚度及腔体结构。（4）在机体上，确定三根传动轴及曲轴的位置，并在侧面上建立草图，选择【拉伸】操作，形成机体上各轴承端盖所对应的凸缘。（5）确定螺孔位置，建立草图，创建【打孔】特征，选择螺纹孔，形成机体上各轴承端盖所对应凸缘上联接端盖的螺纹孔。（6）在凸缘所对应的平面创建草图，并由【拉伸】操作，创建出轴孔特征，形成机体上各轴承安装孔。（7）在机体的另一面，运用【拉伸】操作，创建出滑块的滑道及大侧盖的基本配合轮廓。（8）运用【拉伸】及【打孔】特征，建立大侧盖的配合部分以及紧固螺孔。（9）运用【拉伸】特征，在机体上平面拉伸出凸起，并运用【拉伸】切除操作，拉伸出机体上视孔。（10）在机体的上加工面创建草图，并在此草图上建立【打孔】特征，设计出上盖板的联接螺纹孔。（11）运用【拉伸】特征，做出尾座上的固定刀座的卡槽以及放置钢筋的凹槽。（12）运用【拉伸】特征，创建出送料轴的安装槽。（13）运用【拉伸】特征，创建出机器行走轮轴的安装部分。把机器的前轮设计为可转向轮，建立其转向轴安装孔。（14）调整挡料滚轮座的安装位置。（15）完成整体设计后，其结构如图3 所示。

图2 机体整体轮廓草图

图3 机体整体结构图

3.2 钢筋切断机的装配

在Inventor2011中，可以将主轴箱的三维实体零件或部件按照一定的装配约束条件装配成一个部件，同时这个部件也可以作为子部件装配到其他的部件中去，最后零件和子部件构成一个符合设计构思的整体部件。

切断机的主要装配过程为：装入所有零件→向机体上安装Ⅰ轴→向机体上安装Ⅱ轴→向机体上安装Ⅲ轴→向机体上安装曲轴→向Ⅰ轴上安装大带轮→向Ⅱ轴上安装齿轮→向Ⅲ轴上安装齿轮→向曲轴上安装游动大齿轮芯套→向芯套上安装游动大齿轮→向曲轴上安装轴瓦→向曲轴上安装连杆→向连杆上安装活动刀座→向活动刀座上安装活动刀片→向机体上安装固定刀座→向固定刀座上安装固定刀片→向机体上安装顶盖→向各个轴上安装对应型号的轴承→向机体上安装大侧盖→向机体上安装两侧的轴端盖→向机体上安装送料轴→向机体上安装行走轮轴→向行走轮轴上安装行走轮→向机体上安装调整六方→向机体上安装吊环→向机体上安装各个螺栓（为运行更流畅，装配图中省略安装垫片，实际机器需要对应垫片）→向机体安装送料辊。

完成装配后的效果图如图4，其透明视图如图5。

3.3 应用Inventor 软件进行干涉检查

在部件中，两个或多个零部件不能同时占用相同的空间。要检测这样的错误，可以检查部件中的干涉。在零部件交叠处，干涉部分临时显示为实体。另外，Inventor2011 还可以检查子部件中零部件之间或所选的一组零部件或两组零部件之间的干涉。

图4 装配效果图

图5 透明视图

检查出干涉之后，干涉体积显示为实体。干涉报告列出干涉的零件或子部件，给出干涉体积形心的x、y、z 坐标，列出干涉的体积。根据检查，可以编辑零部件以删除干涉。

应该注意的是：使用Inventor 2011 设计的螺纹，为了提高运行效率，并不是用真实的切削加工来把螺纹表达出来，而是在表面贴一层涂层，给人以真实螺纹的感觉。因此在进行螺纹装配时，本来是正确的装配关系，进行干涉检查时，系统会提示有干涉，如果干涉部分是指螺纹处，可以不予理睬。因为那是系统本身的错误。

普通零件干涉检查及解决方案的过程和方法都是一样的，在此以连杆和连杆铜瓦的干涉检查为例说明：（1）选择【检验】面板中的【过盈分析】选项，打开【干涉检查】对话框。（2）点击【定义选择集1】按钮前的箭头按钮，然后选择连杆；点击【定义选择集2】按钮前的箭头按钮，然后选择连杆铜瓦。点击【确定】按钮显示检查结果。（3）如果检查不到任何的干涉存在，则打开对话框显示【没有干涉检查】，则说明部件中没有干涉存在。否则会打开【检查到过盈】对话框。如图6。

图6 连杆与连杆铜瓦干涉检查

3.4 绘制各主要零件的工程图

与AutoCAD 相比，Inventor的二维绘图功能更加强大和智能：（1）Inventor 可以自动由三维零部件生产二维工程图。（2）由实体生产的二维图也是参数化的，二维三维双向关联，如果更改了三维零部件的尺寸参数，那么它的工程图的对应尺寸参数自动更新；也可以通过直接修改工程图上的零件尺寸而对三维零件的特征进行修改。（3）用Inventor2011 可以直接创建standard.dwg 格式的工程图，与AutoCAD 创建的图纸格式完全互通，通用性、交流性没有任何障碍。图7为生成的连杆工程图。

图7 连杆工程图

3.5 传动结构的运动仿真

为了检验设计效果，需要进行运动仿真。为了表达得更加清晰，仅取设计的传动部分，即三级减速器及曲柄滑块机构。在运动仿真之前，其装配结构是不完全约束的，保留了各个齿轮啮合运动中绕轴旋转的自由度。

运动仿真主要步骤为：（1）进入【环境】面板，选择【运动仿真】模块。（2）当仿真播放器已自动打开后，需要打开【构造模式】，选中菜单中的【插入运动约束】，选择运动模式为【传动：外齿轮啮合运动】，然后【零部件1】选择Ⅰ轴的分度圆，【零部件2】选择Ⅱ轴大齿轮的分度圆，点击【确定】。如图8 所示。（3）按上述方法，依次确定各个齿轮间的运动链接类型。（4）在运动仿真树结构中，选择Ⅰ轴与Ⅱ轴大齿轮的链接，右键单击选择【特性】，加入驱动【转矩】和驱动【速度】。（5）点击【仿真播放器】上的【播放】按钮，即可清晰地观察到传动机构按真实传动比速度下的运动情况。并且可以在【输出图示器】中观察到各个齿轮的运动速度及转矩等各项参数。如图9 所示。

图8 运动仿真设置

图9 运动仿真参数

根据仿真分析结果，我们可以对上述的设计结果进行更改，直到获得满意的设计方案与结构。

4 结语

钢筋切断机属于生产量大、技术较为成熟的产品。对其进一步进行改良，可以提高产品的性价比，增强产品的市场竞争力。本文介绍了使用三维设计软件Inventor 2011进行钢筋切断机三维建模与运动仿真的技术。由于该软件中，由实体生产的二维图也是参数化的，且二维三维图双向关联，如果更改了三维零部件的尺寸参数，那么它的工程图的对应尺寸参数自动更新；也可以通过直接修改工程图上的零件尺寸而对三维零件的特征进行修改。

本设计可以大幅降低钢筋切断机的研发周期及成本，从而提高产品的市场竞争力和企业的经济效益。本文等技术手段与方法对设计同类产品，如钢筋弯曲机、钢筋调直机、钢筋弯箍机等有一定的参考意义。

［1］王良文，王允地，张卫印，等.基于VB的钢筋切断机飞轮转动惯量计算模型［J］.建筑机械，2005（3）：71-74.

［2］王良文，李长诗，王新杰，等.基于VB的钢筋切断机通用动力学计算模型［J］.郑州轻工业学院学报，2005（3）：76-80.

［3］王良文，尚欣,黄书明.基于ANSYS的钢筋切断机机体的有限元分析［J］.建筑机械化，2006（7）：24-27.

［4］王良文，陈学文.国产钢筋切断机的生产现状与改良方向［J］.建设机械技术与管理，2009（3）：113-115.