1 引言
钢绞线松弛试验机主要用于评定钢绞线的松弛性能。SXW-300是一种新型钢绞线松弛试验机，是机械、电气、计算机一体化产品，主机采用机械加载方式，试验力由传感器测量，测控卡进行数据采集，计算机屏幕显示试验力和试验曲线。该试验机专用于预应力和混凝土钢绞线、刻痕钢丝、镀锌钢丝的应力松弛试验，可适用于线材生产厂、公路建设、建工质监站等单位进行质量检测和科学研究。因此，对此类试验机进行研究具有重要的现实意义。
随着CAD/CAM技术的发展，三维实体造型、虚拟装配、工况仿真模拟已成为CAD的重要发展方向，并在产品设计和制造方面引起了重大变革。为了用最真实的模拟将设计者的设计思想在计算机上呈现出来，本文以SXW-300钢绞线松弛试验机为原型，重点研究试验机的主机部分，利用Sslid Edge软件对其各典型零件进行三维建模，并进行虚拟转配。在此基础上，结合有限元分析软件ANSYS,对工作台进行初步的受力分析。
Solid Edge源自UGS公司，是一款功能强大的三维计算机辅助设计软件。它为机械制造行业提供基于管理的设计工具，让设计者将数据管理融入到设计过程中，达到缩短产品上市周期、提高产品设计质量、降低费用的目的。
2 使用三维建模和设计的优点
（1）三维设计符合人的思维过程。设计师在设计时，总是先构思，后表达，即先构思出产品的形状，然后再将构思出产品的形状表达出来。由于在脑海中构思出的产品形状是三维的，因此，三维建模符合设计师的创新识流，有利于设计的深入进行。
（2）由于三维设计得到的三维立体图具有直观、易于理解等特点，便于与他人进行技术交流。
（3）三维模型与二维工程图关联，可将三维模型直接转换成多个二维投影视图，不用逐一绘制各个工程图。
（4）三维建模不仅可以得到描述对象的形状、大小和位置等几何特征，还可以得到其力学特性，如质量、质心、惯性积、惯性矩等。
（5）可以在计算机上对零件进行力学分析、虚拟加工、虚拟装配、检验零件的装配情况（如是否干涉、松动等），从而最大限度地降低产品成本。
（6）可以将三维模型转换成精美的彩色照片，并制作动画，生动形象地展示产品，有利于产品的销售。
（7）计算机化、信息化、智能化和集成化是现代制造技术的4个基本特征。其中，信息化将设计、生产、管理等环节紧密联系到一起，而三维模型是机械产品最重要的信息载体之一。
3 SXW-300主机三维模型的建立
SXW-300钢绞线松弛试验机主要由主机、测控系统和测控软件三部分组成。主机采用立式结构，由上横梁、上夹头、立柱、下夹头、按钮盒、工作台组成，电器部分安装在工作台下
部，上横梁与工作台、两根立柱组成固定框架，上、下夹具分别安装在上横梁和工作台的传动丝杠上。电机安装在工作台的下面，可以通过传动机构驱动下夹头上下移动，试验在上下夹具之间进行。
机械结构的零部件越多，装配过程就越复杂。本文采用自下而上的装配设计方法，将各个零件逐渐装配成部机，然后再集中装配成整机。装配时，将松弛试验机的主机分为工作台、上横梁、附具分别制作装配体，最终进行集中装配。以下对主机工作台、上横梁、附具等部机进行三维建模。
3．1工作台
试验机的工作台部分主要由强电板、地脚板、电机、减速机、同步齿形带、从动带轮、后罩板、减速机支架、工作台、端盖、轴承、丝母、丝杠、锁紧螺母、主动带轮、上限位、弯板、立柱、下限位、接线板组成。电机输出轴直接插装在减速机的输入轴孔内，减速机的输入套由螺钉紧固在电机轴上，丝杠上端的导向机构使其只能上下运动，不能旋转，因此，电机运行时就可以通过丝杠驱动下夹头上下移动，对试样施加试验力。
首先运用Solid Edge 零件设计模块建立上述各零件的三维模型。由于各零件的形态差异，建模的方法也有所不同，建模的基本思路是对零件进行形体分析，将其视为多个基本体的叠加和切割，确定好各基本体的相对位置关系，在二维轮廓草图的基础上通过拉伸切除、旋转、扫描、孔、筋板、阵列灯特征操作来实现三维实体建模。图1为Solid Edge零件设计环境下所建立减速机支架的三维模型。
图1 减速机支架的三维模型
类似上述操作，可以建立工作台部件其他零件的三维模型。完成工作台部件各零件建模之后，根据不同零部件的位置约束关系，运用面贴合、面对齐、轴对齐、相切、插入等装配关系，建立工作台传动部分的装配模型，如图2所示（后视图）。
图2 工作台传动部分三维模型
最后，运用贴合、面对齐等装配关系，完成工作台部件的装配，装配图如图3所示。
图3 工作台模型
3.2 附具部分
附具主要由拉杆、锁紧螺母、夹片、上夹具体、锥套、试样、下夹具体、夹片、丝杠等组成。上夹具体通过拉杆与传感器相连，下夹具体与丝杠相连，电机运行时通过丝杠驱动下夹具体上下运动。试样夹持部分由锥套和与其配合的锥形夹片组成。建立各零件的过程前面已有详细的叙述，此处不再赘述。
运用贴合、轴对齐、插入等关系，将附具各零件进行虚拟装配，上、下夹具夹紧试样的三维模型如图4所示。
图4 附具三维模型
3.3 上横梁
上横梁主要由螺钉、上横梁、传感器、拉杆、螺母、立柱等组成。传感器安装在上横梁的上面，拉杆上端通过螺母与传感器连接在一起，下端与上夹头相连。整个部分通过两根立柱与工作台相连。整个部分通过两根立柱与工作台相连。
同3.1，首先建立上横梁、传感器、拉杆、螺母、立柱的三维模型，然后运用面贴合、面对齐、插入、阵列等装配关系完成上横梁部件的装配，图5为所建立的上横梁三维模型：
图5 上横梁三维模型
3.4 SXW-300主机整体装配
装配不仅能表达零件间的配合关系，也是其他工程应用的基础，如运动分析、干涉检查、模具设计、自动加工等。在建立工作台、附具和上横梁等部件装配的基础上，按照自下而上的装配方法，将上横梁、附具、工作台等部件进行集中装配，得到SXW-300主机整体的装配效果图，如图6所示。
图6 SXW-300主机整体装配效果图
4 有限元初步分析
通过对三维模型进行有限元分析，可以评估零件的力学性能，并为零件的结构优化提供参考。这对减少样机的生产数量、降低产品的开发成本、缩短产品的面市时间具有重要的意义。因此，本文对SXW-300的工作台进行有限元分析，研究工作台部件的受力情况，将工作台设计的约束和载荷，工作台的应力分析云图如图7所示。
图7 工作台受力情况
由图7可以看出，当给工作台施加300kN的载荷时，工作台的最大应力点出现在与立柱接触的内侧，最大应力值为1.043×108MPa，此结论为该类试验机的改进设计提供了参考。
5 结束语
广州澳金工业自动化系统有限公司以Solid Edge为工具，研究了SXW-300钢绞线松弛试验机的建模和装配过程，得到主机整体的装配体，并借助有限元分析软件ANSYS对工作台的受力情况进行了初步分析，结论如下：
（1）利用Solid Edge进行了松弛试验机主机各零件的三维建模，为虚拟装配奠定了基础；
（2）给出了主机“自下而上”的装配顺序及装配细节，为现场安装提供了参考；
（3）对工作台进行了初步的有限元分析，找出了工作台的最大应力点，为该类试验机的改进设计提供了参考。 |
