液壓支架三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真

1、液壓支架三維建模與運(yùn)動(dòng)仿真         0、 引言    隨著科技的發(fā)展，單一使用二維CAD技術(shù)進(jìn)行液壓支架設(shè)計(jì)已不能滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)的需求。在科研人員到各煤礦和生產(chǎn)廠家進(jìn)行方案匯報(bào)、項(xiàng)目招標(biāo)的過(guò)程中，利用Solid Edge軟件建立的支架三維實(shí)體模型和運(yùn)動(dòng)仿真分析，將支架的每一個(gè)部件結(jié)構(gòu)，每一層裝配關(guān)系，各種運(yùn)動(dòng)軌跡都清晰、直觀的顯示出來(lái)，從視覺(jué)上帶給客戶更感性的認(rèn)識(shí)，收到了很好的效果。    1、 支架三維實(shí)體建模軟件的選用   

2、現(xiàn)階段比較有代表性、應(yīng)用廣泛的三維CAD軟件有：美國(guó)PTC公司的Pro/E、DRC公司的I-DEAS、SolidWorks公司的SolidWorks、EDS公司的Solid Edge、北航海爾的CAXA。其中Solid Edge是Windows平臺(tái)下基于特征的參數(shù)化造型技術(shù)和變量化造型技術(shù)的三維實(shí)體造型系統(tǒng)，具有杰出的機(jī)械裝配設(shè)計(jì)和制圖性能，能夠方便地與Windows平臺(tái)下其它應(yīng)用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和鏈接操作。Solid Edge強(qiáng)大的建模功能可以完成任何復(fù)雜的造型設(shè)計(jì)和裝配設(shè)計(jì)，其工程圖模塊可以將零件環(huán)境、裝配環(huán)境中生成的各類零件、裝配件等實(shí)體進(jìn)行投影，生成符合制圖標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖，極大地方便

3、了液壓支架零部件的設(shè)計(jì)，因此確定采用Solid Edge軟件來(lái)進(jìn)行液壓支架三維實(shí)體的建模。    2、 支架部件三維實(shí)體模型的建立    液壓支架三維實(shí)體模型的建立應(yīng)采用自上而下的方法，即先在Solid Edge軟件的零件環(huán)境中通過(guò)特征造型來(lái)生成支架的所有部件模型，然后在裝配環(huán)境中按裝配關(guān)系逐個(gè)進(jìn)行支架部件的裝配。這種建模方法的優(yōu)點(diǎn)是：支架各部件模型的設(shè)計(jì)是獨(dú)立的，其重建、修改方法很簡(jiǎn)單，與其它部件不存在相互關(guān)聯(lián)。    特征是幾何體的參數(shù)化表示。創(chuàng)建支架部件三維實(shí)體模型，首先需要?jiǎng)?chuàng)建部件的特征。在Sol

4、id Edge軟件的零件模塊中，特征命令非常多，通過(guò)特征操作簡(jiǎn)單靈活，同時(shí)便于修改，可以生成任何復(fù)雜的零件。第一個(gè)創(chuàng)建的特征稱為基礎(chǔ)特征，只能用拉伸命令來(lái)創(chuàng)建。支架部件其它特征是在基礎(chǔ)特征上添加所需特征而形成的，如果刪除基礎(chǔ)特征，其它特征會(huì)同時(shí)被刪除。    ZZS53001428型液壓支架(以下簡(jiǎn)稱支架)的底座、掩護(hù)梁體、前連桿、左后連桿、右后連桿、頂梁體、前梁、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、雙伸縮立柱、短柱等部件的三維實(shí)體模型，均在Solid  Edge軟件的零件環(huán)境中分別作為獨(dú)立的部件被創(chuàng)建。根據(jù)對(duì)ZZS53001428型液壓支架部件模型的設(shè)計(jì)心得，將支架部件建模的

5、方法和技巧歸納如下：    1) 根據(jù)Solid Edge軟件的特點(diǎn)及要求，對(duì)支架各部件形體進(jìn)行正確分析。例如在建模造型前，對(duì)底座進(jìn)行形體分析，將復(fù)雜的底座分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單的筋板和彎板，確定筋板的形狀和它們之間的相對(duì)位置,確定哪些是主要形體，哪些是次要形體。    2) 確定并創(chuàng)建支架各部件的基礎(chǔ)特征。基礎(chǔ)特征是第一個(gè)創(chuàng)建的特征，用拉伸命令創(chuàng)建?；A(chǔ)特征一般部件比較大，且是最主要的特征。ZZS53001428型支架底座的基礎(chǔ)特征為左內(nèi)主筋，掩護(hù)梁體的基礎(chǔ)特征為左邊主筋，頂梁體的基礎(chǔ)特征為左邊主筋，前梁的基礎(chǔ)特征為右主筋，均通過(guò)拉伸命令

6、來(lái)創(chuàng)建?；A(chǔ)特征的創(chuàng)建基本決定了其它特征的創(chuàng)建順序。正確選定和創(chuàng)建支架的基礎(chǔ)特征對(duì)支架所有部件的建模起決定性作用，將直接影響設(shè)計(jì)效率以及后續(xù)對(duì)部件的修改，如果創(chuàng)建不當(dāng)可能使支架部件的建模事倍功半。    3) 創(chuàng)建支架部件其它主要特征。先創(chuàng)建增料特征，除料特征是在大部分增料特征創(chuàng)建完成后集中創(chuàng)建。同軸回轉(zhuǎn)體盡量使用旋轉(zhuǎn)拉伸命令創(chuàng)建。如果包含有抽殼特征，注意抽殼命令應(yīng)該在需抽殼的形體創(chuàng)建好后及時(shí)執(zhí)行。    4) 創(chuàng)建支架部件的次要特征。支架部件上的小孔、螺紋孔、倒圓、倒角、肋板等為次要特征，應(yīng)該在主要形體生成后創(chuàng)建，并盡量利用陣列、鏡

7、像、特征復(fù)制等命令。    5) 盡量利用零件環(huán)境中的三個(gè)主參考面為基準(zhǔn)面、對(duì)稱面，以方便操作。    6) 對(duì)稱的零件建模，只需創(chuàng)建一半，再利用鏡像命令生成另一半零件模型。    圖1、圖2、圖3、圖4是利用Solid Edge設(shè)計(jì)的ZZS53001428型液壓支架底座、掩護(hù)梁、頂梁、前梁的三維實(shí)體模型，它們不僅直觀地放映設(shè)計(jì)者的意圖，而且提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。  圖1  支架底座 圖2  支架掩護(hù)梁圖3  支架頂梁  

8、  圖4  支架前梁    綜上所述，支架各部件三維實(shí)體模型創(chuàng)建過(guò)程可歸納為圖5所示的流程：圖5  支架部件的建模流程    3、 支架三維實(shí)體模型的裝配    創(chuàng)建完支架所有部件模型后，開(kāi)始對(duì)支架進(jìn)行裝配。在裝配環(huán)境中調(diào)入底座作為支架模型的基準(zhǔn)部件，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)它施加固定關(guān)系，通過(guò)面匹配、面對(duì)齊、軸對(duì)齊，聯(lián)接、角度等裝配關(guān)系，將后續(xù)調(diào)入的支架前連桿、左后連桿、右后連桿、掩護(hù)梁等部件與底座依次進(jìn)行裝配。裝配時(shí)，支架前連桿耳板與底座耳板之間面匹配(偏移量為5mm)和軸對(duì)

9、齊；左、右后連桿與底座面匹配(偏移量為5mm)和軸對(duì)齊；左后連桿和右后連桿之間軸對(duì)齊；掩護(hù)梁體和右后連桿軸對(duì)齊、面匹配(偏移量為5mm)；頂梁體和掩護(hù)梁體之間軸對(duì)齊、面匹配(偏移量為5mm)。圖6為ZZS53001428型液壓支架三維實(shí)體模型的裝配分解圖即支架爆炸視圖。    為了使頂梁的活動(dòng)側(cè)護(hù)板在運(yùn)動(dòng)仿真中可相對(duì)頂梁體運(yùn)動(dòng)，必須把頂梁體和頂梁活動(dòng)側(cè)護(hù)板分別調(diào)入支架的裝配環(huán)境中，通過(guò)兩個(gè)軸對(duì)齊、一個(gè)面匹配進(jìn)行裝配，而不能先在裝配環(huán)境中把它們裝配成頂梁組件，否則頂梁體和活動(dòng)側(cè)護(hù)板將被作為一個(gè)整體部件來(lái)處理，不利于后續(xù)對(duì)該支架模型進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)仿真。掩護(hù)梁體與掩護(hù)梁

10、側(cè)護(hù)板的裝配方法與頂梁類似。    下面裝配在支架實(shí)體模型運(yùn)動(dòng)仿真中要設(shè)定速度的雙伸縮立柱和短柱。雙伸縮立柱外缸體和底座柱窩之間通過(guò)連接關(guān)系進(jìn)行裝配，外缸體和中缸體之間軸對(duì)齊，中缸體與活柱體軸對(duì)齊，活柱體和支架頂梁柱帽之間用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接關(guān)系進(jìn)行裝配，這樣支架頂梁與底座之間的雙伸縮立柱就裝配好了。前梁和頂梁之間的短柱，其缸體和頂梁耳板軸對(duì)齊、面匹配；活柱和前梁短柱帽軸對(duì)齊；活柱和缸體軸對(duì)齊。至此就完成了ZZS53001428型液壓支架三維實(shí)體模型的裝配，其裝配結(jié)果如圖7所示。      在缺省情況下，系統(tǒng)對(duì)裝配的所有零件統(tǒng)一分配

11、相同顏色和材質(zhì),但實(shí)際上支架不同的零件使用不同的材質(zhì)，故可利用Solid Edge系統(tǒng)給支架的每個(gè)零件分配不同的顏色和材質(zhì)。    根據(jù)以上過(guò)程可將支架三維實(shí)體模型裝配的基本流程歸納如下：    1）在Solid Edge軟件的裝配環(huán)境下，從資源查找器的部件庫(kù)中調(diào)入支架底座到工作區(qū)中，作為要裝配的支架實(shí)體模型的基礎(chǔ)部件，系統(tǒng)對(duì)底座自動(dòng)添加一個(gè)固定裝配關(guān)系。    2）根據(jù)裝配關(guān)系，逐個(gè)調(diào)入支架實(shí)體模型的其它部件，并根據(jù)調(diào)入的部件與當(dāng)前支架裝配件上其它部件之間的裝配關(guān)系，選擇相應(yīng)的裝配命令進(jìn)行裝配。

12、0;   3）完成支架所有部件的裝配后，進(jìn)行干涉檢查，確認(rèn)無(wú)誤后，保存文件。    為了保證支架設(shè)計(jì)質(zhì)量，在制造樣機(jī)之前對(duì)設(shè)計(jì)的支架進(jìn)行虛擬樣機(jī)干涉檢查，使支架設(shè)計(jì)的出錯(cuò)率降到最低。干涉檢查是檢查支架裝配件中的任意兩個(gè)部件在空間上是否有重疊，檢查出干涉后，分析產(chǎn)生干涉的原因，并對(duì)支架相關(guān)干涉的部件進(jìn)行必要的編輯和修改，然后再次對(duì)支架進(jìn)行干涉檢查。在支架裝配過(guò)程中，可以根據(jù)需要在裝配環(huán)境中隨時(shí)進(jìn)行新零件的設(shè)計(jì)，新設(shè)計(jì)的支架零件在形狀和尺寸上可以與已有的零件或部件保持相關(guān)和協(xié)調(diào)，可以對(duì)已裝配的支架部件進(jìn)行修改和編輯，也可以在單獨(dú)的零件環(huán)境中對(duì)零件進(jìn)

13、行修改，修改后裝配件中的對(duì)應(yīng)零件會(huì)自動(dòng)更新。    4、 支架三維實(shí)體模型運(yùn)動(dòng)仿真    機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，能夠根據(jù)裝配模型自動(dòng)或人為的指定靜止和運(yùn)動(dòng)件，并根據(jù)裝配關(guān)系定義各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性。支架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真則是通過(guò)在已有支架裝配模型上定義支架部件間的運(yùn)動(dòng)自由度和參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并采用導(dǎo)向方式創(chuàng)建。在仿真環(huán)境中不考慮支架部件重力的前提下，設(shè)定ZZS53001428型液壓支架底座為靜止部件，頂梁體、掩護(hù)梁體、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、左后連桿、右后連桿，前梁、前連桿、雙伸縮立柱、短柱均設(shè)定為活動(dòng)部件。    在仿真運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)中，設(shè)

14、定ZZS53001428型液壓支架三維實(shí)體模型運(yùn)動(dòng)仿真模擬延時(shí)時(shí)間t=20s，總幀數(shù)50，開(kāi)始幀為1，結(jié)束幀為50，幀間隔為2。根據(jù)支架雙伸縮立柱的缸體直徑、行程、供液流量，可計(jì)算出立柱中缸體在運(yùn)動(dòng)仿真中的延時(shí)時(shí)間占總設(shè)定時(shí)間的2/3，即13s，活柱的延時(shí)時(shí)間為7s。在Solid Edge運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置選項(xiàng)中，雙伸縮立柱、前梁短柱、側(cè)護(hù)千斤頂均按步長(zhǎng)方式來(lái)進(jìn)行設(shè)定。雙伸縮立柱中缸體具體運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)的設(shè)置如圖8所示。立柱中的活柱體、前梁短柱、側(cè)護(hù)千斤頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)的設(shè)置與立柱中缸體的設(shè)置類似。    至此，就在Solid  Edge環(huán)境中完成了ZZS53001428型液壓支架的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)。支架三維實(shí)體模型運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果可以用來(lái)生成移動(dòng)組件的動(dòng)畫(huà)，清晰直觀地顯示出支架關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，也可用來(lái)檢查支架部件在整個(gè)仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的干涉情況。    利用Solid Edge軟