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ZZS5300/14/28型液压支架三维建模与运动仿真 |
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作者：煤炭科学研究总院 王纪申 |
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引言
随着科技的发展，单一使用二维CAD技术进行液压支架设计已不能满足现代设计的需求。在科研人员到各煤矿和生产厂家进行方案汇报、项目招标的过程中，利用Solid Edge软件建立的支架三维实体模型和运动仿真分析，将支架的每一个部件结构，每一层装配关系，各种运动轨迹都清晰、直观的显示出来，从视觉上带给客户更感性的认识，收到了很好的效果。
1、 支架三维实体建模软件的选用
现阶段比较有代表性、应用广泛的三维CAD软件有：美国PTC公司的Pro/E、DRC公司的I-DEAS、SolidWorks公司的SolidWorks、EDS公司的Solid Edge、北航海尔的CAXA。其中Solid Edge是Windows平台下基于特征的参数化造型技术和变量化造型技术的三维实体造型系统，具有杰出的机械装配设计和制图性能，能够方便地与Windows平台下其它应用软件进行数据转换和链接操作。Solid Edge强大的建模功能可以完成任何复杂的造型设计和装配设计，其工程图模块可以将零件环境、装配环境中生成的各类零件、装配件等实体进行投影，生成符合制图标准的二维工程图，极大地方便了液压支架零部件的设计，因此确定采用Solid Edge软件来进行液压支架三维实体的建模。
2、 支架部件三维实体模型的建立
液压支架三维实体模型的建立应采用自上而下的方法，即先在Solid Edge软件的零件环境中通过特征造型来生成支架的所有部件模型，然后在装配环境中按装配关系逐个进行支架部件的装配。这种建模方法的优点是：支架各部件模型的设计是独立的，其重建、修改方法很简单，与其它部件不存在相互关联。
特征是几何体的参数化表示。创建支架部件三维实体模型，首先需要创建部件的特征。在Solid Edge软件的零件模块中，特征命令非常多，通过特征操作简单灵活，同时便于修改，可以生成任何复杂的零件。第一个创建的特征称为基础特征，只能用拉伸命令来创建。支架部件其它特征是在基础特征上添加所需特征而形成的，如果删除基础特征，其它特征会同时被删除。
ZZS5300／14／28型液压支架(以下简称支架)的底座、掩护梁体、前连杆、左后连杆、右后连杆、顶梁体、前梁、活动侧护板、双伸缩立柱、短柱等部件的三维实体模型，均在Solid Edge软件的零件环境中分别作为独立的部件被创建。根据对ZZS5300／14／28型液压支架部件模型的设计心得，将支架部件建模的方法和技巧归纳如下：
1) 根据Solid Edge软件的特点及要求，对支架各部件形体进行正确分析。例如在建模造型前，对底座进行形体分析，将复杂的底座分解为若干个简单的筋板和弯板，确定筋板的形状和它们之间的相对位置,确定哪些是主要形体，哪些是次要形体。
2) 确定并创建支架各部件的基础特征。基础特征是第一个创建的特征，用拉伸命令创建。基础特征一般部件比较大，且是最主要的特征。ZZS5300／14／28型支架底座的基础特征为左内主筋，掩护梁体的基础特征为左边主筋，顶梁体的基础特征为左边主筋，前梁的基础特征为右主筋，均通过拉伸命令来创建。基础特征的创建基本决定了其它特征的创建顺序。正确选定和创建支架的基础特征对支架所有部件的建模起决定性作用，将直接影响设计效率以及后续对部件的修改，如果创建不当可能使支架部件的建模事倍功半。
3) 创建支架部件其它主要特征。先创建增料特征，除料特征是在大部分增料特征创建完成后集中创建。同轴回转体尽量使用旋转拉伸命令创建。如果包含有抽壳特征，注意抽壳命令应该在需抽壳的形体创建好后及时执行。
4) 创建支架部件的次要特征。支架部件上的小孔、螺纹孔、倒圆、倒角、肋板等为次要特征，应该在主要形体生成后创建，并尽量利用阵列、镜像、特征复制等命令。
5) 尽量利用零件环境中的三个主参考面为基准面、对称面，以方便操作。
6) 对称的零件建模，只需创建一半，再利用镜像命令生成另一半零件模型。
图1、图2、图3、图4是利用Solid Edge设计的ZZS5300／14／28型液压支架底座、掩护梁、顶梁、前梁的三维实体模型，它们不仅直观地放映设计者的意图，而且提高了设计效率和设计质量。 
图1 支架底座 图2 支架掩护梁
 
图3 支架顶梁 图4 支架前梁
综上所述，支架各部件三维实体模型创建过程可归纳为图5所示的流程：
图5 支架部件的建模流程
3、 支架三维实体模型的装配
创建完支架所有部件模型后，开始对支架进行装配。在装配环境中调入底座作为支架模型的基准部件，系统自动对它施加固定关系，通过面匹配、面对齐、轴对齐，联接、角度等装配关系，将后续调入的支架前连杆、左后连杆、右后连杆、掩护梁等部件与底座依次进行装配。装配时，支架前连杆耳板与底座耳板之间面匹配(偏移量为5mm)和轴对齐；左、右后连杆与底座面匹配(偏移量为5mm)和轴对齐；左后连杆和右后连杆之间轴对齐；掩护梁体和右后连杆轴对齐、面匹配(偏移量为5mm)；顶梁体和掩护梁体之间轴对齐、面匹配(偏移量为5mm)。图6为ZZS5300／14／28型液压支架三维实体模型的装配分解图即支架爆炸视图。
为了使顶梁的活动侧护板在运动仿真中可相对顶梁体运动，必须把顶梁体和顶梁活动侧护板分别调入支架的装配环境中，通过两个轴对齐、一个面匹配进行装配，而不能先在装配环境中把它们装配成顶梁组件，否则顶梁体和活动侧护板将被作为一个整体部件来处理，不利于后续对该支架模型进行完整的运动仿真。掩护梁体与掩护梁侧护板的装配方法与顶梁类似。
下面装配在支架实体模型运动仿真中要设定速度的双伸缩立柱和短柱。双伸缩立柱外缸体和底座柱窝之间通过连接关系进行装配，外缸体和中缸体之间轴对齐，中缸体与活柱体轴对齐，活柱体和支架顶梁柱帽之间用点对点连接关系进行装配，这样支架顶梁与底座之间的双伸缩立柱就装配好了。前梁和顶梁之间的短柱，其缸体和顶梁耳板轴对齐、面匹配；活柱和前梁短柱帽轴对齐；活柱和缸体轴对齐。至此就完成了ZZS5300／14／28型液压支架三维实体模型的装配，其装配结果如图7所示。
在缺省情况下，系统对装配的所有零件统一分配相同颜色和材质,但实际上支架不同的零件使用不同的材质，故可利用Solid Edge系统给支架的每个零件分配不同的颜色和材质。
根据以上过程可将支架三维实体模型装配的基本流程归纳如下：
1）在Solid Edge软件的装配环境下，从资源查找器的部件库中调入支架底座到工作区中，作为要装配的支架实体模型的基础部件，系统对底座自动添加一个固定装配关系。
2）根据装配关系，逐个调入支架实体模型的其它部件，并根据调入的部件与当前支架装配件上其它部件之间的装配关系，选择相应的装配命令进行装配。
3）完成支架所有部件的装配后，进行干涉检查，确认无误后，保存文件。
为了保证支架设计质量，在制造样机之前对设计的支架进行虚拟样机干涉检查，使支架设计的出错率降到最低。干涉检查是检查支架装配件中的任意两个部件在空间上是否有重叠，检查出干涉后，分析产生干涉的原因，并对支架相关干涉的部件进行必要的编辑和修改，然后再次对支架进行干涉检查。在支架装配过程中，可以根据需要在装配环境中随时进行新零件的设计，新设计的支架零件在形状和尺寸上可以与已有的零件或部件保持相关和协调，可以对已装配的支架部件进行修改和编辑，也可以在单独的零件环境中对零件进行修改，修改后装配件中的对应零件会自动更新。
4、 支架三维实体模型运动仿真
机构运动仿真，能够根据装配模型自动或人为的指定静止和运动件，并根据装配关系定义各关节的运动特性。支架机构运动仿真则是通过在已有支架装配模型上定义支架部件间的运动自由度和参数来实现的，并采用导向方式创建。在仿真环境中不考虑支架部件重力的前提下，设定ZZS5300／14／28型液压支架底座为静止部件，顶梁体、掩护梁体、活动侧护板、左后连杆、右后连杆，前梁、前连杆、双伸缩立柱、短柱均设定为活动部件。
在仿真运动设计中，设定ZZS5300／14／28型液压支架三维实体模型运动仿真模拟延时时间t=20s，总帧数50，开始帧为1，结束帧为50，帧间隔为2。根据支架双伸缩立柱的缸体直径、行程、供液流量，可计算出立柱中缸体在运动仿真中的延时时间占总设定时间的2/3，即13s，活柱的延时时间为7s。在Solid Edge运动仿真设置选项中，双伸缩立柱、前梁短柱、侧护千斤顶均按步长方式来进行设定。双伸缩立柱中缸体具体运动仿真参数的设置如图8所示。立柱中的活柱体、前梁短柱、侧护千斤顶的运动仿真参数的设置与立柱中缸体的设置类似。
至此，就在Solid Edge环境中完成了ZZS5300／14／28型液压支架的运动仿真设计。支架三维实体模型运动仿真结果可以用来生成移动组件的动画，清晰直观地显示出支架关键点的运动轨迹，也可用来检查支架部件在整个仿真运动过程中的干涉情况。
利用Solid Edge软件建立的液压支架三维实体模型，可以调入与其兼容性比较好的UG运动分析环境中作更进一步的运动和强度分析,提高支架设计的可靠性。
5、 结语
Solid Edge三维机械设计CAD软件的使用，大幅度缩短了综采液压支架的设计周期，提高了支架的设计效率和设计质量，使支架的设计更趋完美。同时，也有利于发挥设计人员的技术创新能力，为设计人员更新设计观念和推广先进的工程设计手段做了有效的尝试。(end)
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(10/11/2005) |
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