基于SolidWorks的挖掘机工作装置虚拟设计

作者：牛多青 尹成龙 汪振乾 朱林

欢迎访问e展厅 展厅 1 挖掘机/推土机展厅 推土机, 履带挖掘机, 轮式挖掘机, 二手挖掘机, 小型挖掘机, ... 借助三维设计软件SolidWorks进行挖掘机工作装置的虚拟设计，不仅可以真实地反映挖掘机工作装置的几何形状，还能反映各部件的空间位置，有效地检测工作装置各部件之间是否发生千涉与碰撞，通过运动力学分析，检验工作装置作业过程的合理性和正确性。虚拟产品开发技术用计算机模拟整个产品的开发过程，在计算机中进行产品设计、分析、加工等过程，这样不仅省去了制造样机进行反复实验、修改等环节，同时也大大缩短了产品的开发周期，降低了产品成本，而且为今后新产品的开发创新建立了基础模型。 1虚拟设计技术 虚拟设计是一种新兴的多学科研究成果交叉技术。它是以计算机辅助设计为基础，将产品从概念设计到投入使用的全过程在计算机上构造的虚拟环境中虚拟地实现，代表了一种全新的制造体系和模式。它涉及多方面的学科研究成果与专业技术，通过以虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象，产品设计过程中可以实现更自然的人机交互。同时利用这项技术能够更好地把握新产品开发周期的全过程，也可以大大减少实物模型和样机的制造。所以，这项技术对缩短产品开发周期、节省制造成本有着重要的意义。 2 SolidWorks软件 美国SolidWorks公司开发的基于SolidWorks操作系统的三维设计软件SolidWorks是集设计、运动校核及有限元分析于一体的强大的应用软件，其建模速度快、直观，并且能充分显示出各部件运动中相互之间的协调关系。该软件集成了多个专业功能，如结构分析Cosmos/ Works,数控加工CAMworks、运动分析MotianWorks等，是一个交互式CAD/CAM/CAE系统。SolidWorks软件的基本设计思路为"实体造型-虚拟装配-二维图纸"。三维实体建模使设计过程形象而且直观;虚拟装配可以实现设计过程的随时校验，从而避免可能造成的直接经济损失;二维图纸的自动绘制也满足了实际生产的需求，从而完全满足机械设计企业的设计生产要求。SolidWorks软件充分利用了众人所熟悉的Microsoft Windows图形用户界面的优势，使用这套简单易学的工具，被越来越多的用户使用。 3虚拟设计过程 3.1参数化特征建模 特征是组成零件实体模型的基本元素，它体现了产品的功能要素和工程含义，是描述产品信息的集合。参数化是指对零件上的各种特征施加各种约束形式。各个特征的几何形状与尺寸大小用变量的方式表示，如果定义某个特征的变量发生了改变，则零件的这个特征的几何形状与几何尺寸大小，都将随着参数的改变而改变。将参数化设计应用到特征设计中去，把参数化的基本体素定义为特征，用特征通过体素拼和的方法，构造零件的几何形状，使特征具有可调整性，这就是参数化特征建模技术。 3.2设计过程 3.2.1挖掘机工作装置 以WYL-3.5型挖掘机为例，该挖掘机所采用的反铲工作装置，主要由动臂、斗杆、铲斗以及动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸组成。其基本结构如图1所示。 3.2.2建模方法 尽管SolidWorks是参数化设计软件，但必须合理地规划零部件的建模过程，才能有效地实现参数化设计。几何建模时应保证修改模型的参数时模型不会出错;只需改变很少的尺寸便能实现对模型的修改，而且不引起其它特征的更改。在SolidWorks中建立实体，需要先分析实体的结构特征，确定这些特征建立的先后顺序，以及每个特征的建立方法，使所建立的特征尽可能地简单，参数尺寸尽可能少。在进行了上述分析后，就可以利用SoLidWorks提供的拉伸、旋转、切割等建模功能创建出三维实体模型。所以，在对工作装置进行参数化特征建模之前，应该先对其进行结构分析，制定创建模型的大致方案。 特征建模从草图开始，可以新建草图，然后通过拉伸、旋转、扫描、切除、抽壳等命令创建三维模型。建模时首先对各部分的主体零件进行建模，如动臂部分先对动臂板建模，有些零件可以在装配窗口采用关联设计，在关联装配体中直接生成新零件，以确保零部件正确组装在一起。对于结构相同、尺寸不同的油缸等零件，可采用SolidWorks提供的系列零件设计表功能生成零件族，帮助我们省去不必要的重复画图工作。本文仅以SolidWorks2006中挖掘机工作装置的动臂为例，简要介绍其建模过程如下: 1)首先选取前视基准面为草图绘制平面，并利用拉伸特征建立动臂基体，如图2所示。 2)利用切除拉伸特征，建立动臂两侧板特征和侧板上的凹槽特征。 3)利用拉伸特征，完成对动臂与斗杆连接处的方形凸台、连接板、动臂上方的吊耳、连接动臂及动臂油缸的圆锥形凸台等特征的构建。 4)再次利用切除拉伸特征，建立动臂基体、连接板以及吊耳上的销轴孔特征。 5)利用镜象工具，完成对相应特征的镜象操作，最终完成零件的造型。完成后的动臂三维图。 通过动臂造型实例可以看出，在建模时将零件上单个的加工形状定义成特征，比如:拉伸、切除等，然后利用特征的组合就可以完成零件的造型SolidWorks中的每个三维零件模型均由零件、装配体和工程图三部分组成，三者之间是全关联的，对其中任何一部分作出修改都会反映到其它两部分中，这也提高了设计效率。 3.2.3装配及检验 SolidWorks提供了自上向下设计和自下向上设计两种基本方法生成装配体。自上向下的设计是指在装配环境下进行相关设计子部件的能力，不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关，并且为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境。用户可在做好装配布局图的情况下，设计其它零部件，并保证布局图、零部件之间全自动完全相关。 自下向上的设计是指在用户先设计好产品的各个零部件后，运用装配关系把各个零部件组合成产品的设计能力。在装配关系定制好之后，不仅做到尺寸参数全相关，而且实现几何形状、零部件之间的全自动完全相关，并为设计者提供完全一致的界面和命令进行全自动的相关设计环境，该方法较为实用。 本装配体在装配时采用自下向上设计方法，即首先利用拉伸、阵列、切除等基本功能建立挖掘机工作装置各个零部件图，在装配时先确定挖掘机底座作为固定件，其他的零件在固定件上按照装配关系依次导人进行装配，各个零件之间可加上所需的约束关系，如同轴、两平面平行、两平面重合等，这些约束使得到的装配体更接近实际装配体，整个装配过程犹如在实际生产中进行实物组装一样，较为逼真。最终得到的工作装置装配图如图3所示。 SolidWorks拥有对装配体进行千涉检查、碰撞检查和动态间隙检测功能，以帮助我们在装配过程中判断零件之间有无干涉，保证任意两个零件在空间不会出现相互重叠现象。在检查过程中可以通过移动或旋转零部件来动态检查零部件之间的间隙，避免真正实物安装时产生干涉而无法安装，以便从中发现问题及时对模型进行修改，直到获得满意结果。进行产品设计时，若所有零部件的三维零件模型都已创建成功并装配完毕，还可以进行动画制作，以便进一步查看该装配体在动态过程中各零部件之间的相互关系和检测虚拟装配的可靠性。利用动画仿真可以评估所设计的零部件对预期功能的实现程度，进而优化设计，有效地确保产品的可装配性。 3.2.4工程图 SolidWorks可利用自带的工程图转换软件方便地从三维模型自动转换成二维工程图。经过转换的图形十分准确，并且产生各种视图的功能比较齐全，如剖视图、轴测图、局部放大图等都能自动生成，各种尺寸标注、形位公差、焊接符号等注释均可自动产生，并且可以灵活调整尺寸的种类和位置。更重要的是，还能同MS Excel联结，白动生成各种符号，如明细栏、标题栏、明细表等。通过设置图纸大小、填写标题栏等即可生成符合机械制图标准的二维工程图。 同时，在产品设计过程中，为了更明确地表达产品结构，往往需要提供一张所有零件按拆卸关系放置的装配体图，这种装配体图即爆炸视图，通过此图可形象地再现装配体特征。在装配体环境下，在插人下拉菜单中选择〔爆炸视图〕，出现爆炸视图对话框。生成爆炸视图有两种方法:自动爆炸和手动爆炸。对工作装置通过设定合适的爆炸视角、爆炸方向和爆炸距离而生成的爆炸视图。 4 结束语 虚拟设计技术为设计人员提供了一种崭新的技术手段，利用三维设计软件SolidWorks实现对挖掘机工作装置三维模型的参数化设计。在设计过程中，设计人员可以根据需要，通过实时修改相应的特征来完成最终的设计任务。由于在新产品开发过程中不需要制造样机，所以能大大降低试制费用。此外，在很大程度上也提高了产品设计质量，缩短了产品的研制周期，增强了产品的市场竟争力。(end)

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