基于SolidWorks的挖掘機工作裝置虛擬設計

2013-06-12 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者:牛多青尹成龍汪振乾朱林

借助三維設計軟件SolidWorks進行挖掘機工作裝置的虛擬設計,不僅可以真實地反映挖掘機工作裝置的幾何形狀,還能反映各部件的空間位置,有效地檢測工作裝置各部件之間是否發生千涉與碰撞,通過運動力學分析,檢驗工作裝置作業過程的合理性和正確性。虛擬產品開發技術用計算機模擬整個產品的開發過程,在計算機中進行產品設計、分析、加工等過程,這樣不僅省去了制造樣機進行反復實驗、修改等環節,同時也大大縮短了產品的開發周期,降低了產品成本,而且為今后新產品的開發創新建立了基礎模型。

1虛擬設計技術

虛擬設計是一種新興的多學科研究成果交叉技術。它是以計算機輔助設計為基礎,將產品從概念設計到投入使用的全過程在計算機上構造的虛擬環境中虛擬地實現,代表了一種全新的制造體系和模式。它涉及多方面的學科研究成果與專業技術,通過以虛擬現實技術為基礎,以機械產品為對象,產品設計過程中可以實現更自然的人機交互。同時利用這項技術能夠更好地把握新產品開發周期的全過程,也可以大大減少實物模型和樣機的制造。所以,這項技術對縮短產品開發周期、節省制造成本有著重要的意義。

2 SolidWorks軟件

美國SolidWorks公司開發的基于SolidWorks操作系統的三維設計軟件SolidWorks是集設計、運動校核及有限元分析于一體的強大的應用軟件,其建模速度快、直觀,并且能充分顯示出各部件運動中相互之間的協調關系。該軟件集成了多個專業功能,如結構分析Cosmos/ Works,數控加工CAMworks、運動分析MotianWorks等,是一個交互式CAD/CAM/CAE系統。SolidWorks軟件的基本設計思路為"實體造型-虛擬裝配-二維圖紙"。三維實體建模使設計過程形象而且直觀;虛擬裝配可以實現設計過程的隨時校驗,從而避免可能造成的直接經濟損失;二維圖紙的自動繪制也滿足了實際生產的需求,從而完全滿足機械設計企業的設計生產要求。SolidWorks軟件充分利用了眾人所熟悉的Microsoft Windows圖形用戶界面的優勢,使用這套簡單易學的工具,被越來越多的用戶使用。

3虛擬設計過程

3.1參數化特征建模

特征是組成零件實體模型的基本元素,它體現了產品的功能要素和工程含義,是描述產品信息的集合。參數化是指對零件上的各種特征施加各種約束形式。各個特征的幾何形狀與尺寸大小用變量的方式表示,如果定義某個特征的變量發生了改變,則零件的這個特征的幾何形狀與幾何尺寸大小,都將隨著參數的改變而改變。將參數化設計應用到特征設計中去,把參數化的基本體素定義為特征,用特征通過體素拼和的方法,構造零件的幾何形狀,使特征具有可調整性,這就是參數化特征建模技術。

3.2設計過程

3.2.1挖掘機工作裝置

以WYL-3.5型挖掘機為例,該挖掘機所采用的反鏟工作裝置,主要由動臂、斗桿、鏟斗以及動臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸組成。其基本結構如圖1所示。

3.2.2建模方法

盡管SolidWorks是參數化設計軟件,但必須合理地規劃零部件的建模過程,才能有效地實現參數化設計。幾何建模時應保證修改模型的參數時模型不會出錯;只需改變很少的尺寸便能實現對模型的修改,而且不引起其它特征的更改。在SolidWorks中建立實體,需要先分析實體的結構特征,確定這些特征建立的先后順序,以及每個特征的建立方法,使所建立的特征盡可能地簡單,參數尺寸盡可能少。在進行了上述分析后,就可以利用SoLidWorks提供的拉伸、旋轉、切割等建模功能創建出三維實體模型。所以,在對工作裝置進行參數化特征建模之前,應該先對其進行結構分析,制定創建模型的大致方案。

特征建模從草圖開始,可以新建草圖,然后通過拉伸、旋轉、掃描、切除、抽殼等命令創建三維模型。建模時首先對各部分的主體零件進行建模,如動臂部分先對動臂板建模,有些零件可以在裝配窗口采用關聯設計,在關聯裝配體中直接生成新零件,以確保零部件正確組裝在一起。對于結構相同、尺寸不同的油缸等零件,可采用SolidWorks提供的系列零件設計表功能生成零件族,幫助我們省去不必要的重復畫圖工作。本文僅以SolidWorks2006中挖掘機工作裝置的動臂為例,簡要介紹其建模過程如下:

1)首先選取前視基準面為草圖繪制平面,并利用拉伸特征建立動臂基體,如圖2所示。

2)利用切除拉伸特征,建立動臂兩側板特征和側板上的凹槽特征。

3)利用拉伸特征,完成對動臂與斗桿連接處的方形凸臺、連接板、動臂上方的吊耳、連接動臂及動臂油缸的圓錐形凸臺等特征的構建。

4)再次利用切除拉伸特征,建立動臂基體、連接板以及吊耳上的銷軸孔特征。

5)利用鏡象工具,完成對相應特征的鏡象操作,最終完成零件的造型。完成后的動臂三維圖。

通過動臂造型實例可以看出,在建模時將零件上單個的加工形狀定義成特征,比如:拉伸、切除等,然后利用特征的組合就可以完成零件的造型SolidWorks中的每個三維零件模型均由零件、裝配體和工程圖三部分組成,三者之間是全關聯的,對其中任何一部分作出修改都會反映到其它兩部分中,這也提高了設計效率。

3.2.3裝配及檢驗

SolidWorks提供了自上向下設計和自下向上設計兩種基本方法生成裝配體。自上向下的設計是指在裝配環境下進行相關設計子部件的能力,不僅做到尺寸參數全相關,而且實現幾何形狀、零部件之間全自動完全相關,并且為設計者提供完全一致的界面和命令進行全自動的相關設計環境。用戶可在做好裝配布局圖的情況下,設計其它零部件,并保證布局圖、零部件之間全自動完全相關。

自下向上的設計是指在用戶先設計好產品的各個零部件后,運用裝配關系把各個零部件組合成產品的設計能力。在裝配關系定制好之后,不僅做到尺寸參數全相關,而且實現幾何形狀、零部件之間的全自動完全相關,并為設計者提供完全一致的界面和命令進行全自動的相關設計環境,該方法較為實用。

本裝配體在裝配時采用自下向上設計方法,即首先利用拉伸、陣列、切除等基本功能建立挖掘機工作裝置各個零部件圖,在裝配時先確定挖掘機底座作為固定件,其他的零件在固定件上按照裝配關系依次導人進行裝配,各個零件之間可加上所需的約束關系,如同軸、兩平面平行、兩平面重合等,這些約束使得到的裝配體更接近實際裝配體,整個裝配過程猶如在實際生產中進行實物組裝一樣,較為逼真。最終得到的工作裝置裝配圖如圖3所示。

SolidWorks擁有對裝配體進行千涉檢查、碰撞檢查和動態間隙檢測功能,以幫助我們在裝配過程中判斷零件之間有無干涉,保證任意兩個零件在空間不會出現相互重疊現象。在檢查過程中可以通過移動或旋轉零部件來動態檢查零部件之間的間隙,避免真正實物安裝時產生干涉而無法安裝,以便從中發現問題及時對模型進行修改,直到獲得滿意結果。進行產品設計時,若所有零部件的三維零件模型都已創建成功并裝配完畢,還可以進行動畫制作,以便進一步查看該裝配體在動態過程中各零部件之間的相互關系和檢測虛擬裝配的可靠性。利用動畫仿真可以評估所設計的零部件對預期功能的實現程度,進而優化設計,有效地確保產品的可裝配性。

3.2.4工程圖

SolidWorks可利用自帶的工程圖轉換軟件方便地從三維模型自動轉換成二維工程圖。經過轉換的圖形十分準確,并且產生各種視圖的功能比較齊全,如剖視圖、軸測圖、局部放大圖等都能自動生成,各種尺寸標注、形位公差、焊接符號等注釋均可自動產生,并且可以靈活調整尺寸的種類和位置。更重要的是,還能同MS Excel聯結,白動生成各種符號,如明細欄、標題欄、明細表等。通過設置圖紙大小、填寫標題欄等即可生成符合機械制圖標準的二維工程圖。

同時,在產品設計過程中,為了更明確地表達產品結構,往往需要提供一張所有零件按拆卸關系放置的裝配體圖,這種裝配體圖即爆炸視圖,通過此圖可形象地再現裝配體特征。在裝配體環境下,在插人下拉菜單中選擇〔爆炸視圖〕,出現爆炸視圖對話框。生成爆炸視圖有兩種方法:自動爆炸和手動爆炸。對工作裝置通過設定合適的爆炸視角、爆炸方向和爆炸距離而生成的爆炸視圖。

4 結束語

虛擬設計技術為設計人員提供了一種嶄新的技術手段,利用三維設計軟件SolidWorks實現對挖掘機工作裝置三維模型的參數化設計。在設計過程中,設計人員可以根據需要,通過實時修改相應的特征來完成最終的設計任務。由于在新產品開發過程中不需要制造樣機,所以能大大降低試制費用。此外,在很大程度上也提高了產品設計質量,縮短了產品的研制周期,增強了產品的市場竟爭力。

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