基于SolidWorks的挖掘機工作裝置虛擬設(shè)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(shè)計軟件SolidWorks進行挖掘機工作裝置的虛擬設(shè)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(fā)生千涉與碰撞,通過運動力學分析,檢驗工作裝置作業(yè)過程的合理性和正確性。虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)用計算機模擬整個產(chǎn)品的開發(fā)過程,在計算機中進行產(chǎn)品設(shè)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(huán)節(jié),同時也大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期,降低了產(chǎn)品成本,而且為今后新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新建立了基礎(chǔ)模型。

1虛擬設(shè)計技術(shù)

虛擬設(shè)計是一種新興的多學科研究成果交叉技術(shù)。它是以計算機輔助設(shè)計為基礎(chǔ),將產(chǎn)品從概念設(shè)計到投入使用的全過程在計算機上構(gòu)造的虛擬環(huán)境中虛擬地實現(xiàn),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(yè)技術(shù),通過以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ),以機械產(chǎn)品為對象,產(chǎn)品設(shè)計過程中可以實現(xiàn)更自然的人機交互。同時利用這項技術(shù)能夠更好地把握新產(chǎn)品開發(fā)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(shù)對縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)省制造成本有著重要的意義。

2 SolidWorks軟件

美國SolidWorks公司開發(fā)的基于SolidWorks操作系統(tǒng)的三維設(shè)計軟件SolidWorks是集設(shè)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(xié)調(diào)關(guān)系。該軟件集成了多個專業(yè)功能,如結(jié)構(gòu)分析Cosmos/ Works,數(shù)控加工CAMworks、運動分析MotianWorks等,是一個交互式CAD/CAM/CAE系統(tǒng)。SolidWorks軟件的基本設(shè)計思路為"實體造型-虛擬裝配-二維圖紙"。三維實體建模使設(shè)計過程形象而且直觀;虛擬裝配可以實現(xiàn)設(shè)計過程的隨時校驗,從而避免可能造成的直接經(jīng)濟損失;二維圖紙的自動繪制也滿足了實際生產(chǎn)的需求,從而完全滿足機械設(shè)計企業(yè)的設(shè)計生產(chǎn)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(yōu)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(shè)計過程

3.1參數(shù)化特征建模

特征是組成零件實體模型的基本元素,它體現(xiàn)了產(chǎn)品的功能要素和工程含義,是描述產(chǎn)品信息的集合。參數(shù)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(fā)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(shù)的改變而改變。將參數(shù)化設(shè)計應用到特征設(shè)計中去,把參數(shù)化的基本體素定義為特征,用特征通過體素拼和的方法,構(gòu)造零件的幾何形狀,使特征具有可調(diào)整性,這就是參數(shù)化特征建模技術(shù)。

3.2設(shè)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2.2建模方法

盡管SolidWorks是參數(shù)化設(shè)計軟件,但必須合理地規(guī)劃零部件的建模過程,才能有效地實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。幾何建模時應保證修改模型的參數(shù)時模型不會出錯;只需改變很少的尺寸便能實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(shù)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(zhuǎn)、切割等建模功能創(chuàng)建出三維實體模型。所以,在對工作裝置進行參數(shù)化特征建模之前,應該先對其進行結(jié)構(gòu)分析,制定創(chuàng)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(zhuǎn)、掃描、切除、抽殼等命令創(chuàng)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(guān)聯(lián)設(shè)計,在關(guān)聯(lián)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(jié)構(gòu)相同、尺寸不同的油缸等零件,可采用SolidWorks提供的系列零件設(shè)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(cè)板特征和側(cè)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(gòu)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(guān)聯(lián)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(shè)計效率。

3.2.3裝配及檢驗

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

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

本裝配體在裝配時采用自下向上設(shè)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(guān)系依次導人進行裝配,各個零件之間可加上所需的約束關(guān)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(chǎn)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(tài)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(xiàn)相互重疊現(xiàn)象。在檢查過程中可以通過移動或旋轉(zhuǎn)零部件來動態(tài)檢查零部件之間的間隙,避免真正實物安裝時產(chǎn)生干涉而無法安裝,以便從中發(fā)現(xiàn)問題及時對模型進行修改,直到獲得滿意結(jié)果。進行產(chǎn)品設(shè)計時,若所有零部件的三維零件模型都已創(chuàng)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(tài)過程中各零部件之間的相互關(guān)系和檢測虛擬裝配的可靠性。利用動畫仿真可以評估所設(shè)計的零部件對預期功能的實現(xiàn)程度,進而優(yōu)化設(shè)計,有效地確保產(chǎn)品的可裝配性。

3.2.4工程圖

SolidWorks可利用自帶的工程圖轉(zhuǎn)換軟件方便地從三維模型自動轉(zhuǎn)換成二維工程圖。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的圖形十分準確,并且產(chǎn)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(chǎn)生,并且可以靈活調(diào)整尺寸的種類和位置。更重要的是,還能同MS Excel聯(lián)結(jié),白動生成各種符號,如明細欄、標題欄、明細表等。通過設(shè)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(chǎn)品設(shè)計過程中,為了更明確地表達產(chǎn)品結(jié)構(gòu),往往需要提供一張所有零件按拆卸關(guān)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(xiàn)裝配體特征。在裝配體環(huán)境下,在插人下拉菜單中選擇〔爆炸視圖〕,出現(xiàn)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(shè)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(jié)束語

虛擬設(shè)計技術(shù)為設(shè)計人員提供了一種嶄新的技術(shù)手段,利用三維設(shè)計軟件SolidWorks實現(xiàn)對挖掘機工作裝置三維模型的參數(shù)化設(shè)計。在設(shè)計過程中,設(shè)計人員可以根據(jù)需要,通過實時修改相應的特征來完成最終的設(shè)計任務(wù)。由于在新產(chǎn)品開發(fā)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(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量,縮短了產(chǎn)品的研制周期,增強了產(chǎn)品的市場竟爭力。

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