三維CAD技術(shù)在液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、三維 CAD技術(shù)在液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用發(fā)布日期： 2007-6-13 7:48:03 作者： ug 出處： CAD世界網(wǎng)隨著 CAD 應(yīng)用軟件和技術(shù)的不斷發(fā)展， 很多工程機(jī)械制造企業(yè)已 不再滿足于借助 CAD 系統(tǒng)來 “甩掉圖版 ”， 希望向三維的實(shí)體設(shè)計(jì)方向發(fā)展。由于三維CAD系統(tǒng)具有可視化好、 形象直觀、 設(shè)計(jì)效率高和支持并行工程等優(yōu)點(diǎn)。因此， 三維實(shí)體造型在 液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中開始得到的應(yīng)用， 在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中可以進(jìn)行挖掘機(jī)產(chǎn)品的模擬裝配 以獲得整機(jī)或部件的三維實(shí)體， 建立充分而完整的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫， 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量特 性分析、零部件間的干涉檢查、 自動(dòng)創(chuàng)建二維工程圖、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿

2、真、 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元分 析、計(jì)算機(jī)輔助制造、商業(yè)廣告造型與動(dòng)畫生成等。1 挖掘機(jī)零部件的三維造型挖掘機(jī)三維實(shí)體造型包括所有零件的三維實(shí)體造型， 總成和整機(jī)裝配仿真。 挖掘機(jī)是由金屬 結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力裝置、傳動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和輔助設(shè)備等組成。零、部件共計(jì)一 千多個(gè)。 盡管挖掘機(jī)零、 部件結(jié)構(gòu)形式各不相同， 但在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行三維實(shí)體造型有一些規(guī) 律可循， 一般過程如下： 創(chuàng)建草圖 根據(jù)零件的基本特征和附加特征生成零件的三維模型 依照裝配關(guān)系裝配零部件 形成整機(jī)裝配仿真。1.1 三維造型應(yīng)用軟件和基本方法 世界上著名的幾家公司的三維 CAD 軟件產(chǎn)品，如 Pro/Engineer 、UG

3、、I-DEAS 、 Solidwor ks、MDT 等，在主要工程機(jī)械企業(yè)中都已采用。 無論采用那家的三維 CAD 軟件， 都可以較 好地完成挖掘機(jī)零部件的三維造型，三維造型時(shí)常用以下方法： （1）對(duì)形狀比較規(guī)則的簡單零件，利用三維軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)幾何體（方形、圓柱、圓管、 圓錐和球、溝槽）庫，直接生成零件實(shí)體，如方板、光軸、軸套等。（2）繪制最能反映零件基本特征的幾何草圖，經(jīng)拉伸、旋轉(zhuǎn)生成三維實(shí)體。（3）沿路徑配置的二維幾何圖形經(jīng)掃描，蒙皮生成曲面形實(shí)體。（ 4）從草圖入手建模 設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)的要求用手勾畫出理想的結(jié)構(gòu)形狀，然后賦予每一 條曲線以尺寸約束或幾何約束， 使曲線按照設(shè)計(jì)者的意圖去更

4、新交換， 生成參數(shù)化特征的實(shí) 體建模。從草圖入手建模很容易實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、 標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)，是挖掘機(jī)最理想的建模 方式。（ 5）利用三維實(shí)體間的布爾運(yùn)算（交、并、補(bǔ)），將多個(gè)簡單零件組合成一體，生成新的實(shí)體等等，且生成的實(shí)體模型均采用參數(shù)化特征造型。1.2 挖掘機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的三維造型 一臺(tái)液壓挖掘機(jī)的零部件有一千多個(gè)， 全部采用三維造型設(shè)計(jì)工作量很大。 實(shí)際設(shè)計(jì)挖掘機(jī) 時(shí)，也可以只制作與整機(jī)外形仿真、運(yùn)動(dòng)分析有關(guān)和影響主要性能的金屬結(jié)構(gòu)件、標(biāo)準(zhǔn)件、 司機(jī)室和機(jī)罩等。挖掘機(jī)三維造型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是金屬結(jié)構(gòu)件的三維造型，如動(dòng)臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、回 轉(zhuǎn)支承、行走機(jī)構(gòu)和行走架等，這些金屬結(jié)構(gòu)件都是由多

5、個(gè)零件焊接成形，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。 如動(dòng)臂本體由上板、下板、側(cè)板、加強(qiáng)筋板、連接耳板和軸套等十多個(gè)零件焊接而成，這些 單個(gè)零件結(jié)構(gòu)一般比較簡單。 設(shè)計(jì)者根據(jù)零件的具體結(jié)構(gòu)畫出反映零件特征的二維草圖， 草 圖一般由直線、多邊形、圓弧線和圓等構(gòu)成封閉的圖形。將二維截面草圖進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、 放樣、 倒角，生成三維圖形。最后將這些零件組裝并通過布爾運(yùn)算等操作， 形成動(dòng)臂的三維 實(shí)體模型。其它結(jié)構(gòu)件制作方法類同，圖 1 、圖 2 和圖 3 為挖掘機(jī)動(dòng)臂、平臺(tái)和行走架本體 的三維實(shí)體造型。三維造型最好采用參數(shù)化的草圖建模方法，這樣可以方便地實(shí)行零件的修改及變形設(shè)計(jì)，只要發(fā)現(xiàn)某一尺 寸和結(jié)構(gòu)不合理，可以容易地修

6、改。而且可以通過尺寸等修改形成其它挖掘機(jī)的建模，無須重新建模，為 以后其它挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)建模打下基礎(chǔ)。零件模型不僅包含零件的幾何信息，還包含材料、名稱、精度等物 理信息。就可被后續(xù)的質(zhì)量特性計(jì)算、動(dòng)靜干涉檢查、有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、圖面繪制及 制造等工作所共用。挖掘機(jī)外觀造型設(shè)計(jì)十分重要，是吸引用戶非常重要的一個(gè)方面。駕駛室、配重、柴油箱、液壓油箱和機(jī) 罩等都采用曲面流線型設(shè)計(jì)，駕駛室寬敞、視野良好，造型新穎。整個(gè)外形設(shè)計(jì)應(yīng)給人一種賞心悅目的感 覺。圖 4 為駕駛室的三維造型。1.3 挖掘機(jī)配套件的三維造型 挖掘機(jī)的配套件主要有：柴油機(jī)、液壓缸、馬達(dá)、閥組、減速器和回轉(zhuǎn)支承等，都由專

7、業(yè)配套廠制造，一 般只提供安裝與連接尺寸圖紙和外輪廓簡圖。準(zhǔn)確的配套件三維造型無法構(gòu)造。一般把配套件作為一個(gè)整 體，只對(duì)連接與安裝位置的精確建模，其他部分只作外輪廓造型。挖掘機(jī)采用的液壓元件外形輪廓比較規(guī) 則，三維建模比較簡單。但柴油機(jī)外形復(fù)雜，可以采取簡化外形結(jié)構(gòu)建模，對(duì)可能涉及與其它零部件交叉 安裝的空間干涉部分進(jìn)行處理。也可以從配套件廠家索取配套件的三維造型，直接用于裝配。1.4 挖掘機(jī)部件與整機(jī)的三維造型完成了所有零件的三維實(shí)體造型之后，就可以進(jìn)行部件與整機(jī)的裝配仿真。整個(gè)流程先從零件到部件，再 從一級(jí)部件到總成，再往上直到整機(jī)。即采用自下而上的倒樹狀層次結(jié)構(gòu)法，各級(jí)部件通過引用一系列

8、下 級(jí)零部件模型組裝而成，它不僅描述一個(gè)部件與下級(jí)零部件之間的裝配從屬關(guān)系，同時(shí)也記錄所屬下級(jí)零 部件之間的裝配定位關(guān)系。整車裝配盡量與車間實(shí)際裝配過程一致，首先將行走架本體定位，在行走架上安裝四輪一帶、行走減速器 和行走馬達(dá)等，形成行走裝置總成。然后再安裝平臺(tái)本體，在平臺(tái)本體上安裝回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、柴油機(jī)、液壓油 箱、柴油箱、司機(jī)室、閥組、和工作裝置等。生成挖掘機(jī)整機(jī)三維造型，如圖5 所示。三維實(shí)體模型通過高級(jí)渲染就可以繪出具有真實(shí)感的挖掘機(jī)產(chǎn)品和部件效果圖，可以用于制作挖掘 機(jī)產(chǎn)品樣本、對(duì)外宣傳推廣產(chǎn)品，避免了過去等樣機(jī)制造出來后才能推廣的弊端，加快了新產(chǎn)品的市場拓 寬時(shí)間，提高產(chǎn)品的市場競爭能力

9、。 2 干涉檢查和運(yùn)動(dòng)仿真 在挖掘機(jī)新產(chǎn)品開發(fā)過程中，在投料加工 之前利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行裝配仿真，可以發(fā)現(xiàn)零、部件設(shè)計(jì)上的尺寸干涉和結(jié)構(gòu)不合理，及時(shí)糾正設(shè)計(jì)中的不 足，避免實(shí)際制造中出現(xiàn)問題，造成浪費(fèi)和損失。 挖掘機(jī)設(shè)計(jì)不僅需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸正確無誤，還需要 設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)性能好，以保證挖掘機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中不發(fā)生干涉，使用安全可靠。利用已完成的挖掘機(jī)三 維模型，給出液壓缸運(yùn)動(dòng)的約束條件，并施加作用力，進(jìn)行二維或三維運(yùn)動(dòng)分析，可以分析機(jī)構(gòu)最小距離、 每個(gè)挖掘位置的挖掘力、位移、速度、加速度和和功率等參數(shù)。繪制運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)圖，從而分析工作范圍 的大小和挖掘性能的好壞。裝配仿真技術(shù)可以從靜態(tài)角度保證設(shè)計(jì)尺寸的正確性，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真則從運(yùn)動(dòng) 角度保證設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。在設(shè)計(jì)階段把許多原本要在樣機(jī)試驗(yàn)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)的問題一一加以解決， 從而為企業(yè)帶來實(shí)實(shí)在在的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f ür den pers?nlichen für Studien, Forschung, zu kommerzi