基于UG的綜采液壓支架三維建模及其應(yīng)用

陸 峰

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽淮南 232001)

·機(jī)電工程與自動(dòng)化·

基于UG的綜采液壓支架三維建模及其應(yīng)用

陸 峰

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,安徽淮南 232001)

三維建模和仿真技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中起著非常重要的作用。利用UG對(duì)液壓支架進(jìn)行建模,然后利用其運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)支架的伸柱、降柱、推溜、移架的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。

U G;液壓支架;三維建模;運(yùn)動(dòng)仿真

0 引言

綜采液壓支架是機(jī)械化采煤的關(guān)鍵設(shè)備,為適應(yīng)不同的地質(zhì)條件,經(jīng)常需要改型設(shè)計(jì),從設(shè)計(jì)到試制再到批量生產(chǎn),周期較長(zhǎng)。利用基于U G的三維建模可以模擬支架的工作過程,驗(yàn)證設(shè)計(jì)技術(shù)指參數(shù),檢驗(yàn)設(shè)計(jì)中是否存在干涉和裝配不合理因素,同時(shí)可以使制造部門盡快熟悉產(chǎn)品結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)制作工裝夾具。從而體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)性、先進(jìn)性,不需要試制便可以直接批量生產(chǎn),縮短制造周期。

U G軟件是目前國(guó)內(nèi)外最為先進(jìn)的基于特征的三維設(shè)計(jì)軟件,易學(xué)易懂,功能強(qiáng)大。利用UG對(duì)液壓支架進(jìn)行三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真,簡(jiǎn)潔方便,形象直觀,效果逼真。

1 采用 U G建模的優(yōu)點(diǎn)

1.1 UG的工作界面強(qiáng)調(diào)人性化設(shè)計(jì) ,具有較大的圖形窗口,便于設(shè)計(jì)者使用,并且簡(jiǎn)化視圖操作控制,增強(qiáng)模型顏色模式,設(shè)計(jì)者視覺舒適,一般只需花很少的時(shí)間就能學(xué)會(huì),并能很快熟練運(yùn)用。

1.2 UG是建立在一個(gè)統(tǒng)一的能在系統(tǒng)內(nèi)部引起變化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在液壓支架開發(fā)研制過程中,當(dāng)某一處設(shè)計(jì)發(fā)生變化,該變化能夠很快傳遍整個(gè)設(shè)計(jì)制造過程,確保所有的零件和各個(gè)環(huán)節(jié)保持一致性和協(xié)調(diào)性。

1.3 UG的核心技術(shù)是以部件為中心,其設(shè)計(jì)的零件不僅包含制造工藝和成本等一些非幾何的信息,而且還包含零件的位置信息以及它們之間的相互關(guān)系,就使得對(duì)液壓支架模型的建立、改動(dòng)非常迅速。圖 1為用 U G建立的ZY6800/19/40液壓支架三維實(shí)體模型。

1.4 在U G中,設(shè)計(jì)者通過對(duì)液壓支架模型添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)器,可以使液壓支架完成升架、降架,推溜、移架、伸縮前梁等動(dòng)作,使原來在二維圖紙上難于表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)變得非常直觀和易于修改。

2 液壓支架的三維實(shí)體造型

對(duì)液壓支架整機(jī)三維建模一般采用自下向上的方法,先根據(jù)各部件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸建立各部分的三維模型然后再按照各部分的裝配和約束關(guān)系逐個(gè)進(jìn)行組裝,最后形成一個(gè)完整的機(jī)器。

2.1 正確地進(jìn)行零件造型

創(chuàng)建三維模型,不僅僅是為了造型,更多的是為了今后使用方便——如設(shè)計(jì)的修改和調(diào)整、虛擬裝配、動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析等。一般對(duì)于開發(fā)性設(shè)計(jì)來說,造型的近期目標(biāo)就是為了修改。具體到支架設(shè)計(jì),由于每次設(shè)計(jì)所要求的支護(hù)強(qiáng)度各不相同,所設(shè)計(jì)的支架模型在完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)目標(biāo)后,還要通過強(qiáng)度驗(yàn)算同時(shí)確保支架總重量不超過一定數(shù)值,因此,支架模型只有在通過強(qiáng)度驗(yàn)算合格和總重量不超標(biāo)的情況下才能正式確定下來。也可以說,在設(shè)計(jì)時(shí),修改零件模型是必不可少的。這就要求所創(chuàng)建的零件造型結(jié)構(gòu)完整,尺寸和幾何約束齊全、正確,以便在今后的零件設(shè)計(jì)過程中,隨時(shí)可以方便地對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)做出修改。要明確零件造型的目的。在不影響零件的基本特征和受力的情況下,某些細(xì)小特征(如較小的圓角和倒角)可以省略,還可以將有關(guān)部件直接繪成一個(gè)零件模型,減少模型存儲(chǔ)量以及縮短模型生成時(shí)間,從而提高了工作效率。對(duì)此,設(shè)計(jì)人員必須有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)。

2.2 裝配時(shí)需注意的幾個(gè)問題

三維模型的裝配過程較為簡(jiǎn)單。但是還是要注意幾個(gè)問題。

(1)正確進(jìn)行立柱的裝配。由于現(xiàn)有的很多軟件很難識(shí)別柱窩和立柱缸體底部圓球面的配合關(guān)系,所以裝配過程比較復(fù)雜,有時(shí)甚至沒法裝配。有一個(gè)解決方法就是將立柱簡(jiǎn)化成帶兩個(gè)鉸點(diǎn)的模型,這樣還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)比較方便(簡(jiǎn)化成轉(zhuǎn)動(dòng)副)[1]。還有就是立柱以及各種千斤頂?shù)幕钊透左w最好在總裝圖中裝配,不要先裝配成一個(gè)部件,然后調(diào)入到總裝圖當(dāng)中。如果先裝配成部件,在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí),軟件很難識(shí)別其約束關(guān)系,而將立柱和千斤頂視為一個(gè)整體。

(2)正確進(jìn)行銷軸裝配。對(duì)于銷軸等聯(lián)接件應(yīng)盡量先裝配到部件圖當(dāng)中,然后作為一個(gè)部件調(diào)到總裝圖中,這樣易于進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。如圖1所示,先將銷軸裝配到底座部件圖當(dāng)中,然后將底座部件圖調(diào)入到總裝圖中。為了使實(shí)體模型有逼真的效果,可以通過渲染命令來對(duì)模型進(jìn)行渲染,以達(dá)到逼真的效果。

圖1 ZY6800/19/40掩護(hù)式液壓支架三維模型

3 液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)

機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析模塊是U G軟件中包含的一個(gè)運(yùn)動(dòng)分析和仿真模塊,該模塊既可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)的定義、建立零件之間的連接及裝配自由度、對(duì)輸入軸添加相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生設(shè)計(jì)要求的運(yùn)動(dòng),又可以在分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)觀察和記錄分析仿真過程的一些測(cè)量值,如位置、速度和加速度等,還可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查和運(yùn)動(dòng)軌跡顯示等。

液壓支架在工作過程中,必須具備伸、降、推、移四個(gè)基本動(dòng)作,這些動(dòng)作是利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質(zhì)不同的各種千斤頂和立柱來完成的。在U G中分別在立柱、推移千斤頂、前梁千斤頂、平衡千斤頂?shù)倪B接軸上施加相應(yīng)個(gè)數(shù)的伺服電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,然后根據(jù)該液壓支架的實(shí)際工作情況,按“流量法”從理論上計(jì)算出支架在伸、降、推、移等整個(gè)工作循環(huán)中各自所需要的時(shí)間,即液壓支架在伸、降、推、移的動(dòng)作過程中對(duì)千斤頂或立柱的伺服電動(dòng)機(jī)所設(shè)定的時(shí)間(在設(shè)定中注意有復(fù)合的伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作起止時(shí)間)。根據(jù)各自所需要的時(shí)間,解決了各個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系問題,使液壓支架的整個(gè)工作循環(huán)動(dòng)態(tài)模擬能順利地按工作順序完成。在液壓支架零、部件裝配和運(yùn)動(dòng)仿真完成后,就可以利用UG對(duì)設(shè)計(jì)既得的實(shí)體模型進(jìn)行干涉檢驗(yàn),包括靜態(tài)檢查和動(dòng)態(tài)檢查。靜態(tài)干涉檢查是指在特定的裝配結(jié)構(gòu)形式下,檢查裝配體各個(gè)零件之間的相對(duì)位置是否存在干涉,而動(dòng)態(tài)干涉檢查是檢驗(yàn)裝配體或其零件在運(yùn)動(dòng)過程中是否存在零部件之間的運(yùn)動(dòng)干涉。直接利用U G/Analysis對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析,重點(diǎn)對(duì)裝配模型進(jìn)行全局干涉檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果直接顯示在模型中,同時(shí)用數(shù)字給出干涉區(qū)域的面積。這樣對(duì)整個(gè)支架的裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行干涉檢驗(yàn),可以觀察和分析出現(xiàn)的干涉問題,從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì),將整機(jī)設(shè)計(jì)中可能存在的問題消除在萌芽狀態(tài),減少試制樣機(jī)費(fèi)用和改進(jìn)時(shí)間,并大大縮短機(jī)械產(chǎn)品的更新周期。

在液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真完成之后,借助于U G仿真分析測(cè)量還可以測(cè)量系統(tǒng)中需要跟蹤的參數(shù),如某零件的位移、速度、加速度等,并將其變化趨勢(shì)通過圖表的形式直觀地表現(xiàn)出來[2]。如結(jié)果不理想,可在設(shè)計(jì)模式下直接修改模型參數(shù),重復(fù)仿真分析,以達(dá)到機(jī)構(gòu)優(yōu)化的目的。

4 結(jié) 語

綜采液壓支架是機(jī)械化采煤的關(guān)鍵設(shè)備,為適應(yīng)不同的地質(zhì)條件,經(jīng)常需要改型設(shè)計(jì),從設(shè)計(jì)到試制再到批量生產(chǎn),周期較長(zhǎng)。把U G三維建模功能應(yīng)用到在液壓支架的設(shè)計(jì)與分析過程中,應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù),可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量,及時(shí)在參數(shù)化階段發(fā)現(xiàn)問題與不足,有效提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,縮短開發(fā)時(shí)間。所創(chuàng)建的三維立體圖具有直觀、易于理解等特點(diǎn),有利于解決復(fù)雜幾何形體的造型問題,能減輕工作量;不僅可以得到描述對(duì)象的形狀、大小、位置等幾何特性,而且可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)零件進(jìn)行虛擬裝配試驗(yàn),檢查零件的裝配情況(如是否干涉等),從而減少制造昂貴模型的數(shù)量?？s短產(chǎn)品的開發(fā)周期,增加企業(yè)的工作效率。

[1] 王國(guó)法.液壓支架技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2003.

[2] 袁峰.U G機(jī)械設(shè)計(jì)工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

責(zé)任編輯:張彩云

TH13

A

1671-8275(2010)01-0050-02

2009-10-20

陸峰(1969-),男,安徽淮北人,安徽理工大學(xué)碩士研究生。