全液壓鉆機動力頭三維建模與動態(tài)仿真

羅詩偉

摘 要：介紹了三維設(shè)計軟件SolidWorks2007在HQY-500全液壓鉆機動力頭設(shè)計中的應(yīng)用。在SolidWorks2007環(huán)境中，對動力頭的各個組件和裝配體進行三維建模，然后進行動態(tài)仿真，從而實現(xiàn)動力頭的三維設(shè)計，對提高設(shè)計、裝配效率和節(jié)省制造成本有著重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：全液壓鉆機；動力頭；三維建模；動態(tài)仿真

HQY-500全液壓鉆機是我所新進研發(fā)的產(chǎn)品，其中除了復(fù)雜的液壓原理和部件外，動力頭的設(shè)計是本鉆機的關(guān)重件，它的結(jié)構(gòu)和運行狀況是鉆機得以實現(xiàn)其探礦功能的主要部件。在以往的鉆機設(shè)計中，只能用二維平面三視圖來表示動力頭的裝配關(guān)系，為了克服復(fù)雜機構(gòu)平面繪圖的缺點，本文提出了一種基于SolidWorks2007的三維實體建模方法，這樣可使抽象的問題直觀化。同時還可以利用“模擬”按鈕選擇裝配體的模擬運動方向和速度，再利用SolidWorks Animator插件來制作動畫，它能實時錄制動力頭傳動機構(gòu)的工作過程，增強了對全液壓鉆機動力頭運行情況的動態(tài)仿真。

一、動力頭的實體建模

SolidWorks2007軟件用戶界面操作簡便，初學(xué)者很容易上手，它結(jié)合了二維平面繪圖和三維實體造型，因此使用非常廣泛。在SolidWorks2007的標(biāo)準(zhǔn)菜單中包含了草圖繪制工具欄和特征工具欄，其中特征工具欄有拉伸凸臺/基體、旋轉(zhuǎn)凸臺/基體、拉伸切除、旋轉(zhuǎn)切除[1]。在處理復(fù)雜的幾何形狀時還需要其他高級特征選項，包括掃描、放樣凸臺/基體、拔模、抽殼、異型孔向?qū)У?。合理運用上述特征造型技術(shù)就能設(shè)計出動力頭各組成零件的實體模型。

由于動力頭組成零件比較多，不能一一介紹建模過程，并且大部分零件的設(shè)計都是簡單的重復(fù)，復(fù)雜零件的設(shè)計關(guān)鍵是要合理選擇基準(zhǔn)，然后根據(jù)零件的特點旋轉(zhuǎn)拉伸，最后在此基礎(chǔ)上進行修改，因此本文只以動力頭體為例說明建模過程。

先確定動力頭體的基礎(chǔ)參數(shù)，再根據(jù)其特點，選用截面豎切的外形尺寸繪制草圖，然后選擇“插入”中的“參考幾何體”的“基準(zhǔn)軸”，以基準(zhǔn)軸和草圖選擇“旋轉(zhuǎn)凸臺/基體”按鈕，選擇合適的參數(shù)，就能得到動力頭體大概的模型，然后在用“圓周陣列”做出螺紋孔，再選用插入合適的基準(zhǔn)面用“拉伸切除”命令做出耳扣和旋轉(zhuǎn)套等各部分，最后就得到了動力頭體的模型，如圖1所示。

同理可以做出其余各個零件的實體模型，對于標(biāo)準(zhǔn)件的建?？梢灾苯诱{(diào)用法恩特FNT標(biāo)準(zhǔn)件庫中的實體，只需修改到所需的參數(shù)即可。

圖1

二、動力頭的虛擬裝配

打開一個裝配體文件，先插入動力頭體，因為SolidWorks默認(rèn)第一個零件是固定的，不能運動，其他的零件都是以它為裝配參照體[2]。再依次插入軸承、花鍵套、端蓋以及補心套，再裝入主軸，在主軸和動力體之間插入浮動裝置，根據(jù)浮動裝置再確定進水體的相對位置，最后插入螺栓等外圍的標(biāo)準(zhǔn)件。在依次調(diào)入各個零件后，分別選擇“配合”按鈕，利用同軸心、重合、平行、垂直、相切以及距離和角度等標(biāo)準(zhǔn)配合，有些零件的配合還要用到高級配合，以便精確地把各個零件約束在動力頭體上。最后如圖2所示。

圖2

三、動力頭的動態(tài)仿真

在動態(tài)仿真前，先在裝配體中對動力頭進行動態(tài)模擬。單擊裝配體中“模擬”按鈕，選擇“旋轉(zhuǎn)馬達”，分別設(shè)置動力頭主軸的旋轉(zhuǎn)方向和角速度。然后單擊“模擬”按鈕，選擇“計算模擬”，這時動力頭外圍都是半透明的，此時可以清楚的觀看動力頭內(nèi)部各零件的運動情況（如圖3所示）。并且也可以設(shè)置動力頭其他組件的模擬參數(shù)，觀看其他零件的動態(tài)仿真。

選擇工作區(qū)底部的“動畫”標(biāo)簽切換到動畫操作界面。在SolidWorks Animator工具欄上，單擊“動畫向?qū)А卑粹o，選擇“物理模擬”，單擊“下一步”，然后設(shè)置開始時間和動畫時間長度，單擊“完成”。最后，點擊SolidWorks Animator工具欄左側(cè)的“播放”按鈕觀看動畫，動畫完畢后還可以單擊“保存”按鈕可將制作的動畫以AVI格式保存[3]。

圖3

四、結(jié)束語

本文采用SolidWorks2007三維實體造型軟件，通過定義全液壓鉆機動力頭各部分的相對位置，設(shè)置主軸的旋轉(zhuǎn)方向和角速度以實現(xiàn)動力頭運動的動態(tài)仿真，使設(shè)計人員能夠全方位地觀察動力頭的運動狀態(tài)。實現(xiàn)零件之間的關(guān)聯(lián)設(shè)計，對于全液壓鉆機的三維設(shè)計具有重大的意義，一方面可以大大提高設(shè)計效率，另一方面做到動力頭進行裝配干涉檢查、碰撞檢查、動態(tài)間隙檢測，保證設(shè)計、生產(chǎn)的產(chǎn)品合格。同時也展示了Solid

Works強大的建模功能和動態(tài)仿真功能，為工程技術(shù)人員探索了一條高效設(shè)計產(chǎn)品的可行之路，對提高設(shè)計、裝配效率與節(jié)省制造成本有著重要的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

[1] 郭圣路，芮鴻.SolidWorks 2007中文版從入門到精通（普及版） [M].北京：電子出版社，2007.103-115.

[2] 鄧力，高飛，高長銀.SolidWorks2007機械建模與工程實例分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.151-178.

[3] 毛文武.基于Solidworks三維建模的機械測繪課程設(shè)計改革

與實踐[J].計算機教育，2007，07（5）：43-46.