挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)中Top-Down的應(yīng)用

莊 攀/ZHUANG Pan

(廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545100）

隨著我國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加速，以及工程機(jī)械客戶多樣性、個性化需求不斷增加，研發(fā)設(shè)計(jì)者的工作量大幅增加。提高新產(chǎn)品設(shè)計(jì)及變形產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作效率，提高研發(fā)產(chǎn)品零部件一致性與通用性，降低制造管理成本成為工程機(jī)械企業(yè)的追求。實(shí)踐表明，Top-Dow n設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)過程能夠大幅降低產(chǎn)品開發(fā)的周期和生產(chǎn)制造成本，提高挖掘機(jī)市場競爭力和盈利水平。

1 Top-Down設(shè)計(jì)

Top-Dow n設(shè)計(jì)是運(yùn)用自頂向下的設(shè)計(jì)流程創(chuàng)建復(fù)雜的組件。通過創(chuàng)建布局控制組件的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用骨架捕捉設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)意圖，用發(fā)布幾何、復(fù)制幾何功能將參數(shù)傳遞至零部件，最終完成整體部件設(shè)計(jì)。Top-Dow n設(shè)計(jì)思路符合大部分設(shè)計(jì)開發(fā)流程，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)前，預(yù)先歸納產(chǎn)品總成框架信息，勾勒主要參數(shù)，在布局文件中定義框架和主參數(shù)。完成布局文件后，建立骨架模型，然后聲明布局，將參數(shù)傳遞至骨架，并作條件定義。本文所述的挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)總體流程如圖1所示。

2 挖掘機(jī)工作裝置

圖1 挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)總體流程

工作裝置是液壓挖掘機(jī)主要組成部分之一，是直接完成挖掘任務(wù)的裝置。動臂、斗桿和鏟斗等主要部件相互鉸接，在液壓油缸伸縮作用下，各部件繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動，完成挖掘、提升和卸土等動作。動臂與斗桿為變截面箱梁結(jié)構(gòu)，鏟斗由鋼板焊接組成。設(shè)計(jì)工作裝置時，不僅要保證各部件的強(qiáng)度和剛度，減輕結(jié)構(gòu)自重，更應(yīng)滿足各項(xiàng)功能性參數(shù)，如斗容量、最大挖掘深度、最大挖掘半徑、最大卸載高度。

3 工作裝置Top-Down設(shè)計(jì)

工作裝置Top-Dow n設(shè)計(jì)過程中，首先聲明各子裝配或零部件空間位置和體積，設(shè)定全局性關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)將被裝配中的子裝配和零部件所使用。當(dāng)這些總體參數(shù)在隨后設(shè)計(jì)中逐步確定并發(fā)生改變時，各零件和子裝配將隨之改變。

設(shè)計(jì)過程中需要獨(dú)立設(shè)計(jì)的部件有各鉸點(diǎn)銷軸組件、標(biāo)準(zhǔn)件、調(diào)整墊、黃油嘴、密封圈、固定搭子。工作裝置在設(shè)計(jì)組件的時候?qū)⒁簤合到y(tǒng)、電氣系統(tǒng)發(fā)布的相關(guān)幾何復(fù)制到零部件或組件中，為相關(guān)孔位及焊接搭子定位創(chuàng)造條件。

工作裝置Top-Dow n設(shè)計(jì)流程如圖2所示，工作裝置設(shè)計(jì)輸入與輸出信息接口如圖3所示。

圖2 工作裝置Top-Down設(shè)計(jì)流程

圖3 工作裝置設(shè)計(jì)輸入與輸出接口

3.1 定義設(shè)計(jì)參數(shù)

從上述描述來看，挖掘機(jī)工作裝置屬于獨(dú)立骨架設(shè)計(jì)。挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)時，工作裝置重要參數(shù)都在骨架中體現(xiàn)，將這些參數(shù)與總體整機(jī)布局（layout）關(guān)聯(lián)，使得工作裝置重要參數(shù)受到總體的控制。具體參數(shù)如表1所示。

3.2 創(chuàng)建坐標(biāo)系及重要基準(zhǔn)

總體與部件接口都有標(biāo)準(zhǔn)化定義，包含總體裝配的坐標(biāo)系、零部件安裝坐標(biāo)系以及參數(shù)輸入、輸出接口。創(chuàng)建整體骨架模型過程中，確定坐標(biāo)系方向及重要基準(zhǔn)屬于標(biāo)準(zhǔn)化定義范圍，對工作裝置重要基準(zhǔn)進(jìn)行完整定義，如表2所示。

表1 工作裝置重要參數(shù)表

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在骨架設(shè)計(jì)之前，設(shè)定工作裝置中面、工作裝置水平面、工作裝置橫向面、工作裝置安裝坐標(biāo)系顯得至關(guān)重要。

3.3 創(chuàng)建整體骨架

骨架能夠表達(dá)后續(xù)零部件創(chuàng)建所需要的曲面、曲線等幾何單元，以及安裝坐標(biāo)系和相對運(yùn)動信息。骨架分為標(biāo)準(zhǔn)骨架和運(yùn)動骨架，設(shè)計(jì)時根據(jù)具體情況創(chuàng)建不同骨架。挖掘機(jī)工作裝置以組件形式創(chuàng)建，包含設(shè)計(jì)骨架和主體骨架，從定義來看，挖掘機(jī)工作裝置屬于運(yùn)動骨架。

綜合以上分析，工作裝置骨架設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

3.4 創(chuàng)建零部件

工作裝置零部件創(chuàng)建一般采用內(nèi)部參照，即直接復(fù)制模型內(nèi)部幾何功能的方法。如此，所有設(shè)計(jì)參數(shù)在骨架模型中完整定義后，分別傳遞至下級零部件，通過骨架模型作為橋梁，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)有相同的參考依據(jù)。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)參與的分部件設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時管控，保證整個項(xiàng)目組能夠協(xié)同、快速完成總體設(shè)計(jì)任務(wù)。

表2 工作裝置重要基準(zhǔn)定義

4 結(jié) 論

基于Top-dow n思維的三維設(shè)計(jì)是一種切實(shí)可行、行之有效的設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用過程靈活掌握布局、骨架、關(guān)系、程序等工具，有效構(gòu)建產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)目標(biāo)。

實(shí)踐證明，Top-dow n設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢很明顯，整個設(shè)計(jì)過程從頂層開始，通過對方案調(diào)整，有效控制產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)與性能指標(biāo)，保證設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。Top-Dow n設(shè)計(jì)方法可將繁重的設(shè)計(jì)任務(wù)濃縮，提升為參數(shù)的簡單設(shè)置，利用該設(shè)計(jì)方法可以擴(kuò)展其他系統(tǒng)總成，將大幅度提高設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)能力。 O

圖4 工作裝置骨架設(shè)計(jì)流程

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