【文章內(nèi)容簡介】 為核心，借助成熟的三維計算機圖形技術(shù)、圖形用戶界 面技術(shù)、信息技術(shù)、集成技術(shù)、多媒體技術(shù)、并行處理技術(shù)等，將分散的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)和分析過程集成在一起，使得與產(chǎn)品相關(guān)的所有人員能在產(chǎn)品研制的早期直觀形象地對虛擬的產(chǎn)品原型進行設(shè)計優(yōu)化、性能測試、制造仿真以及使用仿真等。 換句話說“ 運動仿真 ”設(shè)計方法就是在建造第一臺（件）物理樣機之前，利用軟件技術(shù)建立產(chǎn)品系統(tǒng)計算機模型，通過基于實體可視化的仿真分析，模擬系統(tǒng)在真實工作環(huán)境條件下的運動和動力特性，以便反復(fù)修改設(shè)計方案，最終得到最優(yōu)設(shè)計方案。 運動仿真 技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況 國外已在各個領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用仿真 設(shè)計。所涉及到的產(chǎn)品從龐大的卡車到微小的照相機的快門，從火箭到輪船的錨機。在工程／礦山機械行業(yè)，如約翰迪爾公司利用仿真技術(shù)成功地解決了工程機械在高速行駛時出現(xiàn)蛇行現(xiàn)象的問題及在重載下的自激振動這個一直困擾著設(shè)計師及用戶的難題，大大提高了工程／礦山機械高速行駛性能與重載作業(yè)性能?？ㄌ乇死展纠锰摂M樣機在切削任何一片金屬之前就可快速試驗數(shù)千種設(shè)計方案，不但降低了產(chǎn)品設(shè)計成本，縮短了開發(fā)周期，而且還制造出性能更為優(yōu)異的產(chǎn)品。 運動仿真 技術(shù)在國外已有很多應(yīng)用實例，我國也正極急投身于該項技術(shù)的研究中。在傳統(tǒng)上，我 國引進物理樣機，開發(fā)人員往往停留在零件照抄的水平上，對于樣機缺乏系統(tǒng)水平上的理解和研究，結(jié)果雖然投入了大量的人力物力，卻收效甚微。但如果采用虛擬樣機技術(shù)，技術(shù)人員便可對引進樣機進行深入的研究，可以追蹤樣機的設(shè)計思想，從而真正提高設(shè)計人員的水平，開發(fā)出能滿足市場需求的產(chǎn)品來。 發(fā)展運動仿真技術(shù)的重要意義 運動仿真 設(shè)計方法將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)集成在一起，提供一種更全面地了解設(shè)備性能的方法。它利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能，對設(shè)備進行幾何、功能及制造等方面交互的 建模與分析。在概念設(shè)計和方案論證中，便于設(shè)計師將自己的經(jīng)驗與想象融于計算機的虛擬樣機設(shè)計中，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，并替代物理樣機進行性能模擬試驗。設(shè)計師可在計算機上方便地確定、修改設(shè)計進程，逐步優(yōu)化設(shè)計方案。通過 運動仿真 機試驗，還可節(jié)省建立試驗臺、安裝測試設(shè)備和測試儀表等有關(guān)的費用，更快地確定影響設(shè)計方案性能的敏感參數(shù)，達到最優(yōu)化設(shè)計目的。這樣，可大大縮短設(shè)備研發(fā)周期，降低研制成本，提高設(shè)計質(zhì)量和1 前 言 5 效率，為產(chǎn)品贏得了競爭優(yōu)勢。 總結(jié) 基于運動仿真的設(shè)計方法將成為 21世紀工礦設(shè)備開發(fā)、研究的主流。 對成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、工況惡劣，而又不可能制造多臺物理樣機的設(shè)備其應(yīng)用前景更加廣闊，如大型露天礦用設(shè)備、煤礦井下綜采設(shè)備和深海開采設(shè)備等。以及那些事關(guān)國際名聲的骨干行業(yè)，如汽車工業(yè)、軍事工業(yè)等，仿真技術(shù)在這些行業(yè)的應(yīng)用在帶來可觀經(jīng)濟效益的同時，亦可提高其產(chǎn)品的設(shè)計水平和市場競爭力，有著廣闊的發(fā)展前景。因此，仿真技術(shù)的各項關(guān)鍵技術(shù)必將為經(jīng)濟發(fā)展、國防建設(shè)、科技發(fā)展及社會進步做出重大貢獻。 Pro/ENGINEER 軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用 Pro/ENGINEER 軟件介紹 Pro/ENGINEER 和 Pro/MECHANICA 是由美國參數(shù)技術(shù)公司推出的一套博大精深的三維CAD/CAM 參數(shù)化軟件系統(tǒng) , 被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域。 Pro/ENGINEER 和 Pro/MECHANICA 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機械二維和三維動態(tài)造型仿真設(shè)計、機械設(shè)計、模具設(shè)計、加工制造設(shè)計、而且還能夠?qū)崿F(xiàn)機構(gòu)仿真、結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計、電路設(shè)計以及數(shù)據(jù)庫管理等多種技術(shù)目的。 應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、汽車、機械、 NC加工，電工等諸多行業(yè)。 由于其強大而完美的功能 Pro/ENGINEER 幾乎成為三維 CAD/CAM 領(lǐng)域的一面旗幟和標準。 它在國 外大學(xué)院校里以成為學(xué)生工程必修的專業(yè)課程，也成為工程技術(shù)人員必備的技術(shù)，是目前國際上專業(yè)設(shè)計人員使用最為廣泛的、先進的、具有多種功能的動態(tài)設(shè)計仿真軟件。隨著我國加入WTO ，一場新的工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)革命正在興起。作為提高生產(chǎn)率和競爭力的有效手段 Pro/ENGINEER 也在國內(nèi)形成一個廣泛應(yīng)用的熱潮。 Pro/ENGINEER WILDFIRE 是美國 PTC 公司于 2020年新推出的 Pro/ENGINEER系列產(chǎn)品中的旗艦產(chǎn)品 該軟件在原有的 2020版本基礎(chǔ)上新增了重多功能 ，特別強調(diào)了設(shè)計過程的易用性以及 設(shè)計人員之間的互聯(lián)性。 原有的 Pro/ENGINEER 產(chǎn)品的升級周期為半年一次 ，而本次升級卻花了兩年的時間 ，其產(chǎn)品性能有了本質(zhì)性的改善。 PTC 的系列軟件不但包括了在工業(yè)設(shè)計和機械設(shè)計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。 Pro/ENGINEER 提供了目前所能達到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。它的技術(shù)特點在于以下兩個方面。 1 Pro/E參數(shù)化設(shè)計特征和功能 Pro/ENGINEER 是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體的建模工具，工程設(shè)計人員采用具有智能特性 的基于特征的功能去生成模型，如 Hole（孔）、 Shell（殼）、 Chamfer（倒角）及 Round（倒圓角）。用戶可以方便的修改模型，給工程設(shè)計者提供了設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。 2 Pro/E單一數(shù)據(jù)庫 Pro/ENGINEER建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，而傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，是指工程中的資料全部來自一個庫，每一個獨立用戶都能同時為同一件產(chǎn)品造型而工作。換言之，在整個設(shè)計過程任何一處發(fā)生改動，在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上都有響應(yīng)。例如，一旦工程詳圖有改變， NC（數(shù) 控）工具路徑就會自動更新；組裝工程圖如有變動，也完全反映在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完美組合，把一件產(chǎn)品的設(shè)計工作緊密結(jié)合起來，使得設(shè)計效率更高，成品質(zhì)量更好，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜，市場競爭力大1 前 言 6 大增強。 本次對礦用小型裝載機的設(shè)計應(yīng)用 Pro/ENGINEER WILDFIRE 軟件 ,現(xiàn)就本次設(shè)計所接觸到的幾個主要模塊做簡要概述。 1 機械設(shè)計 CAD模塊 機械設(shè)計模塊是一個高效的三維機械設(shè)計工具，它可繪制形狀相當(dāng)復(fù)雜的零件。在實際中存在大量形狀不規(guī)則的物體表面，如摩托車輪轂，這些稱 為自由曲面。隨著人們生活水平的提高，對曲面產(chǎn)品的需求將會大大增加。用 Pro/E生成曲面非常方便，方法有：拉伸 旋轉(zhuǎn) 放樣 掃掠 網(wǎng)格 點陣等。由于生成曲面的方法較多，因此 Pro/E可以迅速建立復(fù)雜曲面。 2 運動分析模塊 （ Scenario For Motion） 運動分析模塊 （ CAE） 是 CAE（ Computer Aided Engineer） 應(yīng)用軟件，用于建立運動機構(gòu)模型，分析其運動規(guī)律。運動分析模塊自動復(fù)制主模塊的裝配文件 ,并建立一系列不同的運動分析方案。Pro/ENGINEER 運動分析模塊可以進行機構(gòu)的干 涉分析，跟蹤零件的運動軌跡，分析零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力距。 Pro/ENGINEER MOTION 模塊為 Pro/ ENGINEER 的集成運動模塊，是設(shè)計機構(gòu)運動強有力的工具。該模塊可以讓機構(gòu)設(shè)計師設(shè)定裝配件在特定的環(huán)境中的機構(gòu)動作并給予評估，能夠判斷出改變哪些參數(shù)能滿足工程及性能超群上的要求，使產(chǎn)品設(shè)計達最佳狀態(tài)， Pro/ENGINEER MOTION 有如下功能： 1) 校驗機構(gòu)運動的正確性，對運動進行仿真，計算機構(gòu)任意時刻的位置、速度、加速度。 2) 可以通過運動分析，得出裝配的最佳配置。 3) 根據(jù)給出 的力決定運動狀態(tài)及反作用力。 4) 根據(jù)運動反求所需要的力。 5) 求出鉸接點所受的力及軸承力。 6) 通過尺寸變量對機構(gòu)進行優(yōu)化。 7) 干涉檢查。 運動仿真技術(shù)對裝載機設(shè)計理念的影響 裝載機是一種作業(yè)效率高，用途廣泛的工程機械，它不僅對松散的堆積物料可進行裝運、卸作業(yè)，還可對巖石、硬土進行輕度鏟掘工作，并能用來清理刮平場地及牽引作業(yè)。經(jīng)過 80多年的發(fā)展，到今天裝載機已經(jīng)成為一種必不可少的工程用具。目前，世界上已經(jīng)出現(xiàn)了許多能夠滿足不同要求的規(guī)格種類繁多的裝載機產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展，和設(shè)計理念的不斷更新，還將出現(xiàn)更 多功能和性能優(yōu)良的裝載機產(chǎn)品。 本次改裝設(shè)計的小型裝載機主要用于中小型礦井下代替人工，鏟裝粒度不大的散裝物料，對提高中小型礦井的機械化水平有重要意義。 通常在對輪式裝載機的工作裝置進行機構(gòu)分析時一般采用圖解法或解析法，采用圖解法精度較低，使用解析法計算又很復(fù)雜，因此一般只對幾個作業(yè)位置進行分析計算，難以了解全部工況的作業(yè)性能及負荷變化。為解決這一問題，我們使用機械系統(tǒng)運動學(xué)與動力學(xué)分析仿真軟件對其進行分析。這就要求先進行裝載機工作裝置的運動仿真設(shè)計。 裝載機工作機構(gòu)的 運動仿真 的設(shè)計主要是用大型參數(shù)化建模工具 Pro/ENINEER 對工作裝置先進行三維實體建模，然后實現(xiàn)動態(tài)模擬。為能夠方便的解決在產(chǎn)品設(shè)計階段中運動構(gòu)件在運動過程中的運動協(xié)調(diào)關(guān)系、運動范圍設(shè)計、可能的運動干涉檢查等問題找到一個切實可行的新方法。裝載機1 前 言 7 虛擬樣機的設(shè)計步驟和傳統(tǒng)設(shè)計步驟基本相同如圖 。 圖 裝載機工作裝置運動仿真設(shè)計步驟 本章小結(jié) 本章主要討論了運動仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景、狀況及發(fā)展趨勢，介紹了運動仿真應(yīng)用的領(lǐng)域和實現(xiàn)的過程，指出了課題研究的背景和實際意義，確定了論文所要完成的主要 任務(wù)和預(yù)期目的。介紹了 Pro/ENGINEE軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用 N Y Y Y N N Y 礦用裝載機模型 設(shè)計方案 實體建模 干涉檢查分析 N 運動分析 生成工程圖 是否符合設(shè)計要求 設(shè)計結(jié)果是否滿意 2 液壓缸的選擇 8 2 液壓缸的選擇 缸的主要參數(shù)包括 行程、缸徑、最高使用壓力等。 大臂缸和翻斗缸的要求相同均為最大推力 ： 20200N、行程： 800mm，一般均是工作過程中伸出過程壓力遠高于縮回過程，主要按伸出推力計算即可，活塞截面積： Ah = Fmax / pmax = 20200N/ = *103 m2 Dg = 2 (Ah/π )1/2 = 42mm Ah 預(yù)算缸的活塞 面積 Fmax 缸允許的最大推力 pmax 泵輸出的最大壓力 Dg 預(yù)算缸的內(nèi)腔直徑 那就要求所選缸最高使用壓力大于或等于 14MPa，行程為 800mm，缸內(nèi)徑為 42mm或略小于 42mm的尾部耳環(huán)式等速缸。 選缸： D25WE4022800M— ISO 型號 行程 最高使用壓力 D25WE4022800M— ISO 800mm 25MPa 活塞桿直徑 液壓缸內(nèi)徑 22mm 80mm 本章小結(jié) 正確選擇液壓缸的參數(shù)對下面的工作十分重要 ,在計算行程當(dāng)中 ,如有不當(dāng)就可能造成干涉 ,直接影響裝配 ,裝配不成功 ,就無法進行運動仿真 . 3 工作裝置的實體建模 9 3 裝載機工作裝置三維實體建模 工作裝置零件建模 在傳統(tǒng)的工程設(shè)計中，設(shè)計人員首先在頭腦中形成產(chǎn)品的三維輪廓，然后在圖紙上利用二維工程圖表示，其他設(shè)計人員以及工藝 生產(chǎn)等不同部門的人員再通過二維圖紙將產(chǎn)品還原為三維影像。由于圖紙的錯誤和理解的偏差，設(shè)計人員的意圖并不總能完全實現(xiàn)，因而設(shè)計制造的周期較長，產(chǎn)品的質(zhì)量也受到影響。在產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的時候 尤其如此。因此三維化設(shè)計應(yīng)該是發(fā)展趨勢。 三維模型的發(fā)展經(jīng)歷了由線框、曲面到實體的過程。實體模型最真實的反映三維形體的特性，不但包括了形體的幾何輪廓，而且由于實體有密度屬性，因而可以進行質(zhì)量計算、干涉檢查等操作。 基本特征是建模時創(chuàng)建的第一個特征，是零件結(jié)構(gòu)的基本要素?；咎卣饕院蟮钠渌卣饕蕾囉诨咎卣鳌；咎卣骺梢允菍嶓w特征，也可以是基準特征，正交基準平面就常常被用作基本特征。 在 Pro/E 中進行零件設(shè)