【文章內(nèi)容簡介】 D/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(biāo)準(zhǔn)。 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 2021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 2021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1 前 言 6 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。 1 前 言 7 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 ： 20210N、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 = 20210N/ = *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。基本特征以后的其他特征依賴于基本特征。基本特征可以是實體特征，也可以是基準(zhǔn)特征，正交基準(zhǔn)平面就常常被用作基本特征。 在 Pro/E 中進行零件設(shè)計的步驟是先創(chuàng)建基本特征，然后添加結(jié)構(gòu)特征。開始做零件之前，應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作，明確設(shè)計意圖。認真考慮設(shè)計的關(guān)鍵尺寸，可以變動的尺寸與尺寸之間的關(guān)系，在裝配時與其他零件的裝配關(guān)系等。 由于在 Pro/E 中實體模型可以有多種不同 的生成方法 ,采取何種方法更為合理、高效 ,需要有一個經(jīng)驗積累過程。一般來說，要根據(jù)圖形的形狀選擇生成模型的方式。草圖繪制盡量簡化，最好不要繪制過渡圓角、倒角等非關(guān)鍵性信息。如果要像繪制二維工程視圖那樣繪制草圖 ,效率會很低 ,實踐證明也沒有這個必要。因為在 Pro/ENGINEER中我們可以對實體進行各種編輯操作，如倒圓角。再就是如果草圖繪制過于精細 ,再生成模型時會耗盡計算機資源 ,使得三維模型生成速度很慢且易出現(xiàn)問題。 動臂的生成 圖 動臂建模主要采用拉伸，首先選定草繪平面進入草 繪模式，繪出動臂二維草圖，然后進行拉伸生成動臂三維實體，再在其上打孔，應(yīng)注意保證主要尺寸的準(zhǔn)確性。對另一個動臂我們可以用復(fù)制的方法得到。復(fù)制方法有兩種：一是鏡像，另一是平移，如圖 1 采用鏡像。最后添加一些細節(jié)如圖3 工作裝置的實體建模 10 1動臂上的筋板，添加筋板時要注意參考面的正確建立。對于復(fù)雜的零件 ,選擇合理的生成方法就顯得尤為重要。因為選擇不正確的生成方法不但效率低，而且有些情況根本就不能生成實體模型。因此，設(shè)計人員在設(shè)計實體模型之前，必須要考慮好模型的生成方法和步驟。這就要求設(shè)計人員要有較好的空間想像力和抽象思維能力，這也是三 維建模同二維圖形繪制最大的不同點之處。 鏟斗的生成 采用拉伸方法建立鏟斗基本體，用抽殼功能形成基本殼體。在基本體上添加加厚板以及肋板特征。添加耳特征時只需建立耳特征的一個面，然后采用鏡像復(fù)制命令就可以完成肋板的設(shè)計。最后采用兩側(cè)拉伸方法添加截齒特征和陳列生成。在鏟斗建模過程中要注意的是兩側(cè)加厚板的復(fù)制。 圖 3 工作裝置的實體建模 11 底座的生成 圖 先建立底盤框架，采用裁減命令生成槽鋼結(jié)構(gòu)，在框架上生成后續(xù)特征。底座的生成主要采用了拉伸命令，裁減命令和復(fù)制命令 。底座建模過程中需注意翻轉(zhuǎn)油缸連接座的正確定位。 連桿的生成 圖 連桿的生成比較簡單，主要采用了拉伸命令，需要注意的是在草繪截面時尺寸的標(biāo)注，要保證主要尺寸的準(zhǔn)確，比如兩孔中心距。 3 工作裝置的實體建模 12 搖臂的生成 圖 搖臂建模也主要采用拉伸命令，先建立特征實體的一半然后用復(fù)制特征命令鏡像特征另一半，需要注意的是鏡像特征時對稱基準(zhǔn)的建立方法。然后在基本特征上建立孔特征，應(yīng)注意保證孔間距的準(zhǔn)確，建議： 先建立搖臂兩 端的連接孔，生成后再建立中間連接孔。這樣作，主要是避免三孔同時建立時出現(xiàn)的孔位置難以確定的問題。 液壓缸筒的生成 圖 液壓缸筒實體 液壓缸模型結(jié)構(gòu)及尺寸參看機械設(shè)計手冊，主要采用拉伸和裁減命令生成，需要注意的是尾部聯(lián)結(jié)油管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和建立方法。 3 工作裝置的實體建模 13 液壓缸蓋的生成 圖 缸 蓋結(jié)構(gòu)和尺寸參看機械設(shè)計手冊，主要用拉伸和裁減命令，注意內(nèi)部需加上密封槽。 液壓缸活塞的生成 圖 其結(jié)構(gòu)和尺寸需參看機械設(shè)計手冊，也主要采用 拉伸和裁減命令生成，注意也要加上密封槽。 注：本次設(shè)計的小型裝載機工作裝置需采用三個液壓缸，其中翻轉(zhuǎn)液壓缸和舉升液壓缸基本結(jié)構(gòu)相同，所不同的只是長度尺寸不同，所以只需建立一個舉升液壓缸零件，翻轉(zhuǎn)液壓缸零件可在舉升油缸的基礎(chǔ)上通過修改尺寸再生而成 連接銷軸的生成 圖 3 工作裝置的實體建模 14 銷軸建模主要采用旋轉(zhuǎn)命令，先繪制一條旋轉(zhuǎn)軸，接著草繪截面，再繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 360 度就可生成銷軸實體，然后生成軸端的限位孔，最后在需要倒角的部位倒角。要注意的是建立限位孔時需先創(chuàng)建與柱面相切的基準(zhǔn)面作為草繪截面 工作裝置裝配模型建模 零件設(shè)計完成后，往往需要根據(jù)設(shè)計要求對零件進行裝配。在 Pro/ENGINEER的裝配模塊中，通過定義零件之間的位置約束關(guān)系，可以把子零件裝配成一個裝配件，并檢查零件之間是否有干涉以及裝配體的運動情況是否合乎設(shè)計要求。同