【文章內(nèi)容簡介】 計(jì)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(yùn)動仿真技術(shù)的重要意義 運(yùn)動仿真 設(shè)計(jì)方法將分散的零部件設(shè)計(jì)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(jìn)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(jì)和方案論證中，便于設(shè)計(jì)師將自己的經(jīng)驗(yàn)與想象融于計(jì)算機(jī)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)中，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，并替代物 理樣機(jī)進(jìn)行性能模擬試驗(yàn)。設(shè)計(jì)師可在計(jì)算機(jī)上方便地確定、修改設(shè)計(jì)進(jìn)程，逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過 運(yùn)動仿真 機(jī)試驗(yàn)，還可節(jié)省建立試驗(yàn)臺、安裝測試設(shè)備和測試儀表等有關(guān)的費(fèi)用，更快地確定影響設(shè)計(jì)方案性能的敏感參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)動仿真的設(shè)計(jì)方法將成為 21世紀(jì)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(jī)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(jì)效益的同時，亦可提高其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)必將為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防建設(shè)、科技發(fā)展及社會進(jìn)步做出重大貢獻(xiàn)。 Pro/ENGINEER 軟件在工程設(shè)計(jì)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(jī)械二維和三維動態(tài)造型仿真設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、加工制造設(shè)計(jì)、而且還能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)仿真、結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)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(jī)械、 NC加工，電工等諸多行業(yè)。 由于其強(qiáng)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(jì)人員使用最為廣泛的、先進(jìn)的、具有 多種功能的動態(tài)設(shè)計(jì)仿真軟件。隨著我國加入WTO ，一場新的工業(yè)設(shè)計(jì)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(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)過程的易用性以及設(shè)計(jì)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(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)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(dá)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(diǎn)在于以下兩個方面。 1 Pro/E參數(shù)化設(shè)計(jì)特征和功能 Pro/ENGINEER 是采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的、基于特征的實(shí)體的建模工具，工程設(shè)計(jì)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(jì)者提供了設(shè)計(jì)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(dú)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(jì)過程任何一處發(fā)生改動，在整個設(shè)計(jì)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(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完美組合，把一件產(chǎn)品 的設(shè)計(jì)工作緊密結(jié)合起來，使得設(shè)計(jì)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(qiáng)。 本次對礦用小型裝載機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用 Pro/ENGINEER WILDFIRE 軟件 ,現(xiàn)就本次設(shè)計(jì)所接觸到的幾個主要模塊做簡要概述。 1 機(jī)械設(shè)計(jì) CAD模塊 機(jī)械設(shè)計(jì)模塊是一個高效的三維機(jī)械設(shè)計(jì)工具，它可繪制形狀相當(dāng)復(fù)雜的零件。在實(shí)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(diǎn)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(yùn)動分析模塊 （ Scenario For Motion） 運(yùn)動分析模塊 （ CAE） 是 CAE（ Computer Aided Engineer） 應(yīng)用軟件，用于建立運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型，分析其運(yùn)動規(guī)律。運(yùn)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(yùn)動分析方案。Pro/ENGINEER 運(yùn)動分析模塊可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運(yùn)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(yùn)動模塊，是設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動強(qiáng)有力的工具。該模塊可以讓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)師設(shè)定裝配件在特定的環(huán)境中的機(jī)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(jì)達(dá)最佳狀態(tài)， Pro/ENGINEER MOTION 有如下功能： 1) 校驗(yàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的正確性，對運(yùn)動進(jìn)行仿真，計(jì)算機(jī)構(gòu)任意時刻的位置、速度、加速度。 2) 可以通過運(yùn)動分析，得出裝配的最佳配置。 3) 根據(jù)給出的力決定運(yùn)動狀態(tài)及反作用力。 4) 根據(jù)運(yùn)動反求所需要的力。 5) 求出鉸接點(diǎn)所受的力及軸承力。 6) 通過尺寸變量對機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。 7) 干涉檢查 。 運(yùn)動仿真技術(shù)對裝載機(jī)設(shè)計(jì)理念的影響 裝載機(jī)是一種作業(yè)效率高，用途廣泛的工程機(jī)械，它不僅對松散的堆積物料可進(jìn)行裝運(yùn)、卸作業(yè)，還可對巖石、硬土進(jìn)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(jī)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(jī)產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展，和設(shè)計(jì)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(jī)產(chǎn)品。 本次改裝設(shè)計(jì)的小型裝載機(jī)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(jī)械化水平有重要意義。 通常在對輪式裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行機(jī)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(jì)算又很復(fù)雜，因此一般只對幾個作業(yè)位置進(jìn)行分析計(jì)算，難以了解全部工況的作業(yè)性能及負(fù)荷變化。為解決這一問題，我們使用機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析仿真軟件對其進(jìn)行分析。這就要求先進(jìn)行裝載機(jī)工作裝置的運(yùn)動仿真設(shè)計(jì)。 裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的 運(yùn)動仿真 的設(shè)計(jì)主要是用大型參數(shù)化建模工具 Pro/ENINEER 對工作裝置先進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后實(shí)現(xiàn)動態(tài)模擬。為能夠方便的解決在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段中運(yùn)動構(gòu)件在運(yùn)動過程中的運(yùn) 動協(xié)調(diào)關(guān)系、運(yùn)動范圍設(shè)計(jì)、可能的運(yùn)動干涉檢查等問題找到一個切實(shí)可行的新方法。裝載機(jī)1 前 言 7 虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)步驟和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟基本相同如圖 。 圖 裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動仿真設(shè)計(jì)步驟 本章小結(jié) 本章主要討論了運(yùn)動仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景、狀況及發(fā)展趨勢，介紹了運(yùn)動仿真應(yīng)用的領(lǐng)域和實(shí)現(xiàn)的過程，指出了課題研究的背景和實(shí)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(jì)中的應(yīng)用 N Y Y Y N N Y 礦用裝載機(jī)模型 設(shè)計(jì)方案 實(shí)體建模 干涉檢查分析 N 運(yùn)動分析 生成工程圖 是否符合設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)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(yuǎn)高于縮回過程，主要按伸出推力計(jì)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(jì)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(jìn)行運(yùn)動仿真 . 3 工作裝置的實(shí)體建模 9 3 裝載機(jī)工作裝置三維實(shí)體建模 工作裝置零件建模 在傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)人員的意圖并不總能完全實(shí)現(xiàn)，因而設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)體的過程。實(shí)體模型最真實(shí)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(shí)體有密度屬性，因而可以進(jìn)行質(zhì)量計(jì)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?shí)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(jìn)行零件設(shè)計(jì)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(jì)意圖。認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)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(shí)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(yàn)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(shí)踐證明也沒有這個必要。因?yàn)樵?Pro/ENGINEER中我們可以對實(shí)體進(jìn)行各種編輯操作，如倒圓角。再就是如果草圖繪制過于精細(xì) ,再生成模型時會耗盡計(jì)算機(jī)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(jìn)入草 繪模式，繪出動臂二維草圖，然后進(jìn)行拉伸生成動臂三維實(shí)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(xì)節(jié)如圖3 工作裝置的實(shí)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?yàn)檫x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(shí)體模型。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)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(diǎn)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(jì)。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(shí)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)