段少帥，任萌，胡厚攀

長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054

三維軟件在選礦設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

段少帥，任萌，胡厚攀

長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，陜西 西安 710054

目前選礦廠設(shè)計(jì)以二維平、斷面圖和三視圖為主，已難以滿足現(xiàn)代礦山設(shè)計(jì)、管理和生產(chǎn)的需要，三維圖形的理解要比二維圖形容易的多，探索三維造型技術(shù)在選礦廠設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有重要意義.Solidworks軟件具有靈活的草圖繪制和檢查功能、強(qiáng)大的特征建立能力和零件與裝配的控制功能、裝配設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)仿真模擬功能以及色彩渲染和動(dòng)畫模擬等二維軟件無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn).通過(guò)Solidworks自底向上或者自頂向下的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出選礦廠的各種設(shè)備，按照選礦廠設(shè)計(jì)的布置原則和廠區(qū)地理位置將各設(shè)備裝配在廠區(qū)中.通過(guò)選礦廠三維設(shè)計(jì)，全方位立體展示選礦廠設(shè)備設(shè)施布置要素，有利于提高設(shè)計(jì)效率和后期施工.

Solidworks；三維；選礦廠設(shè)計(jì)

0 引言

在現(xiàn)實(shí)生活中，物體都是以三維形式存在的.因此，對(duì)三維圖形的理解要比二維圖形容易［1］.而選礦廠設(shè)計(jì)目前主要是運(yùn)用AutoCAD軟件進(jìn)行橫斷面和縱斷面的二維設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的選礦廠設(shè)計(jì)方法不能給人以直觀三維立體感受，動(dòng)態(tài)表現(xiàn)能力弱，已難于滿足現(xiàn)代礦山設(shè)計(jì)、管理生產(chǎn)和的需要，特別是礦物加工工程專業(yè)的教學(xué)需要，對(duì)三維造型技術(shù)在選礦廠設(shè)計(jì)和教學(xué)中的應(yīng)用研究迫在眉睫，將三維軟件應(yīng)用到選礦廠設(shè)計(jì)中具有重要意義.

Solidworks計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)是美國(guó)Solidworks公司推出的基于Windows和微機(jī)軟、硬件平臺(tái)的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件.以零件、裝配體和工程圖設(shè)計(jì)為主體，輔助以動(dòng)畫、渲染和有限元分析對(duì)真實(shí)情況進(jìn)行模擬，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，是目前主流的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件［2］.

2 Solidworks軟件的主要優(yōu)點(diǎn)

Solidworks軟件是一個(gè)非常優(yōu)秀的三維設(shè)計(jì)軟件，擁有全新的Windows界面，操作非常簡(jiǎn)單方便，軟件涵蓋了二維軟件AutoCAD的基本功能并擁有三維造型功能，包括零件設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、裝配體和二維、三維工程圖的自動(dòng)生成等功能. Solidworks實(shí)體設(shè)計(jì)直接從三維模型入手，通過(guò)實(shí)體的各個(gè)零部件之間的約束關(guān)系裝配為完整的產(chǎn)品，操作方便.

1）外形直觀、尺寸精確并智能化Solidworks所繪圖形與實(shí)際產(chǎn)品比例1∶1，保證設(shè)計(jì)尺寸的零誤差，并且在后期施工時(shí)便于施工者觀察和理解，易于施工.

2）靈活的草圖繪制和檢查功能在Solidworks軟件里，草圖是建模的基礎(chǔ)，大部分的命令都是基于草圖進(jìn)行的，Solidworks提供了豐富的草圖設(shè)計(jì)命令，設(shè)計(jì)者可根據(jù)自己的設(shè)計(jì)思路選擇.草圖繪制的思路就是約束，即尋找各幾何特征之間的約束關(guān)系，只有約束關(guān)系適中才能滿足幾何特征在三維空間中的位置要求，軟件自動(dòng)檢測(cè)設(shè)計(jì)者草圖繪制的約束關(guān)系及合理性，并提出相應(yīng)的解決辦法供設(shè)計(jì)者參考.該軟件采用三維立體設(shè)計(jì)裝配，各零件在設(shè)備中的位置清晰明確，利用Solidworks的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)干涉檢查可以在計(jì)算機(jī)中檢查零部件的設(shè)計(jì)合理性.

3）重量自動(dòng)計(jì)算功能給定材料Solidworks可以自動(dòng)計(jì)算模型重量，精確度可達(dá)到100%.設(shè)計(jì)者對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了修改，軟件可自動(dòng)重新計(jì)算模型重量，大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)者的計(jì)算量，選礦廠設(shè)備重量的準(zhǔn)確計(jì)算為選礦廠設(shè)計(jì)中計(jì)算地基承受能力提供了可靠的數(shù)據(jù).

4）強(qiáng)大的特征建立能力和零件與裝配的控制功能Solidworks軟件在草圖基礎(chǔ)上，通過(guò)以拉伸、切除、陣列、曲面、焊接、模具等特征來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的設(shè)計(jì)［3］.零件模型由許多單獨(dú)的特征組成，基于特征實(shí)例，Solidworks可發(fā)揮其強(qiáng)大的實(shí)體建模功能；同時(shí)Solidworks軟件擁有豐富的鈑金成型工具，設(shè)計(jì)者可快捷、方便的進(jìn)行鈑金零件設(shè)計(jì).

5）裝配設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)仿真模擬功能Solidworks的裝配設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)大型化、模塊化設(shè)計(jì)的重要保障，設(shè)計(jì)者將已有的零件或者自裝配體放入裝配體環(huán)境中，指定固定零部件，根據(jù)各零部件之間的約束關(guān)系對(duì)其他零部件進(jìn)行約束，最后設(shè)計(jì)者可進(jìn)行配體分析，檢驗(yàn)干涉.

設(shè)計(jì)者在裝配體環(huán)境中也可快捷、準(zhǔn)確的對(duì)零部件進(jìn)行修改.同時(shí)，Solidworks應(yīng)用動(dòng)態(tài)仿真模擬功能，根據(jù)各零部件之間建立起的約束關(guān)系檢查干涉現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修改，直到獲得滿意的結(jié)果.除此此外，Solidworks支持在裝配體環(huán)境中對(duì)零部件進(jìn)行直接修改，設(shè)計(jì)者可通過(guò)裝配體中各零件空間關(guān)系限制生成零件，使修改工作方便易行［4］.

色彩渲染和動(dòng)畫模擬Solidworks軟件具有三維造型產(chǎn)品的上色、賦予材料質(zhì)感、三維動(dòng)畫演示和渲染圖像等功能，設(shè)計(jì)者可根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的顏色進(jìn)行上色，使模型更加真實(shí).

3 Solidworks在選礦廠設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例

3.1 Solidworks繪圖步驟

Solidworks在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初，就考慮到產(chǎn)品的簡(jiǎn)潔易用，“希望在每一個(gè)工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)”.由此，“自底向上”和“自頂向下”的設(shè)計(jì)方式成為Solidworks兩種主要的設(shè)計(jì)理念.這種設(shè)計(jì)方法可將大型零件或者裝配體模塊化，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量縮短設(shè)計(jì)周期，這就是Solidworks軟件“自底向上”的金字塔式設(shè)計(jì)理念.

Solidworks繪圖遵循模塊化設(shè)計(jì)的思維，其包含三大模塊，分別是零件、裝配體和工程圖.設(shè)計(jì)者在運(yùn)用Solidworks軟件進(jìn)行選礦廠設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)思路為零件設(shè)計(jì)——零件裝配——設(shè)備布置——選礦廠，設(shè)計(jì)者通過(guò)對(duì)草圖的特征建模設(shè)計(jì)產(chǎn)品所需要的零件或者從設(shè)計(jì)庫(kù)中選取相應(yīng)的零件（如果設(shè)計(jì)庫(kù)中缺失某一零件可運(yùn)用軟件自行設(shè)計(jì)）通過(guò)自頂向下或者自底向上的裝配方法裝配成裝配體，最后通過(guò)Solidworks強(qiáng)大的色彩渲染等功能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完善，最后根據(jù)選礦廠設(shè)計(jì)的需要，設(shè)計(jì)出選礦廠破碎設(shè)備、磨礦設(shè)備和選礦設(shè)備以及其他輔助設(shè)備，最后將各設(shè)備根據(jù)選廠地理位置進(jìn)行配置即可完成選礦廠三維設(shè)計(jì). Solidworks繪圖步驟如圖1所示.

圖1 Solidworks自底向上的金字塔式設(shè)計(jì)理念及繪圖步驟Fig.1 Pyramid drawing step and the design concept from dottom－up of solidworks

3.2 零件設(shè)計(jì)階段

Solidworks軟件具有專門的零件設(shè)計(jì)模塊，零件設(shè)計(jì)分為正向和逆向設(shè)計(jì)方法.設(shè)計(jì)者可以采用直接零件設(shè)計(jì)，也可在Solidworks裝配體環(huán)境下，利用裝配體的約束關(guān)系或者尺寸關(guān)系生成產(chǎn)品的零部件.Solidworks擁有比較完善的零件庫(kù)，包括齒輪等傳動(dòng)裝置，各種機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)件、螺栓螺母等，設(shè)計(jì)者也可根據(jù)自己的需要將設(shè)計(jì)好的零件添加到零件庫(kù)中以備下次需要.

此外，Solidworks軟件采用參數(shù)化設(shè)計(jì)思路，各工具欄命令之間具有相應(yīng)的設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性，設(shè)計(jì)者在對(duì)設(shè)計(jì)好的零件進(jìn)行修改時(shí)具有容易、快捷和準(zhǔn)確的特點(diǎn)［5］.尤其是在選礦廠設(shè)計(jì)中對(duì)大型選礦設(shè)備的零件修改，Solidworks采用的參數(shù)化設(shè)計(jì)思路具有明顯的優(yōu)勢(shì).設(shè)計(jì)者將設(shè)計(jì)好的零件已經(jīng)裝配成裝配體之后發(fā)現(xiàn)某個(gè)零件存在錯(cuò)誤時(shí)可在裝配體或者工程圖中修改，修改特征可自動(dòng)反映到零件中，無(wú)需像傳統(tǒng)的二維軟件AutoCAD進(jìn)行選礦廠設(shè)計(jì)一樣，更改任何一個(gè)零件之后都必須在相應(yīng)的工程圖中進(jìn)行修改，否則將會(huì)出現(xiàn)遺漏.

3.3 零件裝配階段

Solidworks是以三維模型為基礎(chǔ)的CAD軟件，該軟件具有專門的裝配體設(shè)計(jì)思路，包括自底向上的裝配方法和自頂向下的裝配方法［6］.

自底向上的裝配方法就是先用Solidworks軟件繪制出產(chǎn)品的各個(gè)零部件，再按照各零部件之間的相互約束關(guān)系裝配為一個(gè)完整的裝配體.這種方法使用各零部件之間的約束關(guān)系，只要固定好一個(gè)零部件之后按照一定的順序可裝配好其余零部件的位置，還可通過(guò)添加零部件之間的約束關(guān)系改變零部件的位置，最后得到一個(gè)預(yù)想的產(chǎn)品.這種裝配方法是初學(xué)者使用最多的裝配方法，但是這就要求設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)開(kāi)始階段就保證各零部件采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，否則在裝配過(guò)程中發(fā)生干涉，無(wú)法正確對(duì)其進(jìn)行約束.

自頂向下的裝配方法就是從裝配體入手，允許在裝配體中對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)和編輯，零件的草圖輪廓、約束關(guān)系等都可參考裝配體中的其他零部件.在裝配體中，設(shè)計(jì)者可以像在草圖中一樣對(duì)零件進(jìn)行編輯，這樣就可以使用已經(jīng)確定的零部件的幾何關(guān)系約束正在編輯的零部件.這種裝配體方法應(yīng)用起來(lái)比較困難，要求設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)就要考慮周到，想清楚各個(gè)零部件的具體位置.

在裝配體中還可以同時(shí)完成對(duì)零件的修改、鏡像、陣列等.Solidworks在大型零件的裝配方面的優(yōu)點(diǎn)更為明顯.裝配體中另一重要的功能為動(dòng)畫設(shè)計(jì)，對(duì)裝配體的模擬更顯逼真.

選礦廠設(shè)計(jì)中的設(shè)備主要有破碎設(shè)備、磨礦設(shè)備、選礦設(shè)備、脫水干燥以及除塵等輔助設(shè)備，在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)者可根據(jù)自己對(duì)軟件的熟悉程度采用自頂向下或者自底向上的裝配方法，如圖2所示，就是采用自底向上的方法設(shè)計(jì)的JJF－20浮選機(jī)Solidworks工程圖.

圖2 JJF－20浮選機(jī)SolidWorks工程圖Fig.2 The drawings of solidworks of the JJF－20 flotation machine

3.4 選礦廠設(shè)計(jì)

將設(shè)計(jì)好的選礦廠主要設(shè)備及輔助設(shè)備根據(jù)已有的地質(zhì)資料和廠區(qū)的地形條件將裝配好的各設(shè)備按照工藝流程圖布置.

如圖3磁選浮選車間斷面圖所示，將設(shè)計(jì)好的零件按照相互配合關(guān)系裝配為裝配體——設(shè)備，再將設(shè)計(jì)好的各種選礦廠設(shè)備按照相互之間的連接關(guān)系布置到廠房里面，最后將各個(gè)廠房用膠帶運(yùn)輸機(jī)連接起來(lái)，這樣整個(gè)選礦廠就設(shè)計(jì)完成.

3.5 工程圖的生成

設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)好整個(gè)選礦廠或者選礦廠某個(gè)車間或者選礦廠某個(gè)設(shè)備之后，利用Solidworks中工程圖生成功能，可將三維模型經(jīng)投影生成各個(gè)方向二維工程圖，圖4、圖5分別為磁選車間視圖和斷面圖.在工程圖生成過(guò)程中，系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)計(jì)在三維建模過(guò)程中設(shè)計(jì)的尺寸自動(dòng)生成二維尺寸，設(shè)計(jì)者也可根據(jù)需要進(jìn)行添加和修改，為設(shè)計(jì)提供了方便.

圖3 磁選浮選車間SolidWorks局部效果圖Fig.3 The partical renderings of solidworks of the magnetic and flotation separation shop

圖4 磁選浮選車間SolidWorks工程圖Fig.4 The drawings of solidworks of magnetic and flotation separation shop

圖5 某鐵礦廠磁選浮選車間Solidworks斷面圖Fig.5 The sectional drawing of solidworks of magincal and flotation separation shop of a iron ore plant

4 結(jié)語(yǔ)

采用Solidworks軟件進(jìn)行選礦廠三維設(shè)計(jì)，相對(duì)于二維AutoCAD來(lái)說(shuō)有很多顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn).由于Solidworks軟件在三維設(shè)計(jì)方面具有功能強(qiáng)大、使用方便等特點(diǎn)，該軟件已經(jīng)在工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用，在選礦廠設(shè)計(jì)方面尚屬首次.相信隨著Solidworks軟件的不斷完善與發(fā)展，三維造型技術(shù)在選礦廠設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)將會(huì)被更多的選礦廠設(shè)計(jì)者們發(fā)現(xiàn)，成為選礦廠設(shè)計(jì)的主流軟件.

致謝

感謝長(zhǎng)安大學(xué)鄭貴山講師、李連生副教授、熊堃講師的悉心指導(dǎo).

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Application of 3D software in mineral processing design

DUAN Shao－shuai，REN Meng，HU Hou－pan
College of Earth Science and Resources，Chang’an University，Xi’an 710054，China

Design of mineral processing is mainly based on two－dimensional plane，section and three views now，which is difficult to meet the need of modern mine design，management and production．It is easier to understand 3D graphics than two－dimensional graphics．The application of 3D modeling technology in the design of concentrating mill is of great significance．Solidworks has the advantages of flexible sketch rendering，checking，building features，controlling parts and assemblies，designing assembly，dynamic simulation，color rendering and animation simulation．Using solidworks to design a variety of concentrator equipment by the bottom－up and the top－down，we can make the equipment assembled in the factory according to the layout principle of mineral processing plant and the location of the plant．Through the 3d design of concentrating mill，the equipment of the concentrating mill is displayed from multiple and dynamical perspectives，which is conducive to the space layout of the configuration，improving the design efficiency and the later construction．

solidworks；three－dimensional；concentrator design

TD672；TP391．72

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.09.011

1674－2869（2015）09－0062－06

本文編輯：陳小平

2015－09－08

段少帥（1992－），男，陜西鳳翔人，碩士研究生．研究方向：選礦、礦物普查與勘探.