基于Pro/E軟件的裝載機(jī)虛擬設(shè)計(jì)制造研究

劉曉超

摘 要：文章運(yùn)用Pro/E軟件對(duì)裝載機(jī)進(jìn)行了三維建模設(shè)計(jì)，對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配和仿真運(yùn)動(dòng)，完成了裝載機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)制造。通過(guò)虛擬設(shè)計(jì)制造，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)制造周期，提高了裝載機(jī)的設(shè)計(jì)制造效率、節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：裝載機(jī)；Pro/E虛擬設(shè)計(jì)；制造研究

引言

進(jìn)入新世紀(jì)，科技發(fā)展突飛猛進(jìn)。人們對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品的需求越來(lái)越迫切，對(duì)產(chǎn)品性能的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的創(chuàng)新開(kāi)發(fā)中，存在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、制造成本高、產(chǎn)品的品質(zhì)等方面已越來(lái)越不能滿足人們需求，虛擬設(shè)計(jì)制造技術(shù)正是在這一背景的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的。

裝載機(jī)主要用來(lái)鏟、裝、卸、運(yùn)土和石料一類散狀物料，也可以對(duì)巖石、硬土進(jìn)行輕度鏟掘作業(yè)。運(yùn)用Pro/E軟件，設(shè)計(jì)人員可以在制造真實(shí)裝載機(jī)之前建立整個(gè)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，然后模擬裝載機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，就可以在裝載機(jī)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)存在的不足、缺陷，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

1 虛擬設(shè)計(jì)及裝配流程

裝載機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)主要是用大型參數(shù)化建模軟件Pro/E對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后進(jìn)行裝配并各種模擬動(dòng)作。為能夠方便的解決在裝載機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段中各個(gè)機(jī)械構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系及運(yùn)動(dòng)范圍的設(shè)計(jì)、可能的部件運(yùn)動(dòng)干涉檢查等問(wèn)題找到切實(shí)可行的解決問(wèn)題的方法。裝載機(jī)虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)步驟、裝配流程如圖1 所示。

2 裝載機(jī)的三維建模

2.1 動(dòng)臂的建模

動(dòng)臂建模設(shè)計(jì)主要采用拉伸命令，首先進(jìn)入草繪平面，繪出動(dòng)臂二維圖形，然后給出尺寸值進(jìn)行拉伸生成動(dòng)臂三維實(shí)體圖，再在動(dòng)臂上進(jìn)行其上打孔，要注意保證尺寸的準(zhǔn)確性。對(duì)另一個(gè)動(dòng)臂采用鏡像的方法得到。如圖2 所示。

2.2 鏟斗的建模

鏟斗實(shí)體采用拉伸命令建立基本體，再用抽殼命令形成基本的殼體。在基本體上添加加厚板以及鏟齒特征。添加鏟耳特征時(shí)還需要建立鏟耳特征的二維平面圖形特征，后采用工具中的鏡像復(fù)制命令完成鏟斗肋板設(shè)計(jì)。如圖3所示。

2.3 底座的建模

先建立底盤(pán)二維平面框架，然后采用拉伸命令，再采用拉伸裁剪命令生成底座結(jié)構(gòu)，最后在框架上生成其他特征。底座的形成主要采用了拉伸、裁減及復(fù)制等命令，如圖示4所示。

2.4 連桿的建模

連桿的制作相對(duì)簡(jiǎn)單，其實(shí)體采用了拉伸命令，形成連桿前主要是保證二維平面圖形的尺寸準(zhǔn)確，如兩孔之間中心距，如圖5所示。

2.5 搖臂的建模

搖臂的建模也采用繪制二維圖、拉伸命令，先建立搖臂基本體的二維圖形，給定搖臂厚度尺寸值進(jìn)行拉伸，再用拉伸裁減命令做出搖臂兩端的分拆，并根據(jù)定位尺寸值找準(zhǔn)孔的位置，再用孔命令進(jìn)行制作出三個(gè)孔特征，如圖6所示。

2.6 液壓缸筒的建模

液壓缸建模結(jié)構(gòu)及相關(guān)尺寸值參看機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，液壓缸體的形成也采用拉伸及拉伸裁減命令形成，特別需要注意的是液壓缸的尾部聯(lián)結(jié)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的建模要細(xì)致，其余部件建模省略。

3 裝載機(jī)整體模型裝配建模

各個(gè)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)完成后，要根據(jù)整機(jī)的裝配圖對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行裝配。在Pro/E軟件的裝配命令模塊中，通過(guò)定義零部件間的相對(duì)位置“約束”關(guān)系，可以把各個(gè)零部件裝配成一個(gè)整體，且可以檢查零部件間是否存在干涉以及裝配體的各種運(yùn)動(dòng)情況是否合乎裝載機(jī)的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)在生成整機(jī)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員還可以根據(jù)不同需要添加生形成新的零部件及相關(guān)特征。

使用Pro/E軟件進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)有兩種基本方法，如圖8所示。在這兩種方法中，（a）種由底向上的設(shè)計(jì)方法相對(duì)（b）種由頂向下的設(shè)計(jì)方法是比較低端。主要因?yàn)樵谔摂M設(shè)計(jì)中，教少利用一個(gè)零部件來(lái)控制其上整個(gè)裝配體的設(shè)計(jì)，往往都是在拿出整機(jī)的外在概念及功能概念后，逐步對(duì)整機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)上的細(xì)化，直至細(xì)化到單個(gè)零部件。因此可以看出，在對(duì)整機(jī)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)上，（b）種方法更為貼近實(shí)際一些。

但是（a）種由底向上的設(shè)計(jì)方法也并不是一無(wú)是處，相對(duì)于一些已經(jīng)較為成熟的整機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，采用此種整機(jī)設(shè)計(jì)方法在效率上反而高一些。在實(shí)際裝配的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常兩種方法混合使用，這樣可以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。本文裝載機(jī)的虛擬設(shè)計(jì)采用（a）種方法較為合適。

前面已經(jīng)生成裝載機(jī)的各種底層零件的三維模型，然后采用由底向上的裝配設(shè)計(jì)方法對(duì)這些零件進(jìn)行裝配約束來(lái)生成整機(jī)裝配件。在整機(jī)進(jìn)行裝配時(shí)，可以根據(jù)需要對(duì)整機(jī)裝配件中的零部件進(jìn)行修改，比如修改相關(guān)零部件尺寸，移動(dòng)零部件在裝配件中的各個(gè)位置，生成一些新的特征等。對(duì)于一個(gè)整機(jī)裝配件，當(dāng)其中所有的零部件都被完全約束時(shí)，這種整機(jī)裝配件就稱為參數(shù)化的整機(jī)裝配件，否則就是非參數(shù)化的整機(jī)裝配件。裝配體如圖9所示。

4 裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真

完成裝載機(jī)工作裝置的裝配模型設(shè)計(jì)后，可以進(jìn)行裝載機(jī)工作試驗(yàn)。在Pro/E軟件“機(jī)械”模塊中，可進(jìn)行整機(jī)機(jī)械裝置的虛擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真，且能將仿真運(yùn)動(dòng)結(jié)果輸出，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析，產(chǎn)生的鏟斗連接軸速度與時(shí)間關(guān)系圖如10圖所示。

上圖為對(duì)鏟斗連接軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析輸出的速度與時(shí)間關(guān)系圖，縱坐標(biāo)表示運(yùn)動(dòng)速度，橫坐標(biāo)表示運(yùn)動(dòng)時(shí)間。從圖中可以看出整個(gè)鏟斗在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是連續(xù)的，速度與時(shí)間關(guān)系與所設(shè)定的值能夠較好的吻合，說(shuō)明滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)成功。

參考文獻(xiàn)

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