探析礦物加工機(jī)械三維立體模型技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

王木星 孫艷彬

摘 要：文章從圖紙功能拓展、有限元計(jì)算、機(jī)械運(yùn)行分析三個(gè)角度入手，分析了礦物加工機(jī)械三維立體模型技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn);結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)交叉技術(shù)與3D打印技術(shù)兩個(gè)方面，闡述了礦物加工機(jī)械三維立體模型技術(shù)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：礦物加工機(jī)械;三維模型;制圖設(shè)計(jì)

引言：近幾年來(lái)，受惠于我國(guó)現(xiàn)代信息技術(shù)與機(jī)械制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，礦物加工機(jī)械領(lǐng)域與三維立體模型技術(shù)的融合程度不斷提高，各類軟件平臺(tái)、建模技術(shù)也越來(lái)越專業(yè)化、針對(duì)化，為礦物加工機(jī)械相關(guān)的科研、設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用、教育等工作提供了極大便利。

一、礦物加工機(jī)械三維立體模型技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)

（一）三維立體模型技術(shù)在圖紙功能拓展中的應(yīng)用

在三維立體模型技術(shù)在礦物加工機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用初期，相關(guān)SD軟件的開(kāi)發(fā)與主體多為科研單位，且表現(xiàn)出明顯的局限性、粗放性技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)。由于技術(shù)功能相對(duì)簡(jiǎn)單，相關(guān)人員只能用軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單零部件的繪制設(shè)計(jì)，或通過(guò)三維模型大致評(píng)估圖紙中各零件結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)與沖突情況，再將立體的三維模型轉(zhuǎn)化為平面的加工圖紙，為后續(xù)礦物加工機(jī)械的制造活動(dòng)提供基礎(chǔ)依據(jù)。在此階段中，三維立體模型技術(shù)在制度設(shè)計(jì)工作中的角色定位較為單一，即全程人工控制的繪圖工具，模型內(nèi)容、機(jī)械零件的尺寸、形狀、序號(hào)、大小等參數(shù)信息，都需要設(shè)計(jì)人員憑感覺(jué)進(jìn)行設(shè)置與調(diào)整[1]。

2005年以后，三維立體模型技術(shù)在我國(guó)礦物加工機(jī)械領(lǐng)域中已保有了一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)科研單位、制造企業(yè)經(jīng)過(guò)幾年的研究與實(shí)踐，在掌握模型技術(shù)工藝方法、建立模型技術(shù)操作規(guī)范的基礎(chǔ)上，摸索出了技術(shù)功能的新方向——圖像演示。與傳統(tǒng)中平面化的設(shè)計(jì)圖紙相比，三維立體模型更能多角度、直觀化地呈現(xiàn)礦物加工機(jī)械的結(jié)構(gòu)樣貌，不僅有助于設(shè)計(jì)、制造、技術(shù)等加工機(jī)械應(yīng)用人員更順暢地進(jìn)行溝通交流，促進(jìn)加工機(jī)械制圖質(zhì)量的不斷提升，也能使非專業(yè)人員形成對(duì)礦物加工機(jī)械的充分認(rèn)知，從而推動(dòng)礦物加工機(jī)械影響面與市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大。在此背景下，越來(lái)越多的技術(shù)裝備企業(yè)與設(shè)備制造企業(yè)將三維立體模型技術(shù)應(yīng)用到市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)與產(chǎn)品宣傳當(dāng)中，為企業(yè)與工礦單位的順利合作提供了極大助推。

除此之外，基于三維立體模型技術(shù)在礦物加工機(jī)械制圖設(shè)計(jì)中的優(yōu)越表現(xiàn)，其在推動(dòng)產(chǎn)品宣傳、促進(jìn)企業(yè)合作的同時(shí)，也在會(huì)議報(bào)告、學(xué)校教育等領(lǐng)域中展現(xiàn)出了高水平的應(yīng)用價(jià)值。例如，在傳統(tǒng)的學(xué)校教育模式下，學(xué)生只能根據(jù)圖紙資料與自身想象，對(duì)香蕉型振動(dòng)篩的實(shí)際形態(tài)產(chǎn)生模糊認(rèn)知。而在三維立體模型技術(shù)的支持下，學(xué)生可通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)備對(duì)香蕉型振動(dòng)篩的立體模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、拆分等靈活處理，從而獲得如吊機(jī)提升一般的機(jī)械設(shè)備觀察體驗(yàn)，極大提高學(xué)生設(shè)備認(rèn)知與制圖學(xué)習(xí)的效率與質(zhì)量。

（二）三維立體模型技術(shù)在有限元計(jì)算中的應(yīng)用

有限元計(jì)算是礦物加工機(jī)械設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到的工作方法，其主要是將機(jī)械設(shè)備的整體系統(tǒng)拆分成有限個(gè)單元體，再對(duì)各個(gè)單元體實(shí)施針對(duì)性的數(shù)學(xué)運(yùn)算與力學(xué)分析，從而獲得相應(yīng)的最優(yōu)解。最后，再將最優(yōu)解下的單元體按合理結(jié)構(gòu)重新聯(lián)系起來(lái)，得到設(shè)備系統(tǒng)整體的高質(zhì)量設(shè)計(jì)方案。將三維立體模型技術(shù)應(yīng)用到礦物加工機(jī)械的有限元計(jì)算當(dāng)中，可使相關(guān)人員更加直觀地了解各單元體在拆分與組合過(guò)程中模態(tài)特性。以大型香蕉型振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)為例：

由于大型香蕉型振動(dòng)篩的自重較大，其結(jié)構(gòu)本身的固有振動(dòng)頻率必然較低，若振動(dòng)篩在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振的問(wèn)題，其固有振動(dòng)頻率將會(huì)對(duì)各階段的工作振動(dòng)頻率產(chǎn)生影響，進(jìn)而降低大型香蕉型振動(dòng)篩的工作質(zhì)量。此時(shí)，利用三維立體模型技術(shù)對(duì)大型香蕉型振動(dòng)篩進(jìn)行有限元模態(tài)分析，可應(yīng)用三種計(jì)算方法：（1）將振動(dòng)篩的運(yùn)行系統(tǒng)分為運(yùn)行結(jié)構(gòu)、固有頻率、工作頻率等單元，在保持結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)上，對(duì)固有頻率進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)工作頻率進(jìn)行調(diào)整，使其避開(kāi)固有頻率的影響范圍;（2）保持振動(dòng)篩的工作頻率不斷，通過(guò)修改三維模型參數(shù)對(duì)振動(dòng)篩的運(yùn)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以改變其固有頻率;（3）不斷進(jìn)行模型調(diào)整與運(yùn)行模擬，對(duì)振動(dòng)篩的結(jié)構(gòu)、頻率進(jìn)行全面調(diào)整，進(jìn)而選擇出設(shè)備工作質(zhì)量最佳的設(shè)計(jì)方案。

在此過(guò)程中，三維立體模型可為有限元計(jì)算提供出高水平的直觀顯示、量化數(shù)據(jù)、工況模擬等功能支持，為礦物加工機(jī)械的設(shè)計(jì)活動(dòng)符合機(jī)械振動(dòng)理論、獲得最優(yōu)方案成果提供保障。

（三）三維立體模型技術(shù)在機(jī)械運(yùn)行分析中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，業(yè)內(nèi)主要應(yīng)用ADAMS機(jī)械動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析系統(tǒng)這一三維立體模型技術(shù)軟件進(jìn)行礦物加工機(jī)械的運(yùn)行模擬與工況分析，以此為相關(guān)人員的方案改動(dòng)、工藝調(diào)整提供前瞻性、實(shí)用性的可靠依據(jù)。

以反共振振動(dòng)篩這一礦物加工機(jī)械為例，在傳統(tǒng)時(shí)期，相關(guān)人員只有制造后才能對(duì)振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)中各彈簧組、運(yùn)動(dòng)副的工作效果與力學(xué)特性進(jìn)行檢驗(yàn)，并據(jù)此實(shí)施相應(yīng)的設(shè)備維修工作。而在應(yīng)用三維立體模型技術(shù)及其ADAMS軟件平臺(tái)后，振動(dòng)篩的性能檢驗(yàn)與結(jié)構(gòu)調(diào)整可在實(shí)際制造前進(jìn)行，從而顯著提高機(jī)械設(shè)備的產(chǎn)出質(zhì)量，降低后續(xù)的維修難度。將反共振振動(dòng)篩的各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入到軟件平臺(tái)當(dāng)中，即可快速建立與實(shí)體設(shè)備一致的三維模型。在模型當(dāng)中，振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)副、工作質(zhì)體、螺旋彈簧、隔振彈簧、激振器等結(jié)構(gòu)部分可直觀呈現(xiàn)出來(lái)，共同構(gòu)成一個(gè)聯(lián)動(dòng)運(yùn)行、相互影響的力學(xué)模型整體?；诖?，相關(guān)人員輸入一定頻率的正弦激振力數(shù)據(jù)，即可觀察到振動(dòng)篩上質(zhì)體與下質(zhì)體的振動(dòng)幅度與各彈簧組的變化狀態(tài)。在應(yīng)用不同頻率激振力對(duì)三維模型進(jìn)行多次模擬處理后，相關(guān)人員即可通過(guò)模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，確定反共振振動(dòng)篩運(yùn)行中標(biāo)準(zhǔn)化的相位、振幅以及反共振頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩工況點(diǎn)的合理選取。

由此可見(jiàn)，在機(jī)械運(yùn)行分析的應(yīng)用中，三維立體模型技術(shù)可促成設(shè)備力學(xué)性能分析的靜態(tài)變動(dòng)態(tài)、定性變定量、抽象變直觀，并構(gòu)建出高真實(shí)性的設(shè)備運(yùn)行場(chǎng)景。

二、礦物加工機(jī)械三維立體模型技術(shù)的發(fā)展前景

隨著人們技術(shù)應(yīng)用觀念的創(chuàng)新變革，機(jī)械行業(yè)對(duì)三維模型的信息呈現(xiàn)能力與生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化能力提出了新的要求，促使礦物加工機(jī)械三維立體模型技術(shù)向更加綜合化、創(chuàng)新化的應(yīng)用方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

第一，向虛擬現(xiàn)實(shí)交叉技術(shù)的應(yīng)用方向發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)交叉技術(shù)是一個(gè)較大的技術(shù)范疇，其包括3D投影技術(shù)、全息成像技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。從本質(zhì)上來(lái)講，這些技術(shù)的研究與應(yīng)用，都是為了突破計(jì)算機(jī)界面的虛擬環(huán)境限制，將三維模型直接投放到真實(shí)環(huán)境當(dāng)中。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)交叉技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，相關(guān)人員可對(duì)礦物機(jī)械加工模型實(shí)施出全視角、沉浸式的觀察，從而獲得更加便捷、優(yōu)質(zhì)的技術(shù)體驗(yàn)[2]。

第二，向3D打印技術(shù)的應(yīng)用方向發(fā)展。3D打印技術(shù)以三維立體模型技術(shù)為基礎(chǔ)，其主要通過(guò)逐層打印的方式，利用可粘合材料將三維模型圖轉(zhuǎn)化為實(shí)物。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家學(xué)者、技術(shù)人員均投入到了3D打印技術(shù)的研究實(shí)踐當(dāng)中，并取得了成型機(jī)設(shè)備、成型材料、分層制造工藝、3D成型學(xué)理論等多方面的突破性成果。隨著3D打印技術(shù)體系的不斷成熟與推廣，礦物加工機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造、研究、教育等領(lǐng)域勢(shì)必會(huì)實(shí)現(xiàn)變革性的巨大發(fā)展。

三、結(jié)論

總而言之，將三維立體模型技術(shù)應(yīng)用到礦物加工機(jī)械領(lǐng)域當(dāng)中，促進(jìn)了機(jī)械設(shè)計(jì)、制造、維修、教育、營(yíng)銷(xiāo)等多方面工作模式的變革，為相關(guān)人員提供出了更加直觀化、立體化、動(dòng)態(tài)化的信息資源。同時(shí)，隨著三維立體模型技術(shù)的研究進(jìn)步，其對(duì)礦物加工機(jī)械領(lǐng)域的帶動(dòng)作用還將不斷增強(qiáng)，為我國(guó)機(jī)械行業(yè)、工礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供不竭動(dòng)力支持。

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作者簡(jiǎn)介：

王木星（1991-）男，吉林省遼源市人，本科，現(xiàn)任助理工程師，研究方向：礦物加工工程設(shè)計(jì)。