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三维CAD技术在液压挖掘机设计中的应用
长安大学王进童占荣

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随着CAD应用软件和技术的不断发展，很多工程机械制造企业已不再满足于借助CAD系统来“甩掉图版”，希望向三维的实体设计方向发展。由于三维CAD系统具有可视化好、形象直观、设计效率高和支持并行工程等优点。因此，三维实体造型在液压挖掘机设计开发中开始得到的应用，在三维设计环境中可以进行挖掘机产品的模拟装配以获得整机或部件的三维实体，建立充分而完整的设计数据库，在此基础上进行产品质量特性分析、零部件间的干涉检查、自动创建二维工程图、机构运动仿真、产品结构的有限元分析、计算机辅助制造、商业广告造型与动画生成等。 1 挖掘机零部件的三维造型挖掘机三维实体造型包括所有零件的三维实体造型，总成和整机装配仿真。挖掘机是由金属结构、回转机构、动力装置、传动操纵机构、液压系统和辅助设备等组成。零、部件共计一千多个。尽管挖掘机零、部件结构形式各不相同，但在计算机上进行三维实体造型有一些规律可循，一般过程如下：创建草图→根据零件的基本特征和附加特征生成零件的三维模型→依照装配关系装配零部件→形成整机装配仿真。 1.1 三维造型应用软件和基本方法世界上著名的几家公司的三维CAD软件产品，如Pro/Engineer、UG、I-DEAS、Solidworks、MDT等，在主要工程机械企业中都已采用。无论采用那家的三维CAD软件，都可以较好地完成挖掘机零部件的三维造型，三维造型时常用以下方法：（1）对形状比较规则的简单零件，利用三维软件自带的标准几何体（方形、圆柱、圆管、圆锥和球、沟槽）库，直接生成零件实体，如方板、光轴、轴套等。（2）绘制最能反映零件基本特征的几何草图，经拉伸、旋转生成三维实体。（3）沿路径配置的二维几何图形经扫描，蒙皮生成曲面形实体。（4）从草图入手建模设计者根据设计的要求用手勾画出理想的结构形状，然后赋予每一条曲线以尺寸约束或几何约束，使曲线按照设计者的意图去更新交换，生成参数化特征的实体建模。从草图入手建模很容易实现参数化、标准化、系列化设计，是挖掘机最理想的建模方式。（5）利用三维实体间的布尔运算（交、并、补），将多个简单零件组合成一体，生成新的实体等等，且生成的实体模型均采用参数化特征造型。 1.2 挖掘机金属结构的三维造型一台液压挖掘机的零部件有一千多个，全部采用三维造型设计工作量很大。实际设计挖掘机时，也可以只制作与整机外形仿真、运动分析有关和影响主要性能的金属结构件、标准件、司机室和机罩等。挖掘机三维造型设计的关键是金属结构件的三维造型，如动臂、斗杆、铲斗、回转平台、回转支承、行走机构和行走架等，这些金属结构件都是由多个零件焊接成形，结构较为复杂。如动臂本体由上板、下板、侧板、加强筋板、连接耳板和轴套等十多个零件焊接而成，这些单个零件结构一般比较简单。设计者根据零件的具体结构画出反映零件特征的二维草图，草图一般由直线、多边形、圆弧线和圆等构成封闭的图形。将二维截面草图进行拉伸、旋转、放样、倒角，生成三维图形。最后将这些零件组装并通过布尔运算等操作，形成动臂的三维实体模型。其它结构件制作方法类同，图1、图2和图3为挖掘机动臂、平台和行走架本体的三维实体造型。（图片）（图片）（图片）三维造型最好采用参数化的草图建模方法，这样可以方便地实行零件的修改及变形设计，只要发现某一尺寸和结构不合理，可以容易地修改。而且可以通过尺寸等修改形成其它挖掘机的建模，无须重新建模，为以后其它挖掘机的设计建模打下基础。零件模型不仅包含零件的几何信息，还包含材料、名称、精度等物理信息。就可被后续的质量特性计算、动静干涉检查、有限元分析、结构优化、系统动力学、图面绘制及制造等工作所共用。挖掘机外观造型设计十分重要，是吸引用户非常重要的一个方面。驾驶室、配重、柴油箱、液压油箱和机罩等都采用曲面流线型设计，驾驶室宽敞、视野良好，造型新颖。整个外形设计应给人一种赏心悦目的感觉。图4为驾驶室的三维造型。（图片） 1.3 挖掘机配套件的三维造型挖掘机的配套件主要有：柴油机、液压缸、马达、阀组、减速器和回转支承等，都由专业配套厂制造，一般只提供安装与连接尺寸图纸和外轮廓简图。准确的配套件三维造型无法构造。一般把配套件作为一个整体，只对连接与安装位置的精确建模，其他部分只作外轮廓造型。挖掘机采用的液压元件外形轮廓比较规则，三维建模比较简单。但柴油机外形复杂，可以采取简化外形结构建模，对可能涉及与其它零部件交叉安装的空间干涉部分进行处理。也可以从配套件厂家索取配套件的三维造型，直接用于装配。 1.4 挖掘机部件与整机的三维造型完成了所有零件的三维实体造型之后，就可以进行部件与整机的装配仿真。整个流程先从零件到部件，再从一级部件到总成，再往上直到整机。即采用自下而上的倒树状层次结构法，各级部件通过引用一系列下级零部件模型组装而成，它不仅描述一个部件与下级零部件之间的装配从属关系，同时也记录所属下级零部件之间的装配定位关系。整车装配尽量与车间实际装配过程一致，首先将行走架本体定位，在行走架上安装四轮一带、行走减速器和行走马达等，形成行走装置总成。然后再安装平台本体，在平台本体上安装回转机构、柴油机、液压油箱、柴油箱、司机室、阀组、和工作装置等。生成挖掘机整机三维造型，如图5所示。（图片）三维实体模型通过高级渲染就可以绘出具有真实感的挖掘机产品和部件效果图，可以用于制作挖掘机产品样本、对外宣传推广产品，避免了过去等样机制造出来后才能推广的弊端，加快了新产品的市场拓宽时间，提高产品的市场竞争能力。 2 干涉检查和运动仿真在挖掘机新产品开发过程中，在投料加工之前利用计算机进行装配仿真，可以发现零、部件设计上的尺寸干涉和结构不合理，及时纠正设计中的不足，避免实际制造中出现问题，造成浪费和损失。挖掘机设计不仅需要产品设计尺寸正确无误，还需要设计合理、结构性能好，以保证挖掘机在运动过程中不发生干涉，使用安全可靠。利用已完成的挖掘机三维模型，给出液压缸运动的约束条件，并施加作用力，进行二维或三维运动分析，可以分析机构最小距离、每个挖掘位置的挖掘力、位移、速度、加速度和和功率等参数。绘制运动轨迹包络图，从而分析工作范围的大小和挖掘性能的好坏。装配仿真技术可以从静态角度保证设计尺寸的正确性，机构运动仿真则从运动角度保证设计的合理性和可靠性。在设计阶段把许多原本要在样机试验时才能发现的问题一一加以解决，从而为企业带来实实在在的技术经济效益。 9/22/2005


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