基于UG的綜采液壓支架三維建模及其應用

陸 峰

(安徽理工大學機械工程學院,安徽淮南 232001)

·機電工程與自動化·

基于UG的綜采液壓支架三維建模及其應用

陸 峰

(安徽理工大學機械工程學院,安徽淮南 232001)

三維建模和仿真技術在機械產品開發中起著非常重要的作用。利用UG對液壓支架進行建模,然后利用其運動仿真模塊對支架的伸柱、降柱、推溜、移架的運動過程進行動態仿真。

U G;液壓支架;三維建模;運動仿真

0 引言

綜采液壓支架是機械化采煤的關鍵設備,為適應不同的地質條件,經常需要改型設計,從設計到試制再到批量生產,周期較長。利用基于U G的三維建模可以模擬支架的工作過程,驗證設計技術指參數,檢驗設計中是否存在干涉和裝配不合理因素,同時可以使制造部門盡快熟悉產品結構,設計制作工裝夾具。從而體現產品設計的科學性、先進性,不需要試制便可以直接批量生產,縮短制造周期。

U G軟件是目前國內外最為先進的基于特征的三維設計軟件,易學易懂,功能強大。利用UG對液壓支架進行三維建模及運動仿真,簡潔方便,形象直觀,效果逼真。

1 采用 U G建模的優點

1.1 UG的工作界面強調人性化設計 ,具有較大的圖形窗口,便于設計者使用,并且簡化視圖操作控制,增強模型顏色模式,設計者視覺舒適,一般只需花很少的時間就能學會,并能很快熟練運用。

1.2 UG是建立在一個統一的能在系統內部引起變化的數據結構的基礎上,在液壓支架開發研制過程中,當某一處設計發生變化,該變化能夠很快傳遍整個設計制造過程,確保所有的零件和各個環節保持一致性和協調性。

1.3 UG的核心技術是以部件為中心,其設計的零件不僅包含制造工藝和成本等一些非幾何的信息,而且還包含零件的位置信息以及它們之間的相互關系,就使得對液壓支架模型的建立、改動非常迅速。圖 1為用 U G建立的ZY6800/19/40液壓支架三維實體模型。

1.4 在U G中,設計者通過對液壓支架模型添加運動副、驅動器,可以使液壓支架完成升架、降架,推溜、移架、伸縮前梁等動作,使原來在二維圖紙上難于表達和設計的運動變得非常直觀和易于修改。

2 液壓支架的三維實體造型

對液壓支架整機三維建模一般采用自下向上的方法,先根據各部件的結構形狀和尺寸建立各部分的三維模型然后再按照各部分的裝配和約束關系逐個進行組裝,最后形成一個完整的機器。

2.1 正確地進行零件造型

創建三維模型,不僅僅是為了造型,更多的是為了今后使用方便——如設計的修改和調整、虛擬裝配、動力學分析、運動分析等。一般對于開發性設計來說,造型的近期目標就是為了修改。具體到支架設計,由于每次設計所要求的支護強度各不相同,所設計的支架模型在完成機構運動學目標后,還要通過強度驗算同時確保支架總重量不超過一定數值,因此,支架模型只有在通過強度驗算合格和總重量不超標的情況下才能正式確定下來。也可以說,在設計時,修改零件模型是必不可少的。這就要求所創建的零件造型結構完整,尺寸和幾何約束齊全、正確,以便在今后的零件設計過程中,隨時可以方便地對不合理的結構做出修改。要明確零件造型的目的。在不影響零件的基本特征和受力的情況下,某些細小特征(如較小的圓角和倒角)可以省略,還可以將有關部件直接繪成一個零件模型,減少模型存儲量以及縮短模型生成時間,從而提高了工作效率。對此,設計人員必須有一個正確的認識。

2.2 裝配時需注意的幾個問題

三維模型的裝配過程較為簡單。但是還是要注意幾個問題。

(1)正確進行立柱的裝配。由于現有的很多軟件很難識別柱窩和立柱缸體底部圓球面的配合關系,所以裝配過程比較復雜,有時甚至沒法裝配。有一個解決方法就是將立柱簡化成帶兩個鉸點的模型,這樣還有一個優點就是在進行動力學分析和運動學分析時比較方便(簡化成轉動副)[1]。還有就是立柱以及各種千斤頂的活塞和缸體最好在總裝圖中裝配,不要先裝配成一個部件,然后調入到總裝圖當中。如果先裝配成部件,在進行運動分析時,軟件很難識別其約束關系,而將立柱和千斤頂視為一個整體。

(2)正確進行銷軸裝配。對于銷軸等聯接件應盡量先裝配到部件圖當中,然后作為一個部件調到總裝圖中,這樣易于進行動力學分析。如圖1所示,先將銷軸裝配到底座部件圖當中,然后將底座部件圖調入到總裝圖中。為了使實體模型有逼真的效果,可以通過渲染命令來對模型進行渲染,以達到逼真的效果。

圖1 ZY6800/19/40掩護式液壓支架三維模型

3 液壓支架運動仿真的實現

機構動力學分析模塊是U G軟件中包含的一個運動分析和仿真模塊,該模塊既可實現對機構的定義、建立零件之間的連接及裝配自由度、對輸入軸添加相應的電機驅動產生設計要求的運動,又可以在分析機構運動時觀察和記錄分析仿真過程的一些測量值,如位置、速度和加速度等,還可以進行運動干涉檢查和運動軌跡顯示等。

液壓支架在工作過程中,必須具備伸、降、推、移四個基本動作,這些動作是利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質不同的各種千斤頂和立柱來完成的。在U G中分別在立柱、推移千斤頂、前梁千斤頂、平衡千斤頂的連接軸上施加相應個數的伺服電動機作為動力源,然后根據該液壓支架的實際工作情況,按“流量法”從理論上計算出支架在伸、降、推、移等整個工作循環中各自所需要的時間,即液壓支架在伸、降、推、移的動作過程中對千斤頂或立柱的伺服電動機所設定的時間(在設定中注意有復合的伺服電動機的動作起止時間)。根據各自所需要的時間,解決了各個伺服電動機的運動關系問題,使液壓支架的整個工作循環動態模擬能順利地按工作順序完成。在液壓支架零、部件裝配和運動仿真完成后,就可以利用UG對設計既得的實體模型進行干涉檢驗,包括靜態檢查和動態檢查。靜態干涉檢查是指在特定的裝配結構形式下,檢查裝配體各個零件之間的相對位置是否存在干涉,而動態干涉檢查是檢驗裝配體或其零件在運動過程中是否存在零部件之間的運動干涉。直接利用U G/Analysis對設計模型進行分析,重點對裝配模型進行全局干涉檢驗,檢驗結果直接顯示在模型中,同時用數字給出干涉區域的面積。這樣對整個支架的裝配結構進行干涉檢驗,可以觀察和分析出現的干涉問題,從而進行結構改進設計,將整機設計中可能存在的問題消除在萌芽狀態,減少試制樣機費用和改進時間,并大大縮短機械產品的更新周期。

在液壓支架運動仿真完成之后,借助于U G仿真分析測量還可以測量系統中需要跟蹤的參數,如某零件的位移、速度、加速度等,并將其變化趨勢通過圖表的形式直觀地表現出來[2]。如結果不理想,可在設計模式下直接修改模型參數,重復仿真分析,以達到機構優化的目的。

4 結 語

綜采液壓支架是機械化采煤的關鍵設備,為適應不同的地質條件,經常需要改型設計,從設計到試制再到批量生產,周期較長。把U G三維建模功能應用到在液壓支架的設計與分析過程中,應用虛擬樣機技術,可以提高產品設計質量,及時在參數化階段發現問題與不足,有效提高設計質量,縮短開發時間。所創建的三維立體圖具有直觀、易于理解等特點,有利于解決復雜幾何形體的造型問題,能減輕工作量;不僅可以得到描述對象的形狀、大小、位置等幾何特性,而且可以在計算機上對零件進行虛擬裝配試驗,檢查零件的裝配情況(如是否干涉等),從而減少制造昂貴模型的數量。縮短產品的開發周期,增加企業的工作效率。

[1] 王國法.液壓支架技術[M].北京:煤炭工業出版社,2003.

[2] 袁峰.U G機械設計工程[M].北京:機械工業出版社,2005.

責任編輯:張彩云

TH13

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1671-8275(2010)01-0050-02

2009-10-20

陸峰(1969-),男,安徽淮北人,安徽理工大學碩士研究生。