基于Pro/E軟件的裝載機虛擬設(shè)計制造研究

劉曉超

摘 要：文章運用Pro/E軟件對裝載機進行了三維建模設(shè)計，對其進行虛擬裝配和仿真運動，完成了裝載機的虛擬設(shè)計制造。通過虛擬設(shè)計制造，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)制造周期，提高了裝載機的設(shè)計制造效率、節(jié)約了開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：裝載機；Pro/E虛擬設(shè)計；制造研究

引言

進入新世紀(jì)，科技發(fā)展突飛猛進。人們對個性化產(chǎn)品的需求越來越迫切，對產(chǎn)品性能的要求也越來越高。傳統(tǒng)的機械設(shè)計在產(chǎn)品的創(chuàng)新開發(fā)中，存在開發(fā)設(shè)計周期長、制造成本高、產(chǎn)品的品質(zhì)等方面已越來越不能滿足人們需求，虛擬設(shè)計制造技術(shù)正是在這一背景的驅(qū)動下產(chǎn)生的。

裝載機主要用來鏟、裝、卸、運土和石料一類散狀物料，也可以對巖石、硬土進行輕度鏟掘作業(yè)。運用Pro/E軟件，設(shè)計人員可以在制造真實裝載機之前建立整個機構(gòu)的虛擬樣機，然后模擬裝載機的運動過程，就可以在裝載機的設(shè)計開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)計存在的不足、缺陷，從而實現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)化。

1 虛擬設(shè)計及裝配流程

裝載機的虛擬設(shè)計主要是用大型參數(shù)化建模軟件Pro/E對機械結(jié)構(gòu)進行三維實體建模，然后進行裝配并各種模擬動作。為能夠方便的解決在裝載機產(chǎn)品的設(shè)計階段中各個機械構(gòu)件在運動過程中的機械運動協(xié)調(diào)關(guān)系及運動范圍的設(shè)計、可能的部件運動干涉檢查等問題找到切實可行的解決問題的方法。裝載機虛擬樣機的設(shè)計步驟、裝配流程如圖1 所示。

2 裝載機的三維建模

2.1 動臂的建模

動臂建模設(shè)計主要采用拉伸命令，首先進入草繪平面，繪出動臂二維圖形，然后給出尺寸值進行拉伸生成動臂三維實體圖，再在動臂上進行其上打孔，要注意保證尺寸的準(zhǔn)確性。對另一個動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。如圖3所示。

2.3 底座的建模

先建立底盤二維平面框架，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

連桿的制作相對簡單，其實體采用了拉伸命令，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，再用孔命令進行制作出三個孔特征，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)尺寸值參看機械設(shè)計手冊，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)特征的建模要細致，其余部件建模省略。

3 裝載機整體模型裝配建模

各個機械零部件設(shè)計完成后，要根據(jù)整機的裝配圖對各個零部件進行裝配。在Pro/E軟件的裝配命令模塊中，通過定義零部件間的相對位置“約束”關(guān)系，可以把各個零部件裝配成一個整體，且可以檢查零部件間是否存在干涉以及裝配體的各種運動情況是否合乎裝載機的設(shè)計要求。同時在生成整機過程中，設(shè)計人員還可以根據(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軟件進行裝配設(shè)計有兩種基本方法，如圖8所示。在這兩種方法中，（a）種由底向上的設(shè)計方法相對（b）種由頂向下的設(shè)計方法是比較低端。主要因為在虛擬設(shè)計中，教少利用一個零部件來控制其上整個裝配體的設(shè)計，往往都是在拿出整機的外在概念及功能概念后，逐步對整機產(chǎn)品進行設(shè)計上的細化，直至細化到單個零部件。因此可以看出，在對整機產(chǎn)品總體設(shè)計上，（b）種方法更為貼近實際一些。

但是（a）種由底向上的設(shè)計方法也并不是一無是處，相對于一些已經(jīng)較為成熟的整機產(chǎn)品設(shè)計過程，采用此種整機設(shè)計方法在效率上反而高一些。在實際裝配的設(shè)計過程中，通常兩種方法混合使用，這樣可以發(fā)揮各自的優(yōu)點。本文裝載機的虛擬設(shè)計采用（a）種方法較為合適。

前面已經(jīng)生成裝載機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)計方法對這些零件進行裝配約束來生成整機裝配件。在整機進行裝配時，可以根據(jù)需要對整機裝配件中的零部件進行修改，比如修改相關(guān)零部件尺寸，移動零部件在裝配件中的各個位置，生成一些新的特征等。對于一個整機裝配件，當(dāng)其中所有的零部件都被完全約束時，這種整機裝配件就稱為參數(shù)化的整機裝配件，否則就是非參數(shù)化的整機裝配件。裝配體如圖9所示。

4 裝載機工作裝置運動仿真

完成裝載機工作裝置的裝配模型設(shè)計后，可以進行裝載機工作試驗。在Pro/E軟件“機械”模塊中，可進行整機機械裝置的虛擬機械運動仿真，且能將仿真運動結(jié)果輸出，并進行運動力學(xué)分析，產(chǎn)生的鏟斗連接軸速度與時間關(guān)系圖如10圖所示。

上圖為對鏟斗連接軸的運動進行運動分析輸出的速度與時間關(guān)系圖，縱坐標(biāo)表示運動速度，橫坐標(biāo)表示運動時間。從圖中可以看出整個鏟斗在運動過程中是連續(xù)的，速度與時間關(guān)系與所設(shè)定的值能夠較好的吻合，說明滿足設(shè)計要求，設(shè)計成功。

參考文獻

[1]葛正浩，胡志剛.Pro/E三維機械設(shè)計實例教程[M].機械工業(yè)出版社，2007，7.

[2]詹友剛.Pro/ENGINEER野火版5.0機械設(shè)計教程[M].機械工業(yè)出版社，2010，8.