液压支架三维建模及其运动仿真.pdf

第3 l 卷 第1 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 3 年1 月 液压 支 架 三 维 建 模 及 其 运 动 仿 真 王国法，徐亚军，孙守山 天地 科技 股份 有限公 司 开 采所事 业部 ．北 京1 0 0 0 1 3 摘 要 介绍分析适合 液压 支架设 计的三维 C A D软 件及 特点 ，提 出液压 支架三 维建模 设计 原则和 应注 意的 问题 ，探讨 液压 支架运动仿 真。 关键词 三维建模 ； 自上而下设计 原则；C A D；液压支 架 中图分类 号 T D 3 5 5 文献标识码 A 文章编号 0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 3 0 1 0 0 4 20 4 3 D m o de l i ng o f h ydr au l i c po we r e d s uppo r t a nd dy na m i c s i m ul a t i o n WA N G Gu o - f a ， XU Y a - j u n ，S U N S h o u - s h a n Mi n i n g D e p a r t m e n t ，T i a n d i S c i e n c e a n d c ∞2 嗍 C o m p a n L t d ． ，B e ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r i n t r o d u c e d a n d a n a l y z e d t h e 3 D CAD s o f t wa r e a n d f e a t u r e s s u i t a b l e f o r t h e h y d r a u l i c p o w e r e d s u p po r t d e s i g n ．Th e p a p e r p r o v i d e d t h e d e s i gn p r i n c i p l e a n d i s s u e s for t h e 3 D mo d e l i n g o f t h e h y d r a u l i c po w e r e d s u p po rt ． T h e p a p e r d i s c u s s e d t h e d y n a mi c s i mu l a t i o n o f t h e h y d r a u l i c po we r e d s u p po rt． Ke y wo r d s 3 D mod e l i n g ； t o p t o b o t t o m d e s i gn p r i n c i p l e；C AD；h y d r a u l i c po we r e d s u p po rt 三维建模工具 由于有着二维绘 图软件所无 法 比 拟 的许 多优点 ，正越来越 多地得到应用 。就支架设 计而 言 ，采用三维建模 软件来进行设计 目前只是处 于起步 阶段 ，还没有 真正地运用到具体 的设计 工作 当中。作为一个有益 的尝试 ，本文就 三维建模 工具 在 支架设 计 中需注意 的几个 问题进行 了说明 ，并就 如何实 现支架运动仿真 问题进行 了阐述 。 1软件选型分析 三 维建模软件众 多 ，但价格大多 比较 昂贵 ，选 择何种 软件 更 符 合 企业 的要 求 ，使 性价 比达 到 最 佳 ，是设计 人员在选 用 软件 时 必须 要考 虑 的问题 。 就 目前 市场上存在 的各 种三维建模软件 来说 ，对于 支架设计 而 言 ，选 择 S o l i d Wo r k s 、C A X A等 中低 端 软件较 为合 理 。这是基 于以下几点考虑 的 1 S o l i d Wo r k s 能够胜任 支架设计 工作 。其 除 了具备大 多数三维建模软 件所具有 的功 能外 ，还 提 供 了独 有 的 F e a t u r e Wo r k s 特征 参 数 识别 技 术 ， 解决 了不 同 C A D 系统 间在转 化模 型 时无 法识 别 特 征的问题 ；具 有 自上而下 的全相关 设计功 能 ，使得 设计 效率更 高。不 足之处是 曲面造型功能不强 。由 于支架多是焊接结构件 ，不存在复杂的曲面，因而 42 这个 缺陷对于支架设计工 作几乎没有什 么影 响。 2价格较 低 。对 于 时下 流 行 的各 种 三 维设 计软 件来说 ，S o l i d Wo r k s价格 较低其 价 格仅 为 工作 站相应软件价格 的 1 ／ 4 ～1 ／ 5 J 。 3 提供 了 比较 完备 的接 口功能 ， 目前 能 够 和 A u t o C A D、有 限元 分 析 软 件 A N S Y S和 C o s mo s 、 机构运 动学分 析软件 Mo t i o n Wo r k s 和 Vi s u a l N a s t r a n D e s k t o p、三维 建模 软件 P r o ／ E和 U G以及 产品数据 管理 P r o d u c t D a t a Ma n a g e r P D M等软件实现无 缝兼容 。 4 易于掌握 和操作。在众多 的三维建模工 具 当中 ，S o l i d Wo r k s 易学 易用是 众所周 知 的。这样 可 以节 省大量的学 习费用 和时间。 5 具有 简 体 中文 和英 文两 种 界 面 ，同 时还 提供 了 A u t o C A D模 拟 插 件 可 以象 在 Au t o C AD 环境下那 样 去 完成 草 图制 作 也 可 以将 Au t o C AD 绘制 的草图直 接调 到 S o l i d Wo r k s中 。可 以轻 松地 实现软件 间无 障碍过渡 。 2 建模 时需注意的几个问题 2 ． 1 草 图尽量简化 草 图上最 好不要绘制过渡 圆角 、倒 角等非关键 维普资讯 第3 l 卷 第1 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 3 年1 月 性信息。这是因为三维绘图软件的草图绘制功能大 多较弱 ，如果 要 象绘 制 二 维 工 程 视 图 那样 绘 制 草 图，效率会 很低 ，实践证 明也没有 这个必要 。再就 是如果草 图过于精细 ，生成模 型时会耗 尽计 算机 资 源 ，使得 三维模型生成 速度很慢 ，有 时简直达到难 以忍受 的地步 。这是 由于实体模 型是通过布尔运算 生成的，草图过于复杂会导致运算工作量较大 ，耗 费机 时较多 ，实体模 型的生成速度 自然也就很慢 。 2 ． 2合理 安排模型 生成 方法 由于实体模 型可以有多种不 同的生成方法 ，采 取何 种方法更为合 理 、高效 ，需 要有一个经验积 累 过程 。一般来说 ，旋转 、扫描 s w e e p i n g 比拉 伸 生成的模 型高效 ；排列 、镜 向 比逐个生成快捷 。就 象制作 圆柱模 型 ，可 以通过拉 伸生成 ，也可以通 过 旋转 获得 。但旋转生 成模 型的速度会更快 ，生成的 文件的体积 也较 小 。对于 复杂的零件 ，选择 合理 的 生成方法就 显得 尤为重要 。 因为选择不 正确 的生成 方法不但效 率低 ，而且有 些情 况根本就 不能生成实 体模型 。因此 设计人员 在设计 实体模 型之 前 ，必须 要考虑好模型的生成方法和步骤。这就要求设计人 员要有较好 的空间想像力 和抽 象思维能 力 ，这也是 三维建模 同二维 图形绘 制最大的不 同点 之处 。 2 ． 3可 以采用 自上而下设计 原则进行设计 自上而下 T o pD o w n 设计是 针对传统 的 自 下而上 的设 计而言 的。所谓 自下而上 的设计 ，是先 绘制零件 图 ，再 由零件 装部件 ，然后用 零件和部件 总装产 品 ，这也是通 常采用 的设计 方法 。而 自上 而 下 的设计 是先设 计 总装 图 ，然后拆 部 件和 零件 图 。 由于在装配体上直接设计出零部件 ，这样就从根本 上避 免 了干 涉现 象 的 产 生 。同 时 当装 配 体设 计 完 毕 ，零 部件也 就生 动生 成 ，自然 就减 少 了工作 量 ， 提高 了工作效率 。特别是在新产 品的开发和研制 阶 段 ，这种设计方 法的优点是 不言而喻的 。 图 1 是 自上而下设计过程说明图例。 二维 视 图 同三 维 模 型具 有互 动 性 。所 谓互 动 性 ，即如果修 改了二维视 图 ，则 三维零件 图 、部件 图和装配图都随之修改。反之 ，如果三维零件 图、 部件图和装配图其中任何一个得到了修改 ，则所有 的其它 的视 图 模 型 也就 自动发生相应 的变化 。 为 了更能说 明问题 ，下 面在 支架底座部件 图上 设计 前连杆模 型 ，最后将前 连杆 模型分离 出来 的具 体图例 图 2 。 如图 2所示 ，先在底座部件 图上直接绘制前 连 图 1 设 计过 程说 明 口 一 ／ 、 一 一 、 茎 三 兰 图2 前连杆模型设计过程说明 a 一绘 制前 连杆 草图 ；b 一 生成 前连杆 模型 ； c 一 解 除配合 关 系分离 出前连 杆模 型 杆模型 ，当前 连杆模型生成后 ，其零件 图也就 自动 生成了 绘制零件模 型前必须为零件模型另命一 43 维普资讯 第3 l 卷 第1 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 3 年1 月 文件名 ，这样当零件模型建立后 ，除了部件图上有 该零件 ，同时该零件模 型也 已 自动地存 储到另外一 个文件 中 。当装配模 型生 成后 ，所 有 的零 件模 型 也就生 成了 。这样做 的效率 自然事半 功倍 。 要 注意 的是 ，用 这种方法绘制 图形前必须要注 意零件 间的约束关 系。正确的约束关 系不但使零件 模型生成得快捷 ，而且修改起来也十分方便。 2 ． 4正确地 进行零件造型 创 建三维模型 ，不仅 仅是 为了造 型 ，更多 的是 为了今后 使用方便 如设计 的修 改和调整 、虚拟 装配 、动力学分析 、运 动分析等 。一 般对于开发性 设计来说 ，造型的近期 目标就是为了修改。具体到 支架设计 ，由于每次设计 所要求 的支护强度各不相 同，所设计 的支架模 型在 完成机 构 运动 学 目标后 ， 还要通 过强度验算 同时确保支架总重 量不超过一定 数值 ，因此支架模型 只有 在通过强度验 算合格和总 重量不超 标 的情 况 下 才能 正 式 确 定 下来 。也 可 以 说 ，在设计 时 ，修改零 件模型是必不 可少的 。这就 要求所创 建的零件造 型结 构完整 ，尺 寸和几何 约束 齐全 、正确 ，以便在 今后的零件设计 过程 中，随时 可 以方便 地对不合理 的结 构做 出修改 。 要 明确零件造 型的 目的 。在不影 响零件的基本 特征 和受 力 的情 况 下 ，某 些 细 小 特征 如较 小 的 圆角 和倒 角 可 以省 略 ，还 可 以将 有关 部 件 直 接 绘成一 个零件模型 ，减 少模型存储量 以及缩 短模型 生成时 间 ，从而提高 了工作效率 。对此设计 人员必 须有一个 正确的认识 。 2 ． 5装 配时需注意 的几个 问题 总 的来说 ，装配过程 是较为简单 的。但是 还是 要注意 几个问题 。 I 正确进行 立 柱 的装 配 。 由于 现有 的很 多 软件很难识 别柱窝和立 柱缸体底部 圆球 面的配合关 系，所 以装 配过 程 比较 复杂 ，有 时 甚至 没法 装配 。 有一个解 决方法就是将立 柱简化成图 3所示 的铰点 j o in t ，这样还有一个优点就是在进行动力学分析 d y n a mi c 和运 动学分析 k i n e ma t i c 时比较 方便 简化成转 动 副 。还 有 就是 立 柱 以及 各种 千 斤 顶的活塞 和缸体最好在 总装 图 中装配 ，不 要先 装配 成 一个部件 ，然后调入 到总装 图 当中。如果先装 配 成部件 ，在进行运动分 析时 ，软件很难识别其 约束 关系 ，而将 立柱和千斤顶视 为一个整体 。 2 正确进 行 销 轴 装 配 。对 于销 轴 等 联 接 件 应 尽量先装 配到部 件图 当中 ，然后作 为一个部 件调 4 4 图3 立柱装配简化示意 到总装 图 中，这样 易于进 行动力学分析 。如图 4所 示的底座部件图那样 ，先将销轴装配到底座部件图 当 中，然后将底座部 件图调入到总装 图中。 图 4底 座 销轴 装 配部件 为 了 使 实 体 模 型 有 逼 真 的 效 果 ，可 以通 过 P h o t o Wo r k s 来对 模 型进 行 渲 染 ，以达 到逼 真 的效 果 。另外也 可 以将模 型以 ． I G S ／ I G E ／ I GE S格式存 储 ，然后调到 3 d s m a x下进 行渲染 。图 5是 三维 建 模软 件所设 计的支架三维实 体模型 。 2 ． 6支 架运动仿真实现 必须指出的是 ，目前现有 的三维建模工具仅仅 是完成模 型制作 ，并不能实 现运动仿真 以及完成动 力学 分析。要想实现上述两 个功能 ，必须要选 用相 应 的软件或模块 。具体 到 S o l i d Wo r k s ，能够 同其实 现无缝兼容 的运 动仿 真 软件 有 Mo t i o n Wo r k s、S i m- p l e Mo t i o n、 Dy n a mi c De s i g n e r ／Mo t i o n、 Vi s u a l Na s - 维普资讯 第3 1 卷第1 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 3 年1 月 图 5 支 架三 维 实体 模 型 t r a n D e s k t o p等 。 这里将 就支架实 现运动仿 真可 能会 出现问题 的 地方进行 有关说明 。 目前 运动仿真软件 能够 自动识 别大多数 约 束 关 系 也 可 以手 工 加上 约 束 关 系 ， 但是个别 地方还是需要 调整 的。具体 到支架 ，需要 调整 的地 方主要是立 柱和千斤顶 。首先要注意装配 顺序。对于立柱、千斤顶来说，最好将柱塞和缸体 放到总装 图 中来进行装 配 ，这样做 的 目的是为 了让 系统 自动识别其约束关 系 ，从而将其识 别成为移动 副 c y l i n d r i c a l j o i n t 。 如 果 先 将 立 柱 组 装 成 部 件 图 ，然后再 将部件 图调入 到总装 图中 ，则 系统大多 不会识别柱塞和缸体的约束关系 ，这时需要手工加 上约束 关系 。还有就是将 系统识别错误 的运 动副改 为正确 的运 动 副 ，这 种情 况 大多 数 会 发 生在 销 轴 处 。一 般来说 ，系统 更多的时候将销 轴的约束关系 识别成移 动副 ，这时需要将 更改 为转动 副 r e v o l u t i o n j o i n t 即可 。 所有的约束关系都无误 ，加上动力系统就可以 进行运动仿真了。图 6为支架加上约束时的状态。 图 6加 上 约束 关 系 的支架 三维 实体 模 型 2 ． 7生成 二维工程 图时需注意 的几个 问题 目前设计 、生产 、制造 、加 工等部 门最终都是 以二维工 程视 图为依据来 对机械产 品进 行描述 。因 而三维实体模型在完成动力学分析 、运动仿真后最 终还 要生成二维工程 视图 。一般来说 ，二 维工程图 是 由三维建模软件 自动生成的 ，但也有几 个问题需 要 注意 。 1 对图纸上标注的尺寸要加以调整和修改。 由于尺寸标注是 由三 维建模 软件 自动生成 ，个别地 方还 要加 以调整 和修 改 ，以符合 国标要求 。 2视情况 加上 剖视 图 、局 部 剖视 图 以及 局 部放 大图。 由于三 维软 件 只 自动 生成 3个 主视 图 ， 为求信 息表达的完整性 ，对 于某些零件还要视情况 加上 剖视图 、局部剖视 图以及 局部放大 图。于设计 人 员需 要做 的 工作 就 是 决定 在 什 么 位置 加 上 剖视 图 、局 部放 大 图 ，然后让三 维软件生成所需视 图。 3最好将工程 图调 到二 维 C A D 中打 印。 目 前对 于二维 图形 的绘制 、打印较 理想 的环境 是 A u t o C A D和国内的开 目 C AD。由于 S o l i d Wo r k s能够 以 d w g格式存储 二维 图形文件 ，这样在 完成上 述几项 工作后 ，只需要将工程 图以扩展名为 d w g格式存 储 ，然 后在 Au t o C A D环境下调 用该文件就行 了。 3 结 语 需 要说明的是 ，三维建模 工具仅仅完成 了实体 模型的制作，只有和有限元分析软件以及动力学仿 真软件结合起来应用 ，才能发挥其最大价值。如果 把三维建模工具仅仅当作象 A u t o C A D软件那样来 绘制图形，则没有发挥到其真正的作用。因为实体 建模 的主要 目标在 于为虚拟产 品提供数据 。要形成 一 个认 识 以三维建模设计 软件为平 台 ，集成 有限 元分析软件和运动仿真软件组成的应用系统 ，才能 真正解决提高产品设计质量问题。随着计算机技术 的发展和软 、硬件成本 的下降 ，利用三维建模 工具 来进行 支架设计将会使支架设 计水平越来越 完善。 参考 文献 [ 1 ] 王新龙．C A D ／ C A M技 术现状 与产 品．微 电脑世 界 [ J ] ． 1 9 9 9 2 5 ． [ 2 ] 孙恒 ，傅则绍．机械原理[ M] ．北京 高等教育 出版 社 ，1 9 9 4 ． [ 3 ] 王国法，史元伟 ，陈忠恕 ，等．液压 支架 技术[ M] ．北 京 煤 炭工业 出版 社 ，1 9 9 9 ． 作者简介王国法 1 9 6 0一 ，男 ，山东文登人 ，研究员 ，博 士生导师，天地科技股份有限公司开采所事业部支架室主任。 收稿 日期 2 0 0 2 0 41 0 ；责任编辑王宗禹 45 维普资讯