1841_裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1841_裝載機(jī)的工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),裝載,工作,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 14 -第三章 裝載機(jī)工作裝置三維模型的建立目前應(yīng)用較為普遍的 Pro /Engineer 軟件，是集 CAD／CAE 于一體的大型設(shè)計(jì)軟件，其中用于仿真和分析的模塊是 Mechanism Design extension(MDE)。Pro /Engineer 可以用來(lái)建立實(shí)體幾何模型，對(duì)所建模型進(jìn)行仿真和分析，通過(guò)模擬真實(shí)環(huán)境的工作狀況對(duì)其進(jìn)行分析判斷和干涉檢查，以盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷和潛在的失敗可能，提前進(jìn)行改善和修正。從而減少后期修改而付出的昂貴代價(jià)，縮短設(shè)計(jì)周期。裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程，其設(shè)計(jì)好壞直接影響整機(jī)的工作性能。本章以 TZ08D 型裝載機(jī)為例，在 Pro／Engineer 軟件環(huán)境下，對(duì)裝載機(jī)工作裝置進(jìn)行三維實(shí)體建模為進(jìn)一步的干涉檢查、運(yùn)動(dòng)仿真與分析做準(zhǔn)備， 以期實(shí)現(xiàn)在 Pro /Engineer 軟件環(huán)境下的裝載機(jī)工作裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3.1 三維實(shí)體幾何模型的建立傳統(tǒng)的 2D 繪圖給整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)很大麻煩，而 3D 繪圖給人直觀、形象的感覺。美國(guó) 90 年代初致力于使用權(quán)新的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)技術(shù)如實(shí)體模型 Solid Modeling、快速成型機(jī)，以及工程分析系統(tǒng)等，其成效是有目共睹的，但這些生產(chǎn)技術(shù)都離不開以造型技術(shù)為基礎(chǔ)。過(guò)去，我們國(guó)家各個(gè)地區(qū)都以平面、線框、曲面造型為手段，但為了要適應(yīng)國(guó)際市場(chǎng)的大趨勢(shì)，實(shí)體模型技術(shù)必會(huì)逐漸為用戶所認(rèn)識(shí)和使用。以輸入方式分類，目前三維建模的方法有兩種:三維數(shù)字化儀輸入和手工輸入。單位數(shù)字化儀價(jià)格昂貴，客觀條件也不允許。三維實(shí)體建模，與二維圖形相比，其優(yōu)勢(shì)主要在于：(1)三維 CAD 可視化程度高、形象直觀、設(shè)計(jì)效率高，能為企業(yè)數(shù)字化提供完整的設(shè)計(jì)、工藝和制造信息；(2)三維 CAD 可以更加準(zhǔn)確地表達(dá)技術(shù)人員的設(shè)計(jì)意圖，使設(shè)計(jì)過(guò)程更加符合設(shè)計(jì)習(xí)慣和思維方式，從而使技術(shù)人員更加專注于產(chǎn)品設(shè)計(jì)本身，而不是產(chǎn)品的圖形表示；南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 15 -(3)三維 CAD 系統(tǒng)具有高級(jí)曲面造型工具，能夠構(gòu)造各種復(fù)雜的產(chǎn)品形狀；(4)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的裝配設(shè)計(jì)，進(jìn)行千涉檢查、運(yùn)動(dòng)仿真；(5)進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析和各種物理特性計(jì)算；(6)產(chǎn)品的三維模型可以通過(guò)投影自動(dòng)生成二維工程圖，各視圖之間完全相關(guān)，當(dāng)三維模型修改時(shí)，二維工程圖可以自動(dòng)完成更新；同時(shí)，設(shè)計(jì)結(jié)果也可以為后續(xù)設(shè)計(jì)模塊，如工程分析、數(shù)控加工等應(yīng)用，實(shí)現(xiàn) CAD/CAE/CAPP/CAM 的集成。3.1.1 Pro/Engineer軟件特點(diǎn)Pro /Engineer 是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司 1988 首家推出的使用參數(shù)化特征造型技術(shù)的大型 CAD/CAM/CAE 集成軟件，具有造型設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、二維工程圖制作、結(jié)構(gòu)分析、運(yùn)動(dòng)仿真、模具設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、管路設(shè)計(jì)、數(shù)控加工、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能。近年來(lái)，在我國(guó)大型工廠、科研單位和部分大學(xué)得到了較為普遍的應(yīng)用，深受三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研究人員的喜愛。Pro /Engineer 是一個(gè)全方位的三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)軟件，它集零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、數(shù)控加工、鈑金設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)仿真、應(yīng)力分析、電路布線、裝配管路設(shè)計(jì)等功能模塊和專有模塊于一體，可以實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)(Design For Manufacturing，DFM)、面向裝配的設(shè)計(jì)(Design For Assembly，DFA)、逆向設(shè)計(jì)(Inverse Design，ID)、并行工程(Concurrent Engineering，CE)等先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和模式。Pro /Engineer 參數(shù)化設(shè)計(jì)的特性包括：(1)三維實(shí)體模型 三維實(shí)體模型除了可以將用戶的設(shè)計(jì)理念以最真實(shí)的模型在計(jì)算機(jī)上表現(xiàn)以外，還可以隨時(shí)計(jì)算出產(chǎn)品的體積、面積、質(zhì)心、質(zhì)量和慣性矩等，以便了解產(chǎn)品的真實(shí)情況，可以減少對(duì)以上參數(shù)的人為計(jì)算時(shí)間。(2)單一數(shù)據(jù)庫(kù) Pro /Engineer 是建立在單一數(shù)據(jù)庫(kù)上的，即工程的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使多個(gè)獨(dú)立用戶可以同時(shí)處理同一個(gè)產(chǎn)品的造型。并可隨時(shí)由三維實(shí)體模型產(chǎn)生二維南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 16 -工程圖，而且自動(dòng)標(biāo)注工程圖的尺寸。在三維實(shí)體模型或二維圖形上作尺寸修正時(shí)，其相關(guān)的二維圖形或三維實(shí)體模型均自動(dòng)修改，同時(shí)裝配、制造等相關(guān)設(shè)計(jì)也會(huì)自動(dòng)修改，這樣可確保數(shù)據(jù)的正確性，避免了耗時(shí)的反復(fù)修改。(3)以特征作為設(shè)計(jì)的單元 Pro /Engineer 以最自然的思考方式從事設(shè)計(jì)工作，如凸起(Protrusion)、切削(Cut)、鉆孔(Hole)、開槽(Slot)、圓角(Round)、斜角(Chamfer)、圓軸(Shaft)、軸頸(Neck)、凸緣(Flange)、薄殼(Shell)、加強(qiáng)肋(Rib)及管件(Pipe)等均視為基本特征。也正因?yàn)橐蕴卣髯鳛樵O(shè)計(jì)的單元，因此可隨時(shí)對(duì)特征做出合理、不違反幾何關(guān)系的修改操作，如重新定義(Redefine)、重新排序(Reorder)、重新參考(Reroute)、插入模式(Insert Mode)、替換模式(Change Mode)和刪除(Delete)等。(4)參數(shù)式設(shè)計(jì) 配合單一數(shù)據(jù)庫(kù)，所有的設(shè)計(jì)過(guò)程中使用的尺寸(參數(shù))都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，設(shè)計(jì)者只要更改三維零件(Part)的尺寸，則二維工程圖(Drawing)、三維裝配圖(Assembly)、模具(Mold)等立即依照尺寸的更改做幾何形狀的變化，這樣可以保證設(shè)計(jì)修改工作的一致性。正因?yàn)橛脜?shù)式的設(shè)計(jì)，用戶可以運(yùn)用強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算方式，創(chuàng)建各尺寸參數(shù)間的關(guān)系式，自動(dòng)計(jì)算出模型應(yīng)有的外形，減少了逐一修改尺寸的時(shí)間，并可避免錯(cuò)誤的發(fā)生。Pro /Engineer 野火版具有多項(xiàng)新特征和附加功能，使用起來(lái)更加直觀。它增加了自由形式曲面處理等新技術(shù)，強(qiáng)化了建模和模型檢測(cè)等原有的模塊。PTC 公司同時(shí)提供了新的裝配功能、數(shù)據(jù)管理功能、仿真功能，并擴(kuò)展了 Pro/ENGINEER 的使用范圍。（1） 直接建模：讓用戶在最小限度的界面交互和較少使用鼠標(biāo)的情況下，交互地建立和修改特征。（2）靈活的草繪和骨架：柔性特征可以很容易地對(duì)復(fù)雜的幾何體進(jìn)行有效更改。（3） 過(guò)程變形：能夠?qū)ψ冃芜M(jìn)行詳盡的更改，而不需要修改原設(shè)計(jì)。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 17 -（4）自由形式曲面處理：使用方便的工具欄和鼠標(biāo)，自由設(shè)計(jì)美學(xué)曲面和曲線。（5） 行為建模：行為建模(BMX)已經(jīng)成為設(shè)計(jì)過(guò)程自動(dòng)化的流行工具。（6）小組數(shù)據(jù)管理：具有安全多點(diǎn)協(xié)作功能，便于本地?cái)?shù)據(jù)管理。（7）系統(tǒng)互連設(shè)計(jì)：用于制作電路圖，以及過(guò)程和測(cè)量示意圖。（8）全相關(guān)二維制圖：新的智能化約束捕捉功能加快了制圖實(shí)體的創(chuàng)建。（9） 制造：高速加工的改進(jìn)功能。（10） 仿真：Pro/MECHANICA 是一個(gè)分析工具，可單獨(dú)使用。（11） 模型檢查：Model CHECK 使 CAD 檢查過(guò)程自動(dòng)化。（12） 造船：具有船體整體布局和細(xì)分的船體概念設(shè)計(jì)功能，具有建立詳盡的船舶結(jié)構(gòu)化框架的鋼結(jié)構(gòu)生成功能。Pro /Engineer (Pro/E)是集 CAD/CAM/CAE 于一體的大型設(shè)計(jì)軟件，其中 CAE 常用的模塊有 Mechanism Design extension(MDX)和 Pro/MECHANICA(Pro/M)。Pro/MECHNICA 的三種工作模式：（1）FEM(Finite Element Modeling)模式FEM 模式?jīng)]有求解器，能夠完成對(duì)模型的網(wǎng)格劃分、邊界約束、理想化等前置處理，隨后需要使用第三方軟件進(jìn)行求解，如 NASTRAN、ANSYS 等（2）集成模式集成模式運(yùn)行于 Pro /Engineer 平臺(tái)之上，操作及界面與 Pro /Engineer 相同，能夠直接使用 Pro /Engineer 的參數(shù)進(jìn)行分析及優(yōu)化。（3）獨(dú)立模式獨(dú)立模式不需要 Pro /Engineer 平臺(tái)的支持，能夠獨(dú)立運(yùn)行，可導(dǎo)入第三方軟件的模型，功能要比集成模式稍強(qiáng)，但與 Pro /Engineer 的集成性不佳，其操作及界面更接近 UNIX 環(huán)境，較不容易掌握。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 18 -3.1.2 Pro /Engineer建模方法一般來(lái)說(shuō)，裝載機(jī)工作裝置的建模方法要根據(jù)圖形的形狀來(lái)選定，選擇原則是繪制圖形盡量簡(jiǎn)化，最好不要繪制過(guò)渡圓角、倒角等非關(guān)鍵性信息。建模工作主要是利用 Pro／Engineer 中的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等基本操作，建立工作裝置三維實(shí)體模型。其中建模難點(diǎn)在于輔助平面和輔助點(diǎn)的建立，只有建立好輔助平面和輔助點(diǎn)，才能保證零件模型的精確性。由于裝載機(jī)工作裝置一般是對(duì)稱分布的，所以建模過(guò)程中要利用好鏡像的建模方法。本文所使用的 Pro /Engineer（3.0）野火版，其零件的三維建模方法主要是基于實(shí)體特征的建模方法。從技術(shù)基礎(chǔ)上看，有參數(shù)化技術(shù)和變量化技術(shù)兩種。產(chǎn)品的建模方法基于裝配建模。（1） 實(shí)體建模方法（Solid Modeling）實(shí)體造型技術(shù)能夠精確地表達(dá)零件的全部屬性，可以表達(dá)和處理模型的質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理特性，在理論上有助于統(tǒng)一 CAD、CAE、CAM 各應(yīng)用模塊的模型表達(dá)，使 CAD/CAE/CAM 的一體化成為可能。實(shí)體造型技術(shù)是用點(diǎn)、曲線和曲面來(lái)創(chuàng)建模型，不同的實(shí)體之間沒有相關(guān)性。（2）參數(shù)化建模方法（Parametric Modeling）參數(shù)化建模方法是基于特性的實(shí)體建模方法，下面列出其主要優(yōu)點(diǎn):基于特性：零件模型是由具有一定幾何形狀的特性所組成，通過(guò)不同特征在一定位置約束下的不同組合而得到模型。特征可以是添加材料（如塊、凸臺(tái)） ，也可以是切除材料的( 如孔、槽) 。全尺寸約束：用尺寸參數(shù)來(lái)約束特征及其他幾何對(duì)象的形狀，通過(guò)尺寸約束來(lái)控制和修改幾何形狀，所有這些尺寸參數(shù)都可調(diào)的變量參數(shù)。尺寸驅(qū)動(dòng)：當(dāng)需要修改幾何對(duì)象的形狀時(shí)，只要編輯與該形狀相關(guān)的尺寸參數(shù)即可。這種技術(shù)是現(xiàn) CAD 系統(tǒng)的基本功能之一。（3）Pro /Engineer 的復(fù)合建模方法（Hybrid Modeling）南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 19 -Pro /Engineer 的復(fù)合建模方法也是基于特征的實(shí)體建模方法，是在參數(shù)化建模方法的基礎(chǔ)上采用了一種所謂“變量化技術(shù)”的實(shí)體建模方法。全數(shù)據(jù)相關(guān)：模型的形狀與其約束各幾何對(duì)象的尺寸完全相關(guān)。幾何實(shí)體之間也是相關(guān)的，幾何對(duì)象相應(yīng)的尺寸參數(shù)的修改將使同一模型在不同應(yīng)用模塊中的相關(guān)尺寸自動(dòng)更新，不需要人工干預(yù)，對(duì)參數(shù)化建模技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。他保留了參數(shù)化技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)增加了一些新的功能，是設(shè)計(jì)建模過(guò)程更加靈活，可提高設(shè)計(jì)效率。在變量化技術(shù)中，將參數(shù)化技術(shù)中的單一的尺寸參數(shù)分為“形狀約束”和“尺寸約束” ，形狀約束通過(guò)幾何對(duì)象之間的幾何位置關(guān)系來(lái)確定。3.2裝載機(jī)工作裝置三維實(shí)體模型的創(chuàng)建3.2.1零件三維模型的建立裝 載 機(jī) 工 作 裝 置 沒 有 涉 及 到 特 別 復(fù) 雜 的 曲 面 、 曲 線 ， 基 本 上 零 件 的 建 模 方 法 ：先 建 立 二 維 草 圖 ， 然 后 進(jìn) 行 拉 伸 、 旋 轉(zhuǎn) 等 操 作 得 到 零 件 實(shí) 體 特 征3.2.2標(biāo)準(zhǔn)件的建立下 載 標(biāo) 準(zhǔn) 件 的 零 件 庫(kù) ， 然 后 導(dǎo) 入 Pro /Engineer 中 ， 具 體 使 用 方 法 是 先 打 開零 件 庫(kù) ， 找 到 所 需 要 的 零 件 然 后 保 存 到 其 他 零 件 所 在 的 文 件 即 可 。3.2.3工作裝置裝配模型的建立在 Pro /Engineer 軟件中首先以動(dòng)臂處于最低位置、鏟斗斗底與地面成 5 度傾角的計(jì)算位置對(duì)工作裝置進(jìn)行裝配。裝配的時(shí)候不僅要保證零件的位置，還要定義運(yùn)動(dòng)副，即各構(gòu)件之間組成的可動(dòng)聯(lián)接。如動(dòng)臂與后座、動(dòng)臂油缸與動(dòng)臂、動(dòng)臂與鏟斗、翻斗油缸與叉子掛接框的銷釘(Pin)聯(lián)接，油缸內(nèi)桿與缸筒的滑塊(Slider)聯(lián)接等。裝配零件時(shí)，可能發(fā)生位置偏差、不準(zhǔn)確或是無(wú)法裝配的情況，搭配使用平移(Translate)、旋轉(zhuǎn)(Rotate)、調(diào)整(Adjust)等功能，會(huì)得到較佳的效果。以此創(chuàng)建的裝載機(jī)的裝配模型。組裝時(shí)第一個(gè)零件的選擇是相當(dāng)重要的，必須參考零件的特征。在組裝工作裝置的時(shí)候應(yīng)先選擇動(dòng)臂，然后其余所有的零件或者組件最后都將被組裝在主要構(gòu)件南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 20 -上。因此，第一個(gè)主結(jié)構(gòu)件成為第一個(gè)零件是理所當(dāng)然的。具體裝配過(guò)程如下：（1）調(diào)入元件步驟 1：在組件模型文件的工作環(huán)境中，單擊插入元件按鈕，彈出“打開”對(duì)話框。步驟 2：在打開對(duì)話框的查找范圍下拉列表中，選擇需要組裝到當(dāng)前組模型的動(dòng)臂前梁，系統(tǒng)顯示該零件和放置選項(xiàng)對(duì)話框。（2）設(shè)置裝配約束在放置對(duì)話框中，選中默認(rèn)放置。接著調(diào)入動(dòng)臂后梁，利用匹配對(duì)齊約束方式對(duì)其進(jìn)行剛性連接，最后分別調(diào)入叉子掛接框、動(dòng)臂后座、鏟斗等組件完成工作裝置的裝配。最后裝配結(jié)果見圖 3-1圖 3-1 TZ08D 裝載機(jī)工作裝置裝配結(jié)構(gòu)圖3.3本章小結(jié)本章首先介紹了文中采用的軟件 Pro/E(Pro /Engineer),然后建立了三南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文- 20 -維幾何實(shí)體模型，最后介紹了裝載機(jī)工作裝置三維裝配模型的創(chuàng)建。