1841_裝載機的工作機構的設計

1841_裝載機的工作機構的設計,裝載,工作,機構,設計 南昌航空大學科技學院學士學位論文- 14 -第三章 裝載機工作裝置三維模型的建立目前應用較為普遍的 Pro /Engineer 軟件，是集 CAD／CAE 于一體的大型設計軟件，其中用于仿真和分析的模塊是 Mechanism Design extension(MDE)。Pro /Engineer 可以用來建立實體幾何模型，對所建模型進行仿真和分析，通過模擬真實環(huán)境的工作狀況對其進行分析判斷和干涉檢查，以盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷和潛在的失敗可能，提前進行改善和修正。從而減少后期修改而付出的昂貴代價，縮短設計周期。裝載機工作裝置的設計是一個比較復雜的設計過程，其設計好壞直接影響整機的工作性能。本章以 TZ08D 型裝載機為例，在 Pro／Engineer 軟件環(huán)境下，對裝載機工作裝置進行三維實體建模為進一步的干涉檢查、運動仿真與分析做準備， 以期實現(xiàn)在 Pro /Engineer 軟件環(huán)境下的裝載機工作裝置的優(yōu)化設計。3.1 三維實體幾何模型的建立傳統(tǒng)的 2D 繪圖給整個產(chǎn)品設計和制造帶來很大麻煩，而 3D 繪圖給人直觀、形象的感覺。美國 90 年代初致力于使用權新的設計及生產(chǎn)技術如實體模型 Solid Modeling、快速成型機，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)技術都離不開以造型技術為基礎。過去，我們國家各個地區(qū)都以平面、線框、曲面造型為手段，但為了要適應國際市場的大趨勢，實體模型技術必會逐漸為用戶所認識和使用。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)字化儀價格昂貴，客觀條件也不允許。三維實體建模，與二維圖形相比，其優(yōu)勢主要在于：(1)三維 CAD 可視化程度高、形象直觀、設計效率高，能為企業(yè)數(shù)字化提供完整的設計、工藝和制造信息；(2)三維 CAD 可以更加準確地表達技術人員的設計意圖，使設計過程更加符合設計習慣和思維方式，從而使技術人員更加專注于產(chǎn)品設計本身，而不是產(chǎn)品的圖形表示；南昌航空大學科技學院學士學位論文- 15 -(3)三維 CAD 系統(tǒng)具有高級曲面造型工具，能夠構造各種復雜的產(chǎn)品形狀；(4)實現(xiàn)產(chǎn)品的裝配設計，進行千涉檢查、運動仿真；(5)進行產(chǎn)品結構分析和各種物理特性計算；(6)產(chǎn)品的三維模型可以通過投影自動生成二維工程圖，各視圖之間完全相關，當三維模型修改時，二維工程圖可以自動完成更新；同時，設計結果也可以為后續(xù)設計模塊，如工程分析、數(shù)控加工等應用，實現(xiàn) CAD/CAE/CAPP/CAM 的集成。3.1.1 Pro/Engineer軟件特點Pro /Engineer 是美國參數(shù)技術公司 1988 首家推出的使用參數(shù)化特征造型技術的大型 CAD/CAM/CAE 集成軟件，具有造型設計、零件設計、裝配設計、二維工程圖制作、結構分析、運動仿真、模具設計、鈑金設計、管路設計、數(shù)控加工、數(shù)據(jù)庫管理等功能。近年來，在我國大型工廠、科研單位和部分大學得到了較為普遍的應用，深受三維產(chǎn)品設計和研究人員的喜愛。Pro /Engineer 是一個全方位的三維產(chǎn)品設計和開發(fā)軟件，它集零件設計、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、數(shù)控加工、鈑金設計、鑄造件設計、造型設計、逆向工程、自動測量、機構仿真、應力分析、電路布線、裝配管路設計等功能模塊和專有模塊于一體，可以實現(xiàn)面向制造的設計(Design For Manufacturing，DFM)、面向裝配的設計(Design For Assembly，DFA)、逆向設計(Inverse Design，ID)、并行工程(Concurrent Engineering，CE)等先進的設計方法和模式。Pro /Engineer 參數(shù)化設計的特性包括：(1)三維實體模型 三維實體模型除了可以將用戶的設計理念以最真實的模型在計算機上表現(xiàn)以外，還可以隨時計算出產(chǎn)品的體積、面積、質心、質量和慣性矩等，以便了解產(chǎn)品的真實情況，可以減少對以上參數(shù)的人為計算時間。(2)單一數(shù)據(jù)庫 Pro /Engineer 是建立在單一數(shù)據(jù)庫上的，即工程的資料全部來自一個庫，使多個獨立用戶可以同時處理同一個產(chǎn)品的造型。并可隨時由三維實體模型產(chǎn)生二維南昌航空大學科技學院學士學位論文- 16 -工程圖，而且自動標注工程圖的尺寸。在三維實體模型或二維圖形上作尺寸修正時，其相關的二維圖形或三維實體模型均自動修改，同時裝配、制造等相關設計也會自動修改，這樣可確保數(shù)據(jù)的正確性，避免了耗時的反復修改。(3)以特征作為設計的單元 Pro /Engineer 以最自然的思考方式從事設計工作，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)、加強肋(Rib)及管件(Pipe)等均視為基本特征。也正因為以特征作為設計的單元，因此可隨時對特征做出合理、不違反幾何關系的修改操作，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)式設計 配合單一數(shù)據(jù)庫，所有的設計過程中使用的尺寸(參數(shù))都存儲在數(shù)據(jù)庫中，設計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，這樣可以保證設計修改工作的一致性。正因為用參數(shù)式的設計，用戶可以運用強大的數(shù)學運算方式，創(chuàng)建各尺寸參數(shù)間的關系式，自動計算出模型應有的外形，減少了逐一修改尺寸的時間，并可避免錯誤的發(fā)生。Pro /Engineer 野火版具有多項新特征和附加功能，使用起來更加直觀。它增加了自由形式曲面處理等新技術，強化了建模和模型檢測等原有的模塊。PTC 公司同時提供了新的裝配功能、數(shù)據(jù)管理功能、仿真功能，并擴展了 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復雜的幾何體進行有效更改。（3） 過程變形：能夠對變形進行詳盡的更改，而不需要修改原設計。南昌航空大學科技學院學士學位論文- 17 -（4）自由形式曲面處理：使用方便的工具欄和鼠標，自由設計美學曲面和曲線。（5） 行為建模：行為建模(BMX)已經(jīng)成為設計過程自動化的流行工具。（6）小組數(shù)據(jù)管理：具有安全多點協(xié)作功能，便于本地數(shù)據(jù)管理。（7）系統(tǒng)互連設計：用于制作電路圖，以及過程和測量示意圖。（8）全相關二維制圖：新的智能化約束捕捉功能加快了制圖實體的創(chuàng)建。（9） 制造：高速加工的改進功能。（10） 仿真：Pro/MECHANICA 是一個分析工具，可單獨使用。（11） 模型檢查：Model CHECK 使 CAD 檢查過程自動化。（12） 造船：具有船體整體布局和細分的船體概念設計功能，具有建立詳盡的船舶結構化框架的鋼結構生成功能。Pro /Engineer (Pro/E)是集 CAD/CAM/CAE 于一體的大型設計軟件，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行求解，如 NASTRAN、ANSYS 等（2）集成模式集成模式運行于 Pro /Engineer 平臺之上，操作及界面與 Pro /Engineer 相同，能夠直接使用 Pro /Engineer 的參數(shù)進行分析及優(yōu)化。（3）獨立模式獨立模式不需要 Pro /Engineer 平臺的支持，能夠獨立運行，可導入第三方軟件的模型，功能要比集成模式稍強，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。南昌航空大學科技學院學士學位論文- 18 -3.1.2 Pro /Engineer建模方法一般來說，裝載機工作裝置的建模方法要根據(jù)圖形的形狀來選定，選擇原則是繪制圖形盡量簡化，最好不要繪制過渡圓角、倒角等非關鍵性信息。建模工作主要是利用 Pro／Engineer 中的拉伸、旋轉、掃描等基本操作，建立工作裝置三維實體模型。其中建模難點在于輔助平面和輔助點的建立，只有建立好輔助平面和輔助點，才能保證零件模型的精確性。由于裝載機工作裝置一般是對稱分布的，所以建模過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體特征的建模方法。從技術基礎上看，有參數(shù)化技術和變量化技術兩種。產(chǎn)品的建模方法基于裝配建模。（1） 實體建模方法（Solid Modeling）實體造型技術能夠精確地表達零件的全部屬性，可以表達和處理模型的質量、重心、轉動慣量等物理特性，在理論上有助于統(tǒng)一 CAD、CAE、CAM 各應用模塊的模型表達，使 CAD/CAE/CAM 的一體化成為可能。實體造型技術是用點、曲線和曲面來創(chuàng)建模型，不同的實體之間沒有相關性。（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體建模方法，下面列出其主要優(yōu)點: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） ，也可以是切除材料的( 如孔、槽) 。全尺寸約束：用尺寸參數(shù)來約束特征及其他幾何對象的形狀，通過尺寸約束來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)。尺寸驅動：當需要修改幾何對象的形狀時，只要編輯與該形狀相關的尺寸參數(shù)即可。這種技術是現(xiàn) CAD 系統(tǒng)的基本功能之一。（3）Pro /Engineer 的復合建模方法（Hybrid Modeling）南昌航空大學科技學院學士學位論文- 19 -Pro /Engineer 的復合建模方法也是基于特征的實體建模方法，是在參數(shù)化建模方法的基礎上采用了一種所謂“變量化技術”的實體建模方法。全數(shù)據(jù)相關：模型的形狀與其約束各幾何對象的尺寸完全相關。幾何實體之間也是相關的，幾何對象相應的尺寸參數(shù)的修改將使同一模型在不同應用模塊中的相關尺寸自動更新，不需要人工干預，對參數(shù)化建模技術進行了改進。他保留了參數(shù)化技術的主要優(yōu)點，但同時增加了一些新的功能，是設計建模過程更加靈活，可提高設計效率。在變量化技術中，將參數(shù)化技術中的單一的尺寸參數(shù)分為“形狀約束”和“尺寸約束” ，形狀約束通過幾何對象之間的幾何位置關系來確定。3.2裝載機工作裝置三維實體模型的創(chuàng)建3.2.1零件三維模型的建立裝 載 機 工 作 裝 置 沒 有 涉 及 到 特 別 復 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 行 拉 伸 、 旋 轉 等 操 作 得 到 零 件 實 體 特 征3.2.2標準件的建立下 載 標 準 件 的 零 件 庫 ， 然 后 導 入 Pro /Engineer 中 ， 具 體 使 用 方 法 是 先 打 開零 件 庫 ， 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 軟件中首先以動臂處于最低位置、鏟斗斗底與地面成 5 度傾角的計算位置對工作裝置進行裝配。裝配的時候不僅要保證零件的位置，還要定義運動副，即各構件之間組成的可動聯(lián)接。如動臂與后座、動臂油缸與動臂、動臂與鏟斗、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，可能發(fā)生位置偏差、不準確或是無法裝配的情況，搭配使用平移(Translate)、旋轉(Rotate)、調(diào)整(Adjust)等功能，會得到較佳的效果。以此創(chuàng)建的裝載機的裝配模型。組裝時第一個零件的選擇是相當重要的，必須參考零件的特征。在組裝工作裝置的時候應先選擇動臂，然后其余所有的零件或者組件最后都將被組裝在主要構件南昌航空大學科技學院學士學位論文- 20 -上。因此，第一個主結構件成為第一個零件是理所當然的。具體裝配過程如下：（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”對話框。步驟 2：在打開對話框的查找范圍下拉列表中，選擇需要組裝到當前組模型的動臂前梁，系統(tǒng)顯示該零件和放置選項對話框。（2）設置裝配約束在放置對話框中，選中默認放置。接著調(diào)入動臂后梁，利用匹配對齊約束方式對其進行剛性連接，最后分別調(diào)入叉子掛接框、動臂后座、鏟斗等組件完成工作裝置的裝配。最后裝配結果見圖 3-1圖 3-1 TZ08D 裝載機工作裝置裝配結構圖3.3本章小結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科技學院學士學位論文- 20 -維幾何實體模型，最后介紹了裝載機工作裝置三維裝配模型的創(chuàng)建。