借助三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks進(jìn)行挖掘機(jī)工作裝置的虛擬設(shè)計(jì)，不僅可以真實(shí)地反映挖掘機(jī)工作裝置的幾何形狀，還能反映各部件的空間位置，有效地檢測(cè)工作裝置各部件之間是否發(fā)生千涉與碰撞，通過運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析，檢驗(yàn)工作裝置作業(yè)過程的合理性和正確性。虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)用計(jì)算機(jī)模擬整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、加工等過程，這樣不僅省去了制造樣機(jī)進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)、修改等環(huán)節(jié)，同時(shí)也大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了產(chǎn)品成本，而且為今后新產(chǎn)品的開發(fā)創(chuàng)新建立了基礎(chǔ)模型。
1虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)
虛擬設(shè)計(jì)是一種新興的多學(xué)科研究成果交叉技術(shù)。它是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，將產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到投入使用的全過程在計(jì)算機(jī)上構(gòu)造的虛擬環(huán)境中虛擬地實(shí)現(xiàn)，代表了一種全新的制造體系和模式。它涉及多方面的學(xué)科研究成果與專業(yè)技術(shù)，通過以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械產(chǎn)品為對(duì)象，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中可以實(shí)現(xiàn)更自然的人機(jī)交互。同時(shí)利用這項(xiàng)技術(shù)能夠更好地把握新產(chǎn)品開發(fā)周期的全過程，也可以大大減少實(shí)物模型和樣機(jī)的制造。所以，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)省制造成本有著重要的意義。
2 SolidWorks軟件
美國SolidWorks公司開發(fā)的基于SolidWorks操作系統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks是集設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)校核及有限元分析于一體的強(qiáng)大的應(yīng)用軟件，其建模速度快、直觀，并且能充分顯示出各部件運(yùn)動(dòng)中相互之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。該軟件集成了多個(gè)專業(yè)功能，如結(jié)構(gòu)分析Cosmos/ Works,數(shù)控加工CAMworks、運(yùn)動(dòng)分析MotianWorks等，是一個(gè)交互式CAD/CAM/CAE系統(tǒng)。SolidWorks軟件的基本設(shè)計(jì)思路為"實(shí)體造型-虛擬裝配-二維圖紙"。三維實(shí)體建模使設(shè)計(jì)過程形象而且直觀;虛擬裝配可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的隨時(shí)校驗(yàn)，從而避免可能造成的直接經(jīng)濟(jì)損失;二維圖紙的自動(dòng)繪制也滿足了實(shí)際生產(chǎn)的需求，從而完全滿足機(jī)械設(shè)計(jì)企業(yè)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)要求。SolidWorks軟件充分利用了眾人所熟悉的Microsoft Windows圖形用戶界面的優(yōu)勢(shì)，使用這套簡單易學(xué)的工具，被越來越多的用戶使用。
3虛擬設(shè)計(jì)過程
3.1參數(shù)化特征建模
特征是組成零件實(shí)體模型的基本元素，它體現(xiàn)了產(chǎn)品的功能要素和工程含義，是描述產(chǎn)品信息的集合。參數(shù)化是指對(duì)零件上的各種特征施加各種約束形式。各個(gè)特征的幾何形狀與尺寸大小用變量的方式表示，如果定義某個(gè)特征的變量發(fā)生了改變，則零件的這個(gè)特征的幾何形狀與幾何尺寸大小，都將隨著參數(shù)的改變而改變。將參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到特征設(shè)計(jì)中去，把參數(shù)化的基本體素定義為特征，用特征通過體素拼和的方法，構(gòu)造零件的幾何形狀，使特征具有可調(diào)整性，這就是參數(shù)化特征建模技術(shù)。
3.2設(shè)計(jì)過程
3.2.1挖掘機(jī)工作裝置
以WYL-3.5型挖掘機(jī)為例，該挖掘機(jī)所采用的反鏟工作裝置，主要由動(dòng)臂、斗桿、鏟斗以及動(dòng)臂油缸、斗桿油缸和鏟斗油缸組成。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
3.2.2建模方法
盡管SolidWorks是參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，但必須合理地規(guī)劃零部件的建模過程，才能有效地實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。幾何建模時(shí)應(yīng)保證修改模型的參數(shù)時(shí)模型不會(huì)出錯(cuò);只需改變很少的尺寸便能實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的修改，而且不引起其它特征的更改。在SolidWorks中建立實(shí)體，需要先分析實(shí)體的結(jié)構(gòu)特征，確定這些特征建立的先后順序，以及每個(gè)特征的建立方法，使所建立的特征盡可能地簡單，參數(shù)尺寸盡可能少。在進(jìn)行了上述分析后，就可以利用SoLidWorks提供的拉伸、旋轉(zhuǎn)、切割等建模功能創(chuàng)建出三維實(shí)體模型。所以，在對(duì)工作裝置進(jìn)行參數(shù)化特征建模之前，應(yīng)該先對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，制定創(chuàng)建模型的大致方案。
特征建模從草圖開始，可以新建草圖，然后通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、切除、抽殼等命令創(chuàng)建三維模型。建模時(shí)首先對(duì)各部分的主體零件進(jìn)行建模，如動(dòng)臂部分先對(duì)動(dòng)臂板建模，有些零件可以在裝配窗口采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，在關(guān)聯(lián)裝配體中直接生成新零件，以確保零部件正確組裝在一起。對(duì)于結(jié)構(gòu)相同、尺寸不同的油缸等零件，可采用SolidWorks提供的系列零件設(shè)計(jì)表功能生成零件族，幫助我們省去不必要的重復(fù)畫圖工作。本文僅以SolidWorks2006中挖掘機(jī)工作裝置的動(dòng)臂為例，簡要介紹其建模過程如下:
1)首先選取前視基準(zhǔn)面為草圖繪制平面，并利用拉伸特征建立動(dòng)臂基體，如圖2所示。
2)利用切除拉伸特征，建立動(dòng)臂兩側(cè)板特征和側(cè)板上的凹槽特征。
3)利用拉伸特征，完成對(duì)動(dòng)臂與斗桿連接處的方形凸臺(tái)、連接板、動(dòng)臂上方的吊耳、連接動(dòng)臂及動(dòng)臂油缸的圓錐形凸臺(tái)等特征的構(gòu)建。
4)再次利用切除拉伸特征，建立動(dòng)臂基體、連接板以及吊耳上的銷軸孔特征。
5)利用鏡象工具，完成對(duì)相應(yīng)特征的鏡象操作，最終完成零件的造型。完成后的動(dòng)臂三維圖。
通過動(dòng)臂造型實(shí)例可以看出，在建模時(shí)將零件上單個(gè)的加工形狀定義成特征，比如:拉伸、切除等，然后利用特征的組合就可以完成零件的造型SolidWorks中的每個(gè)三維零件模型均由零件、裝配體和工程圖三部分組成，三者之間是全關(guān)聯(lián)的，對(duì)其中任何一部分作出修改都會(huì)反映到其它兩部分中，這也提高了設(shè)計(jì)效率。
3.2.3裝配及檢驗(yàn)
SolidWorks提供了自上向下設(shè)計(jì)和自下向上設(shè)計(jì)兩種基本方法生成裝配體。自上向下的設(shè)計(jì)是指在裝配環(huán)境下進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)子部件的能力，不僅做到尺寸參數(shù)全相關(guān)，而且實(shí)現(xiàn)幾何形狀、零部件之間全自動(dòng)完全相關(guān)，并且為設(shè)計(jì)者提供完全一致的界面和命令進(jìn)行全自動(dòng)的相關(guān)設(shè)計(jì)環(huán)境。用戶可在做好裝配布局圖的情況下，設(shè)計(jì)其它零部件，并保證布局圖、零部件之間全自動(dòng)完全相關(guān)。
自下向上的設(shè)計(jì)是指在用戶先設(shè)計(jì)好產(chǎn)品的各個(gè)零部件后，運(yùn)用裝配關(guān)系把各個(gè)零部件組合成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力。在裝配關(guān)系定制好之后，不僅做到尺寸參數(shù)全相關(guān)，而且實(shí)現(xiàn)幾何形狀、零部件之間的全自動(dòng)完全相關(guān)，并為設(shè)計(jì)者提供完全一致的界面和命令進(jìn)行全自動(dòng)的相關(guān)設(shè)計(jì)環(huán)境，該方法較為實(shí)用。
本裝配體在裝配時(shí)采用自下向上設(shè)計(jì)方法，即首先利用拉伸、陣列、切除等基本功能建立挖掘機(jī)工作裝置各個(gè)零部件圖，在裝配時(shí)先確定挖掘機(jī)底座作為固定件，其他的零件在固定件上按照裝配關(guān)系依次導(dǎo)人進(jìn)行裝配，各個(gè)零件之間可加上所需的約束關(guān)系，如同軸、兩平面平行、兩平面重合等，這些約束使得到的裝配體更接近實(shí)際裝配體，整個(gè)裝配過程猶如在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行實(shí)物組裝一樣，較為逼真。最終得到的工作裝置裝配圖如圖3所示。
SolidWorks擁有對(duì)裝配體進(jìn)行千涉檢查、碰撞檢查和動(dòng)態(tài)間隙檢測(cè)功能，以幫助我們?cè)谘b配過程中判斷零件之間有無干涉，保證任意兩個(gè)零件在空間不會(huì)出現(xiàn)相互重疊現(xiàn)象。在檢查過程中可以通過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)零部件來動(dòng)態(tài)檢查零部件之間的間隙，避免真正實(shí)物安裝時(shí)產(chǎn)生干涉而無法安裝，以便從中發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)對(duì)模型進(jìn)行修改，直到獲得滿意結(jié)果。進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，若所有零部件的三維零件模型都已創(chuàng)建成功并裝配完畢，還可以進(jìn)行動(dòng)畫制作，以便進(jìn)一步查看該裝配體在動(dòng)態(tài)過程中各零部件之間的相互關(guān)系和檢測(cè)虛擬裝配的可靠性。利用動(dòng)畫仿真可以評(píng)估所設(shè)計(jì)的零部件對(duì)預(yù)期功能的實(shí)現(xiàn)程度，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地確保產(chǎn)品的可裝配性。
3.2.4工程圖
SolidWorks可利用自帶的工程圖轉(zhuǎn)換軟件方便地從三維模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換成二維工程圖。經(jīng)過轉(zhuǎn)換的圖形十分準(zhǔn)確，并且產(chǎn)生各種視圖的功能比較齊全，如剖視圖、軸測(cè)圖、局部放大圖等都能自動(dòng)生成，各種尺寸標(biāo)注、形位公差、焊接符號(hào)等注釋均可自動(dòng)產(chǎn)生，并且可以靈活調(diào)整尺寸的種類和位置。更重要的是，還能同MS Excel聯(lián)結(jié)，白動(dòng)生成各種符號(hào)，如明細(xì)欄、標(biāo)題欄、明細(xì)表等。通過設(shè)置圖紙大小、填寫標(biāo)題欄等即可生成符合機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)的二維工程圖。
同時(shí)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，為了更明確地表達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，往往需要提供一張所有零件按拆卸關(guān)系放置的裝配體圖，這種裝配體圖即爆炸視圖，通過此圖可形象地再現(xiàn)裝配體特征。在裝配體環(huán)境下，在插人下拉菜單中選擇〔爆炸視圖〕，出現(xiàn)爆炸視圖對(duì)話框。生成爆炸視圖有兩種方法:自動(dòng)爆炸和手動(dòng)爆炸。對(duì)工作裝置通過設(shè)定合適的爆炸視角、爆炸方向和爆炸距離而生成的爆炸視圖。
4 結(jié)束語
虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)為設(shè)計(jì)人員提供了一種嶄新的技術(shù)手段，利用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks實(shí)現(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)工作裝置三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要，通過實(shí)時(shí)修改相應(yīng)的特征來完成最終的設(shè)計(jì)任務(wù)。由于在新產(chǎn)品開發(fā)過程中不需要制造樣機(jī)，所以能大大降低試制費(fèi)用。此外，在很大程度上也提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的研制周期，增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場(chǎng)竟?fàn)幜Α?/P>