EBH315型掘進(jìn)機(jī)的虛擬建模

 十五”以來，我國掘進(jìn)機(jī)的研制水平發(fā)展迅速，機(jī)器可靠性大幅提高，功能日趨完善。半煤巖及巖巷掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使用技術(shù)跨入了國際先進(jìn)國家的行列。虛擬建模技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用對我國掘進(jìn)機(jī)研制水平的提高起了非常關(guān)鍵的作用。
虛擬建模就是設(shè)計(jì)者借助計(jì)算機(jī)的軟硬件環(huán)境，把大腦里構(gòu)思的或現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的幾何外形和物理屬性轉(zhuǎn)化為可視、可修改、可分析、可進(jìn)一步模擬加工的數(shù)字實(shí)體模型，也被稱為三維實(shí)體造型。EBH315掘進(jìn)機(jī)通過采用CAXA三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件輔助設(shè)計(jì)，有效地縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。
1 CAXA三維實(shí)體軟件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想
近年來，三維實(shí)體設(shè)計(jì)技術(shù)在為設(shè)計(jì)者提供良好輔助設(shè)計(jì)工具的方面取得了一些成績。三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件作為一種輔助設(shè)計(jì)工具，在設(shè)計(jì)初期軟件需要為設(shè)計(jì)人員提供方便、快捷的方案設(shè)計(jì)功能，幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中，還可以隨時(shí)采用特征重構(gòu)方式對建立的三維模型進(jìn)行修改或增減，并讓零件和裝配體的數(shù)據(jù)保持一致。
CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)就是從這種設(shè)計(jì)角度入手，它是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的最好體現(xiàn)，增加了很多新的設(shè)計(jì)功能和手段。 “CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)”三維軟件采用國際合作開發(fā)模式，首次提出了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)概念——“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”，即依據(jù)創(chuàng)造力和經(jīng)驗(yàn)，自由、快速的進(jìn)行設(shè)計(jì)，在造型手段上，CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)能夠讓靈活方便、隨意搭配的自由設(shè)計(jì)風(fēng)格更充分的體現(xiàn)出來。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
①快速便捷的自由設(shè)計(jì)手段。因?yàn)镃AXA實(shí)體設(shè)計(jì)有獨(dú)特的三維設(shè)計(jì)元素的拖放式操作、智能捕捉、智能圖素、三維球的定位定向操作等，它的設(shè)計(jì)手段非常的簡單和快捷，比一般的造型軟件的造型效率要高出2～3倍。
②超越參數(shù)化的靈活修改。CAXA實(shí)體軟件對于設(shè)計(jì)者來說最大的支持，就是可以靈活的修改設(shè)計(jì)方案，該軟件有參數(shù)化和無約束兩者修改方法，修改的時(shí)候可以是任意一種，也可以是兩者的結(jié)合，在設(shè)計(jì)過程的任意時(shí)期都可以對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行靈活的修改，而且還會(huì)保留參數(shù)之間的約束關(guān)系。
③豐富的目錄式圖庫。CAXA實(shí)體軟件有豐富的目錄式圖庫，它能為造型提供很多的物理特征要素，比如各種標(biāo)準(zhǔn)幾何特征、自定義特征以及材質(zhì)紋理等，為設(shè)計(jì)者的創(chuàng)作提供很多的素材。而且，這個(gè)圖庫是開放的，用戶可以把任意類型的圖形添加到這個(gè)圖庫里，如果需要用到某個(gè)設(shè)計(jì)元素，只要從目錄庫中找到，并以拖放式操作釋放到造型環(huán)境中就行。
2 零件建模過程
EBH315掘進(jìn)機(jī)功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及的自制專用件超過800余種，包括齒輪類零件、組焊件、液壓元件、電器元件等各種類型，并有其它外購件及各種標(biāo)準(zhǔn)件與之配套，實(shí)體造型工作量巨大。對于EBH315掘進(jìn)機(jī)零件，主要采用了兩種造型方法：對于結(jié)構(gòu)簡單的板類零件，采用軟件圖庫中的圖素，通過參數(shù)化修改以及抽殼、曲面重建等操作完成造型，實(shí)現(xiàn)快速造型的目的；對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，則采用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征向?qū)?，通過二維草圖實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體造型，在三維建模過程中，兩種造型方式可以交叉使用，以提供建模效率。
本文以EBH315掘進(jìn)機(jī)主要部件截割減速器為例，簡要描述基于CAXA實(shí)體的零件三維建模過程。EBH315掘進(jìn)機(jī)截割減速器的主要零部件有減速器箱體、高速級(jí)輸入軸、錐齒輪、各種軸承、左右行星減速器中的行星架、太陽輪、外齒圈等，由于篇幅所限本文只介紹減速器箱體的建模過程。
建立截割減速器箱體模型主要用到拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征向?qū)В约皥A角過渡、邊倒角等命令。主要分為以下幾個(gè)步驟：
第一步，利用拉伸特征向?qū)?chuàng)建減速器箱體的基本外形：確定零件為獨(dú)立實(shí)體，生成元素為實(shí)體，確定拉伸方向，距離和實(shí)體定位特征后，點(diǎn)擊完成后向?qū)?huì)自動(dòng)生成特征的二維幅面。
第二步，在二維設(shè)計(jì)幅面上，繪制拉伸截面局部特征。這部分特征可以直接在界面上由實(shí)體設(shè)計(jì)提高的二維設(shè)計(jì)工具繪制，也可以在電子圖板生成后由軟件接口導(dǎo)入，完成后即由向?qū)ё詣?dòng)生成拉伸特征。
繼續(xù)利用拉伸、旋轉(zhuǎn)特征向?qū)У脑隽?、除料功能，完成減速器箱體外部及內(nèi)部特征造型，各特征交叉干涉部位應(yīng)用布爾運(yùn)算功能，完成合并與切除。
第三步，調(diào)用圖庫工具中的自定義孔功能及三維球定位工具，生成各連接處螺栓孔等。
第四步，利用圓角過渡、邊倒角等命令生成鑄造圓角和加工倒角等輔助特征，添加材質(zhì)及其它物理特性，修改零件明細(xì)表。
生成的減速器箱體模型如圖4。
3 EBH315掘進(jìn)機(jī)的虛擬裝配
EBH315掘進(jìn)機(jī)虛擬裝配采用至下而上，逐級(jí)引用的方式，建立虛擬裝配模型。
3.1 基礎(chǔ)部件模型的建立 按照功能逐級(jí)劃分，EBH315掘進(jìn)機(jī)可分為9個(gè)一級(jí)部件，30個(gè)二級(jí)部件，以及近百個(gè)基礎(chǔ)部件及若干組成零件。根據(jù)各自之間的從屬關(guān)系，利用幾何特征記錄各元部件之間的從屬關(guān)系。
a）確定基礎(chǔ)部件的核心定位零件，調(diào)用裝配工具依次引用相關(guān)零件；
b）利用三維球定位工具，按照位置關(guān)系依次定位從屬關(guān)系，并選擇引用關(guān)系；
c）規(guī)定約束方式，確認(rèn)部件裝配，添加部件明細(xì)表，完成基礎(chǔ)部件裝配。
虛擬裝配技術(shù)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段能夠幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)判別零部件的可制造性和可裝配性，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)與設(shè)計(jì)成本，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。
3.2 總裝配模型的建立 總裝模型建立過程與基礎(chǔ)部件組裝相同。即按照部件模型的從屬關(guān)系，逐級(jí)上升，直到總裝。核心部件通過對象鏈接逐級(jí)引用其它相關(guān)部件，并添加標(biāo)準(zhǔn)件和密封件后，再通過定位約束或三維球定位工具建立裝配定位關(guān)系，并限制各零件的自由度和剛度。按照裝配順序依次完成基礎(chǔ)部件、二級(jí)部件、一級(jí)部件直至完成總裝模型。EBH315掘進(jìn)機(jī)的虛擬裝配模型如圖7所示。
3.3 干涉檢查與物理計(jì)算 部件或總裝配模型建立之后，可進(jìn)行干涉檢查以及物理計(jì)算。CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)人員提供了便捷的干涉檢查和物理計(jì)算工具。通過動(dòng)態(tài)、靜態(tài)干涉檢查，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，得到修改，物理計(jì)算可以幫助設(shè)計(jì)人員校核整機(jī)質(zhì)量、重心等物理參數(shù)，輔助設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，見圖8，9。
4 結(jié)束語
虛擬建模技術(shù)的應(yīng)用，對縮短EBH315掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低成本起到了重要作用。是支持企業(yè)增強(qiáng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提高市場競爭能力的強(qiáng)有力的手段。