基于UG的综采液压支架三维建模及其应用

陆 峰

(安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南 232001)

·机电工程与自动化·

基于UG的综采液压支架三维建模及其应用

陆 峰

(安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南 232001)

三维建模和仿真技术在机械产品开发中起着非常重要的作用。利用UG对液压支架进行建模,然后利用其运动仿真模块对支架的伸柱、降柱、推溜、移架的运动过程进行动态仿真。

U G;液压支架;三维建模;运动仿真

0 引言

综采液压支架是机械化采煤的关键设备,为适应不同的地质条件,经常需要改型设计,从设计到试制再到批量生产,周期较长。利用基于U G的三维建模可以模拟支架的工作过程,验证设计技术指参数,检验设计中是否存在干涉和装配不合理因素,同时可以使制造部门尽快熟悉产品结构,设计制作工装夹具。从而体现产品设计的科学性、先进性,不需要试制便可以直接批量生产,缩短制造周期。

U G软件是目前国内外最为先进的基于特征的三维设计软件,易学易懂,功能强大。利用UG对液压支架进行三维建模及运动仿真,简洁方便,形象直观,效果逼真。

1 采用 U G建模的优点

1.1 UG的工作界面强调人性化设计 ,具有较大的图形窗口,便于设计者使用,并且简化视图操作控制,增强模型颜色模式,设计者视觉舒适,一般只需花很少的时间就能学会,并能很快熟练运用。

1.2 UG是建立在一个统一的能在系统内部引起变化的数据结构的基础上,在液压支架开发研制过程中,当某一处设计发生变化,该变化能够很快传遍整个设计制造过程,确保所有的零件和各个环节保持一致性和协调性。

1.3 UG的核心技术是以部件为中心,其设计的零件不仅包含制造工艺和成本等一些非几何的信息,而且还包含零件的位置信息以及它们之间的相互关系,就使得对液压支架模型的建立、改动非常迅速。图 1为用 U G建立的ZY6800/19/40液压支架三维实体模型。

1.4 在U G中,设计者通过对液压支架模型添加运动副、驱动器,可以使液压支架完成升架、降架,推溜、移架、伸缩前梁等动作,使原来在二维图纸上难于表达和设计的运动变得非常直观和易于修改。

2 液压支架的三维实体造型

对液压支架整机三维建模一般采用自下向上的方法,先根据各部件的结构形状和尺寸建立各部分的三维模型然后再按照各部分的装配和约束关系逐个进行组装,最后形成一个完整的机器。

2.1 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。

2.2 装配时需注意的几个问题

三维模型的装配过程较为简单。但是还是要注意几个问题。

(1)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带两个铰点的模型,这样还有一个优点就是在进行动力学分析和运动学分析时比较方便(简化成转动副)[1]。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到总装图中,这样易于进行动力学分析。如图1所示,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。为了使实体模型有逼真的效果,可以通过渲染命令来对模型进行渲染,以达到逼真的效果。

图1 ZY6800/19/40掩护式液压支架三维模型

3 液压支架运动仿真的实现

机构动力学分析模块是U G软件中包含的一个运动分析和仿真模块,该模块既可实现对机构的定义、建立零件之间的连接及装配自由度、对输入轴添加相应的电机驱动产生设计要求的运动,又可以在分析机构运动时观察和记录分析仿真过程的一些测量值,如位置、速度和加速度等,还可以进行运动干涉检查和运动轨迹显示等。

液压支架在工作过程中,必须具备伸、降、推、移四个基本动作,这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的各种千斤顶和立柱来完成的。在U G中分别在立柱、推移千斤顶、前梁千斤顶、平衡千斤顶的连接轴上施加相应个数的伺服电动机作为动力源,然后根据该液压支架的实际工作情况,按“流量法”从理论上计算出支架在伸、降、推、移等整个工作循环中各自所需要的时间,即液压支架在伸、降、推、移的动作过程中对千斤顶或立柱的伺服电动机所设定的时间(在设定中注意有复合的伺服电动机的动作起止时间)。根据各自所需要的时间,解决了各个伺服电动机的运动关系问题,使液压支架的整个工作循环动态模拟能顺利地按工作顺序完成。在液压支架零、部件装配和运动仿真完成后,就可以利用UG对设计既得的实体模型进行干涉检验,包括静态检查和动态检查。静态干涉检查是指在特定的装配结构形式下,检查装配体各个零件之间的相对位置是否存在干涉,而动态干涉检查是检验装配体或其零件在运动过程中是否存在零部件之间的运动干涉。直接利用U G/Analysis对设计模型进行分析,重点对装配模型进行全局干涉检验,检验结果直接显示在模型中,同时用数字给出干涉区域的面积。这样对整个支架的装配结构进行干涉检验,可以观察和分析出现的干涉问题,从而进行结构改进设计,将整机设计中可能存在的问题消除在萌芽状态,减少试制样机费用和改进时间,并大大缩短机械产品的更新周期。

在液压支架运动仿真完成之后,借助于U G仿真分析测量还可以测量系统中需要跟踪的参数,如某零件的位移、速度、加速度等,并将其变化趋势通过图表的形式直观地表现出来[2]。如结果不理想,可在设计模式下直接修改模型参数,重复仿真分析,以达到机构优化的目的。

4 结 语

综采液压支架是机械化采煤的关键设备,为适应不同的地质条件,经常需要改型设计,从设计到试制再到批量生产,周期较长。把U G三维建模功能应用到在液压支架的设计与分析过程中,应用虚拟样机技术,可以提高产品设计质量,及时在参数化阶段发现问题与不足,有效提高设计质量,缩短开发时间。所创建的三维立体图具有直观、易于理解等特点,有利于解决复杂几何形体的造型问题,能减轻工作量;不仅可以得到描述对象的形状、大小、位置等几何特性,而且可以在计算机上对零件进行虚拟装配试验,检查零件的装配情况(如是否干涉等),从而减少制造昂贵模型的数量。缩短产品的开发周期,增加企业的工作效率。

[1] 王国法.液压支架技术[M].北京:煤炭工业出版社,2003.

[2] 袁峰.U G机械设计工程[M].北京:机械工业出版社,2005.

责任编辑:张彩云

TH13

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1671-8275(2010)01-0050-02

2009-10-20

陆峰(1969-),男,安徽淮北人,安徽理工大学硕士研究生。