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摘 要：介绍了三维建模软件Pro/E的主要功能及特点,并以两柱掩护式液壓支架为例,分析讨论了应用Pro/E对液压支架进行三维建模的基本方法与技巧。结果表明应用本方法可更好的获得液压支架的建模过程及相关的参数。
关键词：液压支架三维建模Pro/E
中图分类号:TD335 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)08(c)-0045-02
1 前言
液压支架作为综采工作面三大配套设备之一,具有较高的自动化程度,可实现支撑、切顶、移架、推溜等一整套工序,能够可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板,隔离采空区,防止矸石进入回采工作面和输送机。本文以两柱掩护式液压支架为例,利用Pro/E软件对其进行三维建模。Pro/E是由美国参数技术公司(PTC)推出的一款集CAD/CAE/CAM于一身的全方位三维设计软件,该软件的主要功能包括零件设计、产品装配、曲面造型、模具设计、钣金设计、机构运动及仿真等。它的主要特点是参数化设计、基于特征建模、单一数据库以及全相关性。本文系统地讨论了应用Pro/E对液压支架建模过程中的一些方法和技巧,分析了一些常见问题及解决方法。
2 液压支架的三维建模
两柱掩护式液压支架主要由顶梁、掩护梁、底座、立柱、前后连杆、伸缩梁、一二级护帮板及各类千斤顶等部件组成。本文针对其结构复杂的特点,采用自下而上的方法进行建模,即先将各部件单独建模成零件再按照连接及约束关系进行装配。
2.1 各部件的三维建模
对于同一零件的造型方法可以有很多种,不同的造型方法生成文件的大小各不相同,造型速度也会有很大差别。因此,选择科学合理的造型方法不仅能提高工作效率,而且能够节约计算机磁盘空间、加快软件的分析速度等。整体液压支架的三维建模是在Pro/E的零件模块和组件模块中完成的。建模之前,根据支架的组成将其分为顶梁、掩护梁、底座、立柱、前后连杆、伸缩梁等部件,首先对这些部件进行建模。对部件建模时,需要注意的是：立柱、千斤顶作为单个部件需要实现伸缩运动,即组成它们的零件之间有相对运动关系,建模时需要先分别创建出各个零件,再按照其运动形式在组件模块中进行装配;其余部件如顶梁、掩护梁等为组焊件,单个部件中各部分之间无相对运动,所以可以直接在零件模块中创建。
在两柱掩护式液压支架的建模过程中,主要用到了拉伸、旋转、扫描、倒角、复制、镜像等操作。为了简化建模,舍去了部件中对实际问题无影响的焊缝、螺纹、管线等结构。
在零件模型的创建过程中,如何正确定义各零件间的相互位置关系尤为重要,这就涉及到参照的选择问题。这里要注意的是,若以某一零件的几何特征为参照创建其他零件,那么涉及到该零件几何特征的任意改动都会影响到以之为参照的后续零件。这样一来就会对修改建模过程中出错的零件产生很大的影响,从而大大增加工作量。针对这一问题,建模时应尽量以系统预定义的几何特征(如TOP面、RIGHT面和FRONT面等)来创建参照。这样一来在修改某个零件模型时就不会影响到其他零件。
由于液压支架的部分部件存在对称性,所以“镜像”工具的使用就可以大大简化建模过程。以底座为例,在完成底座一侧及中间过渡部分零件的建模后,可在底座对称位置创建一个对称面,如图1红色部分所示。然后运用“镜像”工具,通过对称面进行镜像就完成了底座三维模型的创建,如图2所示。
各部件建模完成后,将零件的显示方式设置为无隐藏线,这时注意观察模型的颜色,Pro/E系统默认实体的边线为白色,如果出现其他颜色的线则表明并非是实体,需要检查修正。常见的情况是出现粉色和蓝色的线,粉色的线系统默认为面组,出现的原因可能有两种：一是在进行拉伸操作时人为误选成拉伸为曲面,二是草绘图存在缺陷,系统无法拉伸为实体便默认拉伸为曲面;蓝色的线系统默认为曲线,主要是在绘图过程中产生的,在不影响模型创建的情况下,可将其删除或隐藏。
图3～图5分别是利用Pro/E 创建的两柱掩护式液压支架的顶梁、掩护梁、伸缩梁的三维模型,其他部件的三维模型就不一一列举。
2.2 整机装配
装配前需要做两个准备工作：
(1)应正确分析各部件在整机中的位置、作用,明确各部件间的运动、装配关系,以保证装配后的整机定位可靠、运动灵活、互不发生干涉;
(2)要把各部件的零件图保存在同一文件夹下,装配完成后的装配图也要保存在这个文件夹下,以防止再次打开装配图时造成零件缺失。
整个装配过程是在Pro/E的组件模块下进行的。装配过程中视支架各部件间运动关系的不同主要会涉及到以下几种连接关系：
(1)底座与前后连杆、前后连杆与掩护梁、掩护梁与顶梁、伸缩梁与一级护帮板、一级护帮板与二级护帮板以及各千斤顶与相关部件之间的铰接处,均应采用销钉连接进行装配。销钉连接的自由度为1,零件可沿某一轴实现旋转运动;
(2)顶梁与伸缩梁、液压缸与活塞杆之间应采用滑动杆连接。滑动杆连接的自由度也为1,零件可沿某一轴实现平移运动;
(3)立柱的两端与底座柱窝和顶梁柱帽之间均应采用球连接进行装配。球连接的自由度为3,零件可绕某点自由旋转,但不能进行任何方式的平移运动。
装配开始后先导入底座,选择用户定义下的固定约束,将底座视作装配的基本元件,然后从下往上进行顺序装配。立柱与底座柱窝和顶梁柱帽间的连接方式为球连接,具体的方法是：分别在立柱外缸底部半球形的球心和底座柱窝的球心处创建基准点,然后选择预定义的球连接再选择这两点即可。立柱小柱与顶梁柱帽间的连接同理。对于滑动杆连接,以顶梁与伸缩梁为例,装配前可分别在这两个构件上建立一个中心面,如图6红色部分所示,装配时只需将这两个中心面重合,就完成了对这两个构件的初步定位,可以提高装配速度并简化装配过程。对于销钉连接,以掩护梁与顶梁为例,具体的方法是：先选择销钉连接再选中掩护梁与顶梁连接处销孔的中心轴,这样一来掩护梁与顶梁就只能绕着这个中心轴进行旋转或轴向移动,接下来既可以选择用户定义的匹配约束并设置偏距来确定掩护梁与顶梁的轴向位置也可以采用上述创建中心面的方法来实现掩护梁与顶梁的完全约束。
在完成液压支架整机装配后, 要进行干涉检查,待确认无误后存盘。ZY6000/25/50型两柱掩护式液压支架的三维实体模型如图7所示。
3 结语
利用Pro/E强大的三维造型功能实现了对液压支架的快速建模与装配,可为针对支架的动态仿真分析提供虚拟样机,为支架的有限元分析提供三维模型。随着CAD/CAE/CAM技术的不断发展,以三维建模软件为平台,结合有限元分析软件和运动仿真软件的应用系统已经越来越多地应用于液压支架的设计过程中。这种方法可极大地提高产品的设计效率和质量,缩短开发周期,为企业创造可观的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 葛正浩.PRO/E三维机械设计实例教程.北京:化学工业出版社,2007.
[2] 鲁忠良.煤矿液压支架的实用安全理论及技术.徐州:中国矿业大学,2009.
关键词：液压支架三维建模Pro/E
中图分类号:TD335 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)08(c)-0045-02
1 前言
液压支架作为综采工作面三大配套设备之一,具有较高的自动化程度,可实现支撑、切顶、移架、推溜等一整套工序,能够可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板,隔离采空区,防止矸石进入回采工作面和输送机。本文以两柱掩护式液压支架为例,利用Pro/E软件对其进行三维建模。Pro/E是由美国参数技术公司(PTC)推出的一款集CAD/CAE/CAM于一身的全方位三维设计软件,该软件的主要功能包括零件设计、产品装配、曲面造型、模具设计、钣金设计、机构运动及仿真等。它的主要特点是参数化设计、基于特征建模、单一数据库以及全相关性。本文系统地讨论了应用Pro/E对液压支架建模过程中的一些方法和技巧,分析了一些常见问题及解决方法。
2 液压支架的三维建模
两柱掩护式液压支架主要由顶梁、掩护梁、底座、立柱、前后连杆、伸缩梁、一二级护帮板及各类千斤顶等部件组成。本文针对其结构复杂的特点,采用自下而上的方法进行建模,即先将各部件单独建模成零件再按照连接及约束关系进行装配。
2.1 各部件的三维建模
对于同一零件的造型方法可以有很多种,不同的造型方法生成文件的大小各不相同,造型速度也会有很大差别。因此,选择科学合理的造型方法不仅能提高工作效率,而且能够节约计算机磁盘空间、加快软件的分析速度等。整体液压支架的三维建模是在Pro/E的零件模块和组件模块中完成的。建模之前,根据支架的组成将其分为顶梁、掩护梁、底座、立柱、前后连杆、伸缩梁等部件,首先对这些部件进行建模。对部件建模时,需要注意的是：立柱、千斤顶作为单个部件需要实现伸缩运动,即组成它们的零件之间有相对运动关系,建模时需要先分别创建出各个零件,再按照其运动形式在组件模块中进行装配;其余部件如顶梁、掩护梁等为组焊件,单个部件中各部分之间无相对运动,所以可以直接在零件模块中创建。
在两柱掩护式液压支架的建模过程中,主要用到了拉伸、旋转、扫描、倒角、复制、镜像等操作。为了简化建模,舍去了部件中对实际问题无影响的焊缝、螺纹、管线等结构。
在零件模型的创建过程中,如何正确定义各零件间的相互位置关系尤为重要,这就涉及到参照的选择问题。这里要注意的是,若以某一零件的几何特征为参照创建其他零件,那么涉及到该零件几何特征的任意改动都会影响到以之为参照的后续零件。这样一来就会对修改建模过程中出错的零件产生很大的影响,从而大大增加工作量。针对这一问题,建模时应尽量以系统预定义的几何特征(如TOP面、RIGHT面和FRONT面等)来创建参照。这样一来在修改某个零件模型时就不会影响到其他零件。
由于液压支架的部分部件存在对称性,所以“镜像”工具的使用就可以大大简化建模过程。以底座为例,在完成底座一侧及中间过渡部分零件的建模后,可在底座对称位置创建一个对称面,如图1红色部分所示。然后运用“镜像”工具,通过对称面进行镜像就完成了底座三维模型的创建,如图2所示。
各部件建模完成后,将零件的显示方式设置为无隐藏线,这时注意观察模型的颜色,Pro/E系统默认实体的边线为白色,如果出现其他颜色的线则表明并非是实体,需要检查修正。常见的情况是出现粉色和蓝色的线,粉色的线系统默认为面组,出现的原因可能有两种：一是在进行拉伸操作时人为误选成拉伸为曲面,二是草绘图存在缺陷,系统无法拉伸为实体便默认拉伸为曲面;蓝色的线系统默认为曲线,主要是在绘图过程中产生的,在不影响模型创建的情况下,可将其删除或隐藏。
图3～图5分别是利用Pro/E 创建的两柱掩护式液压支架的顶梁、掩护梁、伸缩梁的三维模型,其他部件的三维模型就不一一列举。
2.2 整机装配
装配前需要做两个准备工作：
(1)应正确分析各部件在整机中的位置、作用,明确各部件间的运动、装配关系,以保证装配后的整机定位可靠、运动灵活、互不发生干涉;
(2)要把各部件的零件图保存在同一文件夹下,装配完成后的装配图也要保存在这个文件夹下,以防止再次打开装配图时造成零件缺失。
整个装配过程是在Pro/E的组件模块下进行的。装配过程中视支架各部件间运动关系的不同主要会涉及到以下几种连接关系：
(1)底座与前后连杆、前后连杆与掩护梁、掩护梁与顶梁、伸缩梁与一级护帮板、一级护帮板与二级护帮板以及各千斤顶与相关部件之间的铰接处,均应采用销钉连接进行装配。销钉连接的自由度为1,零件可沿某一轴实现旋转运动;
(2)顶梁与伸缩梁、液压缸与活塞杆之间应采用滑动杆连接。滑动杆连接的自由度也为1,零件可沿某一轴实现平移运动;
(3)立柱的两端与底座柱窝和顶梁柱帽之间均应采用球连接进行装配。球连接的自由度为3,零件可绕某点自由旋转,但不能进行任何方式的平移运动。
装配开始后先导入底座,选择用户定义下的固定约束,将底座视作装配的基本元件,然后从下往上进行顺序装配。立柱与底座柱窝和顶梁柱帽间的连接方式为球连接,具体的方法是：分别在立柱外缸底部半球形的球心和底座柱窝的球心处创建基准点,然后选择预定义的球连接再选择这两点即可。立柱小柱与顶梁柱帽间的连接同理。对于滑动杆连接,以顶梁与伸缩梁为例,装配前可分别在这两个构件上建立一个中心面,如图6红色部分所示,装配时只需将这两个中心面重合,就完成了对这两个构件的初步定位,可以提高装配速度并简化装配过程。对于销钉连接,以掩护梁与顶梁为例,具体的方法是：先选择销钉连接再选中掩护梁与顶梁连接处销孔的中心轴,这样一来掩护梁与顶梁就只能绕着这个中心轴进行旋转或轴向移动,接下来既可以选择用户定义的匹配约束并设置偏距来确定掩护梁与顶梁的轴向位置也可以采用上述创建中心面的方法来实现掩护梁与顶梁的完全约束。
在完成液压支架整机装配后, 要进行干涉检查,待确认无误后存盘。ZY6000/25/50型两柱掩护式液压支架的三维实体模型如图7所示。
3 结语
利用Pro/E强大的三维造型功能实现了对液压支架的快速建模与装配,可为针对支架的动态仿真分析提供虚拟样机,为支架的有限元分析提供三维模型。随着CAD/CAE/CAM技术的不断发展,以三维建模软件为平台,结合有限元分析软件和运动仿真软件的应用系统已经越来越多地应用于液压支架的设计过程中。这种方法可极大地提高产品的设计效率和质量,缩短开发周期,为企业创造可观的经济效益和社会效益。
参考文献
[1] 葛正浩.PRO/E三维机械设计实例教程.北京:化学工业出版社,2007.
[2] 鲁忠良.煤矿液压支架的实用安全理论及技术.徐州:中国矿业大学,2009.