三維CAD技術(shù)在液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著CAD應(yīng)用軟件和技術(shù)的不斷發(fā)展，很多工程機(jī)械制造企業(yè)已不再滿足于借助CAD系統(tǒng)來“甩掉圖版”，希望向三維的實(shí)體設(shè)計(jì)方向發(fā)展。由于三維CAD系統(tǒng)具有可視化好、形象直觀、設(shè)計(jì)效率高和支持并行工程等優(yōu)點(diǎn)。因此，三維實(shí)體造型在液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中開始得到的應(yīng)用，在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中可以進(jìn)行挖掘機(jī)產(chǎn)品的模擬裝配以獲得整機(jī)或部件的三維實(shí)體，建立充分而完整的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量特性分析、零部件間的干涉檢查、自動創(chuàng)建二維工程圖、機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元分析、計(jì)算機(jī)輔助制造、商業(yè)廣告造型與動畫生成等。

1 挖掘機(jī)零部件的三維造型
挖掘機(jī)三維實(shí)體造型包括所有零件的三維實(shí)體造型，總成和整機(jī)裝配仿真。挖掘機(jī)是由金屬結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動力裝置、傳動操縱機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和輔助設(shè)備等組成。零、部件共計(jì)一千多個。盡管挖掘機(jī)零、部件結(jié)構(gòu)形式各不相同，但在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行三維實(shí)體造型有一些規(guī)律可循，一般過程如下：創(chuàng)建草圖→根據(jù)零件的基本特征和附加特征生成零件的三維模型→依照裝配關(guān)系裝配零部件→形成整機(jī)裝配仿真。
1.1 三維造型應(yīng)用軟件和基本方法
世界上著名的幾家公司的三維CAD軟件產(chǎn)品，如Pro/Engineer、UG、I-DEAS、Solidworks、MDT等，在主要工程機(jī)械企業(yè)中都已采用。無論采用那家的三維CAD軟件，都可以較好地完成挖掘機(jī)零部件的三維造型，三維造型時常用以下方法：
（1）對形狀比較規(guī)則的簡單零件，利用三維軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)幾何體（方形、圓柱、圓管、圓錐和球、溝槽）庫，直接生成零件實(shí)體，如方板、光軸、軸套等。
（2）繪制最能反映零件基本特征的幾何草圖，經(jīng)拉伸、旋轉(zhuǎn)生成三維實(shí)體。
（3）沿路徑配置的二維幾何圖形經(jīng)掃描，蒙皮生成曲面形實(shí)體。
（4）從草圖入手建模 設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)的要求用手勾畫出理想的結(jié)構(gòu)形狀，然后 賦予每一條曲線以尺寸約束或幾何約束，使曲線按照設(shè)計(jì)者的意圖去更新交換，生成參數(shù)化特征的實(shí)體建模。從草圖入手建模很容易實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)，是挖掘機(jī)最理想的建模方式。
（5）利用三維實(shí)體間的布爾運(yùn)算（交、并、補(bǔ)），將多個簡單零件組合成一體，生成新的實(shí)體等等，且生成的實(shí)體模型均采用參數(shù)化特征造型。
1.2 挖掘機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的三維造型
一臺液壓挖掘機(jī)的零部件有一千多個，全部采用三維造型設(shè)計(jì)工作量很大。實(shí)際設(shè)計(jì)挖掘機(jī)時，也可以只制作與整機(jī)外形仿真、運(yùn)動分析有關(guān)和影響主要性能的金屬結(jié)構(gòu)件、標(biāo)準(zhǔn)件、司機(jī)室和機(jī)罩等。
挖掘機(jī)三維造型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是金屬結(jié)構(gòu)件的三維造型，如動臂、斗桿、鏟斗、回轉(zhuǎn)平臺、回轉(zhuǎn)支承、行走機(jī)構(gòu)和行走架等，這些金屬結(jié)構(gòu)件都是由多個零件焊接成形，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。如動臂本體由上板、下板、側(cè)板、加強(qiáng)筋板、連接耳板和軸套等十多個零件焊接而成，這些單個零件結(jié)構(gòu)一般比較簡單。設(shè)計(jì)者根據(jù)零件的具體結(jié)構(gòu)畫出反映零件特征的二維草圖，草圖一般由直線、多邊形、圓弧線和圓等構(gòu)成封閉的圖形。將二維截面草圖進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣、倒角，生成三維圖形。最后將這些零件組裝并通過布爾運(yùn)算等操作，形成動臂的三維實(shí)體模型。其它結(jié)構(gòu)件制作方法類同，圖1、圖2和圖3為挖掘機(jī)動臂、平臺和行走架本體的三維實(shí)體造型。

三維造型最好采用參數(shù)化的草圖建模方法，這樣可以方便地實(shí)行零件的修改及變形設(shè)計(jì)，只要發(fā)現(xiàn)某一尺寸和結(jié)構(gòu)不合理，可以容易地修改。而且可以通過尺寸等修改形成其它挖掘機(jī)的建模，無須重新建模，為以后其它挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)建模打下基礎(chǔ)。零件模型不僅包含零件的幾何信息，還包含材料、名稱、精度等物理信息。就可被后續(xù)的質(zhì)量特性計(jì)算、動靜干涉檢查、有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、系統(tǒng)動力學(xué)、圖面繪制及制造等工作所共用。
挖掘機(jī)外觀造型設(shè)計(jì)十分重要，是吸引用戶非常重要的一個方面。駕駛室、配重、柴油箱、液壓油箱和機(jī)罩等都采用曲面流線型設(shè)計(jì)，駕駛室寬敞、視野良好，造型新穎。整個外形設(shè)計(jì)應(yīng)給人一種賞心悅目的感覺。圖4為駕駛室的三維造型。

1.3 挖掘機(jī)配套件的三維造型
挖掘機(jī)的配套件主要有：柴油機(jī)、液壓缸、馬達(dá)、閥組、減速器和回轉(zhuǎn)支承等，都由專業(yè)配套廠制造，一般只提供安裝與連接尺寸圖紙和外輪廓簡圖。準(zhǔn)確的配套件三維造型無法構(gòu)造。一般把配套件作為一個整體，只對連接與安裝位置的精確建模，其他部分只作外輪廓造型。挖掘機(jī)采用的液壓元件外形輪廓比較規(guī)則，三維建模比較簡單。但柴油機(jī)外形復(fù)雜，可以采取簡化外形結(jié)構(gòu)建模，對可能涉及與其它零部件交叉安裝的空間干涉部分進(jìn)行處理。也可以從配套件廠家索取配套件的三維造型，直接用于裝配。
1.4 挖掘機(jī)部件與整機(jī)的三維造型
完成了所有零件的三維實(shí)體造型之后，就可以進(jìn)行部件與整機(jī)的裝配仿真。整個流程先從零件到部件，再從一級部件到總成，再往上直到整機(jī)。即采用自下而上的倒樹狀層次結(jié)構(gòu)法，各級部件通過引用一系列下級零部件模型組裝而成，它不僅描述一個部件與下級零部件之間的裝配從屬關(guān)系，同時也記錄所屬下級零部件之間的裝配定位關(guān)系。
整車裝配盡量與車間實(shí)際裝配過程一致，首先將行走架本體定位，在行走架上安裝四輪一帶、行走減速器和行走馬達(dá)等，形成行走裝置總成。然后再安裝平臺本體，在平臺本體上安裝回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、柴油機(jī)、液壓油箱、柴油箱、司機(jī)室、閥組、和工作裝置等。生成挖掘機(jī)整機(jī)三維造型，如圖5所示。

三維實(shí)體模型通過高級渲染就可以繪出具有真實(shí)感的挖掘機(jī)產(chǎn)品和部件效果圖，可以用于制作挖掘機(jī)產(chǎn)品樣本、對外宣傳推廣產(chǎn)品，避免了過去等樣機(jī)制造出來后才能推廣的弊端，加快了新產(chǎn)品的市場拓寬時間，提高產(chǎn)品的市場競爭能力。

2 干涉檢查和運(yùn)動仿真
在挖掘機(jī)新產(chǎn)品開發(fā)過程中，在投料加工之前利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行裝配仿真，可以發(fā)現(xiàn)零、部件設(shè)計(jì)上的尺寸干涉和結(jié)構(gòu)不合理，及時糾正設(shè)計(jì)中的不足，避免實(shí)際制造中出現(xiàn)問題，造成浪費(fèi)和損失。
挖掘機(jī)設(shè)計(jì)不僅需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸正確無誤，還需要設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)性能好，以保證挖掘機(jī)在運(yùn)動過程中不發(fā)生干涉，使用安全可靠。利用已完成的挖掘機(jī)三維模型，給出液壓缸運(yùn)動的約束條件，并施加作用力，進(jìn)行二維或三維運(yùn)動分析，可以分析機(jī)構(gòu)最小距離、每個挖掘位置的挖掘力、位移、速度、加速度和和功率等參數(shù)。繪制運(yùn)動軌跡包絡(luò)圖，從而分析工作范圍的大小和挖掘性能的好壞。裝配仿真技術(shù)可以從靜態(tài)角度保證設(shè)計(jì)尺寸的正確性，機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真則從運(yùn)動角度保證設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。在設(shè)計(jì)階段把許多原本要在樣機(jī)試驗(yàn)時才能發(fā)現(xiàn)的問題一一加以解決，從而為企業(yè)帶來實(shí)實(shí)在在的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。