基于Pro／E的液压支架三维实体建模与运动仿真.pdf

基于ProΠE的液压支架三维实体建模与运动仿真 马希青1,教光印2,李秋生1,马 1 1. 河北工程大学,河北 邯郸056038; 2.邯郸矿业集团通方机械制造有限公司,河北 邯郸056038 摘要 ProΠE软件是目前国内外最为先进的基于特征的三维参数化设计系统之一。较系统 地介绍了利用ProΠE软件实现放顶煤液压支架三维实体造型与运动仿真的基本方法和技巧。 关键词 ProΠE;液压支架;三维建模;仿真 中图分类号 TD25 ; TP31 文献标志码 A 文章编号10032079420070120073203 3D Parameter Solid Modeling and Simulation of Hydraulic Support with ProΠE MA Xi - qing1,JIAO Guang - yin2,LI Qiu- sheng1,MA Yue - jun1 1. Hebei University of Engineering ,Handan 056038 ,China ; 2. Handan Mining Industry Group ,T ongfang Machinery Manufacturing Co. ,Ltd. ,Handan 056038 ,China AbstractProΠE is at present one of the most advanced 3D parameter CAD soft wares that based on the fea2 tures. It is introduced in a systematic way the and technique for the 3D parameter solid model and sim2 ulation of hydraulic support with ProΠE. Key wordsProΠE;hydraulic support ;modeling;simulation 0 引言 作为采煤工作面三大配套设备之一的液压支 架,能够实现支撑、 切顶、 移架和推溜等一整套工序, 因其自动化程度较高,可极大地降低井下工人的劳 动强度、 提高采煤效率,故在煤矿开采中被广泛应 用。为了适应市场需求,要求液压支架的结构、 性能 等不断提高,规格型式日趋多样,而研发周期却在不 断缩短。因此,采用先进的技术方法和手段进行液 压支架的设计是一种必然选择。 ProΠE软件是目前国内外最为先进的基于特征 的三维参数化设计系统之一,易学易用、 功能强大。 利用ProΠE软件实现放顶煤液压支架的三维参数化 造型与运动仿真,简捷方便、 形象直观、 效果逼真。 1 液压支架三维实体建模 对液压支架整机的三维实体建模一般采用自下 向上的方法,即先依据各部件的结构形状和尺寸建 立各部件的三维模型,然后再按照它们彼此之间的 装配和约束关系逐个进行组装,最后形成一台完整 的机器。很显然,对液压支架各部件的精确建模和 正确定义各部件之间的装配关系,是完成液压支架 整机建模的关键。 1. 1 液压支架各部件的三维建模 ZF24Π17Π2000B放顶煤液压支架由顶梁、 护帮 板、 尾梁、 插板、 底座以及立柱、 护帮板油缸、 尾梁油 缸、 插板油缸和侧推油缸等部件组成。为了研究问 题方便,特将这些部件分为2类一类为组焊件,由 于这类部件完全由钢板或圆管焊接而成,各部分之 间无相对位置变动,所以可在ProΠE软件的零件模 5 结语 1本文在ProΠENGINEER环境下,进行装载机 工作装置三维实体建模、 虚拟装配,为运动仿真和应 力分析打下了基础。2应用ProΠENGINEER软件进 行了动态仿真,解决了装载机工作装置传统设计中 无法直观观察工作装置空间运动状况的难题。3 应用ProΠENGINEER软件进行了应力分析,可以直观 地从应力云图中得到最大应力,可判断动臂的强度 是否安全可靠。本文对其他类型工作装置的改进设 计和创新设计有一定的借鉴作用。 参考文献 [1]李富柱.矿用防爆装载机工作装置虚拟样机研究[D].2005. [2]刘小平,郑建荣,等.虚拟样机及其相关研究和实践[J ].机械科学 与技术,200311 235 - 238. [3]祝凌云,李斌. ProΠENGINEER运动仿真和有限元分析[M].北京 人民邮电出版社,2004. [4]方建军,刘仕良.机械动态仿真与工程分析[M].北京化学工业 出版社,2004. [5]杨占敏,王智明.轮式装载机[M].北京化学工业出版社,2005. 作者简介郭雪娥1965 - ,女,湖南沅江人,1987年毕业于湖 南农业大学工学院,现为湖南工学院机械工程系副教授,中南大学在 读硕士,主要研究方向机械优化设计、 机械CAD ,已发表论文16篇, 电子信箱zlp8718 . 收稿日期2006209214 37 第28卷第1期 2007年 1月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol128No11 Jan. 2007 块中以零件的形式创建部件。另一类为组装件,这 类部件需要先制作出组成它的各个零件,然后再按 照装配关系定义其约束或联接关系进行组装。由于 这种情况与整机的建模过程相同,所以这里主要介 绍前一种情况的建模思路和方法。 在对液压支架某部件的结构形状进行正确分析 的基础上,将复杂的部件分解为若干个简单构件,如 肋板、 弯板或圆管等,并分析它们的形状、 位置及相 互关系。在不影响实质问题的情况下,为了简化建 模,均舍去了部件中的焊缝、 螺纹、 管线等细部结构, 以提高系统的处理速度。 根据构件的形状和尺寸,在ProΠE软件的零件 模块中利用拉伸、 旋转、 扫描等特征创建方式建立各 个构件。在建模过程中,一定要充分利用各构件之 间的位置关系和连接关系,选择合适的草绘平面、 参 照平面及特征的生成方式,即通过合理地设定各构 件间的父子关系,以尽量减少部件上的定位尺寸,方 便特征的修改和重定义,提高设计效率。 在ProΠE的零件模块中规定,任何一个零件都 是由特征构成的。第1个创建的特征称为基础特 征,基础特征一般形体比较大,且是部件中较为主要 的构件。在液压支架各部件的建模中,分别选择了 底座的底板和护帮板、 顶梁、 尾梁的顶板作为基础特 征。基础特征的创建基本决定了其他特征的创建方 式和顺序,接下来还要逐一创建其他特征。这里需 要说明的是,对于各部件中大量存在的肋板,应尽量 使用ProΠE的 “肋” 命令而一般不采用其他创建方 式;对于若干形状相同的构件,可先制作出一个,然 后利用特征操作中的 “阵列” 或 “复制” 命令快速产生 出其余的构件;对于各部件中对称的部分,可按照上 述方法先制作一半,然后利用 “镜像” 命令生成另一 半。实践表明,在使用上述命令时,恰当地选择命令 中的 “属性” 选项,在后续的修改模型过程中将显示 出事半功倍的效果。例如,当一个特征被改变时,由 它阵列或复制的特征也会相应地改变。最后,将完 成的部件进行着色渲染即可。 图1、 图2、 图3分别是利用ProΠE设计的ZF24Π 17Π2000B放顶煤液压支架底座、 顶梁、 尾梁的三维实 体模型。 1. 2 液压支架的整机虚拟装配 创建好液压支架的所有部件之后,可开始进行 装配。装配前,应正确分析各个部件在整机中的位 置、 作用,以及相关部件之间的装配关系、 运动关系, 以保证装配后的整机定位可靠、 运动灵活、 互不发生 干涉。 图1 底座 图2 顶梁 图3 尾梁 装配是在ProΠE的组件模块中完成的。由于各 部件之间的装配关系不同,ProΠE提供了不同的装配 形式。如果装配件与被装配件之间没有相对运动, 装配时应使用 “放置” 选项板定义彼此之间的约束关 系;否则,在装配时应使用 “连接” 选项板来定义它们 之间的连接关系和约束关系。在装配过程中,如果 按照设定的约束关系并没有使被装配件处于 “正常 的工作位置”,可使用 “拖动” 选项板上的 “平移” 、“旋 转” 等工具对被装配件进行调整,直至符合要求为 止。 在ProΠE中,组件模块提供了 “匹配” 、“对齐” 、 “插入” 和 “坐标系” 等多种约束类型和 “刚性联接” 、 “销联接” 、“滑动联接” 、“平面联接” 、“球联接” 等多 种连接形式。在具体操作中,正确地选择并使用这 些约束类型和连接形式,对能否成功地实现液压支 架的虚拟装配与运动仿真至关重要。为此,4个立 柱和各个油缸两端的销孔与其相关部件上耳座之间 一律采用 “销联接”,活塞杆与缸体之间、 插板与尾梁 之间、 推杆与底座之间一律采用 “滑动联接”,而护帮 板与顶梁、 顶梁与尾梁之间,还有位于尾梁与底座之 间的摆杆等,也一律采用 “销联接” 。一般情况下,采 用的联接形式不同,接下来所需定义的约束类型也 47 Vol128No11 基于ProΠE的液压支架三维实体建模与运动仿真 马希青,等 第28卷第1期 The Standard is downloaded from Standard Sharing 不同。只有当被装配件处于完全约束时,被装配件 才可能具有确定的运动,“联接” 才会有效。 完成支架所有部件的装配后,进行干涉检查,确 认无误后,保存文件。完成装配的ZF24Π17Π2000B放 顶煤液压支架三维实体模型如图4所示。 图4 液压支架三维实体模型 2 液压支架的三维实体运动仿真 液压支架的运动仿真是在成功建立了其装配模 型的基础上,通过定义静止部件、 运动部件,并在各 起始运动件上定义驱动电机、 选择连接轴和运动方 向、 设定运动初始条件或参数等一系列操作来实现 的。 由于ZF24Π17Π2000B放顶煤液压支架各运动部 件均以立柱或油缸为驱动件,活塞杆在油缸中只作 直线往复运动,所以,在建立液压支架的仿真模型 时,以底座为静止部件,其他部件均为活动件。将驱 动电机放在活塞杆上,以活塞杆轴线作为联接轴,然 后根据各个活塞杆的行程和运动时间,在 “轮廓” 面 板的 “规范” 栏中选择 “速度” 或 “位置” 。如果选择 “速度” 来规范活塞杆的运动,在 “模” 栏中应使用 “常 数” 选项;如果选择 “位置”,则在 “模” 栏中应使用 “斜 坡” 选项以定义合适的运动参数。最后,利用 “运动 分析” 命令定义运动仿真的起始时间和长度等,即可 播放完成的动画效果。 利用按钮还可方便地建立对运动构件上某一点 的运动状态分析。例如,当护帮板油缸以某一给定 速度伸出时,护帮板最左侧边缘的位移曲线如图5 所示,护帮板最左侧边缘的速度曲线如图6所示。 3 结语 利用先进的ProΠE软件不仅实现了ZF24Π17Π 2000B放顶煤液压支架的三维参数化造型、 虚拟装 配和运动仿真,而且还借助其运动仿真对相关运动 图5 护帮板最左侧边缘的位移曲线 图6 护帮板最左侧边缘的速度曲线 构件的运动状态进行了分析,其操作方法简单快捷、 产品形式形象直观、 分析结果准确可靠。实践证明, 将这一技术和方法应用于各种产品设计中,可极大 地提高产品的设计效率和质量,缩短开发周期,从而 为企业带来可观的经济效益和社会效益。 参考文献 [1]杨振复,罗恩波.放顶煤开采技术与放顶煤液压支架[M].北京 煤炭工业出版社,1995. [2]和青芳,徐征. ProΠENGINEER Wildfire产品设计与机构动力学分 析[M].北京机械工业出版社,2005. [3]韩玉龙. ProΠENGINEER Wildfire组件设计与运动仿真专业教程 [ K].北京清华大学出版社,2004. 作者简介马希青1963 - ,河北故城人,硕士,教授,毕业于大 连理工大学机械设计与制作专业,长期从事计算机绘图与CAD的教 学与研究工作。已发表学术论文30余篇,出版高校教材3部,电话 0310 - 7429390 ,电子信箱jixiecad . 收稿日期2006209226 矿井涌水量自动监测系统研制成功 中国矿业大学信电学院成功开发了一套先进完备的矿井涌水量自动监测系统,经过在兖州矿业集团公司南屯煤矿的使用后, 已经通过专家的技术鉴定,认为整个系统技术先进、 设计合理,其中KG C2型自动监测装置达到国内领先、 国际先进水平。 该系统主控机部分采用基于Windows98操作系统的PC机,利用VB6.0高级语言开发的矿井涌水量自动监测系统软件,实 现对各个实时监控终端机的数据收集和处理,从而完成对整个矿井涌水量的连续监测;终端机采用89C51单片机开发的KGC3 型自动监测装置,主要是实现对现场水位和沉泥位的自动监测,可根据现场的实际情况选择多种标准模拟量输出,或者通过 其串口进行串行通信,另外还可以实现单机独立测量及输出显示。由于井下条件复杂,干扰严重,当数据传输距离超过1 km 时,可以采用Modem将数字信号调制成模拟信号,通过电话网传输到接收端,再利用Modem将模拟信号调制成数字信号,实现 数字信号的远距离传输。李剑峰 供稿 57 第28卷第1期 基于ProΠE的液压支架三维实体建模与运动仿真 马希青,等 Vol128No11