资源描述：
收稿日期 ２ ０ １ ４ ０ ８ ０ ８ 作者简介 许 秀（ １ ９ ８ ５－ ） ， 男， 山西长治人， 助理工程师， 从事煤矿机械设计工作。 ｄ ｏ ｉ １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ５－ ２ ７ ９ ８ ． ２ ０ １ ４ ． １ １ ． ０ １ ４ 运用 Ｃ Ａ Ｘ Ａ软件对液压支架的实体建模及运动仿真 许 秀 （ 潞安机械有限责任公司， 山西 长治 ０ ４ ６ ２ ０ ４ ） 摘 要 利用 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体软件对 Ｚ Ｚ ４ ８ ０ ０ ／ １ ７ ／ ３ ５型支撑掩护式液压支架进行建模及仿真。重点介绍 Ｃ Ａ Ｘ Ａ 实体软件特有的布尔运算功能及液压支架整机的装配方法， 缩短研发周期， 不断满足井下工作面安全生产 的需要。 关键词 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体设计； 液压支架； 建模； 仿真 中图分类号 Ｔ Ｄ ３ ５ ５ ． ４ 文献标识码 Ｂ 文章编号 １ ０ ０ ５ ２ ７ ９ ８ （ ２ ０ １ ４ ） １ １ ０ ０ ４ ０ ０ ３ Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体设计软件作为一款国产中低端三维 软件， 内嵌强大的零件库， 方便了用户的使用； 能够 实现零件设计与装配设计在同一窗口内完成［ １ ］； 也 包含 ２ Ｄ到 ３ Ｄ的互相转换接口以及动画仿真等功 能， 同时能够和有限元分析软件 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ、 三维建模 软件 Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ以及 Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ 等软件实现兼容， 满足 液压支架的三维实体设计工作要求。 利用 Ｃ Ａ Ｘ Ａ的三维建模可以模拟支架的生产 制造全过程， 及时检验部件结构设计合理性， 部件拼 装过程中的零件干涉问题， 支架组装过程的问题都 能够提前发现并解决， 并可借助于相关软件对产品 进行有限元分析、 动态仿真分析、 实现优化设计从而 对设计方案进行准确评估。这样在支架生产中就可 以减少制作样机时间， 直接批量生产， 缩短制造周 期。 文章应用 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体设计对 Ｚ Ｚ ４ ８ ０ ０ ／ １ ７ ／ ３ ５型 支撑掩护式液压支架进行建模及仿真的详细说明。 根据其内部是否有相对运动， 在建模时候承载结构 件， 如前梁、 顶梁、 掩护梁、 底座等组焊件作为一个整 体进行建模； 液压油缸， 如前后立柱、 推移千斤顶等 组装件要分为缸体部分、 活塞杆部分进行建模［ ２ ］。 １ 液压支架零部件的建模 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体软件对液压支架的建模方法， 按照 车间生产工序， 从零件建模到部件拼装， 再到整架的 组装。实现了液压支架制造周期的完全模拟。对液 压支架建模的关键是依照二维草图对各零件的精确 建模和正确定义各零件之间的装配关系。 １ ． １ 利用标准件库的建模 液压支架结构件的零件中， 标准板零件所占比 重很大， Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体设计提供了快捷的拖放式设计 元素库。能够通过鼠标拖放的形式直接从库中多次 调用标准板件到设计环境中。也可以将设计完成的 零件装配特征通过鼠标拖放的形式装入新建的目录 库中， 形成标准化、 系列化的零件库， 方便下次调用。 这是 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体设计的一种独特、 创新式的知识重 用理念。大大提高了液压支架设计效率。 １ ． ２ 利用二维草图的建模 对非标准板件， 通过实体的草图功能建立二维 轮廓截面， 经过拉伸、 旋转、 扫描和放样等三维工具 生成三维模型。为了加强特征的细部外形设计， 还 可以对三维实体特征进行编辑与修改。Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体 设计提供了与 Ｃ Ａ Ｘ Ａ二维电子图板的直接对接。 支持将． ｅ ｘ ｂ格式的图形通过实体数据接口导入 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体设计的草图平面， 避免了二维草图的重 复作图。也可以在 Ｃ Ａ Ｘ Ａ二维电子图板中直接打 开实体图形进行工程图的生成。方便地实现二维草 图和三维实体的互相转换。 １ ． ３ 利用布尔运算的建模 布尔运算为三维实体建模的基础， 任何复杂的 建模方法都遵守布尔运算规则。在 Ｚ Ｚ ４ ８ ０ ０ ／ １ ７ ／ ３ ５ 液压支架中， 顶梁、 底座柱窝、 千斤顶缸底和连接头 的形状比较复杂， 不是单独依靠拉伸、 旋转和扫描， 就能够一次建模成功， 需要多次叠加建模才能完成， 造成建模时基准平面不好确定。发生错误时不好修 改。这时应用 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体设计中特有的布尔运算 功能， 将多个独立的零件组合成一个新的零件（ 布 尔合运算） 或者从一个零件中减去另一个零件成为 新的零件（ 布尔减运算） 。使得上面问题得到了较 好的解决。 如图 １所示顶梁柱窝， 通过分析柱窝的构成特 点将其分解为如下六个特征， 利用“ 布尔合运算” 对 ０４ 实用技术 总第 １ ８ ３期 特征一、 二、 三进行合并， 之后调用“ 孔类长方体” 除 去多余的球体， 得到特征七， 再对特征四、 七进行 “ 布尔合运算” ， 对合成的零件与特征五、 六进行“ 布 尔减运算” 即得到了柱窝的三维模型， 如图 ２所示。 图 １ 顶梁柱窝二维草图 图 ２ 柱窝三维模型 ２ 液压支架的装配 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体设计通过三维球对液压支架的部件 及整机进行装配， 在装配过程中以及后期需要对装 配体进行修改时， 可以非常灵活地对已经装配好的 部件进行调整， 同时原有的约束关系仍然保留。这 种灵活性对大型部件的装配特别重要， 将最为有效 地减少工作量并提高设计效率。 ２ ． １ 部件装配 在液压支架部件的装配中， 模拟生产次序利用 三维球进行定位， 对各个零件进行一次、 二次拼装， 不添加尺寸约束。首先装配好部件的主筋， 再将顶 板（ 或底板） 与主筋拼装， 其他的零件按图纸标注的 位置关系进行装配。这样就完成了部件的建模。以 上所有操作均可在 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体同一操作界面下完 成， 方便快捷。 液压支架的前梁、 顶梁、 底座和掩护梁等部件为 左右对称结构， 装配时， 只需要拼装好一半， 对另一 半进行镜像操作即可。液压支架立柱、 千斤顶的活 塞杆部分和缸体先各自装配成一个部件， 然后调入 到总装图当中。如果先装配成部件， 系统将立柱或 千斤顶视为一个整体， 不利于仿真动画的制作。 部件装配完成后， 要进行干涉检查， 及时修改干 涉的零件， 消除内部干涉。否则当液压支架整机组 装后再检查干涉， 不仅工作量大， 处理也比较复杂。 在 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体设计系统中， 只将需要进行干涉分析 的部件全部选定， 利用干涉检查工具就可得到干涉 结果。根据干涉结果修改存在干涉的零件， 有效地 保证了支架运动仿真的准确性。完成装配的部件模 型如图 ３所示。 图 ３ 完成装配的部件模型 ２ ． ２ 整机装配 在液压支架各个部件组装完成并干涉检查处理 后， 即可进行整机的装配。装配前，正确分析各个 部件在整机中的作用，明白各部件的装配次序及运 动关系， 以保证装配后的液压支架定位可靠、 运动灵 活。 以支架 ３５ ０ ０ｍ ｍ高度为例， 进行整架装配 １ ） 首先导入底座， 并固定在父节点， 保证支 架的运动都以底座为基础， 其次导入顶梁、 掩护梁、 １４ ２ ０ １ ４年 １ １月 许 秀 运用 Ｃ Ａ Ｘ Ａ软件对液压支架的实体建模及运动仿真 第 ２ ３卷第 １ １期 前连杆和后连杆等四连杆机构部件。 ２ ） 选中顶梁部件， 添加尺寸标注从顶梁到底 座下表面距离设置为 ３５ ０ ０ｍ ｍ ， 其次添加顶梁上表 面和底座下表面平行约束， 同时锁定其侧向的间隙 ５ｍ ｍ ， 保证中心线对齐。 ３ ） 掩护梁装配， 给定其与顶梁的铰接孔同心 约束， 并确定其侧向间隙 ５ｍ ｍ ； 前连杆、 后连杆的装 配， 分别给定其与底座铰接孔同心约束， 并确定侧向 间隙 ５ｍ ｍ 。 ４ ） 进入机构运动仿真模式， 添加前连杆与掩 护梁的铰接孔同心约束， 后连杆与掩护梁的铰接孔 同心约束， 系统会自动调整四连杆机构位置， 完成四 连杆的装配。 ５ ） 支架立柱的装配， 分别将立柱缸体、 一级 活柱、 加长杆导入， 添加同轴约束， 利用三维球调整 立柱行程， 之后将立柱缸底、 加长杆球头分别与底座 柱窝、 顶梁柱窝添加同心约束（ 柱窝建模时进行简 化， 柱窝与立柱的球头半径相同） 。完成立柱装配。 ６ ） 支架挑梁、 前梁的装配， 在导入后给定铰 接孔的同心约束， 并确定其侧向间隙 ５ｍ ｍ ； 挑梁千 斤顶、 前梁千斤顶需要在仿真模式下进行装配。 ７ ） 最后， 根据其他部件的相互位置关系， 利 用约束装配工具， 将支架组装完整。装配完整的液 压支架模型如图 ４所示。 图 ４ 液压支架整体模型 ３ 液压支架的运动仿真 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体设计中， 有两种添加运动方式， 第一 种为其特有的拖放方式， 从设计元素中直接添加动 画； 第二种为智能动画向导创建自定义动画。通过 给元素添加约束， 主动件添加运动， 进行运动仿真。 在添加运动时， 定位锚为实体的运动中心与参照物， 动画设计中的移动与旋转动画的定义都是以定位锚 为基准的。 液压支架在工作过程中， 必须具备升架、 降架、 推溜、 移架 ４个基本动作［ ２ ］。在 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体软件 中， 建立 Ｚ Ｚ ４ ８ ０ ０ ／ １ ７ ／ ３ ５型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。立柱和 千斤顶为驱动件，通过活柱或活塞杆在油缸中作直 线往复运动， 带动液压支架结构件的运动， 实现液压 支架的支护功能。所以当液压支架模型建立完成， 通过第二种智能动画向导定义活柱或活塞杆的运动 方向和行程等操作， 即可实现液压支架的运动仿真。 在 Ｃ Ａ Ｘ Ａ特有的智能动画编辑器中， 可以调整动画 的时间长度和多个动画的播放次序。最后在系统仿 真模式下输出支架的仿真动画。 ４ 结 语 运用 Ｃ Ａ Ｘ Ａ实体软件对 Ｚ Ｚ ４ ８ ０ ０ ／ １ ７ ／ ３ ５液压支 架进行建模和运动仿真， 不仅使液压支架的外形形 象直观， 也可对液压支架的整机进行干涉检查、 运动 状态进行分析； 同时可以借助 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ １ ０有限元分析 软件对液压支架进行强度的分析， 结果准确可靠。 可极大地提高产品的设计质量，缩短开发周期， 适 应市场的需求。 参考文献 ［ １ ］ 徐亚军， 王国法， 杜忠孝， 等． 液压支架三维建模软件 设计平台选型分析［ Ｊ ］ ． 煤矿开采， ２ ０ ０ ２ （ ４ ） １－ ４ ． ［ ２ ］ 王国法． 液压支架技术［ Ｍ］ ． 北京 煤炭工业出版社， １ ９ ９ ９ ． ［ ３ ］ 王国法， 徐亚军， 孙守山． 液压支架三维建模及其运动 仿真［ Ｊ ］ ． 煤炭科学技术， ２ ０ ０ ３ （ １ ） ４ ２－ ４ ５ ． ［ 责任编辑 常丽芳 櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪 櫪櫪櫪櫪櫪 櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪櫪 櫪櫪櫪櫪櫪 毨 毨 毨 毨 ］ 欢迎订阅 ２ ０ １ ５年 煤 杂志 ２４ ２ ０ １ ４年 １ １月 许 秀 运用 Ｃ Ａ Ｘ Ａ软件对液压支架的实体建模及运动仿真 第 ２ ３卷第 １ １期
展开阅读全文
