張 俊,呂 震,譚孝天
(浙江大學(xué)城市學(xué)院 工程學(xué)院,浙江 杭州 310015)
挖掘機(jī)是開挖土壤的施工機(jī)械,主要用于筑路工程中的塹壕開挖,水利工程中的河道疏浚,露天開采中的礦石挖掘等,具有高產(chǎn)量、高速度、高效能等優(yōu)點(diǎn)[1]。從近幾年工程機(jī)械的發(fā)展來(lái)看,挖掘機(jī)已經(jīng)成為工程建設(shè)中最主要的工程機(jī)械之一[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前工程施工中約60%的土石方量靠挖掘機(jī)完成[3]。
挖掘機(jī)主要由斗桿、鏟斗、動(dòng)臂、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、行走機(jī)構(gòu)等部件組成,其中斗桿是連接動(dòng)臂和鏟斗的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)花費(fèi)大量的人力和財(cái)力[4]。為了在較短的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)以應(yīng)對(duì)迅速變化的市場(chǎng)需求,針對(duì)挖掘機(jī)主要零部件模型的快速參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究已經(jīng)成為科研工作者重要的研究領(lǐng)域。
參數(shù)化設(shè)計(jì)思想從20世紀(jì)70年代開始出現(xiàn),目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外多種商業(yè)建模軟件中得到廣泛的應(yīng)用。參數(shù)化設(shè)計(jì)思想在挖掘機(jī)主要零部件模型設(shè)計(jì)上的研究主要有:Solazzi[5]通過(guò)評(píng)估和測(cè)量挖掘機(jī)機(jī)械臂各個(gè)部件的尺寸,根據(jù)機(jī)械原理建立了挖掘機(jī)的CAD模型;王水林[6]使用NX二次開發(fā)工具對(duì)礦用挖掘機(jī)進(jìn)行了二次開發(fā);文衛(wèi)星[7]采用表達(dá)式的參數(shù)化方法建立了挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)模塊;陳飪塵[8]在NX平臺(tái)上通過(guò)二次開發(fā)工具開發(fā)了挖掘機(jī)工作裝置的參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。本文在挖掘機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用NX的WAVE和PTS模塊功能,構(gòu)建了挖掘機(jī)關(guān)鍵部件斗桿的參數(shù)化可重用設(shè)計(jì)模型。該模型可完成全新的關(guān)聯(lián)尺寸的同步修改變形功能,縮短了挖掘機(jī)斗桿變型設(shè)計(jì)周期,提高了斗桿再設(shè)計(jì)效率。
Siemens NX是一個(gè)交互式CAD/CAE/CAM系統(tǒng),它功能強(qiáng)大,可以輕松實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜參數(shù)化實(shí)體及模型建構(gòu),已被多學(xué)科科研工作者廣泛使用[9]。WAVE(What-if Alternative Value Engineering)是NX中一個(gè)功能強(qiáng)大的模塊,可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配組件間關(guān)聯(lián)建模,Top-down自頂向下的建模方式是WAVE的指導(dǎo)思想,它使得在產(chǎn)品零部件間進(jìn)行自頂向下的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)成為可能[10];PTS (Product Template Studio)是NX中一個(gè)無(wú)代碼實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互設(shè)計(jì)的功能模塊,通過(guò)PTS創(chuàng)建產(chǎn)品模板,可顯著提高設(shè)計(jì)知識(shí)的重用度,使得面向?qū)ο蟮目梢暬瘏?shù)設(shè)計(jì)成為可能。這些功能模塊可以全面改善設(shè)計(jì)過(guò)程的效率,削減成本,并縮短進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間。
斗桿是挖掘機(jī)的重要組成部分,主要由根腳支架、前端支架、中間支架以及各個(gè)連接板所組成,如圖1所示。構(gòu)建的斗桿參數(shù)化模型必須達(dá)到使用簡(jiǎn)單、方便,不會(huì)造成參數(shù)控制混亂的設(shè)計(jì)效果,并實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能:
(1)在NX裝配導(dǎo)航器中通過(guò)“編輯可重用組件”,打開模板瀏覽器后,可修改相關(guān)組件內(nèi)的關(guān)鍵尺寸參數(shù),從而模型可隨之更新;
(2)當(dāng)斗桿頂層模型的尺寸修改后,底層各子部件模型也將隨之更新;
(3)當(dāng)斗桿子部件模型的尺寸修改之后,與之相關(guān)聯(lián)的同級(jí)模型也隨之修改,從而帶動(dòng)斗桿頂層模型的更新;
1.前端支架;2.各連接板;3.根腳支架;4.中間支架。圖1 斗桿組件Fig.1 Stick assembly
1.3.1 參數(shù)化裝配模型構(gòu)建
首先通過(guò)對(duì)比多系列挖掘機(jī)中斗桿零部件的主要參數(shù),選取經(jīng)常變動(dòng)的參數(shù)作為重要控制參數(shù),利用WAVE功能自頂向下的建模方式建立重用部件的參數(shù)化裝配模型。
1.3.2 交互式對(duì)話框構(gòu)建
通過(guò)使用NX/PTS模塊,采用無(wú)代碼對(duì)話框設(shè)計(jì)技術(shù),完成斗桿模型的交互式對(duì)話框構(gòu)建;再在對(duì)話框中配上相關(guān)視圖和主要參數(shù),來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和修改部件模型的功能。
參數(shù)化建模是CAD技術(shù)的核心,參數(shù)化模型是使用PTS制作產(chǎn)品模板的前提,是實(shí)現(xiàn)知識(shí)重用的關(guān)鍵。參數(shù)化建模的關(guān)鍵在于運(yùn)用參數(shù)、公式、鏈接、特征等來(lái)驅(qū)動(dòng)和改變模型。目前絕大多數(shù)的CAD軟件都具有參數(shù)化建模的功能,在Siemens NX系統(tǒng)中,WAVE就是其自頂向下的參數(shù)化裝配建模的功能模塊。
總體控制尺寸主要指影響產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的參數(shù)。在運(yùn)用NX/WAVE功能對(duì)挖掘機(jī)斗桿進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí),首先依托挖掘機(jī)斗桿傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析,再根據(jù)斗桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確立斗桿根腳支架孔為坐標(biāo)原點(diǎn),進(jìn)而得出總體控制尺寸L1(前端支架孔相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)的水平坐標(biāo))、L2(中間支架孔相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)的水平坐標(biāo))、H(中間支架孔相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)的垂直坐標(biāo)),如圖2所示。
圖2 斗桿總體控制尺寸Fig.2 Overall control size of the stick
挖掘機(jī)斗桿組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,為了表現(xiàn)斗桿清晰的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),方便設(shè)計(jì)人員操作和管理,根據(jù)斗桿對(duì)稱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、各零部件間草圖、基準(zhǔn)的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系,定義了斗桿部件和零件間的控制結(jié)構(gòu)關(guān)系,如圖3所示。
圖3 斗桿零部件關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Stick component related structure diagram
挖掘機(jī)斗桿的參數(shù)化建模按照關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)圖,采用Top-down的設(shè)計(jì)方法,運(yùn)用NX/WAVE功能模塊分兩層來(lái)順序構(gòu)建。
(1)首先運(yùn)用NX的建模模塊創(chuàng)建挖掘機(jī)斗桿的三維空模型并命名為“dougan”,將此作為整個(gè)裝配模型的頂層組件;再利用表達(dá)式、基準(zhǔn)及草圖功能在空模型中創(chuàng)建斗桿的3個(gè)總體控制尺寸,如圖4所示。
圖4 總體控制尺寸創(chuàng)建Fig.4 Overall control size creation
(2) 利用WAVE“新建級(jí)別”功能新建斗桿各子部件,分別命名為“genjiaozj”“qianduanzj”“zhongjianzj”“ceb”“dib”“dingb”“hengb”,作為裝配模型的底層組件;再使用WAVE幾何鏈接器將頂層組件的幾何特征關(guān)聯(lián)復(fù)制到新建的各個(gè)底層組件中,再加上新建的草圖共同創(chuàng)建底層幾何特征。
現(xiàn)以根腳支架為例,其參數(shù)化模型的創(chuàng)建如圖5所示。需要注意的是草圖的創(chuàng)建必須符合規(guī)范,并保證全約束,而不能有虛約束和過(guò)約束。全約束的方案設(shè)計(jì)可能有多種,需要根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),選取一種較為合理的全約束方式,以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。另外,底層各個(gè)子部件間也可能需要WAVE相互關(guān)聯(lián),以達(dá)到同步更新的目的。
當(dāng)頂層模型的尺寸修改后,與之關(guān)聯(lián)的各子部件模型也隨之改變;當(dāng)?shù)讓幽P统叽缧薷暮?,與之關(guān)聯(lián)的底層子部件模型亦同步更新,從而實(shí)現(xiàn)裝配級(jí)的參數(shù)化建模。
圖5 底層根腳支架參數(shù)化模型構(gòu)建Fig.5 Parametric model construction of root foot support
在挖掘機(jī)斗桿的實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中,當(dāng)其零件的三維模型創(chuàng)建好之后,還要設(shè)計(jì)制作符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的二維工程圖,并進(jìn)行尺寸及公差標(biāo)注、注釋、顯示樣式、屬性填寫等操作,然后對(duì)創(chuàng)建好的挖掘機(jī)斗桿二維工程圖進(jìn)行另存。
PTS模塊是NX面向用戶、無(wú)需代碼的參數(shù)化對(duì)話框設(shè)計(jì)工具。在NX中建立的表達(dá)式、草圖數(shù)據(jù)等只需通過(guò)簡(jiǎn)單的拖動(dòng)就可傳遞給PTS,最終生成擁有示圖顯示、數(shù)據(jù)輸入等功能的用戶參數(shù)對(duì)話框界面。這個(gè)用戶界面可以直接嵌入NX裝配模型文件中,使用者通過(guò)簡(jiǎn)單的界面操作可實(shí)現(xiàn)修改模型參數(shù)的功能。
斗桿的PTS對(duì)話框設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)步驟:(1)啟動(dòng)PTS,導(dǎo)入斗桿參數(shù)化模型;(2)雙擊模型縮略圖進(jìn)入操作界面,在工作區(qū)域中添加類型塊、組、分割符、位圖等項(xiàng)目;(3)在模型操作界面,采用拖放功能將參數(shù)化建模時(shí)建立的相關(guān)尺寸、表達(dá)式等拖放至對(duì)應(yīng)的組中;(4)添加之前創(chuàng)建好的二維工程圖進(jìn)入PTS,建立模型和二維圖之間的聯(lián)系。
根據(jù)斗桿的PTS對(duì)話框設(shè)計(jì)步驟,得到斗桿頂層總體控制尺寸以及底層根腳支架尺寸設(shè)計(jì)對(duì)話框如圖6所示。
圖6 斗桿總控尺寸與根腳支架尺寸設(shè)計(jì)對(duì)話框Fig.6 Stick overall control size and root bracket size design dialog
啟動(dòng)NX,打開“dougan.prt”文件,在建模環(huán)境下的裝配導(dǎo)航器中選擇頂層組件,鼠標(biāo)右鍵選擇“編輯可重用組件”調(diào)出模板瀏覽器,進(jìn)入?yún)?shù)化建模對(duì)話框;雙擊打開的模板瀏覽器中頂層和底層的各個(gè)組件,修改相應(yīng)的尺寸即可實(shí)現(xiàn)模型及二維工程圖的關(guān)聯(lián)更新。
以斗桿總體控制尺寸L1為例,修改前后模型對(duì)比如圖7所示。
UG/Open是系列UG NX開發(fā)工具的總稱,它為用戶或第三方開發(fā)人員提供了開發(fā)工具。
a L1=4 350 mm
b L1=5 500 mm圖7 L1修改前后的模型對(duì)比圖Fig.7 Model comparison chart before and after L1 modification
基于UG/Open的斗桿的菜單欄設(shè)計(jì)有“打開文件”“編輯可重用組件”“測(cè)量部件重量”“導(dǎo)出X_T文件”等功能,系統(tǒng)使用者利用這些功能模塊可以便捷地完成參數(shù)化模型的創(chuàng)建、修改、稱重和導(dǎo)出工作,為下一步動(dòng)態(tài)強(qiáng)度仿真提供模型支持。
斗桿菜單欄效果如圖8所示。
圖8 斗桿菜單欄效果圖Fig.8 Stick menu bar renderings
為驗(yàn)證斗桿部件是否達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求,采用有限元分析軟件ansys以及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件adams聯(lián)合仿真對(duì)斗桿進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度分析,步驟如下:
(1) 利用NX導(dǎo)出X_T格式的簡(jiǎn)化斗桿模型文件,并導(dǎo)入ansys,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,創(chuàng)建一個(gè)斗桿的.mnf模態(tài)中性文件,并將其導(dǎo)入adams軟件,與工作裝置的鏟斗和動(dòng)臂部件進(jìn)行裝配;
(2) 在斗桿與鏟斗和動(dòng)臂之間添加旋轉(zhuǎn)副約束,斗桿、動(dòng)臂和鏟斗與各自驅(qū)動(dòng)缸鉸接處添加旋轉(zhuǎn)副約束,驅(qū)動(dòng)缸缸體與活塞桿之間添加滑動(dòng)副約束;
(3) 在滑動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)并由相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)控制,在斗桿上添加重力載荷;
運(yùn)行5 s仿真得到在平推工況、挖掘工況以及舉升工況下的應(yīng)力變化情況,對(duì)比分析可得斗桿的最大應(yīng)力時(shí)刻發(fā)生在挖掘工況下。
圖9為斗桿在挖掘工況下最大應(yīng)力時(shí)刻的應(yīng)力云圖以及相應(yīng)的應(yīng)力熱點(diǎn)信息圖。
應(yīng)力熱點(diǎn)應(yīng)力值/(N·mm-2)節(jié)點(diǎn)時(shí)間/s生標(biāo)值/mmX Y Z1162.02334408511654.9-180.5576879.392156.68234409511615.4-10.566870.863155.71934407511692-180.5526895.684141.56634406511725-180.5456919.085139.52534410511579.9-180.5616870.07
圖9斗桿挖掘工況最大應(yīng)力時(shí)刻應(yīng)力云圖及應(yīng)力熱點(diǎn)信息
Fig.9Stressdiagram&hotspotsinformationofthemaximumstressmomentofstick
由圖9可知,斗桿應(yīng)力最大值162.02 MPa出現(xiàn)在斗桿的中間支架與液壓缸的鉸接處,并未超出斗桿材料的應(yīng)力極限300 MPa,符合設(shè)計(jì)要求。
利用NX/WAVE技術(shù),通過(guò)表達(dá)式建立、參數(shù)關(guān)聯(lián)、特征鏈接的方法實(shí)現(xiàn)了挖掘機(jī)斗桿模型的參數(shù)化構(gòu)建;利用無(wú)需代碼的NX/PTS模塊創(chuàng)建了斗桿的交互式對(duì)話框,通過(guò)動(dòng)態(tài)強(qiáng)度仿真驗(yàn)證了利用本模型設(shè)計(jì)的斗桿符合強(qiáng)度要求。
整個(gè)參數(shù)化模型實(shí)現(xiàn)了頂層模型尺寸修改帶動(dòng)關(guān)聯(lián)子部件模型同步修改、底層模型尺寸修改帶動(dòng)關(guān)聯(lián)的底層模型同步修改的功能,交互式對(duì)話框界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)強(qiáng)度仿真符合設(shè)計(jì)要求,挖掘機(jī)關(guān)鍵部件的再設(shè)計(jì)效率大幅提高。
在下一階段,將完成鏟斗和動(dòng)臂的參數(shù)化模型構(gòu)建,以完成整個(gè)工作裝置的參數(shù)化模型開發(fā)。