基于SolidWorks的液壓支架Top-Down三維設計方法的研究

曹銀茍 車艷春 王永強

(1.鄭州四維機電設備制造有限公司 支護設計研究院，河南 鄭州 450000;2.鄭煤集團工程技術研究院，河南 鄭州 450042)

1 前言

近年來，隨著綜采技術的不斷發展，為了實現產品的高產高效，對液壓支架的性能要求越來越高，因此，設計人員需要利用更有效的設計手段，準確、快速地完成產品的設計，以滿足用戶對高性能產品的需求。

Top-Down(自頂向下)設計是針對傳統的Bottom-up(自下而上)的設計而言的。所謂Bottom-up 設計，設計順序是零件→組件→部件，然后用零件、組件和部件總裝產品，配合零部件是獨立設計，相互配合關系較簡單，只需要打開相關聯的零件進行配合和修改;而Top-Down 設計順序是產品→部件→組件→零件，即在裝配體中完成零部件的設計與配合。由于在裝配體上直接設計出零部件，這樣就從根本上避免了干涉現象的產生，同時當裝配體設計完畢，零部件也就自動生成，自然就減少了工作量，提高了工作效率。特別是在精度要求很高，裝配關系復雜的零件這種設計方法的優點是不言而喻的。

2 液壓支架Top-Down三維設計

總體設計工程師接到液壓支架設計項目時一般會沿著圖1的設計流程，根據前期簽訂的《三機配套圖》、《液壓支架技術協議》及《三機配套協議》，在三維軟件環境下進行支架總方案的輪廓造型，初步制定出符合技術協議要求的架型，而不必考慮各部件內部的具體細節，并將各部件分發給不同的工程師進行協同設計。

兩柱掩護式液壓支架主要由頂梁、掩護梁、底座、立柱、前后連桿、伸縮梁、護幫、推桿、頂架、腳踏板及各類千斤頂等部件組成。各部件設計工程師會針對部件結構復雜程度和設計要求書中的要求等特點，科學合理地采用Top-Down 設計中的關聯法設計、布局法設計及主零件法設計中的一種進行快速、高效的建模。

圖1 設計流程

2.1 關聯法設計

關聯法設計指在裝配環境中，利用已有的相關零件的輪廓投影，建立投影線，并在此基礎上創建本零件的草圖，進而創建其結構特征。該方法適用于設計結構比較簡單，設計構思已經比較清楚，零件間單向傳導的部件。如液壓支架中的護幫、前后連桿、小四連桿等部件，以護幫設計為例，如下圖2。先按尺寸和設計要求選擇一標準基準面建立頂板的模型，接下來以頂板上面為基準面，設計附著在上面的零部件，最后將蓋板附著在相鄰的零件上設計，即可將護幫部件設計完成。

該設計法簡單、易學易用是Top-Down 設計的基礎，對于結構比較簡單，設計構思清楚的部件，設計效率很高，但由于零部件間的關系是單向傳導，對于不是該部件設計的工程師或者產品間隔時間久而言，不易理解建模過程，修改困難，所以適用簡單位置和形狀關聯的部件。

圖2 護幫設計過程

2.2 布局法設計

布局法設計指在裝配環境中，利用已有的標準基準面在部件中繪制出重要零件的輪廓草圖，并在此草圖基礎上創建各零件結構特征的設計方法。該方法適用于設計結構較復雜或設計構思需探討的復雜零部件。如液壓支架的三大件頂梁、掩護梁、底座等部件，以頂梁設計為例，如下圖3，先將頂梁以內外主筋為界限分為中檔、外檔及邊檔，然后繪制出各檔內重要零件的輪廓草圖一般也會在與之垂直的基準面繪制頂梁的簡要寬度控制草圖，當然如果該檔內零件很少并且很簡單草圖可以省約，最后創建各零部件的結構特征，即可將頂梁設計完成(圖4)。

該設計法靈活自由，可以用草圖、基準、實體、曲面等多種方式布局，容易將裝配布局傳導至指定零部件，對于結構復雜或者設計思路需邊設計邊探討的部件，設計效率較高，但此類設計法如果沒有一個共同的草圖建立準則，將會導致各設計工程師繪制草圖太隨意，不可控，無法傳導變量，總之此運用此法對各設計人員、硬件、網絡、文檔管理要求較高。

2.3 主零件法設計

主零件法設計指在裝配環境中，將復雜形狀或位置的零部件分解成形狀或位置簡單的各單元，進行詳細設計后匯總的方法。例如立柱、千斤頂作為單個部件需要實現伸縮運動，即組成它們的零件之間有相對運動關系及大傾角液壓支架中腳踏板等，此類部件形狀、位置較復雜，在此例舉普通液壓支架的腳踏板運用此方法建模的過程，如下圖5，將腳踏板內的各實體在零件中分解成零件內的特征進行設計，再按實體保存，設計完成后匯總在一起組成部件。

該設計方法對于零部件間具有復雜形狀或位置參考的部件設計，經過再次協同設計，關聯傳導層次清晰，設計效率很高。

圖5 腳踏板分解

針對上述設計方法，設計工程師需要結合產品的復雜程度、設計思路及設計方法的熟練程度等，選擇一種能高效、快速的設計方法將支架的各部件設計出來。總體設計工程師將已經設計好的零部件匯總并虛擬裝配好，形成整體液壓支架(圖6)。

圖6 整機

3 液壓支架三維設計技巧

3.1 充分利用軟件的智能功能及命令

對已生成的特征中需利用的圖線可通過實體轉換命令直接獲得，這樣既準確又快捷;液壓支架各部件中含有較多的對稱結構，可先畫出對稱部分的一半，然后，用鏡像工具生成另一半，再補充其他非對稱的元素即可;對于各部件中大量存在的筋板，應盡量使用筋命令等，充分利用軟件智能草繪功能及草圖修改命令，高效準確地完成草圖的繪制。

3.2 合理選擇特征的生成方法

由于實體模型可以有多種不同的生成方法，采取何種方法更為合理、高效，需要有一個實踐的過程。一般來說，旋轉、掃描比拉伸生成的模型高效;排列、鏡向比逐個生成快捷。就象制作圓柱模型，可以通過拉伸生成，也可以通過旋轉獲得。但旋轉生成模型的速度會更快，生成的文件的體積也較小。對于復雜的零件，選擇合理的生成方法就顯得尤為重要。因為選擇不正確的生成方法不但效率低。

3.3 草圖盡量簡單

對部件布局草圖時最好不要繪制過渡圓角、倒角等非關鍵性信息。這是因為三維繪圖軟件的草圖繪制功能大多較弱，如果要象繪制二維工程視圖那樣繪制草圖，效率會很低，另外如果草圖過于精細，生成模型時會耗盡計算機資源，使得三維模型生成速度很慢或者導致計算機工作量大而死機。這是由于實體模型是通過布爾運算生成的，草圖過于復雜會導致運算工作量較大，耗費機時較多，實體模型的生成速度自然也就很慢。

熟練掌握建模技巧，對于零件的精確高效建模以及接下來的部件、整機的虛擬裝配、運動學分析意義重大。

4 結束語

利用SolidWorks 軟件較強的三維造型功能實現了對液壓支架的三維參數化造型、虛擬裝配和運動仿真，為支架的有限元分析提供三維模型。隨著CAD/CAE/CAM 技術的不斷發展，以三維建模軟件為平臺，結合有限元分析軟件和運動仿真軟件的應用系統已經越來越多地應用于液壓支架的設計使支架設計水平越來越完善。這種方法可極大地提高產品的設計效率和質量，縮短開發周期，為企業創造可觀的經濟效益和社會效益。

[1]王國法，史元偉，陳忠恕，等.液壓支架技術[M].北京:煤炭工業出版社，1999.

[2]徐亞軍，王國法，杜忠孝，等.液壓支架三維建模軟件設計平臺選型分析『J].煤礦開采，2002(4):1—4.

[3]立雅科技.SolidWorks 2007 中文版自學手冊.北京:人民郵電出版社，2007.7

[4]實威科技.SolidWorks 2006 原廠教育訓練手冊.北京:中國鐵道出版社，2006.7