液压支架四连杆机构的三维建模和运动仿真
摘要:利用UG的建模模块(model)对液压支架四连杆机构进行快速整体建模,然后应用UG
的运动仿真模块(animation)对支架升架、降架的运动过程进行模拟分析,同时利用标记点对顶梁端
点的运动轨迹进行跟踪,来验证端点最大水平变动量是否满足设计要求。
关键词:液压支架;四连杆机构;三维建模;运动仿真
0引言
三维建模彻底改变了传统设计理念,使设计者头脑中产生的三维实体图形可以直接仿真到屏幕上,既形象又直观。使设计人员从想象各种视图的困境中解放出来,对于复杂的模型更可避免传统设计方式难以避免的错误。而在建造物理样机之前,通过建立的三维数字化模型进行运动仿真可以对运动特性及干涉情况进行检验,从而预知设计的机构是否满足要求。本文以ZTA6500型液压支架为例,应用UG软件探索一种三维整体简化、快速建模和运动仿真的方法。
1UG软件简介
Unigraphics(简称UG)是美UGS公司的拳头产品。该软件不仅具有强大的实体模型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能,而且在设计过程中可以进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟,从而提高设计的可靠性。同时可用建立的三维模型直接生成数控代码,用于产品的加工,其后处理程序支持多种类型数控机床。另外它所提供的二次开发语言UG/open GRIP,UG/open API简单易学,实现功能多,便于用户开发专用CAD系统。
2液压支架及其四连杆机构液压支架的主要功能是支撑工作面顶板,阻止顶板冒落的岩石窜入作业空间,以保证工作面内机器和人员的安全生产。由于其工作性质所致,较为关心的是端面距的尺寸,而梁端摆动幅度会对端面距的尺寸造成直接影响。液压支架四连杆机构的设
计是掩护式和支撑掩护式液压支架整体设计的核心和基础,四连杆机构是由顶梁,掩护梁,前、后连杆和底座五大构件组成。四连杆机构的主要作用是保证支架的纵向和横向稳定性,承受和传递外载,并能够实现移架,设计的好坏决定着顶梁端点的运动轨迹。
顶梁端点运动轨迹成双纽线形,其最大的水平偏摆量应小于或等于70 mm,最好为30 mm以下。
3液压支架四连杆机构三维实体建模出于理论研究和快速建模的目的,本文将不采
用实际的液压支架模型,而是采用其简化的整体建模形式,其简化原则如下:
顶梁,前、后连杆,掩护梁和底座分别进行整体建模,而不是由许多小零部件组装成的装配体。实际的液压支架四连杆机构应该是由钢板焊接成的箱
体结构,而本文在创建三维模型时为了快速成型都建成了实体结构。但四连杆机构各杆长度严格按照图纸的尺寸进行三维建模,其中一些对运动仿真没有直接影响的小部件进行了简化处理,例如:肋板,侧护板等。
在UG的建模(modeling)模块中分别建立顶梁,前、后连杆,掩护梁,立柱和底座整体简化模型,在完成三维模型后,进入装配(assembly)模块完成液压支架整体的虚拟装配。以ZTA6500型液压支架为例整体建模如图1所示
4液压支架四连杆机构运动仿真液压支架的主要运动形式表现为升架和降架。
本文在对升、降架进行运动仿真的同时,通过在顶梁端点处设置标志点,对顶梁的运动轨迹进行跟踪,跟踪点的坐标值以电子图表的形式输出。经过处理后,绘制成顶梁端点的运动轨迹图。
运动仿真(Animation)是基于时间的一种运动形式。即在指定的时间段中运动。UG的仿真分析依赖于ADAMS解算器,仿真过程分3个阶段进行:前处理(创建连杆、运动副和定义运动驱动);求解(生成内部数据文件);后处理(分析处理数据,并转化成动画、MPEG电影文件、图表
和报表文件)。
(1)创建连杆、运动副和定义运动驱动进入UG/motion模块,创建新的运动分析方案(newScenario)。在此方案中创建四连杆机构的各构件为连杆(links),其中底座设置为整个系统的机架,即为与地固定连杆。前、后连杆和底座与顶梁的连接处都设置为旋转副(Revolute Joint),4根立柱和液压缸之间的连接设置成滑动副(Slider Joint)。液压支架运动的驱动力是
来自液压缸处的伸缩力,本运动方案中运动驱动设定为加载在立柱上的矢量力(Vector Force)。
(2)设置标记和跟踪选择工具栏上标记图标(makers),在顶梁的端点处设置标记点。然后选择封装选项(packing op-tions)中的跟踪(trace)功能,通过跟踪选项对话框中的分类选择(class selection)设置标记点为跟踪点。
(3)运动仿真
在分析工具条中选择运动仿真图标(Animation)即启动运动仿真过程,在分析选项对话框(AnalysisOptions)中选择机构运动学/机构动力学选项,设时间为5 s,步数为500步,单击OK
启动ADAMS解算器进程,分析完成后,运动仿真对话框自动弹出,此时其中的跟踪(Trace)选项为可选项,可以选择全程方式(full Range)来进行运动仿真,即可以观看升、降架的运动过程。可以把运动仿真的过程制成MPEG电影文件。标记点的跟踪坐标可以直接以电子图表来表示。输出的数值经处理后,绘制成图表如图2所示。由图2可见顶梁端点的运动轨迹的最大水平摆动量在小于70 mm范围内变化。符合液压支架四连杆机构设计要求。
5结语
(1)以ZTA6500型液压支架为例介绍了支架整体建模的原则和方法,为液压支架快速建模提供了一种思路。通过设置标记点,对顶梁的端点运动轨迹进行跟踪。可以在设计阶段检测顶梁端点的最大水平变动量是否在规定的范围内。为液压支架四连杆机构的设计提供参考依据,从而保证设计的合理性。
(2)利用UG/motion模块可以获得精确的仿真结果。在进行产品设计或机构开发设计时,应综合应用UG各个模块的优势,把零件建模、装配和运动仿真有机结合起来,发挥软件最大功能。
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