刘晓超
摘 要：文章运用Pro/E软件对装载机进行了三维建模设计，对其进行虚拟装配和仿真运动，完成了装载机的虚拟设计制造。通过虚拟设计制造，缩短了产品的设计开发制造周期，提高了装载机的设计制造效率、节约了开发成本。
關键词：装载机；Pro/E虚拟设计；制造研究
引言
进入新世纪，科技发展突飞猛进。人们对个性化产品的需求越来越迫切，对产品性能的要求也越来越高。传统的机械设计在产品的创新开发中，存在开发设计周期长、制造成本高、产品的品质等方面已越来越不能满足人们需求，虚拟设计制造技术正是在这一背景的驱动下产生的。
装载机主要用来铲、装、卸、运土和石料一类散状物料，也可以对岩石、硬土进行轻度铲掘作业。运用Pro/E软件，设计人员可以在制造真实装载机之前建立整个机构的虚拟样机，然后模拟装载机的运动过程，就可以在装载机的设计开发过程中发现设计存在的不足、缺陷，从而实现设计的优化。
1 虚拟设计及装配流程
装载机的虚拟设计主要是用大型参数化建模软件Pro/E对机械结构进行三维实体建模，然后进行装配并各种模拟动作。为能够方便的解决在装载机产品的设计阶段中各个机械构件在运动过程中的机械运动协调关系及运动范围的设计、可能的部件运动干涉检查等问题找到切实可行的解决问题的方法。装载机虚拟样机的设计步骤、装配流程如图1 所示。
2 装载机的三维建模
2.1 动臂的建模
动臂建模设计主要采用拉伸命令，首先进入草绘平面，绘出动臂二维图形，然后给出尺寸值进行拉伸生成动臂三维实体图，再在动臂上进行其上打孔，要注意保证尺寸的准确性。对另一个动臂采用镜像的方法得到。如图2 所示。
2.2 铲斗的建模
铲斗实体采用拉伸命令建立基本体，再用抽壳命令形成基本的壳体。在基本体上添加加厚板以及铲齿特征。添加铲耳特征时还需要建立铲耳特征的二维平面图形特征，后采用工具中的镜像复制命令完成铲斗肋板设计。如图3所示。
2.3 底座的建模
先建立底盘二维平面框架，然后采用拉伸命令，再采用拉伸裁剪命令生成底座结构，最后在框架上生成其他特征。底座的形成主要采用了拉伸、裁减及复制等命令，如图示4所示。
2.4 连杆的建模
连杆的制作相对简单，其实体采用了拉伸命令，形成连杆前主要是保证二维平面图形的尺寸准确，如两孔之间中心距，如图5所示。
2.5 摇臂的建模
摇臂的建模也采用绘制二维图、拉伸命令，先建立摇臂基本体的二维图形，给定摇臂厚度尺寸值进行拉伸，再用拉伸裁减命令做出摇臂两端的分拆，并根据定位尺寸值找准孔的位置，再用孔命令进行制作出三个孔特征，如图6所示。
2.6 液压缸筒的建模
液压缸建模结构及相关尺寸值参看机械设计手册，液压缸体的形成也采用拉伸及拉伸裁减命令形成，特别需要注意的是液压缸的尾部联结管的内部结构特征的建模要细致，其余部件建模省略。
3 装载机整体模型装配建模
各个机械零部件设计完成后，要根据整机的装配图对各个零部件进行装配。在Pro/E软件的装配命令模块中，通过定义零部件间的相对位置“约束”关系，可以把各个零部件装配成一个整体，且可以检查零部件间是否存在干涉以及装配体的各种运动情况是否合乎装载机的设计要求。同时在生成整机过程中，设计人员还可以根据不同需要添加生形成新的零部件及相关特征。
使用Pro/E软件进行装配设计有两种基本方法，如图8所示。在这两种方法中，（a）种由底向上的设计方法相对（b）种由顶向下的设计方法是比较低端。主要因为在虚拟设计中，教少利用一个零部件来控制其上整个装配体的设计，往往都是在拿出整机的外在概念及功能概念后，逐步对整机产品进行设计上的细化，直至细化到单个零部件。因此可以看出，在对整机产品总体设计上，（b）种方法更为贴近实际一些。
但是（a）种由底向上的设计方法也并不是一无是处，相对于一些已经较为成熟的整机产品设计过程，采用此种整机设计方法在效率上反而高一些。在实际装配的设计过程中，通常两种方法混合使用，这样可以发挥各自的优点。本文装载机的虚拟设计采用（a）种方法较为合适。
前面已经生成装载机的各种底层零件的三维模型，然后采用由底向上的装配设计方法对这些零件进行装配约束来生成整机装配件。在整机进行装配时，可以根据需要对整机装配件中的零部件进行修改，比如修改相关零部件尺寸，移动零部件在装配件中的各个位置，生成一些新的特征等。对于一个整机装配件，当其中所有的零部件都被完全约束时，这种整机装配件就称为参数化的整机装配件，否则就是非参数化的整机装配件。装配体如图9所示。
4 装载机工作装置运动仿真
完成装载机工作装置的装配模型设计后，可以进行装载机工作试验。在Pro/E软件“机械”模块中，可进行整机机械装置的虚拟机械运动仿真，且能将仿真运动结果输出，并进行运动力学分析，产生的铲斗连接轴速度与时间关系图如10图所示。
上图为对铲斗连接轴的运动进行运动分析输出的速度与时间关系图，纵坐标表示运动速度，横坐标表示运动时间。从图中可以看出整个铲斗在运动过程中是连续的，速度与时间关系与所设定的值能够较好的吻合，说明满足设计要求，设计成功。
参考文献
[1]葛正浩，胡志刚.Pro/E三维机械设计实例教程[M].机械工业出版社，2007，7.
[2]詹友刚.Pro/ENGINEER野火版5.0机械设计教程[M].机械工业出版社，2010，8.
