基于SolidWorks的液压支架Top-Down三维设计方法的研究

曹银苟 车艳春 王永强

(1.郑州四维机电设备制造有限公司 支护设计研究院，河南 郑州 450000;2.郑煤集团工程技术研究院，河南 郑州 450042)

1 前言

近年来，随着综采技术的不断发展，为了实现产品的高产高效，对液压支架的性能要求越来越高，因此，设计人员需要利用更有效的设计手段，准确、快速地完成产品的设计，以满足用户对高性能产品的需求。

Top-Down(自顶向下)设计是针对传统的Bottom-up(自下而上)的设计而言的。所谓Bottom-up 设计，设计顺序是零件→组件→部件，然后用零件、组件和部件总装产品，配合零部件是独立设计，相互配合关系较简单，只需要打开相关联的零件进行配合和修改;而Top-Down 设计顺序是产品→部件→组件→零件，即在装配体中完成零部件的设计与配合。由于在装配体上直接设计出零部件，这样就从根本上避免了干涉现象的产生，同时当装配体设计完毕，零部件也就自动生成，自然就减少了工作量，提高了工作效率。特别是在精度要求很高，装配关系复杂的零件这种设计方法的优点是不言而喻的。

2 液压支架Top-Down三维设计

总体设计工程师接到液压支架设计项目时一般会沿着图1的设计流程，根据前期签订的《三机配套图》、《液压支架技术协议》及《三机配套协议》，在三维软件环境下进行支架总方案的轮廓造型，初步制定出符合技术协议要求的架型，而不必考虑各部件内部的具体细节，并将各部件分发给不同的工程师进行协同设计。

两柱掩护式液压支架主要由顶梁、掩护梁、底座、立柱、前后连杆、伸缩梁、护帮、推杆、顶架、脚踏板及各类千斤顶等部件组成。各部件设计工程师会针对部件结构复杂程度和设计要求书中的要求等特点，科学合理地采用Top-Down 设计中的关联法设计、布局法设计及主零件法设计中的一种进行快速、高效的建模。

图1 设计流程

2.1 关联法设计

关联法设计指在装配环境中，利用已有的相关零件的轮廓投影，建立投影线，并在此基础上创建本零件的草图，进而创建其结构特征。该方法适用于设计结构比较简单，设计构思已经比较清楚，零件间单向传导的部件。如液压支架中的护帮、前后连杆、小四连杆等部件，以护帮设计为例，如下图2。先按尺寸和设计要求选择一标准基准面建立顶板的模型，接下来以顶板上面为基准面，设计附着在上面的零部件，最后将盖板附着在相邻的零件上设计，即可将护帮部件设计完成。

该设计法简单、易学易用是Top-Down 设计的基础，对于结构比较简单，设计构思清楚的部件，设计效率很高，但由于零部件间的关系是单向传导，对于不是该部件设计的工程师或者产品间隔时间久而言，不易理解建模过程，修改困难，所以适用简单位置和形状关联的部件。

图2 护帮设计过程

2.2 布局法设计

布局法设计指在装配环境中，利用已有的标准基准面在部件中绘制出重要零件的轮廓草图，并在此草图基础上创建各零件结构特征的设计方法。该方法适用于设计结构较复杂或设计构思需探讨的复杂零部件。如液压支架的三大件顶梁、掩护梁、底座等部件，以顶梁设计为例，如下图3，先将顶梁以内外主筋为界限分为中档、外档及边档，然后绘制出各档内重要零件的轮廓草图一般也会在与之垂直的基准面绘制顶梁的简要宽度控制草图，当然如果该档内零件很少并且很简单草图可以省约，最后创建各零部件的结构特征，即可将顶梁设计完成(图4)。

该设计法灵活自由，可以用草图、基准、实体、曲面等多种方式布局，容易将装配布局传导至指定零部件，对于结构复杂或者设计思路需边设计边探讨的部件，设计效率较高，但此类设计法如果没有一个共同的草图建立准则，将会导致各设计工程师绘制草图太随意，不可控，无法传导变量，总之此运用此法对各设计人员、硬件、网络、文档管理要求较高。

2.3 主零件法设计

主零件法设计指在装配环境中，将复杂形状或位置的零部件分解成形状或位置简单的各单元，进行详细设计后汇总的方法。例如立柱、千斤顶作为单个部件需要实现伸缩运动，即组成它们的零件之间有相对运动关系及大倾角液压支架中脚踏板等，此类部件形状、位置较复杂，在此例举普通液压支架的脚踏板运用此方法建模的过程，如下图5，将脚踏板内的各实体在零件中分解成零件内的特征进行设计，再按实体保存，设计完成后汇总在一起组成部件。

该设计方法对于零部件间具有复杂形状或位置参考的部件设计，经过再次协同设计，关联传导层次清晰，设计效率很高。

图5 脚踏板分解

针对上述设计方法，设计工程师需要结合产品的复杂程度、设计思路及设计方法的熟练程度等，选择一种能高效、快速的设计方法将支架的各部件设计出来。总体设计工程师将已经设计好的零部件汇总并虚拟装配好，形成整体液压支架(图6)。

图6 整机

3 液压支架三维设计技巧

3.1 充分利用软件的智能功能及命令

对已生成的特征中需利用的图线可通过实体转换命令直接获得，这样既准确又快捷;液压支架各部件中含有较多的对称结构，可先画出对称部分的一半，然后，用镜像工具生成另一半，再补充其他非对称的元素即可;对于各部件中大量存在的筋板，应尽量使用筋命令等，充分利用软件智能草绘功能及草图修改命令，高效准确地完成草图的绘制。

3.2 合理选择特征的生成方法

由于实体模型可以有多种不同的生成方法，采取何种方法更为合理、高效，需要有一个实践的过程。一般来说，旋转、扫描比拉伸生成的模型高效;排列、镜向比逐个生成快捷。就象制作圆柱模型，可以通过拉伸生成，也可以通过旋转获得。但旋转生成模型的速度会更快，生成的文件的体积也较小。对于复杂的零件，选择合理的生成方法就显得尤为重要。因为选择不正确的生成方法不但效率低。

3.3 草图尽量简单

对部件布局草图时最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。这是因为三维绘图软件的草图绘制功能大多较弱，如果要象绘制二维工程视图那样绘制草图，效率会很低，另外如果草图过于精细，生成模型时会耗尽计算机资源，使得三维模型生成速度很慢或者导致计算机工作量大而死机。这是由于实体模型是通过布尔运算生成的，草图过于复杂会导致运算工作量较大，耗费机时较多，实体模型的生成速度自然也就很慢。

熟练掌握建模技巧，对于零件的精确高效建模以及接下来的部件、整机的虚拟装配、运动学分析意义重大。

4 结束语

利用SolidWorks 软件较强的三维造型功能实现了对液压支架的三维参数化造型、虚拟装配和运动仿真，为支架的有限元分析提供三维模型。随着CAD/CAE/CAM 技术的不断发展，以三维建模软件为平台，结合有限元分析软件和运动仿真软件的应用系统已经越来越多地应用于液压支架的设计使支架设计水平越来越完善。这种方法可极大地提高产品的设计效率和质量，缩短开发周期，为企业创造可观的经济效益和社会效益。

[1]王国法，史元伟，陈忠恕，等.液压支架技术[M].北京:煤炭工业出版社，1999.

[2]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，2002(4):1—4.

[3]立雅科技.SolidWorks 2007 中文版自学手册.北京:人民邮电出版社，2007.7

[4]实威科技.SolidWorks 2006 原厂教育训练手册.北京:中国铁道出版社，2006.7