全液压钻机动力头三维建模与动态仿真

罗诗伟

摘 要：介绍了三维设计软件SolidWorks2007在HQY-500全液压钻机动力头设计中的应用。在SolidWorks2007环境中，对动力头的各个组件和装配体进行三维建模，然后进行动态仿真，从而实现动力头的三维设计，对提高设计、装配效率和节省制造成本有着重要的现实意义。

关键词：全液压钻机；动力头；三维建模；动态仿真

HQY-500全液压钻机是我所新进研发的产品，其中除了复杂的液压原理和部件外，动力头的设计是本钻机的关重件，它的结构和运行状况是钻机得以实现其探矿功能的主要部件。在以往的钻机设计中，只能用二维平面三视图来表示动力头的装配关系，为了克服复杂机构平面绘图的缺点，本文提出了一种基于SolidWorks2007的三维实体建模方法，这样可使抽象的问题直观化。同时还可以利用“模拟”按钮选择装配体的模拟运动方向和速度，再利用SolidWorks Animator插件来制作动画，它能实时录制动力头传动机构的工作过程，增强了对全液压钻机动力头运行情况的动态仿真。

一、动力头的实体建模

SolidWorks2007软件用户界面操作简便，初学者很容易上手，它结合了二维平面绘图和三维实体造型，因此使用非常广泛。在SolidWorks2007的标准菜单中包含了草图绘制工具栏和特征工具栏，其中特征工具栏有拉伸凸台/基体、旋转凸台/基体、拉伸切除、旋转切除[1]。在处理复杂的几何形状时还需要其他高级特征选项，包括扫描、放样凸台/基体、拔模、抽壳、异型孔向导等。合理运用上述特征造型技术就能设计出动力头各组成零件的实体模型。

由于动力头组成零件比较多，不能一一介绍建模过程，并且大部分零件的设计都是简单的重复，复杂零件的设计关键是要合理选择基准，然后根据零件的特点旋转拉伸，最后在此基础上进行修改，因此本文只以动力头体为例说明建模过程。

先确定动力头体的基础参数，再根据其特点，选用截面竖切的外形尺寸绘制草图，然后选择“插入”中的“参考几何体”的“基准轴”，以基准轴和草图选择“旋转凸台/基体”按钮，选择合适的参数，就能得到动力头体大概的模型，然后在用“圆周阵列”做出螺纹孔，再选用插入合适的基准面用“拉伸切除”命令做出耳扣和旋转套等各部分，最后就得到了动力头体的模型，如图1所示。

同理可以做出其余各个零件的实体模型，对于标准件的建模可以直接调用法恩特FNT标准件库中的实体，只需修改到所需的参数即可。

图1

二、动力头的虚拟装配

打开一个装配体文件，先插入动力头体，因为SolidWorks默认第一个零件是固定的，不能运动，其他的零件都是以它为装配参照体[2]。再依次插入轴承、花键套、端盖以及补心套，再装入主轴，在主轴和动力体之间插入浮动装置，根据浮动装置再确定进水体的相对位置，最后插入螺栓等外围的标准件。在依次调入各个零件后，分别选择“配合”按钮，利用同轴心、重合、平行、垂直、相切以及距离和角度等标准配合，有些零件的配合还要用到高级配合，以便精确地把各个零件约束在动力头体上。最后如图2所示。

图2

三、动力头的动态仿真

在动态仿真前，先在装配体中对动力头进行动态模拟。单击装配体中“模拟”按钮，选择“旋转马达”，分别设置动力头主轴的旋转方向和角速度。然后单击“模拟”按钮，选择“计算模拟”，这时动力头外围都是半透明的，此时可以清楚的观看动力头内部各零件的运动情况（如图3所示）。并且也可以设置动力头其他组件的模拟参数，观看其他零件的动态仿真。

选择工作区底部的“动画”标签切换到动画操作界面。在SolidWorks Animator工具栏上，单击“动画向导”按钮，选择“物理模拟”，单击“下一步”，然后设置开始时间和动画时间长度，单击“完成”。最后，点击SolidWorks Animator工具栏左侧的“播放”按钮观看动画，动画完毕后还可以单击“保存”按钮可将制作的动画以AVI格式保存[3]。

图3

四、结束语

本文采用SolidWorks2007三维实体造型软件，通过定义全液压钻机动力头各部分的相对位置，设置主轴的旋转方向和角速度以实现动力头运动的动态仿真，使设计人员能够全方位地观察动力头的运动状态。实现零件之间的关联设计，对于全液压钻机的三维设计具有重大的意义，一方面可以大大提高设计效率，另一方面做到动力头进行装配干涉检查、碰撞检查、动态间隙检测，保证设计、生产的产品合格。同时也展示了Solid

Works强大的建模功能和动态仿真功能，为工程技术人员探索了一条高效设计产品的可行之路，对提高设计、装配效率与节省制造成本有着重要的现实意义。

参考文献：

[1] 郭圣路，芮鸿.SolidWorks 2007中文版从入门到精通（普及版） [M].北京：电子出版社，2007.103-115.

[2] 邓力，高飞，高长银.SolidWorks2007机械建模与工程实例分析[M].北京：清华大学出版社，2008.151-178.

[3] 毛文武.基于Solidworks三维建模的机械测绘课程设计改革

与实践[J].计算机教育，2007，07（5）：43-46.