1、1基于 Solidworks 二次开发的气动凿岩机设计与仿真研究0 引言因为气气动凿岩机械在很多场合下比较灵活、方便与经济，气动凿岩机械不可能被淘汰。针对当前所使用的气动凿岩机现状，应发展噪声低、振动小、整机质量较小和效能较高的气动凿岩机。利用CAD/CAM设计凿岩机，不仅能创建凿岩机的三维模型，进行虚拟装配和干涉检验，而且能进行运动学和动力学仿真，实现凿岩机制造前的性能预测，进而评估和优化设计方案，以达到凿岩机性能的最优。SolidWorks 是一种通用的智能型CAD/CAM软件，支持OLE标准，可以通过软件中提供的二次开发工具-SolidWorksAPI(应用程序编程接口)完全实现OLE自
2、动化。设计员可以在通用的开发平台，如Visual Basic、Visual C+和Delphi中对这些OLE对象及其方法和属性进行操作，从而在自己开发的应用软件中实现几乎所有SolidWorks软件的现有功能。用户可以用VB，VC+，Delphi编程语言建立自己的设计方案，从而实现参数化设计的目的，有效缩短设计周期。VB是易学易用的高级开发语言，但功能有限。功能强大的开发语言是Visual C+，但是入门较难。Delphi集中了VB和Visual C+两者的优点，但遗憾的是SolidWorks常常不支持OLE。在Visual Basic环境下，用SolidWorks实现对气动凿岩机的三维参数化
3、建模，可以提高气动凿岩机开发的效率和质量，为后续进行的有限元分析提供必要的条件。本文通过VB编程软件来对SolidWorks进行二次开发，研究分析了凿岩机主要零件的参数化设计与运动仿真。本文用 Visual Basic 6.0 的 WebBrowser 控件实现 Solidworks 文档(零件文档、装配体文档、工程图文档)的打开和操作。1 气动凿岩机的结构及工作原理气动凿岩机主要由冲击配气机构、（回转）转钎机构、排粉机构、润滑机构和操纵机构组成。而他们之间的主要区别在于冲击配气机构、转钎机构。1.1 冲击配气机构工作原理(1) 活塞冲程活塞冲程即冲击行程，它是指活塞由缸体的后端向前运动到打击
4、钎尾的整个过程，如图1所示。图 1 冲击行程气路1-操纵阀气孔； 2-柄体气室； 3-棘轮孔道； 4-阀柜孔道； 5-环形气室； 6-配气阀右端阀套孔； 7-配气阀的左端气室； A-活塞右端面； B-活塞左端面冲击行程开始时，活塞在左端，阀在极左位置。从操纵阀气孔来的压气经柄体气室、棘轮孔道、阀柜孔道、环形气室和配气阀右端阀套孔进入缸体左腔，推动活塞前进形成冲击行程。这时活塞右腔经排气口与大气相通。当活塞的右端面越过排气口时，缸体的前腔气体受活塞压缩形成气垫，即时气压随之增高，将前腔被压缩的气体经过回程孔道回到配气阀的左端气室，这时活塞继续前进，气压随着逐渐增高，迫使阀有前（右）移趋势，当活塞
5、的左端面越过排气口时，缸体左腔的压气便从排气口排出，左腔的气压突降，于是配气阀的左端气室的压强推动阀前移，此时阀与阀套闭合，切断缸体左腔的气路，瞬间活塞冲击钎杆，冲程结束，开始回程。(2) 活塞回程活塞回程即返回行程，如图2所示。- 2 -图 2 返回行程气路1-螺旋棒； 2-阀柜 3-阀； 4-阀套； 5-气缸； 6-活塞； 7-导向套； 8-棘轮； 11-操纵阀； 12-柄体返回行程开始时，活塞在右端，阀在极右位置。这时，从操纵阀气孔来的压气经柄体气室、棘轮孔道、阀柜孔道、阀柜和阀的间隙、配气阀的左端气室和回程孔道进人缸体右腔，而活塞左腔经排气口与大气相通，故活塞开始向左运动。当活塞的左端
6、面越过排气口时，缸体左腔的气体受活塞压缩形成气垫，气压随之增高，迫使阀有后（左）移的趋势，当活塞的右端面越过排气口时，即排气缸体右腔的气压突降，于是缸体左腔的气室压强推动阀后移，阀与阀柜闭合，回程结束。压气再次进入气缸左腔，开始下一个工作循环。1.2 转钎机构工作原理YT23型凿岩机的转钎机构如图3所示。图 3 凿岩机的转钎机构1-棘轮； 2-棘瓜； 3-螺旋棒； 4-活塞；5-转动套； 6-钎尾套； 7-钎子； 冲程时各零件动作方向；回程时各零件动作方向螺旋棒插入活塞大端内的螺旋母的中，其头部装有四个棘瓜。这些棘瓜在塔形弹簧的作用下，抵住棘轮的内齿。棘轮用定位销固定在气缸和柄体之间而不能转动
7、。转动套的左端有花键孔，与活塞上的花键相配合，其右端固定有钎尾套。钎尾套内有六方孔，六方形的钎尾插入其中。整个转钎机构贯穿于汽缸及机头中。由于棘轮机构具有单方向间歇旋转特征，故当活塞冲程时，利用活塞大头上螺旋母的作用，带动螺旋棒沿图3中虚箭头所示的方向转动一定角度。棘瓜在此情况下，处于顺齿位置，它可压缩弹簧而随螺旋棒转动。当活塞回程时由于棘瓜处于逆齿位置，它在塔形弹簧的作用下，抵住螺旋内齿，阻止螺旋棒转动。这时由于螺旋母的作用，迫使活塞在回程时沿螺旋棒上的螺旋槽依图3中实线所示的方向转动，从而带动转动套及钎尾套，使钎子转动一个角度。这样活塞每冲击一次，钎子就转动一次。钎子每次转动的角度与螺旋棒
8、纹导程及活塞运动的行程有关。2 凿岩机的参数化设计与运动仿真2.1 气动凿岩机模型的建立实体模型的建立是气动凿岩机仿真和分析的前提。在VB环境中对优化设计计算和仿真分析进行之后根据设计需要重新编辑尺寸、几何关系、特征类型和参数，实现实体模型的重建。为了实现这个目的，首先在SolidWorks环境下，建立气动凿岩机的三维参数化模型，作成零件文档、装配体文档、工程图文档，所以创建凿岩机的数据库。图4为气动凿岩机总体装配的三维模型，图5为螺旋棒装配体的工程图。图 4 气动凿岩机的参数化三维模型图 5 螺旋棒装配体的工程图为了直接在VB环境中对凿岩机结构对象进行操作，按照组成结构及运动特点，将气动凿岩
9、机分为静止和运动两大部分。静止部分由柄体部件、手柄部件组成，运动部分由冲击-回转部件、机头部件组成，如图6所示。冲击-回转部件模型 机头部件模型- 3 -柄体部件模型 手柄部件模型图 6 气动凿岩机各部分件的三维模型2.2 优化设计和运动仿真分析完成三维实体模型后，在VB 环境中实现优化设计和运动仿真分析。气动凿岩机的参数化设计程序界面如图7所示。图 7 参数化设计程序界面具体的过程如下。首先，选择要设计的凿岩机，打开凿岩机模型数据库游览器（按图7的数据库游览器）。在VB环境中可以游览用SolidWorks软件建立的凿岩机数据库，如图8所示。图 8 气动凿岩机数据库游览界面在气动凿岩机数据库游
10、览界面中游览各部分件的三维模型、二维工程图、重量等，参考相当于选择凿岩机的主要性能参数（冲击能、冲击功率、冲击频率、耗气量、钎子的每分钟转数、压缩空气比消耗和凿岩速度）。在这界面上可以修改模型的尺寸和配装等，重新建立凿岩机模型。然后，对气动凿岩机的内部工作过程进行计算机模拟。打开凿岩机工作过程模拟界面（按图7的工作过程模拟）,如图9所示。图 9 气动凿岩机内部工作过程模拟界面凿岩机工作过程模拟界面的上部分是运动模拟场面，下部分是内部工作过程计算的结果图表。气动凿岩机工作时，压气交替地进入配气阀的前腔和后腔，推动活塞和阀的往返运动、活塞和螺旋棒的回转运动。凿岩机内部工作过程非常复杂，至许多因素的
11、影响。在这里假设气缸内部的热九过程为绝热过程，阀的换向是在活塞打开排气口之际瞬时完成的, 以活塞在气缸的前端位置为初始计算位置。在这界面上考察各运动部分（活塞、配气阀、螺旋棒、棘轮、和钎子）的工作情况。而且在冲击行程和返回行程中沿活塞位置的变化考察气缸前后室的压力变化，并且，该考察在冲击行程和返回行程中活塞的左右端面越过排气口时压力是否急剧变化，活塞的左右端面是否越过排气口，排气的条件是否充分，活塞的左右端面与气缸- 4 -是否冲突，配气阀前后腔的气压差异强烈时阀是否移动，阀与阀柜是否闭合，活塞结构行程是否充分，在冲击行程中活塞是否冲击钎尾。最后，进行凿岩机结构参数的优化设计。图10为气动凿岩
12、机优化设计界面。图10 气动凿岩机优化设计界面图 11 气动凿岩机模拟设计流程凿岩机冲击配气机构主要参数包括配气阀尺寸、活塞结构行程和活塞尺寸等。冲击能和耗气量是凿岩机工作能力的重要参数。通过对气动凿岩机工作原理和结构的分析，建立了以评价凿岩机冲击能最大和耗气量最小为目标的数学模型。用遗传算法（Genetic Algorithm）编制了冲击能和耗气量的优化程序。优化以后与结构参数优化前的凿岩机性能参数相比，在这界面上可以修改模型的尺寸和配装等，重新建立凿岩机模型。与设计要求相比，如果符合则输出三维模型和二维工程图，否则进行设计的修改，重新建立凿岩机模型。总之，此方法实现的流程图如图11所示。3
13、 结语利用SolidWorksAPI，在VB环境中进行了参数化设计与运动仿真的研究。应用这方法，可以提高凿岩机的质量及其可靠性，缩短设计周期，降低设计费用。比较用ProE，Adams的设计方法，更容易操作。参考文献：1 殷宪海， 蒋知君. 凿岩机的发展研究, 科技创新导报. 2012（07）:222 郭孝先，李耀武，徐卸南. 煤矿气腿式凿岩机的发展、问题与对策，凿岩机械气动工具2012（1）:10-193 张庆功，张瑛,谢慧萍.基于虚拟样机技术的气动凿岩机建模与运动学仿真期刊论文-煤矿机械2008,29(10);40-414 谢慧萍，张瑛.基于MATLAB的气动凿岩机部分结构参数的优化设计期刊论文-煤矿机械 2007,28(09);17-195 张庆功.周建强.吴镇江. 基于虚拟样机技术的气动凿岩机设计与仿真研究期刊论文-煤矿机械2007,28(07);37-396 徐国权，黄志超. 基于SolidWorks的参数化设计二次开发研究J. 机械设计与研究，2007，23(01);68- 70，87.7 张华 ,陈定方,杨艳芳. Visual Basic 为基的SolidWorks 二次开发与应用, 湖北工业大学学报.2010，25（08）36-38
