隨著CAD應(yīng)用軟件和技術(shù)的不斷發(fā)展,，很多工程機(jī)械制造企業(yè)已不再滿足于借助CAD系統(tǒng)來(lái)“甩掉圖版”,，希望向三維的實(shí)體設(shè)計(jì)方向發(fā)展,。由于三維CAD系統(tǒng)具有可視化好,、形象直觀,、設(shè)計(jì)效率高和支持并行工程等優(yōu)點(diǎn),。因此,，三維實(shí)體造型在液壓挖掘機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中開始得到的應(yīng)用,，在三維設(shè)計(jì)環(huán)境中可以進(jìn)行挖掘機(jī)產(chǎn)品的模擬裝配以獲得整機(jī)或部件的三維實(shí)體,，建立充分而完整的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù),，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量特性分析、零部件間的干涉檢查,、自動(dòng)創(chuàng)建二維工程圖,、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的有限元分析,、計(jì)算機(jī)輔助制造,、商業(yè)廣告造型與動(dòng)畫生成等。

1 挖掘機(jī)零部件的三維造型
挖掘機(jī)三維實(shí)體造型包括所有零件的三維實(shí)體造型,，總成和整機(jī)裝配仿真,。挖掘機(jī)是由金屬結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),、動(dòng)力裝置,、傳動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和輔助設(shè)備等組成,。零,、部件共計(jì)一千多個(gè)。盡管挖掘機(jī)零,、部件結(jié)構(gòu)形式各不相同,，但在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行三維實(shí)體造型有一些規(guī)律可循，一般過(guò)程如下：創(chuàng)建草圖→根據(jù)零件的基本特征和附加特征生成零件的三維模型→依照裝配關(guān)系裝配零部件→形成整機(jī)裝配仿真,。
1.1 三維造型應(yīng)用軟件和基本方法
世界上著名的幾家公司的三維CAD軟件產(chǎn)品,，如Pro/Engineer,、UG、I-DEAS,、Solidworks,、MDT等，在主要工程機(jī)械企業(yè)中都已采用,。無(wú)論采用那家的三維CAD軟件,，都可以較好地完成挖掘機(jī)零部件的三維造型，三維造型時(shí)常用以下方法：
（1）對(duì)形狀比較規(guī)則的簡(jiǎn)單零件,，利用三維軟件自帶的標(biāo)準(zhǔn)幾何體（方形,、圓柱、圓管,、圓錐和球,、溝槽）庫(kù)，直接生成零件實(shí)體,，如方板,、光軸、軸套等,。
（2）繪制最能反映零件基本特征的幾何草圖,，經(jīng)拉伸、旋轉(zhuǎn)生成三維實(shí)體,。
（3）沿路徑配置的二維幾何圖形經(jīng)掃描,，蒙皮生成曲面形實(shí)體。
（4）從草圖入手建模 設(shè)計(jì)者根據(jù)設(shè)計(jì)的要求用手勾畫出理想的結(jié)構(gòu)形狀,，然后 賦予每一條曲線以尺寸約束或幾何約束,，使曲線按照設(shè)計(jì)者的意圖去更新交換，生成參數(shù)化特征的實(shí)體建模,。從草圖入手建模很容易實(shí)現(xiàn)參數(shù)化,、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì),，是挖掘機(jī)最理想的建模方式,。
（5）利用三維實(shí)體間的布爾運(yùn)算（交、并,、補(bǔ)），將多個(gè)簡(jiǎn)單零件組合成一體,，生成新的實(shí)體等等,，且生成的實(shí)體模型均采用參數(shù)化特征造型。
1.2 挖掘機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的三維造型
一臺(tái)液壓挖掘機(jī)的零部件有一千多個(gè),，全部采用三維造型設(shè)計(jì)工作量很大,。實(shí)際設(shè)計(jì)挖掘機(jī)時(shí),，也可以只制作與整機(jī)外形仿真、運(yùn)動(dòng)分析有關(guān)和影響主要性能的金屬結(jié)構(gòu)件,、標(biāo)準(zhǔn)件,、司機(jī)室和機(jī)罩等。
挖掘機(jī)三維造型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是金屬結(jié)構(gòu)件的三維造型,，如動(dòng)臂,、斗桿、鏟斗,、回轉(zhuǎn)平臺(tái),、回轉(zhuǎn)支承、行走機(jī)構(gòu)和行走架等,，這些金屬結(jié)構(gòu)件都是由多個(gè)零件焊接成形,，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。如動(dòng)臂本體由上板,、下板,、側(cè)板、加強(qiáng)筋板,、連接耳板和軸套等十多個(gè)零件焊接而成,，這些單個(gè)零件結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)者根據(jù)零件的具體結(jié)構(gòu)畫出反映零件特征的二維草圖,，草圖一般由直線,、多邊形、圓弧線和圓等構(gòu)成封閉的圖形,。將二維截面草圖進(jìn)行拉伸,、旋轉(zhuǎn)、放樣,、倒角,，生成三維圖形。最后將這些零件組裝并通過(guò)布爾運(yùn)算等操作,，形成動(dòng)臂的三維實(shí)體模型,。其它結(jié)構(gòu)件制作方法類同，圖1,、圖2和圖3為挖掘機(jī)動(dòng)臂,、平臺(tái)和行走架本體的三維實(shí)體造型。

三維造型最好采用參數(shù)化的草圖建模方法,，這樣可以方便地實(shí)行零件的修改及變形設(shè)計(jì),，只要發(fā)現(xiàn)某一尺寸和結(jié)構(gòu)不合理，可以容易地修改。而且可以通過(guò)尺寸等修改形成其它挖掘機(jī)的建模,，無(wú)須重新建模,，為以后其它挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)建模打下基礎(chǔ)。零件模型不僅包含零件的幾何信息,，還包含材料,、名稱、精度等物理信息,。就可被后續(xù)的質(zhì)量特性計(jì)算,、動(dòng)靜干涉檢查、有限元分析,、結(jié)構(gòu)優(yōu)化,、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、圖面繪制及制造等工作所共用,。
挖掘機(jī)外觀造型設(shè)計(jì)十分重要,，是吸引用戶非常重要的一個(gè)方面。駕駛室,、配重,、柴油箱、液壓油箱和機(jī)罩等都采用曲面流線型設(shè)計(jì),，駕駛室寬敞,、視野良好，造型新穎,。整個(gè)外形設(shè)計(jì)應(yīng)給人一種賞心悅目的感覺,。圖4為駕駛室的三維造型。

1.3 挖掘機(jī)配套件的三維造型
挖掘機(jī)的配套件主要有：柴油機(jī),、液壓缸,、馬達(dá)、閥組,、減速器和回轉(zhuǎn)支承等,，都由專業(yè)配套廠制造，一般只提供安裝與連接尺寸圖紙和外輪廓簡(jiǎn)圖,。準(zhǔn)確的配套件三維造型無(wú)法構(gòu)造,。一般把配套件作為一個(gè)整體，只對(duì)連接與安裝位置的精確建模,，其他部分只作外輪廓造型,。挖掘機(jī)采用的液壓元件外形輪廓比較規(guī)則，三維建模比較簡(jiǎn)單,。但柴油機(jī)外形復(fù)雜,，可以采取簡(jiǎn)化外形結(jié)構(gòu)建模,，對(duì)可能涉及與其它零部件交叉安裝的空間干涉部分進(jìn)行處理。也可以從配套件廠家索取配套件的三維造型,，直接用于裝配。
1.4 挖掘機(jī)部件與整機(jī)的三維造型
完成了所有零件的三維實(shí)體造型之后,，就可以進(jìn)行部件與整機(jī)的裝配仿真,。整個(gè)流程先從零件到部件，再?gòu)囊患?jí)部件到總成,，再往上直到整機(jī),。即采用自下而上的倒樹狀層次結(jié)構(gòu)法，各級(jí)部件通過(guò)引用一系列下級(jí)零部件模型組裝而成,，它不僅描述一個(gè)部件與下級(jí)零部件之間的裝配從屬關(guān)系,，同時(shí)也記錄所屬下級(jí)零部件之間的裝配定位關(guān)系。
整車裝配盡量與車間實(shí)際裝配過(guò)程一致,，首先將行走架本體定位,，在行走架上安裝四輪一帶、行走減速器和行走馬達(dá)等,，形成行走裝置總成,。然后再安裝平臺(tái)本體，在平臺(tái)本體上安裝回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),、柴油機(jī),、液壓油箱、柴油箱,、司機(jī)室,、閥組、和工作裝置等,。生成挖掘機(jī)整機(jī)三維造型,，如圖5所示。

三維實(shí)體模型通過(guò)高級(jí)渲染就可以繪出具有真實(shí)感的挖掘機(jī)產(chǎn)品和部件效果圖,，可以用于制作挖掘機(jī)產(chǎn)品樣本,、對(duì)外宣傳推廣產(chǎn)品，避免了過(guò)去等樣機(jī)制造出來(lái)后才能推廣的弊端,，加快了新產(chǎn)品的市場(chǎng)拓寬時(shí)間,，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

2 干涉檢查和運(yùn)動(dòng)仿真
在挖掘機(jī)新產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中,，在投料加工之前利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行裝配仿真,，可以發(fā)現(xiàn)零、部件設(shè)計(jì)上的尺寸干涉和結(jié)構(gòu)不合理,，及時(shí)糾正設(shè)計(jì)中的不足,，避免實(shí)際制造中出現(xiàn)問(wèn)題,，造成浪費(fèi)和損失。
挖掘機(jī)設(shè)計(jì)不僅需要產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸正確無(wú)誤,，還需要設(shè)計(jì)合理,、結(jié)構(gòu)性能好，以保證挖掘機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生干涉,，使用安全可靠,。利用已完成的挖掘機(jī)三維模型，給出液壓缸運(yùn)動(dòng)的約束條件,，并施加作用力,，進(jìn)行二維或三維運(yùn)動(dòng)分析，可以分析機(jī)構(gòu)最小距離,、每個(gè)挖掘位置的挖掘力,、位移、速度,、加速度和和功率等參數(shù),。繪制運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)圖，從而分析工作范圍的大小和挖掘性能的好壞,。裝配仿真技術(shù)可以從靜態(tài)角度保證設(shè)計(jì)尺寸的正確性,，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真則從運(yùn)動(dòng)角度保證設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。在設(shè)計(jì)階段把許多原本要在樣機(jī)試驗(yàn)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題一一加以解決,，從而為企業(yè)帶來(lái)實(shí)實(shí)在在的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,。