CAD技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，單一使用二維CAD技術(shù)進行設(shè)計已不能滿足現(xiàn)代設(shè)計的需求，這就需要使用計算機輔助三維設(shè)計這種更加先進的設(shè)計技術(shù)。利用三維設(shè)計軟件建立的
破碎機三維實體模型和運行仿真，可以將破碎機的每一個部件結(jié)構(gòu)，每一層裝配關(guān)系，各種運動軌跡清晰、直觀的顯示出來，不僅在視覺上帶給設(shè)計人員更感性的認識，其模型也可以給CAM、CAE、CAPP、PDM等后續(xù)工作所使用，而且由于三維設(shè)計軟件的參數(shù)化功能，又可以為今后的產(chǎn)品的改良、改型提供了方便。利用計算機輔助三維設(shè)計破碎機達到了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量雙提高的目的。
1、破碎機簡介
隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，我國的鋼鐵工業(yè)和礦業(yè)得到了快速的發(fā)展，各種金屬、非金屬、化工礦物等物料的社會需求量和生產(chǎn)規(guī)模的日益擴大，需要破碎的物料量迅速增加，因此，破碎機的需求也越來越大。破碎機的產(chǎn)生與發(fā)展與鋼鐵和礦業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)，最開始只為處理些輕薄料，隨著認識的加深，以及破碎鋼的優(yōu)越性的顯現(xiàn)，各種規(guī)格的破碎機得到不斷開發(fā)，使用范圍也越來越廣。常用的破碎機有：顎式破碎機、錘式破碎機和反擊式破碎機等。
2、破碎機三維參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)
破碎機三維參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)是在PDM系統(tǒng)和三維設(shè)計軟件Solidworks系統(tǒng)支持下的設(shè)計平臺，設(shè)計人員在這個平臺的支持下，能快速敏捷的進行設(shè)計工作，平臺主要包括感念設(shè)計模塊、數(shù)字化設(shè)計、虛擬樣機和虛擬實驗分析、數(shù)字化工藝規(guī)劃與設(shè)計、基于WEB的設(shè)計資料快速查詢系統(tǒng)以及圖檔管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)，破碎機的設(shè)計流程圖如圖1所小。
破碎機三維參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)采用了Solirlworks三維設(shè)計軟件，該軟件是基于特征的參數(shù)化三維設(shè)計軟件系統(tǒng)。利用Solidworks軟件設(shè)計有兩種方法：一種是自下而上( down-top)設(shè)計方法，這種方法比較傳統(tǒng)，即先設(shè)計好零件，然后將零件插入裝配體，根據(jù)設(shè)計要求配合零件，其優(yōu)點是零部件獨立設(shè)計，零部件之間的相互關(guān)系和重建行為比較簡單。另一種方法是自上而下( top-down)設(shè)計，設(shè)計從裝配體開始，在裝配體環(huán)境下進行零部件設(shè)計，設(shè)計時使用一個零件的幾何體來幫助定義另一個零件，一個零件的形狀和尺寸發(fā)生變化時，與其相關(guān)的零部件也會隨之改變。自下而上( down-top)設(shè)計有利于不同的設(shè)計人員共同設(shè)計、修改與交流，從而提高了設(shè)計效率．
3、破碎機三維建模和裝配
以PE1200x1500顎式破碎機[2](以下簡稱破碎機)為例，分析破碎機整體結(jié)構(gòu)，可知破碎機主要由機架、轉(zhuǎn)子、顎板和電機等部件構(gòu)成。
根據(jù)設(shè)計要求對破碎機進行三維建模和裝配。其中機架基本上都是由焊接的鋼板組成，特征繁多，造型比較復(fù)雜。使用Solidworks建立三維模型時，如果直接將這些焊接件在零件環(huán)境下建立成單一的零件，其工作量太大，容易出錯，不便于修改。因此，先將簡單的鋼板建模，然后將焊接件裝配成裝配體形式，這樣層次分明便于操作。
3.1破碎機零件三維建模
破碎機零件三維建模是一個復(fù)雜的設(shè)計過程，既要合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)，又要利用Solidworks的特性充分表現(xiàn)設(shè)計意圖，二者必須協(xié)調(diào)進行。
1)零件的三維建模一般先創(chuàng)建基體，然后在基體上建立其余的特征。基于這點，先將所有的零件分類，破碎機零件主要分為板類零件、筒類零件和其他類。其中機架中的焊接鋼板、顎板都是由板類零件組成；轉(zhuǎn)子主要由筒類零件組成。大部分情況下，板類零件的基體采用拉伸特征創(chuàng)建，筒類零件的基體采用旋轉(zhuǎn)或拉伸特征創(chuàng)建。當(dāng)然，這不是千篇一律的，結(jié)合具體情況，零件的基體也可以使用掃描，放樣等特征來創(chuàng)建。例如，彈簧、圓鋼是使用掃描特征來創(chuàng)建基體的。零件基體的創(chuàng)建對于整個零件的模型有著決定性作用，它決定著其他特征的建立順序，直接影響設(shè)計效率和質(zhì)量以及后續(xù)工作中對零件的修改，創(chuàng)建好零件的基體可以使建模和后續(xù)工作事半功倍。
2) SolidWorks是以草圖為基礎(chǔ)、基于特征的三維設(shè)計軟件。所以草圖的質(zhì)量決定著零件模型的質(zhì)量。草圖包括幾何圖形、尺寸和幾何約束等信息。破碎機零件的草圖不僅幾何圖形完全正確，而且使用合理的尺寸和幾何約束將草圖完全定義，并保持設(shè)計意圖。
3)破碎機的整體結(jié)構(gòu)基本是對稱的，所以，合理解決對稱的特征和零件，可以提高設(shè)計效率，并且對于破碎機整體的裝配和分析也有著至關(guān)重要的作用。結(jié)構(gòu)對稱的零件可以直接創(chuàng)建對稱的草圖實現(xiàn)，也可以創(chuàng)建一半模型，再利用鏡向特征實現(xiàn)。如果是兩個關(guān)于某基準(zhǔn)面對稱的零件，則只需先創(chuàng)建一個零件，然后選擇對稱的基準(zhǔn)面，選擇“插入”一“鏡向零件”即可得到對稱的零件。而且，這樣創(chuàng)建的對稱零件和源零件有著關(guān)聯(lián)參考關(guān)系，修改源零件時，對稱零件會隨之改變。
總之，在破碎機零件的三維建模過程中，不但要確保正確無誤，更重要的是要體現(xiàn)設(shè)計意圖。
3.2破碎機的部件和總體裝配
建立好零件的三維模型后，就開始進行部件和總裝的設(shè)計。由于破碎機零件繁多，一般都是由幾百甚至上千個零件構(gòu)成，所以在裝配破碎機之前，先分析清楚破碎機的層次結(jié)構(gòu)、零部件的約束、自由度和相對運動關(guān)系，作出總體的規(guī)劃，以便可以做出一個高效的總裝配體。在裝配時零件之間可以添加重合、同軸心、平行、垂直、平行距離、角度、限制配合等配合來滿足要求。不同的組合可以達到相同的效果，這就需要注意，配合實質(zhì)上是給零件之間添加約束來滿足一定機構(gòu)需要，所以，添加的配合也需要滿足設(shè)計意圖，而且配合要合理，合理的配合決定著裝配體的設(shè)計效率和質(zhì)量。
1)焊接件作為部件處理破碎機的機架、顎板都是由焊接鋼板組成，建模時，將焊接件作為部件，可以提高設(shè)計效率，便于修改。將建立好的零件三維模型，在SolidWorks裝配體環(huán)境下進行裝配。其中焊縫可以使用SolidWorks中命令“焊縫”來實現(xiàn)，快捷方便，而且與裝配體有關(guān)聯(lián)參考關(guān)系。
2)轉(zhuǎn)子的裝配PE1200x1500型顎式破碎機的轉(zhuǎn)子是一個偏心結(jié)構(gòu)，一定要將軸承座設(shè)置為“固定”，而不是把偏心軸設(shè)置為“固定”，這樣才符合機構(gòu)的要求。轉(zhuǎn)子上有很多的標(biāo)準(zhǔn)件，其中螺釘、螺母的裝配，合理的運用陣列命令可減少操作的重復(fù)性和模型的數(shù)據(jù)量。
3)破碎機的總裝將設(shè)計好的破碎機零件和部件（在總裝中成為子裝配體）裝配。SolidWorks總裝中的子裝配體有固定和靈活兩種狀態(tài)。在破碎機總裝中，機架、轉(zhuǎn)子、顎板、電機等都是子裝配體。其中顎板、機架子裝配體內(nèi)部沒有相對運動，則狀態(tài)設(shè)置為固定，而轉(zhuǎn)子和電機子裝配體內(nèi)部有相對運動，則狀態(tài)設(shè)置為靈活。
圖2～圖7為使用SolidWorks建立的破碎機零部件和總裝的三維模型。
4、破碎機的參數(shù)化設(shè)計、強度剛度校核、干涉檢查和運動仿真
使用SolidWorks建立三維破碎機總裝配體，不僅具有直觀性，而且設(shè)計人員可以對其進行參數(shù)化設(shè)計、強度剛度校核、干涉檢查和運動仿真，以檢驗設(shè)計的正確性、合理性。
4.1參數(shù)化設(shè)計
在設(shè)計好的破碎機的基礎(chǔ)上，設(shè)計人員可能隨時需要對其進行改良和改型，這就需要進行參數(shù)化設(shè)計來實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化，從而避免了設(shè)計的重復(fù)性。由于使用SolidWorks建立的三維模型和裝配體，草圖是變量化的，草圖尺寸、特征尺寸和裝配尺寸都是參數(shù)化驅(qū)動的，實現(xiàn)參數(shù)化非常方便。在SolidWorks環(huán)境下對破碎機實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計有以下方法：
◇直接修改尺寸、壓縮或添加特征，然后另存為新的零件或裝配體，包括修改三維特征的尺寸和二維草圖的尺寸；
◇使用SolidWorks提供的系列零件設(shè)計表：對特征預(yù)先定義一個系列的尺寸，然后生成系列零件設(shè)計表，從而生成零件或裝配體的多種配置；
◇SolidWorks提供了良好的API，設(shè)計人員可以進行二次開發(fā)，實現(xiàn)破碎機的參數(shù)化c4]。
4.2 強度剛度校核
使用SolidWorks建立的破碎機三維模型可以設(shè)置材質(zhì)，具有一定的物理屬性，可以校核破碎機零件和裝配體的強度和剛度。SolidWorks提供的插件COSMOSWorks可以對破碎機的零部件進行靜態(tài)、動態(tài)的有限元應(yīng)力分析，可以方便地得到應(yīng)力、變形、安全系數(shù)等數(shù)據(jù)與圖片，數(shù)據(jù)非常準(zhǔn)確，并且可以保存成動畫或網(wǎng)頁的形式。
4.3干涉碰撞檢查
SolidWorks提供對裝配體進行靜態(tài)干涉檢查和動態(tài)碰撞檢查，以保證任意兩個零件在空間上不得有相互重疊，并且可以動態(tài)模擬破碎機中運動零件的運動效果（如轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動情況），形象逼真，而且可以便于從中發(fā)現(xiàn)問題及時修改。
4.4運動仿真
破碎機機構(gòu)運動仿真是通過在已有破碎機三維模型上定義零部件間的運動自由度和參數(shù)來實現(xiàn)的，并采用動畫方式創(chuàng)建。利用SolidWorks中COSMOSMotion插件可以看到實時的運動軌跡；Animator插件將設(shè)置好路徑的運動仿真錄制成avi格式的動畫，便于設(shè)計人員之間的交流。
5、結(jié)語
本文提出了破碎機三維設(shè)計的一般思路，建模、裝配、分析等都是在SolidWorks中實現(xiàn)的，實踐證明是有效可行的。而且，破碎機的三維模型還可以為CAM、CAPP、PDM等提供良好可靠的數(shù)據(jù)。
相關(guān)礦山機械設(shè)備：
1、
圓錐破碎機
2、
雷蒙磨粉機
3、
顎式破碎機
