0 引言
虛擬建模技術在掘進機設計中的推廣應用對我國掘進機研制水平的提高起了非常關鍵的作用。虛擬建模就是設計者借助計算機的軟硬件環境，把大腦里構思的或現實產品的幾何外形和物理屬性轉化為可視、可修改、可分析、可進一步模擬加工的數字實體模型，也被稱為三維實體造型。EBH315掘進機通過采用CAXA三維實體設計軟件輔助設計，有效地縮短了設計周期，提高了設計質量。
1 CAXA三維實體軟件的產品設計思想
近年來，三維實體設計技術在為設計者提供良好輔助設計工具的方面取得了一些成績。三維實體設計軟件作為一種輔助設計工具，在設計初期軟件需要為設計人員提供方便、快捷的方案設計功能，幫助設計人員實現創新設計，在設計的過程中，還可以隨時采用特征重構方式對建立的三維模型進行修改或增減，并讓零件和裝配體的數據保持一致。
CAXA實體設計就是從這種設計角度入手，它是產品創新設計的最好體現，增加了很多新的設計功能和手段。“CAXA實體設計”三維軟件采用國際合作開發模式，首次提出了一個全新的設計概念———“創新設計”，即依據創造力和經驗，自由、快速的進行設計，在造型手段上，CAXA實體設計能夠讓靈活方便、隨意搭配的自由設計風格更充分的體現出來。主要體現在以下幾個方面：
①快速便捷的自由設計手段。因為CAXA實體設計有獨特的三維設計元素的拖放式操作、智能捕捉、智能圖素、三維球的定位定向操作等，它的設計手段非常的簡單和快捷，比一般的造型軟件的造型效率要高出2～3倍。
②超越參數化的靈活修改。CAXA實體軟件對于設計者來說最大的支持，就是可以靈活的修改設計方案，該軟件有參數化和無約束兩者修改方法，修改的時候可以是任意一種，也可以是兩者的結合，在設計過程的任意時期都可以對設計方案進行靈活的修改，而且還會保留參數之間的約束關系。
③豐富的目錄式圖庫。CAXA實體軟件有豐富的目錄式圖庫，它能為造型提供很多的物理特征要素，比如各種標準幾何特征、自定義特征以及材質紋理等，為設計者的創作提供很多的素材。而且，這個圖庫是開放的，用戶可以把任意類型的圖形添加到這個圖庫里，如果需要用到某個設計元素，只要從目錄庫中找到，并以拖放式操作釋放到造型環境中就行。
2 零件建模過程
EBH315掘進機功能強大，結構復雜，涉及的自制專用件超過800余種，包括齒輪類零件、組焊件、液壓元件、電器元件等各種類型，并有其它外購件及各種標準件與之配套，實體造型工作量巨大。對于EBH315掘進機零件，主要采用了兩種造型方法：對于結構簡單的板類零件，采用軟件圖庫中的圖素，通過參數化修改以及抽殼、曲面重建等操作完成造型，實現快速造型的目的；對于結構復雜的零件，則采用拉伸、旋轉、掃描等特征向導，通過二維草圖實現三維實體造型，在三維建模過程中，兩種造型方式可以交叉使用，以提供建模效率。
本文以EBH315掘進機主要部件截割減速器為例，簡要描述基于CAXA實體的零件三維建模過程。EBH315掘進機截割減速器的主要零部件有減速器箱體、高速級輸入軸、錐齒輪、各種軸承、左右行星減速器中的行星架、太陽輪、外齒圈等，由于篇幅所限本文只介紹減速器箱體的建模過程。
建立截割減速器箱體模型主要用到拉伸、旋轉、掃描等特征向導，以及圓角過渡、邊倒角等命令。主要分為以下幾個步驟：
第一步，利用拉伸特征向導創建減速器箱體的基本外形：確定零件為獨立實體，生成元素為實體，確定拉伸方向，距離和實體定位特征后，點擊完成后向導會自動生成特征的二維幅面。
圖1 拉伸特征向導
第二步，在二維設計幅面上，繪制拉伸截面局部特征。這部分特征可以直接在界面上由實體設計提高的二維設計工具繪制，也可以在電子圖板生成后由軟件接口導入，完成后即由向導自動生成拉伸特征。
圖2 基于拉伸特征的二維設計示意圖
繼續利用拉伸、旋轉特征向導的增料、除料功能，完成減速器箱體外部及內部特征造型，各特征交叉干涉部位應用布爾運算功能，完成合并與切除。
第三步，調用圖庫工具中的自定義孔功能及三維球定位工具，生成各連接處螺栓孔等。
第四步，利用圓角過渡、邊倒角等命令生成鑄造圓角和加工倒角等輔助特征，添加材質及其它物理特性，修改零件明細表。
圖3 零件明細表
生成的減速器箱體模型如圖4。
圖4 截割減速器箱體造型圖
3 EBH315掘進機的虛擬裝配
EBH315掘進機虛擬裝配采用至下而上，逐級引用的方式，建立虛擬裝配模型。
3.1 基礎部件模型的建立按照功能逐級劃分，EBH315掘進機可分為9個一級部件，30個二級部件，以及近百個基礎部件及若干組成零件。根據各自之間的從屬關系，利用幾何特征記錄各元部件之間的從屬關系。
圖5 EBH315掘進機組織結構圖
a)確定基礎部件的核心定位零件，調用裝配工具依次引用相關零件；
b)利用三維球定位工具，按照位置關系依次定位從屬關系，并選擇引用關系；
c)規定約束方式，確認部件裝配，添加部件明細表，完成基礎部件裝配。
圖6 EBH315掘進機截割減速器裝配模型
圖7 EBH315掘進機虛擬裝配模型
虛擬裝配技術在產品的設計階段能夠幫助設計人員及時判別零部件的可制造性和可裝配性，縮短產品開發周期，降低設計風險與設計成本，提高了設計質量和設計效率。
3.2 總裝配模型的建立總裝模型建立過程與基礎部件組裝相同。即按照部件模型的從屬關系，逐級上升，直到總裝。核心部件通過對象鏈接逐級引用其它相關部件，并添加標準件和密封件后，再通過定位約束或三維球定位工具建立裝配定位關系，并限制各零件的自由度和剛度。按照裝配順序依次完成基礎部件、二級部件、一級部件直至完成總裝模型。EBH315掘進機的虛擬裝配模型如圖7所示。
3.3 干涉檢查與物理計算部件或總裝配模型建立之后，可進行干涉檢查以及物理計算。CAXA實體設計為設計人員提供了便捷的干涉檢查和物理計算工具。通過動態、靜態干涉檢查，可以及時發現設計缺陷，得到修改，物理計算可以幫助設計人員校核整機質量、重心等物理參數，輔助設計人員對設計方案進行優化，見圖8，9。
圖8 干涉檢查分析
圖9 物性計算
4 結束語
虛擬建模技術的應用，對縮短EBH315掘進機的設計周期，提高設計質量，降低成本起到了重要作用。是支持企業增強創新設計，提高市場競爭能力的強有力的手段。
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本文標題：EBH315型掘進機的虛擬建模
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