液压挖掘机的三维实体造型以及运动学仿真.pdf

第 6期 总第 1 6 3 期 2 0 1 O年 1 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAI ENG1 NEE RI NG AUT0MATI ON N o． 6 De c ． 文 章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 0 0 6 0 0 7 2 0 2 液压挖掘机的三维实体造型以及运动学仿真 李 琴 攀枝花学院 先进制造技术研究所，四川 攀枝花 6 1 7 0 0 0 摘 要 通过 P r o ／ E建立 了液压挖 掘机工作装 置 的三维实体 模 型，并 用专 用接 口Me c h p r o 2 0 0 5将 模型 导入 A D AMS中进行运动学仿真， 得到了挖掘机 空载时关键位置点 的位移、 速度和加速度 ， 为挖掘机 的优化设计以 及性能分析提供 了参考。 关键词 虚拟样机 ；液压挖掘机；运 动仿真 中 图分 类 号 TU6 2 1 TP 3 9 1 ． 9 文 献 标 识 码 A 0 引 言 液 压挖掘 机作为工 程机 械的 主要机种 之一 ，广泛 应 用于 工业与 民用建筑 、 交通运 输 、 水利 电力工 程 、 矿 山采掘 等机械化施 工 中 。而对 液压 挖掘机 的设计 ．传 统 方法 是设 计 一样 机制 造 一试 验 ， 不 但设计 周期长 、 成 本高，且试验破坏性较大，有时甚至可能会造成重大 事故 。利用三维实体建模与动态仿真技术相结合 ，预 先建 立起 实体仿 真模型 ，模拟其 动态 特性 ，让 设计 者 尽早 发现 问题并及 时修 改和优 化 ，这样 既能缩 短产 品 的设 计周期 、提 高产品 的可靠性 ，又 能实现产 品 的优 化设 计 。 1 挖 掘机 三维 实体 模型 的建立 本文 以某 单斗反 铲液 压挖掘 机为例 ，建立 实体模 型 。 在建 立液压 挖掘机 虚拟样 机时 ， 根据研究 对象 、 研 究 目的的不 同可对 系统 的仿 真模 型进行 简化处 理 ，但 机械 系统和液 压系统 的仿 真模 型必不 可少 _ 1 ] 。按 照是 否存在 相对运 动 暂不 考虑行 走运 动 将 挖掘机划 分为 上部转台、下车、动臂、斗杆、铲斗、铲斗摇杆、铲 斗连杆 、动 臂液压缸 、 动 臂液压 活塞 杆 、斗杆液 压缸 、 斗杆 液压 活塞杆 、铲斗 液压缸 、铲斗 液压活 塞杆共 1 3 个 大运 动部件 。 对 挖掘 机下车 的行走 装置不 做研究 ， 故 共 有 1 2个 运动 部件 。将 这些 部件 在 P r o ／ E 中建模 并 装 配后 的液压挖 掘机工作 装置 三维 实体模 型见 图 1 。 2挖掘机 仿真模 型的 建立 尽管 A DAMS软件 中提供 了三维几何建模的工 具，但其功能较弱 ，对于复杂的三维模型需要花大量 的时间来完成建模工作 ，且不能保证模型的尺寸精度 和装 配位置 精度 。本文 采用 P r o ／ E实 体设计软 件完成 液压挖掘机三维实体建模工作 ，把建好的样机几何模 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 5 1 0 ；修回 日期 2 0 1 0 - 0 7 2 3 作者简介 李琴 1 9 7 7 ， 女 ， 四川成都人 ， 讲师 ． 硕士。 型 用 专 用 接 口 Me c h p r o 2 0 0 5导 入 到 AD AMS ／ Vi e w 环境 中 ，在 AD AMs ／ Vi e w 环境下对 样机 几何 模型 添加 约束 、载荷 等 ，并进 行仿真 分析 。 图 1 液压挖掘机工作装置的三维模型简图 将 P r o ／ E模 型 导人 ADA MS后 ， 模 型中原有 的装 配关 系都 已经无 效 ， 只是提供 了各构 件的初 始位 置 ， 其 实 各 构 件 之 问 只 是 毫 无关 系地 独 立 存 在 于 A DAMS 中，并不 是具有 现实意 义 的虚 拟样机 ，这 时需要将 零 部件 “ 装 配”成 整体 ] 。 在导入模 型 时 ，首 先在 P r o ／ E内把 颜色 加好 ；单 位的选择要一致 ，在导入时，必须将单位设置成毫米 ram 、 千克 k g 、 秒 s 。 为 减 少 仿 真 的 运 算 工 作 量 即减 少 固定 副 的 数 目 ， 可对 输入 的模 型进行 布尔运算 ， 将 固连 在一起 的 零 件合 并为一 个构 件 。 AD AMS ／ Vi e w 提 供 的简单 运 动副 有 十几 种 ，本 文 研究 的液压 挖掘 机模 型 中动臂 下铰点 和 主机 问是旋 转运动副，动臂只能绕这个铰点运动 ；斗杆底部与动 臂末端铰接，是旋转运动约束，斗杆只能绕动臂末梢 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 6 期 李琴 液压挖掘机的三维 实体造型以及运动 学仿真 7 3 在工作装置对称剖面内旋转运动 ；铲斗与斗杆前端铰 接 ，可绕斗杆 末梢旋 转运 动 ；铲 斗与铲 斗液 压活塞 杆 并不 是直接 连接 ，而是通过 摇臂 连杆机 构铰 接 ，可以 增 大铲斗旋转的运动范围；驱使挖掘机工作装置完成 工作的是 3 个液压缸的相对运动 ，液压缸的运动约束 是沿 液压轴线 方 向的直线运 动 。 在施加力时， 需要指明力作用的零件和作用点 ， 以 及力的大小和方向。这样 ，就建立了挖掘机的仿真模 型 。 3运动 学仿真 分析 只有进行装配并确定后才能开始运动仿真 ，为了 使 模型 能真实地 反映实 际机 构的运 动规律 ，必 须精确 地 描述驱 动件 的运 动规 律 。如动臂 油缸 收缩到 一定位 置后 不动 ， 由铲 斗油缸 和斗杆 油缸运 动到 一定位 置 ， 再 f 暑 ＼ 由铲 斗液压 缸或 斗杆液 压缸作 用进行 挖掘 ，然后提 升 等 。 对这 类多 自由度 问题 ， 可 以分 为多个运 动过程 ， 每 个过程只有单个 自由度 。每一个过程最后的运动状态 均作为下一个过程的初始条件 ，这种分割的方法虽繁 琐但 清晰 明了 。 运动仿真的起始位置为①动臂位于动臂油缸作 用力臂最大处；②斗杆位于斗杆油缸作用力臂最大处 斗杆油缸与斗杆尾部轴线夹角为 9 o 。 时 ；③铲斗发 挥 最 大挖 掘力 位置 ，进行 正常 挖掘 。终 点位 置在动臂 转过 9 O 。 ，提升高度为3 ． 5 m时，仿真时间为0 s ～3 S ， 动臂与 斗杆铰 点 的位 移 、速度 、加速度 曲线见 图 2 。 同时 ，对挖 掘机 开始挖 掘 时动臂 与斗杆 的铰点处 的位移、速度和加速度值进行了理论计算 ，其理论计 算值和仿真值及 比较见表 1 。 { 1 ～动 臂 与 杆 铰 点 的 速度 曲 线 1 2 一． 动臂与杆铰点的位移 曲线 t ／ { 3 ⋯ ， 动 臂 与 杆 铰 点 的 加 速 度 曲 线 ～ 3 一 ～ ／ 一 ， F 一 ．／ ＼ ＼ 一 ＼ 、 ， ＼ t ＼ ～ ＼ ＼ ＼ 一， ＼ 一 ＼ 、 一 一一 0 0 ． 5 1 ． O 1 ． 5 2 ． O 2 ． 5 3 ． 0 6 2 5 0 6 l 5 O 6 0 5 0 5 95 0 5 85 0 5 7 5 0 5 6 5 0 5 5 5 0 5 45 0 5 35 0 5 2 50 图 2 动臂 与斗杆铰点的位移、速度 、加速度 曲线 表1 动臂与斗杆铰点在挖掘开始时 足 。同时对动臂和斗杆的铰点做了仿真，仿真结果与 的位移、速度、加速度对比 理论计算结果的比较说 明了该方法的可行性，为挖掘 名称 位移 m 速度 m／ s 加速度 m／ s 2 理论计算值 5 ． 3 0 3 ， 3 l 1 ． 8 5 仿真值 5 ． 2 7 3 ． 2 l 1 ． 7 9 误 差 O ． 5 7 3 ． O 3 ． 2 S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d El e c t r o n i c E ng ine e r i n g， Pa n z hi h u a Uni v e r s i t y， Pa nz h i h u a 6 1 7 0 0 0， Ch i n a Ab s t r a c t Th e t h r e e d i me n s i o n a l mo d e l o f t h e wo r k d e v i c e o f a h y d r a u l i c e x c a v a t o r Wa S e s t a b l i s h e d b y Pr o ／ E，t h e n t h e mo d e 1 wa s i mp or t e d i nt o ADAM S by s pe c i a l i nt e r f a c e M e c hpr o2 005． a n d t h e dy na mi c s i mul a t i on o f t h e ex c a v at or was c a r r i e d ou t un de r u n l o a d ．Th e mo t i o n l a ws o f t h e k e y p o i n t o n t h e e x c a v a t o r we r e o b t a i n e d s u c h a s d i s p l a c e m e n t ， v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n ， Th i s s t u d y wo ul e be be ne f i c i a l t O t h e opt i mi z a t i on de s i gn a nd p e r f o r ma n c e a na l ys i s o f e xc av a t or s ． Ke y wor d s v i r t ua l pr o t ot y pe t e c h nol o gy；hy dr a u l i c e xc a va t or；mo t i o n s i mul a t i o n l昌 ∞ ∞ 0 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 2 2 1 O O O 9 9 8 8 7 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 0 O O O O O O 0 O O 引 ∞ }i l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m