基于ADAMS的液压挖掘机机械系统参数化模型-.pdf

第 6卷笫 4期 2 0 0 8年 l 2月 中国工程机械学报 C HI NE S E J OUI NALOFC ONS TR UCTI O N MACHI NE RY Vo 1 ． 6 No． 4 De e ．2 0 0 8 基于 A D AMS 。 的液压挖掘机机械 系统参数化模型 郭晓宁 福州大学 机械工程及 自动化学院， 福建 福州3 5 0 0 0 2 摘要 研究利用A D A MS建立挖掘机工作装置机构系统参数化模型的方法． 利用AD AM S ／ V i e w提供的参数化功 能， 将运动连接铰点设定为关键点， 通过参数化点坐标， 实现了挖掘机虚拟样机工作装置的尺寸参数化驱动和运 动约束的参数化 ； 建立了具有各种运动约束关系的虚拟机构参数化模型． 为虚拟样机的优化及分析提供模型． 关键词 液压挖掘机 ； AD A MS ； 机械系统 ；参数化模型 中图分类号 U 4 1 5 5 1 l 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 0 8 0 3 0 4 3 3 0 5 ADAMS ba s e d p a r a me t r i c mo d el i n g f o r me c h a n i c a l s y s t e m o f h y dr a u l i c e x c a v a t or s GUO Xi a o - ni n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g in e e r i n g a n d A u t o ma t io n ， F u z h o u Un i v e r s i t y ， F u z h o u 3 5 0 0 0 2 ， C h i n a A b s t r a c t Th e p a r a me t r i c mo d e l i n g f o r t h e wo r k i n g me c h a n i s m an d s y s t e m o f h y d r a u l i c e x c a v a t o r s i s s t u d i e d u s i n g ADAM S T M ．P e r t a i n i n g t o p a r a me t r i c f u n c t i o n a l i t i e s v i a ADAMS ／ Vi e ．t h e mo t i o n a l j o i n t s are s e t a s t h e k e y n od e s ． By a p p l y i n g t h e p a r am e t e r i z e d c o o r d i n a t e s ，t h e p a r a me t e r i z a t i o n o f d i me n s i o n a l d r i v e n a n d mo t i o n a l c o n s t r a i n t s c a n b e r e a l i z e d f o r v i r t u a l p r o t o t y p i n g ．Ac c o r d i n g l y ，t h e p a r am e t r i c mod e l o f v i r t u a l me c h a n i s m i s e s t a b l i s h e d b a s e d o n k i n e ma t i cal c o n s t r a i n t i n t e r a c t i o n s ．Th e r e f o r e ，t h i s a p p r o a c h p r o v i d e s a n a l t e r n a t i v e f o r v i r t u a l p r ot o t y pi n g o p t i mi z a t i o n an d a na l y s i s ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c e x c a v a t o r ； ADAMS；me c h a n i s m s y s t e m ；p ara me t r i c mod e l 与国外相比， 我国挖掘机从产品技术水平 、 可靠性 、 制造质量等与国外液压挖掘机存在较大差距 ， 产品 更新换代慢 ， 总体产品质量低于国外同类产品． 对于大中型液压挖掘机尚处于经验设计阶段 ， 实验研究工 作薄弱． 如何尽快缩短这种差距 ， 提高产品的设计水平 已成为挖掘机制造企业 的迫切要求． 在挖掘机产品 设计中， C A D技术实际解决了产品造型方面的问题 ， 有限元 F E A 技术则可以说是解决了产品中单个零 部件的优化问题随着技术的发展 ． 但是 ， 人们认识到虽然 F E A技术可 以使得挖 掘机 中的每个零部件都是 最优的， 并不能保证整个挖掘机的性能是最好的， 即系统整机的优化不是所有部件优化的简单叠加． 而虚 拟样机技术提出及在工程机械领域的应用为解决这一问题提供 了新的手段和方法． 虚拟样机超越了传统 的 C A D和 F E A技术的局限 ， 并且利用并行工程的长处， 通过将各并行过程和并行小组的工作集成到同一 个虚拟样机之上 ， 提供同时对挖掘机的外形、 机械系统 、 液压系统 、 控制系统等多方面评价的可能 ， 因此具 备了整机性能评估的条件 ， 兼顾了各个学科 ， 真正做到了全系统、 全性能的优化 ． 在实际应用过程中， 有时需要对虚拟样机可能出现的各种情况作进一步的深入分析． 用人工的方法不 断修改输人数据， 然后进行反复仿真分析， 直至获得满意的样机模型和分析设计结果． 但是， 这种分析方法 往往需要进行大量的单调乏味的重复建模和分析， 花费大量 的机时和人工 ． 事实上 ， 如果利用 AD A MS提 供的参数化建模和分析功能， 将参数值设计为可改变的变量， 在分析过程中， 只要改变样机模型中有关参 数值 ， 程序就可以自动地更新整个样机模型 ， 更进一步 ， 还可以用程序根据预先设置的可变参数， 自动地进 行一系列的仿真分析， 观察在不同参数值下样机的变化， 从而大大提高分析效率． 基金项 目 福建省科技三项资助项 目 2 0 0 6 F 5 0 5 9 ； 福州大学科技发展基金资助项 目 2 0 0 6一X Q一1 4 作者简介 郭晓宁 1 9 7 5 一 ， 女 ， 副教授 ， 工学博士． E m a i l y ma y x 1 6 3 ． C O N 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 3 4 中国工程机械学报 第 6卷 本文以单斗反铲液压挖掘机为研究对象 ， 给出了在机械系统动力学软件 A D AMS中建立挖掘机工作 装置机构系统参数化模型的方法． 1 挖掘机机构抽 象模型 从系统仿真建模 的角度 ， 液压挖掘机可分为 动力 系统、 机械系统、 液压系统、 控制系统． 液压挖掘机的机 械系统部分是完成挖 掘机各项基本 动作 的直接 执行 者 ， 主要 由行走装置 、 回转机构、 工作装置三大部分组 成． 其中工作装置是实 际作业的主要组成部分， 主要 由 动臂、 动臂液压缸 、 斗杆 、 斗杆 液压缸体 、 铲斗 、 铲斗液 压缸体、 铲斗摇杆等组成l 1 2 j ． 实际的挖掘机机构系统 抽象模型如 图 l所示． 其 中多边形 C B DF对应 动臂， F E G L M 对应斗杆 ， 三角形 L KV对应铲斗 ， MH 对应 铲斗摇杆 ， 对应铲斗连杆 ． A 点对应动臂液压缸与 主机的铰接点 ； B点对应动 臂液压活塞杆与动臂 的铰 接点 ； C点对应动臂与主机的铰接点 ； D点对应动臂与 斗杆液压缸 的铰接点 ； E 点对应 斗杆液压活塞杆与斗 杆的铰接点 ； F点对应动臂与斗杆的铰接点 ； G点对应 斗杆与铲斗液压缸 的铰接点 ； H 点对应铲 斗液压活塞 杆与铲斗摇杆的铰接点 ； H 点对应铲斗摇杆 与铲斗连 F i g 1 8斗杆液压缸体 9斗杆液压活塞杆 1 0铲 斗液压 缸体 1 1 铲斗液压活塞杆． 图 1 单斗反铲式挖掘机 工作装置机构模型 M e c ha ni c al mo de l o f t he e x ca v a t o r wo r k e qu i pme nt 杆的铰接点 ； K点对应铲斗连杆与铲斗 的铰接点 ； M 点对应斗杆与铲斗摇杆 的铰接点 ； L点对应斗杆与 铲斗的铰接点 ； V点对应铲斗斗尖 ； 液压缸体与液压活塞杆之间为移动副 ． 2 挖掘机机构系统模型在 A D A MS中的参数化实现 AD A MS ／ V i e w提供了 4种参数化方法_ 3 5 J ①使用参数表达式 ； ②参数化点坐标 ； ③使用设计变量 ； ④运动参数化 ． 液压挖掘机机构系统模型参数化模型的建立主要采用前 3种方法来实现． 2 ． 1 创 建设计 变量 在 AD A MS ／V i e w中， 可以通过使用设计变量定义 自变量参数 ， 方便地改变虚拟样机的任何对象， 当 设计变量参数改变时， 所有同设计变量相关联的对象也都随之改变． 另外， 通过参数化分析， 令设计变量在 一 定范围内变化， 从而 自动地进行一系列的参数化分析 ， 完成设计研究、 试验设计和优化分析． 为了与挖掘 机建模前的机构优化模块及之后的机构分析模块相统一， 在此， 以挖掘机工作装置的机构优化变量作为设 计变量， 如表 1 所示 ． 表 1 挖掘机参数化模型设计变量 Ta b． 1 De s i g n v a r i a b l e s o f t h e e x c a v a t o r p a r a me t e r i z e d mod e l 设计变量 对应 的优化参数 设计变量 对应 的优化参数 设计变量 对应的优化参数 D V x A A点的横坐标 D VB D 铰点 B， D之间的距离 D VM H 铰点 M， H之间的距离 DVYA A 点的纵 坐标 D VE F 铰点 E， F之 间的距离 D VHK 铰点 H， K之间的距离 D VxC C点 的横坐标 DVE G 铰点 E， G之间的距离 DVL K 铰点 L， K 之间的距离 DVYC C点 的纵坐标 D VF G 铰点 F， G 之间的距离 D VKV 铰点 K， v之 间的距离 D VC F 铰点 C， F之间 的距离 D VF L 铰点 F， L之 间的距离 DV～L V 铰点 L， V之间的距离 D V C B 铰点 C ， B之间的距离 D VL M 铰点 L， M 之间的距离 D VA B 动臂液压缸运动副的长度 D V B F 铰点 B， F之间的距离 D V F M 铰点F， M 之间的距离 D V D E 斗杆液压缸运动副的长度 D VD F 铰点 D， F之问的距离 D VGM 铰点 G， M 之间的距离 DV一 铲斗液压缸运动副的长度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 郭晓宁 基于 AD A MS的液压挖掘机机械系统参数化模型 2 ． 2 创建参数化点坐标 2 ． 2 ． 1 确定关键 点 在建模过程中， 点坐标主要用于定位几何形体 、 约束点和载荷作用点的作用 ． 将点坐标参数化 ， 可以自 动修改与参数点有关联的对象 ． 对于挖掘机工作装置的参数化系统 ， 关键点的确立主要考虑 2个方面 ① 能为模型对象的方位定位 ； ②根据点能创建模型可视化几何实体 ． 根据这 2个原则 ， 选择所有铰接点 A， B， c． D， E， F， G， H， K， M ， L及铲斗斗尖 、 ／ ， 为关键点 ， 在 A D AMS ／ Vi e w 中构造关键点 C o n s t r u c t i o n G e o me t r y p o i n t P OI NTA， P OI NTB ， P O I N TC， P OI N TD， P OI N TE， P OI N TF ， P OI N TG， P OI NT H， P OI NT K， P OI NTM ， P OI NTL， P OI NTV． 2 ． 2 ． 2 参数化点坐标 挖掘机的姿态是 由各个铰点的坐标值决定的， 而各铰点的坐标位置除 A， C两点 由优化得到外 ， 其余 都是由表 1中 3组液压缸运动副 的长度及各铰点之间的距离决定的， 为此 ， 除 A， c两 点外 ， 其余各个关 键点都必须 以 A， C两点的坐标、 液压缸运动副的长度及各铰点之间的距离为参变量， 以参数化表达式的 形式进行参数化． 挖掘机工作装置结构可以被视为 由一系列有序的 R R R二级杆组单元 由 3个移动副和 2个构件组成 的运动链 组成， 即 挖掘机工作装置 单元 C B A单元 B F C单元 C D F单元 DE F单元 E G F单元 G MF单元 ML F单元 G HM 单元 HN L单元 KV L． 这样 ， 以前面定义 的 A， C两点的坐标 D V X A， D VYA， D VX C， D VYC 和各个铰点间的长度变量为参数 ， 利用三角函数关系 ， 可以从动臂根部 铰点到铲斗尖依次显式计算每个铰点坐标． 如图 2 a ， b 所示为 1个 R R R杆组单元的 2种装 配构型 ， 其中 R】 ， R3 ， R2 分别表示 3个旋转副铰接 点， l ， z 2 ， 3 为各铰接点之间的长度． 图 2 a中， R1 ， R 3 ， R2 按顺时针排列 ； 图 2 b中 尺】 ， R3 ， R2 按逆时 针字母排列 ． 考虑挖掘机的工作情况 ， 只需考虑 1种 装配构型 ， 在这里 ， 取图 2 a 所表示的装配构型． 在 已 知 R1 与 尺2 两点的坐标为 I ， Y R 1 ， 2 ， y 尺 2 以及各铰接点之间的长度 L 1 ， L2 ， L3的情况下， 则 R 点的坐标为 当 X 尺 。 时， a a r c t g YR ， X R a 装配构型1 b装配构型2 图 2 R R R杆 组单元 Fi g． 2 RRR dy a d 3 1 L2 C O S a 3 y R 1 L 2 s i n a L } L ； 一L ； 撤 瓦 一c t s a r c c o s Ⅷ。。 利用 A D A MS 命令语言编写的自 定义的带参数函数 A L P H A Y R 2 ， Y R 1 ， X R 2 ， X R 1 ， L 1 ， L 2 ， L 3 计算 a的值 f u nc t i o n c r e a t e f u n c t i o nn a me ALP HA t e x t o f e x p r e s s i o n “ A TA N YR 2 一Y R1 ／ X R 2一X R1 十A C O S MI N { 1 ． 0 ， MA X { 一1 ． 0 ， L 1 *L 1 L 2 *L 2一L 3*L 3 ／ 2 ． 0 ／ L 1 ／ L 2 } } 9 0 ． 0 一S I G N 9 0 ． 0 ， X R 2一XR 1 ” a r g u me nt na me s “ YR2”， “ YR1”，“ XR2”，“ XR1 ”， “ L1 ”， “ L2”， “ L3” t y p e l o c a t i o no r i e n t a t i o n c a t e g o r y l o co r i 程序中函数 自变量 Y R 2 ， Y R1 ， X R 2 ， X R1和 L l ， L 2 ， L 3分别对应三角形已知的 2点坐标和三边长． 这样， 除 A， C两点的坐标值由优化变量直接控制外， 其他关键点的坐标都可以通过调用 A L P H A函 数以表 1 的优化变量为参数计算求出． 计算顺序如图3 所示． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 6卷 lL 一一鱼 一 一一 ．一 一一 一一 一一一 ． 一一 一 一一一一 ； 尺 二 二 童 三 三 圣 三 巨 三 三 三 三 三 三 -H 三 蠢苘 二 R 3 一一一一c一 ／ 一一一 一一一一F／一一一 ／_一一 一一一 一一 一一 一一 一一一一一 I R2 图 3 各关键点参数化顺序 Fi g． 3 Or de r t o p a r a me t e r i z e t h e k e y p oi nt s 注意， 在由 H， L的坐标及 D VHK、 D VL K计算关键点 K 的坐标 时， 铰点 H， K 之间的距离是变 化的， 可以用运行过程 函数 D M P OI N TH， P OI NTL 表示． 2 ． 3 构件的参数化 参照图 1 ， 在 A D A MS ／ V i e w中 ， 以各参 数化 的点坐标为参照 ， 在各铰点 间创建 AD A MS实体连杆件 L i n k 代表抽象运动部件的框架 ， 创建实体 圆柱 C y l i n d e r 代表液压缸运动副． 注意 所有 L i n k件的厚度 及宽度都设置为趋近于零， 使其体积、 质量趋于零， 其质量、 重心、 转动惯量等特征属性将从导入 A D A MS 环境的 C AD 实体模型中获取 ． 由于 由 L i n k件组成的构件 动臂 、 斗杆 、 铲斗、 铲斗连杆、 铲斗摇杆 依附在关键点之上 ， 所 以其方位都 可以随着关键点的参数化而实现参数驱动． 对于组成液压缸运动副的 2个构件 液压缸体及液压活塞杆 ， 均以 AD AM S实体 圆柱来创建． 圆柱 的 起始点都位于参数化的点坐标上 ， 终止点并没有与参数化的点坐标相关联 ， 所以圆柱的位置随着关键点坐 标的参数化而参数化 ， 但其方 向并没有参数化 ． 要实现圆柱方向的参数化 ， 首先找到确定 圆柱方位的绘 图 起始点 即 C e n t e r Ma r k e r ， 对于斗杆液压缸体 ， 假设为 MA R KE R一2 1 ， 然后在 MAR KE R一2 1的 0r i e n t a t i o n特征中将相对原全局坐标系的角度方向值改为相对关键点的表达式 OR I AL O NGA XI S P oI NTE， P OI N TD， “ Z ” ； 当挖掘机姿态发生变化后， 关键点的坐标发生变化， 代表液压缸体及活塞杆的圆柱体能自动调整方位． 2 ． 4 运动约束的参数化 从图1 可以看出， 当模型的变量集合中有变量变化或液压缸长度变化时， 都会引起铰点位置坐标的变 化， 从而引起挖掘机工作装置姿态、 运动约束的作用坐标和方向的变化． 因此挖掘机机构模型中的运动约 束有必要参数化． 在挖掘机机构 中只存在转动副和移动副 ， 对于转动副 ， 因其在工作装置对称平面 内只有位置特征 ， 所 以将其定义在 已经参数化 了的关键点上 ， 就可以实现其参数化． 移动副的参数化定义在相对约束的 2个运动部件已参数化的基础上． 以斗杆液压缸移动副为例 ， 它连 接 2个构件 斗杆液压缸体 C y l i n d e r l及斗杆液压活塞杆 C y l i n d e r 2 ， 在 AD AM S ／V i e w中， 2个运动副参数 I Ma r k e r 和J Ma r k e r 定义了运动副的位置 、 方向和所连接的构件 ， 这样 ， 每添加 1 个运动副， 此运动副所连 接的 2个构件分别添加了 1 个 MA RK E R点； 添加运动副时 ， 第一个选择的构件添加 I Ma r k e r 点 ， 第二个 选择 的构件添加 J Ma r k e r 点 ， 所 以， 要实现移动副的参数化 ， 就是要将这 2个 Ma r k e r 点参数化 ， 为此 ， 找 到这 2个 Ma r k e r 点 ， 假设为 C y l i n d e r 1 ． Mark e r 一5 4和 C y l i n d e r 2 ． Ma r k e r 一5 5 ， 在它们的 L o c a t i o n特征中将 原来全局坐标系中的绝对坐标值改为相对关键点坐标的参数表达式 0 2 一R E L A TI VET O { 0 ． 0 ， 0 ． 0 ， 0 ． 0 } ，P OI NTE 或 L O CR EL A TI VET O { 0 ． 0 ， 0 ． 0 ， 0 ． 0 } ， P OI NTE ； 将 O r i e n t a t i o n特征中相对原全局坐标系的角度方向值改为相对关键点的表达式 OR I AL O NGA XI S P OI NTE， P OI NTD， ” Z ” ； 由此 ， 通过上述参数化坐标点 、 构件及运动约束的参数化定义 ， 就可以 由不 同的优化变量值得到不 同 的机构模型解， 由不同的液压缸运动副长度能得到不同的挖掘机工作姿态， 实现了挖掘机机构模型的参数 驱动． 结合液压、 控制子系统的仿真模型， 可以评价挖掘机的机构方案设计 ． 尽管 AD A MS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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 郭跷宁 基 于 A D A MS的液压挖掘机机械系统参数化模型 4 3 7 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 S o l i d w o r k s 软件完成液压挖 掘机虚拟样机三维参数化实体建模工作 ， 把建好 的样 机几何模型通过转换成 P a r a s o l i d格式的中性文件并导 人到 A D A MS ／ V i e w环境 中， 参数化的挖掘机机构系统 模型相结合 ， 赋予虚拟样机各部件外观质感和重量、 转 动惯量等物理特性， 形成挖掘机机械系统模型 由于篇 幅所限， 集成方法 及步骤 略． 集 成后 的挖掘机如 图 4 所示 ． 3 结论 本文运用虚拟样机技术 ， 通过研究挖掘机的工作 图4 集成后挖掘机工作装置虚拟样机 装置结构 ， 给出了以挖掘机优化变量为参变量 ， 各铰点 F i g ．4 Vi r t u al pr o t o t y pe o f t he e x阻v a t 0 r wo r k e qui p H蛐 t 坐标的计算方法 ． 利用动力学仿真软件 AD A MS提供 的参数化表达式实现了各铰点坐标 的参数化表达， 以此为基础 ， 实现了组成挖掘机工作装置机构系统的参 数化模型． 该模型与在三维造型在 S o l i d w o r k s 中完成 C AD 三维参数化实体模型集成 ， 建立了 1个包括具 有实际物理特征的 C AD 三维部件模型和具有各种运动约束关系的挖掘机虚拟样机参数化模型． 参考文献 [ 1 ] 同济大学． 单斗液压挖掘机 [ M] ． 北京 中国建筑工业 出版社 ， 1 9 8 6 ． T o n g j i Un i v e r s i t y ． Hy d r a u l i c e x c a v a t o r [ M] ． B e ij in g C h i n aC o n s t r u c t io nP r e s s ， 1 9 8 6 ． [ 2 ] 刘希平． 工程机械构造手册 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 7 ． L I U Xip in g ． S t r u c t u r e h a n d b o o k f o r e n g i n e e r i n g mech a n is m[ M] ． B e ij in g C h i n a Ma c h in e P r e s s ， 1 9 8 7 ． [ 3 ] 陈立平 ， 张云清 ， 任卫群 ， 等 ． 机械系统动力学分析及 A DA MS应用教程[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 5 ． C HE N L i p i n g ， Z I - D u NG Yu n q i n g ， R EN We i q u n ， e t a 1 ． Dy n a mi c s a n a l y s i s o f me c h a n i s m s y s t e ms a n d a p p l i c a t i o n t u t o r i a l o f AD A MS [ M] ． B e i j i n g T s i n g h u a Un i v e r s i ty P r e s s ， 2 0 0 5 ． [ 4 ] 郑建荣． AD AM S 虚拟样机技术入门与提高[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 2 ． Z HE NG J i anmn g ． I n t r o d u c t i o n and imp r o v e o f A D AMS v i r t u a l p r o t o t y p in g [ M] ． B e ij i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ， 2 0 0 2 ． [ 5 ] MS c Sof t wa r e ． MS C． AD AMS ／ Vie w高级培训教程[ M] ． 刑俊文 ， 陶永忠 ， 译 ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 ． MS C S o f t wa r e ． MS C ． AD A MS ／ Vie w a d v anc e d t r a i n i n g t u t o fi al[ M] ． XI NG J u n we n ， T AO Y o ngz h o n g ， T r a n s la t i o n ． B e i j i n g Ts ingh u a Un i v e r s i ty Pr e ss ， 2 0 0 4． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m