基于Pro／E的液压挖掘机反铲工作装置运动仿真.pdf

第27卷第2期 辽宁石油化工大学学报 Vol. 27 No. 2 2007年6月 JOURNAL OF LIAONING UNIVERSITY OF PETROLEUM Pro/ E; 建模; 包络图; 运动仿真 中图分类号 TB21 文献标识码A Dynamic Simulation Analysis of Backhoe Working Equipment of the Hydraulic Excavator Based on Pro/ E Software FU Yue , DENG Zi - long School of Mechanical Engineering , L iaoning University ofPetroleum revised30March2007; accepted2A pril2007 Abstract The traditional design s to draw the envelope diagram have many shortcomings , such as the heavy workload , imprecision and less intuition. Pro/ E software was used to model and assemble for backhoe working equipment of the hydraulic excavator. Above all , the excavator movement process and work conditions were analyzed.Then mechanism kinematics simulation was carried on by Mechanism module in the Pro/ E software. The limit positions of movable arm , bucket arm and bucket were found through setting joint shafts of the excavator. At last , the envelope diagram of the top end of excavator bucket was obtained. The results of motion simulation can be not only shown in of cartoon , but also output in of parameters. So the working parameters of the excavator are obtained. It can be known whether the components interfere and whether excavator design satisfies the perance requirement. Dynamic simulation provides design references for improving overall perances. Key words Excavator ; Pro/ E; Modeling; Envelope diagram; Dynamic simulation Corresponding author. Tel. 86 - 413 - 6864980 ; fax 86 - 413 - 6865160 ; e - mail fuyuefy 126. com 液压挖掘机在工业与民用建筑、 道路建设、 农田 水利、 油田矿山、 市政工程等部门土石方施工中占有 重要位置,对减轻繁重的体力劳动、 保证工程质量、 加快建设速度、 提高劳动生产率起着十分重要的作 用。目前挖掘机的设计一般是先制定设计方案、 采 用力学的方法进行运动规律分析、 优化、 强度分析及 计算和结构设计等[1]。工作装置的动力学分析中, 了解工作装置各点运动状况和受力情况是整个分析 收稿日期2006 - 10 - 27 作者简介付越1980 - ,女,辽宁锦州市,在读硕士。 的基础,也是合理解决问题的关键。但是最困难和 繁琐的工作就是运动机构的设计与运动轨迹绘制。 单斗液压挖掘机的工作装置可以看成是由动臂、 斗 杆、 铲斗、 动臂油缸、 斗杆油缸、 铲斗油缸及连杆机构 组成的具有三自由度的机构。若考虑绕底盘旋转, 则是一个四自由度的机构。目前采用轨迹图法或根 据几何约束条件建立方程组进行求解,涉及起来比 较麻烦,要经过大量的理论分析及计算并且不直观, 结果也不尽如人意[2]。 Pro/ E是美国PTC公司开发的三维设计软件, 它的功能非常强大,为工业产品设计提供完整的解 决方案,广泛应用于造型设计、 机械设计、 模具设计、 加工制造、 机构分析、 有限元分析及关系数据库管理 等各个领域[3]。其中强大的Pro/ E Wildfire的运动 学分析Mechanism模块可以进行装配的运动学分 析和仿真、 机构动力学分析。可以使原来在二维图 纸上难以表达和设计的运动变得非常直观和易于修 改,并且能够大大简化机构的设计开发过程,缩短开 发周期,减少开发费用,提高产品质量,可以解决用 理论的方法来计算挖掘机装置的静动态特性的缺 点[4]。 1 模型的建立 液压挖掘机的作业过程是以铲斗的切削刃通 常装有斗齿切削土壤将土壤装入斗内。斗装满后 提升,回转到卸土位置进行卸土。卸完后铲斗再转 回并下降到挖掘面进行下次挖掘。当挖完一段土壤 后,整机移位,以便继续工作[5]。液压挖掘机为了实 现上述周期性作业动作,整机由下列几个基本组成 部分动力装置、 工作装置、 回转机构、 传动操作机 构、 行走装置和辅助设备。反铲作业设备是中小型 液压挖掘机的主要工作装置,本文重点研究挖掘机 工作装置的运动规律,主要对反铲作业设备进行了 建模,包括动臂、 斗杆、 铲斗和它们的连接部件。对 回转装置进行简化、 对行走装置、 辅助设备省略。 对液压挖掘机反铲工作装置的零件进行三维实 体造型几乎要用到Pro/ E中所有的常用操作方法, 如拉伸、 旋转、 切割、 倒角、 以及圆角等常用操作命 令[6]。例如绘制动臂先绘制草绘图,用到[直线]、 [圆弧]、[相切]和[修剪]等操作,再双向拉伸得到动 臂的主体。接下来主要用[拉伸]操作依次绘制连接 柱、 连接环,[切除]操作绘制轴孔,最后用[圆角]工 具完成整个动臂的绘制。其它主要零部件还包括斗 杆、 铲斗、 连接片、 导向杆、 导向槽、 底座等。 2 构件运动装配 为了使装配完的挖掘机能够进行机构运动仿 真,需要将各零件进行运动装配。运动装配既要使 两个构件直接接触,又要使两个构件产生一定运动。 由于运动装配与零件装配都是将单个零部件装成一 个完整的机构模型,它们之间有很多相似之处。 1相似点 ① 两者都利用[元件放置]对话框连接或安装零 部件,并根据同轴、 共面等几何约束关系将各零件装 配起来; ② 装配和子装配之间的关系相同,Pro/ E将连 接信息保存在装配文件中,使父装配继承了子装配 中的连接定义。 2不同点 ① 创建机构是应用[元件放置]对话框的[连接] 功能连接机构中的各个机构,而零件装配直接在[元 件放置]对话框中通过定义装配约束来安装各个零 部件; ② 由零件装配得到装配体,其内部的零部件之 间没有相对运动,而由连接得到的机构其内部的构 件之间可以产生一定的相对运动; ③ 创建机构以后必须添加驱动器才能进行机构 运动仿真。 运动装配首先插入回转支撑,单击元件放置对 话框中的 “默认位置”,以系统默认位置装入回转支 撑零件。接下来插入动臂,设置放置类型为 “约束” 、 连接类型为 “销钉”,选取动臂和回转支撑之间的基 准轴线,再分别选取动臂和回转支撑的FRON T基 准面作为配合。同理,按一定的顺序,将挖掘机其它 部件装配到相应的固定位置,得到的总装配如图1 所示。 图1 回转支撑和动臂的装配 3 机构运动仿真 挖掘机铲斗斗尖轨迹的包络图,即挖掘机在任一 正常工作位置时所控制到的工作范围。它是挖掘机 后来进行静动态分析的前提和基础。目前包络线图 的绘制方法多采用绘图法即当反铲工作装置的结构 形式及结构尺寸己定时包括动臂、 斗杆、 铲斗尺寸、 铰点位置,相对的允许转角或各油缸的行程等 , 用作 图法求得挖掘机挖掘轨迹的包络图。或采用矩阵方 法即根据相邻两杆件的平移、 转动关系,为关节链中 的每一个杆件建立附加坐标系。在杆机构的分析中 利用坐标变换,求出不同位置的节点力与位移的关 系,然后在计算机上用C 程序编程。这两种方法 复杂、 工作量大而且不直观,而采用Pro/ E的运动学 仿真模块,可以通过限制挖掘机的极限位置而得到挖 掘机的铲斗斗尖运动轨迹即挖掘机包络线图,这大大 15第2期 付 越等.基于Pro/ E的液压挖掘机反铲工作装置运动仿真 The Standard is downloaded from Standard Sharing 节省了运动分析的时间,并提高分析的质量。 挖掘机在工作中有几个典型的工况位置。1 铲斗最高位置处的姿态。铲斗最高位置出现在动臂 油缸全伸,斗杆油缸和铲斗油缸全缩时。2最高 卸载高度处的姿态。工作装置处于最高卸载高度 处,动臂油缸全伸,斗杆油缸全缩,铲斗处在垂直工 作地面向下的位置,该位置挖掘机工作装置先满斗 上升,到卸载位置处开始卸载,其目标是使装载车达 到尽可能多的物料装载。其中涉及的运动包括上 升过程的加速与减速,卸载过程的抖动卸料及卸载 完后的加速下降。3最大挖掘半径的姿态。挖掘 机的设计规范中,最大挖掘半径是评价挖掘能力的 主要标准之一,它决定着挖掘机的挖掘范围。该位 置出现在斗杆油缸全缩,铲斗齿尖、 斗杆与铲斗铰接 点及斗杆与斗杆油缸铰接点这3点处于同一直线 上,且动臂油缸缩进使铲斗齿尖处于地面上。在该 位置处,工作装置下落时,挖掘机将会产生很大的冲 击力,在挖掘的过程中也将受到很大的土壤阻力。 4最深挖掘位置处的姿态。此位置出现在动臂油 缸全缩,斗杆与斗杆油缸铰接点、 斗杆与铲斗铰接点 及铲斗齿尖在同一直线上且垂直于挖掘面。该位置 处,铲斗中物料较多,土壤挖掘阻力较大,大臂、 斗杆 与铲斗的受力都很大,同时该位置也是用于计算斗 杆与铲斗的危险情况的典型受力工况位置。 了解挖掘机各个典型位置后,以保证挖掘机具 有良好的综合性能为原则,包括能够得到较大的挖 掘深度和挖掘半径等较大的挖掘范围;铲斗满斗时 土壤不会外卸,卸载时土壤能够卸除干净;并且考虑 到反铲装置的强度等原则来确定动臂与斗杆之间、 斗杆与铲斗之间的最大夹角和最小转角。然后使用 [Mechanism]中的[连接轴设置] ,分别对动臂、 斗 杆、 和铲斗的运动范围加以限制[7 - 8]。接下来可以 通过Pro/ E中的[拖动]功能拖动动臂得到动臂的 极限位置;再固定旋转支撑和动臂拖动斗杆得到斗 杆的极限位置;最后固定动臂和斗杆,拖动铲斗以得 到铲斗的极限位置。整个挖掘机的各个运动极限位 置分析后,就可以创建驱动器。 挖掘机具有多个自由度,且各个自由度之间形 成一个完整的闭环结构,因此它的机构仿真属于多 驱动 器 开 环 机 构 仿 真。创 建 驱 动 器,选 择 [Mechanism]中的[伺服电动机]分别在回转装置与 动臂、 动臂与斗杆、 斗杆与铲斗的连接轴处创建3个 伺服电机,在[规范]处选择[位置] ,在[模]处选择 [表] ,根据各零件的运动范围设置时间和位置,以确 定不同时间电机的相对转角。然后进行运行分析, 选择[Mechanism]中的[运行] ,新建分析定义,设置 好开始和结束时间,按照各个伺服电机的运动顺序 添加电机,并设置好每个电机的开始和结束时间。 这样,挖掘机就会在要求的范围内运动。选择 [Mechanism]中的[运动轨迹] ,选择铲斗末端一点, 就可以得到挖掘机铲斗的包络线图,如图2所示。 挖掘机各极限位置如图3所示。 图2 挖掘机包络 abcdef 图3 挖掘机工作装置各极限位置 a铲斗和斗杆油缸全缩、 动臂油缸全伸; b斗杆油缸全缩,铲斗和动臂油缸全伸 ; c 铲斗、 斗杆和动臂油缸全伸; d铲斗油缸全缩,斗杆和动臂油缸全伸 ; e 铲斗、 动臂油缸全缩、 斗杆油缸全伸 ; f 铲斗、 斗杆和动臂油缸全缩 运动仿真的结果可以以动画的形式表现,也可 以以参数的形式输出。启动[Mechanism]中的[测 量]选择铲斗末端的一点,可得到这一点随时间变化 的X和Y方向的位置参数,如图4所示。从图4中 25 辽宁石油化工大学学报 第27卷 可以得到挖掘机的工作参数,如最大挖掘半径和最 大挖掘深度,分别为图4 a , b最低点的绝对值。 这样不仅可知零件之间是否干涉,干涉的体积有多 大,还可获知挖掘机的设计是否满足性能要求。根 据仿真结果对设计的零件进行修改,可以大大的提 高设计的效率。 本文以挖掘机反铲工作装置为例,用Pro/ E的 Mechanism模块进行了机构运动学仿真,探讨了一 种效率更高的绘制挖掘机铲斗包络线图的方法。从 分析结果看,整个过程与实际的工艺过程非常吻合, 这样可在设计阶段解决外观造型设计、 装配工艺问 题、 运动干涉问题等。挖掘机工作装置运动仿真的 实现,结束了挖掘机设计只能在物理样机上进行的 历史,创造了新的挖掘机设计途径。仿真结果还可 以以动画的形式表现出来,也可以以参数形式输出, 得到挖掘机各部件的运动参数,为以后静动态分析 提供了依据,节省了设计的时间,也提高了设计的质 量和效率。 a X方向b Y方向 图4 挖掘机铲斗末端一点位置参数 参 考 文 献 [1] 张华,郭荣春,周进.挖掘机动臂在Pro/ E中的动态模拟与分析[J ].农业装备与车辆工程,2005 ,9 26 - 27. 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