毕业论文-挖掘机构的设计，建模及运动仿真.doc

安徽工程大学毕业设计（论文）本科毕业(设计)论文题目：挖掘机构的设计，建模及运动仿真 Design of excavating mechanism，data modeling and motion simulation 课 题 类 型： 设计 实验研究 论文 学 生 姓 名： 学 号： 3090104232 专 业 班 级： 车辆092班 学 院： 机械与汽车工程学院 指 导 教 师： （讲师）201 3 年 6月 10日挖掘机构的设计，建模及运动仿真摘 要挖掘机构是挖掘机的工作装置，是挖掘机最核心的部分，负责挖掘机的整个动作流程。挖掘机构主要包括动臂、斗杆、铲斗。本文为研究挖掘机构在一个工作时间中的循环运动情况，对挖掘机构的每个部件进行了运动分析，结合数学和机构运动的知识，计算出各部分主要参数，利用Pro/E软件进行建模，和运动仿真，同时得出相应的运动分析图像，力求与实际情况相似，具有现实的研究意义。挖掘机作为一种重要的工程机械，在国家建设的方方面面都不可或缺。房屋新建、水利建设、矿山开发等等大大地解放了劳动力，提高了生产率。同时，它还可以持续使用，故研究其工作装置具有重要的意义。采用传统的运动分析方法往往工作量大、不精确和不直观。而采用Pro/E建模和仿真，直观清晰地体现了动作的时间和过程，简单易懂，为整机设计和性能评估提供了相应的依据。关键词：工作装置；运动分析；建模；运动仿真IDesign of excavating mechanism, data modeling and motion simulationAbstractExcavator mechanism Which is excavator working device, is the core part of the excavator .It is responsible for the entire movement. excavator mechanism mainly comprises a movable arm, boom, bucket. This article studies mining circular motion in a time of institutions. Each component of the digging mechanism is analysed, combining mathematics and motion knowledge.It worked out the main parameters of each part, It used Pro/E software to build up model, and the motion simulation, image analysis of the corresponding motion are derived.It strives to similar the actual situation.So it has the significance of reality. Excavator is a kind of important engineering machinery that in the national construction aspects are indispensable. It is used in housing construction, water conservancy construction, mining development, greatly reduces labor intensity,and improves productivity. At the same time, it also can be used continuously, so the study of its working device has important significance. Using the traditional analysis method is often heavy workload, not accurate and not intuitive. While the use of Pro/E modeling and simulation, clearly reflects the time and the process, so simple and easy to understand.It provides the basis for the design and performance evaluation.Keywords: working device; motion analysis; modeling; simulation- 5 -目 录目 录- 1 -引 言- 2 -第1章 挖掘机的简介- 3 -1.1 挖掘机整体结构- 3 -1.2 挖掘机的分类及主要特点- 4 -1.3反铲工作装置的工作原理- 4 -第2章 挖掘机的总体设计方案- 6 -2.1总体设计原则- 6 -2.2动臂的结构形式选择- 6 -2.3斗杆的结构形式选择- 7 -2.4铲斗结构形式的选择- 7 -第3章 各部分参数的确定- 9 -3.1原始几何参数初定- 9 -3.2动臂的运动分析及计算- 10 -3.3 斗杆的运动分析- 11 -3.4铲斗的运动分析- 12 -第4章 Pro/E建模和装配- 15 -4.1 Proe 创建实体特征简介- 15 -4.2各主要部件的建模- 16 -4.2.1动臂的建模- 16 -4.2.2 斗杆的建模- 17 -4.2.3铲斗的建模- 18 -4.3 挖掘机各部分的装配- 20 -4.3.1 装配的概述- 20 -4.3.2 装配的过程- 21 -第5章 PRO/E运动仿真工作装置的运动- 24 -5.1建立运动模型- 24 -5.2 设置伺服电动机- 25 -5.3运动仿真回放- 28 -5.4运动结果分析- 29 -5.4.1 运动轨迹曲线- 29 -5.4.2 测量曲线- 30 -结论与展望- 32 -致谢- 33 -参考文献- 34 -插图清单图 1-1 挖掘机的整体结构示意图-6-图 1-2 液压挖掘机反铲工作装置-7-图2-1 整体式弯动臂-10-图2-2 整体式斗杆-10-图2-3 常用铲斗形式-11-图3-1 挖掘机工作及外形尺寸示意图-12-图3-2 挖掘机工作装置尺寸计算示意图-13-图-3-3 动臂运动分析的计算图 -13-图3-4 斗杆运动分析计算图-15-图3-5 -铲斗的运动分析-17-图4-1 拉伸的展示-18-图4-2 旋转的展示-19-图4-3 扫描的展示-19-图4-4 动臂侧板的建模-19-图4-5 动臂耳座的建模-20-图4-6动臂与斗杆连接处建模-20-图4-7 动臂的整体建模完成-20-图4-8 斗杆轮廓的建模-20-图4-9 与动臂油缸连接处-21- 图4-10 与铲斗连接处-21-图4-11斗杆的整体建模完成-21-图4-12 草绘拉伸轮廓 -22-图4-13抽壳-22-图4-14拉伸铲斗与斗杆连接处 -22-图4-15拉伸，阵列形成铲齿-22-图4-16 液压缸原件-22-图4-17 连接件 -22-图4-18 机仓-22-图4-19 底座-23-图4-20 机仓的装配-24-图4-21 动臂的装配-24-图4-22 液压缸元件的装配 -25-图4-23 动臂液压缸的装配-25-图4-24 动臂与斗杆的装配-25-图4-25 斗杆液压缸和铲斗的装配-25-图4-26 铲斗液压缸的装配-26-图5-1 Pro/E拖动的界面-27-图5-2 快照3的选择-28-图5-3 快照3-28-图5-4 伺服电动机的定义1-28-图5-5 伺服电动机的定义2-29-图5-6 伺服电动机起始时间的设置-29-图5-7 挖掘机最终机构建模-31-图5-8 仿真的初始状态的设置-32-图5-9 挖掘机仿真运动状态1 -32-图5-10 挖掘机仿真运动状态2-32-图5-11挖掘机仿真运动状态 3 -33-图5-12挖掘机仿真运动状态4-33-图5-13 挖掘机铲斗的轨迹曲线-33-图5-14 挖掘机铲斗位置时间曲线-34-插表清单表3-1 挖掘机工作及外形尺寸参数表-12-表4-1Pro/E连接方式的解释说明-23-表5-1 17个伺服电动机参数设置表-29-引 言液压挖掘机是一种多功能挖掘机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量。加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。随着人类活动领域的拓展，实际工程中对工作环境的要求越来越高，同 时对人的作业环境的要求也更加严格，于是在应用领域中存在的一些问题也愈来愈不容忽略。 早在1958年国内便开始了液压挖掘机的研制开发工作，随后开发出一系列比较成熟的产品。当时出于受配件如发动机、液压件及企业自身条件的影响，其质量和产量远未达到应有的水平，与国外同类产品相比也存在较大差距。到了80年代末和90年代初，世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到了迅速的提高，突出表现在追求高效率(同一机重的挖掘机功率普遍提高，液压系统流量增大，作业循环时间减小，作业效率大大提高)；高可靠性和追求司机操作的舒适性国内现有的挖掘机基本上采用人工操作方式，因此进行挖掘机的自动化优化设计显得非常必要而紧迫。近年来，机器人学、电子技术、控制技术、计算机技术、人工智能等相关学科和技术的发展为挖掘机的自动化优化设计研究展现了广阔的前景。通过挖掘机模型的建立，可以得出挖掘机工作装置的运动学和动力学方案，这将大大改善挖掘机在轨迹规划以及动力学等方面的性能，较好地实现挖掘机自动化作业。目前，液压挖掘机的发展着眼于动力和传动系统的改进以达到高效节能;应用范围不断扩大，成本不断降低，向标准化、模块化发展，以提高零部件、配件的可靠性，从而保证整机的可靠性;电子计算机监测与控制，实现机电一体化;提高机械作业性能，降低噪音，减少停机维修时间，提高适应能力，消除公害，纵观未来，液压挖掘机技术研发有以下的趋势:（1）向大型化发展的同时向微型化发展。（2）更为普遍地采用节能技术。（3）不断提高可靠性和使用寿命。（4）工作装置结构不断改进，工作范围不断扩大。（5）液压系统不断改进，液压元件不断更新。（6）应用微电子、气、液等机电一体化综合技术。（7）增大铲斗容量，加大功率，提高生产效率。（8）人机工程学在设计中的充分利用。第1章 挖掘机的简介挖掘机，又称挖掘机械（excavating machinery)，是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘机挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，挖掘机已经成为工程建设中最主要的工程机械之一。 挖掘机最重要的三个参数：操作重量（质量），发动机功率和铲斗斗容。1.1 挖掘机整体结构图 1-1 挖掘机的整体结构示意图挖掘机主要分为以下几个部分 一、底盘 二、平台 三、液压 四、动力 五、工作装置 六、覆盖件 七、驾驶室 八、电器（包括空调）一 底盘：车架、支重轮、履带、回转支承、导轮、驱动轮、行走马达、底盘布管、中央回底盘在整机中的主要作用：（1）承重（2）行走（3）推土二 平台：平台是整个挖掘机的布置空间；动力装置、液压系统、工作装置等都是布置在平台上三 液压：液压部分是整个挖掘机的心脏部分，所有挖掘的动作都是由液压部分来控制的；液压布管一般分为先导布管和高压布管两部分液压部分主要部件有：多路阀、油箱、胶管、接头、油源阀、先导操纵等；四 动力：动力部分主要部件有：柴油机、液压泵、散热器、油冷器、燃油箱等主要作用：提供动力源五 工作装置：动臂、斗杆、铲斗、油缸及管路；主要作用是挖掘。六 覆盖件：机罩、发动机罩、盖板七 驾驶室：密封室和四柱棚八 电器：喇叭、雨刮、灯、收音机、电瓶、继电器等。1.2 挖掘机的分类及主要特点液压挖掘机种类繁多，可以从不同角度对其类型进行划分。（1） 按主要传动机构的类型分，分为全液压传动和非全液压传动。若挖掘、回转、行走等主要机构的动作均为液压传动，则为全液压挖掘机。若其中某一个机构采用 机械传动，则为非全液压挖掘机。机械挖掘机一般使用与大型矿山上。（2） 按行走机构的类型分，分为履带式、轮胎式、汽车式、悬挂式及拖式。履带式液压挖掘机应用最广，在任何路面行走均有良好的通过性，对土壤有足够的附着力，接地比压小轮胎式液压挖掘机具有行走速度快，机动性好，可在多种路面通行的特点。悬挂式挖掘机是将工作装置安装在轮胎式或履带式拖拉机上，可达到一机多用的目的，这种挖掘机拆装方便，成本低廉。汽车式液压挖掘机一般采用标准的汽车地盘，速度快，机动性好。拖式挖掘机没有行走传动机构，行走时由拖拉机牵引。（3）按工作装置划分，分为铰接式和伸缩臂式挖掘机。铰接式较为普遍。这种挖掘机的工作装置靠各构件绕铰点转动完成。伸缩臂式挖掘机的动臂由主臂及伸缩臂组成，伸缩臂可在主臂内伸缩，还可以变幅。伸缩臂前端装有铲斗，适于进行平整和清理作业。1.3反铲工作装置的工作原理 图 1-2 液压挖掘机反铲工作装置1动臂；2动臂液压缸；3斗杆液压缸；4斗杆；5铲斗液压缸；6铲斗；7连杆；8摇杆 如图1-2所示。液压反铲工作装置一般由动臂1、动臂液压缸2、斗杆液压缸3、斗杆4、铲斗液压缸5、铲斗6、连杆7和摇杆8等组成。其构造特点是各构件之间全部采用铰接连接，并通过改变各液压缸行程来实现挖掘工程中的各种动作。动臂1的下铰点与回转平台铰接，并以动臂液压缸2来支撑动臂，通过改变动臂液压缸的行程即可改变动臂倾角，实现动臂升降。斗杆4铰接于动臂的上端，可绕铰点转动，斗杆与动臂的相当转角由液压缸5控制，当斗杆液压缸伸缩时，斗杆可绕动臂上铰点转动。铲斗6则铰接于斗杆4的末端，通过铲斗液压缸5的伸缩来使铲斗绕铰点转动。为了增大铲斗转角，铲斗液压缸一般通过连杆机构（即连杆7和摇杆8）与铲斗连接。 液压挖掘机反铲工作装置主要用于挖掘停机面一下的土壤，如挖掘沟壕、基坑等，其挖掘轨迹取决于各液压缸的运动及其组合。反铲液压挖掘机的工作过程为：先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，然后再回转至工作位置开始下一次作业循环。动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤；斗杆挖掘可获得较大的挖掘行程，单挖掘机力小一些。铲斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束时装满铲斗，需要较大的挖掘机力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘机力一般是由铲斗液压缸实现的。第2章 挖掘机的总体设计方案 挖掘机的工作装置主要部件：动臂、斗杆、铲斗。2.1总体设计原则 进行液压挖掘机的底盘总体设计时应该遵循以下原则： 1）满足使用要求、满足经济性的要求、满足劳动保护的要求、满足工艺性要求、满足机器的结构性能要求、某些零件、部件满足耐磨性要求; 2）在不增高行走装置总高度的前提下应使行走装置具有较大的离地间隙，使挖掘机在不平地面上行走具有良好的通过性能，力求增强机器对各种运行条件和作业要求的适应性； 3）要降低挖掘机的接地比压或具有较大的支承面积，以提高挖掘机的稳定性。挖掘机在斜坡下行时不发生超速溜坡现象，挖掘时不发生下滑，提高工作时的安全可靠性； 4）挖掘机的行走装置外型尺寸应符合道路运输要求，外形美观； 5）各个部件或总成的性能应相互协调、匹配，力求整体性能的一致和最优化，不可盲目追求某个局部的最佳性能，否则，可能造成整体性能恶化，或产生薄弱坏节； 6）正确地处理继承与创新的辩证关系，采用成熟技术，通过深入的理论分析，进行必要的科学实验，勇于创新。2.2动臂的结构形式选择动臂是工作装置中的主要构件，斗杆的结构形式往往决定于动臂的结构形式。反铲动臂分为整体式和组合式两类。 整体式动臂有直动臂和弯动臂两种。直动臂构造简单、轻巧、布置紧凑，主要用于悬挂式挖掘机。采用整体式弯动臂有利于得到较大的挖掘深度，它是专用反铲装置的常见形式。整体式弯动臂结构简单、低廉，刚度相同时结构重量较组合式动臂轻。它的缺点是替换工作装置少，通用性较差。为了扩大机械通用性，提高其利用率。往往需要配备几套完全不通用的工作装置。一般说，长期用于作业相似的反铲采用整体式动臂结构比较合适。 组合式动臂一般都为弯臂形式。其组合方式有两类，一类用辅助连杆（或液压缸）连接，另一类用螺栓连接。它的工作尺寸和挖掘力可以根据作业条件的变化进行调整，较合理地满足各种类型作业装置的参数和结构要求，从而简单地解决主要结构的统一化问题，装车运输也比较方便。 出于对设计整体和难易程度的分析，选用整体式弯动臂。图2-1 整体式弯动臂2.3斗杆的结构形式选择斗杆也有整体式和组合式两种，大多数挖掘机采用整体式斗杆，当需要调节斗杆长度或杠杆时采用更换斗杆的办法，或者在斗杆上设置24个可供调节时选择的与动臂端部铰接的孔，有些反铲采用组合式斗杆。在设计中由于不需要调节斗杆的长度，故采用整体式斗杆。图2-2 整体式斗杆2.4铲斗结构形式的选择铲斗结构形状和参数的合理选择对挖掘机的作业效果影响很大。铲斗的作业对象繁多，作业条件也不同，用一个铲斗来适应任何作业对象和条件较困难。为了满足各种特定情况，尽可能提高作业效率，通用反铲装置常配有甚至十多种斗容量不同，结构形式各异的铲斗，其应满足以下的要求： 利于物料的自由流动。铲斗内壁不宜设置横向凸缘、棱角等。斗底的纵向剖面形状要适合于各种物料的运动规律。 要使物料易于卸净。 为了使装进铲斗的物料不易于卸出，铲斗的宽度与物料颗粒直径之比应大于4：1。为此比值大于50：1时，颗粒尺寸的影响颗不考虑，视物料为均质。 装设斗齿有利于增大铲斗与物料刚接触时的挖掘线比压，以便切入或破碎阻力较大的物料。挖硬土或碎石时还能把石块从土壤中耙出。斗齿的材料、形状、安装结构及其尺寸参数都值得研究，对它的主要要求是挖掘阻力小，耐磨，易于更换。目前，国产挖掘机斗齿安装方式主要有两类，斗容量q0.6m时多采用螺栓连接，斗容量q0.6m时多采用橡胶卡销结构。 本次设计斗容量为0.9m，故采用安装方式为橡胶卡销连接的斗齿制成的铲斗，其切削前缘中间略微突出，不带侧齿，侧壁略微呈凹形的中小型挖掘机常用铲斗。图2-3 常用铲斗形式第3章 各部分参数的确定3.1原始几何参数初定 图3-1 挖掘机工作及外形尺寸示意图表3-1 挖掘机工作及外形尺寸参数表挖掘机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3，即工作装置的几何位置由动臂油缸长度L1、斗杆油缸长度L2、铲斗油缸长度L3决定，当L1、L2、图3-2 挖掘机工作装置尺寸计算示意图L3为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定3.2动臂的运动分析及计算B1L22L1maxC1l3l2B0LIminA 图3-3 动臂运动分析的计算图：动臂油缸的最短长度；：动臂油缸的伸出的最大长度；A：动臂油缸的下铰点；B：动臂油缸的上铰点；C：动臂的下铰点。 角1：动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最小值 角2：动臂油缸两铰点分别与动臂下铰点连线夹角的最:大值在ABC中： 当L1=L1max 动臂摆角的范围动臂参数计算取动臂弯角为，取=1.94（动臂长与斗杆长之比），据经验公式最大挖掘半径一般等于动臂长，斗杆长和铲斗长三者之和。即通过查找资料确定0.9的堆积铲斗长 由此可计算得 动臂长 斗杆长 动臂在Z点被分为和取动臂参数()=1.2.经计算得 3.3 斗杆的运动分析L2maxDE1E0L2min4l53l6F图3-4 斗杆运动分析计算图D-斗杆油缸与动臂的铰点点； F-动臂与斗杆的铰点；E-斗杆油缸与斗杆的铰点； ：斗杆摆角的最小值：斗杆摆角的最大值在DE0F中 此时同理，在中 此时由上图几何关系知斗杆的摆角的范围 3.4铲斗的运动分析铲斗相对于XOY坐标系的运动是L1 、L2、L3的函数，现讨论铲斗相对于斗杆的运动，如图3-5所示，G点为铲斗油缸与斗杆的铰点，F点为斗杆与动臂的铰点Q点为铲斗与斗杆的铰点，V点为铲斗的斗齿尖点，K点为连杆与铲斗的饺点，N点为摇杆与斗杆的铰点，M点为铲斗油缸与曲柄的铰点，H点为曲柄与连杆的铰点1。1） 铲斗连杆机构传动比i和铲斗缸的当量作用力臂利用图3-3，可以知道求得以下的参数：在MNG中 在HNQ中 在QHK中 在KHQN中 铲斗油缸对N点的作用力臂r1 连杆HK对N点的作用力臂r2 连杆HK对Q点的作用力臂r3r3 = l24铲斗对Q点的作用力臂r4r4 = l3连杆机构的总传动比 显然3-17式中可知，i是铲斗油缸长度L2的函数，用代入可得初传动比，代入可得终传动比iz。 显然i 、和 都是 的一元函数。2） 铲斗相对于斗杆的摆角铲斗的瞬时位置转角为 其中，在NFQ中 暂时未定，其在后面的设计中可以得到。当铲斗油缸长度L3分别取L3max和L3min时，可分别求得铲斗的最大和最小转角和，于是得铲斗的瞬间转角:铲斗的摆角范围 (3-21) 图3-5 铲斗的运动分析 第4章 Pro/E建模和装配 Pro/E是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/E的参数式有以下四个特征.1 三维实体模型 三维实体模型除了可以将用户的设计概念以最真实的模型在计算机上呈现出来之外，用户可随时计算出产品的体积、面积、质量中心、重量、惯性矩等，用以了解产品的真实性。2 单一数据库 Proe 可随时由三维实体模型产生二维工程图，而且自动标注工程图尺寸，在三维实体模型上做设计变更，则其二维工程图也会自动修改。反之，亦然。同时组件、模具、数控加工程序等相关文件也会自动修改，如此可确保资料的正确性，并避免反复修正的耗时性。此单一数据库的功能符合了现代产业中同步工程的观念。3 以特征作为设计的单位 Proe以最自然的思考方式从事设计工作，如钻孔、挖槽、倒圆角等，均视为零件设计的基本特征，除了充分掌握设计概念之外，还在设计过程中导入了实际的制造观念；也因为以特征作为设计的单元，因此可随时对特征做顺序调整、插入特征、删除特征、重新定义特征等修正动作。4 参数式设计 配合单一数据库，所有设计过程中使用的尺寸都保存在数据库中，修改三维实体模型的尺寸，则二维工程图、三维组件、模具等立即按照尺寸的变更做几何形状的变化，以此达到设计变更工作的一致性，用户可以运用强大的数学运算方式，创建各尺寸参数的关系式，使得模型可自动计算出应有的外形，减少尺寸逐一修改的繁琐费时，并减少错误的发生。4.1 Proe 创建实体特征简介 本文基于proe的挖掘机建模，重点包括动臂、斗杆、铲斗、液压支柱，除工作装置外，底座等其他部件只勾画外部轮廓，不做详细叙述。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。任意零件都需先进行草绘，然后使用命令创建基本特征，再进行编辑修改，最后完成建模。首先介绍下Proe建模中常用的命令。a 拉伸 在完成二维截面的草图绘制后，垂直此截面输入拉伸深度长出实体图4-1 拉伸的展示 b旋转 将二维截面绕着一条中心线旋转，输入旋转角度，做出一个旋转体。图4-2 旋转的展示c 扫描 将二维截面沿着一条轨迹线扫描出实体图4-3 扫描的展示d 倒圆角 将零件的一个或数个边作为圆弧面，注意设置圆角半径。4.2各主要部件的建模4.2.1动臂的建模 动臂的建模是先草绘拉伸出整个侧板，然后倒圆角，修改外型，再拉伸出连接处的肋板和上下耳座。最后镜像完成所有的建模。图4-4 动臂侧板的建模图4-5 动臂耳座的建模图4-6动臂与斗杆连接处建模图4-7 动臂的整体建模完成4.2.2 斗杆的建模与动臂建模相似，先草绘拉伸出轮廓，再拉伸镜像，添加耳座孔的位置。图4-8 斗杆轮廓的建模图4-9 与动臂油缸连接处 图4-10 与铲斗连接处 图4-11斗杆的整体建模完成4.2.3铲斗的建模草绘拉伸轮廓，然后抽壳，形成外形轮廓。图4-12 草绘拉伸轮廓 图4-13抽壳 图4-14拉伸铲斗与斗杆连接处 图4-15拉伸，阵列形成铲齿4 其余部件的建模，不再详述，只展示最后模型图4-16 液压缸原件图4-17 连接件 图4-18 机仓图4-19 底座4.3 挖掘机各部分的装配4.3.1 装配的概述完成零件设计后，将设计的零件按照设计要求装配在一起形成完整的运动机构。PROE中的装配常使用2种方式，一是按约束类型装配，二是按连接类型装配。以约束条件装配固定不动的原件:在装配机构的元件时，若欲装配的原件为固定不动的原件，则操作者直接在现有的组件上及欲装配的原件上选取点、线、面等几何元素，PRO/ENGINEER系统即会自动给定贴合、对齐、插入等约束条件，以将原件固定在现有的组件上，此外，也可自行指定元件固定住的约束条件。约束类型有以下几种：自动、缺省、固定、曲面上的边、曲面上的点、直线上的点、相切、坐标系、插入、配对、对齐等以连接条件装配可移动的原件：在装配元件的过程时，如此元件为机构中可移动的元件，则须设置适当的“连接条件”，使此元件与现有组建上的元件连接在一起。不同的连接条件提供不同的自由度及不同的移动机能，以使元件在机构运作时有正确的运动方式要进行挖掘机的运动仿真，必须将挖掘机工作时的每个动作分解，故使用连接方式进行装配更加合理，通过观察每个零部件的自由度，运动方式，从而使用相应的连接方式加以装配，完成挖掘机的建模。下面就常用的11种连接方式（刚性、销钉、滑动杆、圆柱、平面、球、焊接、轴承、一般、6DOF、槽等连接条件。）简单说明。表4-1Pro/E连接方式的解释说明名称符号自由度操作方式解释说明适用于平移旋转刚性00由组件及元件选几何图元，直至完全约束 住两个零件粘合在一起，相当于固定住元件底座的整体装配销钉01选连个轴，再选两个平面元件只能绕轴旋转液压缸底部圆孔滑动杆10选两个边或轴，再选两个平面元件只能沿着一个边或一个轴平移斗杆液压缸圆柱11选两个轴元件沿着一个轴平移，且绕着此轴旋转液压柱顶部圆孔平面21选两个平面元件沿着平面移动，且绕着平面的垂直方向旋转机舱和底座球03选个点元件可以在这个点任意旋转焊接00选2个坐标系两个元件粘合在一起 4.3.2 装配的过程 图4-20 机仓的装配 图4-21 动臂的装配底座装配主要是面对齐、匹配，动臂装配主要是销钉、轴对齐、匹配。 图4-22 液压缸元件的装配 图4-23 动臂液压缸的装配动臂液压缸主要采用滑动杆、轴对齐、旋转命令完成装配，在液压元件的装配过程中，液压缸底部圆孔均采用“销钉”连接，而液压柱顶部圆孔均采用“圆柱”连接。图4-24 动臂与斗杆的装配图4-25 斗杆液压缸和铲斗的装配 图4-26 铲斗液压缸的装配第5章 PRO/E运动仿真工作装置的运动Pro/E运动仿真的基本流程是建立运动模型，设置运动环境，分析运动结构、获取结果回放。在第四章，我们已经完成了运动模型的装配，即将动臂，斗杆，液压系统，连接片，挖斗，回转装置，以及挖掘机的整体按照它们应该具备的运动方式连接在了一起，但是元件在组件中仍然无法移动或旋转，必须对连接组件的某些元件赋予“动力”，才能做仿真运动。在Pro/E机械操作环境中，伺服电动机能为机构提供动力，所以仿真的关键是伺服电动机的添加与设置。5.1建立运动模型伺服电动机的相关名词解释伺服电动机：伺服电动机可规定机构以特定的方式运动，它用于引起在2个主体之间、单自由度内的特定类型的运动，将位置、速度或加速度指定为时间的函数，并可控制平移或旋转运动。伺服电动机分为2种，运动轴伺服电机和运动电机。运动轴伺服电机：用于定义某一旋转轴的旋转运动，只需选择一个由连接所定义的旋转轴，并设定方向即可。本文全部采用的是运动轴伺服电动机。几何伺服电机：用于创建复杂的运动。需要选取从动件上的一个点或平面，并选取另一个主体上的一个点或一个平面作为运动的参照，需要确定运动的方向和种类。电动机的轮廓选项：可以指定伺服电动机的位置、速度、加速度随时间变化而变化的规律。本次仿真全部选择速度来定义。我们现在已经装配获得了挖掘机的整机造型，首先通过拖动，调整挖掘机工作设置到合适的位置，确定仿真的初始状态和位置，然后进行快照。步骤结果如下图5-1 Pro/E拖动的界面点击拖动，选择合适的组件，移动鼠标，然后点击快照，选择快照3为仿真的初始位置。图5-2 快照3的选择图5-3 快照35.2 设置伺服电动机经过观察和分析将挖掘机的整个工作循环过程分解为3个液压缸伸缩动作的组合，按照时间的先后顺序和动作持续时间的合理安排，完成仿真。这些动作的完成是由动臂液压缸、斗杆液压缸、铲斗液压缸在17个伺服电动机的驱动下进行的。每个液压缸的设置步骤相似，在此仅详述电机1的设置过程。图5-4 伺服电动机的定义1图5-5 伺服电动机的定义2右击电动机下面的伺服，在类型中选择运动轴，点击箭头，在原模型中选择斗臂油缸的滑动杆连接，作为旋转轴，根据动作分析的要求，电机1对应于动臂的伸展，观察动机的箭头运动方向是否正确，不正确则点反向，若是旋转运动，则用右手法则判断， 在轮廓中选择速度，输入模值为30，点击确定。完成电机1的设置。同理，设置其他的16个电机。点击机构分析图标，按照下图，输入每个电机的开始和终止时间，实现多电机分时段产生作用，共同完成挖掘机的整个工作运动过程。 图5-6 伺服电动机起始时间的设置具体电机设置参数情况如下表表5-1 17个伺服电动机参数设置表序号完成动作起止时间模常数单位1动臂液压缸的伸展010S30mm/sec2斗杆液压缸的伸展010S100mm/sec3铲斗的液压缸的收缩 1012S 150mm/sec4工作台左转移动 1216S23deg/sec5动臂液压缸的收缩 1216S80mm/sec6铲斗液压缸的收缩1618S280mm/sec7工作台右转移动1822S23deg/sec8动臂液压缸的伸展2232S30mm/sec9斗杆液压缸收缩3242S80mm/sec10动臂液压缸伸展4252S70mm/sec11斗杆液压缸的伸展5254S280mm/sec12铲斗液压缸的伸展5254S200mm/sec13动臂液压缸的收缩5464S30mm/sec14工作台的左转移动6468S23 deg/sec15斗杆液压缸的收缩6870S100mm/sec16铲斗的液压缸收缩6870S200mm/sec17工作台的右转移动7074S23deg/sec图5-7 挖掘机最终机构建模5.3运动仿真回放在设置好电机的起止时间后，要进行运动回放，检查运动干涉，如果运动有干涉，要重新调整运动的速度和电机的起始时间，直到各部分可以连续顺畅的运动为止。上述参数是经调整后适合的参数，调整过程不再赘述。现在描述下运动仿真回放的过程。在设置完电机的那个分析定义页面，点击首选项，设置终止时间为74S，初始配置为快照3，点击运行，则开始进行运动仿真。设置如下图图5-8 仿真的初始状态的设置仿真过程中不同时间段的运动状况展现。 图5-9 挖掘机仿真运动状态1 图5-10 挖掘机仿真运动状态2 图5-11挖掘机仿真运动状态 3 图5-12挖掘机仿真运动状态45.4运动结果分析5.4.1 运动轨迹曲线 在机构分析模块中，选择插入轨迹曲线选取点（铲斗边末端）选取结果集中的文件选取曲线类型为3D，点确定，则出现挖掘机铲斗运动的3维运动轨迹曲线。具体如下图。 图5-13 挖掘机铲斗的轨迹曲线5.4.2 测量曲线 点击点击新建选取点（铲斗的边末端）点击坐标系选取X分量点击确定回到原来的界面即出现以下的图像。 图5-14 挖掘机铲斗位置时间曲线结论与展望 我的毕业设计论文题目是挖掘机构的设计、建模和运动仿真。对挖掘机的认识，我以前只是在生活中看到在房屋建设挖地基时，它的整体挖掘动作的运动情况。但是对其内部结构及基本原理，知之甚少。我从头开始准备，学习搜集资料，计算，三维建模，运动仿真。从机械知识到绘图软件，全方位的充实学习，结合课题，理论联系实践，不断克服毕业设计中的种种难题，我完成了具有挑战的设计任务，对此，我觉得感受颇多，受益匪浅。本文重点描述了挖掘机工作装置的运动分析，建模和仿真的过程。通过直观的三维动画，可以清晰地观察挖掘机的主要工作装置的结构，了解挖掘机的运动关系。在设计的过程中，我更加细致地学习了Pro/E软件，尤其是机构分析及运动仿真的模块。很多不懂的问题，只有询问老师和自己查找资料学习，一方面提升了我的专业技能，另一方面也培养了我不怕困难，迎难而上，坚持不懈认真踏实解决问题的精神。这些都是我以后的学习生活的宝贵经验。我的毕业设计是第一次完全自己动手，从零开始，设计个较为完整的机械。其中借鉴了一些他人的研究成果，加以自己的理解和计算。虽然毕业设计已经完成，但是还有很多不足和不完善的地方。学无止境，我会在以后加强理论与实践的学习，增加设计的可行性，真正将所学应用到工作中，充实提升自己，争取做一位合格负责的设计人员。致谢在本文的撰写过程中，王雷老师作为我的指导老师，给予我很多的指导和支持。在每个阶段，为我设定计划，指明方向，搜寻资料，解答我的困惑，帮助推进我的设计进程。在我遇到难题，一时很难突破时，耐心的给我指导和鼓励。他严谨的治学态度，温和的说教方式，灵活的视角，丰富的学识和经验，都深深的影响了我，为我树立了一个良好的榜样。在毕业设计完成之际，在此我向王雷老师表示我最衷心的感谢。这次毕业设计的顺利完成，是前期四年知识和技能的积累。我所学的大部分学科，都是毕业设计所能用到的。所以，也借此感谢四年来曾经教育过、指导过、帮助过我的所有老师。谢谢你们将所学无私的奉献给我，让我拥有学习和增长知识的机会。此外，在毕业设计的3个多月中，我和同学相互学习，相互鼓励和改进，也谢谢你们的真挚友情，这是我一辈子的财富。最后，我要谢各位老师在百忙之中，能够抽出时间批阅和修改我的毕业论文，给予我大学最后一次指导，让我圆满的完成四年的学习任务和大学历程。参考文献1孔德文，赵克利，徐宁生等编著.液压挖掘机M. 北京：化学工业出版社，20072李宏，张钦良主编.现代挖掘机构造原理及拆装维修M.北京:化学工业出版社，20093文九巴主编. 机械工程材料M 北京：机械工业出版社. 2002.7:P131-1744勇主编. 现代公路施工机械M 北京：人民交通出版社. 1999:P66-745韩玉龙主编. Pro/E Wildfire组件设计与运动仿真专业教程M.北京：清华大学.20046苏厚合,黄俊贤等主编.Pro /ENGINEER2001入门指南M.北京:人民邮电出版社.20057林清安编著.Pro/ENGINEER野火5.0零件设计基础设计M.北京：电子工业出版社.20068王为，汪建晓主编.机械设计M.武汉：华中科技大学出版设。20119朱辉，唐保宁，陈大复等编