固定式破碎机三维建模与运动分析说明书VIP

安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线摘 要本次设计建立了固定式液压破碎机三维设计模型，通过机构分析完成关键设备机构的运动模拟及机构参数的优化，实现特定空间内机构的工作范围和运动轨迹规划，提高设计效率和安全性。本设计以作业空间要求为基础，确定机械参数，运用 Pro/E 5.0 软件建立破碎机的三维模型；然后运用机器人学的方法求解破碎机臂架的正运动学，再用几何方法求解破碎机臂架的逆运动学;最后利用 Pro/E 5.0 软件进行运动仿真和分析。经运动模拟分析和正逆运动学计算，得到了机构的工作范围、运动轨迹规划以及打击时各铰链处的作用力。关键词：固定式破碎机；Pro/E；三维建模；运动模拟与分析；正运动学；逆运动学安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线AbstractThis design is to establish a stationary hydraulic crushers three-dimensional model and to simulate the motion of itsworking equipment and to complete parameter optimization of the mechanism by mechanism analysis. The target of this design is to realize the specially appointed working range and the special trajectory. This process can improve the design efficiency and the safety of the product .This design is to design the mechanical parameters basing on the working range .And using Pro/E 5.0 software establish the crushers three-dimensional model. Then working out the forward kinematics of the crushers working equipment by using robotics methods .Working out the inverse kinematics of the crushers working equipment by using geometric method .Finally, using Pro/E 5.0 software complete the motion simulation and analyze of the crusher working equipment.Through the motion simulation and computing of forward and inverse kinematics ,this design has worked out the working range ,the special trajectory and force at each hinge when the machine is working . keywords ： stationary crusher; Pro/E; three-dimensional modeling; the motion simulation and analyze; forward kinematics;inverse kinematics安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线目录中文摘要英文摘要1. 总 论 .11.1 概述 .11.2 固定式破碎机的结构与特点 .11.3 国内外固定式破碎机的发展现状 .21.4 研究的目的和主要工作 .32. 固定式破碎机的三维建模 .52.1 实体建模的基本方式 .52.2 实体建模 .52.2.1 特征技术的概括及特点 .52.2.2 三维实体对于特征的描述方法 .62.2.3 生成基于特征的模型的方式 .62.3 三维建模软件的介绍与选择 .62.4 Pro/E 软件的特点 .72.5 固定式破碎机工作装置的实例建模 .82.5.1 底座(base.asm) .82.5.2 回转支座（boom_bracket.asm） .92.5.3 大臂（boom.prt） .102.5.4 二臂（stick.prt） .102.5.5 转锤（hydraulic_breaker.prt） .112.5.6 其余零部件 .112.6 固定式破碎机工作装置的装配 .122.7 本章小结 .153. 固定式破碎机的运动学计算 .163.1 已知数据及其处理 .163.2 固定式破碎机工作空间的描述 .183.3 工作装置运动学建模 .193.3.1 关节空间到位姿空间（运动学正解） .193.3.2 位姿空间到关节空间（运动学逆解） .213.4 从关节空间到油缸驱动空间的相互映射 .233.4.1 大臂关节变量与大臂油缸长度的关系 .243.4.2 二臂关节角度与二臂油缸长度的关系 .243.4.3 转锤关节角度与转锤油缸长度的关系 .253.5 运用 MATLAB 软件绘出固定式破碎机的工作范围 .263.6 本章小结 .284. 运动仿真与运动分析 .294.1 利用 Pro/E 软件得到破碎机的工作范围 .294.2 动力学分析 .334.3 本章小结 .415. 结论 .42参考文献 .43致谢 .44安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线11. 总 论1.1 概述近年来国家基本建设飞速发展,工程机械市场火爆,为工程机械商提供了发展的机遇。矿用破碎机主要对各类石料进行破碎作业，根据破碎的原理不同和产品颗粒大小不同，又分为很多型号。常用破碎机械有颚式破碎机、反击式破碎机、立式冲击式破碎机、液压圆锥破碎机、信有重工破碎机、环锤式破碎机、锤式破碎机、辊式破碎机、复合式破碎机、圆锥式破碎机、双级破碎机、旋回式破碎机、移动式破碎机等。固定式破碎机是相对于移动破碎机而言的，又叫固定式破碎站，为固定式全液压破碎机。固定式破碎机主要应用于各类矿山、采石场破碎机的入料口或格筛处，进行大块物料的二次破碎，也可用于冶炼厂对钢包和冶金炉进行打壳拆包等处理 1。该产品破碎能力大、运行平稳、噪声低、性能可靠、操作方便，能有效地减轻工人的劳动强度，改善现场工作环境，提高工作效率，是二次破碎机械化理想设备。1.2 固定式破碎机的结构与特点固定式液压破碎机主要由机架 1、液压泵站 2、操作室 3、回转机构 4、动臂 5及动臂油缸 6、斗杆 7 及斗杆油缸 8、液压破碎锤 9 及转锤油缸 10、以及液压系统、动力系统、操作系统等组成 1 ，如图 1.1 所示。 图 1.1 固定式液压破碎机的结构 其固定式破碎机工作装置机构的结构如图 1.2 所示，工作装置范围包络如图1.3 所示。安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线2图 1.2 固定式破碎机工作装置机构图 1.3 工作装置范围包络图1.3 国内外固定式破碎机的发展现状在国内外各大中矿山在爆破开采中，第一次爆破后，由于岩石结构及节理、裂缝、爆破技术等原因都会产生大块，这些大块都要经过二次爆破来处理。二次爆破无论在露天或井下，都会给安全带来隐患。目前有些矿山已不用炸药爆破法而用液压破碎锤进行二次破碎，尤其在选厂入口格筛处采用固定式液压破碎锤进行二次破碎已成为不可阻挡的一种趋势。在国外大多露天和地下矿山的二次破碎基本上都采用液压破碎锤，在格筛，溜筛，溜井处基本上都装有固定式液压破碎锤处理矿石卡筛问题 2。2005 年，安徽惊天液压智控股份有限公司成功研发出国内第一台固定式液压破碎机，在短短几年时间，公司已占国内市场 58%左右的份额，公司为国内最大的露天矿鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿研制的一台 GTP90 型固定式破碎机，安装于其半移动式破碎站的顶部格筛处，作业半径 18 米，作业深度 15 米，配套 GT90 液压锤，冲击功达 6000J，是目前亚洲作业范围最大的一台固定式液压破碎机。在工作装置的结构方面，固定式破碎机与拆除机器人有很大程度的类似性，而国内外对拆除机器人的研究成果及资料相对固定式破碎机更为丰富，所以在研制该类破碎机时，拆除机器人的成果及资料有重要的参考价值。国外研制生产拆除机器安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线3人的厂家主要有瑞典布鲁克公司(BROKK)、德国的托普泰克公司( T O P T E C ) 、芬兰的 FINMAC 公司。国内的近年来,国内企业在引进国外拆除机器人产品的同时引进其先进的技术,根据我国工程机械行业目前的实际状况,研发、制造出了具有自主知识产权的国产多功能遥控拆除机器人,打破了国外企业在这一领域的垄断现状,填补了我国在拆除机器人研发生产方面的空白。如惊天液压公司生产的 GTC 系列多功能遥控拆除机器人,宣化鼎信矿冶机械有限责任公司生产的 DXCC 系列多功能拆除机器人（如图 1.4 所示） 7。图 1.4 惊天液压公司和宣化鼎信公司生产的拆除机器人另外，福建晋工机械有限公司的赵家宏 8等人也对拆除机器人做过装置设计和运动学仿真。中冶华天工程技术有限公司的王玉飞 9做过拆除机器人的瞬态动力学分析。此外，固定式破碎机的工作装置与液压挖掘机的工作装置也有很大的相似之处。在这一方面成果较多值得借鉴，比如重庆大学的陈玉峰 10、浙江大学的任有良11、河北工业大学的杨彦龙 12、中国工程机械学会的刘益、李继顺 13等都做过相关研究。随着 21 世纪世界经济和科学技术的飞速发展,面对持续发展、风云变幻的市场需求,企业为了提高自身竞争力,必须尽快推出新产品,更新设计,缩短产品的研发周期,提高产品质量,降低研发成本,进行创新性设计,这样才能对瞬息万变的市场需求做出敏捷反应,从而在竞争中获得相当的市场份额和利润,虚拟样机技术就是在这种迫切市场需求的驱动下产生的 3。三维建模技术在机械行业的广泛应用，根本性地改变了产品的设计、工艺以及生产装配乃至维修等环节，大幅度提升了新产品开发效率，节约产品开发成本 2。Pro/Engineer 软件具有参数化设计、基于特征建模、单一数据库（全相关）的特点，它采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。在产品机构设计过程中经常会进行机构的运动分析来确保机构在运动过程的可靠性和使用的有效性，若使用传统的数学建模、计算、作图的方法往往会遇到建模困难、计算繁琐等困难。但如果借助 Pro/Engineer 的强大建模和分析工具，则可以使这些工程问题迎刃而解。运用 Pro/Engineer 进行运动分析快速准确，可以大安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线4大提高机构设计的效率，在机构设计中有广泛的应用前景 4。1.4 研究的目的和主要工作利用 Pro/Engineer 软件对型固定式破碎机进行了虚拟样机建模，运动仿真和有限元技术的分析。这整个过程是相关联的，分析过程中所做的修改都会自动映射到仿真模型和工程图中，大大节省了分析时间，并在理论分析和实际相结合的基础上对仿真的结果做出正确评估，得到的相关数据将对设计工作具有重要的指导意义，能为合理匹配相关参数提供理论依据 5。本研究将采用 Pro/Engineer5.0 软件对固定式破碎机的工作装置主要部件进行三维建模，然后根据结构特点和功能要求，用内嵌的装配方法将各零部件装配起来，可以得到整体装配模型。再利用 Pro/Engineer5.0 的机构运动仿真分析模块进行运动分析。当产品的实体建模完成之后, 一个形象生动的“ 数字模型”就在计算机上建立了, 进而可以进行一些动态校核和动画演示以及得到工作装置范围包络。动态校核是用来验证和分析各零部件之间的运动轨迹、运动间隙、运动位移, 避免各零部件之间发生运动干涉。动画演示则可以预演零部件在工作过程中的现实情景, 丰富信息交流传递的内容和方式, 便于讨论确定产品开发方案和产品的前期广告宣传。这些技术的应用, 不仅大大提高了产品设计效率, 而且很好地避免了设计失误, 缩短了产品开发的周期, 节省了开发费用。安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线52. 固定式破碎机的三维建模2.1 实体建模的基本方式1) 线框建模(Wireframe Mdoel):线框模型是逐点构造出来的,一般用来代替手工绘图,可以生成任意视点或视向的透视图及轴测图,操作比较简单,只有点、线的信息,耗用系统资源小,但这种建模具有二义性，缺少曲面轮廓线。由于数据结构中缺少边与面、面与体的这些拓扑信息，因此不能构成实体，无法识别面与体，不能剖切，不能进行两个面的求交，不能计算物性，更无法生成数控加工刀具轨迹，不能进行有限元网格划分等，不能检查物体间碰撞、干涉等 17。2) 表面建模（Surface Model）：表面模型由许多表面构成，包括平面和曲面。它具有点、线、面的信息，记录了边与面的拓扑关系，但缺少面与体的拓扑关系。该模型的优点在于能实现以下功能：消隐、着色、表面积计算、两曲面相交、有限元网格化分、数控刀具轨迹生成等，它擅长于构造复杂的曲面物体。但它无法区分哪一侧面是内体还是外体，无法进行剖切 17。3) 实体建模（Solid Model）：实体模型的数据结构不仅仅记录了全部几何信息，而且记录了全部点、线、面、体的拓扑信息。正因为如此，它成了设计与制造自动化及集成的基础，能够顺利的实现从消隐、剖切、有限元网格化分、NC 刀具轨迹生成。2.2 实体建模现在的 CAD 系统都具有实体建模功能，就其建模的方法而言，通常有 3 种建立实体模型的方法，即特征法、体素法和草图法。下面介绍基于特征的实体建模 13。2.2.1 特征技术的概括及特点特征技术是 CAD/CAM 技术发展中的一个新的里程碑,它的出现和发展为解决CAD/CAPP/CAM 集成提供了理论基础和方法.它是在 CAD/CAM 技术的发展和应用达到一定水平,要求进一步提高生产组织的集成化、自动化程度的历史进程中孕育成长起来的 12。特征造型则是着眼于更好地表达产品完整的功能和生产管理信息，为建立产品的集成信息模型服务。特征在这里作为一个专业术语，兼有形状和功能两种属性，它包括产品的特定几何形状、拓扑关系、典型功能、绘图表示方法、制造技术和公差要求。可以将特征理解为专业术语。特征的分类方法有很多,主要有按产品定义数据的性质分类、按几何形状分类、按功能分类、按制造方案分类等。与传统的几何造型相比，特征建模有着十分显著的优点：1) 特征造型着眼于更好表达产品的完整技术和生产信息，为建立产品的集成信息模型服务。安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线62) 它使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象是产品的功能要素，可以将更多的精力用于创造性构思上。3) 有助于加强产品设计、分析、工艺准备、加工、检验各部门之间的联系，为开发新一代的基于统一产品信息模型的 CAD/CAPP/CAM 集成系统创造条件。2.2.2 三维实体对于特征的描述方法在基于特征的建模对于特征的描述是关键。现在主要研究的形状特征,常用描述方法主要有以下三种 15:1) 实体几何构造法（CSG 树） 基于 CGS 的特征描述方法是将特征定义为体积元素,体积元素通过布尔操作构造零件。2) 边界表示法（B-rep） 该方法中，定义一个零件的相互联系的面集为特征。3) 扫描表示法 一个集合在空中运动就能扫描成一个实体，通常用二维图形和它的运动轨迹来表示扫描生成的物体。2.2.3 生成基于特征的模型的方式1) 自动特征识别 在建立几何模型后 ,通过启动专门程序,利用实体建模信息,自动处理几何数据库,识别特征,搜索并提取特征信息,产生特征模型。如图所示。特征识别方法主要有:匹配、边界延伸、体分解以及 CGS 识别等。这种方式应用广泛,但识别能力有限,且提取特征信息困难,适用的零件范围小,特征识别通常只对简单形状有效,难以处理复杂情况,处理结果也未必与原意图相符,有很大的局限性。2) 交互式特征定义 交互式特征定义总是在一个与定义的几何模型的基础上实现的,以人机交互的方式辅助识别特征,这种方式首先建立产品的几何模型,然后由用户直接通过图形来提取定义特征所需要的几何要素,输入工艺信息,建立零件或产品的数据结构,如下图所示。交互式特征定义的原理利用 B 一 R 即数据可以很好地实现。该方法易于实现,但效率低,且几何信息与非几何信息是分离的,产品数据难以实现共享。3) 基于特征的设计 利用特征进行零件设计 ,预先将大量的标准特征或用户自定义的特征存储进特征库,在设计阶段就调入特征库中的特征,将之基本建模单元进行建模,再逐步输入几何信息、工业信息建立起练剑的特征数据模型,并将其存入数据库16。2.3 三维建模软件的介绍与选择三维产品建模软件是进行三维建模的工具。目前国内外有不少比较成熟的三维产品建模软件,如 Pro/E、CATAI、UG、Solidworks、AtuoCAD 等软件 18。Pro/E 操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。Pro/E 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位。Pro/E 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，是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。CATIA 是法国 Dassault 公司 1975 年开始发展的一套 CAD/CMA/CAE 软件,内容涵安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书装订线7盖产品概念设计、工业设计、三维建模、分析计算和动态模拟与仿真。UG 是 Unigraphicssolutions 公司的拳头产品。该公司首次突破传统 CAD/CAM模式，为用户提供一个全面的产品建模系统。在 UG 中，优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能结合在一起，这一结合被实践证明是强有力的，并被大多数 cad/cam 软件厂商所采用。solidworks 是生信国际有限公司推出的基于 windows 的机械设计软件。该公司提倡的“基于 windows 的 cad/cae/cam/pdm 桌面集成系统”是以 windows 为平台，以 solidworks 为核心的各种应用的集成，包括结构分析、运动分析、工程数据管理和数控加工等，为中国企业提