毕业设计（论文）-液压挖掘机正铲工作装置的运动分析与仿真【全套图纸PROE】.doc

邵阳学院毕业设计（论文）全套图纸，加153893706 目录中文摘要英文摘要1绪论11.1课题研究的背景11.2课题研究的主要内容11.3课题研究的意义21.4正铲液压挖掘机简介22正铲液压挖掘机的工作装置及工作原理42.1正铲液压挖掘机的工作装置42.2 正铲液压挖掘机工作装置的工作原理52.3正铲液压挖掘机工作装置运动学分析63正铲液压挖掘机工作装置的各零件的三维建模过程133.1引言133.2正铲液压挖掘机工作装置各部件的实体建模134正铲液压挖掘机工作装置虚拟样机在Pro/e环境下的仿真分析174.1正铲液压挖掘机工作装置的运动仿真与分析174.2正铲液压挖掘机工作装置的动力学分析265正铲液压挖掘机工作装置虚拟样机在ADAMS环境下的仿真分析325.1引言325.2模型的导入325.3对工作装置施加约束和驱动335.4 ADAMS建模、仿真的步骤345.5正铲液压挖掘机工作装置运动学仿真365.6典型工况仿真395.7正铲液压挖掘机工作装置动力学仿真46总结55参考文献56致 谢581绪论1.1课题研究的背景目前我国露天矿的开采规模逐渐扩大，为了适应日益增大的矿用汽车铲装的需要，这就需要较大斗容的挖掘机，由于挖掘机愈大，每单位土石方的施工成本愈低，而液压挖掘机较机械式挖掘机有很多优点，但是国内对大型液压正铲挖掘机的研究较少，液压挖掘机工作装置是完成挖掘机各项功能的主要构件，其结构的合理性直接影响到挖掘机的工作性能和可靠性，对其研究是整机开发的基础。液压挖掘机正铲挖掘装置主要以爆破后的岩石、矿石等为主要工作对象，其工作装置是由斗杆、动臂、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸等多个构件组成的串联开链机构，具有构造简单、操作方便、运动灵活等优点，得到越来越广泛的应用。正铲液压挖掘机属于大、中型挖掘机，它的工作条件十分恶劣斗齿上的作用力大，铲斗磨损剧烈。其工作机构的设计合理与否直接影响整机的技术性能和生产效率。大型正铲液压挖掘机过去基本沿用类比作图法进行设计，工作烦琐、设计精度低、周期长，且不易获得各项性能指标都比较满意的方案，因此正铲液压挖掘机的开发通常需要用物理样机来评价整机的综合性能，生成周期长、成本高、修改困难。目前，已有不少企业和研究机构对反铲挖掘机的工作装置进行了虚拟样机研究，但对大型正铲矿用液压挖掘机的研究很少。图 1.1 邦立CED750正铲液压挖掘机1.2课题研究的主要内容（1）查找各方面的资料，对正铲挖掘机工作装置进行熟悉了解，对动臂、斗杆、铲斗、销轴、连杆机构等组成的挖掘机工作装置进行详细的运动学分析。（2）根据工作装置各部分的基本尺寸用PRO/E绘制出各机构的三维模型。（3）对绘制出的模型进行装配并对装配后的运动机构分别在PRO/E和ADAMS环境下进行运动学和动力学仿真与分析，并进行比较，得出结论。1.3课题研究的意义挖掘机广泛应用于工程机械中，随着科学技术和制造业的发展，计算机辅助设计技术越来越广泛地应用在各个设计领域，为了缩短产品的设计周期、提高设计质量、降低设计成本，满足投资者和产品更新换代的需要。根据挖掘机的工作原理和结构特点，利用三维建模软件Pro/Engineer或ADAMS建立了挖掘机各零件的三维模型，并在此基础上进行零件的装配、运动仿真分析等高级计算机辅助设计工作，将复杂的挖掘机形象地展现在用户面前，使设计者在设计阶段就能清楚地见到产品的最终结果，及时发现设计问题，既减轻了工作量又节省了资金，为新产品的开发奠定了基础，有助于增强企业的产品开发能力。1.4正铲液压挖掘机简介正铲挖掘机的铲土动作形式其特点是“前进向上，强制切土。正铲挖掘力大，能开挖停机面以上的土，宜用于开挖高度大于2m的干燥基坑，但须设置上下坡道。正铲的挖斗比同当量的反铲的挖掘机的斗要大一些，可开挖含水量不大于27%的一至三类土，且与自卸汽车配合完成整个挖掘运输作业，还可以挖掘大型干燥基坑和土丘等。正铲挖土机的开挖方式根据开挖路线与运输车辆的相对位置的不同，挖土和卸土的方式有以下两种: 正向挖土，侧向卸土；正向挖土，反向卸土。说简单点：挖掘机的正铲适合装卸作业，反铲适合挖掘作业。另外一点，正铲挖掘机吨位很大，斗容也很大。反铲的就相对吨位和斗容上都小。挖掘机正铲与反铲指的是铲斗，铲斗的切削力向前的就是正铲，也就是像装载机那样的铲斗形式是正铲，反之铲斗的切削力向后的就是反铲。显而易见的是，我们日常见到的绝大多数挖掘机都是反铲的，由于挖掘机工作装置的施力特点，反铲的铲斗能给地面更大的切削力，比较适合挖掘作业，目前的挖掘机100吨以下的基本上全是反铲，因为这种吨位级别的挖掘机在多数工况下的装卸能力肯定不如装载机好，所以100吨以下挖掘机基本都是用来挖掘作业。正铲无法给地面较大的作用力，不适合挖掘作业，但是在水平方向上可以施加很大的力，就像装载机一样，所以适合装卸，斗容可以做到很大。大型挖掘机，特别是100吨以上的挖掘机，绝大多数都是正铲的，由于自身的结构和力学特点，装载机的斗容和吨位难以做到很大，但是挖掘机可以做到很大，所以在矿山上大型的装载作业全是这种巨型正铲挖掘机。正铲挖掘机适用于开挖停机面以上的土方，且需与汽车配合完成整个挖运工作。正铲挖掘机挖掘力大，适用于开挖含水量较小的一类土和经爆破的岩石及冻土。一般用于大型基坑工程，也可用于场地平整施工。正铲的开挖方式根据开挖路线与汽车相对位置的不同分为正向开挖、侧向装土以及正向开挖、后方装土两种。前者生产率较高。正铲的生产率主要决定于每斗作业的循环延续时间。为了提高其生产率，除了工作面高度必须满足装满土斗的要求之外，还要考虑开挖方式和与运土机械配合。尽量减少回转角度，缩短每个循环的延续时间。 反铲的开挖方式可以采用沟端开挖法，即反铲停于沟端，后退挖土，向沟一侧弃土或装汽车运走，也可采用沟侧开挖法，即反铲停于沟侧，沿沟边开挖，它可将土弃于距沟较远的地方，如装车则回转角度较小，但边坡不易控制。 2正铲液压挖掘机的工作装置及工作原理2. 1正铲液压挖掘机的工作装置正铲挖掘机工作装置运动简图如下图所示，由动臂1，斗杆2，铲斗3，铲斗油缸4，动臂油缸6，斗杆油缸5等组成。同反铲动臂相比，正铲动臂较短并且是单节的。动臂趾部绞支在转台上，动臂油缸（大型一般为双缸）的活塞杆端与动臂中部绞接，形成动臂机构。斗杆和斗杆油缸，铲斗和铲斗油缸、开闭斗油缸分别组成斗杆机构，和铲斗机构。动臂在转台上的铰点和动臂油缸在转台上的铰点不在同一水平面上，动臂铰高于油缸铰并且靠后（靠近回转中心，但一般仍在中心的前方），这样的铰点布置能保证动臂具有一定的上倾角和下倾角，以满足挖掘和卸载的需要，同时也保证了动臂油缸具有必要的作用力臂。斗杆的一端与动臂头部铰接，斗杆油缸的缸体支撑在动臂上，活塞杆端则与斗杆中部铰接。由于正铲以斗杆挖掘为主，因此这样的结构布置适合正铲的工作，油缸大腔进油可以获得较大的挖掘力。为了实现铲斗水平直线挖掘（一是要求铲斗斗齿在挖掘过程中能沿水平地面做直线运动，二是要求斗的切削角或者斗底与地面的夹角保持不变），把铲斗缸的铰点由斗杆移到动臂端部，这样，铲斗机构由原来的四连杆变为五连杆机构，增加了一个自由度。整体机构共有12个活动杆，16个低副，其自由度为F=312-216=4。其功能除了能实现挖掘、提升、卸载等工况外，还能实现水平推压铲装作业。图 2.1 正铲挖掘机工作装置运动简图1动臂 2斗杆 3铲斗 4铲斗油缸 5斗杆油缸 6动臂油缸 7三角桁架挖掘装载装置以实现水平直线挖掘为主。但它与一般的轮式或履带式前端装载机又不同，前者在工作中机体不动，靠工作装置动臂、斗杆、铲斗的配合动作铲入料堆，并靠回转机构将物料运到卸载地点，而装载机则靠机器前向运动时的冲力使斗插入料堆，靠机械运行将物料运到卸载地点，因此，在一定的场合下，挖掘装载比装载机挖掘力大，作业效率高，并且可以减少行走部分的磨损。挖掘装载装置可以完成正铲的挖掘方式，但更适宜于水平直线挖掘。其结构形式多种多样，一般是在正铲基础上通过改变连杆机构形式、增设辅助液压缸、增加不同形式的杠杆机构，或者利用微电子控制等手段实现。2.2 正铲液压挖掘机工作装置的工作原理实现水平直线挖掘轨迹一是要求铲斗斗齿在挖掘过程中能沿水平地面作直线运动，二是要求斗的切削角（或者斗底对地面的夹角）保持不变。普通正铲的铲斗铰点G设在斗杆上，当斗杆缸推出时，铲斗缸和斗杆一起绕F点运动（如下图2.2所示），而对斗杆的角度不变。随着斗杆缸的伸长，斗底对水平的倾角不断减少，要达到水平直线挖掘，除了下降动臂使齿间接触地面外，还需及时调整铲斗缸长度，使斗杆作顺时针方向转动，以保持角不变。因此要同时操纵三组液压缸。在挖掘装载装置上为了实现水平直线挖掘，把铲斗缸的铰点G由斗杆移到动臂端部，这样，铲斗机构由原来的四杆机构（或六杆机构）变为五连杆机构(或七连杆机构)，增加了一个自由度。此时铲斗相对于斗杆的角度不只是由铲斗缸的长度决定，而且还受动臂与斗杆夹角的影响，即是斗杆、铲斗两组液压缸长度的函数。当靠斗杆缸挖掘而铲斗缸长度不变时，就只依而变化，随的增大，铲斗就绕Q点作顺时针运动，因此只要连杆机构各杆件长度选择得当，使铲斗转动的角度与水平直线挖掘中对斗底倾角不变的要求相一致，司机就可少操纵一组液压缸。图 2.2 正铲液压挖掘机工作装置工作原理图 2.3正铲液压挖掘机工作装置运动学分析2.31动臂运动分析动臂CF的位置由动臂油缸AB的长度决定。和动臂水平倾角之间的关系可用下式表示 （2-1） （2-2）从上式看出，-对的影响很大，当动臂和油缸的参数不变时，-愈大动臂提升高度愈小。设动臂油缸全缩时动臂倾角为；动臂油缸全伸时动臂倾角为，那么在动臂油缸由全缩到全伸，动臂总的转角为： （2-3）为了便于运算和比较，仍用无因次比例系数表示，即； （2-4）代入式(22)可以得到动臂油缸全缩和全伸时相应的动臂倾角值 （2-5） （2-6）而动臂总转角为 （2-7）动臂油缸伸缩时对C点的力臂也在不断变化，由图可知 （2-8）显然，当ABAC时有最大值，此时，而相应的油缸长度为：=此时的动臂倾角为若用动臂油缸相对力臂（即来表示油缸长为时的力臂，则 （2-9）综上所述，动臂倾角、力臂和都是的参数。2.32斗杆运动分析斗杆FQ的位置由动臂CF和斗杆油缸DE的长度所决定。但是动臂的位置随动臂油缸的伸缩而变化，为了便于分析斗杆油缸对头杆位置的影响，假定动臂不动，那么斗杆铰点F以及斗杆油缸在动臂上的铰点D就可以看作为固定基座。与斗杆、动臂夹角之间的关系为 （2-10） （2-11）设斗杆油缸全缩时动臂与头杆的夹角为，全伸时为，那么当油缸由全缩到全伸时斗杆总的转角为 （2-12）斗杆油缸的作用力臂也是可变值。 （2-13）当EFDE时有最大值，即，这时相应的油缸长度为相应的斗杆转角为 （2-14）用斗杆油缸相对力臂值（即）来表示时的力臂，则 （2-15） 图2.3 液压正铲挖掘机机构简图2.33斗齿尖的几种特殊工作位置的计算 图 2.4正铲挖掘机作业范围图 上图为正铲挖掘机作业范围图，以下为几种特殊工作位置的分析与计算。（1）最大挖掘半径(图2.5)这时C、Q、V在同一条水平线上，而且斗杆油缸全伸，即；最大挖掘半径为 （2-16）最大挖掘半径处的挖掘高度相应为 图2.5 最大挖掘半径（2）最大挖掘高度(图2.6) 图2.6 最大挖掘高度最大挖掘高度为： （2-17）最大挖掘高度时的挖掘半径 （2-18）如果最大转斗角度不能保证QV垂直向上，即，则应根据实际的值求相应的挖掘高度，如图左上角所示，此时 （2-19）（3）最大挖掘深度(图2.7) 这时动臂油缸全缩，头杆FQ及QV垂直向下，即，。 最大挖掘深度为 （2-20）最大挖掘深度时的挖掘半径为 （2-21）假若，则FQ不可能呈垂直状态，此时必须根据具体情况计算实际的最大挖掘深度。图2.7 最大挖掘深度（4）停机平面上的最大挖掘半径(图2.8)这是指斗齿靠在地面上、斗杆全部伸出而斗底平面与停机平面平行的工况。此时QV线与地面交成角(角是一个重要的铲斗参数，设计中应认真确定)，根据这种定义可知图 2.8 停机平面上的最大挖掘半径；，其中 （2-22） （2-23）这时停机平面上的最大挖掘半径为 （2-24）如果，则必须根据具体情况重新进行计算。其中邦立CED750的参数见附录3正铲液压挖掘机工作装置的各零件的三维建模过程3. 1引言ADAMS本身提供实体造型功能，但是，对液压挖掘机等许多复杂的机械系统，零部件的几何外形极不规则。此时用ADAMS的实体造型功能进行三维建模就显得力不从心了；因此，我们必须借助于其他一些专长于三维建模功能的CAD软件，联合起来建立机械系统的仿真模型。当前，在工程领域，选用美国PTC公司CAD软件Pro/Engineer和ADAMS联合进行复杂机械系统的动力学仿真研究是一种较实用、较流行的仿真方案。3.2正铲液压挖掘机工作装置各部件的实体建模在Pro/E软件环境下，机械三维建模应该严格以设计构思或者前期图纸为依据，尽量保持三维图形数据的完整和正确性。三维模型的一般建模过程如图3.1所示 。 图3.1 Pro/E软件三维建模过程构造虚拟样机必须进行机械零、部件的三维实体造型。三维实体模型的构建对于虚拟样机的仿真和分析十分重要，必须充分理解所构造的机械结构的各个零部件的外形以及他们之间的相对位置和装配关系，在实体建模时严格按照实际的尺寸来进行，只有这样才能构建出与实际相符合的液压挖掘机实体模型。液压挖掘机是一个复杂的机械结构，考虑到Pro/E 所建立的三维模型导入到ADAMS 中需要添加约束的数量，特别是ADAMS 对于总体构造进行仿真分析所需要的时间和成功率，所以在不影响本文对液压挖掘机进行运动学、动力学分析的前提下，在Pro/E 中尽量略去一些不需要分析的零部件几何模型的构建，如一般不必绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。这样可以减少ADAMS 中零件的数量，同时减少零件间约束副的总数，从而可以减少ADAMS 仿真所需的时间，保证了仿真实验的成功率。本文使用的创建挖掘机三维零件的方法和一般过程如图3.2所示。开始设置绘图环境草绘截图试制图纸生成三维零件模型 修改特征创建零件特征1.基础特征：拉伸、旋转+扫描、混合2、放置特征：孔、倒角、圆角等图3.2 Pro/E中创建三维零件的一般过程由于在Pro/ENGINEER 中实体模型可以有多种不同的构造方法，采取何种方法更为合理、高效，需要有一个经验积累过程。一般来说，要根据图形的形状选择合适的构造模型的方式。对于像挖掘机工作装置中动臂、斗杆、铲斗等复杂的零件，选择合理的构造方法是尤其重要的。因此，在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法和步骤。其中建模的难点在于辅助平面和辅助点的建立，只有建立好辅助平面和辅助点，才能保证零件模型的精确性。单斗正铲液压挖掘机虚拟样机的建模过程如图3.3 所示。它的思路是按照生产工艺流程组织的，即“建模即虚拟加工，组装即虚拟装配，仿真分析即虚拟试验。”标准件斗杆油缸铲斗油缸动臂油缸其他零件销轴 斗杆油缸斗杆零件标准件 动臂零件2动臂零件1标准件 铲斗零件2铲斗零件1铲斗（组件）转配（焊接）斗杆（组件）转配（焊接）动臂（组件）转配（焊接）通过施加不同的连接方式，如销钉、滑动杆、圆柱等，建立各零部件的约束。液压挖掘机虚拟样机图3.3 液压正铲挖掘机虚拟样机的建模工程运动部件的构建及主要运动部件的介绍：根据各运动部件的几何形状，这里用到了Pro/E中的拉伸、旋转等基本操作建立挖掘机三维实体模型的。草绘环境下的基准工具条和草绘器工具条如图3.4 所示：图3.4 基准工具条和草绘器工具条按照上述建模流程，运用PRO/E软件的拉伸、旋转、扫描、拔模、圆角、孔等方法依次建立正铲液压挖掘机各个零部件。建模时要注意两点，一是单位的设置，PRO/E 中初始单位为英寸，应将其改为米制单位，即选择mmns。二是各零件密度的设置，PRO/E中默认密度值为1，因此必须输入每个零件的设计值，用来确定零件的质量和重心。以下列出的是所建立的三维零件模型，由于篇幅限制，这里仅列出了结构复杂而又详细绘制的动臂、斗杆、铲斗的三维模型图，并在附录中附有动臂、斗杆、铲斗的二维CAD图和总装配图见附录、附录、附录和附录。1.动臂的结构介绍：动臂的整体式弯臂采用大圆弧过渡以减少该处的应力集中，结构简单、重量轻。动臂的主体框架是由上盖板、下盖板、左侧板、右侧板焊接而成的箱形结构。上下盖板均由前、后两块板拼焊而成。左右侧板分别由前、中、后三块钢板拼焊而成。动臂与转台、斗杆联接的轴座分别与箱形框架焊接成为动臂。在框架的不同位置还焊有筋板以提高强度。在动臂上平面的前、后部各焊有两个吊耳，以便装配和拆卸时起吊用。杆液压缸的联接座焊在箱形框架上。动臂的三维造型如图图3.5 动臂的简化模型图2.斗杆的结构介绍：斗杆的主体框架是由上盖板、下盖板、左侧板、右侧板各一块焊接而成的箱形结构。与铲斗、连杆联接的轴座分别与箱形框架焊接成斗杆。在框架的不同位置还焊有三块筋板以提高强度。斗杆的三维造型如图3.6所示图3.6 斗杆的简化模型图3.铲斗的结构介绍：铲斗模型比较复杂，可以首先按照图纸做出精确的截面曲线，通过拉伸等操作所出实体模型，然后装配在一起。铲斗的三维模型如图3.7所示。 图3.7 铲斗的简化模型图4正铲液压挖掘机工作装置虚拟样机在Pro/e环境下的仿真分析4. 1正铲液压挖掘机工作装置的运动仿真与分析4.11创建模型（1）进入装配模式。启动Pro/ENGINEER Wildfire5.0后，设置工作目录，单击【文件】工具栏中的【新建】对话框。在【类型】选择组中点选【组件】，单选钮，在【子类型】选项组中点选【设计】单选钮，在【名称】文本框中输入“zhengchanwajueji”；取消勾选【使用缺省模板】复选框，单击【确定】按钮。在弹出【新文件选项】对话框中选择“mms_asm_design”作为模板，单击【确定】按钮，进入装配模式。（2）装入基础元件。单击菜单栏中的【插入】【元件】【装配】命令或单击【特征】工具栏中的【装配】按钮，弹出【打开】对话框，选择“桌面proe零件图正铲挖掘机三维模型wajuejijiti_10.prt”，单击【打开】按钮，弹出【元件放置】操控板。在【约束类型】下拉列表中选择【缺省】选项，以在默认位置装配零件。单击操控板中的按钮，完成基础元件的装配。完成后的组件如图4.1所示。装入销钉。单击【装配】按钮，弹出【打开】对话框，选择“桌面proe零件图正铲挖掘机三维模型suan7 _1.prt”，单击【打开】按钮，弹出【元件放置】操控板。单击【放置】按钮，在【约束类型】下拉列表中选择【销钉】约束类型，并进行装配。（1）选择【轴对齐】选项，选取元件的基准面和组件的基准面。（2）选择【平移】选项，单击操控板中的按钮，完成销钉的装配。完成后的组件如图4.2所示。 图4.1 装入第一个基础原件 图4.2 完成销钉装配按照上述方法依此完成动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、销等的虚拟装配。图4.3 正铲挖掘机三维模型的零件库图4.4 正铲挖掘机动臂的虚拟装配过程 图4.5 正铲挖掘机斗杆的虚拟装配过程 图4.6 正铲挖掘机工作装置完成装配的机构模型注：本文中由于们不考虑挖掘机的卸载工作，故开斗油缸被锁定此处省略不画。铲斗的虚拟模型中前板与后板也简略地固化在一起，这并不影响其他构件的运动学与动力学的分析。4.12检测模型（1）进入机构模式。单击菜单栏中的【应用程序】【机构】命令，系统进入机械设计环境。（2）检查机构连接。单击菜单栏中的【编辑】【重新连接】命令，或单击【编辑】工具栏中的【重新连接】按钮，弹出【连接组件】对话框。单击对话框中【运行】按钮，检查装配的连接情况，弹出如图4.7所示的【确认】对话框，说明连接成功。单击对话框中的【是】按钮，确认检查结果。（3）加亮主体。单击菜单栏中的【视图】【加亮主体】命令，或单击【视图】工具栏中的【加亮主体】按钮，系统以不同颜色显示各主体。（4）推动模型。单击【视图】工具栏中的【拖动元件】按钮，弹出【拖动】和【选取】对话框，如图4.8所示，选取除基体外的任一主体，并拖动机构，查看该主体是否按所期望的方式运动。 图4.7 确认对话框 图4.8【拖动】和【选取】对话框4.13添加伺服电动机单击菜单栏中的【插入】【伺服电动机】命令，或单击【模型】工具栏中的的【伺服电动机】按钮，弹出【伺服电动机定义】对话框，默认名称为“Servomotor1”。依此改为“liangyidongbiyougan”，“liangyidouganyougan”，liangyichandouyougan”。在【类型】选项卡的【从动图元】选项组中点选【运动轴】单选项，分别选择动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸作为伺服电动机的驱动对象，模型中显示一个蓝色箭头，表示运动方向。参考对象显示为绿色，被驱动对象显示为橙色。单击【伺服电动机定义】对话框中的【轮廓】选项卡，在【规范】选项组下拉列表中选择【位置】选项，在【初始位置】选项中勾选【当前】复选框。在【模】选项组下拉列表中选择【表】选项，表中的第一列时间分别为1、2、3、4、5和6，对应的模分别为2、5、9、12、25和32。在【插值】选项组中点选【样条拟合】单选项，在【图形】选项组中勾选【速度】和【加速度】复选框，然后单击【绘制所选电动机】按钮，如图4.9所示，此时相对应的轮廓函数曲线如图4.10所示。图4.9 定义【表】图4.10 相对应的轮廓函数曲线4.14创建快照单击【视图】工具栏中的【拖动元件】按钮，弹出【拖动】和【选取】对话框，在【拖动】对话框中打开【快照】面板和【选取】对话框，在【拖动】对话框中打开【快照】面板，如图4.11所示。分别选动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸为移动对象并拖动鼠标移动它们，在合适的状态单击对话框中的【拍下当前位置的快照】按钮，创建快照。这里分别创建了两张最大挖掘高度和最大挖掘深度的快照“Snapshot1”和“Snapshot2”，如图4.12，4.13所示。建立一张初始位置快照。在【拖动】对话框中，单击【约束】选项卡，单击【运动轴约束】按钮，然后分别选择动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸，在【值】文本框中输入50，绘图区机构模型，单击对话框中的【拍下当前位置的快照】按钮，在当前位置创建一张快照“Snapshot3”。如图4.14所示。单击【拖动】对话框中的【关闭】按钮，完成快照的定义。 图4.11【拖动】对话框 图4.12最大挖掘高度 图4.13 最大挖掘深度 图4.14 正铲挖掘机零位置快照4.15分析模型单击菜单栏中的【机构】【机构分析】命令，或单击【运动】工具栏中【机构分析】按钮，弹出【分析定义】对话框。默认名称为“AnalysisDefinition1”，在【类型】选项组下拉列表中【运动学】选项，在【图形显示】选项组中的【终止时间】文本框中输入36，在【初始配置】选项组中点选【快照】单选项，并在右侧的下拉列表中选择快照“Snapshot3”，其余选项默认系统设置。单击对话框中的【运行】按钮，观察机构运行情况。如果满意，单击【确定】按钮。4.16获取分析结果（1）回放并保存分析结果。单击菜单栏中【分析】【回放】命令，弹出【回放】对话框。在【结果集】选项组下拉列表中显示上步建立的运动分析“AnalysisDefinition1”。单击对话框中的【播放当前结果】按钮，弹出【动画】对话框，利用各按钮可控制回放结果的方向和速度。若想将机构的仿真过程输出为影音文件或图片，可单击对话框中的【捕获】按钮，弹出如图4.15所示的【捕获】对话框，按图示设置输出文件格式单击【确定】按钮，绘图区开始创建文件“liangyizhengchanwajueji”。单击【动画】对话框中的【关闭】按钮，回到【回放】对话框。单击对话框中的【将当前结果集保存到磁盘】按钮，弹出【保存分析结果】对话框，将当前的分析结果保存为具有.avi扩展名的文件，文件名为“liangyizhengchanwajueji.avi”以备以后分析时使用。（2）分析各油缸的速度。单击菜单栏中【分析】【测量】命令，或单击【运动】工具栏中的【测量】按钮，弹出【测量结果】对话框，单击该对话框中的【创建新测量】按钮，弹出如图4.16所示的【测量定义】对话框。在【类型】选项组下拉列表中选择【位置】选项，分别选取动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸，绘图区显示如图4.17所示，然后单击对话框中的【确定】按钮。在【测量结果】对话框中的【测量】列表框中选择“measure1”，单击【绘制选定结果集所选测量的图形】按钮，弹出【图形工具】对话框，显示测量结果，如图4.18所示。 图4.15【捕获】对话框 图4.16【测量定义】对话框图4.17 铲斗油缸速度测量平移轴的选择最后，单击【文件】【导出Excel】命令，弹出【Export To Excel】对话框将当前的曲线保存为Excel类型的文件，文名为“measure1”。（3）产生轨迹曲线。单击菜单栏中的【插入】【轨迹曲线】命令，弹出【轨迹曲线】对话框，各选项设置如图4.19所示。在【纸零件】选项组中单击按钮，选取组件“ASM0001”；在【轨迹】选项组下拉列表中选择【轨迹曲线】选项，选取主体liangyichandou上的PNT0。单击对话框中的【确定】按钮，模型中显示改点的运动轨迹，如图4.21。图4.18【图形工具对话框】图4.19【测量结果】对话框 图4.21生成轨迹曲线4. 2正铲液压挖掘机工作装置的动力学分析本节将在上节装配的基础上，对正铲液压挖掘机工作装置机构作动力学分析。4.21定义质量属性打开已经装配好的机构文件，单击菜单栏中的【应用程序】【机构】命令，系统进入机械设计环境。单击菜单栏中的【编辑】【质量属性】命令，或单击【动态】工具栏中的【质量属性】按钮，弹出【质量属性】对话框。在【参考类型】选型组下拉列表中选择【组件】选项，在绘图区选取组件。在【定义属性】选项组下拉列表中选择【密度】选项，在【零件密度】文本框中输入7.85，单位默认为“1bm/in”，然后单击对话框中的【确定】按钮。完成后的对话框如图4.22所示。图4.22【质量属性】对话框4.22定义重力单击菜单栏中的【编辑】【重力】命令，或单击【动态】工具栏中的【重力】按钮，弹出如图4.23所示的【重力】对话框。模型中会出现一个WCS图标和一个指示重力加速度方向的箭头，如图4.24所示。【模】和【方向】选项组中各项均采用系统默认值，然后单击对话框中的【确定】按钮，完成重力加速度的定义。 图4.23【重力】对话框 图4.24完成重力加速度定义4.23添加伺服电动机 按照上节所述为机构添加伺服电动机，这里不再赘述。4.24添加阻尼器单击菜单栏中的【插入】【阻尼器】命令，或单击【动态】工具栏中的【阻尼器】按钮，在窗口上方弹出【阻尼器定义】操控板。在【参照】上滑面板中单击【阻尼器平行移动】按钮，在绘图区选择如图4.25所示的运动轴。在操控板中给定阻尼系数值为10，单击按钮，将阻尼器添加到模型中，并查看其位置。新阻尼器图标将出现在机构上，如图4.26所示。 图4.25选取阻尼器的运动轴 图4.26选取阻尼器的运动轴4.25创建并运行动态分析单击菜单栏的【分析】【机构分析】命令，或单击【运动】工具栏中【机构分析】按钮，弹出【分析定义】对话框。在【名称】文本框中输入“dynamic”，在【类型】选项组下拉列表中选择【动态】选项；接受【优先选项】选项卡中的系统默认值；在【电动机】选项卡中，列出伺服电动机“ServoMotor1”；在【外部负荷】选项卡中勾选【启用重力】复选框。单击对话框中的【运行】按钮，观察机构运行情况。如果满意，单击【确定】按钮。4.26创建并运行动态分析单击菜单栏中的【分析】【测量】命令，或单击【运动】工具栏中【测量】按钮，弹出【测量结果】对话框，单击该对话框中的【创建新测量】按钮，弹出【测量定义】对话框。在【名称】文本框中输入“position”，在【类型】选项组下拉列表中选择【位置】选项，选取模型中的基准点PNT0，并在【分量】选项组下拉列表中选择【Y分量】选项，如图4.27所示。单击对话框中的【确定】按钮，接受定义并返回【测量结果】对话框。图4.27【测量定义】对话框 图4.28 模型中的图形显示在【测量定义】对话框的【名称】文本框中分别输入“damperload”，“dougan”“chandou”然后在【类型】选项组下拉列表中选择【净负荷】选项。在机构中选取阻尼，模型中显示一个如图4.28所示的箭头，接受【评估方法】选项组中【每个时间步长】选项作为计算方法。单击对话框中的【确定】按钮，接受定义并返回【测量结果】对话框。在【测量结果】对话框中的【测量】列表框中选择“position”和“damperload”，在【结果集】列表框中选择“dynamic”。单击【绘制选定结果集所选测量的图形】按钮，弹出【图形工具】对话框，显示测量结果，如图4.29所示。最后，单击【文件】【导出Excel】命令，弹出【Export To Excel】对话框，将当前的曲线保存为Excel类型的文件，文名为“dynamic”。 图4.29 测量结果图形显示4.27查看结果并保存 单击菜单栏中的【分析】【回放】命令，弹出【回放】对话框，在【结果集】选项组下拉列表中选择【dynamic】选项。单击该对话框中的对话框中的【播放当前结果集】按钮，转换到【动画】对话框。单击播放按钮后开始播放，单击【关闭】按钮后退出。在【回放】对话框单击对话框中的【将当前结果集保存到磁盘】按钮，弹出【保存分析结果】对话框，将当前的分析结果保存为具有.pbk扩展名的文件，文件名为“dynamic.pbk”以备以后分析时使用。在【显示箭头】选项卡的【测量】列表框中勾选【阻尼器负荷】复选框。模测试结果如图4.30所示，保留【影片进度表】和【碰撞检测设置】选项卡中的原有默认值。单击该对话框中的【播放当前结果集】按钮，转换到【动画】对话框，然后单击播放按钮，开始分析回放。运行运动分析时，箭头的尺寸会发生变化以反映测量的尺寸。最后，单击菜单栏中的【文件】【保存】命令，保存当前模型文件为“liangyizcwji.asm”。 图4.30 测试结果5正铲液压挖掘机工作装置虚拟样机在ADAMS环境下的仿真分析5. 1引言作为CAE应用模块，Pro/E软件能够实现一般构件的运动学分析及动力学分析，但由于软件设计目标的侧重点不同，在处理复杂运动时，存在许多困难。为了能满足复杂的分析需要，MSC公司和PTC公司联合开发了Mechanism/Pro。通过使用Mechanism/Pro用户可以在Pro/E 建模环境下利用ADAMS的Solver模块进行运动学和动力学分析，其优点有以下几点。（1）可以基于已有的几何模型快速了解机构的特性，还可以进行运动干涉的检查。（2）基于已有的几何模型，很快地获取部件的位置、方位以及质量和转动惯量信息。（3）可以很方便地把模型导入到Adams/View中进行更复杂的分析和优化。5. 2模型的导入在Pro/E环境中使用Mechanism/Pro模块完成模型的导入工作时，按以下步骤进行：检查模型的单位设置：保证PRO/E软件中的单位与ADAMS完全一致，不只是装配图中单位一致，每个零件图也要一致。注意：PRO/E建模时单位初选一般为 mmns,而ADAMS中的单位是mmkgs，因此导入前应将模型的单位全部改为mmkgs。检查模型的密度设置：根据需要尽量在PRO/E中将密度统一设置好，避免导入至 ADAMS 后因重新设置密度而产生的一些如转动惯量的输入等其他问题。定义刚体：根据设计意图，将不同的运动部件定义为不同的刚体。因本文研究内容主要集中在工作装置上，对挖掘机的行走装置不作研究，只是作为整机虚拟样机的一部分，因此将行走机构定义在地基(Ground)上，作为其它刚体运动的参考基准。在液压挖掘机虚拟样机中定义16个刚体:开斗油缸缸筒、开斗油缸活塞杆、斗前、斗后、铲斗油缸缸筒、铲斗油缸活塞杆、斗杆、斗杆油缸活塞杆、缸筒、动臂、动臂油缸活塞杆、缸筒、司机室、支座、行走机构、地基。定义标记点：为了在 ADAMS 中快速、准确地创建各约束副，在PRO/E中利用 MECH/PRO 模块对每个约束副的所在位置进行标记点的定义。定义标记的方法是在菜单管理器(Menu Manager)下选择MECH /Pro Set Up Mechanism,然后选择 Markers 定义标记。向 ADAMS 转换模型：在菜单管理器 (Menu Manager) 下选择 MECH /ProInterface ADAMS /View，然后选择几何形状精度等级(Geometry Quality)后在输入栏输入等级(0-10),数值越大输出的几何体元素就越多，形状就越接近实体。这里我们输入：10。接着选择输出类型(Output Type)，出现两种格式:一种是Render，包含Pro/E中模型定义的颜色等信息；另一种是SLA，这种没有颜色信息。我们选择的是SLA格式，然后点Done/Return即可自动进入ADAMS /View环境。至此，转换完成。通过 MECH/PRO模块，CED750型正铲液压挖掘机 ADAMS环境中形成的虚拟样机如图 5.1所示：图5.1 ADAMS环境下的正铲液压挖掘机虚拟样机5.3对工作装置施加约束和驱动导入到ADAMS中的液压挖掘机虚拟样机需要重新给各个零件施加约束和驱动。ADAMS/View提供了12种常用的运动副工具(转动副、移动副、圆柱副、球形副、平面副、恒速副、螺旋副、固定副、万向副、齿轮副和关联副)和5种常用的指定约束工具(点线、点面、方向、平行和垂直)。由于课题研究的目标是液压挖掘机工作装置的运动学和动力学，作为运动的轨迹点不可能作为运动约束类型。本文液压挖掘机工作装置的运动副均属于低副，所以运动副约束只能采用转动副和移动副。为了消除冗余，可以用圆柱副及球面副来替代转动副。根据实际工作装置的运动情况，工作装置运动是由液压缸产生的，故其驱动放置在液压缸的移动副上。创建约束副：根据部件间的运动关系，定义刚体间的约束副。在挖掘机虚拟样机中有两种运动，即油缸活塞杆与缸筒间的移动及其它各刚体间的转动。这样就在开斗油缸、铲斗油缸、斗杆油缸和动臂油缸上共定义了4个移动副，在支座与行走机构之间定义1个转动副。在其他刚体各铰接点位置分别定义了4个转动副、4个圆柱副、4个球形副，在行走机构和地基之间以及司机室和支座之间定义了2个固定副。添加驱动：液压缸产生的力是挖掘机工作装置运动的原动力，而驱动油缸动作是由液压马达、液压泵等一套液压系统完成的，因此我们将重点放在挖掘机的机械系统的仿真上，对于液压模块的仿真不做研究。故在油缸缸筒和油缸活塞杆之间直接添加移动驱动。由于4组油缸的对称性，故而可以将油缸的驱动定义在油缸的中性面上。共计施加4个移动驱动。ADAMS提供的驱动函数主要包括正余弦函数、阶跃函数等，本文均采用阶跃函数STEP函数来完成液压缸运动的驱动设定。阶跃函数的设定格式为：STEP(A， x0， h0， x1， h1)其中，参数A函数自变量。一般以时间(time)作为自变量比较常见。x0函数自变量初始值。x1函数自变量最终值。h0函数初始值。h1函数最终值。图5.2为STEP函数的示意图。另外，在支座与行走机构之间的转动副施加1个旋转驱动。经过样机模型校核，机构的自由度为0，没有冗余约束，样机正确。样机的检验结果如图5.3所示。 图5.2STEP函数示意图 图5.3样机检验结果5.4ADAMS建模、仿真的步骤利用ADAMS软件进行虚拟样机仿真分析的步骤如图5.4，根据此步骤可以完成一个复杂的机械系统的仿真分析，各步骤简述如下：(1)建造模型：建模包含三部分工作：创建零件有两种途径：通过ADAMS/View的零件库来创建各种简单的运动单元(零件)；用ADAMS/Exchange引入复杂的CAD形体(会影响运行速度)。给模型施加约束和运动。给模型施加各种作用力。(2)测试模型定义测量，对模型进行初步仿真，通过仿真结果检验模型中各个零件、约束及力是否正确。(3)校验模型导入实际实验测试数据，与虚拟仿真的结果进行比较。(4)模型的细化经过初步仿真确定了模型的基本运动后，可以在模型中加入更复杂的单元，如在运动副上加入摩擦，用线性方程或一般方程定义控制系统，加入柔性连接件等等，使模型与真实系统更加近似。(5)优化模型对模型进行参数分析，优化设计。(6)定制用户自己的环境用户可以定制菜单、对话框，或利用宏使许多重复工作自动进行。图5.4 虚拟样机的创建流程图5.5机械系统动态仿真分析的步骤5.5正铲液压挖掘机工作装置运动学仿真5.51引言运动学仿真可确定所关心点或构件的位移、速度、加速度的变化范围。在运动学仿真中，ADAMS/Solver只求解很少的代数方程。因此，运动仿真系统的自由度必须为零。如果指定物体的质量和惯性，运动仿真还可以计算出产生某种运动所需的力和力矩。除此之外，运动仿真还可以检验所加运动约束是否正确。所以在进行动力学仿真之前进行运动学仿真是必要的。只有进行虚拟装配并确定挖掘机的虚拟样机后才能开始运动学仿真，为了使模型能真实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。例如当挖掘机动臂液压缸收缩到一定位置后不动，由斗杆液压缸和铲斗液压缸伸缩到一定位置，再由铲斗液压缸或斗杆液压缸作用进行挖掘，然后动臂提升、回转等运动。对这类多自由度问题，可以分为多个运动过程，每个过程尽可能只有单个自由度，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，这种分割的办法虽繁琐但清晰明了，对需要重点研究某一运动过程很方便。挖掘机的运动学分析是轨迹规划、障碍回避、动力学分析的基础 ，其正确与否直接影响着作业的快速性与准确性，因此有着非常重要的意义。通过运动分析可以对机构的运动过程进行仿真模拟演示，直观显示机构中各部件的运行情况，使原来静止的设计作品“动”起来。运动分析的结果可以通过动画的形式表现出来，也可以通过参数的形式输出，从而可以清晰地看到零件之间是否存在运动干涉，零件的运动是否达到预期的结果。根据仿真结果再对零件进行修改，直到符合设计要求为止，这样可以缩短开发周期，减少开发费用，还可以提高产品质量。简要概括起来，对机构进行仿真分析的基本流程如图 5.6 所示。获取分析结果建立连接设置连接轴创建运动副创建伺服电动机建立仿真模型设置仿真环境设置重力场设置执行电机创建弹簧设置力和扭矩设置初始条件机构仿真分析结果回放检测运动干涉运动包络测量轨迹曲线运动分析动力分析静态分析力平衡分析机构干涉检查重复组件分析图5.6 机构仿真的一般过程5.52运动学仿真在ADAMS软件中的实现步骤在ADAMS中，要使静态的虚拟样机动起来并获得必要的参数，需按以下步骤进行。添加驱动函数：如前所述，但由于模型导入的初始状态并不与仿真初始状态相同，也就是说液压