（车辆工程专业论文）挖掘机工作装置变量化3d建模与cad研究.pdf

中文摘要 挖掘机是工程机械的重要机种之一，其工作装置设计水平的高低直接影响着挖 掘机的各项工作性能。传统的分析和设计方法已无法满足这种复杂产品设计的要求。 随着c a d 技术、三维建模等现代设计方法理论的普及和发展，工程机械的设计理论 和设计方法正向自动化和智能化的方向发展。 本文主要研究挖掘机工作装置计算机辅助设计和参数化建模。根据液压挖掘机 工作装置的结构特点和工作原理，对其进行了运动学、力学、设计合理性分析，结 合杆组理论分析法，开发了一套挖掘机工作装置设计分析软件，建立挖掘机工作装 置参数化模型，通过p r o e 二次开发，实现工作装置的参数化建模。 1 、对杆组分析法的具体理论进行了阐述 建立了用杆组分析法进行连杆机构运动分析的数学模型，运用拆杆法对连杆机 构进行分析。详细论述了单杆、级杆组及有源组运动分析方法。这样对机构分析 不仅准确快捷、调用方便，而且对各种不同类型的平面连杆机构都具有通用性。 2 、建立挖掘机工作装置数学模型 结合杆组分析法对挖掘机的工作装置进行运动学分析、力学分析、设计合理性 分析，建立工作装置数学模型。 3 、开发挖掘机工作装置辅助设计软件 在对挖掘机工作装置数学模型充分分析的基础上，以v c + + 6 0 为开发工具，编 制一套界面友好、功能齐全适用反铲挖掘机工作装置的计算机辅助设计软件。 4 、特征建模和参数化设计技术与实现方法的研究 论述特征建模的概念、特点及过程；参数设计的特点、参数化模型；研究基于 p r o e n g i n e e r 二次开发技术的参数化设计。 5 、挖掘机工作装置的参数化建模 基于三维通用软件p r o e n g i n e e r ，建立挖掘机工作装置结构的参数化模型。 利用p r o e n g i n e e r 二次开发技术编写挖掘机工作装置参数化设计程序。 关键词：挖掘机工作装置；杆组；参数化建模；p r o e 二次开发 a b s t r a c t e x c a v a t o ri so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tt y p e so fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y ， t h e 如n c t i o no ft h ee x c a v a t o ri sd i r e c t l yi n f l u e n c e db y t h ed e s i g nl e v e lo ft h e w 溅n g d e v i c e h o w e v e rt r a d i t i o n a la n a l y s i sa n dd e s i g nm e t h o d c a n tm e e t t h er e q u i r e m e n to ft h i sc o m p l e xp r o d u c td e s i g n w i t ht h ed e v e l o p m e n t o t m o d e md e s i g nm e t h o da n dt h e o r ys u c h a sc a d ，t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l m g ， t h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do ft h ee n g i n e e r i n gm a c h i n e i so ni t sw a yt o a u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n t i z a t i o n t h et h e s i si sm a i n l ya b o u tc o m p u t e ra i d e dd e s i g n a n dp a r a m e t e r l z e d m o d e l i n go ft h ew o r k i n gd e v i c e o fe x c a v a t o r a c c o r d i n gt ot h es t m c t u r a i c h a r a c t e r i s t i c2 u l dw o 瓶n gt h e o r yo f t h eh y d r a u l i ce x c a v a t o rw o r k i n gd e v l c e ， t h ep a p e rg i v e sr a t i o n a la n a l y s i so fk i n e m a t i c sa n dm e c h a n i c s c o m b l n e d w i t l lt h ea n a l y s i sm e t h o do fp o l eg r o u pt h e o r y ，i td e v e l o p s as e to fd e s i g n a n a l v s i ss o f t w a r e o ft h ee x c a v a t o rw o r k i n g d e v i c e ，c r e a t e sp a r a m e t e r m o d e l i n ga n dm a k e s t h ep a r a m e t e rm o d e l i n go fi t sw o r k i n gd e v i c et h r o u g h s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t o fp r o ear e a l i t y 1 、e l a b o r a t eo nt h es p e c i f i ct h e o r yo f t h ep o l eg r o u pt h e o r y c r e a t em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h el i n km e c h a n i s m f o rm o v e m e n t 趾a l y s i su s i n gr o dg r o u pa n a l y s i s m a k eu s eo f r o ds t r i p i n gm e 也o dm l n l k m e c h a n i s ma n a l y s i sa n dd i s c u s sm o v e m e n ta n a l y s i sm e t h o do fs m g l e r o d ， s e c o n d a r yr o dg r o u pa n da c t i v er o dg r o u p ，w h i c h i sn o to n l ya c c u r a r t ea 1 1 d c o n v e l l i e n tf o rc a l l i n g ，b u ta l s oc a nb eu s e di nd i f f e r e n tk i n d so fp l a n el i n k m e c h a n i s m 2 、c r e a t em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ee x c a v a t o rw o r k i n g d e v i c e a p p l y k i n e m a t i c sa n a l y s i s ，m e c h a n i c a la n a l y s i sa n dd e s i g nr a t l o n a l i t y t o e x c a v a t i 泔w o r k m gd e v i c eu s i n gr o dg r o u pa n a l y s i sa n dc r e a t em a t h e m a t l c a l m o d e lo ft h ew o r k i n gd e v i c e 3 、d e v e l o pa i d e dd e s i g ns o f t w a r eo f t h ee x c a v a t o rw o r k i n g d e v l c e b a s e d0 nt h es u f f i c i e n ta n a l y s i s o fi t sw o r k i n gd e v i c e ，b y u s eo 士 d e v e l o p m e n tt o o lv c 抖6 0 ，a s e to fi n t e r f a c ef r i e n d l y ，c o m p l e t ef u n c t l o n c o m p u t e ra i d e dd e s i g ns o f t w a r eu s e df o rb a c k h o ee x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c e c a nb ew o r k e do u t 4 、r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i c m o d e l i n g ，p a r a m e t e r i z e dd e s i g n t e c h n o l o g ya n di t si m p l e m e n t a t i o nm e t h o d i td i s c u s s e st h ec o n c e p t i o n ，c h a r a c t e r i s t i ca n dp r o c e d u r eo fc h a r a c t e r i s t i c m o d e l i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fp a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，p a r a m e t e r i z e dm o d e l ， a n dp a r a m e t e r i z e dd e s i g no fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yb a s e do n p r o e n g i n e e r 5 、p a r a m e t e r i z e dm o d e l i n go ft h ee x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c e c r e a t ep a r a m e t e r i z e dm o d e lo fe x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c eb a s e do n t h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ep r o e n g i n e e r m a k eu s eo fp r o e n g i n e e r s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y t o c o m p l e t ep a r a m e t e r i z e dd e s i g n p r o g r a m o fe x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c e k e yw o r d s ：e x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c e ；p o l eg r o u p ；p a r a m e t e r i z e d m o d e l i n g ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f p r o e 承诺书承堵吊 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指 导下独立完成的，学位论文的知识产权属于太原科技 大学。如果今后以其他单位名义发表与在读期间学位 论文相关的内容，将承担法律责任。除文中已经注明 引用的文献资料外，本学位论文不包括任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的成果。 学僦2 0 0 0 0 文年作f 者j gc 1 b ：邙瓦叫 i l 一。 第一章绪论 第一章绪论 液压挖掘机是开挖土石方工程的主要机械设备。它具有重量轻，结构紧凑，挖 掘力大，传动平稳，操纵简便，易实现无级变速和自动控制等系列优点，被广泛应 用于水利水电工程、建筑工程、市政工程、矿山和国防等工程的施工中。它具有很 高的生产效率和可靠的安全稳定性，对于保证工程质量，加快建设速度，有着重要 作用。 1 1 挖掘机发展动态及研究状况 早在1 9 5 8 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。当时由于受配件如发动机、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8 0 年代末和 9 0 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。国内原有的数 家挖掘机专业生产厂为了生存和发展，利用自身的实力和丰富的挖掘机生产经验， 纷纷在工厂的技术改造、试验研究、新产品开发方面下大功夫。有的新开发的产品 ( 也包括某些己生产多年的老产品) 为了提高作业的可靠性，干脆采用了进口的液 压件和发动机，甚至于整个传动系统都采用国外元件来设计，这种经过改型或新设 计开发的液压挖掘机其工作可靠性和作业效率得到很大的提高。这样，引进和消化 国外的不少技术，在技术方面都有了长足的进步。 国内液压挖掘机行业近年来虽有很大发展，但与国外挖掘机行业发达国家相比 仍存在许多不足，其原因除了国内挖掘机加工水平落后之外，挖掘机设计水平与发 达国家相比也有较大的差距，尤其是一些先进设计技术的掌握和应用。经过近十几 年的对挖掘机的研究，获得了一些成果，有些研究结果己进入实际应用过程中，但 是研究还不够深入，大多数的液压挖掘机工作装置设计研究还是在现有机构的基础 上局限地进行的。 目前研究液压挖掘机工作装置设计的重点在于开发工作装置机构的计算机辅助 设计软件，使设计人员从繁忙的计算中解脱出来。在这样一种情况下，开发一个专 业化的工作装置的设计工具和软件显得非常必要。 挖掘机工作装置变量化3 d 建模与c a d 研究 1 2 挖掘机计算机辅助设计研究历史和现状 国内是从八十年代中期开始挖掘机的计算机辅助设计研究，取得了较大的成果。 国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了其 设计软件，他们的研究基本上局限于解决某些问题，即工作装置的几何参数、运动 参数和力参数等的解决。关于工作装置设计参数分析和在c a d 上其自动设计的综合 研究文献还没有。因此，开发出的软件缺少通用性，不能使用于挖掘机工作装置的 一些通用问题的解决，对工程机械这个行业不具有通用性。特别是国内，c a d 在许 多企业还停留在辅助制图的程度上，当然也有部分企业用c a d 进行空间布置设计。 虽然部分软件也有一定的分析计算能力，但是远远不能达到设计需要，对液压挖掘 机进行分析的大型通用软件目前市场上还很少。 太原科技大学和浙江大学机械设计研究所在这方面的研究起步较早。浙江大学 机械设计研究所在8 8 年以设计方法学思想为指导，开发了一个用于液压挖掘机c a d 的大型软件系统一液压挖掘机c a d 系统【3 】。该系统较全面有效地体现了复杂机械 c a d 系统开发策略和设计思想，即综合化、系统化、通用化和模块化、可靠性、易 用性、智能化，使该系统刚推出来就迅速推广应用于工厂和研究所的开发设计部门， 开始产生社会和经济效益，同时也引起国内外先进的挖掘机厂商的巨大兴趣。在此 基础上，浙大机械设计研究所于9 0 年代初采用较高开发效率的专家系统工具z i p e 开发了液压挖掘机的集成智能c a d 系统1 4 】。这是一项大型的商品化和实用化智能 c a d 软件，得到了我国工业界的承认。有多家工厂应用这一软件成功地开发或改进 了多种型号的液压挖掘机。其主要特点是：采用专家系统技术、用于复杂机械系统 设计、按设计进程综合而成、完全自主开发。 太原科技大学在9 0 年开发完成了e x c a d 程序系统，有效地应用于液压挖掘机 新产品开发、老产品改造和引进消化等工作1 5 j 。 文献6 中的学者们开发了挖掘机辅助设计c a d 系统【6 】。此系统人机界面友好， 使用简便，用户不需对计算机有过多的了解，只需很短时间就可掌握该系统。系统 中设计了完善的保护系统，可防止用户输入在机构学和动力学等方面不合理的数据， 提示用户输人正确的符台实际的数据，系统提示的动画功能，使用户在没有制造出 产品之前可模拟操作工作装置进行挖掘作业，更好地了解产品的性能。 文献7 中对挖掘机工作装置进行了优化设计【7 1 。开发的优化程序可以适应于任何 反铲挖掘机机构的设计，具有通用性，该优化设计能缩短产品设计周期，减轻工作 2 第章绪论 量，提高产品的标准化程度及产品设计水平。 随着计算机硬件及c a d 技术的进一步发展，出现了许多通用、大型的参数化、 变量化设计软件，如p r o e 、u g 、s o l i d w o r k s 等，它们不仅包含了三维特征造型、装 配、二维工程图等模块，还集成了零部件的强度分析、运动学、动力学、有限元等 各种分析及计算模块。因而挖掘机的计算辅助设计也渐渐转向运用这些通用大型平 台。徐州工程机械研究所在s g i 工作站上利用i d e a s 软件完成了w y 2 0 型整机、 w y 2 0 a 工作装置的三维实体造型【引。柳工机械股份有限公司在p r o e n g i n e e r 环境 中建立了反铲挖掘机工作装置的三维模型，并利用其运动分析模块进行了工作装置 的运动仿真例。 1 3 挖掘机参数化三维建模的研究现状 挖掘机工作装置参数化三维建模现在研究的还比较少，参考文献不是很多。 浙江大学机械设计研究所在p r 0 e n g i n e e r 平台上，对w y 3 5 型液压挖掘机进 行了完整的参数化建模，在国家自然科学基金会重点项目“机械系统广义优化设计 理论、方法和技术的研究中作为其应用实例，取得了较好的效果。由于在建模中， 受所选择的绘图系统的功能和设计人员的绘图经验的影响，并且还要考虑到优化系 统驱动的需要，所建模型存在一些欠缺【l o j ： 1 在用p r o e 进行参数化建模过程中以已有的工程图纸为建模基础，其模型参 数与优化系统所需驱动参数不相符合，也没有建立参数对应关系，因此模型 无法为优化系统所驱动； 2 因为有较详细的二维工程图纸作为基础，整个建模设计过程是自底向上的， 零部件装配及总成时，出现了一些干涉问题；并且零件之间、零部件间的装 配约束关系及参数关系不明确或不完整，模型内没有建立有效的约束机制， 导致模型参数变化时模型再生出现问题； 3 现有的参数化设计没有现实产品的全参数化，没有建立参数之间的内部关 联，因而无法实现产品的快速系列化设计； 4 产品结构模型和有限元参数化模型没有达到统一，在有限元分析软件中重新 进行参数化建模工作，而没有充分利用p r o e 的强大造型功能，因而增加建 模的工作量。 同济大学李永旭博士在u g 0 0 n i g r a p h i c s ) 平台上，对挖掘机工作装置进行了参数 化建模并进行了有限元分析【】。在建模过程中，只是以一些简单的机构尺寸作为驱 3 挖掘机工作装置变量化3 d 建模与c a d 研究 动参数，也同样没有现实产品的全参数化。 1 4 本课题主要的研究内容 以上分析可知，国内对于挖掘机工作装置的设计分析作了较深入的研究，且有 不少学者或研究所编制了挖掘机辅助设计软件，同时结构参数化建模方面也有初步 的研究。但从不同文献可以看出对于挖掘机工作装置进行探讨时都是从不同侧面进 行的，且有不完善之处，存有一定的缺陷，有些缺乏整体性和系统性。 本文在参考大量文献的基础上，建立挖掘机工作装置的数学模型，编制功能较 齐全的挖掘机工作装置设计分析系统软件和工作装置参数化程序。目的在于减少挖 掘机设计工作人员的工作量，缩短研究和开发周期，降低产品成本，提高设计质量。 本课题主要研究的内容： 1 研究杆组理论分析法； 2 用v c + + 6 0 开发挖掘机工作装置辅助设计软件； 3 特征建模和参数化设计技术与实现方法的研究； 4 基于p r o e 二次开发技术的挖掘机工作装置的参数化三维建模。 4 第二章杆组分析法 第二章杆组分析法 2 1 连杆机构杆组分析方法 杆组分析法是以机构中的“阿苏尔杆组 为基本单元，按各基本单元编制通用 的分析子程序。在进行机构运动分析时，先将机构划分成基本杆组，然后逐个对每 一基本杆组进行分析，最终完成整个机构的分析。 杆组分析法的优点在于计算程序化，根据杆组来划分一个个的程序模块，无论 杆组的添加和搭建是何种模式，只需要调用相应的杆组程序就可以快捷的对整个机 构进行分析。相对其它的方法来说简单易行，而且该方法对各种不同类型的平面连 杆机构都适用。 2 1 1 杆组的定义 任何机构都可以认为是由机架、主动件和从动件三个部分组成。由于每一主动 件具有一个自由度，因而机构中主动件的数目与机构的自由度数相等，由此可知： 从动件系统的自由度应该等于零。虽然各种不同的机构从动件系统的构件数目各不 相同，但从动件系统一定可以分解成一个或若干个不可再分解的自由度为零的运动 链，这种运动链称为杆组【1 2 】。根据杆组的概念可以认为机构是由一个或若干个自由 度为零的运动链依次联接到机架和主动件上而形成的。 图2 - 1 六杆机构及其杆组 如图2 1 所示自由度为1 的六杆平面机构，当把机架l 和主动件5 拆除后，剩下 的从动件系统2 3 _ 4 6 又可分为由构件2 3 和4 6 构成的两个杆组。 5 挖掘机工作装置变量化3 d 建模与c a d 研究 2 1 2 杆组的分类及特性 在讨论杆组分类时，仅限于分析平面低副机构，这是因为高副机构总可以通过 高副低代转化为平面低副机构。 根据平面机构自由度数公式【1 3 】，杆组的构件数n 与低副数p 满足以下公式： 3 n - 2 p 2 0 又因n 与p 都是整数，因此，只能按下表2 - 1 列出的数据取值： 表2 - 1 n 、p 的取值情况 n2468 p 3691 2 n = 2 ，p = 3 的杆组有图2 2 所示的五种。图中运动副a 、c 为杆组的外副，b 为 内副，外副若为转动副时画实心圆，如把三个运动副都改为移动副时则失去杆组的 性质。 a 、 、 、 7 图2 - 2 n = 2 ，p = 3 的杆组 n = 4 ，p 的杆组见图2 3 所示。n = 6 ，p - - - - 9 的杆组见图2 - 4 所示。 杆组可以按其包含的封闭形是几边形而分级。如图2 3 ( a ) 及图2 4 ( a ) 的杆组中包 含有刚性的三边封闭形，因而属于级组；图2 3 ( b ) 及图2 4 ( b ) 的杆组中包含有可变 的四边封闭形，因而属于级组；图2 4 ( c ) 的杆组中包含有可变的五边封闭形，故属 于v 级杆组；其余依次类推。至于图2 2 所示杆组则属于i i 级杆组。在生产实际中， 6 第二章杆组分析法 i i 级杆组应用最广，其次是i i i 级杆组和级杆组，而更高级杆组则很少见1 1 4 1 。 ( a ) o ( a ) ( b ) 图2 - 3n = 4 ，p = 6 的杆组 ( b )( c ) 图2 _ 4n = 6 ，p - - 9 的杆组 杆组具有运动确定性和静力确定性。所谓运动确定性即杆组的外副若与运动已 知的构件相联接，则杆组中每一构件的运动都是确定的，可以用一定的运动分析方 法求出。所谓静力确定性是指如杆组上作用的外力系已知，则杆组的各运动副中的 约束反力未知数可由杆组本身各构件的平衡方程式解出。由于杆组具有这两个特性， 因而将机构的从动部分划分为杆组的做法，对机构的运动分析和受力分析皆具有指 导意义。 2 1 3 机构结构分析方法 任何一个机构都可看成是由一个或若干个杆组依次连接到机架与主动件上而组 成的。即机构的组成为： 机构= 机架+ 原动件+ 杆组 机构的结构分析方法就是把已知机构分解为原动件组和杆组并确定机构级别的 过程。它与杆组扩展形成机构的过程正好相反，一般是从远离原动件组的构件开始 拆组。可先试拆i i 级杆组，如不可能，再试拆高级杆组，直至剩下原动件组为止。 每次拆组后，均应保持剩余部分的运动特性与拆组前相同。机构的级别由所含杆组 7 挖掘机工作装置变量化3 d 建模与c a d 研究 的最高级别而定，如所含杆组的最高级别为i i 级，则称该机构为i i 级机构；如所含 杆组的最高级别为i 级，则称该机构为i 级机构；其余依次类推。i 级及i 级以上 的机构又统称为高级机构。只有原动件组( 不含杆组) 的机构则称为i 级机构。 2 1 4 杆组概念向有源组的引申【1 5 1 在平面连杆机构中，原动件大多为连架杆，但也有少数例外，譬如含有气、液 压元件的平面连杆机构，其原动件就不是连架杆了。为了对原动件为非连架杆的平 面连杆机构进行结构分析，可设想把前述杆组演变成含有气、液压元件的“杆组”。 i i 级组“一缸级组” 一一一 m 级组 。一缸级组” o o 级组“一缸级组” 图2 5 由基本杆组派生出有源组 如图2 5 所示，假设在i i 级组中将某构件一分为二，并用液压或气动元件联接， 从而派生出“一缸i i 级组；同理，由级组、级组可分别派生出“一缸级组、 “一缸级组 ；余类推。当然，在基本杆组中也可引进二缸、三缸甚至多缸，从 而派生出“多缸杆组”，但应用甚少。含有气、液压元件的杆组，又统称为“有源 组”。 8 第二章杆组分析法 显然，在基本杆组中引进气、液压元件而形成的“杆组 即有源组的自由度已 不再为0 ，其自由度就等于该有源组中的气( 液) 缸数。这种平面连杆机构可以认为是 由基本组和有源组依次联接到运动已确定的一个或几个构件( 包括机架) 上去的方法 组成的。它的级别可按基本杆组和有源组的最高级别确定。 2 2 杆组分析法运动分析【1 6 ，1 7 , 1 8 , 1 9 2 0 , 2 1 1 因单杆和i i 级杆组在实际工程中应用最广泛，故下面将着重阐述单杆和i i 级杆 组数学模型的建立及分析方法。 2 2 1 单杆的运动分析 ( a ) 单构件运动分析模型 ( b ) i i 级杆组运动分析模型 图2 - 6 单构件和级杆组运动分析模型 如图2 - 6 ( a ) 所示，为一构件a b 。若已知该构件上a 的位置_ ( _ ，y a ) 、速度丸、 儿，加速度艺、虬，构件的位置角0 、角速度舀、角加速度占，则可求出构件m 上 任一点b 的位置( ，) 、速度如、儿和加速度靠、。 ( 1 ) 位置分析 z 三篇s ? i l s l 甜 亿， = 儿+ 1 1 j ( 2 ) 速度分析 将式( 2 1 ) 对时间求一次导数，可得b 点的速度方程为： 如= 屯一0s l n 日- = 丸一q ( 一儿 ( 2 2 ) 弗= 以+ b c o s o l = 见+ 0 1 ( x b 一) j 9 挖掘机工作装置变量化3 d 建模与c a d 研究 ( 3 ) 加速度分析 将式( 2 2 ) 分别对时间求一次导数，可得b 点的加速度方程为： 囊三：童爱二：；二荽 z 二j c 2 j b = j a + 9 l b b x 一e j ( y b y ? 2 2 2i i 级杆组的运动分析 如图2 6 ( b ) 所示的i i 级杆组，若已知运动副a 、c 的位置_ ( _ ，y 4 ) 、厂c ( k ，) ， 速度丸、虬、j i c 、允，加速度t 、或、甏、必，杆长、乞，可求内副b 的位置 ( ，儿) 、速度屯、以和加速度靠、蚝，以及构件1 、2 的位置角o l 、岛，角速度 或、晓，角加速度茸、晚。 ( 1 ) 位置分析 由图2 6 ( b ) 可知两外副a 、c 的位置之间的距离为： d 5 ( x c x 彳) 2 + ( y c y 4 ) 2 (24) 若d + 乞或j , 占一y c ) ( x 一) ) ( 2 9 ) ( 2 ) 速度分析 1 0 第二章杆组分析法 由同构件上两点的速度关系式( 2 2 ) 可得： 南= 丸一o l ( y n y a ) = 一0 2 ( y n y c ) 丸= 儿+ 1 9 1 ( x b x 一) = 弗+ 吼( 一k ) 令：q = ( y 8 - y f ) ( 一屯) 一( 一儿) ( 一坼) 则或= ( ( 一九) ( 一坼) + ( 弗一丸) ( 一y c ) ) q 百2 = ( ( 圣c j c , 4 ) ( x 口一x a ) + ( 夕c 一夕爿) ( y 曰一y a ) ) q 将包代入式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 中，可得点b 的速度为： 如= 丸一1 1 0 1s i n o l = 丸一0 , ( y b y a ) l 九= 丸+ bc o s 0 。= 儿+ b ( 一) j ( 3 ) 加速度分析 由同一构件上两点的加速度关系式( 2 3 ) 可得： 南= 屯一e ( 儿一y a ) 一钾( 一x a ) = 一e ( 蜘一) 一卯( 一乇) 或= 蜕+ 或( 一x a ) - - o ? ( y b - - y a ) = 萝c + 反( 一k ) 一卯( 一) 令：f = 毫一2 , 4 + 卯( 一九) 一彰( 一k ) g = j j c j ) 爿+ 百1 2 ( 少占一y a ) 一百；( y 占一y c ) 则0 1 = ( f ( 一k ) + g ( 蜘一虼) ) q 晚= ( f ( x 口一x a ) + g ( 少口一y a ) ) 9 将或代入式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 中，可得点b 的加速度为： 如= t 一0 1 ( y b 一儿) 一砰( 一吒) i j b = j a + e t b b x j e ；t y b y 0 2 2 3 有源组的运动分析 ( 2 1 9 ) 图2 7 所示为一缸i i 级组，其a 、b 、 c 均为转动副( a 、c 为外副，b 为内副) ，e 为有压力源的气液移动副。 已知：外副a 、c 的位置么( 以，y a ) 、 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 图2 7 一缸i i 级有源组 挖掘机工作装置变量化3 d 建模与c a d 研究 七( ，雎) ，速度屯、丸、丸，加速度也、虬、磁、比；杆2 相对于3 的位 移s 、速度j 、加速度箩；尺寸参数已知。 求：内副b 的位置( ，儿) 、速度南、儿和加速度诏、 位置角q 、色，角速度反、0 2 ，角加速度或、魂。 ( 1 ) 位置分析 有源i i 级组的位置矢量方程 r b2 r a + a b = r d + d b 将上式投影到直角坐标上，经整理可得 a b c o s o l s c o $ 0 2 一+ = 0 l a b s i n o l s s i n 0 2 一y d + y a = q 将上式两个方程经过整理可以消去含b 的项 a s i n 0 i + b c o s o , = c a = 2 a b ( y c 一虬) 式中：b = 2 a b ( x c 一) c = 彳b 2 + a c 2 一s 2 田二用刘识，大u 2 辔拿 咖仆南 1 - t 9 2 鱼 c o s q2 硒2 托，以及构件1 、3 的 ( 2 2 0 ) ( 2 2 0 ( 2 2 3 ) 代入式( 2 2 2 ) ，整理后可得 ( b + c ) t 9 2 冬圳留譬邶_ c ) = o ( 2 2 4 ) 解方程可得 ol=2tg-i譬a、a2+b2-c2 ( 2 2 5 ) 当模型中么、b 、c - - - 点的顺序为顺时针时，取“- ，号，反之，取“+ ”号。 此时，可以求出 1 2 第二章杆组分析法 ( 2 ) 速度分析 将位置方程对时间f 求导得并投影到直角坐标轴上得 由上式可求出 此时，可以求出 ( 3 ) 加速度分析 ( x 口一x 一) ( 一y ( ) 一( y b y 4 ) ( x 口一x c ) 将速度方程对时间求导并整理得 式中：4 = - a b s i n 0 1 ，4 = a b c o s o l ，4 = s s i n o = ，4 = - - s c o s 0 2 置= 薯一也一2 畦s i n 0 2 + g c o s 0 2 + 彳b c o s b 卯一s c o s o , 0 ； 垦= j 毛一夕月+ 2 k 0 2c o s 0 2 + 2 f s i n 0 2 + a b s i n o l o ? 一s s i n 0 2 0 ： 由式( 2 3 1 ) 可以求出 此时，可以求出 0 1 = 蜀4 一垦4 4 4 4 4 在以上分析的基础上，编写杆组分析法程序，就可对具体机构进行分析。 1 3 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 、，、rj 8 8菪5 |船船 + + 一 a x y l i = 蜘 、q，一一吣 “ “ ，鸭警诣哆见舢鸣 一时 西q! 薹咀 胁 啪 吼 船 、，j q以包始 g 船 船 一 + t 儿 = = 如儿 、， 蜀芝 = = 。也。包鸣4 + 。bq 4 4 咖咖 啷g州 挖掘机工作装置变量化3 d 建模与c a d 研究 2 3 杆组分析法应用 以图2 - 8 为例说明杆组分析法的具体 应用。 按前面所介绍的机构结构分析方法， 拆分该机构如图2 8 所示，它是由一个i i 级有源杆组和一个i i 级杆组组成。 其运动分析过程为： 1 确定彳、b 、c 各点位置和速度； 2 调用有源i i 级杆组函数计算e 点 位置、速度、加速度； 3 调用i i 级杆组函数计算，点位 置、速度、加速度。 图2 8 从中可以看出，运用杆组法分析机构是非常方便和快捷的。 1 4 第三章挖掘机工作装置数学模型 第三章挖掘机工作装置数学模型 3 1 单斗液压挖掘机的组成与工作原理 单斗液压挖掘机是装有一只铲斗并采用液压传动进行挖掘作业的机械。它是目 前挖掘机械中重要的机种。 单斗液压挖掘机的作业过程是以铲斗( 一般装有斗齿) 的切削刃切削土壤并将土 装入斗内，斗满后提升，回转至卸料位置进行卸土，卸空后铲斗再转回并下降到地 面进行下一次挖掘。当挖掘机挖完一段土后，机械移动一段距离，以便继续作业。 因此单斗液压挖掘机是一种周期作业的自行式机械。 单斗液压挖掘机为实现周期性作业的要求，设有下列基本组成部分：工作装置、 回转装置、动力装置、传动操纵机构、行走装置和辅助设备等。常用的全回转式挖 掘机，其动力装置、传动机构的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都在转 台上，称上部转台。因而这种挖掘机也可概括为由工作装置、上部转台和行走装置 三大部分组成，挖掘机的基本性能决定于各部分的构造、性能及其综合的效果。 图3 - 1 液压挖掘机基本组成简图 1 一动臂；2 一斗杆；3 铲斗；4 连杆机构：5 一动臂液压缸；6 一斗杆液压缸；竹斗液压 缸 卜挖掘装置：n 一回转装置；卜行走装置 液压挖掘机的工作装置采用连杆机构原理，各部分的运动通过液压缸的伸缩来 实现。图3 1 是液压挖掘机最常用的工作装置一反铲工作装置。它由动臂1 、斗杆2 、 铲斗3 、连杆机构4 及相应的三组液压缸5 、6 、7 组成。动臂下铰点铰接在转台上， 挖掘机工作装置变量化3 d 建模与c a d 研究 通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动；依靠斗杆缸使斗 杆绕动臂的上铰点转动；而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗 杆前铰点转动。 挖掘作业时，接通回转马达，转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵 动臂缸小腔进油使液压缸回缩；动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆液压缸或铲斗液 压缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。铲斗装满后，铲斗液 压缸和斗杆液压缸停动并操纵动臂缸大腔进油，使动臂抬起，随即接通回转马达， 使工作装置转到卸载位置，再操纵铲斗液压缸或斗杆液压缸回缩，使铲斗翻转进行 卸土。卸完后，工作装置再转至挖掘位置进行第二次挖掘循环。 在实际挖掘作业中，由于土质情况、挖掘面条件以及挖掘机液压系统的不同， 反铲装置三种液压缸在挖掘循环中的动作配合可以是多样的、随机的。上述过程仅 为一般的理想过程。 总之，液压挖掘机采用三组液压缸使工作装置具有三个自由度，铲斗可实现有 限的平面转动，加上液压马达驱动回转运动，使铲斗运动扩大到有限的空间，再通 过行走马达驱动行走( 移位) ，使挖掘空间可沿水平方向得到间歇地扩大，从而满足 挖掘作业的要求。 一- l - - j - - - - l 一= ：= ：工：二 6 图3 - 2 挖掘机工作装置分析模型 1 6 第三章挖掘机工作装置数学模型 3 2 挖掘机工作装置运动分析 挖掘机反铲工作装置是一个复杂的平面连杆机构。为编写程序方便，本文将以 杆组分析法为理论，对挖掘机工作装置进行运动分析。 首先建立挖掘机工作装置分析模型，如图3 2 所示。该模型以停机面( 水平面) 为x 轴，向右为正方向，以挖掘机回转中心为y 轴，向上为正方向，用字母代表不 同的点。所有挖掘机的分析都以此为模型。 图3 - 3 挖掘机工作装置机构分析图 ( a ) i i 级杆组( b ) 、( c ) 、( d ) 带缸i i 杆组 结合第二章连杆机构杆组分析法，现对挖掘机工作装置进行具体的机构分析。 该机构由3 个液压动作缸作为主动副以实现挖斗的具有复杂动作的挖掘工作。该机 构无虚约束和局部自由度，机构的活动构件有1 1 个，低副1 5 个，机构自由度为3 ， 该机构自由度与所给定的3 个动作缸数相符。先从机构中拆出连杆和铲斗组成的i i 级杆组( 图3 3a ) ；由于h 副为复合铰链，拆除一个转动副后，尚剩余一转动副； 再拆出铲斗油缸和摇杆组成的一个带缸i i 级组( 图3 3b ) ；然后拆出由斗杆油缸和 斗杆组成的带缸i i 级组( 图3 3c ) ；最后拆除由动臂油缸和动臂组成的带缸i i 级组 1 7 厂l 挖掘机工作装置变鼍化3 d 建模与c a d 研究 ( 图3 3d ) ；剩余的仅为机架；该机构中最高级别的带缸杆组均为i i 级，因此该机 构为具有三个自由度的带缸i i 级机构。 3 2 1 动臂的运动分析 1 各点位置 动臂上任意一点在任一时刻的坐标值都是厶的函数。 按下面顺序确定挖掘机动臂各点的位置： 根据已知参数确定a 、c 点的坐标( ，儿) 、( k ，y c ) ； 已知4 、c 点位置油缸a b 长度厶，杆c b 长度，调用有源i i 级杆组位置 分析程序计算b 点坐标( ，y b ) ； 已知c 、召点位置，杆c f 、b f 长度，调用i i 级杆组位置分析程序计算f 点坐标( 砟，y f ) ； 已知c 、f 点位置，杆c d 、f d 长度，调用i i 级杆组位置分析程序计算d 点坐标( b ，) 。 2 各点速度 在已知动臂各点位置的前提下，按下面顺序确定动臂各点的速度： 确定a 、c 点速度( ，v 一) 、( k ，虻) ； 已知彳、c 点速度动臂油缸运行速度k ，调用有源i i 级杆组速度分析程序 计算b 点速度( ，1 ，沾) ； 已知c 、召点速度，调用级杆组速度分析程序计算，点速度( ，1 ，矿) ； 已知c 、f 点速度，调用i i 级杆组位置分析程序计算d 点速度( ，) 。 3 动臂转角 动臂转角9 是指动臂油缸 在某一长度厶时杆c b 与动臂油 缸长度最小厶血时杆c b o 的夹 角。 动臂的摆角范围仍一是动 臂的最大转角，即动臂油缸最大 厶一时杆与动臂油缸最小 厶血时杆c b o 的夹角。 动臂瞬时转角仍由图3 - 4 可 1 8 图3 - 4 动臂摆角计算简图 多 一一一 f 第三章挖掘机工作装置数学模型 得： a p l = q 1 9 1 。i n 似瓮辫c o s c 错， 动臂的摆角范围仍一为： 妒。一2 q 一一b i n j n 。s 镒c o s c 掰， ( 3 1 ) ( 3 2 ) 3 2 2 斗杆的运动分析 1 各点位置 斗杆的位置参数是动臂油缸厶和斗杆油缸厶的函数。 按下面顺序确定挖掘机动臂各点的位置： 确定动臂上d 、f 点位置( 勤，) 、( 砟，y f ) ； 已知d 、，点位置油缸砸长度厶，杆甩长度三f ，调用有源级杆组 位置分析程序计算e 点坐标( ，虼) ； 已知f 、点位置，杆e g 、f g 长度，调用级杆组位置分析程序计算g 点坐标( ，虼) ； 已知f 、g 点位置，杆硝、g n 长度，调用级杆组位置分析程序计算 点坐标( h ，) ； 已知f 、e 点位置，杆翘