基于proe的液压挖掘机三维建模与运动仿真.doc

*学校 毕毕业业设设计计说说明明书书 设计题目：基于设计题目：基于 Pro/E 的液压挖掘机三维建模与运动仿真的液压挖掘机三维建模与运动仿真 系 部： * 专 业： * 班 级： * 学生姓名： * 学 号： * 指导教师： * *年*月*日 摘 要 工作装置是液压挖掘机的重要组成部分，为研究工作装置在挖掘机整个作 业循环时间里的运动情况，运用 Pro/E 软件的运动仿真模块对挖掘机工作装置 进行运动仿真。采用传统的运动分析方法存在工作量大、不精确和不直观等缺 点。利用 Pro/E 对液压挖掘机反铲工作装置进行建模和装配,首先分析了挖掘机 的运动过程和各工况位置,然后用 Pro/ E 中的 Mechanism 模块进行了机构运动 学仿真,通过对挖掘机各连接轴的设置,找到挖掘机动臂、斗杆和铲斗的各极限 位置，以及确定各部件的运动关系和时间安排。结果表明该方法简单、可靠、 为挖掘机整机设计及性能评估提供一定的理论依据。 关键字关键字：液压挖掘机；Pro/E；运动仿真 ABSTRACT The work device is an important part of a hydraulic excavator.To start the motion process of hydraulic excavator work device in the whole operation cycle time, Pro/E sofortware is used to simulat. The traditional design methods 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 positionsof movable arm, bucket arm and bucket were found through setting joint shafts of the excavator. Keywords：excavator；Pro/E；dynamic simulation *学校毕业设计 目 录 摘要. 第 1 章 绪论.1 1.1 液压挖掘机在工程应用中的重要性.1 1.2 液压挖掘机的简介.1 1.2.1 液压挖掘机的组成.2 1.2.2 液压挖掘机的工作循环过程.3 1.3 Pro/E 软件的介绍.3 第 2 章 基于 Pro/E 的挖掘机参数化建模.5 2.1 动臂的建模.5 2.2 斗杆的建模.7 2.3 挖斗的建模.8 2.4 驾驶舱的建模.10 2.5 动臂液压元件.12 2.6 挖斗液压元件.13 2.7 连接片的建模.14 第 3 章 液压挖掘机的装配设计.16 3.1 装配概述.16 3.2 机座的装配.17 3.3 机身的装配.18 3.4 动臂液压元件的装配.19 3.5 斗杆液压元件的装配.20 3.6 挖斗液压元件的装配.21 3.7 挖掘机的总体装配.21 第 4 章 液压挖掘机的运动仿真模拟.23 总结.27 致谢.28 参考文献.29 *学校毕业设计 0 第 1 章 绪 论 1.1 液压挖掘机在工程应用中的重要性 液压挖掘机作为一种重要的工程机械使用在土石方施工和矿山采掘工业中， 它有别于其他机械设备，它的工作环境恶劣，常工作在地质情况复杂、载荷情 况多变、大气条件差的条件下。因此，其可靠性备受关注，特别是它的工作装 置部分，由于要承受巨大载荷以及频繁的载荷变化，其结构安全性更要进行严 格验证。近年来，随着电子计算机的快速发展，有限元分析技术和虚拟样机技 术在挖掘机的设计和开发过程中得到了广泛使用，国内外的研究人员对此也做 了大量的研究工作与探索。 挖掘机是一种常用的、重要的工程机械，在国民经济建设的许多行业被广 泛地采用，如工业与民用建筑、交通运输、水利水电工程、农田改造、矿山采 掘以及现代化军事工程等行业的机械化施工中，对减轻繁重的体力劳动，保证 工程质量，加快建设速度，按时完成工期，提高劳动生产率都起着非常重要的 作用。据统计，一般工程施工中约有 65%70%的土方量、露天矿山中 80%的剥 离量和采掘量都是用挖掘机完成的。 液压挖掘机作为工程机械的产品代表，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有点，被广泛用 于水利水电工程、建筑工程、市政工程、矿山采掘以及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。据建设部门统计，一台斗容为 1.0m的液压挖掘机挖掘 级土壤时，每班生产率大约相当于 300400 个工人一天的作业量。因此使得 挖掘机在现代“挖土改水”的建设中发挥着越来越重要的作用。 随着计算机辅助设计技术的日益推广，机械设计及制造技术发生了革命性 的变化，而作为一个重要分支的液压挖掘机行业，应用现代计算机辅助设计技 术势在必行。 1.2 液压挖掘机工作简介 液压挖掘机实在机械系统传统挖掘机的基础上发展起来的一种周期作业的 土方机械，液压挖掘机由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液压传动， 靠液体的压力能进行工作。如图 11 为挖掘机实际图片。 *学校毕业设计 1 图 11 挖掘机 1.2.1 液压挖掘机的组成 液压挖掘机的总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、 传动系统、行走机构和辅助设备等，液压挖掘机结构简图如图 12 所示。 图 12 液压挖掘机的基本组成简图 1-动臂； 2-斗杆； 3-挖斗； 4-连接片； 5-动臂液压缸； 6-斗杆液压缸； 7-挖斗液压缸； 11-回转装置； 111-行走装置； 工作装置各运动部件之间采用销轴铰接，以动臂油缸来支撑和改变动臂的 *学校毕业设计 2 倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下铰点转动实现动臂的升降。斗杆铰接 于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂的相对角度。当斗杆油缸伸缩时， 斗杆可绕动臂上铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗 转动。为增大铲斗的转角，通过采用摇臂连杆机构来和铲斗连接。 1.2.2 液压挖掘机的工作循环过程 液压挖掘机的工作循环过程的仿真是进行液压挖掘机虚拟样机研究必不可 少的一个过程。液压挖掘机的工作装置动作以及机身的回转和行走都有液压传 动系统实现，原动机驱动双联液压泵，把压力油分别送到两组多路换向阀，通 过司机的操作，将压力油单独或同时送往液压执行元件（液压马达和液压油缸） 驱动执行机构（工作装置）工作。 其工作过程如下： 先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆与铲斗，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，转斗卸除土壤，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。斗杆挖掘可以获得较大的行程，但挖掘力要 小一些。铲斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束的时候装满土壤，因 此挖掘机的最大挖掘力一般是由铲斗液压缸实现的。 1.3 Pro/E 软件介绍 PRO/E 是美国 PTC 参数技术公司推出，是国际上最先进也是最成熟使用参 数化特征造型技术的大型 CAD/CAM/CAEA 集成软件。PRO/E 包括三维实体造型， 装配模拟，加工仿真 NC 自动编程，板金设计，电路布线，装配管路设计等专有 模块，ID 反求工程，CE 并行工程等先进的设计方法和模式。其主要特点是参数 化的牲造型；统一的能使各模块集成起来的数据库；设计修改的关联性，即一 处修改，别的模块中的相应图形和数据也会自动更新。它的性能优良，功能强 大，是一套可以应用于工业设计，机械设计，功能仿真，制造和管理等众多领 域的工程自动化软件包。PRO/E 自动化自问世以来，多年来已成为全世界最普 及的 3DCAD/CAM 系统的标准软件，PRO/E 在今日俨然已成为 3DCAD/CAM 系统的 标准软件，广泛应用于电子，机械，模具，工业设计，汽车，自行车，航天， 家电，玩具等各行各业。PRO/E 是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新 一代产品造型系统，是一个参数化，基于特征的实体造型系统，并且具有单一 的数据库功能。PRO/ENGINEER 是世界领先的机械设计自动化解决方案，专门用 *学校毕业设计 3 于机械计算机辅助设计。它是一个适用于产品、模具等产品设计并具有基于单 一数据库、参数化设计、行为建模能力、特征造型、全相关性等特性的 CAD/CAE/CAM 软件系统。 *学校毕业设计 4 第 2 章 基于 PRO/E 的液压挖掘机参数化建模 本文主要的研究内容是液压挖掘机工作装置的参数化建模，包括动臂、斗 杆，挖斗、液压支柱等需详细建模，而除工作装置以外的部件，在建模时则尽 量简化，比如回转平台、行走装置等只是勾画出外部形状，而内部细节并未详 细绘制。 参数化建模是指在参数化造型过程中记录建模过程和其中的变量以及用户 执行的 CAD/CAM/CAE 功能操作。因此，参数化建模通过捕捉模型中的参数化 关系记录了设计过程。其本质就是设计过程的记录和回放。这种记录过程与次 序有关。同时，它利用一系列定义好的参数对模型进行顺序计算。参数化建模 的优势在于其速度快，其缺点是用户必须提供几何元素的全部尺寸、位置信息， 即只有完全定义前一元素，才能定义下一个元素。 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。 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 拉伸，镜像得到动臂的主体。接下来主要用拉伸操作依次绘制连接柱、连接 片,最后用圆角工具对零件进行倒圆角休整。 2.1 动臂的建模 动臂的建模主要采用拉伸，镜像命令来实现。首先拉伸出侧板，然后拉伸 内肋板与上下板，最后用镜像命令完成动臂的建模。 图 2-1 动臂侧板的建模 *学校毕业设计 5 图 2-2 动臂上下板与内筋板的建模 图 2-3 动臂上耳座支座的建模 图 2-4 动臂侧筋板的建模 *学校毕业设计 6 图 2-5 动臂最终建模 2.2 斗杆的建模 斗杆的建模过程和动臂相似，同样采用拉伸，镜像命令来完成。 图 2-6 斗杆侧板的建模 图 2-7 斗杆上下板与内筋板的建模 *学校毕业设计 7 图 2-8 斗杆上耳座支座的建模 图 2-9 斗杆侧筋板的建模 图 2-10 斗杆最终建模 2.3 挖斗的建模 *学校毕业设计 8 图 2-11 挖斗草绘图 图 2-12 抽壳 图 2-13 挖齿草绘图 *学校毕业设计 9 图 2-14 挖齿沿挖斗边方向阵列，距离 158，阵列数目 6 图 2-15 挖斗最终建模 2.4 驾驶舱的建模 第一步：拉伸实体，去除材料 *学校毕业设计 10 图 2-16 第二步：做倒角，然后抽壳 图 2-17 第三步：拉伸去除材料 *学校毕业设计 11 图 2-18 2.5 动臂液压元件 图 2-19 动臂液压缸 *学校毕业设计 12 图 2-20 动臂液压柱 2.6 挖斗液压元件 图 2-21 挖斗液压缸 *学校毕业设计 13 图 2-22 挖斗液压柱 2.7 连接片的建模 图 2-23 连接片的草绘图 *学校毕业设计 14 图 2-24 连接片的最终建模 *学校毕业设计 15 第 3 章 液压挖掘机的装配设计 3.1 装配概述 机构的装配过程主要分为两大类：以约束条件装配固定不动的原件和以连 接条件装配可移动的原件。 以约束条件装配固定不动的原件: 在装配机构的原件时，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。 约束条件的类型共有 11 种，在这些约束条件中，固定及缺省只需点选其命 令图标，即可完成元件的装配，坐标系仅需 1 个约束条件，即可元件的装配， 其余的皆需给定 2 个或 2 个以上的约束条件，方能完成元件的装配。其中还包 括自动、匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上点 、曲面上的点、曲面上的 边、固定、缺省等约束条件。 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。 在进行元件的装配时，按主窗口右侧增加元件至组件的图标，打开 一个零件或组件时，在仪表板的“连接条件”选项中，即可显示众多的连接条 件，连接条件共有 11 种。分述如下：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。 各类型连接所拥有的自由度： 自由度 连接的类型连接的符号 旋转平移 操作步骤运动方式 *学校毕业设计 16 刚性 00 由组件及元件 选几何图元， 直至完全约束 住 将连个零件黏 合在一起，形 成一个缸体， 其作用相当于 使用约束条件 将元件固定住 销钉 10 选连个轴，再 选两个平面 元件饶着一个 轴旋转 滑动杆 01 选两个边或轴， 再选两个平面 元件沿着一个 边（或轴）平 移 圆柱 11 选两个轴 元件沿着一个 轴平移，且绕 着此轴旋转 平面 12 选连个平面 元件沿着平面 移动，且绕着 平面的垂直方 向旋转 球 30 选连个点 元绕着一个点 任意方向旋转 焊接 00 选两个坐标系 将连个元件黏 合在一起 轴承 31 选一个点及一 个轴 元件绕着一个 点任意方向旋 转，且沿着一 个轴平移 一般 自由度和所 选的图元有 关 选任意两个图 元 元件的运动方 式与所选的图 元有关 33 选两个坐标系 元件可任意方 向平移和旋转 槽 元件沿着线 条运动 选元件的点， 再选取组件的 线条 元件沿着线条 运动 挖掘机的总体装配过程如下： 为简化装配过程，可在总体装配前先将部分元件装配在一起，这些元件之 间没有相对运动。 3.2 机座的装配 *学校毕业设计 17 图 3-1 机座装配模型树 图 3-2 机座装配图 在总体装配前先将底座、主动轮、辅助轮和履带装配在一起，在总体装配 时可以作为整体直接添加。 3.3 机身的装配 图 3-3 机身装配模型树 *学校毕业设计 18 图 3-4 机身装配图 机身装配部分主要由转盘、机箱、驾驶舱、方向盘组成，方向盘采用销轴 连接，其他直接用匹配、对齐等约束。 3.4 动臂液压元件的装配 动臂液压缸主要采用滑动杆、轴对齐、旋转命令完成装配。由于液压缸在 工作过程中并不可能无限制的延伸收缩，因此需要对其运动进行一定的限制。 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。 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 3-5 液压缸的装配约束 *学校毕业设计 19 图 3-6 动臂液压缸装配约束 图 3-7 动臂液压柱运动限制 因为动臂液压柱在实际情况中并不能无限制的移动，因此需要再此限制其 运动幅度，选动臂液压缸内筒底部和液压柱底部为两个零参照，设定其最小限 制 80，最大限制为 800。 3.5 斗杆液压元件的装配 斗杆液压缸主要采用滑动杆、轴对齐、旋转命令完成装配 图 3-8 斗杆液压缸的装配约束 *学校毕业设计 20 图 3-9 斗杆液压缸的运动限制 3.6 挖斗液压元件的装配 图 3-10 挖斗液压缸的装配约束 图 3-11 挖斗液压缸的运动限制 3.7 挖掘机模型的总体装配 *学校毕业设计 21 图 3-12 挖掘机最终装配模型 至此，挖掘机模型装配已算大体完成，如何正确的选取装配的基准零件是 装配过程的关键之所在，同时能够快速的装配相同的零件也是十分有技巧性的。 挖掘机装配路径的规划，指定合适的装配规划可以使装配过程变的更简洁和快 捷。 *学校毕业设计 22 第 4 章 液压挖掘机的运动仿真模拟 在进行挖掘机的运动仿真模拟之前，首先应确定运动项目都有哪些，然后 再确定其运动的先后顺序，以及时间安排。由于本文重在工作装置的运动仿真 模拟，所以需要仿真的项目主要由动臂，斗杆，液压系统，连接片，挖斗，回 转装置，以及挖掘机的整体运动。 首先，挖掘机的整体运动轨迹需要有个限制，因此，需要给挖掘机确定一 个运动轨迹，新建零件，只需绘制一条曲线，此曲线即为挖掘机的运动轨迹。 图 4-1 挖掘机运动轨迹 然而，仅仅有一条曲线是不够的，在后边挖掘机的运动模拟过程中，需要 在曲线的中心位置做一条轴线，为挖掘机的运动选一个“轴”参照，以使挖掘 机能够以这条轴为中心进行旋转运动。 运动轨迹建成之后就需要对轨迹与挖掘机进行装配约束，首先应确定曲线 所在的平面与挖掘机履带底部所在的平面重合。然而仅仅底面重合是不够的， 需要其它的辅助约束条件。 *学校毕业设计 23 图 4-2 为确保挖掘机能够沿着曲线运动，需要事先在挖掘机模型上做两个基准点， 然后让这两个基准点与曲线进行“槽”连接。 图 4-3 在完成装配体后需要对有相对运动的各部件添加伺服电机，各伺服电机设 置如下： 序号名称类型规范单位模（常数） 01 ServoMotor1 几何速度mm/sec730 02 ServoMotor2 几何速度deg/sec6.5 03ServoMotor1（WAJ UEJI） 运动轴速度mm/sec15 04ServoMotor（WA JUEJI） 运动轴速度mm/sec30 *学校毕业设计 24 05ServoMotor（WA JUEJI） 运动轴速度mm/sec25 06ServoMotor（WA JUEJI） 运动轴速度deg/sec4 07ServoMotor（WA JUEJI） 运动轴速度mm/sec20 08ServoMotor（WA JUEJI） 运动轴速度mm/sec43 09ServoMotor（WA JUEJI） 运动轴速度mm/sec15 10ServoMotor（WA JUEJI） 运动轴速度mm/sec30 11ServoMotor（WA JUEJI） 运动轴速度deg/sec4 12ServoMotor（ WAJUEJI） 运动轴速度mm/sec40 13ServoMotor1（W AJUEJI） 运动轴速度mm/sec20 14ServoMotor1（W AJUEJI） 运动轴速度mm/sec20 15ServoMotor1（W AJUEJI） 运动轴速度deg/sec4 16ServoMotor1（W AJUEJI） 运动轴速度mm/sec22 17ServoMotor1（W AJUEJI） 运动轴速度mm/sec29 18ServoMotor1（W AJUEJI） 运动轴速度mm/sec15 各伺服电机运动时间安排如下： 序号名称所执行动作从（s）到（s） 01ServoMotor1挖掘机沿直线段行进开始9.9999 02ServoMotor2挖掘机沿曲线段行进1040 03C(40)WAJUEJI：ServoMotor1动臂液压缸伸张4165 04C(40)WAJUEJI：ServoMotor2斗杆液压缸收缩4165 05C(40)WAJUEJI：ServoMotor3挖斗液压缸收缩4265 06C(40)WAJUEJI：ServoMotor4工作台右转6673 *学校毕业设计 25 图 4-4 挖掘机最终机构模拟图 07C(40)WAJUEJI：ServoMotor5动臂液压缸收缩7487 08C(40)WAJUEJI：ServoMotor6挖斗液压缸伸张7687 09C(40)WAJUEJI：ServoMotor7斗杆液压缸伸张7487 10C(40)WAJUEJI：ServoMotor8动臂液压缸伸张8790 11C(40)WAJUEJI：ServoMotor9工作台左转91102 12C(40) WAJUEJI：ServoMotor10 动臂液压缸伸张103112 13C(40) WAJUEJI：ServoMotor11 斗杆液压缸收缩103112 14C(40) WAJUEJI：ServoMotor12 挖斗液压缸收缩103112 15C(40) WAJUEJI：ServoMotor13 工作台右转113117 16C(40) WAJUEJI：ServoMotor14 挖斗液压缸伸张118139 17C(40) WAJUEJI：ServoMotor15 斗杆液压缸伸张118终止 18C(40) WAJUEJI：ServoMotor16 动臂液压缸收缩118终止 *学校毕业设计 26 总 结 本文详细介绍了利用Pro/E软件创建挖掘机模型的运动仿真。重点描述了挖 掘机模型的创建与运动仿真的模拟步骤，通过直观的三维动画，可以清晰的了 解液压挖掘机的结构。通过Pro/E创建运动仿真，可以直观了解液压挖掘机的运 动关系。 通过本次毕业设计，较为清晰地了解了液压挖掘机的工作原理，运动关系。 掌握了操作 Pro/E 软件的能力，也意识到了 Pro/E 功能强大和自己对其了解的 不足。此次毕业设计中还有很多不足，特此说明。 *