起重机机构的设计与运动仿真.doc

题目：起重机机构的设计与运动仿真 目 录 摘要 1 关键词 1 1. 绪论 2 1.1 门座式起重机发展的概况 31.2 门座式起重机各部分简介 3 1.3 起重机分类 4 2. 起重机的设计机计算 52.1起重机的构造及工作原理 52.2初定起重机的四杆机构的尺寸62.3双摇杆机构极限摆角的确定 6 3. UG三维实体建模及运动仿真 73.1三维建模软件 7 3.1.1三维建模软件的特点 8 3.1.2 UG软件 83.1.3 UG NX的仿真、确认和优化93.2各部分零件三维建模的建立9 3.2.1 UG 基本特征的介绍9 3.2.2各部分零件基本尺寸的确定10 3.2.3刚性连杆模型的建立10 3.2.4机架模型的建立11 3.2.5象鼻架模型的建立12 3.2.6主动件模型的建立13 3.3装配14 3.4运动仿真16 结束语 18 参考文献 19 致谢 20.起重机的机构设计与运动仿真摘 要门起重机能减轻体力劳动，提高生产效率。在国民经济各部门的物质生产和物质流通起着很大的作用。起重机的设计制造，从一个侧面反映了一个国家现代化工业水平。毕业设计分析起重机的工作原理，对门座式起重机的机构进行设计，并对机构进行UG软件三维建模，可以更直观清楚的分析起重机的工作原理，不但有利于我们对大学知识的掌握并运用，同时通过查阅和学习国内外相关的先进设计制造技术，可大大提高我们对国内外起重机的发展现状的了解程度，对我们未来的学习和工作有着积极而又深远的意义。关键词：门式起重机；物质生产；三维建模；UG软件1 绪论起重机能减轻体力劳动，提高生产效率。在国民经济各部门的物质生产和物质流通起着很大的作用。起重机的设计制造，从一个侧面反映了一个国家现代化工业水平。毕业设计分析起重机的工作原理，对门座式起重机的机构进行设计，并对机构进行三维建模，可以更直观清楚的分析起重机的工作原理，不但有利于我们对大学知识的掌握并运用，同时通过查阅和学习国内外相关的先进设计制造技术，可大大提高我们对国内外起重机的发展现状的了解程度，对我们未来的学习和工作有着积极而又深远的意义。目前，国内生产大型起重机的厂家很多。其中以中联重科、三一重工、抚挖等公司产品系列较全，市场占有率较高。中联重科在2007年12月份宣布实行品牌统一战略后，现已成功开发了50t600t履带式起重机产品系列。作为中国起重机行业的领跑者，徐州重工机械有限公司现在已经形成了以汽车起重机为主导，履带式起重机和全面起重机位侧翼强势推进的庞大型谱群。国内最具历史的履带式起重机生产企业抚挖现已拥有35t500t的履带式起重机产品系列。QuY350是抚挖2007年推出的国产首台350t履带式起重机，填补了国内350t履带式起重机的产品型谱空白。三一科技自2004年初进入履带式起重机的研发和生产领域至今，已经成功研发出50t900t共十个型号的全系列产品，并全部实现销售。其900t履带式起重机的顺利下线，标志着我国在大型、超大型履带式起重机自主研发领域已走在亚洲前列，成为目前亚洲最大吨位的履带式起重机。据悉，目前三一科技已具备3200t以下履带式起重机开发的能力。目前，国外专业生产大型起重机厂家很多。其中利索海尔、特雷格斯一德马格、马尼托瓦克与神钢等公司产品系列较全，市场占有率较高。利勃海尔的产品技术先进、工作可靠，其生产的LR系列履带式起重机最大重量已达1200t，其桁架臂履带式起重机系列在2007年又喜填新品LR1600/2，使其产品型谱更加完善。德马格公司主要生产起重量为50t1600t的CC系列履带式起重机，最近推出世界上最大的履带式起重机CC8800-1.双臂新增功能套件使其起重能力到3200t。马尼托瓦克公司推出了新研发的31000型履带式起重机。其独特的创新是可变位配重（VPC），与使用普通的吊运能力增强附件相比，可大量减少所需的地面工作。此外，配备可变位的起重机能够起吊和运送所有等级的额定负荷，可以很方便的在工地上移动。神钢公司开发的履带式起重机产品系列化程度化高、性价比高，深受发展中国家欢迎，在全球范围内占有一定比例。近两年神钢公司在中国中吨位履带式起重机的销售较好。日本产品的技术性能与德国产品还是有相当差距的，但其进步较快，价格比德国产品更具竞争力，所以他们比较适合我国一般起重机用户。1.1 门座式起重机的发展概况门座式起重机是随着港口事业的发展而发展起来的。1980年，第一次将幅度不可变的固定式可旋转臂架型起重机装在横跨于窄码头上方的运行式半门座上，成为早期的港用半座式门座起重机，随着码头宽度的加大，门座和半门座并列发展，并普遍采用俯仰臂架和水平变幅系统。第二次世界大战后，港用门座式起重机迅速发展为便于多台起重机对同一条船进行并列工作，普遍采用了转动部分与立体住相连的转柱式门座起重机或转动部分通过大轴承与门座相连的滚动轴承式支承回转装置，以减小转动部分的尾径，并采用了减小码头掩盖面（门座主体对地面的投影）的们做结构。在发展过程中，门座式起重机还逐步推广应用到作业条件与港口接近的船台和水电站工作等地。1.2 门座式起重机简介门座式起重机是港口码头数量和使用最多的、结构复杂、机构最多的、最典型的装载机械，它具有较好的工作性能和独特的优越结构，通用性好，被广泛地用在港口杂货码头。最常见的起重机如图1-1所示。 图1-1 港口用门座式起重机门座式起重机的工作机构具有较高的运转速度。它的结构是立体的，不多占用码头面积，具有高大的门架和较长距离的伸臂，因而具有较大的起升高度和工作幅度，能满足港口、码头、船舶和车辆的机械化装卸、转载，充分使用港口、码头场地，使用船舶的空载、满载作业，以及地面车辆的通行要求；还具有高速灵活、安全可靠地装卸能力，对提高装卸生产率，减轻繁重的体力劳动都具有重大的意义。但门座式起重机也有他的缺点，如造价高，用钢材料多，要较大的店里供给，一般轮压较大，需要坚固的地基，附属设备也较多，如变电所、电缆、地道、坑道、电源等。1.3 起重机分类起重机是一种能在一定范围内垂直起升和水平移动物品的机械，动作间歇性和循环性是起重机工作的特点。1）起重机可按主要用途和构造特征分类。（1）按主要用途分通用起重机、建筑起重机、冶金起重机、铁路起重机、港口起重机、造船起重机、甲板起重机等。（2）按构造特征分桥式类型起重机和臂架式类型起重机；旋转式起重机和非旋转式起重机；固定式起重机和运行式式起重机。运行式起重机又分轨行式（在固定的钢轨上运行）和无轨式（无固定轨道，由轮胎和履带支承运行）。 2）而门座起重机根据结构类型的不同，又可分为下面几种：（1）以门架的结构类型为主要标志门座起重机可以分为全门座和半门座起重机。后者不具备完整的门架，它的两条运行轨道不在同一水平面上，一条铺设在地面上，另一条铺设在库房或特设的栈桥上。（2）以起重臂的结构类型为主要标志门座式起重机可分为四连杆组合臂架式门座起重机和单臂架式门座起重机两种。前者的最大优点是臂架下面的净空高度较大，因而在一定的起升高度要求下，起重机的总高度较低，但结构复杂，重量较大，而单臂则与上述相反。目前，国内大多数采用四连杆组合臂架式起重机。（3）以上部旋转部分相对下部运行部分旋转的支承装置的结构类型为主要标志门座起重机可分为旋转式门座起重机、定柱式门座起重机、转盘式门座起重机和大轴承式门座起重机。转盘式门座起重机结构复杂，加工制造困难，目前较少采用：转柱式和定柱式整体稳定性好，是目前常用的形式，其转柱式应用最多；大轴承式结构新颖，够减少，重量轻，具有广阔的发展前景。2 起重机机构的设计及计算2.1 起重机的构造及工作原理门座式起重机又简称为门吊、门机，是电力驱动、有轨运行的臂架类型起重机之一。他的构造大体上可以分为两大部分：上部分旋转部分和下部运行部分。上部旋转部分安装在一个高大的门型底架（门架）上，并相对于下部运行部分可实现360任意旋转。门架可以沿轨道运行，同时它又是起重机的承重部分。起重机的自重和吊重均由门架承受并由它传到地面轨道上。门座式起重机是由此门型底座而得名的。门座式起重机的上部旋转部分包括臂架系统、人字架、旋转平台。司机室等，还安装有起升机构、变幅机构、旋转机构。下部运行部分主要由门架和运行机构组成。门架底部能通火车，轨距有三种：能通过一列火车轨距为6m，成单线门架，能通过并排两列火车的轨距为10.5m，成双线门架，能通过并排三列火车的轨距为16m，称三线门架。码头前沿的门座起重机门架多属双线门架。门座底部装有行车车轮或运行台车，运行机构使整台起重机可以沿着地面上的轨道运行。门座起重机的工作原理是：通过起升、变幅、旋转三种运动的组合，可以在一个环形圆柱体空间实现物品的升降、移动，并通过运行机构调整整机的工作位置，故可以在较大的作业范围内满足运移物品的需要。根据门式起重机工作原理可以得到其主要的工作机构为四杆机构中的双摇杆机构，如图2-1中黑色线部分。所以本文主要研究双摇杆机构的设计。图2-1 门式起重机的基本结构2.2初定起重机的四杆机构的尺寸门式起重机的机构原理属于四杆机构中的双摇杆机构。根据所学知识初定起重机的各杆的尺寸。根据双摇杆机构的特点，即：在四杆机构中，如果最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其他两杆长度之和，以最短杆的对边构件为机架，即该机构为双摇杆机构。在平面四杆机构中，如果最短杆与最长杆的长度之和大于其他两杆长度之和，则无论选定哪一个构件为机架，则该机构为双摇杆机构。图2-2为起重机的工作原理结构简图。图2-2 起重机结构原理简图初定AD杆为机架，长度为a=100mm；AB为主动件，长度为b=150mm；BC为连杆，长度为c=30mm；CD为从动件，长度为d=170mm。由于a+bc+d,最短杆为BC杆，其对边AD杆为机架。满足双摇杆机构的尺寸特点。2.3双摇杆机构极限摆角的确定在所有的四杆机构中，都有一个极限的位置限定，以得出四杆机构的工作行程范围。图2-3 双摇杆机构的极限位置 根据双摇杆存在的条件之一，最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆的长度之和，且以最短杆的对边杆为机架所构成的双摇杆机构中，主动摇杆和连杆在摆动过程中出现拉直和重叠两种共线。其摆动简图如图2-3所示，从图中得出：（1） AB与BC拉直共线时，摇杆CD处于最右极限位置。（2） AB与BC重叠共线时，摇杆CD处于最左极限位置。（3） BC与CD拉直共线时，摇杆AB处于最左极限位置。（4） BC与CD重叠共线时，摇杆AB处于最右极限位置。所以，当AB杆为主动摇杆时的极限摆角为：=根据三角函数关系，由图2-2解出：=39.95（2-1） 当CD为主动摇杆时的极限摆角为： = =35.08（2-2）当以AB为主动件运转时，AB处于位置和时，机构将出现死点位置，即从动摇杆在此位置运动将不确定，它可能顺时针摆动也可能逆时针摆动，所以利用双摇杆机构时，一般应避免在死点位置工作，如果避免不开，一般要加辅助装置，通过惯性冲过死点位置。在工程实践中，也有利用机构死点来实现一定的工作要求，一般在机床夹具中应用较多。3 三维实体建模及动态仿真3.1 三维建模软件目前物体的建模方法，大体有三种：第一种是利用三维软件建模；第二种是通过仪器设备测量建模；第三种是利用图像或视频来建模。3.1.1三维软件建模的特点目前，在市场上看到许多优秀建模软件，比较知名的有3DMAX、Softlmage、Maya、UG、Pro/E以及AUTOCAD等等。他们共同的特点是利用一些基本的元素，如立方体、球体等，通过一系列几何操作，如评平移、旋转、拉深以及布尔运算等来构建复杂的几何场景。利用建模软件构建三维模型主要包括几何建模、行为建模、物理建模、对象特性建模以及模型切分等。其中，几何建模的创建与描述，是虚拟场景造型的重点。3.1.2 UG软件UG是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。UG针对用户的虚拟产品设计和工艺设计需求，提供了经过实践验证的解决方案。UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。它的诞生之初主要基于工作站，随着PC硬件的发展和个人用户的迅速增长，在PC上的应用取得了迅速的增长，目前已成为模具行业三维设计的一个主流应用。UG的开发始于1969年，它是基于C语言开发实现的。UG NX是一个在二维空间和三维空间无结构网格上使用自适应多重网格方法开发的一个灵活的数值求解偏微分方程的软件工具。其设计思想足够灵活的支持多种离散方案。因此软件可对许多不同的应用在利用一个给定过程的有效模拟需要来自应用领域、数学、及计算机科学的知识。然而，所有这些技术在复杂应用中的使用并不是太容易。这是应为组合所有这些方法需要巨大的复杂性及交叉学科的知识。最终软件变得越来越复杂，以至于超出一个人能够管理的范围。一些非常成功的解偏微分方程的技术，特别是自适应网格加密和多重网格方法在过去几十年中已被数学家研究，同时随着计算机的巨大进展，特别是大型并行计算机的开发带来了许多新可能。UG目标是用最新的数学技术，即自适应局部网格加密、多重网格和并行计算，为复杂应用问题的求解提供一个灵活的可在使用的软件基础。3.1.3 UG NX的仿真、确认和优化 NX允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，制造商可以改善产品质量，同时减少消除对于物理样机的昂贵耗时的设计、构建，以及对变更周期的依赖。我绝大多数空间。3.2 各部分零件三维建模的建立3.2.1 UG基本特征的介绍在UG里建造三维模型还是很方便，快捷的。【快速草图建立】：其共用为建立封闭的平面，一般为较为复杂的平面。以便后续操作的拉深、旋转等操作，使所画好的二维图形按照要求成行为三维立体模型。其具体的操作方法是：单击该图标，则会出现草图对话框，在据对坐标系中选择要平面，点击鼠标中键确定或者点击图标确定。在已画好的立体图形中，可以选择任意平面为草图面（除曲面外）。【拉伸】：其作用是将画好的二维平面图，根据其外形，拉成三维的立体图形。其具体操作方法是：点击该图标，出现拉伸对话框，单击选取要拉伸的二维平面图，在限制一栏输入所需拉伸的厚度，点击确定，即可将二维平面图生成三维立体图形。【打孔】：在三维立体图形中，按照用户所需要求，打出圆柱形孔洞。其祖居操作方法是：单击该图标，出现打孔对话框，选择要打孔的三维模型，在形状尺寸一栏，输入所要打孔的直径，以及孔的深度。单击确定，然后再确定，孔中心的位置。单击确定即可。门式起重机的各部分杆件建造三维模型过程中，最主要、最重要的就是这几个图标。至于基本的图标，直线、圆、圆弧等二维图标就不多介绍了。双击NX7.5图标，单击新建，选择模型，要注意的是保存的文件名要为英文或数字，所保存的地址也是全英文或数字目录，不能选择中文。应为在NX8.0以下的版本是不支持中文识别的。完成上述操作后，进入建模界面。接下来就具体说明在建模中所用到的各种图表的功能。首先写根据起重机的结构对其模型进行简化，根据其运动尺寸，确定其模型的基本尺寸。3.2.2 各部分零件基本尺寸的确定 根据实际的需要，起重机的各部件在模型的基础上进行了数据的等比例放大，根据实际的门座式起重机的大小，大概估算其尺寸。为方便尺寸设计，将2.1节中的尺寸进行同比例放大，放大倍数为100，比例放大后的运动尺寸为：a=10000mm=10m；b=15000mm=15m；c=3000mm=3m；d=17000mm=17m；在建模中， a为机架的尺寸； b为刚性拉杆的尺寸；c为象鼻架上的刚性拉杆与主臂架的尺寸；d为主臂架长度尺寸。3.2.3 刚性连杆模型的建立 首先点击长方体，设置长度为170mm、宽度20mm、高度10mm，如图3-1（a）所示。然后对长方体两端进行到边导圆，设置边导圆半径为10mm。如图3-1（b）所示。然后在模型两端进行打孔，以边导圆的圆心定为孔的圆心，设置其孔直径10mm。如图3-1（c）所示。经过美化最终得到的刚性连杆模型如图3-2所示。 （a）长方体 （b) 边倒角 （C) 孔 图3-1刚性拉杆模型的建立图3-2刚性拉杆模型3.2.4机架模型的建立新建一个建模文档，开始连杆三维模型的建立。首先点击长方体，设置长度为120mm、宽度20mm、高度10mm，如图3-3（a）所示。然后对长方体两端进行到边导圆，设置边导圆半径为10mm。如图3-3（b）所示。然后在模型两端进行凸台，以边导圆的圆心定为凸台的圆心，设置其凸台直径10mm。如图3-3（c）所示。经过美化得到最后机架的模型如图3-4所示。 （a）长方体 （b）边导圆 （C）凸台图3-3 机架模型建立图3-4机架模型3.2.5象鼻架模型的建立新建一个建模文档，开始连杆三维模型的建立。首先点击长方体，设置长度为150mm、宽度20mm、高度10mm，如图3-5（a）所示。然后对长方体两端进行到边导圆，设置边导圆半径为10mm。如图3-5（b）所示。然后在长方体模型一段进行凸台，模型另一端进行打孔，以边导圆的圆心定为凸台和孔的圆心，设置其凸台和孔的直径10mm。如图3-5（c）、3-5（d）所示。在距离凸台的30mm处，在加工出一个直径为10mm，高10mm的凸台，如图3-5（e）所示。经过美化最后得到的模型如图3-6所示。 （a）长方体 （b）边导圆 （c）凸台1 （d）孔 （e）凸台2图3-5 象鼻架模型建立3-6象鼻架模型3.2.6主动件模型的建立首先点击长方体，设置长度为190mm、宽度20mm、高度10mm，如图3-7（a）所示。然后对长方体两端进行到边导圆，设置边导圆半径为10mm。如图3-7（b）所示。然后在模型两端进行打孔，以边导圆的圆心定为孔的圆心，设置其孔直径10mm。如图3-7（c）所示。经过美化最后得到的主动件模型如图3-8所示。 (a)长方体 （b）边导圆 （c）孔图3-7 主动件模型建立 图3-8主动件3.3装配在进行完各部件的三维建模后，需要对各个部件进行组装，装配，才能够进行实体的动态仿真。装配过程如下：1） 点击【开始】图标选择【装配】，此时装配栏激活。2）点击装配栏里的【添加组件】图标，弹出添加组件的对话框，点击【打开】图标，选择要添加的组件，机架、刚性连杆、象鼻架和主动件。3）点击【装配约束】图标，弹出装配约束对话框，在【类型选】项选择【接触对齐】。选择机架圆柱出的中心线，如图3-9（a），选择刚性拉杆孔的中心线，如图3-9（b）。点击【应用】，两中心线配对共线。 （a）机架圆柱处中心线 （b）刚性拉杆孔处中心线图3-9添加装配约束4） 选择机架处圆柱的侧面，选择刚性拉杆的侧面，点击【应用】。选中的两个面对齐。此时机架与刚性拉杆装配完成。5） 按照（3)、（4）步骤，完成刚性拉杆与象鼻架，象鼻架与主动件，主动件与机架的装配。装配完成后的最终效果图如图3-11所示。图3-11装配效果图4 运动仿真 对已经装配好的门座式起重机进行运动仿真。其步骤过程如下： 1）新建仿真。在组装好的界面下，在【开始】菜单下点击【运动仿真】，选择【动态】，进入动态仿真界面。在部件导航器中，右击“zuhe”，点击【新建仿真】，如图3-5.仿真按钮都激活。 2）创建连杆。单击【连杆】，选择刚性连杆，点击鼠标中键确认，连杆L001建立；选中象鼻架，点击鼠标中键确认，建立连杆L002；选中主臂架，点击鼠标中键确认，建立连杆L003；选中机架，因为机架为固定件，所以要选择固定，点击鼠标中键确认，建立固定杆L004.3） 添加转动副。因为在起重机中，主臂架为主要的驱动元件，其他部件是由主臂架的驱动而带动的，所以定驱动件为主臂架。点击【运动副】，选择连杆L003,指定原点为连杆L004与连杆L003相接触的圆心。如图3-6，点击【驱动】，选择【函数】，在函数下拉菜单中选择【函数管理器】，选择【AFU格式的表】，点击【新建图标】，在创建步骤下点击【XY】图标，在X最小值中填入1，在X向增量中填入1，在点数中填入10。点击从【文本编辑器键入】，修改其数据，点击【确定】。图4-1 主动件的各部分选择 4）设置时间参数。单击【解算方案】图标，在【时间】中填入10，在【步数】中填入1000。点击确认。5）观看仿真。点击【求解图标】。计算机进行求解。等待求解完成。此时，播放栏按钮激活，点击【播放】，观看仿真效果。6）点击【撤销】，点击【运动