基于Pro／E的立爪装煤机虚拟样机与仿真分析

收 稿 日 期 : 2007 - 01 - 27作 者 简 介 :董 亚 斌 (1983 ) ,男 ,湖 北 咸 宁 人 ,黄 石 理 工 学 院 2007届 本 科 生 。文 章 编 号 : 1008 - 8245 (2007) 03 - 0013 - 04基 于 爪 装 煤 机虚 拟 样 机 与 仿 真 分 析董 亚 斌 成 经 平 丁 晚 景 邱 卫 东 冯 大 鹏(黄 石 理 工 学 院 机 电 工 程 学 院 ,湖 北 黄 石 435003)摘 要 :介 绍 了 在 下 ,进 行 履 带 式 液 压 立 爪 装 煤 机 工 作 装 置 三 维 实 体 建 模 、 虚 拟 装 配 、 动 态模 拟 、 干 涉 检 查 和 运 动 仿 真 ,并 利 用 化 特 征 及 时 修 改 设 计 以 获 得 最 佳 设 计 方 案 ,成 功 实 现 了装 煤 机 工 作 装 置 在 下 的 虚 拟 样 机 设 计 。关 键 词 :虚 拟 装 配 ;动 态 模 拟 ;运 动 仿 真中 图 分 类 号 : 文 献 标 识 码 : D Q 35003)In by s ic of be p by E. p of E is ic of 引 言目 前 应 用 较 为 普 遍 的 ,是 集 体 的 大 型 设 计 软 件 ,其 中 用于 仿 真 和 分 析 的 模 块 是 。 用 来 建 立 实 体 几 何 模型 ,对 所 建 模 型 进 行 仿 真 和 分 析 ,通 过 模 拟 真 实 环境 的 工 作 状 况 对 其 进 行 分 析 判 断 和 干 涉 检 查 ,以尽 早 发 现 设 计 缺 陷 和 潜 在 的 失 败 可 能 ,提 前 进 行改 善 和 修 正 ,从 而 减 少 因 后 期 修 改 而 付 出 的 昂 贵代 价 ,缩 短 设 计 周 期 1, 4 。履 带 式 液 压 立 爪 装 煤 机 是 黄 石 理 工 学 院 机 电工 程 学 院 为 黄 石 某 煤 矿 机 械 有 限 公 司 开 发 的 创 新产 品 。 本 文 以 液 压 立 爪 装 煤 机 为 例 , 探 讨 在 环 境 下 , 对 装 煤 机 工 作 装 置 进 行 三维 实 体 建 模 、 虚 拟 装 配 、 动 态 模 拟 、 干 涉 检 查 、 运 动仿 真 、 分 析 各 杆 件 的 运 动 轨 迹 , 以 期 实 现 在 环 境 下 的 装 煤 机 工 作 装 置 的 虚 拟 样机 设 计 。1 装 煤 机 工 作 装 置 的 三 维 实 体 建模 与 虚 拟 装 配1. 1 三 维 实 体 建 模 的 方 法 及 要 点一 般 来 说 ,液 压 立 爪 装 煤 机 工 作 装 置 的 建 模第 23卷 第 3期2007年 6月 黄 石 理 工 学 院 学 报F F 23 3 2007 1994 ,选 择原则是绘制图 形尽 量简 化 ,最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。本研究工作主要是利用 转、扫描等基本操作 ,建立工作装置三维实体模型 4 。其中建模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。由于液压立爪装煤机工作装置一般是对称分布的 ,所以建模过程中要利用好镜像的建模方法。1. 2虚拟装配的方法及要点对于像液压立爪装煤机工作装置这样的多杆件机构 ,有些文献 1, 3 采用骨架模型的装配方法 ,尽管骨架模型装配法可以保证装煤机的装配精度 ,但是效率不高。对于一般使用 难以掌握其要点 ,往往使装配精度降低。本文采用 动臂和前车架的连接、动臂与铲斗的连接、液压缸缸体与前车架的连接、摇杆与动臂的连接均采用“销轴 ”约束。液压缸活塞杆与缸体的连接、液压缸活塞杆与动臂的连接、连杆与铲斗的连接、连杆与摇杆的连接采用“圆柱 ”和“销轴 ”约束。其它辅助零件 (销钉、输送带板等 ) 采用刚性连接中的“匹配 ”和“插入 ”约束。这样就完成了装煤机工作装置的虚拟装配。这种虚拟装配不需要移动铲斗和动臂拼凑装配 ,工作量小 ,效率高 ,也易于达到装配要求。液压立爪装煤机耙爪部分虚拟装配完成后如图 1所示。图 1装煤机耙爪部分虚拟装配图2装煤机工作装置虚拟样机的动态模拟2. 1 基于 所示。图 2工作装置动态模拟与分析的基本流程根据装煤机工作装置的工作情况 ,共有 4 种工况 , 5 个连续运动 :模拟耙斗扒掘后翻斗过程、运输工况过程、动臂举升过程、耙斗卸料过程、动臂下降过程及动臂下降到耙掘位置时铲斗的自动放平过程 ,如图 3中 ( a) 、 ( b ) 、 ( c)所示。( a ) ( b) ( c)图 3模拟耙斗扒掘后翻斗过程完成以上 4个工况共需 3 个伺服电动机和 3个执行电动机 ,并把 3 个伺服电动机分别设置到铲斗与动臂、斗杆与动臂、动臂与机架的铰接点上 ,由于工作装置的对称性 ,伺服电动机只在一面施加 ,不必考虑另外一面。对于各个伺服电动机运动的时间问题 ,在设置时按下面的时间关系分段函数进行 ,时间关系分段函数为 :T ( x ) =016 ( 0 016)810 ( 016 810)211 ( 810 1011)211 ( 1011 1212)810 ( 1212 2012)016 ( 2012 2018)其中 别为收斗、举臂、翻斗、收斗、降臂和翻斗时的伺服电动机的运行时间 ,单位 :秒 ,从而很好地解决了各个伺服电动机的运动关系问题 , 使工作装置整个工作循环的动态模拟能顺利地按工作顺序完成。最后可以通过捕捉动态模拟过程 ,制作成一个动画影片。2. 2 装煤机工作装置的干涉检查干涉检查的目的是分析装煤机工作装置连杆14黄 石 理 工 学 院 学 报 2007年 1994 “ 死 点 ” 位 置 ,这 是 保证 工 作 装 置 正 常 工 作 的 必 要 条 件 。 装 煤 机 工 作 装置 的 干 涉 问 题 比 较 复 杂 ,在 其 设 计 中 是 一 个 非 常棘 手 的 、 但 又 必 须 加 以 妥 善 解 决 的 问 题 。在 中 干 涉 检 查 的 步 骤 是 : 选 择 “ 中 的 “ 回 放 ” 命 令 。 系 统 弹 出“ 回 放 ” 对 话 框 ,在 结 果 集 中 选 择 运 动 名 称 ,选 择干 涉 模 式 的 “ 全 局 干 涉 ” 和 “ 包 括 面 组 ” 选 项 。 单 击 “ 播 放 当 前 结 果 集 ” , 进 行 全 局 干 涉 检 查 分析 。 如 果 各 杆 件 在 运 动 中 出 现 干 涉 , 提 示 ,并 将 干 涉 区 加 亮 显 示 , 以 便 设 计 者 检查 修 改 。 通 过 中 的 全 局 干 涉 检查 判 断 装 煤 机 工 作 装 置 干 涉 问 题 ,经 过 检 查 ,装 煤机 工 作 装 置 不 存 在 干 涉 问 题 。2. 3 工 作 装 置 虚 拟 样 机 的 仿 真 结 果 分 析在 对 装 煤 机 执 行 系 统 进 行 仿真 分 析 是 从 事 装 煤 机 工 作 装 置 机 构 设 计 的 工 程 技术 人 员 非 常 关 心 的 问 题 。 仿 真 分 析 有 助 于 理 解 和分 析 工 作 装 置 运 动 时 产 生 的 结 果 ,并 提 供 相 应 的改 进 设 计 的 信 息 。本 文 在 液 压 立 爪 装 煤 机 工 作 装 置 动 态 模 拟 的基 础 上 对 其 进 行 仿 真 分 析 2 。 在 块 中 ,使 用 “ 测 量 ” 命 令 ,可 创 建 一 个或 多 个 分 析 测 量 特 征 ,这 类 特 征 用 一 条 或 一 组 曲线 表 示 某 个 运 动 的 分 析 结 果 。产 生 “ 测 量 ” 曲 线 的 方 法 为 : 选 择 “ 模 块 中 的 “ 测 量 ” 命 令 ; 在 系 统 弹 出 的 “ 测量 结 果 ” 对 话 框 中 ,选 择 “ 图 形 类 型 ” 为 “ 测 量 与 时间 ” ,在 “ 结 果 集 ” 中 选 择 要 分 析 的 运 动 ,选 择 “ 测量 ” 中 的 “ 创 建 新 测 量 ” ; 在 弹 出 的 “ 测 量 定 义 ”对 话 框 “ 类 型 ” 中 选 择 要 测 量 的 类 型 ,再 选 定 测 量的 “ 点 或 连 接 轴 ” ,关 闭 “ 测 量 定 义 ” 对 话 框 ,返 回到 “ 测 量 结 果 ” 对 话 框 ; 选 择 要 展 示 的 “ 测 量 ” 曲线 ,可 以 输 出 一 条 测 量 曲 线 ,也 可 以 在 同 一 个 坐 标下 输 出 一 组 测 量 曲 线 。根 据 装 煤 机 工 作 装 置 设 计 特 点 , 一 般 以 图 1所 示 的 关 键 铰 接 点 作 为 研 究 对 象 ,创 建 测 量 曲 线 ,进 行 运 动 学 仿 真 分 析 。由 于 篇 幅 所 限 ,以 下 仅 给 出 连 杆 与 摇 杆 铰 接点 的 运 动 仿 真 分 析 结 果 ,如 图 4所 示 。图 4 连 杆 与 摇 杆 铰 接 点 分 析从 图 4中 可 以 看 出 ,该 铰 接 点 的 位 置 、 速 度 及加 速 度 在 工 作 装 置 整 个 运 动 中 的 情 况 ,与 所 设 定的 初 始 条 件 吻 合 ,整 个 曲 线 与 各 个 工 况 运 动 情 况一 致 。 从 图 中 可 以 看 到 ,连 杆 与 摇 杆 铰 接 点 在 运动 开 始 、 终 止 及 翻 斗 时 速 度 有 一 定 的 突 变 ,表 明 此时 连 杆 运 动 突 变 性 大 。 在 动 臂 举 升 与 下 降 过 程中 ,连 杆 基 本 保 持 相 对 静 止 状 态 。3 结 束 语本 文 应 用 的 建 模 和 动 态 模拟 仿 真 分 析 等 模 块 ,成 功 地 解 决 了 装 煤 机 工 作 装置 传 统 设 计 中 无 法 直 观 观 察 工 作 装 置 空 间 运 动 状况 的 难 题 ,是 直 观 、 方 便 地 进 行 装 煤 机 工 作 装 置 的设 计 、 布 局 、 模 拟 和 动 态 分 析 的 一 次 有 益 尝 试 ,为生 产 高 质 量 、 高 性 能 的 装 煤 机 工 作 装 置 提 供 了 可靠 保 障 。参 考 文 献 1 高 秀 华 ,李 炎 亮 . 机 械 三 维 动 态 设 计 仿 真 技 术 M . 北 京 :化 学 工业 出 版 社 , 2003 2 祝 凌 云 ,李 斌 . 学 仿 真 和 有 限 元 分析 M . 北 京 :人 民 邮 电 出 版 社 , 2004 3 郭