CADCAM课程设计说明书模板

1、页脚.教学单位机电工程系存档编号CAD/CAM 课程设计说明书题 目 基于Pro/ENGINEER的液压挖掘机三维建模与运动仿真学生学生学号专业名称指导教师年 月 日1绪论31.1液压挖掘机在工程应用中的重要性31.2液压挖掘机的简介31.3Pro/ENGINEER 软件的介绍52基于Pro/ENGINEER的挖掘机参数化建模72. 1动臂的建模72.2斗杆的建模92.3挖斗的建模102.4驾驶舱的建模122.5动臂液压元件132.6挖斗液压元件142.7连接片的建模153液压挖掘机的装配设计163. 1装配概述163.2基座的裝配173.3机身的装配183.4动臂液压元件的装配193.5斗杆

2、液压元件的装配203.6挖斗液压元件的装配203.7挖掘机的总体装配214液压挖掘机的运动仿真模拟225总结26參考文献27附录基于Pro/ENGINEER的液压挖掘机三维建模与运动仿真1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，有限元分析技术和虛拟样机技术在挖掘机 的设计和开发过

3、程中得到了广泛使用，国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、廳天矿山中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

4、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1.0*的液压挖掘机挖掘IIV级土壤时, 每班生产率大约相当于300-400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

5、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1 1为挖掘机实际图片O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钱接，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾 角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下钱点转动实现动臂的升降。斗杆钱接于动 臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂的相对角度。当斗

6、杆油缸伸缩时，斗杆可 绕动臂上钱点转动。铲斗与斗杆前端较接，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

7、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/ENGINEER 软件介绍PR0/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

8、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。PR0/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，卩R0/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

9、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。2.基于PRO/ENGINEER的液压挖掘机参数化建模本课程设计主要的研究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

10、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、族转、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

11、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动臂侧板的建模图2-2动臂上下板与筋板的建模图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斗杆上下板与筋板的建模85.00&5 00丄I图2-8斗杆上耳座支座的建模100.00T65.00丄I图2-9斗杆侧筋板的建模图2-10斗杆最终建模2.3挖斗的建模图2-11挖斗草绘图厚度

12、| 30.00，X迭项厲性移际的曲面曲面:F5峨伸曲面:F5：拉伸_订50.00曲面：可拉伸_1)50.00曲面:刊拉伸50.00非缺省屋度图2-12抽壳图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。300.007Z.00I图 2-16第二步：做倒角，然后抽壳。厚度5.00NJ X逐菖1选项厲性移除的曲面非缺省厚度图 2-17第三步：拉伸去除材料。图 2-1817001000 2-19动臂液压缸I:2.5动臂液压元件1000900图2-20动臂液压柱2.6挖斗液压元件1000 I 700100 一800800 一50图

13、2-21挖斗液压缸0一一 0 0一一 02.7连接片的建模图2-24连接片的最终建模3.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，

14、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

15、：刚性、销钉、滑动杆、圆柱、平面、球、焊接、轴承、 一般、6D0F、槽等连接条件。各类型连接所拥有的自由度：表3T连接的类型连接的符号自由度操作步骤运动方式旋转平移刚性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 轴族转滑动杆01选两个边或轴， 再选两个平面元件沿若一个 边（或轴）平 移圆柱11选两个轴元件沿若一个 轴平移，且绕 着此轴族转平面12选连个平面元件沿着平面 移动，且绕着 平面的垂直方 向族转球30选连个点元绕着一个点 任意方向症转焊接00选两个坐标系将连个

16、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 向平移和症转槽元件沿着线 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。挖掘机的总体装配过程如下:3.2机座的装配gjlZUO.ASIMr O DIZUO.PRTd 冋书J 1 / DALUN.PRTJ EJ阵列3 /阵列2+ 回渺I2 / ZHONGLUN.PRT 十 回阵列 4 / ZHONGLUN.P

17、RT 4(3轉6/刚5L(书E 5 / XIAOLUN.PRT4 阵列 7 /XIAOLUN.PRTLVDAI.PRT 口 LVDAl.PRr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/

18、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。J Cctxcction & 请打PI瀬匸汨用+平移约束奘巳(筍 YEYAG.VGO：:&:Fc 拎B D1卞朗对1|?fll爼A2A：蝕面:应占伸上_二：C蹈刑|工垂合* :cnrcuy .0 医tL图3-5液压缸的装配约束-当前晞再生值1500.00卜|(0.平跚I|F1（帥 VIYAZEU91：曲页:

19、F拉伸.2蜀 IYAGA231:ffiffi:FS 拒低0最小眼制K 卜1SOJ.OO动态居性图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，选动臂液压缸简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800o3.5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W移功 1 属性R Connection.l动样紬刃芥平移轴甸 YETMTOZ 曲面 F7（拉伸-2） |画泾？GQ；G02.曲面芒血伸当帝位蛊再生僅31.貶卜 |”(C.CI；h匚1启用再生ts回竝小瓯制00d0制

20、300 ooZB幼玄同II门图3-9斗杆液压缸的运动限制3.6挖斗液压元件的装配图3-11挖斗液压缸的运动限制3.7挖掘机模型的总体装配图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。4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。由于本设计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

21、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。约朿类里FCcrinecticiJ 1 平面？平面1 （筍 HA7VEJI：

22、AP7V： =3ZiS平面| AS；L；CF：r2 M：Ii平移轴1平移轴25曲图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表:表4-1序号名称类型规单位模（常数）01ServoMotor1几何速度mm/sec73002ServoMotor2几何速度deg/sec6.503ServoMotor1(WAJUEJI)运动轴速度mm/sec1504ServoMotor 2(WAJUEJI)运动轴速度mm/sec3005ServoMotor 3(WAJUE

23、JI)运动轴速度mm/sec2506ServoMotor 4(WAJUEJI)运动轴速度deg/sec407ServoMotor 5(WAJUEJI)运动轴速度mm/sec2008ServoMotor 6(WAJUEJI)运动轴速度mm/sec4309ServoMotor 7(WAJUEJI)运动轴速度mm/sec1510ServoMotor 8(WAJUEJI)运动轴速度mm/sec3011ServoMotor 9(WAJUEJI)运动轴速度deg/sec412ServoMotor 1 0 (WAJUEJI)运动轴速度mm./ sec4013ServoMotorl 1(WAJUEJI)运动轴

24、速度mm./ sec2014ServoMotorl 2(WAJUEJI)运动轴速度mm/sec2015ServoMotorl 3(WAJUEJI)运动轴速度deg/sec416ServoMotorl4(WAJUEJI)运动轴速度mm./ sec2217ServoMotorl 5(WAJUEJI)运动轴速度mm./ sec2918ServoMotorl 6(WAJUEJI)运动轴速度mm./ sec15各伺服电机运动时间安排如下表：表4-2序号名称所执行动作从(s)到(s)01ServoMotorl挖掘机沿直线段行进开始9. 999902ServoMotor2挖掘机沿曲线段行进104003C(40)WAJUEJI： ServoMotorl动臂液压缸伸416504C(40)WAJUEJI： ServoMotor2斗杆液压缸收缩416505C(40)WAJUEJI: ServoMotor3挖斗液压缸收缩426506C(40)WAJUEJI: ServoMotor4工作台右转667307C(40)WAJUEJI: ServoM