矿用铲运机的造型和运动仿真基于ProE毕业论文

基于Pro/E的矿用铲运机的造型和运动仿真摘要铲运机是一种能综合完成挖土、运土、卸土、填筑、整平的机械。铲运机，属于一种铲土、运土一体化机械。本发明的要点，是设计了一个由斗体、铲刃、破土刀、转动挡板、滑动挡板组成的带铲土机构的铲斗和由前支杆、２个侧支杆、挡板支杆组成的支架机构。工作装置是铲运机铲装物料的一种装置，是铲运机的关键部件。论文完成以下工作：首先收集和查询了铲运机的国外发展状况。其次了解铲运机的工作装置的类型和国外铲运机的常用结构。对铲运机的产用结构进行了选取。最后简述了Pro/E软件在工程设计中应用。利用Pro/E构建铲运机的三维实体模型，并对其进行装配，早Pro/Emechanism环境下进行运动仿真。关键字：铲运机；工作装置；三维建模；装配；运动仿真ABSTRACTLHDis-kindofabletointegratecompleteexcavation,earth,dumping,filling,levelingthemachine.Scraper,is-kindofshovel,earth-thebodyofthemachinery.Themainpointsofthepresentinventionisdesigned-abodybythebucket,shovelblade,ground-breakingknife,turningbezel,slidingbafflecomposedofinstitutionswithbucketandshovelbythefrontstruts,2sidestrut,tailgateBodycompositionofthestentstrut.Workingdeviceismountedscraperbladematerial,adeviceisakeycomponentofscrapers.Thesisthefollowing:First,checkthescraperstocollectanddevelopmentathomeandabroad.Second,tounderstandthetypeofworkingdevicescraperscrapercommonstructureathomeandabroad.Withthestructureofproductionofscraperswasselected.Finally,abriefPro/Esoftwareinengineeringdesignapplications.Pro/E,three-dimensionalsolidmodelconstructionscraper,anditsassembly,asearlyasPro/Emechanismmotionsimulationundertheenvironment.Keywords:LHD；equipment；three-dimensionalmodeling；assembly；motionsimulation目录TOC\o"1-4"\h\u7453第一章前言 5181881.1铲运机的概念 5243141.2国外铲运机的发展和研究状况 6325651.2.1国外铲运机的发展状况 6109751.2.2国铲运机的发展状况 8300751.1.3研究容 95323第二章铲运机工作装置 10167982.1铲运机工作装置的总体结构 10169732.2铲运机工作装置工作原理与工作过程 1092632.3工作装置设计的基本要求 11262182.4铲运机的工作装置的类型 1224512.4.1正转八杆转斗机构 1243132.4.2铲斗油缸前置式正转六杆转斗机构 13325042.4.3油缸后置式正转六杆转斗机构 13261682.4.4油缸后置式反转六杆转斗机构 1490392.4.5正转四杆转斗机构 14154802.4.6正转五杆转斗机构 15176292.4.7动臂可伸缩式转斗机构 1583142.5小结 167664第三章工作装置连杆机构的运动分析 17267783.1铲运机工作装置数学模型的建立 1791313.1.1分析模型 17135023.1.2符号的物理意义 18164823.2六杆机构中角位移的分析 1940423.2.1缸杆机构中角位移的分析 19322003.2.2缸杆机构中角位移的分析 21178193.2.3四杆机构转角特性的变化规律 2213903.3六杆机构的传动角的求解 23230363.4特性参数的计算 23211013.4.1斗底倾角的计算 23123443.4.2转斗油缸长度的计算 2513293.4.3卸载尺寸的计算 25123323.5小结 2623821第四章工作装置的建模、装配与运动仿真 2748134.1工作装置的建模 27131214.2工作装置的装配 29197094.2.1Pro/E的装配 2935664.2.2对已经完成的零件进行装配 30251824.2.3工作装置的运动仿真 336711第五章工作装置的受力分析 388798结论 4119781致 4219248参考文献 43第一章前言1.1铲运机的概念铲运机是一种能综合完成挖土、运土、卸土、填筑、整平的机械。按行走机构的不同可分为拖式铲运机和自行式铲运机。按铲运机的操作系统的不同，又可分为液压式和索式铲运机。铲运机操作灵活，不受地形限制，不需特设道路，生产效率高。铲运机，属于一种铲土、运土一体化机械。本发明的要点，是设计了一个由斗体、铲刃、破土刀、转动挡板、滑动挡板组成的带铲土机构的铲斗和由前支杆、２个侧支杆、挡板支杆组成的支架机构。转动挡板和滑动挡板设置在斗体开口处，两者之间由合页联结，合页的两端出轴插入斗体前端的滑槽，可沿滑槽移动。铲刃焊固在斗体底的前端，破土刀焊固在铲刃上。支架机构用以控制滑动挡板和转动挡板的升降。本发明结构简单，施工效率高，适用于修河筑坝和水灾后清除淤泥等。现在国常见的铲运机有电运和柴油二种，电动即有一套卷缆系统，可自行伸缩，成本比柴油铲运机低，而且又环保，柴油铲运机大多使用道依茨柴油机。图1-1为铲运机的全景图。图1-1铲运机的全景图1-工作装置，2-前车架，3-司机室，4-后车架，5-前轮，6-后轮按动力源来分，地下铲运机可分为以柴油机为动力的燃铲运机和以电动机为动力的电动铲运机。按斗容来分，大致可分为：小型铲运机：半容1.5m'(2码3)与以下的铲运机;中型铲运机：斗容2-4m3(3-5码3)的铲运机;大型铲运机：斗容4m3以上((5码3以上)的铲运机。1.2国外铲运机的发展和研究状况20世纪六十年代以来，世界采矿业的国际竞争日益加剧，各发达国家纷纷将先进的露天矿开采技术运用到地下矿生产中，使地下矿劳动生产率成倍甚至十几倍的提高，矿石成本大幅度下降。从而出现了所谓的“地下露天采矿”(UndergroundOpenMining)['].其特点主要表现在：地下开拓运输为地下公路(斜坡道)开拓、高阶段开采和地下破碎;地下采矿方法为大孔和深孔凿岩、空场和大采场采矿、阶段出矿的大规模地下采矿;地下采掘设备为无轨化、大型化、液压化、节能化和自动化。地下铲运机就是在这种背景下，由露天矿前端式装载机演变发展起来的一种新型高效地下无轨装运卸设备。下面，将分别对国外地下铲运机的发展状况作详细的叙述。1.2.1国外铲运机的发展状况国外发达国家地下铲运机发展的总体特点是：基础好、起步早、发展全面、技术成熟。其发展大致经历了如下几个阶段：(1)初始研发阶段(60年代初)1963年美国瓦格纳(Wagner)公司在Grandview矿试验成功了第一台ST-5型铲运机以来，地下铲运机得到了迅速的发展，相应地也加速了地下矿山无轨凿岩、运输、装药、喷锚支护、手撬与辅助作业设备的发展，从而形成了以地下铲运机为主体的无轨化采矿技术。(2)发展和推广的年代(20世纪60、70年代)在地下矿山的苛刻作业环境中，由于铲运机具有高效、灵活、机动、多用和生产费用低等突出优点，随着无轨化采矿技术的推广，而得到了广泛的应用。进入20世纪70年代，国外地下铲运机技术已渐趋成熟，形成了系列化产品。但是当时铲运机几乎都是柴油机驱动的燃铲运机，与以往的有轨或风动轮胎式铲运机械相比，虽然具有无可置疑的优越性，但柴油机所排出的废气、烟雾、热辐射与噪音却严重地污染了地下矿山的作业环境。为了解决燃铲运机排气污染问题，早在60年代人们就开始探索电动铲运机的可行性问题。1972年，加拿大贾维斯·克拉克(JarvisClark)公司研制成第-台斗容为1码3(0.76m")的.TS-100E型电动铲运机，1973年月1月在多姆(Dome)金矿试验成功。(3)迅速发展和技术进步的年代(20世纪80、90年代)80年代，由于世界矿业不景气，矿山机械产品的市场竞争更趋激烈。许多采矿与工程设备制造公司进行了兼并或联合，优化资源组合，以增强市场竞争力。其中的-个典型的例子就是：美国瓦格纳(Wagner)公司并入瑞典阿特拉斯·柯普柯(AtlasCopco)公司。这-段时期的主要技术成果可归纳如下：电动铲运机取得突破性进展；向大型化发展的同时，也向窄机身、微型化方向发展；动力机出现了重大的变革；多用化、组合化；变速箱采用电/液换挡和电子控制技术；驱动桥采用防滑差速器、全封闭湿式多盘制动器和光面耐切割轮胎；液压系统不断完善提高；注重环保和安全；发展遥控铲运机(视距遥控)；重视和发展自动化技术。(4)成熟发展阶段目前，己进入21世纪第四年，国外地下铲运机在经历了将近40年的发展技术进步之后，已经进入成熟发展阶段。据90年代初统计，世界铲运机拥有量超过15000台。10年之后，目前的世界铲运机拥有量应该更多。在经历了激烈竞争和兼并、联合等变动之后，目前世界铲运机主要生产厂家有：山特维克·汤姆洛克(SandvikTamrock)公司；阿特拉斯·科普科·瓦格纳(AtlasCopcoWagner)公司；G.H.H公司：法德洛玛(FADROMA)公司(原BUMAR公司)；绍普夫(Schopf)公司；6)其它厂家。如卡特皮勒((Caterpillar)公司，约翰克拉克(JohnClarkINC.)公司以与俄罗斯的地下铲运机生产厂家。1.2.2国铲运机的发展状况我国地下矿山使用铲运机始于1975年，由寿王坟铜矿使用从波兰引进的LK-1型、斗容2m3地下燃铲运机开始。由于它显示出的优越性，很快在全国许多矿山推广，揭开了我国矿山无轨化开采发展的序幕。经历了近30年的发展，目前我国已有60多个冶金、有色金属、黄金和化工矿山使用地下铲运机，拥有60多种型号的铲运机约1000台，斗容为0.38-6.1m3，其中以柴油机为动力源约占70%，居主导地位。在约1000台铲运机中，从国外进口的500余台，国产铲运机近500台。我国自行研制地下铲运机始于70年代中期，由矿山研究院分别与工程机械厂和工程机械厂(工程机械研究所)合作，在ZL40型和ZL50型地面装载机基础上，改型研制成功了DZL40型和DZL50型地下燃铲运机。随后，从70年代后期到90年代初，在对引进的铲运机进行消化，对国外铲运机核心技术深入理解和掌握的基础上，矿山研究院、矿冶研究总院、马矿山研究院、矿山研究所等院所与国制造厂家合作，先后研制了斗容0.3-0.6m3的地下铲运机约30余种型号(包括中外合作生产的型号)。其中，国研制的机型大多数通过鉴定，中外合作生产的机型均己通过验收，但批量在5台以上，并在矿山生产中得到连续使用的，只有为数不多的几种类型。90年代中期以来，为了填补国产大中型铲运机几乎是空白的局面，有关单位又研制生产了一批具有90年代国外铲运机水平的大中型铲运机。这种铲运机的共同特点是：采用依茨风冷低污染柴油机、克拉克液力机械传动装置、全封闭湿式多盘制动器，NO-SPIN防滑差速器、工作装置液压系统采用双泵合流、先导控制等技术。我国地下铲运机技术经过近30年的发展，已经日趋成熟，日益与世界同步，接近或达到世界当代水平。在柴油机尾气净化方面进行了大量实验研究工作，取得了显著成效；成功进行了电动铲运机的研制，形成了系列产品；遥控铲运机的研制与使用；矿用耐用轮胎的研制和全面推广；研制和检测手段日臻完善，接近世界水平；地下铲运机的生产逐步形成系列化、专业化与通用化。1.1.3研究容论文的主要目的是基于Pro/E三维造型软件，设计建造铲运机的三维模型，并根据运动约束关系将铲运机的各部件在Pro/E中装配起来，最后进行运动仿真。全面而深刻地了解了铲运机工作装置反转六杆机构的结构和工作原理。论文主要研究：研究背景资料与介绍。熟悉Pro/E软件的使用。完成铲运机的个部分零件的建模。进行零件的装配，完成铲运机工作装置实体建模工作。制作模拟铲运机的运动三维动画。第二章铲运机工作装置2.1铲运机工作装置的总体结构工作装置是地下铲运机铲装物料的装置，它的结构和性能直接影响整机的工作尺寸和性能参数。因此，工作装置的合理性直接影响地下铲运机的生产效率、工作负荷、动力与运动特性、不同工况下的挖掘效果、工作循环时间(包括铲取、举升、卸料和铲斗返回到原位的时间)、外形尺寸和发动机功率等，不同类型的工作装置其组成是不同的。图1-2所示的工作装置为Z型反转六杆机构，由铲斗、动臂、连杆、摇臂、转斗油缸和举升油缸组成。图2-1铲运机工作装置简图1--前车架;2--转斗油缸;3--摇臂;3--连杆;4--铲斗5--动臂;7--举升油缸(两个)整个工作装置铰接在车架上。铲斗通过连杆和摇臂与转斗油缸铰接，用以装卸物料，动臂与车架与与动臂油缸铰接，用以升降铲斗。铲斗的翻转和动臂的升降采用液压操纵。2.2铲运机工作装置工作原理与工作过程地下铲运机是-种装运卸-体化的自行式设备，它的工作过程均可以反映在工作装置上，而工作装置的各种工况由举升油缸和转斗油缸的长度共同决定，它的工作过程由五种工况组成：(1)插入工况：动臂下放，铲斗放置于地面，斗尖触地，斗底与地面呈3º~50°倾角，开动地下铲运机，铲斗借助机器的牵引力插入料堆。(2)铲装工况：铲斗插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗口翻至近似水平为止。(3)举升工况：收斗后，利用举升油缸使动臂转动到适当的卸载位置。(4)卸载工况：在卸载点，利用转斗油缸使铲斗翻转，向溜井料仓或运输车辆卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲斗恢复至运输位置。(5)自动放平工况：铲斗在最高举升位置45’卸载后，保持转斗油缸长度不变，将动臂放至铲掘位置时，斗底与地平面的后角为30º~50º。2.3工作装置设计的基本要求地下铲运机由于其特定的工作条件，其工作装置在设计时应满足以下要求：角度要求：卸载角大于等于45º，达到所要求的卸载高度与卸载距离；铲斗最低工作点应低于停车与行车面，以完成平整作业或溜井采矿;铲斗在运输位置时，后倾角应为45º；铲斗放平时，斗底与地平面的后角为30º~50º。(2)运动要求：在工作状态和工作结束位置速度与加速度合理变化；油缸活塞行程是最佳值；工作装置运动平稳无干涉、无死点、无自锁；动臂从最低位置到最大卸载高度的举升过程中，保证铲斗中物料不撒落(铲斗平移角小于15º)；在卸料后，动臂下放至铲掘位置铲斗能自动放平。(3)结构要求：结构要求简单紧凑，承载元件数量(包括油缸)尽量少，前悬小。(4)动力性要求：要求工作装置的连杆机构产生较大的插入力和铲取力，也就是要求连杆机构具有较高的力传递效率。斗杆机构在铲掘位置时，力传递角(连杆线与斗铰线夹角)应接近90º，使有效分力大，以便有较大的掘起力；运输位置时，斗铰线与连杆线之间的夹角应小于170º。这个角太大会使铲斗收不紧，以致运输途中使物料撒落;在最高位置时，传动角也必须大于10º，以免机构运动时发生自锁;斗摇臂应尽量短。反之，虽然增加斗摇臂长度能够增加-定的掘起力，但势必使连杆尺寸增大，翻斗油缸行程较长，造成卸料时间过长，影响工作效率。2.4铲运机的工作装置的类型综合国、外露天装载机与地下铲运机转斗连杆机构的形式，主要有7种类型的连杆机构，按构件数不同，可分为三杆、四杆、五杆、六杆和八杆转斗连杆机构。按输入和输出杆的转向是否一样又分为正转和反转连杆转斗机构。7种转斗连杆机构分述如下：2.4.1正转八杆转斗机构图2-2正转八杆转斗机构简图正转八杆转斗机构简图，如图2-2所示。此转斗机构在转斗油缸大腔进油时转斗铲取，所以铲取力较大；各构件尺寸配置合理时，铲斗具有较好的举升平动性能;连杆系统传动比较大，铲斗能获得较大的卸载角和卸载速度，因此卸载干净、速度快；由于传动比大，还可适当减小连杆系统尺寸，因而司机视野得到改善，但是-定要“适当”，否则易使连杆系统传动比减小，影响铲取力发挥。正转八杆转斗机构的主要缺点是机构复杂，不易实现铲斗自动放平。2.4.2铲斗油缸前置式正转六杆转斗机构图2-3铲斗油缸前置式正转六杆转斗机构正转六杆转斗机构简图，如图2-3所示。此机构的转斗油缸与铲斗和摇臂直接连接，该工作机构由两个平行四杆机构组成，它使铲斗具有很好的平动性能，它比八杆转斗机构简单，司机视野较好。这种机构的缺点是转斗铲取时油缸小腔进油，铲取力相对较小；连杆系统传动比小，使得转斗油缸活塞行程大，油缸加长，卸载速度不如八杆转斗机构；由于转斗油缸前置，使工作机构前悬增大，影响整机稳定性和行驶的平稳性；也不能实现铲斗的自动放平。2.4.3油缸后置式正转六杆转斗机构图2-4油缸后置式正转六杆转斗机构油缸后置式正转六杆转斗机构简图，如图2-4所示。此种机构与上述油缸前置式相比，前悬较大、传动比较大、活塞行程较短；有可能将动臂、转斗油缸、摇臂和连杆设计在同-平面，从而简化了结构，改善了动臂和铰销的受力状态。缺点是转斗油缸与车架的铰接点位置较高，影响司机视野;转斗铲取时油缸小腔进油，铲取力相对较小。为了增大铲取力需提高液压力或加大转斗油缸直径，这样重量会增大。2.4.4油缸后置式反转六杆转斗机构图2-5油缸后置式反转六杆转斗机构油缸后置式反转六杆转斗机构简图，如图2-5所示。这种机构有如下优点：转斗油缸大腔进油时转斗铲取，并且连杆系统的倍力系数能设计成较大值，所以可获得较大的铲取力；哈当地选择各构件尺寸，不仅能得到良好的铲斗平动性能，而且可以实现铲斗的自动放平；结构十分紧凑，前悬小，司机视野好。缺点是摇臂和连杆布置在铲斗与前桥之间的狭窄空间，容易发生构件相互干涉。2.4.5正转四杆转斗机构图2-6正转四杆转斗机构正转四杆转斗机构简图，如图2-6所示。它是7种转斗连杆机构中最简单的-种，容易保证四杆转斗机构实现铲斗举升平动，此机构前悬较小，缺点是转斗铲取时油缸小腔进油，油缸输出力较小，又因连杆机构倍力系数难以设计出较大值，所以转斗油缸活塞行程大，油缸尺寸小；此外，在卸载时活塞杆易与铲斗底相碰，所以卸载角度减小。为了避免碰撞，需把斗底制造成凹形，因而减小了斗容，又增加了制造困难，而且铲斗也不能实现自动放平。2.4.6正转五杆转斗机构图2-7正转五杆转斗机构正转五杆转斗机构简图，如图2-7所示。为克服正转四杆转斗机构卸载时活塞杆易与斗底相碰的缺点，在活塞杆与铲斗之间增加-根短连杆，从而使正转四杆转斗机构变为正转五杆转斗机构。当铲斗翻转铲取物料时，短连杆与活塞杆在油缸拉力和铲斗重力作用下成-直线，如同-杆;当铲斗卸载时，短连杆能相对活塞杆转动，避免了活塞杆与斗底相碰。此机构的其它缺点仍如正转四杆转斗机构。2.4.7动臂可伸缩式转斗机构图2-8动臂可伸缩式转斗机构动臂可伸缩式转斗机构简图，如图2-8所示。它的最大特点是动臂可借助动臂伸缩油缸进行伸缩。这种机构的铲斗插入工况是靠动臂伸出实现的，它解决了靠机器行走易使轮胎严重磨损问题；卸载时可伸出动臂，以获得较大的卸载距离；而运输工况时可缩回动臂，以减小前悬，从而提高了行驶的稳定性。这种机构的缺点是既不能实现铲斗平动，又不能实现铲斗自动放平，结构亦比较复杂。2.5小结综上分析可知，反转六杆工作机构优点较多，能比较理想地满足铲装卸作业要求，所以它在露天装载机和地下铲运机上都得到了广泛的应用;由于正转五杆机构结构简单、前悬小，应用也很普遍。如瓦格纳公司的ST系列、E.M.公司的CTX系列、汤姆洛克公司的TORO系列、GHH公司的LF系列地下铲运机的工作机构大都是采用这种结构。它用在大型地下铲运机上，虽然操纵复杂些，但结构轻便，经济性十分突出。对于地下铲运机来讲，由于装卸工作时铲斗举升提高不大，平动性能容易实现，而对铲斗自动放平要求亦不高，所以正转五杆机构在地下铲运机上的应用很有前途；虽然动臂可伸缩三杆机构的结构复杂些，但它提供了-条减少轮胎磨损的途径，对开发研制新型地下装载设备有-定的参考价值。第三章工作装置连杆机构的运动分析铲运机工作装置反转六杆机构的运动分析是优化设计与以后的运动仿真的基础，它的主要任务是确定铲运机工作装置连杆机构在不同工作状况下的重要物理参数：举升机构与六杆机构中的角位移；影响力学性能的六杆机构传动角；斗底倾角；油缸长度；卸载尺寸。对于铲运机工作装置反转六杆机构的运动分析，在许多文献资料中都已经涉与到，但是通过总结可以发现而现有的运动分析明显存在-些不完善的地方：,总是试图从总体结构去进行运动分析，以至于公式推算复杂，理论性强，适应性差，公式功能缺乏独立性，不利于模块化；(2)在四杆机构的分析中，由于角度的定义(主要是方向)的不合理，使得边界(正转与反转)点上的计算很容易出错。利用子结构分析法将工作装置分解成功能相对独立的子结构，使分析过程清晰，简单，时刻从模块化的角度去设计推导公式。3.1铲运机工作装置数学模型的建立3.1.1分析模型选择机架作为反转六杆机构工作装置的运动参考系，建立如图3-1所示的平面直角坐标系XOY。由于该机构的自由度为2，当铲斗位置角α。和动臂位置角(在本文中用角度几的变化来映射)确定之后，机构的运动状态就被唯一地确定。图3-1铲运机工作装置标注简图3.1.2符号的物理意义表3-1符号物理意义表符号物理意义符号物理意义大臂上杆AE的位置角传动角∠DCB大臂上杆AB的位置角传动角∠GFE杆AD的位置角传动角∠BGFBC相对于BA的转角杆DC的长度BG相对于BE的转角杆BC的长度EF相对于EB的转角杆AB的长度AD相对于AB的转角杆AD的长度AB与AE的夹角杆GF的长度BA与BE的夹角杆EF的长度BC与BG的夹角杆BE的长度EA与EB的夹角杆BG的长度铲斗回转半径与铲斗斗底之间脚杆MN的长度的夹角杆MN的长度杆AM的长度杆AN的长度卸载距离卸载高度绞结点A的Y坐标绞结点E的Y坐标轮胎中心的X坐标铲斗的回转半径轮胎半径动臂在任意位置相对于最低位置时的转角说明：(l)结构角，，，，始终为正值，而且保持不变。位置角以A点为角的顶点，以A为起点X正方向的水平线为起始边，逆时针方向为正，各角度在计算中的表示为以下：：大臂AE的位置角(3-1)：大臂AB杆的位置角(3-2)：机架AD的位置角(3-3)分别表示大臂处于最低位置时的初始角度值，视不同情况而直接给定。3.2六杆机构中角位移的分析铲运机工作装置可分为两个子结构：六连杆机构和举升机构。在对六杆机构进行分析时可将六杆机构分解为缸杆四杆机构ABCD和斗杆四杆机构BEFG两个二级子机构，显然两个四杆机构只有符号上的差别，因此可以用代换符号的办法来处理。3.2.1缸杆机构中角位移的分析图3-2缸杆机构简图角度定义：—AD相对于AB的转角，以AB为起始边，逆转为正。(3-4)(3-5)—BC相对于BA的转角，以BA为起始边，逆转为正。求解角度：对于缸杆机构ABCD，以AB方向为X轴正方向，A点为原点，Y轴方向符合右手定理，设CD相对于AB的投影角为δ。利用投影定理可知：AD+DC+CB=AB(3-6)将上式在X，Y方向投影可得：X方向的投影：(3-7)Y方向的投影：(3-8)变换上两式可得：(3-9)(3-10)将上两式等号两边平方相加变换可得：(3-11)令：(3-12)(3-13)(3-14)则等式可化为：(3-15)以D点作为右手坐标的原点，置DB位置矢量于该坐标系单位矢量I的正方向，设II级组的初始形式参数M取正号，反之，M=-1，上式中式如果DC的j分量为正，则M=+1，反之，M=-1，上式中处处取负号。以下为特殊情况：如果(3-16)则(3-17)在对四杆机构测试程序针对上式得到结论之后，对RRR-II级组的基本理论进行回顾，如图3-2，在上示四杆机构中，AD,AB中的杆件之-是机架。，在这个机构中，有-个二级组(自由度为零的运动链称为杆组，不能再分的杆组称为基本杆组)，这个II级组是由三个转动副和两个构件组合而成，故称为II级组，基本组中的运动副C即为KKK-II级组的点，而运动副D,B即为外点。通常，RRR-II级组机构在整个运动过程中，如果点C在DB连线的某-侧，它永远就在该侧。如果发生了C点从DB的-侧转移到另-侧，则说明机构本身含有不定因素。3.2.2缸杆机构中角位移的分析β1与β2的关系由图3-1可知：(3-18)则变换可得：(3-19)图3-3斗杆机构简图求解角度β3可以用代换角度的方法求解，参数对应关系为：(3-20)为此可设函数几(a,b,c,d,bit)a，b，c，d为杆长，其中。为机架，d为输入连架杆，b为输出连架杆，bit为d相对于c的转角，函数值为b相对于c的转角，角度规定同缸杆机构的角度规定。3.2.3四杆机构转角特性的变化规律对于缸杆机构ABCD和斗杆机构BEFG，都面临这样一个问题：正反转铰接四连杆机构在运动过程中，一般都具有两个极限工作状态，而在这两种机构中，可能在运动过程中，既有正转，又有反转。下面分别对正反转两种情况进行讨论。正转铰接四连杆机构的两个极限工作状态如图3-4所示。图3-4正转机构极限工作状态当“在区间上变化时，相应地由变至，且有如下的对应算式：当时，对应于(3-21)当时对应于(3-22)3.3六杆机构的传动角的求解定义，，，：（3-23）以上各式只能求出小于的值，在铲运机设计中，可以保证前面三个传动角处于0-之间，所以前三式已经够用。但是对某些机构来说有可能出现ADC>的情况。为此令(25)式中ADC=，解出ADC。当：则按下式计算传动角ADC（3-24）3.4特性参数的计算3.4.1斗底倾角的计算斗底倾角的规定：轴正方向为正方向，斗底与水平线的夹角，逆转为正。对于斗底倾角的计算结果，当>0时表示铲斗收斗，为收斗角，当<0时，表示铲斗卸载，为卸载角，给定一个动臂转角和转斗油缸的长度a可以求出斗底倾角，求解方法是：将求解过程分解为两个前后独立的过程(只是一种假定，在实际中，这两个过程是同时又叠加进行的：转斗过程：转斗油缸由(铲取位置时的安装长度)变为a铲斗所转的角度(2)动臂旋转：动臂转过后铲斗所转过的角度，这个角度分为两部分：1)铲斗随动臂绕动臂与车架绞接点所转过的角度。2)铲斗绕铲斗与动臂铰接点所转过的角度。则：（3-25）其中：—铲取位置斗底倾角的大小（3-26）—转斗过程中铲斗相对于铲取位置绕动臂所转过的角度（3-27）—动臂转过e}后铲斗所转过的角度（3-28）—动臂旋转过程中铲斗绕动臂所转过的角度（3-29）以上求解过程可以用一个函数表示，设给定一个动臂转角和转斗油缸的长度求斗底倾角的函数为，其中为六连杆机构的设计变量(在此均为给出定的已知条件)，用向量表示感如下:（3-30）3.4.2转斗油缸长度的计算给定斗底倾角和动臂转角求油缸长度，函数式如下:（3-31）其中：（3-32）（3-33）其中：（3-34）令：（3-35）（3-36）（3-37）则前式可化为:（3-38）（3-39）令：（3-40）3.4.3卸载尺寸的计算铲斗处于卸载状态时斗尖离地高度:（3-41）—铲斗处于卸载状态时的倾角，即卸载角可以用上面的求斗角倾角的数铲斗处于卸载状态时斗尖至前轮外缘的水平距离:（3-42）—轮胎的半径—轮胎中心离Y轴水平距离3.5小结本章从铲运机工作装置反转六杆机构工作特点、结构特点出发，将反转六杆工作机构分解为举升机构和转斗机构两大功能机构模块，用统一、规的定义方式，分别简洁地建立了举升机构和转斗机构运动学模型，即建立了工作机构角位移、传动角、卸载角、收斗角、转斗油缸的长度、卸载尺寸等未知参数的求解解析式。为铲运机工作机构优化设计、运动仿真奠定了基础。第四章工作装置的建模、装配与运动仿真在传统的工业设计中，设计人员首先在头脑中形成产品的三维轮廓。然后再图纸上利用二维工程图表示，其他设计人员以与工艺、生产等不同部门的人员再通过二维图纸将产品还原成三维影响。由于图纸的错误和理解的偏差，设计人员的意图并不总能完全实现，因而设计制造的周期较长，产品的质量也受到影响。在产品的形状和结构较为复杂的时候尤其如此。因此三维设计应该是发展趋势。三维模型的发展经历了曲线框、曲面到实体的过程。实体模型最真实的反映三维形体的特征，不但包括了形体的几何轮廓，而且由于实体有密度属性，因而可以进行质量计算、干涉检查等操作。在Pro/E中进行零件设计的步骤是先创建基本特征，正交基准平面就常常被用作基本特征。做好充分的准备工作，明确设计意图。认真考虑设计的关键尺寸，可以变动尺寸与尺寸之间的关系，在装配时与其他零件的装配关系等。由于在Pro/E中实体模型可以有多种不同的生成方法，采取何种方法更为合理、高效，需要有一个经验的积累过程。一般来说，要根据图形的形状选择生成模型的方式。草图绘制尽量简化，最好不要绘制国度圆角、倒角等非关键性的信息。如果要像绘制二维工程视图那样绘制草图，效果会很低，实践证明也没有这个必要。因为在Pro/E中我们可以对实体进行各种编辑操作，如倒圆角。再就是草图绘制过于精细，在生成模型时会耗尽计算机资源，使得三维模型生成速度很慢且易出现问题。4.1工作装置的建模打开Pro/E新建一个“零件”：图4-1新建零件选取基准面进入草绘：图4-2选区基准面TOP图4-3进入草绘页面按照尺寸换号零件草图，完成草绘拉伸成零件的三维模型：图4-4完成连杆的三维造型完成各个零件（动臂、摇臂、铲斗、活塞杆、液压缸体）的实体建模：图4-5动臂的三维模型图4-6铲斗的三维模型图4-7活塞缸的三维模型图4-8活塞杆的三维模型图4-9摇臂的三维模型4.2工作装置的装配4.2.1Pro/E的装配在Pro/E中，零件装配是通过定义参与装配的各个零件之间的装配约束来实现的，也就是在各个零件之间建立一定的连接关系，并对其相互位置进行约束，从而确定个零件在空间的相当位置关系在Pro/E的装配模块中，可以将生成的零件通过相互关系之间的定位关系装配在一起，并检查零件之间是否有干涉与装配体的运动情况是否合乎设计要求，在组件装配中，主要包括有底向上和有顶向下两种装配设计思想。有底向上：由单个模型，根据虚拟产品的装配关系进行装配，最终完成虚拟产品的设计。这种设计方法是一种比较简单、低级的方法，其设计思路比较清楚，设计原理也容易被接受。但是其设计理念还部够先进，设计方法不够灵活，还部能完全适应现代设计的基本要求。这种方法主要应用于一些已经比较成熟产品的设计过程，可以获得比较高得设计效率。由顶向下的装配设计于由底向上的设计方好相反。设计时，首先从整体上勾画出产品得整体结构关系或创建装配体得二维部件布局关系图，然后再根据这些关系或布局逐一设计出产品得零件模型。在真正得概念设计中，往往都时先设计出整个产品得外在概念和功能概念后，逐步对产品进行设计上得细化直至单个零件4.2.2对已经完成的零件进行装配将铲斗和动臂装配在一起：图4-10装配铲斗的动臂把举升液压缸的活塞体与动臂装配：图4-11装配与动臂液压杆将连杆与铲斗装配在一起：图4-12装配连杆与铲斗将动臂与连杆装配在一起：图4-13装配摇臂和连杆将举升液压缸的缸体与活塞装配在一起：图4-14完成举升液压缸的装配将转动液压缸与动臂装配在一起：图4-15装配转动液压活塞完成全部零件的装配：图4-16装配完成4.2.3工作装置的运动仿真运动分析的定义在满足伺服电动机轮廓和接头连接、凸轮从动机构、槽从动机构或齿轮副连接的要求的情况下，模拟机构的运动。运动分析不考虑受力，它模拟除质量和力之外的运动的所有方面。因此，运动分析不能使用执行电动机，也不必为机构指定质量属性。运动分析忽略模型中的所有动态图元，如弹簧、阻尼器、重力、力/力矩以与执行电动机等，所有动态图元都不影响运动分析结果。如果伺服电动机具有不连续轮廓，在运行运动分析前软件会尝试使其轮廓连续，如果不能使其轮廓连续，则此伺服电机将不能用于分析。使用运动分析可获得以下信息：几何图元和连接的位置、速度以与加速度元件间的干涉机构运动的轨迹曲线作为Pro/ENGINEER零件捕获机构运动的运动包络重复组件分析WF2.0以前版本里的“运动分析”，在WF2.0里被称为“重复组件分析”。它与运动分析类似，所有适用于运动分析的要求与设定，都可用于重复组件分析，所有不适于运动分析的因素，也都不适用于重复组件分析。重复组件分析的输出结果比运动分析少，不能分析速度、加速度，不能做机构的运动包络。使用重复组件分析可获得以下信息：几何图元和连接的位置元件间的干涉机构运动的轨迹曲线运动分析工作流程创建模型：定义主体，生成连接，定义连接轴设置，生成特殊连接检查模型：拖动组件，检验所定义的连接是否能产生预期的运动加入运动分析图元：设定伺服电机准备分析：定义初始位置与其快照，创建测量分析模型：定义运动分析，运行结果获得：结果回放，干涉检查，查看测量结果，创建轨迹曲线。在Pro/E中的运动分析中建立5个伺服电机：图4-17建立伺服电机把零件装配好连接成一个整体，定义举升液压缸向上运动：图4-18定义1shang伺服电机定义转动液压缸向下运动：图4-19定义2xia伺服电机定义举升液压缸不动：图4-20定义1budong伺服电机定义举升液压缸向下运动：图4-21定义1xia伺服电机定义转动液压缸向上运动：图4-22定义2xiangshang伺服电机定义运动时间：图4-23定义各个伺服电机的运动时间运行运动仿真捕捉视频：图4-24捕捉运动仿真视频铲运机工作装置运动状态图指的是动臂在任意位置时，工作装置各杆件在空间的运动位置。由于工作装置各铰接点的轴线相互平行，铲运机工作装置运动状态图可用平面多连杆机构图表示。它反映出工作装置各杆件间的相互关系、铲斗的位置，以与铲运机的作业工况。

第五章工作装置的受力分析工作装置是铲运机铲装物料的一种装置，是铲运机的关键部件。工作装置结构设计的好坏，不仅影响铲斗的工作状态、铲取有效性、插入阻力大小、摩擦和磨损，而且决定着整机的受力、工作稳定性和工作围等工作性能指标[。由于工作装置受力较为复杂，采用传统设计方法难以完成其整体工况的受力分析。采用虚拟样机技术，建立工作装置的力学模型，通过分析和评估其性能，可为设计和制造提供参数依据。动臂作为工作装置的主要支撑组件，在工作装置的结构中起关键作用，对其进行受力分析直接关系到工作装置结构设计是否合理可靠，并且可以为工作装置有限元分析提供各时刻受力数据。通过仿真可以得到动臂在力的作用下的强度的分布。1.打开三维文件，进入Mechanica模式图5-1对动臂进行受力分析定义材料，并把材料分配给三维文件：图5-2分配材料3.插入位移约束：图5-3插入位移约束4.插入力/力矩：图5-4插入力/力矩图5-5定义力的方向和大小5.Mechanica分析/研究，然后新建一个静态分析受力：图5-6建立静态力分析图5-7建立静态力分析6.运动分析计算：图5-8运行分析7.受力分析结果：图5-9得到受力分析图通过对动臂的受力分析可以发现作为工作装置的主要支撑组件的动臂，在工作装置的结构中起关键作用，对其进行受力分析显示工作装置结构设计是合理可靠的，主要的应力集中在动臂与铲斗和车身的连接处。结论毕业设计是学生在校学习期间最后的综合教学环节，也是对毕业生专业基础知识、研究能力、自学能力、创新能力以与各种综合能力的检验和再提高。通过毕业设计工作，使我进一步巩固和加强对基本知识、基本技能的掌握，使我的自学能力、资料查阅能力、计算机三维软件的应用能力、创新能力和吃苦耐劳精神等得到综合训练。工作装置是铲运机铲装物料的一种装置，是铲运机的关键部件。工作装置结构设计的好坏，不仅影响铲斗的工作状态、铲取有效性、插入阻力大小、摩擦和磨损，而且决定着整机的受力、工作稳定性和工作围等工作性能指标。由于工作装置受力较为复杂，采用传统设计方法难以完成其整体工况的受力分析。采用虚拟样机技术，建立工作装置的力学模型，通过分析和评估其性能，可为设计和制造提供参数依据。首先我收集和查询了铲运机的的国外发展状况，其次了解铲运机的工作装置的类型和国外铲运机的常用结构并进行一定的选取。然后选定常用的工作装置油缸后置式反转六杆转斗机构。最后熟悉Pro/E的功能和使用，完成对铲运机的造型制作铲运机的三维动画。我建立了油缸后置式反转六杆转斗机构的运动数学模型，为以后的对油缸后置式反转六杆转斗机构的优化设计提供的模型。对油缸后置式反转六杆转斗机构的受力分析对以后的工作装置的选材和加工提供了强度应