基于proe的液壓挖掘機三維建模與運動仿真

1、學校畢業(yè)設計說明書設計題目：基于Pro/E 的液壓挖掘機三維建模與運動仿真系部：專業(yè)：班級：學生姓名：學號：指導教師：年 * 月 *摘要工作裝置是液壓挖掘機的重要組成部分，為研究工作裝置在挖掘機整個作業(yè)循環(huán)時間里的運動情況，運用 Pro/E 軟件的運動仿真模塊對挖掘機工作裝置進行運動仿真。采用傳統(tǒng)的運動分析方法存在工作量大、 不精確和不直觀等缺點。利用 Pro/E 對液壓挖掘機反鏟工作裝置進行建模和裝配, 首先分析了挖掘機的運動過程和各工況位置, 然后用 Pro/ E中的Mechanism模塊進行了機構運動學仿真, 通過對挖掘機各連接軸的設置, 找到挖掘機動臂、斗桿和鏟斗的各極限位置，以及確定

2、各部件的運動關系和時間安排。結果表明該方法簡單、可靠、為挖掘機整機設計及性能評估提供一定的理論依據(jù)。關鍵字 ：液壓挖掘機；Pro/E ；運動仿真ABSTRACTThe 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

3、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 analyze

4、d. 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摘要 .第 1章緒論 11.1 液壓挖掘機在工程應用中的重要性1.1.2 液壓挖掘

5、機的簡介11.2.1 液壓挖掘機的組成21.2.2 液壓挖掘機的工作循環(huán)過程31.3 Pro/E 軟件的介紹3第 2 章 基于 Pro/E 的挖掘機參數(shù)化建模5.2.1 動臂的建模52.2 斗桿的建模7.2.3 挖斗的建模8.2.4 駕駛艙的建模102.5 動臂液壓元件122.6 挖斗液壓元件132.7 連接片的建模14第 3 章 液壓挖掘機的裝配設計1.63.1 裝配概述1.63.2 機座的裝配1.73.3 機身的裝配1.83.4 動臂液壓元件的裝配1.93.5 斗桿液壓元件的裝配2.03.6 挖斗液壓元件的裝配2.13.7 挖掘機的總體裝配2.1第4章 液壓挖掘機的運動仿真模擬2. 3總結

6、 27致謝 28參考文獻 297第 1章 緒 論1.1 液壓挖掘機在工程應用中的重要性液壓挖掘機作為一種重要的工程機械使用在土石方施工和礦山采掘工業(yè)中，它有別于其他機械設備，它的工作環(huán)境惡劣，常工作在地質情況復雜、載荷情況多變、大氣條件差的條件下。因此，其可靠性備受關注，特別是它的工作裝置部分，由于要承受巨大載荷以及頻繁的載荷變化，其結構安全性更要進行嚴格驗證。近年來，隨著電子計算機的快速發(fā)展，有限元分析技術和虛擬樣機技術在挖掘機的設計和開發(fā)過程中得到了廣泛使用，國內(nèi)外的研究人員對此也做了大量的研究工作與探索。挖掘機是一種常用的、重要的工程機械，在國民經(jīng)濟建設的許多行業(yè)被廣泛地采用，如工業(yè)與民

7、用建筑、交通運輸、水利水電工程、農(nóng)田改造、礦山采掘以及現(xiàn)代化軍事工程等行業(yè)的機械化施工中，對減輕繁重的體力勞動，保證工程質量，加快建設速度，按時完成工期，提高勞動生產(chǎn)率都起著非常重要的作用。據(jù)統(tǒng)計， 一般工程施工中約有 65% 70%的土方量、露天礦山中80%的剝離量和采掘量都是用挖掘機完成的。液壓挖掘機作為工程機械的產(chǎn)品代表，它具有重量輕、結構緊湊、挖掘力大、傳動平穩(wěn)、操縱簡便、易實現(xiàn)無級變速和自動控制等系列有點，被廣泛用于水利水電工程、建筑工程、市政工程、礦山采掘以及國防等工程的施工中。它具有很高的生產(chǎn)效率和可靠的安全穩(wěn)定性，對于保證工程質量、加快建設速度有著重要作用。據(jù)建設部門統(tǒng)計，一臺

8、斗容為1.0m3的液壓挖掘機挖掘級土壤時，每班生產(chǎn)率大約相當于300 400 個工人一天的作業(yè)量。因此使得挖掘機在現(xiàn) 代“挖土改水”的建設中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著計算機輔助設計技術的日益推廣，機械設計及制造技術發(fā)生了革命性的變化，而作為一個重要分支的液壓挖掘機行業(yè)，應用現(xiàn)代計算機輔助設計技術勢在必行。1.2 液壓挖掘機工作簡介液壓挖掘機實在機械系統(tǒng)傳統(tǒng)挖掘機的基礎上發(fā)展起來的一種周期作業(yè)的土方機械，液壓挖掘機由于在動力裝置和工作裝置之間采用容積式液壓傳動，靠液體的壓力能進行工作。如圖1 1 為挖掘機實際圖片。圖 1 1 挖掘機1.2.1 液壓挖掘機的組成液壓挖掘機的總體結構包括動力裝置、

9、工作裝置、回轉機構、操縱機構、傳動系統(tǒng)、行走機構和輔助設備等，液壓挖掘機結構簡圖如1 2 所示。圖1 2 液壓挖掘機的基本組成簡圖1- 動臂；2-斗桿；3-挖斗；4-連接片；5-動臂液壓缸；6-斗桿液壓缸； 7-挖斗液壓缸；11-回轉裝置；111-行走裝置；工作裝置各運動部件之間采用銷軸鉸接，以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過動臂油缸的伸縮可使動臂繞下鉸點轉動實現(xiàn)動臂的升降。 斗桿鉸接于動臂的上端，由斗桿油缸控制斗桿與動臂的相對角度。當斗桿油缸伸縮時，斗桿可繞動臂上鉸點轉動。鏟斗與斗桿前端鉸接，并通過鏟斗油缸伸縮使鏟斗轉動。為增大鏟斗的轉角，通過采用搖臂連桿機構來和鏟斗連接。1.2.2 液

10、壓挖掘機的工作循環(huán)過程液壓挖掘機的工作循環(huán)過程的仿真是進行液壓挖掘機虛擬樣機研究必不可少的一個過程。液壓挖掘機的工作裝置動作以及機身的回轉和行走都有液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，原動機驅動雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥，通過司機的操作，將壓力油單獨或同時送往液壓執(zhí)行元件（液壓馬達和液壓油缸）驅動執(zhí)行機構（工作裝置）工作。其工作過程如下：先下放動臂至挖掘位置，然后轉動斗桿與鏟斗，當挖掘至裝滿鏟斗時，提升動臂使鏟斗離開土壤，邊提升邊回轉至卸載位置，轉斗卸除土壤， 然后再回轉至工作位置開始下一次作業(yè)循環(huán)。動臂液壓缸主要用于調(diào)整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨直接挖掘土壤。斗桿挖掘可以獲得較大的行程，但

11、挖掘力要小一些。鏟斗挖掘的行程較短，為使鏟斗在轉斗挖掘結束的時候裝滿土壤，因此挖掘機的最大挖掘力一般是由鏟斗液壓缸實現(xiàn)的。1.3 Pro/E 軟件介紹PRO/E是美國PTC參數(shù)技術公司推出，是國際上最先進也是最成熟使用參數(shù)化特征造型技術的大型CAD/CAM/CAEA集成軟件。PRO/E包括三維實體造型，裝配模擬，加工仿真NC自動編程，板金設計，電路布線，裝配管路設計等專有模塊，ID 反求工程，CE并行工程等先進的設計方法和模式。其主要特點是參數(shù)化的牲造型；統(tǒng)一的能使各模塊集成起來的數(shù)據(jù)庫；設計修改的關聯(lián)性，即一處修改，別的模塊中的相應圖形和數(shù)據(jù)也會自動更新。它的性能優(yōu)良，功能強大，是一套可以應

12、用于工業(yè)設計，機械設計，功能仿真，制造和管理等眾多領域的工程自動化軟件包。PRO/E自動化自問世以來，多年來已成為全世界最普及的3DCAD/CAM系統(tǒng)的標準軟件，PRO/E在今日儼然已成為 3DCAD/CAM系統(tǒng)的標準軟件，廣泛應用于電子，機械，模具，工業(yè)設計，汽車，自行車，航天，家電，玩具等各行各業(yè)。PRO/E 是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化軟件，是新一代產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化，基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一的數(shù)據(jù)庫功能。PRO/ENGINEE是世界領先的機械設計自動化解決方案，專門用于機R械計算機輔助設計。它是一個適用于產(chǎn)品、模具等產(chǎn)品設計并具有基于單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化設計、行為建

13、模能力、特征造型、全相關性等特性的CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng)。11第 2 章 基于 PRO/E 的液壓挖掘機參數(shù)化建模本文主要的研究內(nèi)容是液壓挖掘機工作裝置的參數(shù)化建模，包括動臂、斗桿，挖斗、液壓支柱等需詳細建模，而除工作裝置以外的部件，在建模時則盡量簡化，比如回轉平臺、行走裝置等只是勾畫出外部形狀，而內(nèi)部細節(jié)并未詳細繪制。參數(shù)化建模是指在參數(shù)化造型過程中記錄建模過程和其中的變量以及用戶執(zhí)行的CAD/CAM/CAE 功能操作。因此，參數(shù)化建模通過捕捉模型中的參數(shù)化關系記錄了設計過程。其本質就是設計過程的記錄和回放。這種記錄過程與次序有關。同時，它利用一系列定義好的參數(shù)對模型進行順序計算。參

14、數(shù)化建模的優(yōu)勢在于其速度快，其缺點是用戶必須提供幾何元素的全部尺寸、位置信息，即只有完全定義前一元素，才能定義下一個元素。對液壓挖掘機反鏟工作裝置的零件進行三維實體造型幾乎要用到 Pro/ E 中所有的常用操作方法, 如拉伸、旋轉、切割、倒角、以及圓角等常用操作命令。例如繪制動臂先繪制草繪圖, 用到 直線 、 圓弧 、 相切 和 修剪 等操作 , 再拉伸，鏡像得到動臂的主體。接下來主要用 拉伸 操作依次繪制連接柱、連接片, 最后用 圓角 工具對零件進行倒圓角休整。2.1 動臂的建模動臂的建模主要采用拉伸，鏡像命令來實現(xiàn)。首先拉伸出側板， 然后拉伸內(nèi)肋板與上下板，最后用鏡像命令完成動臂的建模。2

15、-1 動臂側板的建模2-2 動臂上下板與內(nèi)筋板的建模2-3 動臂上耳座支座的建模2-4 動臂側筋板的建模2-5 動臂最終建模2.2 斗桿的建模2-6 斗桿側板的建模2-7 斗桿上下板與內(nèi)筋板的建模2-8 斗桿上耳座支座的建模2-9 斗桿側筋板的建模132-10 斗桿最終建模2.3 挖斗的建模2-11 挖斗草繪圖182-12 抽殼2-13 挖齒草繪圖2-14 挖齒沿挖斗邊方向陣列，距離158，陣列數(shù)目62.4 駕駛艙的建模第一步：拉伸實體，去除材料2-15 挖斗最終建模圖 2-162-17第三步：拉伸去除材料圖 2-182.5 動臂液壓元件2-20 動臂液壓柱2.6 挖斗液壓元件192-21 挖

16、斗液壓缸2-22 挖斗液壓柱232.7 連接片的建模2-23 連接片的草繪圖2-24 連接片的最終建模18第 3 章 液壓挖掘機的裝配設計3.1 裝配概述機構的裝配過程主要分為兩大類：以約束條件裝配固定不動的原件和以連接條件裝配可移動的原件。以約束條件裝配固定不動的原件:在裝配機構的原件時，若欲裝配的原件為固定不動的原件，則操作者直接在現(xiàn)有的組件上及欲裝配的原件上選取點、線、 面等幾何元素， PRO/ENGINEER 系統(tǒng)即會自動給定貼合、對齊、插入等約束條件，以將原件固定在現(xiàn)有的組件上，此外，也可自行指定元件固定住的約束條件。約束條件的類型共有11 種，在這些約束條件中，固定及缺省只需點選其

17、命令圖標，即可完成元件的裝配，坐標系僅需1 個約束條件，即可元件的裝配，其余的皆需給定2 個或 2 個以上的約束條件，方能完成元件的裝配。其中還包括自動、匹配、對齊、插入、坐標系、相切、線上點、曲面上的點、曲面上的邊、固定、缺省等約束條件。以連接條件裝配可移動的原件：在裝配元件的過程時，如此元件為機構中可移動的元件，則須設置適當?shù)摹斑B接條件”，使此元件與現(xiàn)有組建上的元件連接在一起。不同的連接條件提供不同的自由度及不同的移動機能，以使元件在機構運作時有正確的運動方式。在進行元件的裝配時，按主窗口右側增加元件至組件的圖標，打開一個零件或組件時，在儀表板的“連接條件”選項中，即可顯示眾多的連接條件，

18、連接條件共有11 種。分述如下：剛性、銷釘、滑動桿、圓柱、平面、球、焊接、軸承、一般、6DOF、槽等連接條件。各類型連接所擁有的自由度：連接的類型連接的符號自由度操作步驟運動方式旋轉平移剛性00由組件及元件選幾何圖元，直至完全約束住將連個零件黏合在一起，形成一個缸體，其作用相當于使用約束條件將元件固定住銷釘10選連個軸，再選兩個平面元件饒著一個軸旋轉滑動桿01選兩個邊或元件沿著軸，再選兩一個邊（或個平面軸）平移圓柱11選兩個軸元件沿著一個軸平移， 且繞著此軸旋轉平面12選連個平面元件沿著 平面移動， 且繞著平 面的垂直 方向旋轉球30選連個點元繞著一 個點任意 方向旋轉焊接00選兩個坐標系將連

19、個元件黏合在一起軸承31選一個點及一個軸元件繞著一個點任意方向旋轉， 且沿著一個軸平移一般自由度和所選的圖元有關選任意兩個圖元元件的運動方式與所選的圖元有關33選兩個坐標系元件可任 意方向平 移和旋轉槽元件沿著線條運動選元件的點，再選取組件的線條元件沿著 線條運動挖掘機的總體裝配過程如下：為簡化裝配過程，可在總體裝配前先將部分元件裝配在一起，這些元件之間沒有相對運動。3.2 機座的裝配463-1 機座裝配模型樹3-2 機座裝配圖在總體裝配前先將底座、主動輪、輔助輪和履帶裝配在一起，在總體裝配時可以作為整體直接添加。3.3 機身的裝配3-3 機身裝配模型樹圖 3-4 機身裝配圖機身裝配部分主要由

20、轉盤、機箱、駕駛艙、方向盤組成，方向盤采用銷軸連接，其他直接用匹配、對齊等約束。3.4 動臂液壓元件的裝配動臂液壓缸主要采用滑動桿、軸對齊、旋轉命令完成裝配。由于液壓缸在工作過程中并不可能無限制的延伸收縮，因此需要對其運動進行一定的限制?？梢酝ㄟ^Pro/ E中的拖動功能拖動動臂得到動臂的極限位置;再固定旋轉支撐和動臂拖動斗桿得到斗桿的極限位置;最后固定動臂和斗桿,拖動鏟斗以得到鏟斗的極限位置。整個挖掘機的各個運動極限位置分析后,就可以創(chuàng)建驅動器。在液壓元件的裝配過程中，液壓缸底部圓孔均采用 “銷釘” 連接， 而液壓柱頂部圓孔均采用“圓柱”連接。3-5 液壓缸的裝配約束3-6 動臂液壓缸裝配約束

21、圖 3-7 動臂液壓柱運動限制因為動臂液壓柱在實際情況中并不能無限制的移動，因此需要再此限制其運動幅度，選動臂液壓缸內(nèi)筒底部和液壓柱底部為兩個零參照，設定其最小限制80，最大限制為800。3.5 斗桿液壓元件的裝配斗桿液壓缸主要采用滑動桿、軸對齊、旋轉命令完成裝配3-8 斗桿液壓缸的裝配約束圖 3-9 斗桿液壓缸的運動限制3.6 挖斗液壓元件的裝配3-10 挖斗液壓缸的裝配約束3-11 挖斗液壓缸的運動限制3.7 挖掘機模型的總體裝配圖 3-12 挖掘機最終裝配模型至此， 挖掘機模型裝配已算大體完成，如何正確的選取裝配的基準零件是裝配過程的關鍵之所在，同時能夠快速的裝配相同的零件也是十分有技巧

22、性的。挖掘機裝配路徑的規(guī)劃，指定合適的裝配規(guī)劃可第 4 章 液壓挖掘機的運動仿真模擬在進行挖掘機的運動仿真模擬之前，首先應確定運動項目都有哪些，然后再確定其運動的先后順序，以及時間安排。由于本文重在工作裝置的運動仿真模擬，所以需要仿真的項目主要由動臂，斗桿，液壓系統(tǒng)，連接片，挖斗，回轉裝置，以及挖掘機的整體運動。首先，挖掘機的整體運動軌跡需要有個限制，因此，需要給挖掘機確定一個運動軌跡，新建零件，只需繪制一條曲線，此曲線即為挖掘機的運動軌跡。圖 4-1 挖掘機運動軌跡然而， 僅僅有一條曲線是不夠的，在后邊挖掘機的運動模擬過程需要在曲線的中心位置做一條軸線，為挖掘機的運動選一個 “軸”參照，以使

23、挖掘機能夠以這條軸為中心進行旋轉運動。運動軌跡建成之后就需要對軌跡與挖掘機進行裝配約束，首先應確定曲線所在的平面與挖掘機履帶底部所在的平面重合。然而僅僅底面重合是不夠的，需要其它的輔助約束條件。4-2為確保挖掘機能夠沿著曲線運動，需要事先在挖掘機模型上做兩個基準點，然后讓這兩個基準點與曲線進行“槽”連接。圖 4-3在完成裝配體后需要對有相對運動的各部件添加伺服電機，各伺服電機設置如下：序號名稱類型規(guī)范單位模（常數(shù)）01ServoMotor1幾何速度mm/sec73002ServoMotor2幾何速度deg/sec6.503ServoMotor1（ WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec150

24、4ServoMotor （ WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec3005ServoMotor （ WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec2506ServoMotor （ WAJUEJ） I運動軸速度deg/sec407ServoMotor （ WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec2008ServoMotor （ WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec4309ServoMotor （ WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec1510ServoMotor （ WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec3011ServoMotor 運動軸速度deg/sec4（ WAJUEJ） I12Ser

25、voMotor （WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec4013ServoMotor1（WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec2014ServoMotor1（WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec2015ServoMotor1（WAJUEJ） I運動軸速度deg/sec416ServoMotor1（WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec2217ServoMotor1（WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec2918ServoMotor1（WAJUEJ） I運動軸速度mm/sec15各伺服電機運動時間安排如下：序號名稱所執(zhí)行動作從（s）到（s）01ServoMotor1挖掘機沿直線段行進

26、開始9.999902ServoMotor2挖掘機沿曲線段行進104003C(40)WAJUEJI：ServoMotor1動臂液壓缸伸張416504C(40)WAJUEJI：ServoMotor2斗桿液壓缸收縮416505C(40)WAJUEJI：ServoMotor3挖斗液壓缸收縮426506C(40)WAJUEJI：ServoMotor4工作臺右轉667307C(40)WAJUEJI：ServoMotor5動臂液壓缸收縮748708C(40)WAJUEJI：ServoMotor6挖斗液壓缸伸張768709C(40)WAJUEJI：ServoMotor7斗桿液壓缸伸張748710C(40)WA

27、JUEJI：ServoMotor8動臂液壓缸伸張879011C(40)WAJUEJI：ServoMotor9工作臺左轉9110212C(40)WAJUEJI：ServoMotor10動臂液壓缸伸張10311213C(40)WAJUEJI：ServoMotor11斗桿液壓缸收縮10311214C(40)WAJUEJI：ServoMotor12挖斗液壓缸收縮10311215C(40)WAJUEJI：ServoMotor13工作臺右轉11311716C(40)WAJUEJI：ServoMotor14挖斗液壓缸伸張11813917C(40)WAJUEJI：ServoMotor15斗桿液壓缸伸張118終

28、止18C(40)WAJUEJI：ServoMotor16動臂液壓缸收縮118終止4-4 挖掘機最終機構模擬圖總結本文詳細介紹了利用Pro/E 軟件創(chuàng)建挖掘機模型的運動仿真。重點描述了挖掘機模型的創(chuàng)建與運動仿真的模擬步驟，通過直觀的三維動畫， 可以清晰的了解液壓挖掘機的結構。通過Pro/E 創(chuàng)建運動仿真，可以直觀了解液壓挖掘機的運動關系。通過本次畢業(yè)設計，較為清晰地了解了液壓挖掘機的工作原理，運動關系。掌握了操作Pro/E 軟件的能力，也意識到了Pro/E 功能強大和自己對其了解的不足。此次畢業(yè)設計中還有很多不足，特此說明。致謝在本文的撰寫過程中，* 老師作為我的指導老師，他治學嚴謹，學識淵博，視野廣闊，為我營造了一種良好的學術氛圍。置身其間，耳濡目染，