基于ProE的装载机工作装置的实体建模及运动仿真毕业设计.doc

摘 要基于Pro/E的装载机工作装置的实体建模及运动仿真摘 要：装载机是一种应用广泛的工程机械。有其广泛的空间，但由于装载机传统开发模式存在的开发周期长、过程繁杂、开发成本高、性能测试困难等问题，本文将仿真技术引入装载机开发领域，完成以下工作：1 介绍了装载机的发展历史及前景，装载机的种类，介绍了仿真技术产生的背景、在国内的发展状况以及仿真技术的实际意义。2 对液压缸作出了合理的选择。3 简述了Pro/E软件在工程设计中的应用，利用Pro/E构建装载机的三维实体模型，并对其进行装配，在Pro/E环境下进行了装配干涉检验。4 在Pro/ENIEER MECHANISM环境下进行运动仿真,得出装载机工作的性能曲线。关键字：装载机 工作装置 液压缸 仿真技术 三维建模Abstract：Loader is a kind of engineer machine that is widely applied in engineer project, which has wildely space, Aim to the problems that exist in traditional research way of loader, for example the research cycle is long, the cost is long, the cost is high and the performance test is complex etc, this paper leads virtual prototype technology into research of loader. The following research works are completed:1. The development foreground, the category and loaders history is introduced, also the background of simulation technology come into being, developing status in local and the significance of virtual prototype technology is introduced.2. To brief introduce the Pro/E software which application in the field of engineering, the 3D modeling is used by Pro/E software, which is built and interferential test of assembly in Pro/E environment is completed.3. The simulated motion in Pro/E environment is completed, and the capability curve is reached.4. A rational choice for the hydraulic actuating cylinder.Keywords: Loader, Working mechanism, hydraulic actuating, Simulation technology, 3D modelingI目 录目 录摘 要I1 前 言11.1 装载机的简介11.1.1 装载机的发展历史及前景11.1.2 装载机的种类11.1.3 本章小结31.2 运动仿真技术简介41.2.1 运动仿真技术产生的背景41.2.2 运动仿真技术41.2.3运动仿真技术在国内外的发展概况41.2.4 发展运动仿真技术的重要意义41.2.5 总结51.3 Pro/ENGINEER软件在工程设计中的应用51.3.1 Pro/ENGINEER软件介绍51.3.2 运动仿真技术对装载机设计理念的影响61.4 本章小结72 液压缸的选择82.1 本章小结83 装载机工作装置三维实体建模93.1 工作装置零件建模93.1.1 动臂的生成93.1.2 铲斗的生成103.1.3 底座的生成113.1.4 连杆的生成113.1.5 摇臂的生成123.1.6 液压缸筒的生成123.1.7 液压缸盖的生成133.1.8 液压缸活塞的生成133.1.9 连接销轴的生成133.2 工作装置装配模型建模143.2.1 底座模型装配153.2.2 动臂模型装配153.2.3 铲斗模型装配163.2.4 液压缸体模型装配163.2.5 摇杆模型的装配连接173.2.6 连杆模型与铲斗模型和摇杆模型的装配连接173.2.7 销钉模型的连接173.2.8 本章小结204 装载机工作装置运动仿真214.1 概述214.2 创建装载机工作装置的机械运动仿真214.2.1 连接轴设置214.2.2 创建快照224.2.3 定义伺服电动机224.2.4 运行运动254.2.5 结果回放动态干涉检查与制作播放文件264.2.6 测量285 结 论316 致 谢327 主要参考文献338 附 表34III1 前 言1 前 言装载机是一种广泛用于公路、铁路、建筑、水电、港口、矿山等建设工程的土石方施式机械，它主要用于铲装土壤、砂石、石灰、煤炭等散状物料，也可对矿石、硬土等作轻度铲挖作业。换装不同的辅助工作装置还可进行推土、起重和其他物料如木材的装卸作业。在道路、特别是在高等级公路施工中，装载机用于路基工程的填挖、沥青混合料和水泥混凝土料场的集料与装料等作业。此外还可进行推运土壤、刮平地面和牵引其他机械等作业。由于装载机具有作业速度快、效率高、机动性好、操作轻便等优点，因此它成为工程建设中土石方施工的主要机种之一，同时也成为工程机械中发展最快、产销量及市场需求最大的机种之一。1.1 装载机的简介1.1.1 装载机的发展历史及前景我国装载机始于1960年末，发展至今它经历了3个发展阶段，即60年代仿制摸索阶段；70年代自力更生研制阶段；80年代至90年代技术引进、合资合作发展阶段。自1958年，上海港口机械厂首先测绘并试制了67KW（90hp）、斗容量为1的装载机我国自己制造的第一台装载机之后。全国装载机产品从1976年的446台发展到1996年的18310台，二十年内增长41.1倍。同时国民经济的发展与国家基建规模及资金投入的增大，更促进了我国装载机行业的迅速发展。生产企业由1980年的20家增至现在的100余家，初步形成了规格为0.810t约19个型号的系列产品，并已成为工程机械主力机种。自此装载机在全国机械产品中，成为重要代表产品，令世人瞩目。随着我国经济的持续、健康、高速发展，对工程机械的需求将增长，这些需求对工程机械产品既提出了“量”又提出了“质”的巨大市场需求。我国“九五”期间土石方、路基路面、基础及建筑施工工作量预计比“八五”要大一倍以上，工程机械的总需求量亦将为“八五”期间的二倍，推土机、装载机、轮式起重机、叉车、路面机械、凿岩钻车及挖掘机械等7类主要工程机械“九五”末的年需求量可在11万台以上。而轮式装载机2000年时年需求达2700030000台以上，这就为我国轮式装载机行业的发展提供了一个良好的市场前景，为制订战略发展宏伟目标提供科学决策依据。综观国外装载机的发展特点及外部环境，专家预测未来装载机的主要发展趋势是：（1） 开发节能、高效、可靠、环保型产品，并研制无泄漏装载机。（2） 微电子及机电液仪一体化技术将获得越来越广泛的应用。（3） 安全性及舒适性是产品发展的重要目标。（4） 大型化与微型化仍是产品系列化的两极方向。（5） 技术进步、人才培养和售后服务将成为企业生存的三大关键内在因素。（6） 集团化、社会化与国际化是企业生存与发展的必由之路。1.1.2 装载机的种类目前，装载机的国际市场分为两类：一类是发达国家市场，二类是发展中国家市场。发达国家市场的产品技术水平和质量要求很高，竞争异常激烈。由于我国装载机产品档次低，不易开拓此类市场，而应重点巩固与继续发展二类市场。二类市场主要包括东南亚、中东、非洲和南美洲四大区域市场，主要由发展中国家组成，与我国有良好的外交关系，往来密切，也是我国装载机出口量最多的地区。因此，发展中国家市场是目前我国装载机进入国际市场的主攻方面。由于受东南亚经济危机持续时间加长、印尼国内动乱及一些国家货币贬值等诸多外部因素的影响，导致了我国装载机出口难度的增加，也给国外装载机及其关键部件的进口创造了外部条件。因此，有关生产装载机企业（包括合资企业）要积极准备，把握时机，迎接挑战，扎实搞好“三大战役”，务求在品种、质量、交货期和售后服务等方面有一个更大的发展。在有限的时间内，集中力量解决目前存在的以下三个问题：相当一批产品水平较低，高科技含量少，可靠性较差；中小型号生产厂家多而杂，产量过剩；产品结构不合理，多数企业形不成规模效益。总的来说，常用的单斗装载机，按行走装置，发动机功率，传动形式，行走系结构，装载方式的不同进行分类。1、行走装置的不同：装载机分为轮胎式和履带式两种。轮胎式装开机由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统、液压系统和工作装置等组成，其结构简单图如图2所示。轮胎式装载机采用柴油机为动力装置，液力变矩、动力换档变速箱、双桥驱动等组成的液力机械式传动系统（小型轮胎式装载机有的采用液压传动或机械传动），液压操纵，铰接式车架转向，反转杆机构的工作装置。履带式装载机以专用底盘或工业拖拉机为基础车，装上工作装置并配装相就原操纵系统而构成，如图1所示。履带式装载机的动力装置也是柴油机，机械式传动系统则采用液压助力湿式离合器或湿式双向液压操纵转向离合器和正转连杆机构的工作装置。图1轮胎式装载机图2履带式装载机1-行走机构；2-发动机；3-动臂；4-铲斗；5-转斗油缸；6-动臂油缸；7-驾驶室；8-燃油箱2、发动机功率： 功率小于74kw为小型装载机。 功率在74147kw为中型装载机 功率在147515kw为大型装载机 功率大于515kw为特大型装载机 3、传动形式： 液力机械传动，冲击振动小，传动件寿命长，操纵方便，车速与外载间可自动调节，一般在中大型装载机多采用； 液力传动：可无级调速、操纵间便，但启动性较差，一般仅在小型装载机上采用； 电力传动：无级调速、工作可靠、维修简单、费用较高，一般在大型装载机上采用。 4、行走结构： 轮胎式：质量轻、速度快、机动灵活、效率高、不易损坏路面、接地比压大、通过性差、但被广泛应用； 履带式：接地比压小，通过性好、重心低、稳定性好、附着力强、牵引力大、比切入力大、速度低、灵活性相对差、成本高、行走时易损坏路面。 5、装卸方式： 前卸式：结构简单、工作可靠、视野好，适合于各种作业场地，应用较广； 回转式：工作装置安装在可回转360O的转台上，侧面卸载不需要调头、作业效率高、但结构复杂、质量大、成本高、侧面稳性较差，适用于较侠小的场地。 后卸式：前端装、后端卸、作业效率高、作业的安全性欠好。1.1.3 本章小结本章主要讨论了装载机的发展状况及发展趋势，介绍了装载机的种类，为课题研究的实际意义提供了依据。31.2 运动仿真技术简介1.2.1 运动仿真技术产生的背景进入21世纪，科学技术突飞猛进，社会发展日新月异。人们对个性化产品的需求越来越迫切，对产品性能的要求也越来越高，全球化经济已明显地呈现出买方市场的特点。由于这一变化，导致市场竞争日趋激烈，而竞争的核心则主要体现在产品创新上，体现在对客户的响应速度和响应品质上。传统的物理样机在产品的创新开发中，在开发周期、开发成本、产品品质等方面已越来越不能满足市场需求，运动仿真技术正是在这一市场需求的驱动下产生的。1.2.2 运动仿真技术运动仿真技术是一种崭新的产品开发方法，是多个相关学科领域交叉、集成的产物，是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。其涉及机械、电子、计算机图形学、仿真建模、虚拟现实等多个领域、多项技术，以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，借助成熟的三维计算机图形技术、图形用户界面技术、信息技术、集成技术、多媒体技术、并行处理技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，使得与产品相关的所有人员能在产品研制的早期直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真以及使用仿真等。 换句话说“运动仿真”设计方法就是在建造第一台（件）物理样机之前，利用软件技术建立产品系统计算机模型，通过基于实体可视化的仿真分析，模拟系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性，以便反复修改设计方案，最终得到最优设计方案。1.2.3运动仿真技术在国内外的发展概况国外已在各个领域广泛地应用仿真设计。所涉及到的产品从庞大的卡车到微小的照相机的快门，从火箭到轮船的锚机。在工程矿山机械行业，如约翰迪尔公司利用仿真技术成功地解决了工程机械在高速行驶时出现蛇行现象的问题及在重载下的自激振动这个一直困扰着设计师及用户的难题，大大提高了工程矿山机械高速行驶性能与重载作业性能。卡特彼勒公司利用虚拟样机在切削任何一片金属之前就可快速试验数千种设计方案，不但降低了产品设计成本，缩短了开发周期，而且还制造出性能更为优异的产品。运动仿真技术在国外已有很多应用实例，我国也正极急投身于该项技术的研究中。在传统上，我国引进物理样机，开发人员往往停留在零件照抄的水平上，对于样机缺乏系统水平上的理解和研究，结果虽然投入了大量的人力物力，却收效甚微。但如果采用虚拟样机技术，技术人员便可对引进样机进行深入的研究，可以追踪样机的设计思想，从而真正提高设计人员的水平，开发出能满足市场需求的产品来。1.2.4 发展运动仿真技术的重要意义运动仿真设计方法将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一种更全面地了解设备性能的方法。它利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能，对设备进行几何、功能及制造等方面交互的建模与分析。在概念设计和方案论证中，便于设计师将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中，充分发挥想象力和创造力，并替代物理样机进行性能模拟试验。设计师可在计算机上方便地确定、修改设计进程，逐步优化设计方案。通过运动仿真机试验，还可节省建立试验台、安装测试设备和测试仪表等有关的费用，更快地确定影响设计方案性能的敏感参数，达到最优化设计目的。这样，可大大缩短设备研发周期，降低研制成本，提高设计质量和效率，为产品赢得了竞争优势。1.2.5 总结基于运动仿真的设计方法将成为21世纪工矿设备开发、研究的主流。对成本高、系统复杂、工况恶劣，而又不可能制造多台物理样机的设备其应用前景更加广阔，如大型露天矿用设备、煤矿井下综采设备和深海开采设备等。以及那些事关国际名声的骨干行业，如汽车工业、军事工业等，仿真技术在这些行业的应用在带来可观经济效益的同时，亦可提高其产品的设计水平和市场竞争力，有着广阔的发展前景。因此，仿真技术的各项关键技术必将为经济发展、国防建设、科技发展及社会进步做出重大贡献。1.3 Pro/ENGINEER软件在工程设计中的应用1.3.1 Pro/ENGINEER软件介绍Pro/ENGINEER和Pro/MECHANICA是由美国参数技术公司推出的一套博大精深的三维CAD/CAM参数化软件系统, 被广泛应用于工程技术领域。Pro/ENGINEER和Pro/MECHANICA不仅能够实现机械二维和三维动态造型仿真设计、机械设计、模具设计、加工制造设计、而且还能够实现机构仿真、结构分析、优化设计、电路设计以及数据库管理等多种技术目的。应用领域包括航空航天、汽车、机械、NC加工，电工等诸多行业。 由于其强大而完美的功能 Pro/ENGINEER几乎成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和标准。 它在国外大学院校里以成为学生工程必修的专业课程，也成为工程技术人员必备的技术，是目前国际上专业设计人员使用最为广泛的、先进的、具有多种功能的动态设计仿真软件。随着我国加入WTO ，一场新的工业设计领域的技术革命正在兴起。作为提高生产率和竞争力的有效手段 Pro/ENGINEER也在国内形成一个广泛应用的热潮。Pro/ENGINEER WILDFIRE 是美国PTC公司于2003年新推出的Pro/ENGINEER系列产品中的旗舰产品 该软件在原有的2001版本基础上新增了重多功能 ，特别强调了设计过程的易用性以及设计人员之间的互联性。 原有的Pro/ENGINEER产品的升级周期为半年一次 ，而本次升级却花了两年的时间 ，其产品性能有了本质性的改善。PTC的系列软件不但包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。它的技术特点在于以下两个方面。1 Pro/E参数化设计特征和功能Pro/ENGINEER是采用参数化设计的、基于特征的实体的建模工具，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如Hole（孔）、Shell（壳）、Chamfer（倒角）及Round（倒圆角）。用户可以方便的修改模型，给工程设计者提供了设计上从未有过的简易和灵活。2 Pro/E单一数据库Pro/ENGINEER建立在统一基层上的数据库上，而传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，是指工程中的资料全部来自一个库，每一个独立用户都能同时为同一件产品造型而工作。换言之，在整个设计过程任何一处发生改动，在整个设计过程的相关环节上都有响应。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径就会自动更新；组装工程图如有变动，也完全反映在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完美组合，把一件产品的设计工作紧密结合起来，使得设计效率更高，成品质量更好，产品能更好地推向市场，价格也更便宜，市场竞争力大大增强。本次对矿用小型装载机的设计应用Pro/ENGINEER WILDFIRE软件,现就本次设计所接触到的几个主要模块做简要概述。1 机械设计CAD模块机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制形状相当复杂的零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如摩托车轮毂，这些称为自由曲面。随着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用Pro/E生成曲面非常方便，方法有：拉伸 旋转 放样 扫掠 网格 点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此Pro/E可以迅速建立复杂曲面。2 运动分析模块（Scenario For Motion）运动分析模块（CAE）是CAE（Computer Aided Engineer）应用软件，用于建立运动机构模型，分析其运动规律。运动分析模块自动复制主模块的装配文件,并建立一系列不同的运动分析方案。Pro/ENGINEER 运动分析模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力距。Pro/ENGINEER MOTION模块为Pro/ ENGINEER的集成运动模块，是设计机构运动强有力的工具。该模块可以让机构设计师设定装配件在特定的环境中的机构动作并给予评估，能够判断出改变哪些参数能满足工程及性能超群上的要求，使产品设计达最佳状态，Pro/ENGINEER MOTION有如下功能：1) 校验机构运动的正确性，对运动进行仿真，计算机构任意时刻的位置、速度、加速度。2) 可以通过运动分析，得出装配的最佳配置。3) 根据给出的力决定运动状态及反作用力。4) 根据运动反求所需要的力。5) 求出铰接点所受的力及轴承力。6) 通过尺寸变量对机构进行优化。7) 干涉检查。1.3.2 运动仿真技术对装载机设计理念的影响 装载机是一种作业效率高，用途广泛的工程机械，它不仅对松散的堆积物料可进行装运、卸作业，还可对岩石、硬土进行轻度铲掘工作，并能用来清理刮平场地及牵引作业。经过80多年的发展，到今天装载机已经成为一种必不可少的工程用具。目前，世界上已经出现了许多能够满足不同要求的规格种类繁多的装载机产品。随着科技的发展，和设计理念的不断更新，还将出现更多功能和性能优良的装载机产品。本次改装设计的小型装载机主要用于中小型矿井下代替人工，铲装粒度不大的散装物料，对提高中小型矿井的机械化水平有重要意义。通常在对轮式装载机的工作装置进行机构分析时一般采用图解法或解析法，采用图解法精度较低，使用解析法计算又很复杂，因此一般只对几个作业位置进行分析计算，难以了解全部工况的作业性能及负荷变化。为解决这一问题，我们使用机械系统运动学与动力学分析仿真软件对其进行分析。这就要求先进行装载机工作装置的运动仿真设计。装载机工作机构的运动仿真的设计主要是用大型参数化建模工具Pro/ENINEER对工作装置先进行三维实体建模，然后实现动态模拟。为能够方便的解决在产品设计阶段中运动构件在运动过程中的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查等问题找到一个切实可行的新方法。装载机虚拟样机的设计步骤和传统设计步骤基本相同如图1.2.1所示。NYYYNNY矿用装载机模型设计方案实体建模干涉检查分析N运动分析生成工程图是否符合设计要求设计结果是否满意图1.2.1 装载机工作装置运动仿真设计步骤1.4 本章小结本章主要讨论了运动仿真技术产生的背景、状况及发展趋势，介绍了运动仿真应用的领域和实现的过程，指出了课题研究的背景和实际意义，确定了论文所要完成的主要任务和预期目的。介绍了Pro/ENGINEE软件在工程设计中的应用92 液压缸的选择2 液压缸的选择缸的主要参数包括行程、缸径、最高使用压力等。大臂缸和翻斗缸的要求相同均为最大推力：20000N、行程：800mm，一般均是工作过程中伸出过程压力远高于缩回过程，主要按伸出推力计算即可，活塞截面积：Ah = Fmax / pmax = 20000N/14.23MPa = 1.4*10-3 m2 Dg = 2(Ah/)1/2 = 42mm Ah 预算缸的活塞面积 Fmax 缸允许的最大推力 pmax 泵输出的最大压力 Dg 预算缸的内腔直径那就要求所选缸最高使用压力大于或等于14MPa，行程为800mm，缸内径为42mm或略小于 42mm的尾部耳环式等速缸。选缸：D25WE4022800MISO型号行程最高使用压力D25WE4022800MISO800mm25MPa活塞杆直径液压缸内径22mm80mm2.1 本章小结正确选择液压缸的参数对下面的工作十分重要,在计算行程当中,如有不当就可能造成干涉,直接影响装配,装配不成功,就无法进行运动仿真.8 附 表3 装载机工作装置三维实体建模3.1 工作装置零件建模在传统的工程设计中，设计人员首先在头脑中形成产品的三维轮廓，然后在图纸上利用二维工程图表示，其他设计人员以及工艺 生产等不同部门的人员再通过二维图纸将产品还原为三维影像。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。因此三维化设计应该是发展趋势。三维模型的发展经历了由线框、曲面到实体的过程。实体模型最真实的反映三维形体的特性，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。基本特征是建模时创建的第一个特征，是零件结构的基本要素。基本特征以后的其他特征依赖于基本特征。基本特征可以是实体特征，也可以是基准特征，正交基准平面就常常被用作基本特征。在Pro/E中进行零件设计的步骤是先创建基本特征，然后添加结构特征。开始做零件之前，应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，可以变动的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，最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。如果要像绘制二维工程视图那样绘制草图,效率会很低,实践证明也没有这个必要。因为在Pro/ENGINEER中我们可以对实体进行各种编辑操作，如倒圆角。再就是如果草图绘制过于精细,再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。