基于PROE挖掘机工作装置的建模及运动仿真

基于ProE挖掘机工作装置的建模及运动仿真摘要在当今经济全球化、市场竞争日趋激烈的时代，在新产品的开发时间逐渐缩短的同时，产品质量成为企业能否在激烈的市场竞争中取胜的关键因素。挖掘机作为一种高效的施工设备，在当今中国大规模的现代化建设中发挥着重要用，液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，受到了广大施工作业单位的青睐。国外著名厂家的液压挖掘机在设计方法上重视试验研究工作，重视电子计算机技术的应用，而国内的厂家则更多的停留在测绘仿制阶段，系统的计算机辅助设计应用还不够广泛，不够成熟,因此传统的设计方法已很难满足设计、生产的需要，只有将计算机辅助技术融入到整个系统设计当中，才是企业实现快速设计的最佳方案。本论文对挖掘机工作装置进行建模、装配，并对动臂进行参数化分析。然后将整个模型导入到多体动力学仿真分析软件ADAMS中，建立虚拟样机模型，对挖掘机进行顺序动作和复合动作的运动学与动力学仿真分析。将虚拟样机技术引入到挖掘机设计分析领域，提高产品的设计效率和设计质量，从而缩短产品开发周期，节约开发成本。于改进原有产品的设计，或进行新产品的开发研制，对提高此类产品的设计质量很有实用意义。关键词：液压挖掘机 参数化 仿真 ADAMS 分析For parameterization technology hydraulic excavator modeling and body movements analysis Abstract In the current economic globalization and market competition is fierce, in the new product development time reduced gradually, the quality of products and become enterprise will be in the intense market competition to win the key factor .Excavator as a kind of efficient construction equipment, in modern china's modernization of playing an important, the hydraulic excavator has a range, many functions, high quality and high efficiency, etc, by the construction unit. the manufacturer of well-known in the design of the hydraulic excavator on the way to the research and technology application of electronic computers, domestic producers are more stops, in the copying. System computer-aided designing applications were not widely, immature, so the traditional approach has been very difficult to satisfy the needs of the design and manufacture, a computer-aided technology to the whole system design, are the enterprises shall achieve rapid design best.This paper work device for excavator model, assembly and to move his arm for parameterization analysis. then the entire model to analyse how the dynamics emulation software adams, set up a virtual sample model for excavator for the excavation process of learning and imitation analysis. kineticsVirtual sample technology will be introduced to areas of design analyses excavator and greatly improve the design of the product design and quality efficiency and reduce product development cycles, and the development costs. the improvement of the existing product design, or the development of new products development to do the design of the product quality is a practical significance. Key word : Hydraulic excavator Parametric Simulation ADAMS Analysis 目录第一章 绪论11.1 课题的研究背景11.2液压挖掘机国内外研究现状21.3本课题的研究内容及意义3第二章 虚拟样机技术52.1 虚拟样机技术概述52.2 ADAMS概述及其仿真技术82.3 ADAMS建模、仿真的步骤10第三章 基于PRO/E的液压挖掘机参数化建模123.1 液压挖掘机概况123.2 参数化建模与特征建模143.3 参数化软件PRO/ENGIEER介绍153.4工作装置的参数化建模163.5 参数化的具体实现203.6 工作装置的装配24第四章 基于ADAMS的液压挖掘机仿真254.1 挖掘机工作装置的仿真254.2 仿真分析概述294.3 工作装置的运动学仿真分析304.4 工作装置的动力学仿真374.5仿真分析及结果后处理41第五章 总结47参考文献48致谢4952第一章 绪论 1.1 课题的研究背景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，有限元分析技术和虚拟样机技术在挖掘机的设计和开发过程中得到了广泛使用，国内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、露天矿山中80%的剥离量和采掘量都是用挖掘机完成的。当前，国际上挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化和专用化的方向发展。国外挖掘机行业重视采用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐。相对而言，国产挖掘机行业的总体水平还比较落后，在设计水平、技术层次上更是与小松、卡特、日立等国际知名厂家的差距达10 年之久。因此，对国产挖掘机行业来说，引进先进的生产技术和积极采用先进的设计开发技术迫在眉睫。目前，我国挖掘机制造企业普遍存在产品更新换代慢的问题，总体产品质量低于国外同类产品。如何尽快缩短这种差距，提高产品的设计水平已成为挖掘机制造企业的迫切要求。国内液压挖掘机开发存在着一定的缺陷，国产液压挖掘机数量少，而且多为斗容2.5m3以下的小型设备，中型设备较少，大型设备在我国尚属空白。从品种、规格、数量上满足不了国内市场需要。从产品技术水平、可靠性、制造质量与国外液压挖掘机有较大差距。对于大中型液压挖掘机尚处于经验设计阶段，试验研究工作薄弱，短期内难以完成设计开发工作。配套件的质量和可靠性差，使用寿命短。液压系统和元件的设计技术、大尺寸高压油缸的制造技术、整体性能参数的测试技术缺乏，满足不了国民经济重点工程发展的需要。国外独资或合资企业产品虽然价格较贵，但因其技术含量较高，依然占据国内市场的份额。长期以来我国挖掘机设计一直沿用传统的设计方法，利用经验公式首先做出一系列可行方案，然后在这些方案中找出一个比较好的投入生产。这种方法工作量大，设计周期长，设计质量低，而且得出的方案也不一定是最优方案。它己不能适应现代挖掘机产品设计的要求。在挖掘机设计过程中，机构参数的确定是一件非常复杂的工作，影响这些参数的因素也很多，所有这些参数之间相互制约，所以我们有必要采用先进的设计方法来设计挖掘机的工作参数，进而提高挖掘机设计水平、产品质量、效率和竞争能力。因此，采用虚拟样机技术对挖掘机进行设计成为一种有效的方法。基于虚拟样机技术的液压挖掘机工作装置的动态模拟仿真以及优化设计，不仅可以验证工作装置方案设计的合理性，而且可以检验工作装置各构件在运动过程中是否发生干涉，机构参数设计是否最优。通过CAD、CAE 软件进行准确建模，动态仿真、运动学分析和动力学分析，然后进行优化设计。这样，可以在没有制造真实样机的情况下，设计人员通过三维虚拟样机，一方面可以动态显示挖掘机工作装置的各种作业工况及全部的作业过程，另一方面可以通过专业软件自动绘制出各种作业工况下齿尖运动轨迹，分析最大挖掘深度、最大卸载高度和最大挖掘半径的位置及数值。另外，对分析工作装置的作业过程、铲斗的运动状况、检验挖掘机工作装置结构参数设计是否合理等，都具有重要的理论和实际意义。1.2液压挖掘机国内外研究现状从20世纪50年代生产第一台全液压挖掘机至今，挖掘机工作装置已经发展到了相当成熟的阶段。随着液压挖掘机市场的增大、产量的提高和使用范围的扩大，世界著名的挖掘机生产商纷纷采用新技术、新手段来提高产品质量，提高产品的市场竞争力。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优点，被广泛应用于水利电力工程、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。据建筑施工部门统计，一台斗容为1.0m3的液压挖掘机挖掘I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，一般工程施工中约有百分之六十五、百分之七十的土方量、露天煤矿中百分之八十的剥离量和采掘量都是用挖掘机完成的。因此使得挖掘机在现代“挖土改水"的建设中发挥中越来越重要的作用。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。在国外很多科研机构和一些大型企业，都已经对挖掘机工作装置的设计进行研究，并开发了一些专业软件，并将疲劳损伤累积理论、断裂力学、有限元法、结构优化设计、电子计算机控制的电液伺服疲劳试验技术、疲劳强度分析方法等先进技术应用于液压挖掘机的强度研究方面，提高了产品质量，增强了竞争力。我国从1958年开始研制液压挖掘机，逐步开发了12.5m3系列产品；80年代初从德国LIEBHERR公司与O&K公司引进技术生产斗容量11.5m3中型规格产品，但质量和数量与国外相比均存在较大差距，在故障时间、经济性、燃油消耗率、施工成本等方面差距明显。到了80年代末、90年代初，世界各工业发达国家液压挖掘机技术水平得到迅速的提高，在追求高效率(同一机重的挖掘功率普遍提高，液压系统流量增大，作业循环时间减小，作业效率大大提高)、高可靠性、司机操作的舒适性方面表现尤为突出。当前，国际上液压挖掘机的生产正向大型化、微型化、多能化、专用化和智能化的方向发展，应用新技术、新工艺、新结构和新材料，加快了向标准化、系列化、通用化发展的步伐，相对而言，虽然国内液压挖掘机行业近年来有很大发展，但总体水平与发达国家相比还有一定差距，可喜的是国内众多的研究人员和单位对液压挖掘机工作装置设计进行了不少研究，开发了设计软件，为工作装置设计参数分析和在CAD上自动设计提供了基础和参考。为了使挖掘机设计人员从繁忙的计算中解脱出来，将计算机辅助计算和优化设计应用于液压挖掘机工作装置的设计中是目前研究的重点。随着我国加入WTO，在国际化合作变得日益密切之际，对国内液压挖掘机行业来说，充分利用国际化配套、积极引进先进的生产技术和积极采用先进的设计开发技术迫在眉睫。1.3本课题的研究内容及意义1.3.1 课题研究内容1概述虚拟样机技术的概念、特点及其应用现状，阐述多体动力学仿真软件ADAMS建模仿真的基本流程，分析它与常用三维CAD软件之间的数据交换问题。2利用PRO/ENGINEER软件绘制液压挖掘机三维实体模型，然后对动臂进行参数化分析。将模型导入ADAMS中，建立虚拟样机模型。3利用多体动力学仿真软件ADAMS对挖掘机虚拟样机机械系统运动轨迹及整机的工作范围进行仿真。并进行顺序动作、复合动作的运动学和动力学仿真分析。1.3.2 课题研究意义本论文对挖掘机工作装置进行建模、装配，并对动臂进行参数化分析。然后将整个模型导入到多体动力学仿真分析软件ADAMS中，建立虚拟样机模型，对挖掘机进行挖掘过程的运动学与动力学仿真分析。将虚拟样机技术引入到挖掘机设计分析领域，提高产品的设计效率和设计质量，从而缩短产品开发周期，节约开发成本。于改进原有产品的设计，或进行新产品的开发研制，对提高此类产品的设计质量很有实用意义。同时有利于推动和促进CAD技术在企业的深入发展和应用。 第二章 虚拟样机技术 2.1 虚拟样机技术概述随着21世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈，产品的消费结构日趋向多元化、个性化方向发展。面对持续发展、风云变幻的市场需求，企业为了提高自身竞争力，必须尽快推出新产品，更新设计，缩短产品的研发周期，提高产品质量，降低研发成本，进行创新性设计，这样才能对瞬息万变的市场需求做出敏捷反应，从而在竞争中获得相当的市场份额和利润。虚拟样机技术就是在这种迫切市场需求的驱动下产生的。2.1.1 虚拟样机的基本概念虚拟样机(Virtual prototype，简称VP)技术是当前设计制造领域的一项新技术，又称为机械系统动态仿真(Mechanical System Simulation)技术，是国际上80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程新技术。一种新产品的开发和研制需要考虑诸多因素，因此对传统设计方法提出了挑战，虚拟样机技术从分析解决机械系统整体性能及其相关问题的角度出发，研究解决采用传统的机械产品设计方法学所带来的弊端的一项高新技术手段。利用该技术，工程设计人员可以直接利用CAD系统所提供的各零部件的物理信息(如质量、质心位置、转动惯量等)及几何信息，在计算机上进行虚拟装配(定义零部件间的连接关系及其作用力、运动激励)，从而获得产品的虚拟样机模型，并对其进行仿真分析，进而在产品物理样机试制出来之前就对其性能有一个大体了解，并可把仿真结果作为对系统关键零部件有限元分析的依据。目前虚拟样机的概念从机械工程研究领域的角度出发，虚拟样机是一种针对测试对象和物理原形进行的一个虚拟制造和仿真过程，基于虚拟样机技术建立的工程化制造开发模型可以使设计人员访问一个实际物理模型的所有关于机械、物理、外观和功能特性的有关信息。2.1.2 虚拟样机技术的核心理论工程中的研究对象大多是由大量零部件构成的系统，根据设计优化与性能分析的要求可以将其分为两大类：一类称为结构，它们的特征是在正常的工况下构件间没有相对运动，研究中只关心这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定性。另一类是系统在运行过程中部件间存在相对运动的机构。如航空航天器、操作机械臂、机器人等复杂机械系统。力学模型为多个物体通过运动副连接的系统，称为多体系统。对于复杂的机械系统，研究其在载荷作用下各部件的动力学响应是产品设计中的重要问题。已知外力求系统运动的问题归结为求非线性微分方程的积分，称为动力学正问题。已知系统的运动确定运动副动反力的问题称为动力学的逆问题，它是系统各部件强度分析的基础。虚拟样机技术的核心理论是多体系统动力学。多体系统动力学是由多刚体系统动力学与多柔体系统动力学组成的。1多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整约束、非完整约束、定常或非定常约束。研究这些系统的动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、运动学表达式以及其他一些量的公式。多刚体系统动力学主要解决多个刚体组成的系统动力学问题，各个构件之间可以有较大的相对运动。2多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。多柔体系统动力学可以看作是多刚体动力学的自然延伸。根据多柔体系统组成的特点，一般以多刚体系统动力学的以研究为基础，对系统中柔性体进行不同的处理，在机械系统中常用的处理方法有离散法、模态分析法、形函数法和有限单元法等。将柔性体的分析结果与多刚体系统的研究方法相结合，最终得到系统的动力学方程。2.1.3虚拟样机技术的特点传统的产品开发步骤通常分为：产品设计、试验室试制、制造物理样机和产品生产等四个阶段。这种基于物理样机的设计研发模式的致命缺点是成本高、周期长，因此它不能适应现代化制造业中的柔性化、快捷化以及高质量的要求。同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特点：1全新的研发模式。传统的研发方法从设计到生产是一个串行过程，它存在很多弊端。而虚拟样机技术真正实现了系统角度的产品优化，它基于并行工程，无需建立物理模型，在产品的概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响产品性能的敏感参数，并进行优化和改进，通过可视化技术仿真分析产品在各种真实工况下的行为特征以及所具有的响应，直至获得最优工作性能。2更短的研发周期、更低的研发成本、更高的产品质量。虚拟样机的设计方法是通过计算机技术建立产品的数字化模型(虚拟样机)，摆脱了对物理样机的依赖，从而可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，有时这些试验是破坏性的，因此大大减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量。3实现动态联盟的重要手段。为了适应快速变化的全球市场，克服单个企业资源的局限性，出现了在一定时间内，通过Internet&Intranet临时缔结成的一种虚拟企业，即目前被世界广泛接受了的动态联盟(Virtual Company)的概念。参盟的企业为了实现并行设计和制造，信息的快速交流尤显重要，而虚拟样机是一种数字化模型，通过网络可以快速、准确的传输，从而为动态联盟活动的高度并行性提供了基础。2.1.4虚拟样机技术的发展及应用现状虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。20世纪60年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支多体系统动力学产生了，其主要任务是：1建立复杂机械系统运动学和动力学程式化的数学模型，开发实现这个数学模型的软件系统，自动进行程序化处理。2开发和实现有效的处理数学模型的计算方法与数值积分方法。3实现有效的数据后处理，采用动画、图表或其他可视化显示方式提供数据处理结果。经过了40多年的发展，多体系统动力学理论框架已经建成，并编制了相应的计算机程序，使理论研究成果商品化，开发了多种多体动力学软件。但一种优秀的虚拟样机分析软件除了进行机械系统运动学和动力学分析，还应包含以下技术：1CAD软件和技术。为机械系统建模服务，并用来展示分析结果。2有限元分析软件和技术。可以利用运动学和动力学分析的结果，确定进行机械系统有限元分析所需的外力和边界条件，对构件应力、应变和强度进行进一步的分析。3利用实验装置的实验结果进行某些构件的建模并模拟各种各样的作用力对样机进行仿真分析。4系统优化分析、控制系统设计与分析软件和技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代的控制理论，进行机械系统的运动仿真分析，并运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计和分析。通过分析获得机械系统的最佳综合性能。目前国外虚拟样机技术软件的商品化过程已经完成，在这个日益增长的市场上竞争的有二十多家公司，其中比较有影响力的产品包括美国MSC公司的ADAMS、比利时LMS公司的DADS以及德国航天局的SIMPACK。虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已经广泛地应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航天航空业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。基于一些客观因素，虚拟样机技术在我国还没有被广泛的应用。但作为一项适用于各种产品的设计过程的通用技术，只要找对市场切入点，组织得当并加强与国外的交流，定会使虚拟样机技术为中国的工业发展服务。虚拟样机技术是一门新兴的技术，它有着广阔的发展前景及市场。 2.2 ADAMS概述及其仿真技术机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)，是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc，现属于MSC公司)开发的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机分析软件，是世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软。该软件90年代开始在我国的机械制造、汽车交通、航空航天、铁道、兵器、石油化工等领域得到应用，为各领域中的产品设计、科学研究做出了贡献。工程中利用ADAMS交互式图形环境和零件约束、力库等，进行仿真分析和比较，研究“虚拟样机"可供选择的多种设计方案。ADAMS自动输出位移、速度、加速度和作用力，其仿真结果可显示为逼真的动画或X-Y曲线图形，ADAMS仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷，支持ADAMS同大多数CAD，FEA及控制设计软件包之间的双向通讯。ADAMS的核心软件包括交互式图形环境ADAMS/View和仿真求解器ADAMS/Solver，二者之间形成了无缝连接。用户可以利用ADAMS的工作站或PC机上建造、试验“虚拟样机"，在此基础上与其它模块集成就可以满足多方面的仿真要求模块简介：ADAMS /View(用户界面模块)是以用户为中心的交互式图形环境，它将简单的图标、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示等功能完美地集成在一起。其实体建模的内核采用Parasolid格式，除提供了丰富的零件几何图形库外，还提供了完整的约束开和力力矩库，支持布尔运算，建模工作快速。ADAMSSolver(求解器)是ADAMS系列产品的核心模块之一，是求解机械系统运动学和动力学问题的程序。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMSSolver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种问题。ADAMSPostprocessor(专用后处理模块)具有相当强的后处理功能，它可以回放仿真结果，也可以绘制各种分析曲线。ADAMSPostprocessor还可以对仿真分析曲线进行一些数学和统计计算；可以输入试验数据绘制试验曲线，并同仿真结果进行比较：对分析结果曲线图进行各种编辑。ADAMSAnimation(高速动画模块)是ADAMS的一个集成的可选模块，该模块使用户能借助于增强透视、半透明、彩色编辑及背景透视等方法对已经生成的动画精细加工，增强动力学仿真分析结果。动画显示的真实感。ADAMSHydraulics(液压系统模块)，为了模拟包括液压回路在内的复杂机械系统的动力学性能，IDM公司开发TADAMSHydraulics模块。用户使用该模块，能够精确地对由液压系统驱动的复杂机械系统(如工程机械、汽车制动转向系统、飞机起落架等)进行动力学仿真分析。用户可以在ADAMSView中建立液压系统回路的框架，然后通过液压驱动元件如油缸等将其连接到机械系统模型中，最后选取适当的、功能最强的求解器分析整个系统的性能。ADAMSFlex(柔性模块)是ADAMS与Flex软件之间进行双向数据通讯的接口。可研究柔性体对机械系统性能的影响，明显提高仿真精度。Flex是合成柔性体的有效途。ADAMSFlex支持ANSYS和I-DEAS的中性文件(Neutral file)格式。通过柔性体节点增加适当的约束和力，就可以使柔性体与其它刚体共同形成一个有机的ADAMS模型。ADAMSLinear(系统模态分析模块)可将ADAMS形成的机械系统非线性运动方程线性化，计算特征值、特征向量和状态空间矩阵。ADAMSCar(车辆模块)赋予工程师精确建立整套虚拟样机的能力，其中包括悬架、传动系、发动机、转向机构、ABS系统以及其它复杂总成。用户可以在各种不同的道路条件下运行ADAMSCar模型，执行驾驶操作，使车辆在试验道路上正常行驶，用户可以准确模拟汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性、安全性及其它各项性能参数。此外，ADAMS还包括Exchange(接口模块)、Controls(控制模块)、Insight(试验设计与分析模块)、Vibration(振动分析模块)、Durability(耐用性分析模块)Driver(驾驶员模块)、T拍(轮胎模块)等。2.3 ADAMS建模、仿真的步骤用ADAMS进行建模、仿真和分析，一般要遵循以下步骤。如图3-1所示，各步骤简述如下： 图3-1 虚拟样机设计流程1建造模型建模包含三部分工作：(1)创建零件有两种途径：通过ADAMSiew的零件库来创建各种简单的运动单元(零件)：用ADAMSExchange引入复杂的CAD形体(会影响运行速度)。(2)给模型施加约束和运动。(3)给模型施加各种作用力。2对样机进行仿真分析对模型进行初步仿真，通过仿真结果检验模型中各个零件、约束及力是否正确，设置测量和仿真输出。3校验模型导入实际实验测试数据，与虚拟仿真的结果进行比较。4完善模型可以在模型中加入更复杂的单元，如在运动副上加入摩擦，用线性方程或一般方程定义控制系统，加入柔性连接件等等。使模型与真实系统更加近似。5优化模型对模型进行参数分析，优化设计。6建立物理样机根据优化设计的结果建立物理样机。第三章 基于PRO/E的液压挖掘机参数化建模本文主要的研究内容是液压挖掘机工作装置的参数化建模。这要求设计者不仅要充分掌握产品设计的基础理论知识，而且还能熟练的运用CAD软件进行参数化建模。因此本章首先对涉及到的理论知识，如液压挖掘机概述、参数化设计技术、特征建模技术方面进行阐述，最后对所用的参数化设计软件PRO/ENGIEER进行简明的介绍。3.1 液压挖掘机概况3.1.1液压挖掘机液压挖掘机是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3-1为正在工作的液压挖掘机。图3-1 正在工作的挖掘机3.1.2液压挖掘机的组成单斗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3-2 所示。图3-2液压挖掘机基本组成简图1一动臂；2一斗杆；3一铲斗；4一连杆机构；5一动臂液压缸；6一斗杆液压缸； 7一铲斗液压缸 I一挖掘装置；11一回转装置；111一行走装置工作装置各运动部件之间采用销轴铰接，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铰点转动实现动臂的升降。斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂的相对角度。当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动臂上铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。为增大铲斗的转角，通常采用摇臂连杆机构来和铲斗联结。对于反铲挖掘机来说，主要用于挖掘停机面以下的土壤，因此最大挖掘深度和最大挖掘半径是其主要的作业尺寸。3.1.3 液压挖掘机的工作循环过程液压挖掘机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由液压传动系统实现，原动机(一般使用柴油机)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，然后转动斗杆及铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸出土壤，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铲斗，需要较大的挖掘力以保证能挖掘较大厚度的土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般是由铲斗液压缸实现的。 3.2 参数化建模与特征建模目前，CAD技术的基础理论主要是以PTC公司的Pro/E为代表的参数化造型理论和以SDRC公司的I一DEAS为代表的变量化造型理论。这两种方法都属于基于约束的实体造型技术。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(也就是捕捉设计意图)以及用户执行的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(是顺序化的)。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，然后才能定义下一个元素。基于特征设计技术(feature Based Design Technology)是一种面向产品制造全过程的描述信息和信息关系的产品数字建模方法，PRO/ENGINEER、I一DEAS、MDT、Solidworks等都是在一定程度上以参数化、变量化、特征设计为特点的新一代实体造型软件产品。特征是一种实体概念，它不仅包括定义约束和几何拓扑信息，还包括包含规则和属性的几何行为信息。特征概念使工程师可以使用熟悉的术语与CAD系统进行交流。特征造型完成的功能如果用几何原型布尔运算来实现可能要复杂得多。例如，通孔可以用一个足够长的圆柱进行布尔差运算得到。如果将零件加厚，而这个圆柱又不够长的话，这个通孔就变成盲孔了。相反，通孔“特征”却能理解它必须彻底穿透零件这一规则，不管零件发生什么变化，它都能作到这一点。此外，特征还可以携带供其它有用的属性信息(如密度、硬度、热传导系数等)。 3.3 参数化软件PRO/ENGIEER介绍PRO/ENGIEER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。PRO/ENGIEER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/CAEICAM软件系统。下面简单介绍一下PRO/ENGIEER参数化设计的特点：单一数据库：PRO/ENGIEER是建立在统一基础上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以反应在整个设计过程的相关环节上。行为建模能力：行为建模技术是从PRO/ENGIEER2000i开始推广的新技术。这种行为建模技术被业界作为第五代CAD技术。它通过把导出值(比如容积)包含到参数特征中，再反过来使用它们生成和控制其它模型的几何图形。工程分析能力：Pro/MECHANI是PRO/ENGIEER的一个比较独立的模块，是专门的工程分析模块。它既可以和PRO/ENGIEER在一起使用，又可以独立的使用，它的主要功能是有限元分析、静力学分析、动力学分析、震动分析、热力分析，最新的功能还可以进行疲劳分析、疲劳预侧等。自动约束功能：在二维截面的绘制中，图形自动约束功能大大提高了设计效率。这样的约束主要有以下几种:水平、竖直、平行、垂直、共线、同心、相切(包括圆与圆、圆与圆弧、圆弧与圆弧、直线与圆、直线与圆弧的相切)、对称、等长(等径)、角度、距离等等。特征灵活性：因为在当今的产品设计中，为了满足客户的要求，适应市场的变化，更改设计是司空见惯的事。而如何缩短更改周期就成了需要研究的问题。在PRO/ENGIEER中，增加了一种称为意向参考(Intent Manager)的新功能。使用这种功能，设计者可以定义特征建立的方式，利用这种定义方式，你可以灵活的构建特征，并且在特征发生更改时仍然保持你的设计意图，从而把设计人员从烦琐的设计更改中解放出来。PRO/ENGIEER具有的这些特点，使其非常适合于机械产品的开发设计，并运用其参数化功能方便地进行系列化产品的开发。3.4工作装置的参数化建模3.4.1动臂斗杆的结构种类通过对国内外的几十家公司的单斗反铲液压挖掘机工作装置的调查，发现其外形结构都是基本一致的，其中动臂主要分为单动臂油缸支撑和双动臂油缸支撑两种，单动臂油缸的结构主要用在小型挖掘机上，大中吨位的挖掘机都采用双动臂油缸支撑支撑。斗杆机构大致可以分为三种外形结构：1 结构特点是斗杆油缸耳支座板，铲斗油缸支座耳板分开，是目前市场上最为常见的结构。2 结构特点是斗杆油缸耳支座板和铲斗油缸耳支座板连成一体，使用该结构的挖掘机厂商主要有久保田，石川岛，南特，普什重机等。3 结构特点是斗杆的侧板，斗杆油缸耳支座板和铲斗油缸耳支座板整个都由一块板组成，或者侧板和其中的一块耳支座板是一体的，采用该结构的挖掘机厂商主要有利勃海尔，JCB等。正因为工作装置结构上的相似性，为工作装置的参数化设计提供了可能。一个成功的参数化设计平台，为结构工程师节约了大量的时间和精力，提高了新产品开发效率，必将为企业带来效益。3.4.2 建模过程 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 中常用的操作方法,如拉伸、旋转、切割、倒角以及圆角等常用命令。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,最后用圆角工具完成整个动臂的绘制。其他主要零部件还包括斗杆、铲斗等。(1) 动臂建模过程如图3-3 a）动臂侧板建模b）动臂上下板建模c）前盖板及上耳支座建模d）钢套建模e）内辅板建模图3-3 动臂建模过程(2)斗杆建模过程如图3-4 a）斗杆侧板建模b）上下板建模c）前后耳板建模d）钢套建模 e）内辅板建模图3-4 斗杆建模过程3.5 参数化的具体实现参数化方法是产品模型修改和变型设计的需要，是设计自动化所采用的关键技术之一。国内外对于参数化设计的研究已较为成熟，参数化设计方法也有很多，比如基于绘图过程的参数化设计、基于装配的参数化设计、基于特征的图素拼合参数化设计、基于变型设计的参数化等等。本文采用Pro/E的族表（Family Table）技术对挖掘机的动臂进行参数分析。族表（Family Table）可以复出许多相似的零件，以编辑表格的方式产生一系列的零件。族表是复制特征和零件的高级工具之一，是实现产品参数化设计的一种重要方法。把零件生产标准化，既省时又省力，从零件文件中生成各种零件，无需重新构造，可以对零件产生细小的变化而无需用关系改变模型。打开“dong bi prt”零件，右击“拉伸1”单击“编辑”命令，系统显示动臂的主体尺寸值，如图3-5所示。图3-5 单击“工具”命令，系统打开“族表DONG BI”对话框如图3-6所示。图3-6单击“族表DONG BI”对话框“添加/删除列表”命令，并依次单击动臂的主要尺寸后得“族项目，普通模型：DONG BI”如图3-7所示。图3-7单击“族表DONG BI”对话框“在所选行处插入新的实例”命令，添加后如图3-8所示。图3-8单击该对话框中的“ 校验”命令，系统对添加的三个实例进行校验，如图3-9所示。 a） b） 图3-9然后单击“ 预览” 命令，系统打开“ 预览”对话框，显示该实例的预览结果，如图3-10所示。 a）实例一 b）实例二 图3-10关闭“ 预览”对话框。除了可以在“ 族表DONG BI”对话框中编辑新的实例外，还可以在Excel表格中直接添加新的实例，单击“ 族表DONG BI”对话框中的“用Excel编辑当前表”命令，系统打开Excel，如图3-11所示。图3-11 完成以上步骤后，整个动臂参数分析工作基本完成，启动Pro/E软件，打开动臂父零件在其建模模块下可以通过菜单得到对话框，进行参数化的建模。从零件文件中生成各种零件，无需重新构造，可以对零件产生细小的变化而无需用关系改变模型。3.6 工作装置的装配大多数的CAD/CAM系统有两种不同的装配模式，即多组件装配和虚拟装配。多组件装配模式是将部件的所有数据复制到装配体中，装配体中的部件与所引用的部件不具有关联性。当部件修改时，不会反映到装配体中，因此这种装配属于非智能装配。同时由于装配要引用所有部件，需要占用较大的内存空间，因而影响装配速度。虚拟装配模式利用部件链接关系建立装配体，具有占用内存空间小，显示速度快，当修改构成装配体的部件时装配体自动更新。因此本文采用虚拟装配方式。挖掘机是由工作装置、回转装置、行走装置等组成的较为复杂的系统，本文负责的是工作装置部分，但为保证挖掘机的完整性，将挖掘机的回转装置也进行了装配。装配好后的整机模型如图3-12所示。图3-12 总装配图第四章 基于ADAMS的液压挖掘机仿真4.1 挖掘机工作装置的仿真4.1.1仿真平台的选择ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是由美国Mechanical Dynamics Inc公司研制的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件，是世界上目前使用范围最广、最久负盛名的机械系统仿真分析软件，其在市场占有的份额超过50%。ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。同时其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。本文选择ADAMS软件平台进行仿真分析。4.1.2 仿真模型的导入在ADAMS中模型的建立通常有两种方法：一种是使用ADAMS/View中的零件库创建模型；另一种方法是使用ADAMS/Exchange模块从其他CAD软件导入模型。由于ADAMS软件提供几何建模工具功能较弱，对于较为复杂的模型，通常是在UG、Pro/E、CATIA等大型CAD软件建模，然后导入ADAMS中。从 Pro/E 到ADAMS 的图形文件传递可以通过两种方法进行：一种是将Pro/E 创建的模型存储为中性文件格式，然后通过ADAMS 的图形数据传递接口ADAMS/Exchange 实现导人；另一种是使用Pro/E 和ADAMS 的专用接口MECHANISM/Pro，将Pro/E 创建的模型存储为ADAMS 的*cmd 或*adm 格式，完成模型传递。(1) Pro/E与ADAMS共同支持的中性文件格式通过中性文件实现在不同的 CAD 系统之问交换产品信息，如图4-1所示，数据要从系统A传送到系统B，必须由系统A 的前处理器把这些待传送的数据转换成中性的特定的数据交换标准格式，再由系统B的后处理器把其从数据交换标准格式转换成该系统内部的数据格式，反之亦然。从图可以看出：数据转换文件只是一个“ 形式”，重要的是系统提供的处理器，如果两个系统的处理器相互间不能完全识别所产生的文件，那么数据转换就会出现问题。Pro/E 与ADAMS共同支持的中性文件格式主要有STEP和IGES。图4-1 PRO/E 传递数据到ADAMS(2) Pro/E 与ADAMS 之间的专用接口Mechanism/ProMechanism/Pro 是连接Pro/E 与ADAMS 之间的桥梁，二者采用无缝连接的方式，所以Pro/E 用户可以在其熟悉的CAD 环境中建立三维机械系统模型，在Pro/E 环境下定义刚体和施加约束，并对运动性能进行仿真分析。因此，它的优点是增加了模型的仿真精度、提高了工作效率、可以准确体会设计意图、削减设计费用等。为了保证模型传递传递到 ADAMS 后单位保持一致，在PRO/E 里要把单位设置成mmKs。在PRO/E中建立挖掘机模型后，将其保存为Parasolid文件，其后缀名为X_T。然后，在ADAMS/View中导入该文件，Parasolid格式模型，可以进行布尔计算，可以直接结算构件的质量信息，可以捕捉到模型的几何特征，如圆心、顶点等信息，这些对于后面的建立运动副、柔性连接等都很方便。导入的模型结果如图4-2。图4-2 导入的模型4.1.3 虚拟样机的建立1布尔运算为减少仿真的运算工作量(即减少固定副的数目)，可以对输入的模型进行布尔运算，将固连在一起的零件合并为一个构件。2修改颜色如果用ADAMS软件建模，每个零件的颜色都不尽相同，这是软件默认的。为了更明显地区分不同零件，我们可以修改零件的颜色。方法很多，可以在下拉式菜单中选择Edit、Appearance命令，也可以启动数据库测览器，在下拉式工具条中选择Display Attribute命令，甚至还可以右击图形区域选择Appearance命令3更改名字在ADAMS中，输入模型的各个构件都是以Part Number(Number2)来命名的不易辨别，最好重新命名其中，Partl是软件自动创建的“ground”零件，它没有质量及初始速度，不会增加系统的自由度，全局坐标系就建立在“ground”上面命名方法基本同修改颜色，就是将Appearance/Display Attribute改为Rename命令。4添加约束ADAMS/View提供了3中类型的约束；运动副约束、基本约束和运动约束。(1)运动副约束运动副约束分为简单运动副和复杂运动副，复杂运动副只是简单运动副的组合，如齿轮副和关联副。简单运动副用来表示具有相互作用的物理运动副，它所联接的两个零件可以是刚体、柔性体或质点。ADAMS/View提供的简单运动副有十几种，本文研究的液压挖掘机模型中动臂下铰点和主机间是旋转运动副，动臂只能绕这个铰点运动；斗杆底部与动臂末端铰接，是旋转运动约束，斗杆只能绕动臂末梢在工作装置对称剖面内旋转运动；铲斗与斗杆前端铰接，可绕斗杆末梢旋转运动：铲斗与铲斗液压活塞杆并不是直接连接，而是通过摇臂连杆机构铰接，可以增大铲斗旋转运动范围；驱使挖掘机工作装置完成工作的是三副液压缸的相对运动。液压缸的运动约束是沿液压缸轴线方向的直线运动。(2)基本约束ADAMS/View提供的基本约束：平行约束、垂直约束、方向约束、点面约束、点线约束。(3)运动约束运动约束定义零件运动随时间变化的函数。ADAMS/View提供了两种类型的运动：运动副运动：定义运动副的移动或转动，每一个运动副运动限制一个自由度添加运动副运动很容易。但只能对移动副、转动副或圆柱副添加运动副运动。运动副运动有两种：运动副移动和运动副转动。点运动：定义两个零件的相对运动。创建点运动时，需指定运动的方向。点运动也可以添加到运动副上。此外，可以应用点运动在模型中创建复杂的运动，例如沿圆弧的运动、船舶在海洋中的漂浮运动以及机器人的手臂运动等。运动副运动和点运动定义的运动可以是恒速运动，也可以通过函数生成器定义关于时间的函数，从而定义复杂运动。5施加载荷ADAMS/View提供了四种类型的力：作用力、柔性连接力、特殊力和接触力。在施加力时，需要指明力作用的零件和作用点，以及力的大小和方向。描述力的大小可以用一个特定不变的常数值，也可以用ADAMS/View的函数表达式，或者用ADAMS/View子程序传递参数。这样，挖掘机机械系统的虚拟样机模型基本建立，如图4-3所示。图4-3 建立的虚拟样机模型4.1.4模型检验样机模型建成以后，可以用模型检验工具来检查错误，如模型运动副对齐不准和零件约束不当等。在Tools菜单中选择Model Verify命令显示信息窗可以得到模型的重要信息，包括移动的零件和运动副的数量，同时也列出模型的自由度数，并说明模型是否合理。此外，还可以用对象测量和交互式仿真分析对模型进行检验，仿真分析前进行装配分析也有助于纠正错误的约束。例如检查建好的挖掘机样机模型，ADAMS显示的检测结果如图4-4所示。图4-4 模型检测模型检验结果：样机模型包括13个零件，1个圆柱副，8个转动副，1个球副，3个移动副，1个固定副，3个平面副，4个运动，整个模型有0个自由度。模型没有多余约束，检验正确。4.2 仿真分析概述1仿真类型ADAMSView自动地调用ADAMSSolver求解程序来完成仿真分析，其仿真类型有以下4种：(1) 动力学分析(Dynamic)：通过求解一系列非线性的微分和代数方程，仿真分析自由度大于零的复杂系统的运动和各种力。(2) 运动学分析(Kinematic)：通过求解一系列代数方程，仿真分析自由度等于零、有确定运动的系统的运动。(3) 静态分析(Static)：通过力平衡条件，求解构件各种作用力达到平衡的位置。(4) 装配分析(Assemble)：用于发现纠正在装配和操作过程中的错误连接，以