基于Pro/E的挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)建模及運(yùn)動學(xué)仿真

徐素霞，文學(xué)洙

（延邊大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)科，吉林 延吉 133002）

挖掘機(jī)是我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中非常重要的工程機(jī)械之一。因此，對挖掘機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作過程做深入研究，是非常必要的。Pro/E 是一款全方位的三維產(chǎn)品開發(fā)軟件，整合了零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品組裝、工程制圖、造型設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)/分析與動態(tài)仿真等各種功能。借于此技術(shù)，工程設(shè)計(jì)人員可以在制造物理樣機(jī)之前，建立虛擬樣機(jī)模型，模擬實(shí)際工況進(jìn)行運(yùn)動仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，對各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比，從而確定關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，預(yù)測產(chǎn)品的機(jī)械性能，以減少產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省設(shè)計(jì)費(fèi)用，提高產(chǎn)品品質(zhì)及性能。

本文以某種挖掘機(jī)為樣機(jī)，利用Pro/E 建立虛擬樣機(jī)模型，并對其進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，通過數(shù)據(jù)分析來研究挖掘機(jī)的工作狀況。

1 挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)的建模

1.1 零部件的建模

挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)結(jié)構(gòu)的正確性，直接影響運(yùn)動仿真的結(jié)果。本文在滿足仿真實(shí)際要求的同時，簡化一些對仿真結(jié)果影響不大的零部件。挖掘機(jī)工作過程，是以鏟斗切削刃切削土壤，鏟斗滿載后提升，轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)至卸土位置，卸空后，鏟斗轉(zhuǎn)回到挖掘位置，開始下一次作業(yè)。挖掘機(jī)可分為以下幾個部分：

（1）車體；

（2）動臂；

（3）動臂油缸；

（4）斗桿5；

（5）斗桿油缸；

（6）鏟斗；

（7）鏟斗油缸。

按照挖掘機(jī)工作裝置尺寸，并結(jié)合Pro/E 強(qiáng)大的三維造型功能，將挖掘機(jī)各零部件建模。

1.2 虛擬樣機(jī)的建立

三維零件建模完成后，需要對虛擬樣機(jī)進(jìn)行整機(jī)裝配。啟動Pro/E，單擊圖標(biāo)工具欄口按鈕—新建裝配零件，進(jìn)入裝配模式。

按挖掘機(jī)工作裝置連接方式，依次對轉(zhuǎn)臺、動臂、斗桿、鏟斗、搖桿、連桿、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸進(jìn)行連接。各鉸接點(diǎn)處以銷軸副進(jìn)行裝配，油缸和油缸活塞以圓柱副單獨(dú)建立子裝配體。

1.3 定義伺服電機(jī)

挖掘機(jī)的復(fù)合運(yùn)動，是一個多自由度運(yùn)動。對多自由度問題，可以分為多個運(yùn)動過程，每個過程只有單個自由度。

利用Pro/E 的機(jī)構(gòu)，仿真子模塊Mechanism 來進(jìn)行挖掘機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動模擬和動態(tài)干涉檢查。定義伺服電機(jī)，我們可以采用分段單步驟挖掘仿真。如動臂轉(zhuǎn)動到某位置后不動，再由斗桿轉(zhuǎn)動到一定位置，然后由鏟斗進(jìn)行挖掘，最后提升回轉(zhuǎn)等運(yùn)動。每一個過程最后的運(yùn)動狀態(tài)，均作為下一個過程的初始條件，這種分割的辦法雖繁瑣，但清晰明了，對需要重點(diǎn)研究某一運(yùn)動過程很方便。

通過單一運(yùn)動擬合好最佳的復(fù)合運(yùn)動時間，最終實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)整個作業(yè)過程的連續(xù)仿真。挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)及添加伺服電動機(jī)的位置如圖1 所示。

圖1 虛擬樣機(jī)及伺服電機(jī)定義

2 運(yùn)動仿真分析

通過對伺服電機(jī)的有效分配，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的定義，同時可設(shè)置仿真參數(shù)，如仿真時間、仿真總幀數(shù)、幀間隔、仿真初始狀態(tài)等各種運(yùn)動信息。整個機(jī)構(gòu)的作業(yè)循環(huán)，為動臂正轉(zhuǎn)下降使鏟斗與地面接觸，然后斗桿正轉(zhuǎn)到一定位置，鏟斗正轉(zhuǎn)進(jìn)行挖掘作業(yè)，待鏟斗滿載后，動臂反轉(zhuǎn)，使鏟斗抬升。同時斗桿和鏟斗正轉(zhuǎn)調(diào)整姿勢防止灑土。然后轉(zhuǎn)臺反轉(zhuǎn)至卸載位置，斗桿和鏟斗反轉(zhuǎn)完成卸載。轉(zhuǎn)臺正轉(zhuǎn)回到挖掘位置，準(zhǔn)備下次挖掘作業(yè)。

定義好各伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間后，點(diǎn)擊【運(yùn)行】虛擬樣機(jī)就會按要求完成運(yùn)動仿真過程。根據(jù)需要可以回放運(yùn)動分析，輸出仿真動畫和單幀頻查看機(jī)構(gòu)的每一步運(yùn)動。通過運(yùn)動仿真，可對機(jī)構(gòu)的反作用力、位移、速度和加速度、運(yùn)動軌跡等進(jìn)行查看輸出。圖2 是挖掘機(jī)中間齒尖在WCS 坐標(biāo)系關(guān)于時間的位置、速度、加速度圖像。

圖2 齒尖仿真結(jié)果

由位置測量，可以查看挖掘機(jī)中間齒尖點(diǎn)在任意時間分別對應(yīng)XYZ 的位置。挖掘機(jī)最大挖掘半徑在X 軸的最高點(diǎn)7 019.44 mm 處，最大挖掘深度在Y 軸最低點(diǎn)–2 727.54 mm 處。

由速度測量可知：4～8 s 是鏟斗進(jìn)行挖掘的過程，斗齒部位的速度變化較大。在6 s 時，鏟斗挖掘完成動臂開始提升時，速度突然增大到拐點(diǎn)位置后，有一個平緩的過渡，在挖掘結(jié)束后從另一個拐點(diǎn)位置開始減小。12.5～15 s 是挖掘機(jī)卸載過程，速度變化也較明顯。這是因?yàn)樵谕诰驒C(jī)鏟斗裝滿土壤提升動臂時，為使鏟斗中土壤不至于灑出，需要在動臂提升過程中進(jìn)行鏟斗姿態(tài)的調(diào)整。卸載時，為了快速卸載，斗桿和挖斗同時反轉(zhuǎn)卸載。

由加速度測量可知：4～8 s 時，加速度發(fā)生急劇變化，這是因?yàn)橥诰蜷_始時，為了方便挖掘，先給一個大挖掘力。12～14 s 時，加速度也發(fā)生很大變化，這時是鏟斗在卸載。說明這時鏟斗、斗桿和液壓缸，都遭受了較大沖擊力。

3 結(jié)束語

本次仿真，在提升過程中進(jìn)行了鏟斗的調(diào)整，因此速度曲線和加速度曲線，都有鋸齒狀突變。該突變說明，鏟斗姿態(tài)調(diào)整，對運(yùn)動中鏟斗速度和加速度有很大影響，調(diào)整時間越短，突變越劇烈。鏟斗卸料的時候，由于考慮作業(yè)效率和鏟斗的卸載干凈，設(shè)計(jì)中采用了短時間、快速卸料方法，因此卸料區(qū)間的速度、加速度突變非常劇烈。從仿真結(jié)果可以得出，這種大的速度、加速度變化，雖然有液壓系統(tǒng)的緩沖，但是對挖掘機(jī)工作裝置的影響必然存在，所以在實(shí)際的工作裝置設(shè)計(jì)中，應(yīng)給予充分考慮。

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