基于Pro/E的挖掘機工作裝置建模與運動仿真分析*

周 莉

(沙洲職業(yè)工學院,江蘇張家港 215600)

基于Pro/E的挖掘機工作裝置建模與運動仿真分析*

周 莉

(沙洲職業(yè)工學院,江蘇張家港 215600)

在對挖掘機工作裝置的設計過程進行分析的基礎上,應用三維軟件Pro/E創(chuàng)建挖掘機工作裝置的三維模型;然后利用Pro/E的Mechanism模塊對設計的3D模型作運動學仿真分析,同時檢查各個零部件之間的干涉情況,從而得到工作裝置的運行軌跡;根據(jù)得到的分析結果對工作裝置的結構尺寸進行優(yōu)化設計,從而得到優(yōu)化后的工作裝置3D模型,為實現(xiàn)該工作裝置的物理樣機提供了技術支持。

Pro/E;挖掘機工作裝置;三維建模;運動仿真及分析

0 引 言

挖掘機是工程機械的主要機種之一,被廣泛應用于國防施工、農(nóng)田水利、礦山開采、道路工程等基本建設之中。隨著我國經(jīng)濟建設的迅速發(fā)展,尤其是國家加大鐵路、公路、水利設施和住宅的投資,挖掘機在國民經(jīng)濟建設中的重大作用逐步體現(xiàn)出來。據(jù)統(tǒng)計,露天礦山中79%的剝離量和采掘量,一般工程施工中約有59%的土方量都是用挖掘機來完成的[1]。

隨著我國基礎設施建設的深入和在建設中挖掘機的廣泛應用,挖掘機的市場有著很大的發(fā)展空間,因此開發(fā)滿足我國國情所需要的挖掘機是非常有必要的。工作裝置作為挖掘機重要組成部分,其性能優(yōu)劣不僅直接影響挖掘機的生產(chǎn)效率,還決定整機的可靠性。但是影響挖掘機工作裝置的因素比較多,傳統(tǒng)的設計方法耗費時間長、工作量很大,不容易得到令人滿意的結果。為了縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,減少挖掘機設計人員的工作量,提高設計質(zhì)量,研究挖掘機工作裝置的CAD技術是很有必要的[2]。

1 挖掘機工作裝置設計流程

挖掘機工作裝置大致有機座、轉(zhuǎn)臺、主臂、前臂、導向槽、導向桿、挖斗等幾部分。首先設定各零件參數(shù),然后運用軟件Pro/E創(chuàng)建挖掘機工作裝置的三維模型,應用Pro/Mechanism模塊對創(chuàng)建的工作裝置3D模型作運動仿真分析,并檢查各零部件之間的干涉情況,得到工作裝置的運行軌跡,根據(jù)得到的分析結果對工作裝置的結構尺寸作優(yōu)化設計,從而得到優(yōu)化后的工作裝置3D模型,整個設計思路如圖1[3]。

2 創(chuàng)建挖掘機工作裝置3D模型

2.1 模型構建原則

一個繁雜的機械系統(tǒng)做運動仿真時,首先應該對原有的結構體系做適當?shù)睾喕?。在簡化模型時應該遵守兩個原則:①簡化之后的模型仍然能夠表達出原有結構的力學性能;②應該盡可能簡化,這樣計算起來比較方便。根據(jù)這兩條原則,簡化模型時需要注意以下幾點:①過渡圓角和倒角應該簡化成直角;②對稱與反對稱的利用;③相互連接體。

2.2 挖掘機工作裝置三維模型創(chuàng)建

在Pro/E里完成零件繪制后,就開始進行裝配,建立挖掘機工作裝置的整體3D模型,如圖2所示。建立工作裝置3D模型可分為以下幾個步驟。

第1步:裝入機座、轉(zhuǎn)臺,并創(chuàng)建機座與轉(zhuǎn)臺之間的連接。

第2步:裝入主臂、前臂、主導向槽,并創(chuàng)建主臂與轉(zhuǎn)臺、主臂與前臂、主臂與主導向槽之間的連接。

第3步:裝入主導向桿,并創(chuàng)建主導向桿和前臂、主導向桿與主導向槽之間的連接。

第4步:裝入挖斗,并創(chuàng)建前臂和挖斗之間的連接。

第5步:裝入挖斗前連接片、一塊挖斗后連接片,并創(chuàng)建前連接片與挖斗、前連接片與后連接片、后連接片與前臂之間的連接。

第6步:裝入前導向槽、前導向桿,并創(chuàng)建前導向槽和前臂、前導向桿和前導向槽、前導向桿和挖斗前連接片之間的連接。

第7步:裝入第二塊挖斗前連接片,并創(chuàng)建第二塊前連接片與挖斗、第二塊前連接片與前導向桿之間的連接。

第8步:裝入第二塊挖斗后連接片,并創(chuàng)建第二塊挖斗后連接片與第二塊前連接片、第二塊挖斗后連接片與前臂之間的連接。

圖1 挖掘機工作裝置設計流程圖

圖2 挖掘機工作裝置的三維模型

3 挖掘機工作裝置運動仿真分析

3.1 多驅(qū)動器開環(huán)機構

當一個機構同時具備兩個以上自由度,而且每個自由度間不能構成一個完整的閉環(huán)機構,就像機器人一樣,不僅有多個關節(jié),而且還有多個動力源(伺服電機)時,稱這類機構為多驅(qū)動器開環(huán)機構。挖掘機工作裝置就屬于這種多驅(qū)動器開環(huán)機構。這類機構在Pro/E運動仿真中是最困難的一類,因為在仿真過程中需要設置多個動力源(伺服電機),還需要多次調(diào)整各個動力源(伺服電機)間的運動關系,這樣機構才能運行正常[4]。

3.2 多驅(qū)動器動力源的設置

多驅(qū)動器開環(huán)機構的核心部分是創(chuàng)建驅(qū)動器并調(diào)整每個驅(qū)動器之間的運動順序,這部分的建立直接影響到整個機構的仿真逼真程度。在挖掘機工作裝置中,總共設定四個驅(qū)動器。

如圖3所示為第一臺伺服電機設定的步驟。

STEP1:在伺服電動機類型中選如圖3(a)中轉(zhuǎn)臺連接軸作為伺服電動機的驅(qū)動對象。選擇完畢后,模型中顯示一個紫色箭頭,表示運動方向。

STEP2:在伺服電動機的定義對話框中設置好時間與模的關系后就會得到伺服電動機的位置與時間的函數(shù)關系,如圖3(b)、(c)所示。

STEP3:完成伺服電動機的設置后,選擇機構分析按鈕,再點運行按鈕,機構將進行運動仿真。

圖3 伺服電動機1的設置

根據(jù)第1臺伺服電動機的設定步驟,對第2～4臺伺服電動機分別進行設置,設置步驟大致與第1臺伺服電動機的設定步驟一致,區(qū)別在于設定第2臺伺服電動機時,選擇主臂與轉(zhuǎn)臺之間的連接軸為驅(qū)動對象;設置第3臺伺服電動機時,選擇前臂與主臂的連接軸為驅(qū)動對象;設定第4臺伺服電動機時,選定前臂和挖斗之間的連接軸為驅(qū)動對象。

3.3 挖掘機工作裝置的運動仿真

設定四個伺服電動機的參數(shù)后,對挖掘機工作裝置進行運動仿真,并利用運動仿真的結果進行分析,檢驗各零件之間是否有干涉,直到不產(chǎn)生干涉為止。用圖形來表示頂點或機構中某一點相對于零件的運動軌跡,挖掘機工作裝置中在挖斗上選擇一點,可以得到該點隨時間的位移曲線,如圖4所示。

Kinematics Simulation Analysis of Excavator W orking Devices Based on the Pro/Engineer

ZHOU Li
(Shazhou Vocational College of Technology,Zhangjiagang Jiangsu 215600,China)

Based on analysis for the design process of excavator working devices,3-dimentionalmodel of the excavator working device is built bymeans of software Pro/E.And then kinematics simulation analysis for the 3-Dmodel is conducted with the Pro/Mechanism,meanwhile,the interference condition among its parts is checked,thus the motion trajectory of working device is obtained.According to the analysis results,optimization design to the structure size of working device is completed so as to obtain a rational3-dimentionalmodelofworking device,which could provide technique support for realizing the physical prototype ofworking device.

Pro/E;excavator working device;3-D modeling;motion simulation and analysis

TP391.9

A

1007-4414(2015)06-0001-02

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.06.001

2015-09-28

周 莉(1984-),女,江蘇徐州人,碩士研究生,工程師,研究方向:機械設計制造及自動化。