基于Pro/E多姿態(tài)挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)建模及仿真分析*

張 穩(wěn)，羅金良，張亞龍

(南華大學(xué)，機(jī)械工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001)

1 前言

液壓挖掘機(jī)在工業(yè)與民用建筑、道路建設(shè)、水力、礦山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置，是交通運(yùn)輸、能源開發(fā)、城鎮(zhèn)建設(shè)以及國(guó)防施工等各項(xiàng)工程建設(shè)的重要施工設(shè)備，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)迫切需要的裝備。然而，在作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣的環(huán)境中，一般的輪式、履帶式挖掘機(jī)無(wú)法正常、有效地工作。為此，設(shè)計(jì)一款底盤能夠根據(jù)工作環(huán)境的改變而改變工作姿態(tài)的工程機(jī)械成為了研究熱點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)了具有多姿態(tài)、采用四輪驅(qū)動(dòng)、具有很強(qiáng)的路面適應(yīng)性和越障能力，在淺水、沼澤、山地等環(huán)境中都能夠正常作業(yè)的挖掘機(jī)［1］。并利用Pro/E軟件建立挖掘機(jī)的三維立體模型并進(jìn)行整體裝配，運(yùn)用其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行各零部件運(yùn)動(dòng)干涉檢查及行走機(jī)構(gòu)工作作用點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、位置和速度分析。

此采用Pro/E設(shè)計(jì)的挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)的結(jié)構(gòu)，在采用四輪驅(qū)動(dòng)、控制時(shí)具有很強(qiáng)的路面適應(yīng)性和越障能力，在淺水、沼澤、山地等環(huán)境中都可正常作業(yè)。采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，需要制造多個(gè)物理樣機(jī)，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高等弊端，如何提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低產(chǎn)品的研發(fā)成本，進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，又快又好設(shè)計(jì)出滿足不斷變化市場(chǎng)的需求。虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototyping)的應(yīng)用很好地解決了這些問(wèn)題［2］。Pro/E是一款基于特征的全參數(shù)化建模軟件，目前有80多個(gè)專用模塊，功能強(qiáng)大。

利用Pro/E可方便的設(shè)計(jì)各零部件的三維立體模型并進(jìn)行整體裝配，運(yùn)用其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模塊能夠進(jìn)行各零部件運(yùn)動(dòng)干涉檢查及行走機(jī)構(gòu)工作時(shí)作用點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡、位置和速度分析。

2 虛擬樣機(jī)的建立

構(gòu)造虛擬樣機(jī)必須進(jìn)行機(jī)械零部件的三維實(shí)體造型。三維實(shí)體模型的構(gòu)筑對(duì)于虛擬樣機(jī)的仿真和分析十分重要［3］，必須充分理解所構(gòu)造的機(jī)械結(jié)構(gòu)的各個(gè)零部件的外形以及他們之間的相對(duì)位置和裝配關(guān)系，才能保證虛擬仿真的順利進(jìn)行。

本樣機(jī)整機(jī)模型由回轉(zhuǎn)體、行走機(jī)構(gòu)和工作裝置組成，其中行走機(jī)構(gòu)對(duì)行走能力起到?jīng)Q定性作用，在此重點(diǎn)介紹行走機(jī)構(gòu)。

(1)行走機(jī)構(gòu)是由4個(gè)分支組成，每個(gè)分支機(jī)構(gòu)由鉸接、關(guān)節(jié)、支撐臂、車輪及兩個(gè)液壓缸組成，如圖1～5所示。

圖1 行走機(jī)構(gòu)分支裝配圖

(2)分支機(jī)構(gòu)的裝配。在裝配中機(jī)構(gòu)中各零件之間的約束類型如下表1所列。

圖2 鉸接

圖3 關(guān)節(jié)

圖4 支撐臂

圖5 車輪

表1 分支機(jī)構(gòu)零件約束類型

其中液壓缸1和液壓缸2的兩缸筒采用圓柱連接，分別稱圓柱連接1和圓柱連接2。

(3)虛擬樣機(jī)的整機(jī)模型。如圖6所示。

圖6 虛擬樣機(jī)整機(jī)模型

3 行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 添加驅(qū)動(dòng)

各行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)都是獨(dú)立的，所以運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真只需研究行走機(jī)構(gòu)的1個(gè)分支在空間內(nèi)完成回轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動(dòng)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)仿真分析的要求，需添加3個(gè)驅(qū)動(dòng)，均為伺服電動(dòng)機(jī)。

(1)在銷釘鉸接上添加旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)，使分支機(jī)構(gòu)整體繞連結(jié)上通孔軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)作用時(shí)間及速度采用模選項(xiàng)中表的方式確定，0～10 s內(nèi)速度為5°/s;10～30 s內(nèi)速度為-5°/s;30～40 s內(nèi)速度為5°/s。

(2)在圓柱副1上添加移動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)1，控制關(guān)節(jié)在豎直方向的位置。移動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)1的作用時(shí)間及速度采用模選項(xiàng)中表的方式確定，0～40 s內(nèi)速度為0;40～50 s內(nèi)速度為-20 mm/s;50～61 s內(nèi)為20 mm/s。

(3)在圓柱副2上添加移動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)2，控制支撐臂在豎直方向的位置。移動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)2的作用時(shí)間及速度采用模選項(xiàng)中表的方式確定，0～61 s內(nèi)，速度為0;61～67 s內(nèi)為-20 mm/s;67～72 s內(nèi)，速度為20 mm/s。

3.2 機(jī)構(gòu)分析及干涉檢驗(yàn)

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可確定所關(guān)心點(diǎn)的位移、速度、加速度的變化范圍［4］。

伺服電動(dòng)機(jī)定義完成后，進(jìn)入機(jī)構(gòu)分析界面。分析類型選擇為運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，開始時(shí)間設(shè)為0，終止時(shí)間為73 s，點(diǎn)擊運(yùn)行，開始運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。觀察仿真過(guò)程，保存仿真結(jié)果。點(diǎn)擊回放，進(jìn)行碰撞檢測(cè)設(shè)置，設(shè)置為部分碰撞檢測(cè)，進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

3.3 仿真結(jié)果及分析

3.3.1 運(yùn)動(dòng)分析

干涉檢驗(yàn)完成后，新建測(cè)量量measure1，測(cè)量類型為位置，測(cè)量點(diǎn)為支撐臂的末端，以底座中心坐標(biāo)PRT_CSYS_DEF為measure1的參考坐標(biāo)系，測(cè)量分量為X分量;新建測(cè)量量measure2，測(cè)量類型為位置，測(cè)量點(diǎn)為支撐臂的末端，選取坐標(biāo)系PRT_CSYS_DEF為參考坐標(biāo)系，測(cè)量分量為Y分量，評(píng)估方法默認(rèn)為每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。測(cè)量結(jié)果如圖7、8所示。

圖7 前臂末端水平方向的位移變化曲線

進(jìn)入回放界面，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)包絡(luò)圖，即行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所能觸及到的位置。選取元件對(duì)話框一欄選取鉸接、關(guān)節(jié)、支撐臂、車輪為對(duì)象，輸出格式為零件，使用缺省模塊，創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)包絡(luò)［5］，結(jié)果如圖9所示。

圖8 前臂末端豎直方向的位移變化曲線

圖9 行走機(jī)構(gòu)分支的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)圖

3.3.2 適應(yīng)性分析

分支機(jī)構(gòu)的自由度P=3，分別為鉸接繞Z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，關(guān)節(jié)繞鉸接Y軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，前臂繞關(guān)節(jié)的Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度［6］?；诖硕嘧杂啥鹊慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，行走機(jī)構(gòu)具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)行走機(jī)構(gòu)的分支運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，測(cè)得支撐臂末端的位置曲線和該分支的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)圖，得到了該分支能達(dá)到位置空間，為機(jī)構(gòu)進(jìn)一步的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了依據(jù)。

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