基于Pro/E的裝載機(jī)實(shí)體建模與仿真

關(guān) 心

（山西應(yīng)用科技學(xué)院，太原 030062）

1 裝載機(jī)的研究背景

目前，我國(guó)的裝載機(jī)正在從較低水平走向較高水平，從模仿國(guó)外走向自主創(chuàng)新，其中對(duì)主要部位零件的技術(shù)革新，使我國(guó)逐漸成為行業(yè)的領(lǐng)軍者。在更新過(guò)程中，大、小型輪式挖掘機(jī)由于外部條件和工程總供給的限制，更新速度較快的是需求量較大的中型挖掘機(jī)。

裝載機(jī)使用的領(lǐng)域較廣，種類較多。履帶式和輪胎式根據(jù)行走裝置的不同進(jìn)行區(qū)分，其中輪胎式的使用較多，也比較常見(jiàn)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，裝載機(jī)有小、中、大和特大等不同型號(hào)。根據(jù)傳動(dòng)形式的不同，裝載機(jī)分為液力機(jī)械傳動(dòng)[1]（多用于中大型）、液力傳動(dòng)（用于小型）以及電力傳動(dòng)（常用于在大型）。根據(jù)裝卸方式的不同，裝載機(jī)主要分為后卸式（應(yīng)用較廣）和回轉(zhuǎn)式兩種類型[2]。

2 裝載機(jī)三維建模及設(shè)計(jì)邏輯

裝載機(jī)歷經(jīng)了近一百年的發(fā)展，已成為國(guó)家和企業(yè)必不可少的工程機(jī)械工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和設(shè)計(jì)理念的不斷更新，此改造中設(shè)計(jì)的小型裝載機(jī)主要用于中小型礦山以替代勞動(dòng)力，鏟取小型散料，提高了中小型礦山機(jī)械化水平。裝載機(jī)工作裝置主要使用Pro/E進(jìn)行建模。裝載機(jī)虛擬模型樣機(jī)的設(shè)計(jì)步驟如圖1所示。

圖1 裝載機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)邏輯圖

動(dòng)臂的生成。動(dòng)臂的生成主要是拉伸。首先打開(kāi)“零件”點(diǎn)擊草圖，選擇任意視圖進(jìn)行動(dòng)臂的草圖繪制和智能尺寸標(biāo)注；其次，退出草圖，選擇特征指令拉伸，拉伸切除；最后，通過(guò)復(fù)制（鏡像）得到另一個(gè)動(dòng)臂，隨后選擇與之對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)面增加一些細(xì)節(jié)。

鏟斗的生成。通過(guò)草圖繪制，拉伸草圖建立基本的鏟斗模型，其余操作在此鏟斗進(jìn)行，并根據(jù)鏟斗的參數(shù)進(jìn)行拉伸和拉伸切除。其次，添加厚板，將內(nèi)部的肋條放置在模型實(shí)體上，添加耳特征和創(chuàng)建耳表面特征，利用鏡像復(fù)制。最后，用兩側(cè)拉伸添加截齒特征和顯示生成[3]。

底座的生成。一方面做出一個(gè)大致的框架，通過(guò)切拉伸切除精細(xì)參數(shù)，在框架上細(xì)化結(jié)構(gòu)。另一方面，繪制、拉伸切除和鏡像用于生成基面，即先用草圖繪制實(shí)體的對(duì)稱面，再用鏡像（注意基準(zhǔn)面）還原另一半生成搖臂[4]。

零件完成建模后，重新打開(kāi)SolidWorks，選擇裝配圖和進(jìn)行裝配所需的零部件，根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行組裝，查看是否符合裝配體之間的設(shè)計(jì)要求。通常是在組裝的時(shí)候約束和干預(yù)各零部件之間的聯(lián)系。同時(shí)，在組裝過(guò)程中可以根據(jù)實(shí)際情況添加和生成新的零件[5]。生成最終的裝載機(jī)的三維模型，如圖2所示。

圖2 裝載機(jī)三維模型

3 裝載機(jī)仿真結(jié)果分析

對(duì)裝載機(jī)進(jìn)行建模仿真時(shí)，使用Pro/E中的測(cè)量功能對(duì)裝載機(jī)的不同工作點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)測(cè)量可以實(shí)時(shí)觀測(cè)裝載機(jī)在工作過(guò)程中的不同點(diǎn)的工作位置和速度關(guān)系，從而為裝載機(jī)的設(shè)計(jì)研究提供有力的參數(shù)數(shù)據(jù)，并根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)具體的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析解釋。

設(shè)置連接軸時(shí)，首先打開(kāi)裝配模型文檔所在的工作設(shè)備，選功能區(qū)的“應(yīng)用”選項(xiàng)，彈出其下拉列表選擇“機(jī)構(gòu)”，彈出機(jī)械模塊界面；其次，選擇“機(jī)制”，出現(xiàn)下拉列表，點(diǎn)擊“拖動(dòng)”，彈出拖動(dòng)模塊；最后，用鼠標(biāo)拖動(dòng)裝配實(shí)體的大臂（鎖定鏟斗）上的任意一點(diǎn)，以創(chuàng)建快照操作為下一個(gè)視圖保存工作設(shè)備的位置。本設(shè)計(jì)創(chuàng)建了裝載機(jī)工作裝置在幾種不同工作條件下的快照，并將工作設(shè)備拖到創(chuàng)建快照命令上，在話框中選擇“快照”，然后單擊完成創(chuàng)建快照。

伺服電動(dòng)機(jī)的主要手段是用電動(dòng)機(jī)作為機(jī)械力，工作原理是負(fù)反饋。在該系統(tǒng)中，將控制輸入與機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)際位置進(jìn)行比較，然后在輸出端由某種傳感器測(cè)量位置。

可以將伺服電機(jī)放置在連接軸或幾何要素上。對(duì)于只有一個(gè)零件的情況，根據(jù)需要選擇伺服電機(jī)的數(shù)量。本設(shè)計(jì)的裝載機(jī)工作裝置模型定義了8個(gè)伺服電機(jī)，其中6個(gè)伺服電機(jī)定義在鏟斗與提升臂之間的連接軸上，主要用于控制鏟斗的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。另外，兩個(gè)電機(jī)位于提升臂和底座之間的連接軸上。兩個(gè)電機(jī)以相反的方向移動(dòng)，以提升和降低臂。

圖3是對(duì)建好的三維模型輸入相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，進(jìn)行仿真操作可以得到裝載機(jī)具體的舉升機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度隨時(shí)間的變化曲線，橫縱坐標(biāo)分別表示時(shí)間和速度參數(shù)。通過(guò)分析可得，它做功的速度和之前提供的速度總體上相同，但有一些波動(dòng)是在前、中、后3個(gè)工位，原因是鏟斗產(chǎn)生輕微的扭動(dòng)，但并未對(duì)動(dòng)臂的工作產(chǎn)生太大影響，所以此設(shè)計(jì)建模方式合格。

圖3 舉升臂速度與時(shí)間曲線

圖4是運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到的鏟斗的輸出速度與時(shí)間的關(guān)系，其中縱坐標(biāo)為速度參數(shù)，橫坐標(biāo)為時(shí)間參數(shù)。由圖4可知，鏟斗在整個(gè)工作過(guò)程中，速度與時(shí)間關(guān)系和原先的設(shè)置值基本相同，說(shuō)明此鏟斗連接軸符合設(shè)計(jì)需求。

圖4 鏟斗連接軸速度與時(shí)間關(guān)系

通過(guò)圖3和圖4的仿真分析發(fā)現(xiàn)，建模的裝載機(jī)基本能滿足正常的工作要求，可以作為裝載機(jī)設(shè)計(jì)的一種思路。

運(yùn)動(dòng)仿真是將現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品用計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)出來(lái)的數(shù)字化技術(shù)，與人們生活中的許多學(xué)科都有密不可分的關(guān)系。理論上講，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)或者產(chǎn)生的早期階段，將要進(jìn)行設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和分析產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程用3D計(jì)算機(jī)的圖形學(xué)、圖形的用戶界面、信息的集成以及多媒體等方式融合在一起。它可以直觀、形象地進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、功能測(cè)試、生產(chǎn)仿真以及將仿真應(yīng)用于虛擬產(chǎn)品。

本文介紹了裝載機(jī)和仿真技術(shù)的發(fā)展和未來(lái)方向，主要闡述了在礦用小型裝載機(jī)的工作中使用Pro/E對(duì)其主要零部件進(jìn)行實(shí)體建模和組裝設(shè)計(jì)的過(guò)程，詳細(xì)描寫了從建模到組裝裝配體到運(yùn)動(dòng)仿真的整個(gè)過(guò)程，并搭配軟件插圖，簡(jiǎn)單明了，最終實(shí)現(xiàn)了裝載機(jī)的設(shè)計(jì)工作，很好地完成了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

在企業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)需求可以適當(dāng)選擇挖掘機(jī)的液壓缸，確定裝載機(jī)工作的部分及各組件理論上的結(jié)構(gòu)，使用Pro/E軟件對(duì)礦用小型裝載機(jī)工作裝置的零部件進(jìn)行3D實(shí)體建模，實(shí)現(xiàn)了工作裝置在Pro/E中的運(yùn)動(dòng)仿真。通過(guò)建模仿真確定運(yùn)動(dòng)過(guò)程中工作裝置各運(yùn)動(dòng)部件之間的和睦關(guān)系、工作范圍的設(shè)計(jì)和可能的工作干涉檢查，最終確定了裝載機(jī)設(shè)計(jì)方案，可為裝載機(jī)的設(shè)計(jì)發(fā)展提供有力的理論基礎(chǔ)。