【文章內(nèi)容簡介】 大挖掘半徑是其主要的作業(yè)尺寸。 液壓挖掘機的工作循環(huán)過程液壓挖掘機工作循環(huán)過程的仿真是進行液壓挖掘機虛擬樣機研究必不可少的一個過程。液壓挖掘機的工作裝置動作以及機身的回轉(zhuǎn)和行走都由液壓傳動系統(tǒng)實現(xiàn)，原動機(一般使用柴油機)驅(qū)動雙聯(lián)液壓泵，把壓力油分別送到兩組多路換向閥，通過司機的操作，將壓力油單獨或同時送往液壓執(zhí)行元件(液壓馬達(dá)和液壓油缸)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)(工作裝置)工作。其工作過程如下：先下放動臂至挖掘位置，然后轉(zhuǎn)動斗桿及鏟斗，當(dāng)挖掘至裝滿鏟斗時，提升動臂使鏟斗離開土壤，邊提升邊回轉(zhuǎn)至卸載位置，轉(zhuǎn)斗卸出土壤，然后再回轉(zhuǎn)至工作位置開始下一次作業(yè)循環(huán)。動臂液壓缸主要用于調(diào)整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨直接挖掘土壤；斗桿挖掘可以獲得較大的行程，但挖掘力要小一些。鏟斗挖掘的行程較短，為使鏟斗在轉(zhuǎn)斗挖掘結(jié)束的時候裝滿鏟斗，需要較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，因此挖掘機的最大挖掘力一般是由鏟斗液壓缸實現(xiàn)的。 參數(shù)化建模與特征建模目前，CAD技術(shù)的基礎(chǔ)理論主要是以PTC公司的Pro/E為代表的參數(shù)化造型理論和以SDRC公司的I一DEAS為代表的變量化造型理論。這兩種方法都屬于基于約束的實體造型技術(shù)。參數(shù)化建模是指在參數(shù)化造型過程中記錄建模過程和其中的變量(也就是捕捉設(shè)計意圖)以及用戶執(zhí)行的CAD/CAM/CAE功能操作。因此，參數(shù)化建模通過捕捉模型中的參數(shù)化關(guān)系記錄了設(shè)計過程。其本質(zhì)就是設(shè)計過程的記錄和回放。這種記錄過程與次序有關(guān)(是順序化的)。同時，它利用一系列定義好的參數(shù)對模型進行順序計算。參數(shù)化建模的優(yōu)勢在于其速度快。其缺點是用戶必須提供幾何元素的全部尺寸、位置信息，即只有完全定義前一元素，然后才能定義下一個元素?；谔卣髟O(shè)計技術(shù)(feature Based Design Technology)是一種面向產(chǎn)品制造全過程的描述信息和信息關(guān)系的產(chǎn)品數(shù)字建模方法，PRO/ENGINEER、I一DEAS、MDT、Solidworks等都是在一定程度上以參數(shù)化、變量化、特征設(shè)計為特點的新一代實體造型軟件產(chǎn)品。特征是一種實體概念，它不僅包括定義約束和幾何拓?fù)湫畔?，還包括包含規(guī)則和屬性的幾何行為信息。特征概念使工程師可以使用熟悉的術(shù)語與CAD系統(tǒng)進行交流。特征造型完成的功能如果用幾何原型布爾運算來實現(xiàn)可能要復(fù)雜得多。例如，通孔可以用一個足夠長的圓柱進行布爾差運算得到。如果將零件加厚，而這個圓柱又不夠長的話，這個通孔就變成盲孔了。相反，通孔“特征”卻能理解它必須徹底穿透零件這一規(guī)則，不管零件發(fā)生什么變化，它都能作到這一點。此外，特征還可以攜帶供其它有用的屬性信息(如密度、硬度、熱傳導(dǎo)系數(shù)等)。 參數(shù)化軟件PRO/ENGIEER介紹PRO/ENGIEER是世界領(lǐng)先的機械設(shè)計自動化解決方案，專門用于機械計算機輔助設(shè)計。PRO/ENGIEER是一個適用于產(chǎn)品、模具等產(chǎn)品設(shè)計并具有基于單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化設(shè)計、行為建模能力、特征造型、全相關(guān)性等特性的CAD/CAEICAM軟件系統(tǒng)。下面簡單介紹一下PRO/ENGIEER參數(shù)化設(shè)計的特點：單一數(shù)據(jù)庫：PRO/ENGIEER是建立在統(tǒng)一基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。行為建模能力：行為建模技術(shù)是從PRO/ENGIEER2000i開始推廣的新技術(shù)。這種行為建模技術(shù)被業(yè)界作為第五代CAD技術(shù)。它通過把導(dǎo)出值(比如容積)包含到參數(shù)特征中，再反過來使用它們生成和控制其它模型的幾何圖形。工程分析能力：Pro/MECHANI是PRO/ENGIEER的一個比較獨立的模塊，是專門的工程分析模塊。它既可以和PRO/ENGIEER在一起使用，又可以獨立的使用，它的主要功能是有限元分析、靜力學(xué)分析、動力學(xué)分析、震動分析、熱力分析，最新的功能還可以進行疲勞分析、疲勞預(yù)側(cè)等。自動約束功能：在二維截面的繪制中，圖形自動約束功能大大提高了設(shè)計效率。這樣的約束主要有以下幾種:水平、豎直、平行、垂直、共線、同心、相切(包括圓與圓、圓與圓弧、圓弧與圓弧、直線與圓、直線與圓弧的相切)、對稱、等長(等徑)、角度、距離等等。特征靈活性：因為在當(dāng)今的產(chǎn)品設(shè)計中，為了滿足客戶的要求，適應(yīng)市場的變化，更改設(shè)計是司空見慣的事。而如何縮短更改周期就成了需要研究的問題。在PRO/ENGIEER中，增加了一種稱為意向參考(Intent Manager)的新功能。使用這種功能，設(shè)計者可以定義特征建立的方式，利用這種定義方式，你可以靈活的構(gòu)建特征，并且在特征發(fā)生更改時仍然保持你的設(shè)計意圖，從而把設(shè)計人員從煩瑣的設(shè)計更改中解放出來。PRO/ENGIEER具有的這些特點，使其非常適合于機械產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計，并運用其參數(shù)化功能方便地進行系列化產(chǎn)品的開發(fā)。通過對國內(nèi)外的幾十家公司的單斗反鏟液壓挖掘機工作裝置的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其外形結(jié)構(gòu)都是基本一致的，其中動臂主要分為單動臂油缸支撐和雙動臂油缸支撐兩種，單動臂油缸的結(jié)構(gòu)主要用在小型挖掘機上，大中噸位的挖掘機都采用雙動臂油缸支撐支撐。斗桿機構(gòu)大致可以分為三種外形結(jié)構(gòu)：1． 結(jié)構(gòu)特點是斗桿油缸耳支座板，鏟斗油缸支座耳板分開，是目前市場上最為常見的結(jié)構(gòu)。2． 結(jié)構(gòu)特點是斗桿油缸耳支座板和鏟斗油缸耳支座板連成一體，使用該結(jié)構(gòu)的挖掘機廠商主要有久保田，石川島，南特，普什重機等。3． 結(jié)構(gòu)特點是斗桿的側(cè)板，斗桿油缸耳支座板和鏟斗油缸耳支座板整個都由一塊板組成，或者側(cè)板和其中的一塊耳支座板是一體的，采用該結(jié)構(gòu)的挖掘機廠商主要有利勃海爾，JCB等。正因為工作裝置結(jié)構(gòu)上的相似性，為工作裝置的參數(shù)化設(shè)計提供了可能。一個成功的參數(shù)化設(shè)計平臺，為結(jié)構(gòu)工程師節(jié)約了大量的時間和精力，提高了新產(chǎn)品開發(fā)效率，必將為企業(yè)帶來效益。 建模過程 對液壓挖掘機反鏟工作裝置的零件進行三維實體造型幾乎要用到Pro/E 中常用的操作方法,如拉伸、旋轉(zhuǎn)、切割、倒角以及圓角等常用命令。例如繪制動臂先繪制草繪圖,用到[ 直線] 、[ 圓弧] 、[ 相切]和[修剪]等操作,最后用[圓角]工具完成整個動臂的繪制。其他主要零部件還包括斗桿、鏟斗等。(1) 動臂建模過程如圖33 a）動臂側(cè)板建模b）動臂上下板建模c）前蓋板及上耳支座建模d）鋼套建模e）內(nèi)輔板建模圖33 動臂建模過程(2)斗桿建模過程如圖34 a）斗桿側(cè)板建模b）上下板建模c）前后耳板建模d）鋼套建模 e）內(nèi)輔板建模圖34 斗桿建模過程 參數(shù)化的具體實現(xiàn)參數(shù)化方法是產(chǎn)品模型修改和變型設(shè)計的需要，是設(shè)計自動化所采用的關(guān)鍵技術(shù)之一。國內(nèi)外對于參數(shù)化設(shè)計的研究已較為成熟，參數(shù)化設(shè)計方法也有很多，比如基于繪圖過程的參數(shù)化設(shè)計、基于裝配的參數(shù)化設(shè)計、基于特征的圖素拼合參數(shù)化設(shè)計、基于變型設(shè)計的參數(shù)化等等。本文采用Pro/E的族表（Family Table）技術(shù)對挖掘機的動臂進行參數(shù)分析。族表（Family Table）可以復(fù)出許多相似的零件，以編輯表格的方式產(chǎn)生一系列的零件。族表是復(fù)制特征和零件的高級工具之一，是實現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計的一種重要方法。把零件生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化，既省時又省力，從零件文件中生成各種零件，無需重新構(gòu)造，可以對零件產(chǎn)生細(xì)小的變化而無需用關(guān)系改變模型。打開“dong bi prt”零件，右擊“拉伸1”單擊“編輯”命令，系統(tǒng)顯示動臂的主體尺寸值，如圖35所示。圖35 單擊“工具”命令，系統(tǒng)打開“族表DONG BI”對話框如圖36所示。圖36單擊“族表DONG BI”對話框“添加/刪除列表”命令，并依次單擊動臂的主要尺寸后得“族項目，普通模型：DONG BI”如圖37所示。圖37單擊“族表DONG BI”對話框“在所選行處插入新的實例”命令，添加后如圖38所示。圖38單擊該對話框中的“ 校驗”命令，系統(tǒng)對添加的三個實例進行校驗，如圖39所示。 a） b） 圖39然后單擊“ 預(yù)覽” 命令，系統(tǒng)打開“ 預(yù)覽”對話框，顯示該實例的預(yù)覽結(jié)果，如圖310所示。 a）實例一 b）實例二 圖310關(guān)閉“ 預(yù)覽”對話框。除了可以在“ 族表DONG BI”對話框中編輯新的實例外，還可以在Excel表格中直接添加新的實例，單擊“ 族表DONG BI”對話框中的“用Excel編輯當(dāng)前表”命令，系統(tǒng)打開Excel，如圖311所示。圖311 完成以上步驟后，整個動臂參數(shù)分析工作基本完成，啟動Pro/E軟件，打開動臂父零件在其建模模塊下可以通過菜單得到對話框，進行參數(shù)化的建模。從零件文件中生成各種零件，無需重新構(gòu)造，可以對零件產(chǎn)生細(xì)小的變化而無需用關(guān)系改變模型。 工作裝置的裝配大多數(shù)的CAD/CAM系統(tǒng)有兩種不同的裝配模式，即多組件裝配和虛擬裝配。多組件裝配模式是將部件的所有數(shù)據(jù)復(fù)制到裝配體中，裝配體中的部件與所引用的部件不具有關(guān)聯(lián)性。當(dāng)部件修改時，不會反映到裝配體中，因此這種裝配屬于非智能裝配。同時由于裝配要引用所有部件，需要占用較大的內(nèi)存空間，因而影響裝配速度。虛擬裝配模式利用部件鏈接關(guān)系建立裝配體，具有占用內(nèi)存空間小，顯示速度快，當(dāng)修改構(gòu)成裝配體的部件時裝配體自動更新。因此本文采用虛擬裝配方式。挖掘機是由工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置等組成的較為復(fù)雜的系統(tǒng)，本文負(fù)責(zé)的是工作裝置部分，但為保證挖掘機的完整性，將挖掘機的回轉(zhuǎn)裝置也進行了裝配。裝配好后的整機模型如圖312所示。圖312 總裝配圖第四章 基于ADAMS的液壓挖掘機仿真 挖掘機工作裝置的仿真ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是由美國Mechanical Dynamics Inc公司研制的集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機軟件，是世界上目前使用范圍最廣、最久負(fù)盛名的機械系統(tǒng)仿真分析軟件，其在市場占有的份額超過50%。ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問題進行快速有效的建模與仿真分析。同時其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。本文選擇ADAMS軟件平臺進行仿真分析。 仿真模型的導(dǎo)入在ADAMS中模型的建立通常有兩種方法：一種是使用ADAMS/View中的零件庫創(chuàng)建模型；另一種方法是使用ADAMS/Exchange模塊從其他CAD軟件導(dǎo)入模型。由于ADAMS軟件提供幾何建模工具功能較弱，對于較為復(fù)雜的模型，通常是在UG、Pro/E、CATIA等大型CAD軟件建模，然后導(dǎo)入ADAMS中。從 Pro/E 到ADAMS 的圖形文件傳遞可以通過兩種方法進行：一種是將Pro/E 創(chuàng)建的模型存儲為中性文件格式，然后通過ADAMS 的圖形數(shù)據(jù)傳遞接口ADAMS/Exchange 實現(xiàn)導(dǎo)人；另一種是使用Pro/E 和ADAMS 的專用接口MECHANISM/Pro，將Pro/E 創(chuàng)建的模型存儲為ADAMS 的*．cmd 或*．a(chǎn)dm 格式，完成模型傳遞。(1) Pro/E與ADAMS共同支持的中性文件格式通過中性文件實現(xiàn)在不同的 CAD 系統(tǒng)之問交換產(chǎn)品信息，如圖41所示，數(shù)據(jù)要從系統(tǒng)A傳送到系統(tǒng)B，必須由系統(tǒng)A 的前處理器把這些待傳送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成中性的特定的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)格式，再由系統(tǒng)B的后處理器把其從數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換成該系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)格式，反之亦然。從圖可以看出：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換文件只是一個“ 形式”，重要的是系統(tǒng)提供的處理器，如果兩個系統(tǒng)的處理器相互間不能完全識別所產(chǎn)生的文件，那么數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換就會出現(xiàn)問題。Pro/E 與ADAMS共同支持的中性文件格式主要有STEP和IGES。圖41 PRO/E 傳遞數(shù)據(jù)到ADAMS(2) Pro/E 與ADAMS 之間的專用接口Mechanism/ProMechanism/Pro 是連接Pro/E 與ADAMS 之間的橋梁，二者采用無縫連接的方式，所以Pro/E 用戶可以在其熟悉的CAD 環(huán)境中建立三維機械系統(tǒng)模型，在Pro/E 環(huán)境下定義剛體和施加約束，并對運動性能進行仿真分析。因此，它的優(yōu)點是增加了模型的仿真精度、提高了工作效率、可以準(zhǔn)確體會設(shè)計意圖、削減設(shè)計費用等。為了保證模型傳遞傳遞到 ADAMS 后單位保持一致，在PRO/E 里要把單位設(shè)置成mmKs。在PRO/E中建立挖掘機模型后，將其保存為Parasolid文件，其后綴名為．X_T。然后，在ADAMS/View中導(dǎo)入該文件，Parasolid格式模型，可以進行布爾計算，可以直接結(jié)算構(gòu)件的質(zhì)量信息，可以捕捉到模型的幾何特征，如圓心、頂點等信息，這些對于后面的建立運動副、柔性連接等都很方便。導(dǎo)入的模型結(jié)果如圖42。圖42 導(dǎo)入的模型 虛擬樣機的建立1．布爾運算為減少仿真的運算工作量(即減少固定副的數(shù)目)，可以對輸入的模型進行布爾運算，將固連在一起的零件合并為一個構(gòu)件。2．修改顏色如果用ADAMS軟件建模，每個零件的顏色都不盡相同，這是軟件默認(rèn)的。為了更明顯地區(qū)分不同零件，我們可以修改零件的顏色。方法很多，可以在下拉式菜單中選擇Edit、Appearance命令，也可以啟動數(shù)據(jù)庫測覽器，在下拉式工具條中選擇Display Attribute命令，甚至還可以右擊圖形區(qū)域選擇Appearance命令3．更改名字在ADAMS中，輸入模型的各個構(gòu)件都是以Part Number(Number≥2)來命名的不易辨別，最好重新命名其中，Par