【正文】 本文為裝載機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)提供了一種高效、可行、直觀的設(shè)計(jì)方案，所得結(jié)論不僅對工作裝置物理樣機(jī)的試制和性能評估具有重要的指導(dǎo)意義，而且為其它類型工作裝置的設(shè)計(jì)及改進(jìn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒作用。對工作裝置進(jìn)行了三維可視化干涉檢查，該工作裝置沒有發(fā)生干涉；這就為全面的研究工作裝置各個桿件的運(yùn)動可行區(qū)域提供了便利，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的復(fù)雜性和不準(zhǔn)確性，也避免了大 量復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模和編程：工作裝置虛擬樣機(jī)所得到的運(yùn)動學(xué)曲線大大簡化工作裝置的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，為研究工作裝置運(yùn)動情況和試制物理樣機(jī)提供了參考依據(jù)。為運(yùn)動仿真和有限元分析做好了鋪墊。 2 利用 CATIA 軟件對裝載機(jī)工作裝置零件和部件進(jìn)行三維實(shí)體建模，生成參數(shù)化的零部件實(shí)體。 43 第 5 章 結(jié)論 本文重點(diǎn)敘述了小型裝載機(jī)的工作裝置的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的全過程，詳細(xì)說明了小型裝載機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)確定、零件和部件三維實(shí)體建模、運(yùn)動仿真及生成性能曲線。 42 圖 444 點(diǎn)擊圖像選項(xiàng)就會將性能曲線自動生成，如圖 445 圖 445 小結(jié) （ 1）本章對工作裝置的運(yùn)動進(jìn)行了動態(tài)模擬、生成性能曲線、得到各種工況位置圖 （ 2）三維可視化的干涉檢查，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中工作裝置干涉檢查的難題，讓像工作裝置這樣多桿件機(jī)構(gòu)干涉問題變得更為直觀和易于修改了。之后返回到數(shù)字化模塊，點(diǎn)擊 命令就可以使工作機(jī)構(gòu)按照之前編寫的法則運(yùn)動，會彈出如圖 443 對話框。 41 圖 441 可以按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行修改名稱，然后點(diǎn)擊確定彈出如圖 442 對話框。 點(diǎn)擊開始選擇知識工程，單擊知識庫精靈命令進(jìn)入法則編輯界面點(diǎn)擊規(guī)則命令。 結(jié)合運(yùn)動仿真測量出工作裝置的性能曲線 結(jié)合運(yùn)動仿真生成性能曲線可以更好的監(jiān)測和觀察裝載機(jī)工作裝置的性能，利用 CATIA 軟件自動生成性能曲線可以減少設(shè)計(jì)者的時間，減少研發(fā)費(fèi)，用提高效率，以往設(shè)計(jì)者都要通過大量的繁瑣的計(jì)算才可能生成性能曲線，不僅效率低下，而且準(zhǔn)確度不高，即使通過計(jì)算機(jī)編程來進(jìn)行計(jì)算但不能通過三維視圖更加直觀的表達(dá)。它不僅效率高，準(zhǔn)確性好，而且能直觀的表現(xiàn)出干涉部位。也有很多工作者雖然采用計(jì)算機(jī)編程和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段進(jìn)行干涉檢測，但一般都是集中在二維平面或處于相對靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行的。 干涉檢測的目的是分析裝載機(jī)工作裝置連桿機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)的運(yùn)動死點(diǎn)、碰撞和撕裂等位置，這是保證工作裝置能正常工作的先決條件。 裝載機(jī)工作裝置是多連桿機(jī)構(gòu)，其干涉問題尤顯突出、復(fù)雜。 圖 425 40 我們就可以對仿真模擬進(jìn)行控制，如輸入數(shù)值就可以使液壓缸伸長或者縮短相應(yīng)的長度，改變步驟數(shù)就可以對調(diào)節(jié)仿真運(yùn)動視頻的快慢。 圖 423 將所有實(shí)體模型零件結(jié)合完畢后就會出現(xiàn)如圖所示 424 所示對話框。 圖 421 圖 422 其他需要旋轉(zhuǎn)的實(shí)體模型以此類推，注意要將所有需要旋轉(zhuǎn)的零部件都要進(jìn)行此操作，這樣在整機(jī)進(jìn)行模擬時才不會發(fā)生只有一個機(jī)構(gòu)運(yùn)動而其他零件不運(yùn)動的情況。 創(chuàng)建裝載機(jī)工作裝置的機(jī)械運(yùn)動仿真 旋轉(zhuǎn)結(jié)合設(shè)置 對裝載機(jī)工作裝置中需要用銷軸進(jìn)行連接的實(shí)體模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)結(jié)合，點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)結(jié)合命令，將仿真時有旋轉(zhuǎn)動作的零件進(jìn)行連接如圖 421 所示，之后會彈出對話框如圖 422 所示，用鼠標(biāo)拾取所需零件。 在 CATIA 軟件中的“數(shù)字化裝配”模塊中，可進(jìn)行機(jī)械裝置的機(jī)械運(yùn)動仿真。 38 第 4 章 裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動仿真 概述 完成裝載機(jī)工作裝置的裝配模型后，就要開始本次設(shè)計(jì)的下一個內(nèi)容 —— 裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動仿真。在裝配設(shè)計(jì)中需要注意的是各模型之間連接類型和約束的選擇，正確的選取連接類型和約束，能夠確保后續(xù)動態(tài)仿真的實(shí)現(xiàn)。對于細(xì)節(jié)問題一般放在設(shè)計(jì)最后統(tǒng)一進(jìn)行。 35 a) b) c) 36 d) e) f) 圖 3210 裝載機(jī)六種不同工作狀態(tài)下的裝配模型 37 本章小結(jié) 本章主要介紹了本次所設(shè)計(jì)的小型裝載機(jī)工作裝置的主要零件的三維實(shí)體建模方法和模型的裝配設(shè)計(jì)過程。 連桿實(shí)體模型與鏟斗實(shí)體模型和搖臂實(shí)體模型的裝配連接 裝配方法同上所述，注意調(diào)整好位置關(guān)系以免發(fā)生其他零件位置錯亂和裝配干涉現(xiàn)象。我們可以通過 測量間距命令（圖 327）、 偏移間距命令（圖 328）進(jìn)行調(diào)整和規(guī)定裝配 的間距，還可以通過 角度約束命令（圖 329）調(diào)整和規(guī)定裝配間的角度。 第二步：將缸筒與底座實(shí)體模型進(jìn)行裝配，操作方法同前敘述十分簡單，這里不再贅述。 液壓缸體模型裝配 第一步：先將液壓缸體各個零件進(jìn)行整體裝配，裝配出液壓缸整體模型如圖326 所示。 32 我們也何以 將圖 324 所示的坐標(biāo)軸調(diào)整到所要移動的實(shí)體模型上如圖 325 所示，進(jìn)行調(diào)整，接著點(diǎn)擊 命令，這 是就會得到我們所需要的位置了。 動臂實(shí)體模型和底座實(shí)體模型雖然已經(jīng)裝配完成，但是我們可能會發(fā)現(xiàn)兩個實(shí)體模型之間的位置關(guān)系可能不是我們所期望的那樣，這是我們可以調(diào)整兩個實(shí)體模型之間的位置。當(dāng)然只進(jìn)行軸與軸的配合是達(dá)不到裝配要求的，此時我們還要進(jìn)行接觸接觸約束。出現(xiàn)圖 323 所示對話框，此時就可以根據(jù)底座和動臂實(shí)體模型的相對位置進(jìn)行調(diào)整，將底座和動臂的實(shí)體模型調(diào)整到合適的位置進(jìn)行裝配。 圖 322 31 動臂模型裝配 導(dǎo)入圖 311 所示的動臂實(shí)體模型，點(diǎn)擊 現(xiàn)有部件，接著點(diǎn)擊出現(xiàn)圖 322 所示的對話框選擇圖 311 所示動臂，將動臂實(shí)體模型導(dǎo)入。點(diǎn)擊 現(xiàn)有部件，接著點(diǎn)擊 出現(xiàn)如圖322 所示對話框，選擇圖 313 導(dǎo)入底座。對于一個裝配件，當(dāng)其中所有的零件都被完全約束時，這種 裝配件就稱為參數(shù)化的裝配件，否則就是非參數(shù)化的裝配件。 前面已經(jīng)生成礦用小型裝載機(jī)的各種底層零件的三維模型，然后采用由底向上的裝配設(shè)計(jì)方法對這些零件進(jìn)行空間定位來生成裝配件。在實(shí)際的裝配過程中通?；旌鲜褂眠@輛中設(shè)計(jì)方法，以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。由此可以看出，在對產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)上，以由頂向下的設(shè)計(jì)方法更為貼近實(shí)際一些。因?yàn)樵谡嬲母拍钤O(shè)計(jì)中， 零件設(shè)計(jì)示意圖 零件 零件部件裝配件 部件裝配件零件零件裝配件裝配體設(shè)計(jì)示意圖 （ a） 由底向上的設(shè)計(jì)方法 裝配體設(shè)計(jì)示意圖 裝配件零件 零件部件裝配件部件裝配件零件零件零件設(shè)計(jì)示意圖 (b)由頂向下的設(shè)計(jì)方法 圖 321 CATIA的裝配件設(shè)計(jì)方法 30 很少利用一個零件來控制整個裝配體的設(shè)計(jì)，往往都是在拿出產(chǎn)品的外在概念和功能概念后，逐步對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)上的細(xì)化，直至細(xì)化到單個零件。 使用 CATIA 進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)有兩種基本方法，示意圖如圖 321 所示。在 CATIA 的裝配模塊中，通過定義零件之間的位置約束關(guān)系，可以把子零件裝配成一個裝配件，并檢查零件之間是否有干涉以及裝配體的運(yùn)動情況是否合乎設(shè)計(jì)要求。 連接銷軸的生成 圖 319 連接銷軸實(shí)體 29 銷軸建模主要采用旋轉(zhuǎn)命令，先繪制一條旋轉(zhuǎn)軸，接著草圖繪制截面，再繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 360 度就可生成銷軸實(shí)體，然后生成軸端的限位孔，最后在需要倒角的部位倒角。 液壓缸蓋的生成 圖 317 液壓缸蓋實(shí)體 28 主要運(yùn)用凸臺和凹槽命令。中間的肋板同樣是先選擇平面進(jìn)入二維草圖繪制模式，使用“按草圖平面剪切零件”命令進(jìn)行繪制。 搖臂的生成 圖 315 搖臂 27 搖臂建模也主要采用凸臺命令，現(xiàn)在草圖模式下繪制出主要輪廓，然后建立實(shí)體特征，接著采用鏡像命令復(fù)制出另一半，在復(fù)制時要注意對稱平面的建立，這是需要建立一個新的平面，選擇新建平面命令，新建平面的種類為平移平面。底座建模過程中需要注意翻轉(zhuǎn)液壓缸連接底座的正確定位，為以后整體裝配和仿真模擬提供方便。生成底座實(shí)體時主要采用凸臺、凹槽、鏡像等命令。最后采用凸臺、凹槽、陣列等命令建立斗齒。 鏟斗的生成 首先進(jìn)入草圖，繪制二維草圖采用凸臺命令建立鏟斗的基本形狀，在基本形狀上添加加厚版以及肋板。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)實(shí)體模型之前，必須要考慮好模型的生成方法和步驟。對于復(fù)雜的零件，合理 的生成方法就顯得尤為重要。讓后在其上面打孔，打孔是我們可以選擇用“凹槽”命令也可以用“孔”的命令，可以根據(jù)自己的作圖習(xí)慣進(jìn)行選擇。再就是如果草圖繪制過于精細(xì) ,再生成模型時會耗盡計(jì)算機(jī)資源 ,使得三維模型生成速度很慢且易出現(xiàn)問題。如果要像繪制二維平面工程視圖那樣繪制草圖 ,效率會很低 ,實(shí)踐證明也沒 有這個必要。一般來說，要根據(jù)圖形的形狀選擇生成模型的方式。認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸，可以變動的尺寸與尺寸之間的關(guān)系，在裝配時與其他零件的裝配關(guān)系等。 在 CATIA 中進(jìn)行零件設(shè)計(jì)的步驟是先創(chuàng)建基本特征，然后添加結(jié)構(gòu)特征?；咎卣饕院蟮钠渌卣饕蕾囉诨咎卣?。實(shí)體模型最真實(shí)的反映三維形體的特性，不但包括了形體的幾何輪廓，而且由于實(shí)體有密度屬性，因而可以進(jìn)行質(zhì)量計(jì)算、干涉檢查等操作。因此計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)應(yīng)該是發(fā)展趨勢。由于圖紙的錯誤和理解的偏差，設(shè)計(jì)人員的意圖并不總能完全實(shí)現(xiàn)，因而設(shè)計(jì)制造的周期較長，產(chǎn)品的質(zhì)量也受到影響。 表 22 轉(zhuǎn)斗油缸、動臂油缸作用力確定時的各符號的物理意義 22 小結(jié) 對裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行了受力分析和計(jì)算，為裝載機(jī)的工作裝置虛擬樣機(jī)分析提供了可靠的理論依據(jù)，為工作裝置動態(tài)載荷加載及有限元分析提供了理論基礎(chǔ)：工作裝置油缸作用力和可能產(chǎn)生的被動作用力確定后，便可選定液壓系統(tǒng)的工作壓力，設(shè)計(jì)液壓油缸的缸徑和行程，并選擇和設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)其他元件。 考 慮 連 桿 機(jī) 構(gòu) 摩 擦 損 失 系 數(shù) ， 取 （ 由 文 獻(xiàn) [34]可知） 21 K2= 圖 26 油缸作用力計(jì)算圖 轉(zhuǎn)斗油缸與動臂油缸被動作用力的確定 轉(zhuǎn)斗油缸與動臂油缸的被動作用力 Pd′ ， Pb′ 根據(jù)裝載機(jī)工作中工作裝置受力最大的計(jì)算工況來確定。 動 臂 自 重 ； K2即 由 ∑MA = 0 PH = llg(Ngl10 +GKl11 +GAl12 ?PEl9) (224) 考慮到連桿機(jī)構(gòu)傳動中的摩擦損失，動臂油缸作用力 Pb計(jì)算如下 : Pb = 12K2PH = K22l8（ Ngl10 +GKl11 +GAl12 ?PEl9） (225) 式中 GA裝載機(jī)的最大鏟起力 轉(zhuǎn)斗油缸作用力的確定 分別取鏟斗、連桿、搖臂為分離體如圖 26(a)所示，根據(jù)其平衡方程式可以確定轉(zhuǎn)斗油缸的作用力 Pd即： 由鏟斗靜力平街方程式 : ∑MB = 0 Pc = PF = l6l5Ng + l7l5GK (221) 由搖臂靜力平衡方程式 : ∑MG = 0 pE = l4l6l3l5Ng + l4l7l3l5GK (222) 考慮到連桿機(jī)構(gòu)傳動中的摩捺損失，轉(zhuǎn)斗油缸作用力 Pd計(jì)算如下 : Pd = 12K1PE = K1l42l3l5(l6Ng +l7GK) (223) 式中 GK 裝 載 機(jī) 重 心 到 前 輪 與 地 面 接 觸 點(diǎn) 的 水 平 距 離 L 鏟起力的確定 裝載機(jī)的最大鏟起力受其穩(wěn)定條件限制，在一般情況下，由圖 23(b)所示的縱向穩(wěn)定條件計(jì)算，即 Ng = Ry = Gl1l (220) 式中 G同時動臂油缸的作用力還應(yīng)保證把滿斗的物料提升到所需的卸載高度與卸載距離。 油缸作用力的分析與確定是裝載機(jī)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容之一。 圖 25 工作裝置受力分析圖 鏟掘作業(yè)時，轉(zhuǎn)斗油缸所產(chǎn)生的作用力為主動作用力，動臂油缸所承受的作 20 用力為被動作用力。一種是油缸推動機(jī)構(gòu)運(yùn)動時的作用力稱為主動作用力 (簡稱工作力或作用力 )，其最大值決定于液壓系統(tǒng)的工作壓力和油缸直徑 (活塞作用面積 )；另一種是工作裝置工作時作用于閉鎖狀態(tài)下油 19 缸上的作用力，稱為被動作用力，其最大值取決于液壓系統(tǒng)過載閥的壓力值和承載活塞面積。 表 21 工作裝置受力分析時各符號的物理意義 目前大多數(shù)裝載機(jī)的工作裝置只有兩種油缸即動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸；而推壓(變幅 )油缸則采用較少。 根據(jù)上面的假定及分析，就能夠?qū)⒐ぷ餮b置這樣一個復(fù)雜的空間超靜定結(jié)構(gòu)簡化為平面問題進(jìn)行受力計(jì)算。 （ a） 工作裝置一側(cè)受力分析圖 （ b） 左右動臂平面內(nèi)的等效力示意圖 圖 24 工作裝置受力分析計(jì)算圖 17 (2)認(rèn)為動臂軸線與連桿 —— 搖臂軸線處于同一平面內(nèi)，所有作用力都通過桿件 (除鏟斗外 )斷