【正文】 進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)斗容量 1— ，但質(zhì)量和數(shù)量與國外相比均存在較大差距，在故障時(shí)間、經(jīng)濟(jì)性、燃油消耗率、施工成 本等方面差距明顯。 當(dāng)前，國際上液壓挖掘機(jī)的生產(chǎn)正向大型化、微型化、多能化、專用化和智能化的方向發(fā)展，應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)和新材料，加快了向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展的步伐，相對而言，雖然國內(nèi)液壓挖掘機(jī)行業(yè)近年來有很大發(fā)展，但總體水平與發(fā)達(dá)國家相比還有一定差距，可喜的是國內(nèi)眾多的研究 人員和單位對液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了不少研究，開發(fā)了設(shè)計(jì)軟件，為工作裝置設(shè)計(jì)參數(shù)分析和在 CAD 上自動設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)和參考。 隨著我國加入 WTO，在國際化合作變得日益密切之際，對國內(nèi)液壓挖掘機(jī)行業(yè)來說，充分利用國際化配套、積極引進(jìn)先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和積極采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)迫在眉睫。 2．利用 PRO/ENGINEER 軟件繪制液壓挖掘機(jī)三維實(shí)體模型，然后對動臂進(jìn)行參數(shù)化分析。 4 3．利用多體動力學(xué)仿真軟件 ADAMS 對挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動軌跡及整機(jī)的工作范圍進(jìn)行仿真。 課題研究意義 本論文對挖掘機(jī)工作裝置進(jìn)行建模、裝配，并對動臂進(jìn)行參數(shù)化分析。將虛擬樣機(jī)技術(shù)引入到挖掘機(jī)設(shè)計(jì)分析領(lǐng)域， 提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量， 從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本。 同時(shí)有利于推動和促進(jìn) CAD技術(shù)在企業(yè)的深入發(fā)展和應(yīng)用。面對持續(xù)發(fā)展、風(fēng)云變幻的市場需求，企業(yè)為了提高自身競爭力，必須盡快推出新產(chǎn)品，更新設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低研發(fā)成本，進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，這樣才能對瞬息萬變的市場需求做出敏捷反應(yīng)，從而在競爭中獲得相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~和利潤。 虛擬樣機(jī)的基本概念 虛擬樣機(jī) (Virtual prototype，簡稱 VP)技術(shù)是當(dāng)前設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，又稱為機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真 (Mechanical System Simulation)技術(shù)，是國際上80 年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程新技術(shù)。利用該技術(shù)，工程設(shè)計(jì)人員可以直接利用 CAD系統(tǒng)所提供的 各零部件的物理信息 (如質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量等 )及幾何信息，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行虛擬裝配 (定義零部件間的連接關(guān)系及其作用力、 運(yùn)動激勵 )，從 而獲得產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)模型，并對其進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而在產(chǎn)品物理樣機(jī)試 制出來之前就對其性能有一個(gè)大體了解，并可把仿真結(jié)果作為對系統(tǒng)關(guān)鍵零 部件有限元分析的依據(jù)。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心理論 工程中的研究對象大多是由大量零部件構(gòu)成的系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)優(yōu)化與性能分析 的要求可以將其分為兩大類：一類稱為結(jié)構(gòu)，它們的特征是在正常的工況下構(gòu)件間沒有相對運(yùn)動，研究中只關(guān)心這些結(jié)構(gòu)在受到載荷時(shí)的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性。如航空航天器、操作機(jī) 6 械臂、機(jī)器人等復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。 對于復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，研究其在載荷作用下各部件的動力學(xué)響應(yīng)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要問題。已知系統(tǒng)的運(yùn)動確定運(yùn)動副動反力的問題稱為動力學(xué)的逆問題，它是系統(tǒng)各 部件強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)。多體系統(tǒng)動力學(xué)是由多剛體系統(tǒng)動力學(xué)與多柔體系統(tǒng)動力學(xué)組成的。研究這些系統(tǒng)的動力學(xué)需要建立非線性運(yùn)動方程、能量表達(dá)式、運(yùn)動學(xué)表達(dá)式以及其他一些量的公式。 2．多柔體系統(tǒng)動力學(xué)的研究對象是由大量剛體和柔體組成的系統(tǒng)。根據(jù)多柔體系統(tǒng)組成的特點(diǎn)，一般以多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的以研究為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)中柔性體進(jìn)行不同的處理，在機(jī)械系統(tǒng)中常用的處理方法有離散法、模態(tài)分析法、形函數(shù)法和有限單元法等。 虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn) 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)步驟通常分為：產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)室試制、制造物理樣機(jī)和產(chǎn)品生產(chǎn)等四個(gè)階段。同傳統(tǒng)的基于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)方法相比，虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法具有以下特點(diǎn)： 1．全新的研發(fā)模式。而虛擬樣機(jī)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)角度的產(chǎn)品優(yōu)化，它基于并行工程，無需建立物理模型，在產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計(jì)方案，確定影響產(chǎn)品性能的敏感參數(shù)，并進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，通過可視化技術(shù)仿真分析產(chǎn)品在各種真實(shí)工況下的行為特征以及所具有的響應(yīng)，直至獲得最優(yōu)工作性能。虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)方法是通 過計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型 (虛擬樣機(jī) )，擺脫了對物理樣機(jī)的依賴，從而可以完成無數(shù)次物理樣機(jī)無法進(jìn)行的虛擬試驗(yàn)，有時(shí)這些試驗(yàn)是破壞性的，因此大大減少了物理樣機(jī)的數(shù)量，而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。為了適應(yīng)快速變化的全球市場，克服單個(gè)企業(yè)資源的局限性，出現(xiàn)了在一定時(shí)間內(nèi)，通過 Interamp。參盟的企業(yè)為了實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)和制造，信息的快速交流尤顯重要，而虛擬 樣機(jī)是一種數(shù)字化模型，通過網(wǎng)絡(luò)可以快速、準(zhǔn)確的傳輸，從而為動態(tài)聯(lián)盟活動的高度并行性提供了基礎(chǔ)。 20 世紀(jì) 60 年代，古典的剛體力學(xué)、分析力學(xué)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的力學(xué)分支 —— 多體系統(tǒng)動力學(xué)產(chǎn)生了，其主要任務(wù)是 ： 1．建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)程式化的數(shù)學(xué)模型，開發(fā)實(shí)現(xiàn)這個(gè)數(shù)學(xué)模型的軟件系統(tǒng)，自動進(jìn)行程序化處理。 3．實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)后處理，采用動畫、圖表或其他可視化顯示方式提 供數(shù)據(jù)處理結(jié)果。但一種優(yōu)秀的虛擬樣機(jī)分析軟件除了進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，還應(yīng)包含以下技術(shù)： 1． CAD 軟件和技術(shù)。 2．有限元分析軟件和技術(shù)。 3．利用實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行某些構(gòu)件的建模并模擬各種各樣的作用力對樣機(jī)進(jìn)行仿真分析。虛擬樣機(jī)軟件可以運(yùn)用傳統(tǒng)的和現(xiàn)代的控制理論，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動仿真分析，并運(yùn)用虛擬樣機(jī)分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析。 目前國外虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件的商品化過程已經(jīng)完成，在這個(gè)日益增長的市場上競爭的有二十多家公司，其中比較有影響力的產(chǎn)品包括美國 MSC 公 司的 ADAMS、比利時(shí) LMS 公司的 DADS 以及德國航天局的 SIMPACK。 基于一些客觀因素，虛擬樣機(jī)技術(shù)在我國還沒有被廣泛的應(yīng)用。 虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門新興的技術(shù)，它有著廣闊的發(fā)展前景及市場 。該軟件 90 年代開始在我國的機(jī)械制造、汽車交通、航空航天、鐵道、兵器、石油化工等領(lǐng)域得到應(yīng)用，為各領(lǐng)域中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、科學(xué)研究做出了貢獻(xiàn)。 ADAMS 自動輸出位 移、速度、加速度和作用力，其仿真結(jié)果可顯示為逼真的動畫或 XY 曲線圖形， ADAMS 仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷，支持 ADAMS 同大多數(shù) CAD， FEA 及控制設(shè)計(jì)軟件包之間的雙向通訊。用戶可以利用 ADAMS 的工作站或 PC 機(jī)上建造、試驗(yàn)“虛擬樣機(jī) ，在此基礎(chǔ)上與其它模塊集成就可以滿足多方面的仿真要求． 模塊簡介： ADAMS /View(用 戶界面模塊 )是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，它將簡單的圖標(biāo)、菜單、鼠標(biāo)點(diǎn)取操作與交互式圖形建模、仿真計(jì)算、動畫顯示等功能完美地集成在一起。 ADAMS／ Solver(求解器 )是 ADAMS 系列產(chǎn)品的核心模塊之一，是求解機(jī)械 系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題的程序。 ADAMS／ Solver 有各種建模和求解選項(xiàng)， 以便精確有效地解決各種問題。 ADAMS／ Postprocessor 還可以對仿真分析曲線進(jìn)行一些數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)計(jì)算；可以輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制試驗(yàn)曲線，并同仿真結(jié)果進(jìn)行比較：對分析結(jié)果曲線圖進(jìn)行各種編輯。 動畫顯示的真實(shí)感。用戶使用該模塊，能夠精確地對由液壓系統(tǒng)驅(qū)動的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng) (如工程機(jī)械、汽車制動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、飛機(jī)起落架等 )進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。 ADAMS／ Flex(柔性模塊 )是 ADAMS 與 Flex 軟件之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通訊的接口。 Flex 是合成柔性體的有效途。通過柔性體節(jié)點(diǎn)增加適當(dāng)?shù)募s束和力，就可以使柔性體與其它剛體共同形成一個(gè)有機(jī)的 ADAMS 模型。 ADAMS／ Linear(系統(tǒng)模態(tài)分析模塊 )可將 ADAMS形成的機(jī)械系統(tǒng)非線性運(yùn)動方程線性化，計(jì)算特征值、特征向量和狀態(tài)空間矩陣。用戶可以在各種不同的道路條件下運(yùn)行 ADAMS／ Car 模型，執(zhí)行駕駛操作，使車輛在試驗(yàn)道路上正常行駛，用戶可以準(zhǔn)確模擬汽車的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性、安全性及其它各項(xiàng)性能參數(shù)。 10 ADAMS 建模、仿真的步驟 用 ADAMS 進(jìn)行建模、仿真和分析，一般要遵循以下步驟。 (2) 給模型施加約束和運(yùn)動。 11 2．對樣機(jī)進(jìn)行仿真分析 對模型進(jìn)行初步仿真，通過仿真結(jié)果檢驗(yàn)?zāi)Ｐ椭懈鱾€(gè)零件、約束及力是否正確，設(shè)置測量和仿真輸出。 4．完善模型 可以在模型中加入更復(fù)雜的單元，如在運(yùn)動副上加入摩擦，用線性方程或一般方程定義控制系統(tǒng)，加入柔性連接件等等。 5．優(yōu)化模型 對模型進(jìn)行參數(shù)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)。 12 第三章 基于 PRO/E 的液壓挖掘機(jī)參數(shù)化建模 本文主要的研究內(nèi)容是液壓挖掘機(jī)工作裝置的參數(shù)化建模。因此本章首先對涉及到的理論知識，如液壓挖掘機(jī)概述、參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)、特征建模技術(shù)方面進(jìn)行闡述，最后對所用的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件 PRO/ENGIEER 進(jìn)行簡明的介紹。如圖 31 為正在工作的液壓挖掘機(jī)。 13 圖 32液壓挖掘機(jī)基本組成簡圖 1一動臂； 2一斗桿； 3一鏟斗； 4一連桿機(jī)構(gòu)； 5一動臂液壓缸； 6一斗桿液壓缸； 7一鏟斗液壓缸 I一挖掘裝置； 11一回轉(zhuǎn)裝置； 111一行走裝置 工作裝置各運(yùn)動部件之間采用銷軸鉸接，以動臂油缸來支撐和改變動臂的傾角，通過動臂油缸的伸縮可使動臂繞下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)動臂的升降。當(dāng)斗桿油缸伸縮時(shí)，斗桿可繞 動臂上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。為增大鏟斗的轉(zhuǎn)角，通常采用搖臂連桿機(jī)構(gòu)來和鏟斗聯(lián)結(jié)。 液壓挖掘機(jī)的工作循環(huán)過程 液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過程的仿真是進(jìn)行液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)研究必不可少的一個(gè)過程。 其工作過程如下： 14 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(shí)，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)。鏟斗挖掘的行程較短，為使鏟斗在轉(zhuǎn)斗挖掘結(jié)束的時(shí)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(jī)的最大挖掘力一般是由鏟斗液壓缸實(shí)現(xiàn)的。這兩種方法都屬于基于約束的實(shí)體造型技術(shù)。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(jì)過程。 這種記錄過程與次序有關(guān) (是順序化的 )。 參數(shù)化建模的優(yōu)勢在于其速度快。 基于特征設(shè)計(jì)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(jì)為特點(diǎn)的新一代實(shí)體造型軟件產(chǎn)品。特 征概念使工程師可以使用熟悉的術(shù)語與 CAD 系統(tǒng)進(jìn)行交流。例如，通孔可以用一個(gè)足夠長的圓柱進(jìn)行布爾差運(yùn)算得到。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(diǎn)。 15 參數(shù)化軟件 PRO/ENGIEER 介紹 PRO/ENGIEER 是世界領(lǐng)先的機(jī)械設(shè)計(jì)自動化解決方案，專門 用于機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 下面簡單介紹一下 PRO/ENGIEER 參數(shù)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)： 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(gè)數(shù)據(jù)庫上。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的任何一處發(fā)生改動 ，亦可以反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。這種行為建模技術(shù)被業(yè)界作為第五代 CAD 技術(shù)。 工程分析能力： Pro/MECHANI 是 PRO/ENGIEER 的一個(gè)比較獨(dú)立的模塊，是專門的工程分析模塊。 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(jì)效率。 特征靈活性：因?yàn)樵诋?dāng)今的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，為了滿足客戶的要求，適應(yīng)市場的變化，更改設(shè)計(jì)是司空見慣的事。在 PRO/ENGIEER 中，增加了一種稱為意向參考 (Intent Manager)的新功能。 PRO/ENGIEER 具有的這些特點(diǎn)，使其非常適合于機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用其參數(shù)化功能方便地進(jìn)行系列化產(chǎn)品的開發(fā)。 斗桿機(jī)構(gòu)大致可以分為三種外形結(jié)構(gòu)： 1． 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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)。 3． 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(gè)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(jī)廠商主要有利勃海爾， JCB 等。一個(gè)成功 的參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺，為結(jié)構(gòu)工程師節(jié)約了大量的時(shí)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。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(gè)動臂的繪制。 (1) 動臂建模過程如圖 33 17 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 18 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 19 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 20