XG804反铲液压挖掘机三维建模
太原科技大学本科毕业设计XG804履带式液压挖掘机三维建模XG804 tracked excavator 3D modeling学院（系）：机械工程专业：机械设计制造及其自动化（工机）学生姓名：武慧杰学号：201012030418指导教师：李捷评阅教师：完成日期：太原科技大学Taiyuan University of Science and Technology太原科技大学毕业设计（论文）任务书学院（直属系）：机械工程学院时间： 14年 6月 10日摘要挖掘机械是工程机械的一种类型，是土石方开挖的主要机械设备，单斗液压挖掘机是一种采用液压传动并以铲斗进行挖掘作业的机械，液压挖掘机的工作装置常用的有反铲，正铲，装载，抓斗和起重装置。
本次设计主要是设计XG804履带式液压挖掘机整机的三维建模。
主要对工作装置机构的几何参数进行设计，通过对实物机型进行测绘，然后基于Pro-e、AutoCAD等工程绘图软件对挖掘机各零部件进行绘图、三维建模、整机装配等，对挖掘机进行运动分析，挖掘机各种工作状态以三维图的方式进行教学演示等。
在设计中应注意工作装置设计原则，在各部件满足实物要求的条件下实现各零部件无干涉有效装配，完成各工况下运动拟合演示等功能。
关键字：挖掘机,三维建模,Pro-e,运动分析,教学演示XG804 tracked excavator 3D modelingAbstractShovel machinery is a major type of construction Machinery, which is major earth excavation equipment. Single Bucket Hydraulic shovel is a mechanical which reliance on hydraulic transmission with the bucket to carry out excavation work. Hydraulic shovel working device are commonly backhoe, hoe, loading, grab and lifting gear.This design is mainly 3D modeling design of XG804 hydraulic crawler excavator. Geometric parameters on the working mechanism of the main design, through the mapping of physical models, and then the Pro-e, AutoCAD and other engineering drawing software based on excavator parts for drawing, three-dimensional modeling, assembly, motion analysis was carried out on the excavator, excavator to various working states of three-dimensional map of the ways of teaching demo.In the design should pay attention to the working device design principle, meet the real requirements under the conditions of the parts without interference in effective assembly components, completed under the condition of motion fitting demonstration function.Keyword:Excavator；3D modeling；Pro-e;Motion analysis；Teaching demonstration目录任务书 (I)摘要.............................................. 错误！未定义书签。
Abstract (III)绪论 (3)1.1 前言 (3)1.2 课题设计要求 (3)1.3 液压挖掘机国外研究状况及发展前景 (4)1.4 液压挖掘机国内研究状况及发展前景 (5)2 Pro-e运用软件 (8)2.1 引言 (8)2.2 Pro-e软件介绍 (8)2.3 设计及过程 (9)3 动臂建模 (11)3.1 动臂数据测绘 (11)3.2 动臂建模过程 (11)3.3 动臂建模总结 (12)4 斗杆建模 (13)4.1 斗杆数据测绘 (13)4.2 斗杆的建模过程 (13)4.3 斗杆建模总结 (14)5 铲斗建模 (15)5.1 铲斗数据测绘 (15)5.2 铲斗的建模过程 (15)6 油缸建模 (17)6.1 油缸数据测绘 (17)6.2 油缸的建模过程 (17)7 其他部件建模 (19)7.1 推土铲建模 (19)7.2 箱体建模 (19)7.3 底盘建模 (20)7.4 履带建模 (21)7.5 其他零部件建模 (22)8 整机装配 (24)8.1 油缸的装配过程 (24)8.2 工作装置的装配过程 (24)8.3 整机部件装配过程 (25)8.4 整机运动分析建立 (26)9 工作装置包络图的绘制 (27)9.1 挖掘包络图 (27)9.2 挖掘图的意义 (27)9.3 包络图的绘制 (27)全文总结 (30)参考文献 (31)致谢 (32)附录 (33)引言挖掘机的发展史可追溯到 19 世纪三四十年代。
美国实施西部大开发工程催生了以蒸汽机作为动力，模仿人体大臂、小臂和手腕构造，能行走和扭腰的挖掘机。
随后的一百多年中，挖掘机并没有得到很大发展，其原因一是当时的工程主要是国土开发、大规模的筑路和整修场地等，平面作业较多，使铲土运输机械成为当时的主力机种，二是挖掘机作业装置动作多、运动范围大、采用多自由度机构，机械传动难以适应这些要求，而当时的液压技术还不成熟，不能大规模地应用到实际工业中。
随着社会的不断进步，工程建设和施工形式逐渐向土木施工方向发展，同时液压技术也逐步得以完善，这些因素的变化反过来又促进挖掘机的不断更新换代。
20 世纪 40 年代有了在拖拉机上配装液压铲的悬挂式挖掘机，50年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机，60 年代，当液压传动技术成为成熟的传动技术时，液压挖掘机进入了推广和蓬勃发展吉阶段，各国挖掘机制造厂和品种增加很快（见表 1—1），产量猛增。
1968～1970年间液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的 83%，目前已接近 100%，所谓挖掘机在现代主要是指液压挖掘机，机械式挖掘机已很少见，液压传动技术为挖掘机的发展提供了强有力的技术支撑。
随着我国液压挖掘机行业国外先进技术的引进和国产液压挖掘机产品的增加和性能水平的提高,开始全面淘汰已生产多年的落后、笨重的中、小型机械式挖掘机。
纵观我国液压挖掘机近40年的发展历史,大致可以分成以下几个阶段:(1)开发阶段(1967－1977年):以测绘仿制为主的开发。
通过多年坚持不懈的努力,克服一个一个的困难,有少量几种规格的液压挖掘机终于获得初步成功,为我国挖掘机行业的形成和发展迈出了重要的一步。
(2)液压挖掘机发展、提高并全面替代机械挖掘机阶段(1978－1986年)。
这个阶段通过各主机厂引进技术(主要是德国挖掘机制造技术)的消化、吸收和移植,使我国液压挖掘机产品的性能指标全面提高到国际70年代末80年代初的水平。
全国液压挖掘机的平均年产量达到1230台。
(3)液压挖掘机生产企业数量增加,新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合、合作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术(1987－1993年)。
由于国内对挖掘机的需求量的不断提高,新加入挖掘机行业的企业通过开发和引进挖掘机制造技术,其产品批量或小批量的投放国内市场或出口,打破了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断国内挖掘机市场的局面,形成了有益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。
这个期间国内液压挖掘机的年均产量提高到2000余台。
(4)国内液压挖掘机供需矛盾日益扩大,国外各著名挖掘机制造厂商看好中国市场纷纷前来创办合资、独资挖掘机生产企业(1994年－－至今)。
从1994年开始,特别到1995年在我国挖掘机行业掀起了一股不小的合资浪潮。
其中美国卡特彼勒公司和日本神户制钢所率先在徐州金山桥开发区和与成都工程集团公司合作在成都相继建立了生产液压挖掘机的中外合资企业,随后日本小松制作所、日立建机株式会社、韩国大宇重工、韩国现代重工业以及德国利勃海尔、德国雪孚、德国Atlas、瑞典Volvo公司等都先后在中国建立了中外合资、外商独资挖掘机生产企业,生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机产品。
近几年这些企业运营情况良好，发展速度很快。
我国是一个发展中国家,在其辽阔的土地上正在进行大规模的经济建设,这就需要大量的土石方施工机械为其服务,而液压挖掘机是最重要的一类土石方施工机械,因此在中国存在着一个巨大的液压挖掘机现实市场和更为巨大的液压挖掘机潜在市场。
随着国家经济建设的不断发展,对液压挖掘机的需求量将逐年大幅度增加。
在这里,我们还清楚地看到,中国广大挖掘机用户对液压挖掘机的要求越来越高。
以高性能价格比作为选择机型的一个重要参数,来获取最大的经济效益和社会效益。
总之,中国挖掘机市场将持续呈波浪型发展,从科学的发展观来看,要摒弃一切脱离实际的超前。
1绪论1.1 前言液压挖掘机是一种多功能机械，目前被广泛应用于水利工程，交通运输，电力工程和矿山采掘等机械施工中，它在减轻繁重的体力劳动，保证工程质量。
加快建设速度以及提高劳动生产率方面起着十分重要的作用。
由于液压挖掘机具有多品种，多功能，高质量及高效率等特点，因此受到了广大施工作业单位的青睐液压挖掘机的生产制造业也日益蓬勃发展。
所以，液压挖掘机作为工程机械的一个重要品种，对于减轻工人繁重的体力劳动，提高施工机械化水平，加快施工进度，促进各项建设事业的发展，都起着很大的作用，因此，大力发展液压挖掘机，对于提高劳动生产率和加速国民经济的发展具有重要意义。
1.2 课题设计要求1.2.1 使用要求中小型挖掘机主要用于城市、狭窄地区，代替人力劳动。
主要作业是挖掘、装载、整地、起重等，用于城市管道工程、道路、住宅建设、基础工程和园林作业等。
液压挖掘机反铲工作装置整机理论复合挖掘力的计算模型及其应用研究
重庆大学硕士学位论文液压挖掘机反铲工作装置整机理论复合挖掘力的计算模型及其应用研究姓名：***申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：***20070423重庆大学硕士学位论文４工作装置的有限元模型应用软件Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ分别建立动臂、斗杆的三维实体模型。
由于焊接件对各个零件的尺寸的精度较低且留有焊缝，然而在有限元模型中不允许出现细小的缝隙，因此在建立有限元模型时须对各个零件的尺寸进行修复以消除这些间隙。
用Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ建立结构模型时，可把各个焊接件作为为一个零件来建模，这样就能消除装配时因零件相互间的尺寸不符所造成的不吻合现象。
在建模时为了使后面的有限元分析结果可靠，应尽量按实际模型的形状和尺寸建模，同时为了便于网格划分和减少局部的网格数量，应适当对模型加以简化。
如很细小非受力的、不重要的几何形体（对分析结果影响很小的小吊环、螺母、固定油管的管夹及其它辅助元件等）、细微的倒角、凸台、斜面、小边等可以省略。
简化后，斗杆和动臂的三维实体模型分别如图４．５和４．６所示。
图４．５斗杆的三维实体模型Ｆｉｇ４．５Ａｒｍ＇ｓ３Ｄｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌ图４．６动臂三维实体模型Ｆｉｇ４．６Ｂｏｏｍ’ｓ３Ｄｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌ４．４工作装置的有限元模型的建立４．４．１将Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｏｒ模型导入到ＡＮＳＹＳ的方法重庆大学硕士学位论文４工作装置的有限元模型图４．７连接Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ与ＡＮＳＹＳ的步骤Ｆｉ９４．７ＳｔｅｐｓｔｏｃｏｍｌｃｃｔＰｒｏ／ＥｎｇｉｎｅｅｒｗｉｔｈＡＮＳＹＳ在Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ中将三维模型导入ＡＮＳＹＳ的方法有很多，最常用的是以ＩＧＥＳ导入，ＩＧＥＳ是ＣＡＤ的通用格式，各种ＣＡＤ软件都有其接口，然而这种方式将较复杂的零件（包括曲面、凸台、腔体等）导入到ＡＮＳＹＳ中会出现失真现象，这就需要进行大量的修复才能进行网格划分，这些工作需要耗费大量的时间和精力。
挖掘机工作装置运动和疲劳强度分析
设计计算DESIGN & CALCULATION挖掘机工作装置运动和疲劳强度分析武慧杰1，杨建伟1，张志强2（1. 北京建筑大学 机电与车辆学院，北京 100044；2. 中交路桥北方工程有限公司，北京 100024）［摘要］针对挖掘机工作装置的疲劳损伤，利用Pro/E 及ANSYS 进行三维建模及有限元分析。
通过Pro/E 平台中的机构模块分析工作装置的极限位姿以及运动参数，然后利用工作装置位姿转换，基于力矩平衡关系，对斗杆挖掘和铲斗挖掘工况下的铰点进行受力分析，获取工作装置各铰点的最大载荷。
在此基础上，利用ANSYS 疲劳强度分析得出挖掘机最小疲劳全寿命。
研究结果可为挖掘机工作装置结构设计提供理论参考。
［关键词］挖掘机；运动分析；疲劳强度；全寿命［中图分类号］TU621 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2015）06-0089-05Kinematics and fatigue strength analysis of excavator working deviceWU Hui -jie ，YANG Jian -wei ，ZHANG Zhi -qiang本文在Pro/E 软件中对挖掘机整机进行实体三维建模，并运用Pro/E 的机构运动分析模块对挖掘机工作装置的包络图及铲斗齿尖的位移、速度和加速度进行仿真模拟。
然后基于ANSYS 软件，结合工作装置位姿关系计算工作装置各铰点承受的最大载荷，在此基础上对挖掘机动臂、斗杆进行应力和全寿命分析，得到挖掘机工作强度和使用寿命的校核结果，为挖掘机工作装置强度和可靠性分析提供了高效的解决办法。
１ 挖掘机三维建模与虚拟仿真1.1 工作装置原理与结构液压挖掘机的作业过程包括铲土挖掘、满载回转、举升卸载、空斗返回等，其中反铲作业设备是液压挖掘机的主要工作装置［1］，由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、连杆等组成，其结构如图1所示。
小型挖掘机工作装置三维建模及有限元分析
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ ：Ｗ ｉ ｅ ａ ｄ ｔ ｈ ｒ ｉ ｇ ｄ ｖ ｃ ｆａ ｓ ｅ ｉ ｃ ｏ ｓ ｉ ｍａ ｌ ｉｅ ｈ ｄ ａ ｌ ｘ ａ ａ ｏ ， Ｄ ｔ ｒ ｇ ｒ ｏ ｔ ｅ ｗｏ ｋ ｎ ｅ ｉｅ ｏ ｐ ｃｆ ｄ ｍｅ ｔｃ ｓ ｌ ｓ ｚ ｙ ｒ ｕ ｉ ｅ ｃ ｖ ｔ ｒ ａ ３ ｈ ｉ — ｃ
中图 分 类 号 ：Ｔ １ Ｈ ７ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ： ６ ２—５ ８ （０ １ ０ —０ ６ —０ １７ ５ １２ １ ） １ ０ ３ ５
Ｔｈｒ ｅ ｄｉ ｅ ｉ ｎａ ｏ ｌｎｇ ａｎｄ ｆ ｎｉｅ ｅ ｅ ｅ ｎａｌ ｉ ｎ ｅ － ｍ ｎｓ ｏ ｌｍ ｄｅ ｉ ｉ ｔ ｌ ｍ ｎｔ ａ ｙｓ ｓ ｏ ｗ ｏ ｋｉ ｖ ｃ ｓ ｆ ｒ ｓ ａ ｌｓ ｚ ｒ ｎｇ ｄｅ ｉ ｅ ｏ ｍ ｌ－ ｉ ｅ ｈｙｄ ａ ｉ ｘｃ ｖａ ｏ ｓ ｒ ｕｌｃ ｅ ａ ｔ ｒ
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的建 模在 设计 图纸 的基 础 上 ， 主要 由动臂 、 杆 、 斗 、 斗 铲 油缸 等组 成 ．
Ｗ ＮＧ Ｊａ － ｎ，Ｆ Ｎ Ｇ ａ ｇｊｎ， Ｈ Ａ ｉ ｎｊ ｕ Ｅ Ｇ ｕ ｎ － ｉ Ｚ ＡＮＢ ．ｏ ｇ，Ｙ Ｊｎ －ｕ ｉ ｎ ｈ Ｉ ｉ ｇｙ
（ ｌ ｇ ｆＭ ｅ ｈ ｎｉａ ｇｎ ｅ ｉｇ ａ ｔｍａ ｉｎ，Ｈｕ ｑａ ｖｅ ｓｔ ，Ｘｉｍｅ ６１ ２１，Ｃｈｎ ） Ｃｏｌ ｅｏ ｃ ａ ｃ ｌ ｅ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｎｄＡｕ ｏ ｔｏ ａ ｉｏ Ｕｎｉ ｒ ｉｙ ａ ｎ３ ０ ｉａ
毕业设计--挖掘机三维建模及运动仿真[管理资料]
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1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求
主要内容：运用Pro/E基于特征的参数化建模功能建立玉柴小型液压挖掘机各组成零部件的三维数字化虚拟模型，使用模型组装的方法创建机构连接，进行虚拟装配，通过驱动器给机构添加运动动力，完成挖掘机的运动仿真分析和动力学仿真分析。
基本要求：通过对挖掘机的结构分析掌握挖掘机的工作原理及运动规律。利用Pro/E软件创建挖掘机的三维数字化虚拟模型，对装配体进行运动仿真分析和动力学仿真分析，模拟机构在特定环境中的工作状况，分析其运动规律，并对其做动态的判断，以便尽早发现设计中的缺陷和潜在的不合理之处，及时修改设计方案。
关键词：挖掘机；建模；装配；运动分析
ABSTRACT
Pro / E in excavator design of three-dimensional modeling and motion simulation of the main steps: parametric solid modeling, assembly structure, institutional analysis and generate engineering drawings. Design, applied to the main Pro / E three modules: The first argument of the three-dimensional solid modeling module, the second component assembly module and the third is institutional analysis module.
毕业设计（论文）
挖掘机三维建模及运动仿真
学 生：
厦工xg804液压反铲挖掘机工作
课程名称：机械设计设计题目：厦工XG804履带式小型液压挖掘机工作装置设计院系：机械工程系专业：工程机械班级：10级1班学号：20106958姓名：李俊超西南交通大学峨眉校区2013年6月目录一、设计题目简介................................................. 错误！未定义书签。
二、设计任务...................................................... 错误！未定义书签。
三：设计内容. (2)1、反铲挖掘机工作装置构成 (2)2、运动简图 (4)3、自由度 (4)4、反铲挖掘机设计过程 (4)4.1、特殊工作位置的计算 (4)4.2、基本尺寸的确定 (7)4.2.2、动臂机构参数的确定 (8)4.2.3斗杆机构基本参数的确定 (11)5.有限元分析5.1动臂有限元分析…………………………………………………5.1.1铲斗有限元分析：.................................... 错误！未定义书签。
五、总结 (20)参考文献： (23)三：设计内容1、反铲挖掘机工作装置构成1-斗杆油缸；2- 动臂； 3-油管； 4-动臂油缸； 5-铲斗； 6-斗齿； 7-侧板；8-连杆； 9-曲柄： 10-铲斗油缸； 11-斗杆.图1-1 工作装置组成图图1-1为液压挖掘机工作装置基本组成及传动示意图，如图所示反铲工作装置由铲斗5、连杆9、斗杆11、动臂2、相应的三组液压缸1、4、10等组成。
动臂下铰点铰接在转台上，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。
依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而铲斗铰接于斗杆前端，通过铲斗缸和连杆则使铲斗绕斗杆前铰点转动。
挖掘作业时，接通回转马达、转动转台，使工作装置转到挖掘位置，同时操纵动臂缸小腔进油使液压缸回缩，动臂下降至铲斗触地后再操纵斗杆缸或铲斗缸，液压缸大腔进油而伸长，使铲斗进行挖掘和装载工作。
基于Creo精确绘制液压挖掘机反铲工作装置运动包络图
基于Creo精确绘制液压挖掘机反铲工作装置运动包络图摘要：目前液压挖掘机反铲工作装置运动包络图主要采用传统的手动绘图法，工作量较大且精度不高；利用Creo中的Mechanism模块进行机构运动学仿真，则需要进行复杂的建模、仿真设置，工作量较大及仿真时间较长；以上两种方法均不是最佳方法。
本文采用Creo的多目标设计研究模块，快速进行包络图的精确绘制。
关键词：液压挖掘机；Creo；包络图；多目标设计研究前言液压挖掘机在矿山和土石方工程，包括露天煤矿的开采、市政工程建设、路面修复、及河沟清淤等方面广泛使用，其工作装置的优良设计关乎到其作业的可靠性。
了解工作装置的运动轨迹、范围对合理设计其结构起到关键作用。
目前单斗液压挖掘机工作装置是由动臂、斗杆、连杆、摇臂、铲斗、油缸组成的具有3个自由度的机构，采用绘图法及Creo的Mechanism仿真进行包络图的绘制工作量较大。
Creo为美国PTC公司推出的新一代三维设计软件（本文中使用Creo 2.0版本），用来代替旧版的Pro/E，采用多目标设计研究模块，可快速进行包络图的精确绘制。
1模型草图绘制首先新建零件模型，在此，不需要进行精确地模型建立，只需要简单的绘制动臂、斗杆、铲斗、连杆、摇臂、油缸的草图即可。
以某公司47吨液压挖掘机为例，其工作装置基本草图如下所示（图1）：图2草图详解点击『测量』命令，测量D点横坐标X值，然后点击『保存』命令，将名称改为X。
因长度皆为正值，致使D点在X轴下方的纵坐标尺寸为正值，故绘制模型草图时，可设坐标原点位于履带板（地面）下方一定距离L，计算出结果后，D点纵坐标再减去这段距离即可，本文中此距离设置为10000mm。
点击『分析』命令，名称改为Y，类型选择为『关系』，点击『下一页』输入关系式：Y=YD-10000，点击『确定』，完成目标值确定（图3）。
图3 建立设计目标值2多目标设计研究分析下面详细说明下使用多目标设计研究的具体方法。
液压挖掘机反铲装置虚拟样机仿真研究
Ｚ Ｈ ＯＵ Ｈｏ ｎ ｇ ｑ ｕ ａ ｎ ，ＬＩ Ｕ Ｊ ｉ ａ ｎ ｘ ｉ ｏ ｎ ｇ，ＺＨＡＯ Ｙａ ｎ ｂ ｏ
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单斗反铲挖掘机运动分析、作业参数计算、运动仿真、运动包络图绘制。
反铲挖掘机工作装置设计说明书目录1. 设计任务 (1)2. 工作装置主要部件的参数设计 (1)2.1 反铲工作装置结构方案的确定 (1)2.1.1 确定动臂结构形式和动臂油缸的布置方案 (2)2.1.2 确定斗杆和斗杆油缸的布置 (2)2.1.3 确定铲斗连杆机构的结构形式 (2)2.2 铲斗结构参数的确定 (2)2.3 动臂机构设计 (3)2.3.1 动臂机构设计的主要内容 (3)2.3.2 具体的设计步骤 (3)2.4 斗杆机构的设计 (7)2.4.1 反铲斗杆机构设计的主要内容 (7)2.4.2 斗杆具体设计步骤 (7)2.5 反铲铲斗连杆机构的设计 (8)3. 反铲工作装置的运动分析及坐标计算 (9)3.1 符号约定与坐标系的建立 (9)3.2 反铲工作装置工况的选定 (10)3.3 回转平台的运动分析及坐标计算 (10)3.4 动臂的运动分析及坐标计算 (11)3.5 斗杆的运动分析及坐标计算 (12)3.6 连杆及铲斗的运动分析及坐标计算 (14)4. 反铲工作装置作业参数计算 (16)4.1 最大挖掘深度1h 计算 (16)4.2最大挖掘高度2h 计算 (17)r计算 (17)4.3最大挖掘半径1r (17)4.4 停机面上的最大挖掘半径h (18)4.5 最大卸载高度34.6 最大垂直挖掘深度4h (18)4.7 水平底面为2.5m时的最大挖掘深度5h (19)4.8 计算结果对比 (19)5. 某工况下铰点K、Q的受力分析 (20)5.1 工况选定 (20)5.2 铰点K、Q的受力分析 (20)6. 工作装置主要部件的三维建模 (22)6.1 零部件的三维建模 (22)6.2 整体三维模型 (25)7. 包络图的绘制 (25)7.1 ADAMS软件简介 (25)7.2 Solidworks模型导入ADAMS步骤 (26)7.3反铲工作装置的ADAMS挖掘包络图绘制步骤 (26)反铲挖掘机工作装置设计说明书1. 设计任务1)设计一款反铲挖掘机的工作装置，完成其工作装置的参数设计；2)选定某个工况，进行工作装置的运动分析并且完成该工况下的铰接点坐标计算；3)反铲工作装置的主要作业参数计算；4)选定某个工况，完成该工况下某几个铰接点的受力分析；5)运用三维建模软件，完成工作装置的三维建模工作；6)运动动力学仿真软件ADAMS，画出工作装置的挖掘包络图。
液压挖掘机工作装置建模分析与仿真
液压挖掘机工作装置建模分析与仿真钟星;邵辉;胡伟石【摘要】针对液压挖掘机运动学和动力学建模复杂过程,以某型6t挖掘机工作装置为研究对象,利用Sim-Mechanics对机械结构进行快速建模,从而代替运动学模型获得挖掘机机构模型.采用Pro/E软件对液压挖掘机工作装置建立三维模型,将其导入ADAMS环境中,并对比验证作业结果.在ADAMS软件中,对挖掘机工作装置进行动力学仿真,得到液压挖掘机的工作特性曲线.仿真结果表明:理论上添加的载荷能够体现在各个驱动关节处受力变化中,相比其他阶段,在挖掘阶段关节受力矩变化影响较为复杂.%Motivated by complicated kinematics and dynamics modeling processes for hydraulic excavator,the presented paper aims to analyze mechanism modeling in 6 t hydraulic excavator.By usingMATLAB/SimMechanics,the mechanical structure of the excavator was modeled rapidly instead of kinematics model.Its 3D model was constructed by using Pro/E and it was imported to ADAMS for remodeling.The reachable working area was compared with the result given by SimMechanics model.Furthermore,dynamics simulation of excavator working device were carried out with ADAMS software,and the working characteristic curves of the hydraulic excavator were obtained.The results of the simulation show that in theory added load on excavator bucket can be reflected in the torque change at each pared with other stages,the torque change is more complicated in the excavation stage.【期刊名称】《华侨大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】6页(P602-607)【关键词】液压挖掘机;机构模型;动力学分析;ADAMS软件【作者】钟星;邵辉;胡伟石【作者单位】华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;华侨大学信息科学与工程学院,福建厦门361021;华侨大学实验室与设备管理处,福建厦门361021【正文语种】中文【中图分类】TU621Abstract： Motivated by complicated kinematics and dynamics modeling processes for hydraulic excavator, the presented paper aims to analyze mechanism modeling in 6 t hydraulic excavator. By usingMATLAB/SimMechanics, the mechanical structure of the excavator was modeled rapidly instead of kinematics model. Its 3D model was constructed by using Pro/E and it was imported to ADAMS for remodeling. The reachable working area was compared with the result given by SimMechanics model. Furthermore, dynamics simulation of excavator working device were carried out with ADAMS software, and the working characteristic curves of the hydraulic excavator were obtained. The results of the simulation show that in theory added load on excavator bucket can be reflected in the torque change at each joint. Compared with otherstages, the torque change is more complicated in the excavation stage. Keywords： hydraulic excavator; mechanical structure model; dynamics analysis; ADAMS software挖掘机是执行各项工业工程任务的重要设备，在工业、交通、运输、建筑、水利、矿山开采等各个领域中已被广泛使用[1].在某些复杂、危险及特殊的工作场合，冲击和振动多,不适合人工操控，自主挖掘成为不可或缺的得力助手，这也促使挖掘机向智能化、自动化方向发展.对液压挖掘机的工作装置进行建模分析是实现自动挖掘的重要研究基础.卡内基梅隆大学设计出能够按照一定的策略自主挖掘装载的机器人[2-3].Hall等[4]将迭代算法运用于对挖掘机的铲斗运动轨迹的控制，并将该算法应用于其他多杆机构.Tomi等[5]讨论了用全球定位系统(GPS)及CAD模型精确定位挖掘机的移动位置的方法，并采用ADAMS与MATLAB/Simulink进行了联合仿真验证.目前，大多采用类比法、查阅表格法、相关理论计算等对挖掘机工作装置进行作业可达范围研究[6].这些方法计算量大、精度低且耗时.以往的动力学分析主要集中在强度、刚度、结构优化等方面[7-8]，对动态过程的动力学分析较少[9].为此，文中对液压挖掘机工作装置进行建模分析与仿真[10].以某型6 t液压挖掘机为研究对象，在MATLAB工具箱中的SimMechanics基础上，建立挖掘机机械结构模型，只需根据动臂、斗杆和铲斗的绝对转角变化信息，即可获得挖掘机作业轨迹和可达范围.该方法简化了计算和分析过程，简单快捷.同时，采用Pro/E软件建立挖掘机工作装置的三维模型，并将其导入ADAMS软件中，添加相应的运动副、约束和驱动函数，进行仿真、对比、分析，验证其可行性.1.1 基于MATLAB/SimMechanics建立机构模型液压挖掘机结构示意图[11-13]，如图1所示.图1中：A～D分别为动臂下铰点、动臂与斗杆的铰点、斗杆与铲斗的铰点、斗齿尖.利用MATLAB/SimMechanics建立挖掘机仿真模型的步骤，如图2所示.基于MATLAB/SimMechanics的工作装置模型，如图3所示.图3中：工作装置模型是由1个机械环境模块、1个地模块、3个刚体模块、3个关节转动副模块和3个铰接点运动激励模块等组成.文中刚体质量、转动惯量和质心均不予以考虑，并根据6 t挖掘机的实际参数对应于各个模块进行赋值.1.2 基于Pro/E与ADAMS建立机构模型运用Pro/E对液压挖掘机工作装置建立三维模型，如图4所示.利用PARASOLID格式将挖掘机几何模型导入ADAMS中，并添加相应的运动副和约束，为挖掘机工作装置分配时间，添加驱动函数.1.3 仿真与分析基于SimMechanics建立的机构模型,在其可达范围仿真过程中，时间设为无限长，初始状态为各关节最大伸展状态.挖掘机模型在t=7.2 s时的状态图，如图5所示.t=9 605 s时，铲尖运动轨迹的输出情况，如图6所示.图6中：LX,LY分别表示X,Y方向上的位移.由图6可知：最大挖掘深度h1=4.531 1 m，最大抬升高度h2=5.497 1 m，最大水平挖掘范围h3=5.562 8 m.完成包络线的运动过程中,各曲线段运动过程中动臂、斗杆和铲斗的动作情况,如表1所示.基于ADAMS建立的机构模型,在其可达范围仿真过程中，采用ADAMS函数库中的STEP函数控制液压油缸的伸缩行程，设置各个液压油缸STEP函数，如表2所示.在铲尖处创建Marker测量点，方便对铲尖位置的测量.选取初始状态为各液压缸全缩状态，仿真时间设置为16 s，步长为500，仿真计算并显示结果.通过运动仿真绘制的挖掘机工作装置作业范围,如图7所示.为了验证仿真模型的可靠性，将图6,7所示的结果进行比较.由图6,7可知：运用SimMechanics获得挖掘机工作过程中，最大挖掘高度、挖掘半径、卸载高度与ADAMS软件仿真模拟实际作业结果基本吻合，从而验证了方法的正确性.2.1 挖掘载荷的计算液压挖掘机在进行挖掘任务时，可采用斗杆挖掘、铲斗挖掘和混合挖掘等多种作业方式，工作装置所承受的挖掘阻力因采取的挖掘方式不同而不同[14-15].一般情况下，挖掘过程是以各液压油缸同时伸缩的混合挖掘方式进行的[16-17].挖掘阻力可按照挖掘轨迹的切线方向和法线方向分解为WQ和Wf[18]，有式(1)中：K0为挖掘比阻力系数；b为铲斗平均宽度或挖掘宽度；h为挖掘深度；μ挖掘阻力系数.对液压挖掘机完成一个挖掘工作周期进行研究.其中，工作周期包括到达挖掘起始点位置、挖掘、提升和卸料4个环节.故采用混合挖掘机阻力进行计算，挖掘土壤类型选取Ⅲ级，挖掘比阻力系数K0取19.5 N·cm-2，斗宽b取90 cm，挖掘深度h取27.9 cm，挖掘阻力系数μ取0.42.计算得WQ=48.96 kN，Wf=20.57 kN.挖掘土壤产生的重力为式(2)中:ρ为土壤的密度，取1.8×10-6 kg·m-3；g为重力加速度，取9.8 m·s-2；V为铲斗容量，取0.25 m3.经过计算，可得G=4.4 kN.2.2 仿真与分析在进行动力学仿真前，利用ADAMS建立的挖掘机工作装置模型，在一个基本的工作周期内，对各个阶段进行时间分配、驱动函数添加与载荷的添加.液压挖掘机的工作循环图，如图8所示.选取动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸均全缩的状态为初始状态，仿真时间设为20 s，步长为500，通过后处理模块得到的特性曲线，如图9～12所示.由图9可知：土壤重力是从2 s初铲斗开始执行挖掘任务时,由零逐渐增大，在7 s 末挖掘任务结束时，重力增加至最大值4.40 kN，此时，铲斗处于满载状态；之后，在动臂提升阶段至卸载前均保持不变，到11 s初铲斗开始卸载，重力不断减小，直到16 s末土壤完全卸空，重力降为零；挖掘法向和切向阻力在2 s初铲斗进行挖掘时,由零逐渐增大，在4.5 s末分别达到最大值48.96，20.57 kN;然后,随着铲斗开始收斗后逐渐减小，直至完成挖掘任务后降为零.由此可知，载荷和重力可以合理地体现在挖掘的过程中.按时间顺序对图10～12进行如下分析.1) 0～2 s是到达初始挖掘点(最大挖掘半径点)阶段.该阶段是由动臂油缸完成，动臂油缸伸长至2 s末，到达最大位置0.35 m，油缸速度先增后减，斗杆油缸与铲斗油缸位移(L)和速度(v)均保持不变.由于自重与惯性力的影响，动臂的驱动关节力矩(T)有一个较大的突变，在短时间内减小至零，然后增大，另外2个驱动关节力矩较小，且变化幅度也不大.2) 2～7 s是挖掘阶段.此阶段由斗杆油缸与铲斗油缸共同配合完成，斗杆油缸在2 s初开始伸长，6 s末到达最大位置0.55 m，随后保持不变.铲斗油缸从3 s初伸长至7 s末，到达最大位置0.565 m.斗杆油箱和铲斗油缸速度均呈现先增后减的状态，而动臂油缸位移与速度则保持不变.3个驱动关节力矩均经历了先增后减的过程.在4.3 s时，斗杆的驱动关节力矩达到最大值，铲斗的驱动关节力矩达到最大值，动臂的驱动关节所受力矩达到最大值.之后，3个驱动关节力矩除了在6.8 s左右至挖掘任务即将结束时，动臂的驱动关节力矩有小幅度增加，其余总体趋势大致都在减小，由此可知，液压油缸的减速伸长对挖掘机工作装置系统造成了一定的冲击影响.3) 7～11 s是满铲提升阶段.在此阶段中，斗杆油缸与铲斗油缸均不动作，动臂油缸由原来的0.35 m收缩至0.10 m.其中，3组油缸速度均经历了先增后减的过程，3个驱动关节力矩基本稳定.4) 11～16 s是卸载阶段.此阶段中，动臂油缸不参与运动，故动臂油缸不动作，速度为零.斗杆油缸在11 s初收缩，14 s收缩至最短，油缸速度也在同时刻先增后减，铲斗油缸在14 s开始收缩直至卸载结束，油缸速度在11～14 s，以及14～16 s均经历了先增后减的过程.由于自重和惯性力的作用，3个驱动关节力矩都有所增加，卸载过程所受外载荷越来越小，所以驱动关节受力矩有些许的突变.5) 16～20 s是返回初始状态阶段.该阶段动臂油缸收缩至最短，速度先增后减.斗杆油缸与铲斗油缸位移和速度均保持不变.3个驱动关节力矩基本都是平稳下降的，仅在动臂开始和制动时有小幅度的突变.纵观挖掘机的整个运动过程可知：3个驱动关节力矩总体变化趋势基本相似，但由于挖掘机工作姿态的变化对动臂的驱动关节力矩产生一定的冲击影响，突变明显.工作装置惯性载荷与挖掘机液压系统对其存在密不可分的影响.在自动挖掘过程中，通过实时分析获得各个驱动关节力矩、液压缸位移和速度变化曲线，为更好地实现平滑挖掘，高效挖掘奠定基础.对挖掘机工作装置机械结构与动力学问题进行理论建模，利用SimMechanics快速建模绘制机械结构运动的包络图，获得挖掘机可达工作范围，进一步运用Pro/E 对挖掘机工作装置建立三维模型，将模型导入ADAMS软件，对挖掘机工作装置的作业范围进行对比，验证方法的正确性.采用ADAMS软件，对挖掘机工作装置进行动力学仿真，得到挖掘机油缸位移、速度和各个驱动关节力矩与时间的特性曲线，对实现自主挖掘具有重要意义.仿真结果表明：理论上添加的载荷能够体现在各个驱动关节处受力变化中，相比其他阶段，受力矩变化较为复杂的是在挖掘阶段，该研究为今后挖掘机实现自动挖掘提供理论依据,为进一步研究挖掘机自主平滑避障轨迹规划和有限元分析力的加载奠定基础,也为实际的挖掘作业提供指导.【相关文献】[1] 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液压挖掘机反铲装置工作过程仿真研究报告
动臂。
虽然使结构和操作复杂化，但在挖掘机作业中可随时大幅度调整上、下动臂之间的夹角，从而提高挖掘机的作业性能，尤其掘窄而深的基坑时，容易得到较大距离的垂直挖掘轨迹，提高挖掘质量和生产率。
组合式动臂的优点是，可以根据作业条件随意调整和挖掘力，且调整时间短。
此外，它的互换工作装置多，可满足各种作业的需要，装车运输方便。
其缺点是质量大、制造成本高，一机上。
的是组合式动臂。
挖掘机反铲装置的分析作性能参数量0.8m3。
掘深度4.39m。
掘高度4.64m。
掘半径5.52m。
载高度2.66m。
掘力(最大>52kN。
置运动学分析示，反铲装置的几何位置取决于动臂油缸的长度L1，斗杆油缸的长度L2和铲斗油缸的长度L3。
当L1、L2和L3为一组定值时，便Yv>的一组值与其对应。
反之，对于Xv和Yv的一组定值却有许多组L1、L2、L3值与其对应。
图1 动臂机构计算简图构。
∠UCF是动臂油缸L1的函数。
动臂上任意一点在任一时刻的位置坐标也都是L1的函数。
构。
置参数是动臂油缸L1和斗杆油缸L2的函数。
这里暂先讨论斗杆相对于动臂的运动，即只考虑L2的影响。
斗杆机构与动臂机构性质连杆机构，但连杆比不同。
其连杆机构。
动是动臂油缸L1、斗杆油缸L2和铲斗油缸L3的函数，情况较复杂。
这里暂讨论铲斗相对于斗杆的运动。
置动力学分析力的分析。
工作时，即可用铲斗油缸挖掘(简称转斗挖掘>，也可用斗杆油缸挖掘(简称斗杆挖掘>，或做复合动作挖掘。
掘阻力的计算。
时，土壤切削力随挖掘深度改变而有明显变化，经实验转斗挖掘时的切削阻力与切削深度基本上成正比。
但总地来说，前半过程切削，因前半过程的切削角不利，产生了较大的切削阻力。
切削阻力的切向分力与土壤硬度、转斗切削半径、挖掘过程中铲斗总转角、铲、切削角、斗侧壁厚度和切削刃挤压土壤的力有关。
转斗挖掘的平均阻力可按平均挖掘深度下的阻力计算，也把半月形切削断面看作面，条形断面的长度可看作成斗齿转过的圆弧长度与其相应之弦的平均值。