406 基于ProE的裝載機工作裝置的實體建模及運動仿真,基于,proe,裝載,機工,裝置,實體,建模,運動,仿真 基于 Pro/E 的裝載機工作裝置的實體建模及運動仿真專業(yè)：機械設(shè)計制造及自動化 作者：李書知 指導教師：陳豐峰摘 要：裝載機是一種應(yīng)用廣泛的工程機械。有其廣泛的空間，但由于裝載機傳統(tǒng)開發(fā)模式存在的開發(fā)周期長、過程繁雜、開發(fā)成本高、性能測試困難等問題，本文將仿真技術(shù)引入裝載機開發(fā)領(lǐng)域，完成以下工作：1． 介紹了裝載機的發(fā)展歷史及前景，裝載機的種類，介紹了仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景、在國內(nèi)的發(fā)展狀況以及仿真技術(shù)的實際意義。2． 對液壓缸作出了合理的選擇。3． 簡述了 Pro/E 軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用，利用 Pro/E 構(gòu)建裝載機的三維實體模型，并對其進行裝配，在Pro/E 環(huán)境下進行了裝配干涉檢驗。4． 在 Pro/ENIEER MECHANISM 環(huán)境下進行運動仿真,得出裝載機工作的性能曲線。關(guān)鍵字：裝載機 工作裝置 液壓缸 仿真技術(shù) 三維建模Abstract：Loader is a kind of engineer machine that is widely applied in engineer project, which has wildely space, Aim to the problems that exist in traditional research way of loader, for example the research cycle is long, the cost is long, the cost is high and the performance test is complex etc, this paper leads virtual prototype technology into research of loader. The following research works are completed:1. The development foreground, the category and loader’s history is introduced, also the background of simulation technology come into being, developing status in local and the significance of virtual prototype technology is introduced.2. To brief introduce the Pro/E software which application in the field of engineering, the 3D modeling is used by Pro/E software, which is built and interferential test of assembly in Pro/E environment is completed.3. The simulated motion in Pro/E environment is completed, and the capability curve is reached.4. A rational choice for the hydraulic actuating cylinder.Keywords: Loader, Working mechanism, hydraulic actuating, Simulation technology, 3D modeling目 錄摘 要 .......................................................................................................................................................I1 前 言 ....................................................................................................................................................11.1 裝載機的簡介 ...............................................................................................................................11.1.1 裝載機的發(fā)展歷史及前景 ....................................................................................................11.1.2 裝載機的種類 ........................................................................................................................11.1.3 本章小結(jié) ................................................................................................................................31.2 運動仿真技術(shù)簡介 .......................................................................................................................41.2.1 運動仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景 ....................................................................................................41.2.2 運動仿真技術(shù) ........................................................................................................................41.2.3 運動仿真技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況 .....................................................................................41.2.4 發(fā)展運動仿真技術(shù)的重要意義 ............................................................................................41.2.5 總結(jié) ........................................................................................................................................51.3 Pro/ENGINEER 軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用 ................................................................................51.3.1 Pro/ENGINEER 軟件介紹 .....................................................................................................51.3.2 運動仿真技術(shù)對裝載機設(shè)計理念的影響 ............................................................................61.4 本章小結(jié) .......................................................................................................................................72 液壓缸的選擇 ......................................................................................................................................82.1 本章小結(jié) .......................................................................................................................................83 裝載機工作裝置三維實體建模 ..........................................................................................................93.1 工作裝置零件建模 .......................................................................................................................93.1.1 動臂的生成 ............................................................................................................................93.1.2 鏟斗的生成 ..........................................................................................................................103.1.3 底座的生成 ..........................................................................................................................113.1.4 連桿的生成 ..........................................................................................................................113.1.5 搖臂的生成 ..........................................................................................................................123.1.6 液壓缸筒的生成 ..................................................................................................................123.1.7 液壓缸蓋的生成 ..................................................................................................................133.1.8 液壓缸活塞的生成 ..............................................................................................................133.1.9 連接銷軸的生成 ..................................................................................................................133.2 工作裝置裝配模型建模 .............................................................................................................143.2.1 底座模型裝配 ......................................................................................................................153.2.2 動臂模型裝配 ......................................................................................................................153.2.3 鏟斗模型裝配 ......................................................................................................................163.2.4 液壓缸體模型裝配 ..............................................................................................................163.2.5 搖桿模型的裝配連接 ..........................................................................................................173.2.6 連桿模型與鏟斗模型和搖桿模型的裝配連接 ..................................................................173.2.7 銷釘模型的連接 ..................................................................................................................173.2.8 本章小結(jié) ..............................................................................................................................204 裝載機工作裝置運動仿真 ....................................................................................................................214.1 概述 .............................................................................................................................................214.2 創(chuàng)建裝載機工作裝置的機械運動仿真 .....................................................................................214.2.1 連接軸設(shè)置 ..........................................................................................................................214.2.2 創(chuàng)建快照 ..............................................................................................................................224.2.3 定義伺服電動機 ..................................................................................................................224.2.4 運行運動 ..............................................................................................................................254.2.5 結(jié)果回放動態(tài)干涉檢查與制作播放文件 ..........................................................................264.2.6 測量 ......................................................................................................................................285 結(jié) 論 ..........................................................................................................................................................316 致 謝 ..........................................................................................................................................................327 主要參考文獻 ............................................................................................................................................338 附 表 ..........................................................................................................................................................348 附 表摘 要I基于 Pro/E 的裝載機工作裝置的實體建模及運動仿真專業(yè)：機械設(shè)計制造及自動化 作者：李書知 指導教師：陳豐峰摘 要：裝載機是一種應(yīng)用廣泛的工程機械。有其廣泛的空間，但由于裝載機傳統(tǒng)開發(fā)模式存在的開發(fā)周期長、過程繁雜、開發(fā)成本高、性能測試困難等問題，本文將仿真技術(shù)引入裝載機開發(fā)領(lǐng)域，完成以下工作：1． 介紹了裝載機的發(fā)展歷史及前景，裝載機的種類，介紹了仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景、在國內(nèi)的發(fā)展狀況以及仿真技術(shù)的實際意義。2． 對液壓缸作出了合理的選擇。3． 簡述了 Pro/E 軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用，利用 Pro/E 構(gòu)建裝載機的三維實體模型，并對其進行裝配，在Pro/E 環(huán)境下進行了裝配干涉檢驗。4． 在 Pro/ENIEER MECHANISM 環(huán)境下進行運動仿真,得出裝載機工作的性能曲線。關(guān)鍵字：裝載機 工作裝置 液壓缸 仿真技術(shù) 三維建模Abstract：Loader is a kind of engineer machine that is widely applied in engineer project, which has wildely space, Aim to the problems that exist in traditional research way of loader, for example the research cycle is long, the cost is long, the cost is high and the performance test is complex etc, this paper leads virtual prototype technology into research of loader. The following research works are completed:1. The development foreground, the category and loader’s history is introduced, also the background of simulation technology come into being, developing status in local and the significance of virtual prototype technology is introduced.2. To brief introduce the Pro/E software which application in the field of engineering, the 3D modeling is used by Pro/E software, which is built and interferential test of assembly in Pro/E environment is completed.3. The simulated motion in Pro/E environment is completed, and the capability curve is reached.4. A rational choice for the hydraulic actuating cylinder.Keywords: Loader, Working mechanism, hydraulic actuating, Simulation technology, 3D modeling目 錄II目 錄摘 要 .......................................................................................................................................................I1 前 言 ....................................................................................................................................................11.1 裝載機的簡介 ...............................................................................................................................11.1.1 裝載機的發(fā)展歷史及前景 ....................................................................................................11.1.2 裝載機的種類 ........................................................................................................................11.1.3 本章小結(jié) .................................................................................................................................31.2 運動仿真技術(shù)簡介 .......................................................................................................................41.2.1 運動仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景 ....................................................................................................41.2.2 運動仿真技術(shù) ........................................................................................................................41.2.3 運動仿真技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況 .....................................................................................41.2.4 發(fā)展運動仿真技術(shù)的重要意義 ............................................................................................41.2.5 總結(jié) ........................................................................................................................................51.3 Pro/ENGINEER 軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用 ................................................................................51.3.1 Pro/ENGINEER 軟件介紹 .....................................................................................................51.3.2 運動仿真技術(shù)對裝載機設(shè)計理念的影響 ............................................................................61.4 本章小結(jié) .......................................................................................................................................72 液壓缸的選擇 ......................................................................................................................................82.1 本章小結(jié) .......................................................................................................................................83 裝載機工作裝置三維實體建模 ..........................................................................................................93.1 工作裝置零件建模 .......................................................................................................................93.1.1 動臂的生成 ............................................................................................................................93.1.2 鏟斗的生成 ..........................................................................................................................103.1.3 底座的生成 ..........................................................................................................................113.1.4 連桿的生成 ..........................................................................................................................113.1.5 搖臂的生成 ..........................................................................................................................123.1.6 液壓缸筒的生成 ..................................................................................................................123.1.7 液壓缸蓋的生成 ..................................................................................................................133.1.8 液壓缸活塞的生成 ..............................................................................................................133.1.9 連接銷軸的生成 ..................................................................................................................133.2 工作裝置裝配模型建模 .............................................................................................................143.2.1 底座模型裝配 ......................................................................................................................153.2.2 動臂模型裝配 ......................................................................................................................153.2.3 鏟斗模型裝配 ......................................................................................................................163.2.4 液壓缸體模型裝配 ..............................................................................................................163.2.5 搖桿模型的裝配連接 ..........................................................................................................173.2.6 連桿模型與鏟斗模型和搖桿模型的裝配連接 ..................................................................173.2.7 銷釘模型的連接 ..................................................................................................................173.2.8 本章小結(jié) ..............................................................................................................................204 裝載機工作裝置運動仿真 ....................................................................................................................214.1 概述 .............................................................................................................................................214.2 創(chuàng)建裝載機工作裝置的機械運動仿真 .....................................................................................214.2.1 連接軸設(shè)置 ..........................................................................................................................214.2.2 創(chuàng)建快照 ..............................................................................................................................224.2.3 定義伺服電動機 ..................................................................................................................224.2.4 運行運動 ..............................................................................................................................254.2.5 結(jié)果回放動態(tài)干涉檢查與制作播放文件 ..........................................................................26目 錄III4.2.6 測量 ......................................................................................................................................285 結(jié) 論 ..........................................................................................................................................................316 致 謝 ..........................................................................................................................................................327 主要參考文獻 ............................................................................................................................................338 附 表 ..........................................................................................................................................................341 前 言11 前 言裝載機是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、礦山等建設(shè)工程的土石方施式機械，它主要用于鏟裝土壤、砂石、石灰、煤炭等散狀物料，也可對礦石、硬土等作輕度鏟挖作業(yè)。換裝不同的輔助工作裝置還可進行推土、起重和其他物料如木材的裝卸作業(yè)。在道路、特別是在高等級公路施工中，裝載機用于路基工程的填挖、瀝青混合料和水泥混凝土料場的集料與裝料等作業(yè)。此外還可進行推運土壤、刮平地面和牽引其他機械等作業(yè)。由于裝載機具有作業(yè)速度快、效率高、機動性好、操作輕便等優(yōu)點，因此它成為工程建設(shè)中土石方施工的主要機種之一，同時也成為工程機械中發(fā)展最快、產(chǎn)銷量及市場需求最大的機種之一。1.1 裝載機的簡介1.1.1 裝載機的發(fā)展歷史及前景我國裝載機始于 1960 年末，發(fā)展至今它經(jīng)歷了 3 個發(fā)展階段，即 60 年代仿制摸索階段；70年代自力更生研制階段；80 年代至 90 年代技術(shù)引進、合資合作發(fā)展階段。自 1958 年，上海港口機械廠首先測繪并試制了 67KW（90hp） 、斗容量為 1 的裝載機——我國自己制造的第一臺裝載m機之后。全國裝載機產(chǎn)品從 1976 年的 446 臺發(fā)展到 1996 年的 18310 臺，二十年內(nèi)增長 41.1 倍。同時國民經(jīng)濟的發(fā)展與國家基建規(guī)模及資金投入的增大，更促進了我國裝載機行業(yè)的迅速發(fā)展。生產(chǎn)企業(yè)由 1980 年的 20 家增至現(xiàn)在的 100 余家，初步形成了規(guī)格為 0.8~10t 約 19 個型號的系列產(chǎn)品，并已成為工程機械主力機種。自此裝載機在全國機械產(chǎn)品中，成為重要代表產(chǎn)品，令世人矚目。隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)、健康、高速發(fā)展，對工程機械的需求將增長，這些需求對工程機械產(chǎn)品既提出了“量”又提出了“質(zhì)”的巨大市場需求。我國 “九五”期間土石方、路基路面、基礎(chǔ)及建筑施工工作量預計比“八五”要大一倍以上，工程機械的總需求量亦將為“八五”期間的二倍，推土機、裝載機、輪式起重機、叉車、路面機械、鑿巖鉆車及挖掘機械等 7 類主要工程機械“九五”末的年需求量可在 11 萬臺以上。而輪式裝載機 2000 年時年需求達 27000～30000 臺以上，這就為我國輪式裝載機行業(yè)的發(fā)展提供了一個良好的市場前景，為制訂戰(zhàn)略發(fā)展宏偉目標提供科學決策依據(jù)。綜觀國外裝載機的發(fā)展特點及外部環(huán)境，專家預測未來裝載機的主要發(fā)展趨勢是：（1） 開發(fā)節(jié)能、高效、可靠、環(huán)保型產(chǎn)品，并研制無泄漏裝載機。（2） 微電子及機電液儀一體化技術(shù)將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。（3） 安全性及舒適性是產(chǎn)品發(fā)展的重要目標。（4） 大型化與微型化仍是產(chǎn)品系列化的兩極方向。（5） 技術(shù)進步、人才培養(yǎng)和售后服務(wù)將成為企業(yè)生存的三大關(guān)鍵內(nèi)在因素。（6） 集團化、社會化與國際化是企業(yè)生存與發(fā)展的必由之路。1.1.2 裝載機的種類目前，裝載機的國際市場分為兩類：一類是發(fā)達國家市場，二類是發(fā)展中國家市場。發(fā)達國家市場的產(chǎn)品技術(shù)水平和質(zhì)量要求很高，競爭異常激烈。由于我國裝載機產(chǎn)品檔次低，不易開拓此類市場，而應(yīng)重點鞏固與繼續(xù)發(fā)展二類市場。二類市場主要包括東南亞、中東、非洲和南美洲四大區(qū)域市場，主要由發(fā)展中國家組成，與我國有良好的外交關(guān)系，往來密切，也是我國裝載機出口量最多的地區(qū)。因此，發(fā)展中國家市場是目前我國裝載機進入國際市場的主攻方面。由于受東南亞經(jīng)濟1 前 言2危機持續(xù)時間加長、印尼國內(nèi)動亂及一些國家貨幣貶值等諸多外部因素的影響，導致了我國裝載機出口難度的增加，也給國外裝載機及其關(guān)鍵部件的進口創(chuàng)造了外部條件。因此，有關(guān)生產(chǎn)裝載機企業(yè)（包括合資企業(yè)）要積極準備，把握時機，迎接挑戰(zhàn)，扎實搞好“三大戰(zhàn)役” ，務(wù)求在品種、質(zhì)量、交貨期和售后服務(wù)等方面有一個更大的發(fā)展。在有限的時間內(nèi)，集中力量解決目前存在的以下三個問題：相當一批產(chǎn)品水平較低，高科技含量少，可靠性較差；中小型號生產(chǎn)廠家多而雜，產(chǎn)量過剩；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，多數(shù)企業(yè)形不成規(guī)模效益。總的來說，常用的單斗裝載機，按行走裝置，發(fā)動機功率，傳動形式，行走系結(jié)構(gòu)，裝載方式的不同進行分類。 1、行走裝置的不同： 裝載機分為輪胎式和履帶式兩種。輪胎式裝開機由動力裝置、車架、行走裝置、傳動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和工作裝置等組成，其結(jié)構(gòu)簡單圖如圖 2 所示。輪胎式裝載機采用柴油機為動力裝置，液力變矩、動力換檔變速箱、雙橋驅(qū)動等組成的液力機械式傳動系統(tǒng)（小型輪胎式裝載機有的采用液壓傳動或機械傳動） ，液壓操縱，鉸接式車架轉(zhuǎn)向，反轉(zhuǎn)桿機構(gòu)的工作裝置。履帶式裝載機以專用底盤或工業(yè)拖拉機為基礎(chǔ)車，裝上工作裝置并配裝相就原操縱系統(tǒng)而構(gòu)成，如圖 1 所示。履帶式裝載機的動力裝置也是柴油機，機械式傳動系統(tǒng)則采用液壓助力濕式離合器或濕式雙向液壓操縱轉(zhuǎn)向離合器和正轉(zhuǎn)連桿機構(gòu)的工作裝置。圖 1 輪胎式裝載機1 前 言3圖 2 履帶式裝載機1-行走機構(gòu)；2-發(fā)動機；3-動臂；4-鏟斗；5-轉(zhuǎn)斗油缸；6-動臂油缸；7-駕駛室；8-燃油箱2、發(fā)動機功率： ①功率小于 74kw 為小型裝載機。 ②功率在 74～147kw 為中型裝載機 ③功率在 147～515kw 為大型裝載機 ④功率大于 515kw 為特大型裝載機 3、傳動形式： ①液力—機械傳動，沖擊振動小，傳動件壽命長，操縱方便，車速與外載間可自動調(diào)節(jié)，一般在中大型裝載機多采用； ②液力傳動：可無級調(diào)速、操縱間便，但啟動性較差，一般僅在小型裝載機上采用； ③電力傳動：無級調(diào)速、工作可靠、維修簡單、費用較高，一般在大型裝載機上采用。 4、行走結(jié)構(gòu)： ①輪胎式：質(zhì)量輕、速度快、機動靈活、效率高、不易損壞路面、接地比壓大、通過性差、但被廣泛應(yīng)用； ②履帶式：接地比壓小，通過性好、重心低、穩(wěn)定性好、附著力強、牽引力大、比切入力大、速度低、靈活性相對差、成本高、行走時易損壞路面。 5、裝卸方式： ①前卸式：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、視野好，適合于各種作業(yè)場地，應(yīng)用較廣； ②回轉(zhuǎn)式：工作裝置安裝在可回轉(zhuǎn) 360O 的轉(zhuǎn)臺上，側(cè)面卸載不需要調(diào)頭、作業(yè)效率高、但結(jié)構(gòu)復雜、質(zhì)量大、成本高、側(cè)面穩(wěn)性較差，適用于較俠小的場地。 ③后卸式：前端裝、后端卸、作業(yè)效率高、作業(yè)的安全性欠好。1.1.3 本章小結(jié)本章主要討論了裝載機的發(fā)展狀況及發(fā)展趨勢，介紹了裝載機的種類，為課題研究的實際意義提供了依據(jù)。1 前 言41.2 運動仿真技術(shù)簡介1.2.1 運動仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景進入 21 世紀，科學技術(shù)突飛猛進，社會發(fā)展日新月異。人們對個性化產(chǎn)品的需求越來越迫切，對產(chǎn)品性能的要求也越來越高，全球化經(jīng)濟已明顯地呈現(xiàn)出買方市場的特點。由于這一變化，導致市場競爭日趨激烈，而競爭的核心則主要體現(xiàn)在產(chǎn)品創(chuàng)新上，體現(xiàn)在對客戶的響應(yīng)速度和響應(yīng)品質(zhì)上。傳統(tǒng)的物理樣機在產(chǎn)品的創(chuàng)新開發(fā)中，在開發(fā)周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品品質(zhì)等方面已越來越不能滿足市場需求，運動仿真技術(shù)正是在這一市場需求的驅(qū)動下產(chǎn)生的。1.2.2 運動仿真技術(shù)運動仿真技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)方法，是多個相關(guān)學科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物，是一種基于產(chǎn)品的計算機仿真模型的數(shù)字化設(shè)計方法。其涉及機械、電子、計算機圖形學、仿真建模、虛擬現(xiàn)實等多個領(lǐng)域、多項技術(shù)，以計算機仿真和產(chǎn)品生命周期建模為基礎(chǔ)，以機械系統(tǒng)運動學、動力學和控制理論為核心，借助成熟的三維計算機圖形技術(shù)、圖形用戶界面技術(shù)、信息技術(shù)、集成技術(shù)、多媒體技術(shù)、并行處理技術(shù)等，將分散的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)和分析過程集成在一起，使得與產(chǎn)品相關(guān)的所有人員能在產(chǎn)品研制的早期直觀形象地對虛擬的產(chǎn)品原型進行設(shè)計優(yōu)化、性能測試、制造仿真以及使用仿真等。 換句話說“運動仿真”設(shè)計方法就是在建造第一臺（件）物理樣機之前，利用軟件技術(shù)建立產(chǎn)品系統(tǒng)計算機模型，通過基于實體可視化的仿真分析，模擬系統(tǒng)在真實工作環(huán)境條件下的運動和動力特性，以便反復修改設(shè)計方案，最終得到最優(yōu)設(shè)計方案。1.2.3 運動仿真技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況國外已在各個領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用仿真設(shè)計。所涉及到的產(chǎn)品從龐大的卡車到微小的照相機的快門，從火箭到輪船的錨機。在工程／礦山機械行業(yè)，如約翰·迪爾公司利用仿真技術(shù)成功地解決了工程機械在高速行駛時出現(xiàn)蛇行現(xiàn)象的問題及在重載下的自激振動這個一直困擾著設(shè)計師及用戶的難題，大大提高了工程／礦山機械高速行駛性能與重載作業(yè)性能?？ㄌ乇死展纠锰摂M樣機在切削任何一片金屬之前就可快速試驗數(shù)千種設(shè)計方案，不但降低了產(chǎn)品設(shè)計成本，縮短了開發(fā)周期，而且還制造出性能更為優(yōu)異的產(chǎn)品。運動仿真技術(shù)在國外已有很多應(yīng)用實例，我國也正極急投身于該項技術(shù)的研究中。在傳統(tǒng)上，我國引進物理樣機，開發(fā)人員往往停留在零件照抄的水平上，對于樣機缺乏系統(tǒng)水平上的理解和研究，結(jié)果雖然投入了大量的人力物力，卻收效甚微。但如果采用虛擬樣機技術(shù)，技術(shù)人員便可對引進樣機進行深入的研究，可以追蹤樣機的設(shè)計思想，從而真正提高設(shè)計人員的水平，開發(fā)出能滿足市場需求的產(chǎn)品來。1.2.4 發(fā)展運動仿真技術(shù)的重要意義運動仿真設(shè)計方法將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)集成在一起，提供一種更全面地了解設(shè)備性能的方法。它利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能，對設(shè)備進行幾何、功能及制造等方面交互的建模與分析。在概念設(shè)計和方案論證中，便于設(shè)計師將自己的經(jīng)驗與想象融于計算機的虛擬樣機設(shè)計中，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，并替代物理樣機進行性能模擬試驗。設(shè)計師可在計算機上方便地確定、修改設(shè)計進程，逐步優(yōu)化設(shè)計方案。通過運動仿真機試驗，還可節(jié)省建立試驗臺、安裝測試設(shè)備和測試儀表等有關(guān)的費用，更快地確定影響設(shè)計方案性能的敏感參數(shù)，達到最優(yōu)化設(shè)計目的。這樣，可大大縮短設(shè)備研發(fā)周期，降低研制成本，提高設(shè)計質(zhì)量和1 前 言5效率，為產(chǎn)品贏得了競爭優(yōu)勢。1.2.5 總結(jié)基于運動仿真的設(shè)計方法將成為 21 世紀工礦設(shè)備開發(fā)、研究的主流。對成本高、系統(tǒng)復雜、工況惡劣，而又不可能制造多臺物理樣機的設(shè)備其應(yīng)用前景更加廣闊，如大型露天礦用設(shè)備、煤礦井下綜采設(shè)備和深海開采設(shè)備等。以及那些事關(guān)國際名聲的骨干行業(yè)，如汽車工業(yè)、軍事工業(yè)等，仿真技術(shù)在這些行業(yè)的應(yīng)用在帶來可觀經(jīng)濟效益的同時，亦可提高其產(chǎn)品的設(shè)計水平和市場競爭力，有著廣闊的發(fā)展前景。因此，仿真技術(shù)的各項關(guān)鍵技術(shù)必將為經(jīng)濟發(fā)展、國防建設(shè)、科技發(fā)展及社會進步做出重大貢獻。1.3 Pro/ENGINEER 軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用1.3.1 Pro/ENGINEER 軟件介紹Pro/ENGINEER 和 Pro/MECHANICA 是由美國參數(shù)技術(shù)公司推出的一套博大精深的三維CAD/CAM 參數(shù)化軟件系統(tǒng), 被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域。 Pro/ENGINEER 和 Pro/MECHANICA 不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機械二維和三維動態(tài)造型仿真設(shè)計、機械設(shè)計、模具設(shè)計、加工制造設(shè)計、而且還能夠?qū)崿F(xiàn)機構(gòu)仿真、結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計、電路設(shè)計以及數(shù)據(jù)庫管理等多種技術(shù)目的。應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、汽車、機械、NC 加工，電工等諸多行業(yè)。 由于其強大而完美的功能 Pro/ENGINEER 幾乎成為三維 CAD/CAM 領(lǐng)域的一面旗幟和標準。 它在國外大學院校里以成為學生工程必修的專業(yè)課程，也成為工程技術(shù)人員必備的技術(shù)，是目前國際上專業(yè)設(shè)計人員使用最為廣泛的、先進的、具有多種功能的動態(tài)設(shè)計仿真軟件。隨著我國加入WTO ，一場新的工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)革命正在興起。作為提高生產(chǎn)率和競爭力的有效手段 Pro/ENGINEER 也在國內(nèi)形成一個廣泛應(yīng)用的熱潮。Pro/ENGINEER WILDFIRE 是美國 PTC 公司于 2003 年新推出的 Pro/ENGINEER 系列產(chǎn)品中的旗艦產(chǎn)品 該軟件在原有的 2001 版本基礎(chǔ)上新增了重多功能 ，特別強調(diào)了設(shè)計過程的易用性以及設(shè)計人員之間的互聯(lián)性。 原有的 Pro/ENGINEER 產(chǎn)品的升級周期為半年一次 ，而本次升級卻花了兩年的時間 ，其產(chǎn)品性能有了本質(zhì)性的改善。PTC 的系列軟件不但包括了在工業(yè)設(shè)計和機械設(shè)計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER 提供了目前所能達到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。它的技術(shù)特點在于以下兩個方面。1 Pro/E 參數(shù)化設(shè)計特征和功能Pro/ENGINEER 是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體的建模工具，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如 Hole（孔） 、Shell （殼） 、Chamfer（倒角）及 Round（倒圓角） 。用戶可以方便的修改模型，給工程設(shè)計者提供了設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。2 Pro/E 單一數(shù)據(jù)庫Pro/ENGINEER 建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，而傳統(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，是指工程中的資料全部來自一個庫，每一個獨立用戶都能同時為同一件產(chǎn)品造型而工作。換言之，在整個設(shè)計過程任何一處發(fā)生改動，在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上都有響應(yīng)。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑就會自動更新；組裝工程圖如有變動，也完全反映在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完美組合，把一件產(chǎn)品的設(shè)計工作緊密結(jié)合起來，使得設(shè)計效率更高，成品質(zhì)量更好，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜，市場競爭1 前 言6力大大增強。本次對礦用小型裝載機的設(shè)計應(yīng)用 Pro/ENGINEER WILDFIRE 軟件,現(xiàn)就本次設(shè)計所接觸到的幾個主要模塊做簡要概述。1 機械設(shè)計 CAD 模塊機械設(shè)計模塊是一個高效的三維機械設(shè)計工具，它可繪制形狀相當復雜的零件。在實際中存在大量形狀不規(guī)則的物體表面，如摩托車輪轂，這些稱為自由曲面。隨著人們生活水平的提高，對曲面產(chǎn)品的需求將會大大增加。用 Pro/E 生成曲面非常方便，方法有：拉伸 旋轉(zhuǎn) 放樣 掃掠 網(wǎng)格 點陣等。由于生成曲面的方法較多，因此 Pro/E 可以迅速建立復雜曲面。2 運動分析模塊（Scenario For Motion）運動分析模塊（CAE）是 CAE（Computer Aided Engineer）應(yīng)用軟件，用于建立運動機構(gòu)模型，分析其運動規(guī)律。運動分析模塊自動復制主模塊的裝配文件,并建立一系列不同的運動分析方案。Pro/ENGINEER 運動分析模塊可以進行機構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運動軌跡，分析零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力距。Pro/ENGINEER MOTION 模塊為 Pro/ ENGINEER 的集成運動模塊，是設(shè)計機構(gòu)運動強有力的工具。該模塊可以讓機構(gòu)設(shè)計師設(shè)定裝配件在特定的環(huán)境中的機構(gòu)動作并給予評估，能夠判斷出改變哪些參數(shù)能滿足工程及性能超群上的要求，使產(chǎn)品設(shè)計達最佳狀態(tài)，Pro/ENGINEER MOTION 有如下功能：1) 校驗機構(gòu)運動的正確性，對運動進行仿真，計算機構(gòu)任意時刻的位置、速度、加速度。2) 可以通過運動分析，得出裝配的最佳配置。3) 根據(jù)給出的力決定運動狀態(tài)及反作用力。4) 根據(jù)運動反求所需要的力。5) 求出鉸接點所受的力及軸承力。6) 通過尺寸變量對機構(gòu)進行優(yōu)化。7) 干涉檢查。1.3.2 運動仿真技術(shù)對裝載機設(shè)計理念的影響 裝載機是一種作業(yè)效率高，用途廣泛的工程機械，它不僅對松散的堆積物料可進行裝運、卸作業(yè)，還可對巖石、硬土進行輕度鏟掘工作，并能用來清理刮平場地及牽引作業(yè)。經(jīng)過 80 多年的發(fā)展，到今天裝載機已經(jīng)成為一種必不可少的工程用具。目前，世界上已經(jīng)出現(xiàn)了許多能夠滿足不同要求的規(guī)格種類繁多的裝載機產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展，和設(shè)計理念的不斷更新，還將出現(xiàn)更多功能和性能優(yōu)良的裝載機產(chǎn)品。本次改裝設(shè)計的小型裝載機主要用于中小型礦井下代替人工，鏟裝粒度不大的散裝物料，對提高中小型礦井的機械化水平有重要意義。通常在對輪式裝載機的工作裝置進行機構(gòu)分析時一般采用圖解法或解析法，采用圖解法精度較低，使用解析法計算又很復雜，因此一般只對幾個作業(yè)位置進行分析計算，難以了解全部工況的作業(yè)性能及負荷變化。為解決這一問題，我們使用機械系統(tǒng)運動學與動力學分析仿真軟件對其進行分析。這就要求先進行裝載機工作裝置的運動仿真設(shè)計。裝載機工作機構(gòu)的運動仿真的設(shè)計主要是用大型參數(shù)化建模工具 Pro/ENINEER 對工作裝置先進行三維實體建模，然后實現(xiàn)動態(tài)模擬。為能夠方便的解決在產(chǎn)品設(shè)計階段中運動構(gòu)件在運動過程中的運動協(xié)調(diào)關(guān)系、運動范圍設(shè)計、可能的運動干涉檢查等問題找到一個切實可行的新方法。裝載機1 前 言7虛擬樣機的設(shè)計步驟和傳統(tǒng)設(shè)計步驟基本相同如圖 1.2.1 所示。圖 1.2.1 裝載機工作裝置運動仿真設(shè)計步驟1.4 本章小結(jié)本章主要討論了運動仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景、狀況及發(fā)展趨勢，介紹了運動仿真應(yīng)用的領(lǐng)域和實現(xiàn)的過程，指出了課題研究的背景和實際意義，確定了論文所要完成的主要任務(wù)和預期目的。介紹了 Pro/ENGINEE 軟件在工程設(shè)計中的應(yīng)用NYYYNNY礦用裝載機模型設(shè)計方案實體建模干涉檢查分析N運動分析生成工程圖是否符合設(shè)計要求設(shè)計結(jié)果是否滿意2 液壓缸的選擇82 液壓缸的選擇缸的主要參數(shù)包括行程、缸徑、最高使用壓力等。大臂缸和翻斗缸的要求相同均為最大推力：20000N 、行程：800mm，一般均是工作過程中伸出過程壓力遠高于縮回過程，主要按伸出推力計算即可，活塞截面積：Ah = Fmax / pmax = 20000N/14.23MPa = 1.4*10-3 m2 Dg = 2×(Ah/π) 1/2 = 42mmAh 預算缸的活塞面積Fmax 缸允許的最大推力pmax 泵輸出的最大壓力Dg 預算缸的內(nèi)腔直徑那就要求所選缸最高使用壓力大于或等于14MPa，行程為800mm ，缸內(nèi)徑為42mm 或略小于 42mm的尾部耳環(huán)式等速缸。選缸：D25WE4022800M—ISO型號 行程 最高使用壓力D25WE4022800M—ISO 800mm 25MPa活塞桿直徑 液壓缸內(nèi)徑22mm 80mm2.1 本章小結(jié)正確選擇液壓缸的參數(shù)對下面的工作十分重要,在計算行程當中,如有不當就可能造成干涉,直接影響裝配,裝配不成功,就無法進行運動仿真.3 工作裝置的實體建模93 裝載機工作裝置三維實體建模3.1 工作裝置零件建模在傳統(tǒng)的工程設(shè)計中，設(shè)計人員首先在頭腦中形成產(chǎn)品的三維輪廓，然后在圖紙上利用二維工程圖表示，其他設(shè)計人員以及工藝 生產(chǎn)等不同部門的人員再通過二維圖紙將產(chǎn)品還原為三維影像。由于圖紙的錯誤和理解的偏差，設(shè)計人員的意圖并不總能完全實現(xiàn)，因而設(shè)計制造的周期較長，產(chǎn)品的質(zhì)量也受到影響。在產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)較為復雜的時候尤其如此。因此三維化設(shè)計應(yīng)該是發(fā)展趨勢。三維模型的發(fā)展經(jīng)歷了由線框、曲面到實體的過程。實體模型最真實的反映三維形體的特性，不但包括了形體的幾何輪廓，而且由于實體有密度屬性，因而可以進行質(zhì)量計算、干涉檢查等操作?；咎卣魇墙r創(chuàng)建的第一個特征，是零件結(jié)構(gòu)的基本要素。基本特征以后的其他特征依賴于基本特征?；咎卣骺梢允菍嶓w特征，也可以是基準特征，正交基準平面就常常被用作基本特征。在 Pro/E 中進行零件設(shè)計的步驟是先創(chuàng)建基本特征，然后添加結(jié)構(gòu)特征。開始做零件之前，應(yīng)做好充分的準備工作，明確設(shè)計意圖。認真考慮設(shè)計的關(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。由于在 Pro/E 中實體模型可以有多種不同的生成方法,采取何種方法更為合理、高效,需要有一個經(jīng)驗積累過程。一般來說，要根據(jù)圖形的形狀選擇生成模型的方式。草圖繪制盡量簡化，最好不要繪制過渡圓角、倒角等非關(guān)鍵性信息。如果要像繪制二維工程視圖那樣繪制草圖,效率會很低,實踐證明也沒有這個必要。因為在 Pro/ENGINEER 中我們可以對實體進行各種編輯操作，如倒圓角。再就是如果草圖繪制過于精細,再生成模型時會耗盡計算機資源,使得三維模型生成速度很慢且易出現(xiàn)問題。3.1.1 動臂的生成圖 3.1.1 動臂實體圖動臂建模主要采用拉伸，首先選定草繪平面進入草繪模式，繪出動臂二維草圖，然后進行拉伸3 工作裝置的實體建模10生成動臂三維實體，再在其上打孔，應(yīng)注意保證主要尺寸的準確性。對另一個動臂我們可以用復制的方法得到。復制方法有兩種：一是鏡像，另一是平移，如圖 1 采用鏡像。最后添加一些細節(jié)如圖 1 動臂上的筋板，添加筋板時要注意參考面的正確建立。對于復雜的零件,選擇合理的生成方法就顯得尤為重要。因為選擇不正確的生成方法不但效率低，而且有些情況根本就不能生成實體模型。因此，設(shè)計人員在設(shè)計實體模型之前，必須要考慮好模型的生成方法和步驟。這就要求設(shè)計人員要有較好的空間想像力和抽象思維能力，這也是三維建模同二維圖形繪制最大的不同點之處。3.1.2 鏟斗的生成采用拉伸方法建立鏟斗基本體，用抽殼功能形成基本殼體。在基本體上添加加厚板以及肋板特征。添加耳特征時只需建立耳特征的一個面，然后采用鏡像復制命令就可以完成肋板的設(shè)計。最后采用兩側(cè)拉伸方法添加截齒特征和陳列生成。在鏟斗建模過程中要注意的是兩側(cè)加厚板的復制。圖 3.1.2 鏟斗實體圖3 工作裝置的實體建模113.1.3 底座的生成圖 3.1.3 底座實體圖先建立底盤框架，采用裁減命令生成槽鋼結(jié)構(gòu)，在框架上生成后續(xù)特征。底座的生成主要采用了拉伸命令，裁減命令和復制命令。底座建模過程中需注意翻轉(zhuǎn)油缸連接座的正確定位。3.1.4 連桿的生成圖 3.1.4 連桿實體連桿的生成比較簡單，主要采用了拉伸命令，需要注意的是在草繪截面時尺寸的標注，要保證主要尺寸的準確，比如兩孔中心距。3 工作裝置的實體建模123.1.5 搖臂的生成圖 3.1.5 搖臂實體圖搖臂建模也主要采用拉伸命令，先建立特征實體的一半然后用復制特征命令鏡像特征另一半，需要注意的是鏡像特征時對稱基準的建立方法。然后在基本特征上建立孔特征，應(yīng)注意保證孔間距的準確，建議： 先建立搖臂兩端的連接孔，生成后再建立中間連接孔。這樣作，主要是避免三孔同時建立時出現(xiàn)的孔位置難以確定的問題。3.1.6 液壓缸筒的生成圖 3.1.6 液壓缸筒實體液壓缸模型結(jié)構(gòu)及尺寸參看機械設(shè)計手冊，主要采用拉伸和裁減命令生成，需要注意的是尾部聯(lián)結(jié)油管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和建立方法。3 工作裝置的實體建模133.1.7 液壓缸蓋的生成圖 3.1.7 液壓缸蓋實缸蓋結(jié)構(gòu)和尺寸參看機械設(shè)計手冊，主要用拉伸和裁減命令，注意內(nèi)部需加上密封槽。3.1.8 液壓缸活塞的生成圖 3.1.8 液壓缸活塞實體其結(jié)構(gòu)和尺寸需參看機械設(shè)計手冊，也主要采用拉伸和裁減命令生成，注意也要加上密封槽。注：本次設(shè)計的小型裝載機工作裝置需采用三個液壓缸，其中翻轉(zhuǎn)液壓缸和舉升液壓缸基本結(jié)構(gòu)相同，所不同的只是長度尺寸不同，所以只需建立一個舉升液壓缸零件，翻轉(zhuǎn)液壓缸零件可在舉升油缸的基礎(chǔ)上通過修改尺寸再生而成3.1.9 連接銷軸的生成圖 3.1.9 連接銷軸實體3 工作裝置的實體建模14銷軸建模主要采用旋轉(zhuǎn)命令，先繪制一條旋轉(zhuǎn)軸，接著草繪截面，再繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 360 度就可生成銷軸實體，然后生成軸端的限位孔，最后在需要倒角的部位倒角。要注意的是建立限位孔時需先創(chuàng)建與柱面相切的基準面作為草繪截面3.2 工作裝置裝配模型建模零件設(shè)計完成后，往往需要根據(jù)設(shè)計要求對零件進行裝配。在 Pro/ENGINEER 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動情況是否合乎設(shè)計要求。同時在生成裝配體過程中，用戶可以根據(jù)需要添加生成新的零件和特征。使用 Pro/E 進行裝配設(shè)計有兩種基本方法，示意圖如圖 3.2.1 所示。 在上面兩種方法中，第 1 種方法相對第 2 種方法是比較低端的方法。因為在真正的概念設(shè)計中，零 件 設(shè) 計 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 示 意 圖（a）由底向上的設(shè)計方法裝 配 體 設(shè) 計 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 示 意 圖(b)由頂向下的設(shè)計方法圖 3.2.1 Pro/E 的裝配件設(shè)計方法3 工作裝置的實體建模15很少利用一個零件來控制整個裝配體的設(shè)計，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)品進行設(shè)計上的細化，直至細化到單個零件。比如設(shè)計一種新型號的汽車，先由設(shè)計師拿出汽車外觀的概念圖，然后由底盤工程師和車身工程師一起進行汽車的布局協(xié)調(diào)，根據(jù)協(xié)調(diào)的結(jié)果，得到各自部分布局的概念圖，在這個布局概念的基礎(chǔ)上進行零件的細化設(shè)計。由此可以看出，在對產(chǎn)品總體設(shè)計上，以由頂向下的設(shè)計方法更為貼近實際一些。但是由底向上的設(shè)計方法并不是一無是處，對于一些已經(jīng)比較成熟的產(chǎn)品設(shè)計過程，采用這種設(shè)計方法效率反而高一些。在實際的裝配過程中通?；旌鲜褂眠@輛中設(shè)計方法，以發(fā)揮各自的優(yōu)點。比如本次對礦用小型裝載機的改造設(shè)計，由于該項設(shè)計在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，所以采用第一種方法比較合適。前面已經(jīng)生成礦用小型裝載機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)計方法對這些零件進行空間定位來生成裝配件。在裝配件設(shè)計時，可以根據(jù)需要對裝配件中的零件進行修改，比如修改零件尺寸，移動零件在裝配件中的位置，生成新的特征等。對于一個裝配件，當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。下面對本次裝載機工作裝置模型的裝配設(shè)計過程作簡要敘述：3.2.1 底座模型裝配進入裝配界面調(diào)入圖 3.1.3 所示底座實體模型，點選圖 3.2.2 所示按扭固定主體模型。在元件放置對話框中點確定。圖 3.2.23.2.2 動臂模型裝配調(diào)入圖 3.1.1 所示動臂實體模型，在元件放置對話框中點“連接”(圖 3.2.3)在連接類型中選“銷釘”（圖 3.2.4），約束類型 1 為“軸對齊”分別在動臂模型和底座模型上選擇需要對齊 的軸線。約束類型 2 為“平移”，分別在兩實體上選擇要匹配的面，系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)模型位置，可以點選“反向”按鈕改變模型方向，在“約束偏移”框中輸入偏移尺寸（如圖 3.2.5）可以調(diào)節(jié)匹配面間的間隙，點選“移動”（圖 3.2.6）進入移動界面，（如圖 3.2.7）選“旋轉(zhuǎn)”，用鼠標在圖3 工作裝置的實體建模16區(qū)點選動臂模型，然后拖動鼠標可以調(diào)節(jié)動臂角度，點中鍵終止操作，點“確定”完成動臂模型裝配。 圖 3.2.3 圖 3.2.4 圖 3.2.5圖 3.2.6 圖 3.2.73.2.3 鏟斗模型裝配調(diào)入鏟斗模型，動臂和鏟斗的連接類型也屬于銷釘連接，分別選取鏟斗模型和動臂模型需要對齊的軸，然后選擇匹配平移面，操作方法同動臂裝配操作方法。3.2.4 液壓缸體模型裝配第一步：缸筒與底座的連接缸筒與底座的連接屬于銷釘連接，操作方法同前所述。旋轉(zhuǎn)缸筒角度使其基本接近和動臂連接的角度。第二步：活塞桿與缸筒和動臂的連接活塞桿與缸筒之間能夠自由伸縮，所以連接類型選用“圓柱”連接。 “圓柱”連接類型只有一個軸對齊約束，分別選取缸筒和活塞桿的中心軸，點選“移動”按扭選擇“平移”，調(diào)整活塞桿在缸筒中的位置。在元件放置對話框中點“+”按扭（圖 3.2.8）增加一個“銷釘”連接類型，分3 工作裝置的實體建模17別選取活塞桿前端環(huán)和動臂連接軸孔的軸線，然后分別選取活塞桿前端環(huán)和動臂需要匹配的面，輸入偏移尺寸，系統(tǒng)自動完成活塞桿與動臂的裝配連接，點“確定”退出。圖 3.2.8第三步：缸蓋模型的裝配調(diào)入缸蓋模型，在連接類型中選取“剛性”連接，在約束中選“匹配”選擇缸的前端面和缸蓋內(nèi)端面進行重合匹配，再增加“插入”約束，分別選取缸蓋曲面和缸體曲面，系統(tǒng)自動完成缸蓋的裝配連接。3.2.5 搖桿模型的裝配連接搖桿模型與動臂模型裝配連接也采用銷釘連接操作方法同上所述。3.2.6 連桿模型與鏟斗模型和搖桿模型的裝配連接在裝配連桿時首先選取和搖桿的連接或和鏟斗的連接為“銷釘”連接，操作過程同前所述。其次選