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1、 铲土运输机械工作装置运动学仿真设计 摘要 轮式装载机是用于装运散料为主的工程机械设备，由于轮式装载机经常工作在各种复杂的工况下，这就要求轮式装载机具有良好的适应性和可靠性，尤其是工作装置的各种设计参数直接影响装载机的整机性能，因此对轮式装载机的设计提出了严格的要求。对轮式装载机工作装置的运动学、动力学、仿真优化进行深入的研究，以提高装载机作业效率，对轮式装载机的整机设计具有特别重要的意义。据此开展以下几方面工作:1.介绍了虚拟样机技术的基本特征，指出了虚拟样机研究的主要内容，综述了国内外虚拟样机技术研究现状，论证了在轮式装载机开发中应用虚拟样机技术的必要性和重要意义。2.依据建模与仿真理论，
2、建立了轮式装载机工作装置的数学模型，为轮式装载机虚拟样机的仿真研究奠定了基础。3.研究了利用 Pro/E 建立轮式装载机三维实体模型的方法，总结了三维实体建模与虚拟装配的技巧，构建了轮式装载机整机三维实体模型，并在 Pro/E 环境下进行了装配干涉检验。4.研究了 Pro/E 与 ADAMS 的接口技术，在 ADAMS 环境下构建了轮式装载机的虚拟样机并进行了仿真研究，得到了轮式装载机工作性能曲线。关键词 装载机；工作装置；运动特性；动态载荷；仿真 Kinematics simulation shoveling transport machinery work AbstractThe whee
3、led loader is uses in shipping the bulk primarily project mechanical device,because the wheeled car loader day-to-day work under each kind of complex operating mode,this request wheeled car loader has the good compatibility and the reliability,works the installment each kind of design variable to af
4、fect the car loader directly in particular the complete machine performance,therefore set the strict request to the wheeled car loader design.To the wheeled car loader work installment kinematics,dynamics,the simulation optimization conduct the thorough research,enhances the car loader work efficien
5、cy,has the specially vital significance to the wheeled car loader complete machine design.According to the above develops following several aspects to work:1.The basic feature of virtual prototype technology is introduced，major contents and difficulties are pointed out in the paper。Author sums up th
6、e present research situation of virtual prototyping technology at home and abroad and proves the necessity and significance of applying virtual prototyping technology to research of wheel loader。2.According to the theories of modeling and simulation,the mathematical models of the working machanism a
7、nd hydraulic system of the wheel loader are built and the foundation of simulation research of virtual wheel loader prototype is established。3.The 3D modelling method of wheel loader using Pro/E software is researched,the technology on modelling and virtual assembly is sums up，he 3D model is built a
8、nd interferential test of assembly in Pro/E environmentis completedo.4.The connection technology Pro/E and ADAMS is researched,the virtual wheel loader prototype is constructed in ADAMS environment，research of the virtual prototype is completed and its working performances are analyse.Keywords loade
9、r,working device,kinamic characteristic,dynamic load,simulation 目 录 引言.4 第一章装载机的简介.5（一）装载机的发展历史及前景.5（二）运动仿真技术简介.8（三）Pro/ENGINEER 软件在工程设计中的应用.10 第二章液压缸的选择.14（一）液压缸的主要参数.14 第三章装载机工作装置三维实体建模.15（一）工作装置零件建模.15（二）工作装置装配模型建模.21 第四章装载机工作装置运动仿真.23（一）概述.23（二）创建装载机工作装置的机械运动仿真.23 结论.32 致谢.33 参考文献.34 附录一：英文原文.35
10、 附录二：英文译文.39 引 言 近年来，轮式装载机以围绕提高效率、降低成本为核心，继续向大型化、微型化发展，不断推出新产品，加速更新换代。微电子技术的突破性进展为轮式装载机自动控制、状态监测及视线范围内遥控技术的发展创造了条件。柴油发动机自动控制喷油系统、变速箱自动控制换档、性能参数和状态监测均取得重大进展，在视线内遥控作业已进入实用阶段，从而改善了性能，提高可靠性，缩短停机时间，增加生产能力，降低燃油消耗，取得了更大的经济效益。国内轮式装载机发展趋势，正在从低水平、低质量、低价位、满足功能型向高水平、高质量、中价位、经济实用型过渡。从仿制仿造向自主开发过渡，各主要生产厂家不断进行新技术的投
11、入，采用不同的技术路线，在关键部件及系统上进行技术创新，摆脱了产品设计雷同、无自己特色和优势的现状，从低水平的无序竞争的怪圈中脱颖而出，成为装载机行业的领先者，提高发动机的排放标准，降低燃油消耗，生产具有环保型的轮式装载机。大型和小型轮式装载机，在近几年的发展过程中，受到客观条件及市场总需求量的限制。竞争最为激烈的中型装载机更新速度将越来越快。根据各生产厂家的实际情况，重新进行总体设计，优化各项性能指标，强化结构件的强度及刚度，使整机可靠性得到大步提高。细化系统结构，如动力系统的减震、散热系统的结构优化、工作装置的性能指标优化及各铰点的防尘、工业造型设计等。利用电子技术及负荷传感技术来实现变速
12、箱的自动换档及液压变量系统的应用，提高效率、节约能源、降低装载机作业成本。提高安全性、舒适性。装载机的外形，特别是平面与平面的连接处，采用“大圆角”过渡，使整机造型更符合人机工程学原理，给人柔和、强固、安全舒适的感觉。降低噪声和排放，强化环保指标。随着人们环保意识的增强，降低装载机噪声和排放的工作已迫在眉睫，工程建设机械若不符合排放标准，将要被限制在部分地区的销售。广泛利用新材料、新工艺、新技术，特别是机、电、液一体化技术，提高产品的寿命和可靠性。最大限度地简化维修，尽量减少保养次数和维修时间，增大维修空间，普遍采用电子监控技术，进一步改善故障诊断系统，提供排除问题的快速方法和手段。综上所述，
13、应该开发性能优良的装载机，如斗容量大、大功率发动机、掘起力大、倾翻载荷大、牵引力大、废气排放少的环保型装载机，应开发机、电、液一体化技术、电子计算机技术、监测技术等高端的装载机，应开发作业可靠性好、安全性高、舒适性好的产品，一机多用的产品。在大型、微小型装载机上我国的技术开发上还是落后于国外，产品基本上是进口的，因此，这些产品在国内具有很大的发展潜力和市场空间。第一章 装载机的简介（一）装载机的发展历史及前景 我国装载机始于 1960年，至今已经历了三个发展阶段：六十年代仿制摸索阶段；七十年代自力更生研制阶段；八十年代至今是技术引进、合资合作发展阶段。全国装载机产品二十年内增长 41.1倍。在
14、全国机械产品中，成为重要代表产品，令世人瞩目。同时国民经济的发展与国家基建规模及资金投入的增大，更促进了我国装载机行业的迅速发展。生产企业由 1980年的 20 家增至现在的 100余家，初步形成了规格为 0.810t约19 个型号的系列产品，并已成为工程机械主力机种。自此装载机在全国机械产品中，成为重要代表产品，令世人瞩目。随着我国经济的持续、高速发展，对工程机械的需求将增长，这些需求对工程机械产品既提出了“量”又提出了“质”的市场需求。我国“九五”期间土石方、路基路面、基础及建筑施工工作量预计比“八五”要扩大一倍以上，工程机械的总需求量也将为“八五”期间的二倍，推土机、装载机、轮式起重机、
15、叉车、路面机械、凿岩钻车及挖掘机械等 7类主要工程机械“九五”末期的年需求量可在 12 万台以上。而轮式装载机在 2000年时年需求达 28000-30000台以上，这就为我国轮式装载机行业的发展提供了一个良好的市场，为制订战略发展宏伟目标提供科学决策依据。纵观国外装载机的发展特点及外部环境，专家预测未来装载机的主要发展趋势是：（a）开发节能、高效、可靠、环保型产品，并研制无泄漏的装载机。（b）微电子及机电一体化技术将获得越来越广泛的应用。（c）安全性及舒适性是产品发展的重要目标。（d）大型化与微型化仍是产品系列化的两个方向。（e）技术进步、人才培养和售后服务将成为企业生存的三大关键因素。（f
16、）集团化、社会化与国际化是企业生存与发展的必经之路。1 装载机的种类 目前，装载机的国际市场分为两类：一类是发达国家市场，二类是发展中国家市场。发达国家市场的产品技术水平和质量要求很高，竞争异常激烈。由于我国装载机产品档次低，不易开拓此类市场，而应重点巩固与继续开发二类市场。二类市场主要包括东南亚、中东、非洲和南美洲四大区域市场，主要由发展中国家组成，与我国有良好的外交关系，往来密切，也是我国装载机出口量最多的地区。因此，发展中国家市场是目前我国装载机进入国际市场的主要方面。由于受东南亚经济危机持续时间加长及一些国家货币贬值等诸多外部因素的影响，导致了我国装载机出口难度的增加，也给国外装载机及
17、其关键部件的进口创造了外部条件。总的来说，常用的单斗装载机，按行走装置，发动机功率，传动形式，行走系结构，装载方式的不同进行分类。1、行走装置的不同：装载机分为轮胎式和履带式两种。轮胎式装开机由动力装置、车架、行走装置、传动系统、转向系统、制动系统、液压系统和工作装置等组成，其结构简单图如图 2 所示。轮胎式装载机采用柴油机为动力装置，液力变矩、动力换档变速箱、双桥驱动等组成的液力机械式传动系统，液压操纵，铰接式车架转向，反转杆机构的工作装置。履带式装载机以专用底盘或工业拖拉机为基础车，装上工作装置并配装相就原操纵系统而构成，如图 1 所示。履带式装载机的动力装置也是柴油机，机械式传动系统则采
18、用液压助力湿式离合器或湿式双向液压操纵转向离合器和正转连杆机构的工作装置。图 1 轮胎式装载机 图 2 履带式装载机 1-行走机构；2-发动机；3-动臂；4-铲斗；5-转斗油缸；6-动臂油缸；7-驾驶室；8-燃油箱 2、发动机功率的不同：功率小于 74kw为小型装载机。功率在 74147kw为中型装载机 功率在 147515kw为大型装载机 功率大于 515kw为特大型装载机 3、传动形式的不同：液力机械传动，冲击振动小，传动件寿命长，操纵方便，车速与外载间可自动调节，一般在中大型装载机多采用；液力传动：可无级调速、操纵间便，但启动性较差，一般仅在小型装载机上采用；电力传动：无级调速、工作可靠
19、、维修简单、费用较高，一般在大型装载机上采用。4、行走结构的不同：轮胎式：质量轻、速度快、机动灵活、效率高、不易损坏路面、接地比压大、通过性差、但被广泛应用；履带式：接地比压小，通过性好、重心低、稳定性好、附着力强、牵引力大、比切入力大、速度低、灵活性相对差、成本高、行走时易损坏路面。5、装卸方式的不同：前卸式：结构简单、工作可靠、视野好，适合于各种作业场地，应用较广；回转式：工作装置安装在可回转 360O的转台上，侧面卸载不需要调头、作业效率高、但结构复杂、质量大、成本高、侧面稳性较差，适用于较侠小的场地。后卸式：前端装、后端卸、作业效率高、作业的安全性欠好。（二）运动仿真技术简介 1 运动
20、仿真技术产生的背景 进入 21 世纪，科学技术突飞猛进，社会发展日新月异。人们对个性化产品的需求越来越迫切，对产品性能的要求也越来越高，全球化经济已明显地呈现出买方市场的特点。由于这一变化，导致市场竞争日趋激烈，而竞争的核心则主要体现在产品创新上，体现在对客户的响应速度和响应品质上。传统的物理样机在产品的创新开发中，在开发周期、开发成本、产品品质等方面已越来越不能满足市场需求，运动仿真技术正是在这一市场需求的驱动下产生的。第 9 页 共 42 页 2 运动仿真技术 运动仿真技术是一种崭新的产品开发方法，是多个相关学科领域交叉、集成的产物，是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法。其涉及机
21、械、电子、计算机图形学、仿真建模、虚拟现实等多个领域、多项技术，以计算机仿真和产品生命周期建模为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，借助成熟的三维计算机图形技术、图形用户界面技术、信息技术、集成技术、多媒体技术、并行处理技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，使得与产品相关的所有人员能在产品研制的早期直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真以及使用仿真等。换句话说“运动仿真”设计方法就是在建造第一台物理样机之前，利用软件技术建立产品系统计算机模型，通过基于实体可视化的仿真分析，模拟系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性，以便反复修改设计方案，最终得到最
22、优设计方案。3 运动仿真技术在国内外的发展概况 国外已在各个领域广泛地应用仿真设计。所涉及到的产品从庞大的卡车到微小的照相机的快门，从火箭到轮船的锚机。在工程矿山机械行业，如约翰迪尔公司利用仿真技术成功地解决了工程机械在高速行驶时出现蛇行现象的问题及在重载下的自激振动这个一直困扰着设计师及用户的难题，大大提高了工程矿山机械高速行驶性能与重载作业性能。卡特彼勒公司利用虚拟样机在切削任何一片金属之前就可快速试验数千种设计方案，不但降低了产品设计成本，缩短了开发周期，而且还制造出性能更为优异的产品。运动仿真技术在国外已有很多应用实例，我国也正极急投身于该项技术的研究中。在传统上，我国引进物理样机，开
23、发人员往往停留在零件照抄的水平上，对于样机缺乏系统水平上的理解和研究，结果虽然投入了大量的人力物力，却收效甚微。但如果采用虚拟样机技术，技术人员便可对引进样机进行深入的研究，可以追踪样机的设计思想，从而真正提高设计人员的水平，开发出能满足市场需求的产品来。4 发展运动仿真技术的重要意义 运动仿真设计方法将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一种更全面地了解设备性能的方法。它利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能，对设备进行几何、功能及制造等方面交互的建模与分析。在概念设计和方案论证中，便于设计师将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中，充分发挥想象第 10 页
24、 共 42 页 力和创造力，并替代物理样机进行性能模拟试验。设计师可在计算机上方便地确定、修改设计进程，逐步优化设计方案。通过运动仿真机试验，还可节省建立试验台、安装测试设备和测试仪表等有关的费用，更快地确定影响设计方案性能的敏感参数，达到最优化设计目的。这样，可大大缩短设备研发周期，降低研制成本，提高设计质量和效率，为产品赢得了竞争优势。（三）Pro/ENGINEER 软件在工程设计中的应用 1 Pro/ENGINEER软件介绍 Pro/ENGINEER和Pro/MECHANICA是由美国参数技术公司推出的一套博大精深的三维CAD/CAM参数化软件系统,被广泛应用于工程技术领域。Pro/EN
25、GINEER和 Pro/MECHANICA不仅能够实现机械二维和三维动态造型仿真设计、机械设计、模具设计、加工制造设计、而且还能够实现机构仿真、结构分析、优化设计、电路设计以及数据库管理等多种技术目的。应用领域包括航空航天、汽车、机械、NC 加工，电工等诸多行业。由于其强大而完美的功能 Pro/ENGINEER几乎成为三维 CAD/CAM领域的一面旗帜和标准。它在国外大学院校里以成为学生工程必修的专业课程，也成为工程技术人员必备的技术，是目前国际上专业设计人员使用最为广泛的、先进的、具有多种功能的动态设计仿真软件。随着我国加入 WTO，一场新的工业设计领域的技术革命正在兴起。作为提高生产率和竞
26、争力的有效手段 Pro/ENGINEER也在国内形成一个广泛应用的热潮。Pro/ENGINEER WILDFIRE 是美国 PTC公司于 2003年新推出的 Pro/ENGINEER系列产品中的旗舰产品 该软件在原有的 2001版本基础上新增了重多功能，特别强调了设计过程的易用性以及设计人员之间的互联性。原有的 Pro/ENGINEER产品的升级周期为半年一次，而本次升级却花了两年的时间，其产品性能有了本质性的改善。PTC的系列软件不但包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER提供了目前所能达到的最全面、集成
27、最紧密的产品开发环境。它的技术特点在于以下两个方面。（1）Pro/E参数化设计特征和功能 Pro/ENGINEER是采用参数化设计的、基于特征的实体的建模工具，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如孔、壳、倒角及倒圆角。用户可以方便的修改模型，给工程设计者提供了设计上从未有过的简易和灵活。第 11 页 共 42 页 （2）Pro/E单一数据库 Pro/ENGINEER建立在统一基层上的数据库上，而传统的 CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，是指工程中的资料全部来自一个库，每一个独立用户都能同时为同一件产品造型而工作。换言之，在整个设计过程任何一处发生改动，
28、在整个设计过程的相关环节上都有响应。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径就会自动更新；组装工程图如有变动，也完全反映在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完美组合，把一件产品的设计工作紧密结合起来，使得设计效率更高，成品质量更好，产品能更好地推向市场，价格也更便宜，市场竞争力大大增强。本次对矿用小型装载机的设计应用 Pro/ENGINEER WILDFIRE软件,现就本次设计所接触到的几个主要模块做简要概述。1）机械设计 CAD模块 机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具，它可绘制形状相当复杂的零件。在实际中存在大量形状不规则的物体表面，如摩托车轮毂，这些称为自由曲面。随
29、着人们生活水平的提高，对曲面产品的需求将会大大增加。用 Pro/E生成曲面非常方便，方法有：拉伸 旋转 放样 扫掠 网格 点阵等。由于生成曲面的方法较多，因此 Pro/E可以迅速建立复杂曲面。2）运动分析模块 运动分析模块（CAE）是 CAE应用软件，用于建立运动机构模型，分析其运动规律。运动分析模块自动复制主模块的装配文件,并建立一系列不同的运动分析方案。Pro/ENGINEER 运动分析模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力距。Pro/ENGINEER MOTION模块为 Pro/ENGINEER的集成运动模块，是设计机构运动强有力的工
30、具。该模块可以让机构设计师设定装配件在特定的环境中的机构动作并给予评估，能够判断出改变哪些参数能满足工程及性能超群上的要求，使产品设计达最佳状态，Pro/ENGINEER MOTION有如下功能：a)校验机构运动的正确性，对运动进行仿真，计算机构任意时刻的位置、速度、加速度。b)可以通过运动分析，得出装配的最佳配置。c)根据给出的力决定运动状态及反作用力。d)根据运动反求所需要的力。e)求出铰接点所受的力及轴承力。f)通过尺寸变量对机构进行优化。第 12 页 共 42 页 g)干涉检查。2 运动仿真技术对装载机设计理念的影响 装载机是一种作业效率高，用途广泛的工程机械，它不仅对松散的堆积物料可
31、进行装运、卸作业，还可对岩石、硬土进行轻度铲掘工作，并能用来清理刮平场地及牵引作业。经过 80 多年的发展，到今天装载机已经成为一种必不可少的工程用具。目前，世界上已经出现了许多能够满足不同要求的规格种类繁多的装载机产品。随着科技的发展，和设计理念的不断更新，还将出现更多功能和性能优良的装载机产品。本次改装设计的小型装载机主要用于中小型矿井下代替人工，铲装粒度不大的散装物料，对提高中小型矿井的机械化水平有重要意义。通常在对轮式装载机的工作装置进行机构分析时一般采用图解法或解析法，采用图解法精度较低，使用解析法计算又很复杂，因此一般只对几个作业位置进行分析计算，难以了解全部工况的作业性能及负荷变
32、化。为解决这一问题，我们使用机械系统运动学与动力学分析仿真软件对其进行分析。这就要求先进行装载机工作装置的运动仿真设计。装载机工作机构的运动仿真的设计主要是用大型参数化建模工具 Pro/ENINEER对工作装置先进行三维实体建模，然后实现动态模拟。为能够方便的解决在产品设计阶段中运动构件在运动过程中的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查等问题找到一个切实可行的新方法。装载机虚拟样机的设计步骤和传统设计步骤基本相同如图1.2.1所示。第 13 页 共 42 页 图 1.2.1 装载机工作装置运动仿真设计步骤 N Y Y Y N N Y 装载机模型 设计方案 实体建模 干涉检查分析 N
33、运动分析 生成工程图 是否符合设计要求 设计结果是否满意 第 14 页 共 42 页 第二章 液压缸的选择（一）液压缸的主要参数 缸的主要参数包括行程、缸径、最高使用压力等。大臂缸和翻斗缸的要求相同均为最大推力：20000N、行程：800mm，一般均是工作过程中伸出过程压力远高于缩回过程，主要按伸出推力计算即可，活塞截面积：Ah=Fmax/pmax=20000N/14.23MPa=1.4*10-3 m2 Dg=2(Ah/)1/2=42mm Ah 预算缸的活塞面积 Fmax 缸允许的最大推力 pmax 泵输出的最大压力 Dg 预算缸的内腔直径 那就要求所选缸最高使用压力大于或等于 14MPa，行
34、程为800mm，缸内径为42mm或略小于 42mm的尾部耳环式等速缸。选缸：D25WE4022800MISO 型号 行程 最高使用压力 D25WE4022800MISO 800mm 25MPa 活塞杆直径 液压缸内径 22mm 80mm 第 15 页 共 42 页 第三章 装载机工作装置三维实体建模 装载机整体结构为对称结构。分析装载机插入、铲起、举升、卸载等的作业过程可知，装载机载初铲时，工作装置受力最大。在整个工作过程中受到的外界载荷为不变载荷，主要是物料的重量以及机构自重。由于物料种类和作业的条件不同，装载机工作时铲斗切削刃并非均匀受载，一般可以简化为两种极端情况：（1）认为载荷沿切削刃
35、均匀分布，并以作用在铲斗切削刃中点的集中载荷来代替均布载荷，称其为对称受载情况；（2）非对称受载情况，由于铲斗偏铲、料堆密集情况不均，使载荷偏于铲斗一侧，通常将其简化为集中载荷作用在铲斗最边缘的斗齿上。这两种处理方法都是偏于安全的。当结构受力超过其极限载荷，材料发生塑性变形直至开裂（焊接部位）或断裂。（一）工作装置零件建模 在传统的工程设计中，首先在头脑中形成产品的三维轮廓，然后在图纸上利用二维工程图表示，其他设计人员以及工艺 生产等不同部门的人员再通过二维图纸将产品还原为三维影像。由于图纸的错误和理解的偏差，设计人员的意图并不总能完全实现，因而设计制造的周期较长，产品的质量也受到影响。在产品
36、的形状和结构较为复杂的时候尤其如此。因此三维化设计应该是发展趋势。三维模型的发展经历了由线框、曲面到实体的过程。实体模型最真实的反映三维形体的特性，不但包括了形体的几何轮廓，而且由于实体有密度属性，因而可以进行质量计算、干涉检查等操作。基本特征是建模时创建的第一个特征，是零件结构的基本要素。基本特征以后的其他特征依赖于基本特征。基本特征可以是实体特征，也可以是基准特征，正交基准平面就常常被用作基本特征。第 16 页 共 42 页 在 Pro/E中进行零件设计的步骤是先创建基本特征，然后添加结构特征。开始做零件之前，应做好充分的准备工作，明确设计意图。认真考虑设计的关键尺寸，可以变动的尺寸与尺寸
37、之间的关系，在装配时与其他零件的装配关系等。由于在 Pro/E中实体模型可以有多种不同的生成方法,采取何种方法更为合理、高效,需要有一个经验积累过程。一般来说，要根据图形的形状选择生成模型的方式。草图绘制尽量简化，最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。如果要像绘制二维工程视图那样绘制草图,效率会很低,实践证明也没有这个必要。因为在 Pro/ENGINEER中我们可以对实体进行各种编辑操作，如倒圆角。再就是如果草图绘制过于精细,再生成模型时会耗尽计算机资源,使得三维模型生成速度很慢并且容易出现问题。1.动臂的生成 第 17 页 共 42 页 图 3.1.1动臂实体图 动臂建模主要采用拉伸，首
38、先选定草绘平面进入草绘模式，绘出动臂二维草图，然后进行拉伸生成动臂三维实体，再在其上打孔，应注意保证主要尺寸的准确性。对另一个动臂我们可以用复制的方法得到。复制方法有两种：一是镜像，另一是平移，如图 3.1.1 采用镜像。最后添加一些细节,动臂上的筋板，添加筋板时要注意参考面的正确建立。对于复杂的零件,选择合理的生成方法就显得尤为重要。因为选择不正确的生成方法不但效率低，而且有些情况根本就不能生成实体模型。因此，在设计实体模型之前，必须要考虑好模型的生成方法和步骤。这就要求设计人员要有较好的空间想像力和抽象思维的能力，这也是三维建模同二维图形绘制最大的不同之处。2.铲斗的生成 采用拉伸方法建立
39、铲斗基本体，用抽壳功能形成基本壳体。在基本体上添加加厚板以及肋板特征。添加耳特征时只需建立耳特征的一个面，然后采用镜像复制命令就可以完成肋板的设计。最后采用两侧拉伸方法添加截齿特征和陈列生成。在铲斗建模过程中要注意的是两侧加厚板的复制。图 3.1.2铲斗实体图 第 18 页 共 42 页 3.底座的生成 图 3.1.3底座实体图 先建立底盘框架，采用裁减命令生成槽钢结构，在框架上生成后续特征。底座的生成主要采用了拉伸命令，裁减命令和复制命令。底座建模过程中需注意翻转油缸连接座的正确定位。4.连杆的生成 第 19 页 共 42 页 图 3.1.4连杆实体 连杆的生成比较简单，主要采用了拉伸命令，
40、需要注意的是在草绘截面时尺寸的标注，要保证主要尺寸的准确，比如两孔中心距。5.摇臂的生成 图 3.1.5摇臂实体图 摇臂建模也主要采用拉伸命令，先建立特征实体的一半然后用复制特征命令镜像特征另一半，需要注意的是镜像特征时对称基准的建立方法。然后在基本特征上建立孔特征，应注意保证孔间距的准确，建议：先建立摇臂两端的连接孔，生成后再建立中间连接孔。这样作，主要是避免三个孔同时建立时出现的孔位置难以确定的问题。6.液压缸筒的生成 图 3.1.6 液压缸筒实体 液压缸模型结构及尺寸参看机械设计手册，主要采用拉伸和裁减命令生成，需要注第 20 页 共 42 页 意的是尾部联结油管的内部结构和建立方法。7
41、.液压缸盖的生成 图 3.1.7液压缸盖实 缸盖结构和尺寸参看机械设计手册，主要用拉伸和裁减命令，注意内部需加上密封槽。8.液压缸活塞的生成 图 3.1.8液压缸活塞实体 其结构和尺寸需参看机械设计手册，也主要采用拉伸和裁减命令生成，注意也要加上密封槽。9.连接销轴的生成 第 21 页 共 42 页 图 3.1.9连接销轴实体 销轴建模主要采用旋转命令，先绘制一条旋转轴，接着草绘截面，再绕旋转轴旋转360 度就可生成销轴实体，然后生成轴端的限位孔，最后在需要倒角的部位倒角。（二）工作装置装配模型建模 零件设计完成后，往往需要根据设计要求对零件进行装配。在 Pro/ENGINEER 的装配模块中
42、，通过定义零件之间的位置约束关系，可以把子零件装配成一个装配件，并检查零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否合乎设计要求。同时在生成装配体过程中，用户可以根据需要添加生成新的零件和特征。使用 Pro/E 进行装配设计有两种基本方法，示意图如图 3.2.1 所示。零件设计示意图零件零件部件装配件部件装配件零件零件装配件装配体设计示意图（a）由底向上的设计方法 第 22 页 共 42 页 装配体设计示意图装配件零件零件部件装配件部件装配件零件零件零件设计示意图(b)由顶向下的设计方法 图 3.2.1 Pro/E的装配件设计方法 在上面两种方法中，第 1 种方法相对于第 2 种方法是比较低端的方
43、法。因为在真正的概念设计中，很少利用一个零件来控制整个装配体的设计，往往都是在拿出产品的外在概念和功能概念后，逐步对产品进行设计上的细化，直至细化到单个零件。由此可以看出，在对产品总体设计上，以由顶向下的设计方法更为贴近实际一些。但是由底向上的设计方法并不是一无是处，对于一些已经比较成熟的产品设计过程，采用这种设计方法效率反而高一些。在实际的装配过程中通常混合使用这辆中设计方法，以发挥各自的优点。比如本次对矿用小型装载机的改造设计，由于该项设计在技术上已经比较成熟，所以采用第一种方法比较合适。前面已经生成小型装载机的各种底层零件的三维模型，然后采用由底向上的装配设计方法对这些零件进行空间定位来
44、生成装配件。在装配件设计时，可以根据需要对装配件中的零件进行修改，比如修改零件尺寸，移动零件在装配件中的位置，生成新的特征等。对于一个装配件，当其中所有的零件都被完全约束时，这种装配件就称为参数化的装配件，否则就是非参数化的装配件。第 23 页 共 42 页 第四章 装载机工作装置运动仿真（一）概述 完成装载机工作装置的装配模型设计后，就要开始进行本次设计的核心内容装载机工作次试验才确定的。可能因为初次设计，缺乏经验的原因，但也能够看出正确的装配方法是确保运动仿真能够实现的关键。在 Pro/ENGINEER的“机械（Mechanism）”模块中，可进行一个机械装置的机械运动仿真，并将其结果输入
45、到 Pro/MECHANICA中，以便于进一步进行力学分析，也可以将“机械”模型带入到“设计动画”中来创建一个动画序列。（二）创建装载机工作装置的机械运动仿真 1.连接轴设置 本次设计只对大臂连接轴进行了设置，对其余连接轴均采用默认设置。大臂连接轴第 24 页 共 42 页 设置过程如下：打开工作装置的装配模型文件，点选主菜单上的“应用程序”弹出其下拉菜单，然后点选“Mechanism”进入机械模块界面。接着选择“Mechanism”，弹出其下拉菜单，点选“拖动”命令。出现“拖动”对话框，如图 4.2.1所示。然后选取装配模型中的大臂上的一点，用鼠标对其进行托移。建议在托移过程中将铲斗锁定。具
46、体方法:先点选“拖动”对话框中的“约束”选项卡，如图 4.2.1所示。再点选标签，如图 4.2.2所示，然后选取铲斗与大臂的连接轴，这样就锁定了铲斗，在拖动大臂过程中铲斗将保持不动。图 4.2.1 图 4.2.2 将大臂托移到铲土工况时的位置，也就是图 3.2.9(a)所示大臂位置，然后关闭“托动”对话框。选择“Mechanism(M)”下拉菜单中的“连接轴设置”命令，系统弹出如图 4.2.3所示的“连接轴设置”对话框，在该对话框中进行下列操作：在装配模型中选择大臂与底座的连接轴，系统加亮所选取的轴，该连接轴名称Connection_1.axis_1显示在对话框中，同时该接头中的第一主体底座显
47、示绿色，第二主体大臂显示青色。清除复选框并单击“生成零点”。系统便将当前“连接轴位置”设置为零。点“限制”按钮系统显示如图 4.2.4所示的界面，选中该界面中的复选框，再分别在“最小”和“最大”文本框中键入0 和 81。这样就限定了该连接轴，即大臂的运动范围。单击“连接轴设置”对话框中的“确定”按钮。完成该连接轴设置。再次拖动大臂可验证所定义的极限已经起作用了。第 25 页 共 42 页 图 4.2.3 图 4.2.4 2.创建快照 可通过创建快照操作使工作装置的某个位置保存下来，以便下次查看。本次设计对装载机的工作装置在几个不同工况中的位置均创建了快照，具体方法如下：将工作装置拖动到需要创建
48、快照的工位，在“拖动”对话框中点选“快照”选项卡，然后单击按钮就完成了一次快照创建。3.定义伺服电动机 伺服电动机是以单一自由度在两个主体之间强加特殊运动。向模型中添加伺服电动机，是为运动运行作准备。伺服电动机通过将位置、速度或加速度指定为时间的函数来形成运动轮廓，主要有以下函数：常量：y=A，A=常量；该类型用于定义恒定运动。斜插入：y=A+B*t,其中，A=常量，B=斜率；该类型用于定义恒定运动或随时间成线性变化的运动。余弦：y=A*cos(2*Pi*t/T+B)+C,A=振幅，B=相位，C=偏移量，T=周期；该类型用于定义振荡往复运动。摆线：y=L*t/TL*sin(2*Pi*t/T)/
49、2*Pi,L=总上升数，T=周期；该类型用于模拟一个凸轮轮廓输出。表：通过输入一个表来定义位置速度或加速度与时间的关系，表文件的扩展名为.tab，可以在任何文本编辑器创建或打开。文件采用两栏格式，第一栏是时间，该栏第 26 页 共 42 页 中的时间值必须从第一行到最后一行按升序排列；第二栏是速度、加速度或位置。可以在连接轴或几何图元上放置伺服电动机.对于一个图元,可以定义任意多个伺服电动机.本次设计的装载机工作装置模型中共定义了八个伺服电动机,其中六个定义在铲斗与举升臂的连接轴上,主要用来控制铲斗的翻转运动.另外两个电动机都定义在举升臂与底座的连接轴上,两个电动机运动方向相反,用来举臂和落臂
50、.定义伺服电动机的具体操作如下:选择“Mechanism(M)”下拉菜单中的“伺服电动机”选项，系统弹出“伺服电动机”对话框，单击该对话框中的“新建”按钮。弹出如图 4.2.5所示的“伺服电动机定义”对话框，在该对话框中进行下列操作。键入伺服电动机名称：在该对话框中的名字文本框中键入伺服电动机名 或采用系统默认名。（2）选择连接轴：单击对话框中的“类型”标签在该界面下进行下列操作。图 4.2.5 a.单击“从动实体”区域中的，从弹出的下拉列表中选择“连接轴”（默 认选项）b.在装配模型上选中所要定义伺服电动机的连接轴。（3）型中出现一个洋红色的箭头，表明连接轴中从动图元将相对于参照图元 动的方