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(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)综合课程设计II项目总结报告题目：液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究院（系）机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学生学号班号指导教师填报日期2013年12月5日哈尔滨工业大学机电工程学院制2013年11月说明一、总结报告应包括下列主要内容：1．项目背景分析；2．研究计划要点与执行情况；3．项目关键技术的解决；4．具体研究内容与技术实现；5．技术指标分析；6．存在的问题与建议。
二、总结报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。
指导教师评语：指导教师签字：检查日期：哈尔滨工业大学课程设计任务书目录第一章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统介绍 (1)1.1单斗液压挖掘机的机械模型简介 (1)1.2电液控制系统的组成 (2)第二章液压挖掘机工装轨迹的运动学分析 (4)2.1运动学问题 (4)2.2 运动学逆问题 (6)第三章液压挖掘机液压系统的建模分析 (9)3.1斗杆液压缸的传递函数 (9)3.2动臂液压缸的传递函数 (10)3.3其它环节传递函数 (10)3.4斗杆系统的整体建模与仿真 (12)3.5 动臂系统的整体建模与仿真 (14)第四章控制系统的电路设计 (17)4.1角度传感器的选择 (17)4.2 数据采集电路 (18)4.3 DA转换器及接口电路 (18)4.4 控制系统的电路原理图设计 (19)第五章控制方法的选择及MATLAB仿真技术 (21)5.1 计算机实现PID控制 (21)5.2 斗杆系统PID控制仿真 (22)5.3 动臂系统PID控制仿真 (25)参考文献 (29)第一章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统介绍1.1单斗液压挖掘机的机械模型简介本次课程设计的液压挖掘机是针对学校的实验室用的样机模型，其容量为0.01立方米，动臂和斗杆为四连杆机构，动臂、斗杆和铲斗均由液压缸驱动，它们之间以销轴连接。
在动臂和斗杆的销轴上分别安装了角度传感器，用以检测相对位角。
摘要基于Pro/E的装载机工作装置的实体建模及运动仿真专业：机械设计制造及自动化作者：李书知指导教师：陈丰峰摘要：装载机是一种应用广泛的工程机械。
有其广泛的空间，但由于装载机传统开发模式存在的开发周期长、过程繁杂、开发成本高、性能测试困难等问题，本文将仿真技术引入装载机开发领域，完成以下工作：1．介绍了装载机的发展历史及前景，装载机的种类，介绍了仿真技术产生的背景、在国内的发展状况以及仿真技术的实际意义。
2．对液压缸作出了合理的选择。
3．简述了Pro/E软件在工程设计中的应用，利用Pro/E构建装载机的三维实体模型，并对其进行装配，在Pro/E 环境下进行了装配干涉检验。
4．在Pro/ENIEER MECHANISM环境下进行运动仿真,得出装载机工作的性能曲线。
关键字：装载机工作装置液压缸仿真技术三维建模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 simulationtechnology 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 byPro/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目录摘要 (I)1 前言 (4)1.1 装载机的简介 (4)1.1.1 装载机的发展历史及前景 (4)1.1.2 装载机的种类 (4)1.1.3 本章小结............................................................................................. 错误！未定义书签。
基于Pro/E的液压挖掘机设计集成与轻量化分析2009-11-19 20:18:37 作者：•本文分析了Pro/ENGINEER三维参数化设计流程，结合液压挖掘机的模型和组成特点，对其在参数化设计、装配与运动仿真、有限元分析与结构优化、轻量化设计等方面进行了深入剖析。
通过此流程，可以提高液压挖掘机的设计效率，降低设计时间。
文中完全摒弃了偏重参数化设计的思想，而是以液压挖掘机的实际问题为核心，该方案也适用于其他类似工程机械设备的研发。
一、前言液压挖掘机是土石方工程的主要施工机械，如图1所示。
全世界各种施工作业场约有65%～70%的土石方工程都是由挖掘机完成的。
近年来，国内外液压挖掘机产量急剧上升，结构逐步完善，在工程建设和施工行业中占有很重要的位置。
液压挖掘机迅速发展的根本原因在于机械本身的优越性、通用性好和操纵轻便，也在于重视试验研究工作和计算机技术的引用。
在Bauma2008展会上展出的液压挖掘机中，传统型和通用型产品样机较少，多是一些有特殊构造、有特色的和多功能产品，这既体现了各厂家市场差异化的产品发展战略，又体现了各自的技术水平和实力。
这些变化大大扩展了液压挖掘机的功用，提高了产品的施工适用性，同时对设计手段和设计效率也提出了更高的要求。
液压挖掘机行业作为工程机械行业的重要分支，其设计方式正经历着革命性变化，计算机辅助设计技术的推广应用势在必行。
采用新结构和新材料，利用现代设计技术和先进制造技术，是保证和提高液压挖掘机性能的重要途径。
以前通过大量的样机和试验方式来验证产品可靠性和稳定性的方法，正在逐渐为虚拟样机和虚拟试验方式所取代。
这些技术既能缩短产品的设计和制造周期，同时又能提高产品的质量。
国外许多有实力的生产厂商、科研机构都已经针对挖掘机设计开发出一些专业软件，如美国卡特匹勒(C a t e r p i l l a r)、德国利勃海尔(L i e b he r r)、英国J B C和日本神钢(C K O B E L C O)等公司都进行了专业化的设计软件开发，但目前市场上可供选用的商品化应用软件却很少。
湖北文理学院毕业设计(论文)正文题目基于Pro/E的挖掘机的设计与运动仿真专业机械设计制造及其自动化班级机制0812班姓名倪宗道学号08116225指导教师张俊教授2012年 5月 16日基于Pro/E的挖掘机的设计与运动仿真摘要：挖掘机广泛应用于工程机械中，随着科学技术和制造业的发展,计算机辅助设计技术越来越广泛地应用在各个设计领域，为了缩短产品的设计周期、提高设计质量、降低设计成本，满足投资者和产品更新换代的需要。
根据挖掘机的工作原理和结构特点，利用三维建模软件Pro/Engineer建立了挖掘机各零件的三维模型，并在此基础上进行零件的装配、干涉检查、运动仿真分析等高级计算机辅助设计工作，将复杂的挖掘机形象地展现在用户面前，使设计者在设计阶段就能清楚地见到产品的最终结果，及时发现设计问题，既减轻了工作量又节省了资金，为新产品的开发奠定了基础，有助于增强企业的产品开发能力。
关键词：挖掘机；虚拟装配；三维建模； Pro/E；运动仿真Structural Design and Motion Simulation of the Excavator Based onPro / EAbstract:With the development of science and technology and manufacturing excavators are widely used in construction machinery, computer-aided design technology becomes more widely used in various design fields, in order to shorten the design cycle, improve design quality, reduce design costs, meet the needs of investors and product replacement. According to the excavator working principle and structure characteristics, the use of three-dimensional modeling software Pro / Engineer part to establish a three-dimensional model of the excavator, and on this basis part of the assembly, interference detection, motion simulation and other advanced computer-aided design , the complexity of the image to show the excavator to the user, so that designers in the design phase can clearly see the results of the final product, to detect design problems. Not only reduces the workload but also saves money for the new foundation for the development of products to help enhance product development capabilities.Key word:Excavator; Virtual assembly; 3D Model; Pro / E; Motion Simulation目录1 绪论 (1)1.1本课题研究的背景 (1)1.2本课题研究的目的及意义 (3)1.3调研分析 (4)1. 4本章小结 (5)2 挖掘机的总体分析 (6)2.1目前挖掘机设计中存在的优缺点 (6)2.2颜色的拟定 (7)2.3挖掘机运动部件的分析 (8)2.4本章小结 (9)3 挖掘机零件的三维设计 (10)3.1 Pro/E设计概述 (10)3.2 挖掘机主要零件的三维设计 (12)3.3 挖掘机其他零件的三维设计 (16)3.4本章小结 (20)4挖掘机的装配设计 (21)4.1装配概述 (21)4.2挖掘机总体装配过程 (23)4.3本章小结 (33)5 挖掘机的运动仿真 (34)5.1运动仿真概述 (34)5.2挖掘机的运动分析及干涉检验 (35)5.3伺服电机的设定 (37)5.3.1车体（旋转台）轴的电动机设计 (37)5.3.2主臂油缸的电动机设计 (38)5.3.3前臂油缸的电动机设计 (38)5.3.4挖斗油缸的电动机设计 (39)5.3.5整车直线轨迹电动机设计 (40)5.3.6整车弧线轨迹电动机设计 (40)5.4挖掘机的运动仿真 (41)5.5本章小结 (44)6本文总结 (45)1 绪论1.1本课题研究的背景早在1954年我国就已开始生产机械式挖掘机,当时的抚顺重型机器厂(抚顺挖掘机厂前身)引进前苏联的机械式挖掘机W10012和W5012等国际20世纪30－40年代的产品。
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本科毕业论文（设计）基于SolidWorks的液压挖掘机手臂的三维建模及运动仿真毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
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对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
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作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
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毕业设计（论文）开题报告表南通航运职业技术学院毕业设计（论文）班级专业机械制造及自动化题目挖掘机造型设计及运动仿真学生姓名指导教师2009年 1月 13日摘要摘要本文给出了挖掘机造型设计及运动仿真的方法和过程。
本设计运用的是美国PTC公司所开发的Pro/ENGINEER大型三维CAD/CAE/CAM设计软件。
以Pro/E软件来进行挖掘机的结构设计及运动仿真，将自己学到的理论知识和实际相结合，完成本次的设计仿真，从中学到更多的知识，培养自己的个人能力，学习正确看待问题，分析问题，最终把问题处理到最好。
在设计过程中又可以从中吸取教训，避免在以后的工作，学习当中遇到类似问题。
在对挖掘机的结构设计前要通过查阅、整理资料、实地考察、综合运用软件分析等一系列研究方法进行整合，结合实际情况制定实用的设计方案。
然后通过所学知识运用pro\E的各项功能创建挖掘机模型，进入装配，把挖掘机各部分装配起来，再进行运动仿真。
本设计结果为挖掘机的所有电动机联动，并完成挖掘、搬运、倾倒等运动仿真，以保证挖掘机的各个部分能够完成联动，切合实际的完成挖掘机的基本动作，并在设计论文中提供各个部件的机构图。
设计结果为挖掘机的各部件的设计思路图，尺寸参数，实体图，运动仿真文件等等，能够进行正确仿真运动，挖掘机符合实际运用，能够完成本该拥有的功能。
关键词：挖掘机；pro/E设计与仿真；CAD工程图目录前言 (1)一．挖掘机简介 (2)1.1 挖掘机的定义 (2)1.2 挖掘机简史 (2)1.3 挖掘机的构成 (2)1.4 挖掘机的分类 (2)二．挖掘机的发展概况及运动原理 (3)2.1 国内挖掘机发展概况 (3)2.2 国外挖掘机发展概况 (3)2.3 挖掘机运动原理 (4)三．挖掘机的造型设计 (5)3.1 挖掘机底盘的造型设计 (5)3.2 挖掘机轮子的造型设计 (8)3.3 挖掘机机体及座舱的造型设计 (9)3.4 挖掘机的前臂连接块的造型设计 (14)3.5 挖掘机动臂的造型设计 (16)3.6 挖掘机斗杆的造型设计 (18)3.7 挖掘机铲斗的造型设计 (19)3.8 挖掘机油缸的造型设计 (21)3.9 挖掘机油缸活塞的造型设计 (22)3.10 挖掘机连杆的造型设计 (23)3.11 挖掘机摇杆的造型设计 (23)四．挖掘机运动仿真 (24)4.1 挖掘机的各部件连接 (24)4.1.1 挖掘机主体的连接 (24)4.1.2 挖掘机前臂的连接 (24)4.1.3 挖掘机铲斗的连接 (26)4.1.4 挖掘机轮子的连接 (27)4.2 添加伺服电机 (28)4.3 运行分析 (29)4.4 仿真效果 (30)五．生成挖掘机工程图 (31)5.1 挖掘机底盘工程图 (31)5.2 挖掘机机体工程图 (36)5.3 挖掘机前臂连接块工程图 (37)5.4 挖掘机动臂工程图 (38)5.5 挖掘机斗杆工程图 (39)5.6 挖掘机铲斗工程图 (40)六．总结 (41)参考文献 (42)前言本文给出了挖掘机造型设计及运动仿真的方法和过程。
《基于ProE的液压挖掘机工作装置运动仿真毕业设计(论文)word格式》
基于Pro/E的液压挖掘机工作装置运动仿真
近年来，集挖掘和装载功能于一体的液压挖掘机在基础建设和民用建筑建设中的使用与日俱增。
由于液压挖掘机的工作条件比较恶劣，工作装置故障较多，造成整机工作可靠性较差，因此挖掘机的可靠性和最优化设计成为国产挖掘机设计的重点和难点。
本文以某国产22t挖掘机为例，探讨在Pro/E软件环境下，对挖掘机工作装置进行三维实体建模、虚拟装配、运动仿真与动态模拟，为挖掘机物理样机的制造、新机型设计方案的评估提供有效参考数据。
1、挖掘机虚拟样机的建立
1.1挖掘机三维零件模型的建立
一般来说，在Pro/E软件环境下，机械系统的三维建模应该严格按照设计构思或者前期图纸为依据进行，尽量保持三维图形数据的完整和正确性。
由于本文将进行挖掘机虚拟样机的动力学分析和工作装置的有限元分析，因此此次建模原则是：挖掘机工作装置建模尽量细化，包括动臂、斗杆等的内部加强筋等需详细建模，而除工作装置以外的部件，在建模时则尽量简化，比如回转平台、行走装置等只是勾画出外部形状，而内部细节并未详细绘制，但在动力学分析时，其转动惯量、质量等依据设计数据进行。
建立挖掘机工作装置虚拟样机的过程如图1所示。
1.2挖掘机虚拟样机的装配
所建立的某国产22t液压挖掘机的虚拟样机模型如图2所示。
在进行虚拟样机装配之初，采用按照挖掘机各铰接点位置装配，结果发现效率低下，而且装配的精度很低，且在最后连杆装配时，出现无法约束的情况。
后来，改用“连接”约束方式：动臂和回转平台的连接、动臂与斗杆的连接、斗杆与铲斗的连接、动臂油缸缸筒与转平台的连接、连杆与斗杆的连接、动臂油缸活塞杆与动臂的连接等均采用“销轴”约束；各油缸活塞杆与油缸缸筒的连接、摇杆与铲斗的连接、连杆与摇杆的连接采用“圆柱”约束；其它刚性零件(斗齿、驾驶室等)采用刚性连接中的“匹配”和“插入”约束。
这种虚拟装配方法不需要移动连杆、摇杆和铲斗拼凑装配，工作量小、效率高，也易于达到装配要求。
图1 挖掘机工作装置虚拟样机的建模过程(按工艺流程)
图2 某国产22t液压挖掘机虚拟样机模型
2、挖掘机工作装置的运动仿真
2.1挖掘机工作装置动态模拟与分析基本流程
工作装置动态模拟与分析的基本流程如图3所示。
2.2工作装置的运动学分析
挖掘机工作装置动态模拟的工况设定如下：
以斗杆缸挖掘为主，铲斗缸配合，使斗中土壤不至于撒出。
取22t挖掘机最大挖掘深度的1/2(3301.5mm)，取其最大挖掘半径的1/3(6704mm)，同时铲斗处于最大挖掘力状态，卸载高度为2.5m，回转90°至目的地卸土。
设斗杆摆动50°可使铲斗满载，注意在提升过程中配合转动铲斗保持满载状态。
熟练操作工充分利用复合动作，且动作间衔接紧密，液压系统可自动合流，挖掘土壤Ⅲ级。
图4给出了某国产22t挖掘机的作业循环时间表。
该时间表根据上述工况假设，按“流量法”从理论上计算出挖掘、提臂、满斗、卸载、回转、降臂等整个工作循环所需要的时间。
根据图4，在Pro/E软件的Pro/MECHANISM模块下进行如下设定，完成挖掘动作模拟。
分别在动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸上施加6个“伺服电动机”；在回转平台与行走机构的“连接”轴上施加2个“伺服电动机”。
设定各个“伺服电动机”的速度，设定“结束时间”为14.742s，设定挖掘机挖掘初始状态为起始位置，并根据“作业循环时问表”设定各个“伺服电动机”的起止时间。
依据图4，可以得出挖掘机各个伺服电动机运动的时间关系分段函数为：
其中x1，x2，x3，x4，x5，x6分别为挖掘、提臂、回转、卸载、回转和降臂所对应伺服电动机的运行时间。
一个作业循环时间T=14.742s，在设定中注意有复合动作伺服电动机起止时间的设定。
根据(1)式很好地解决了各个伺服电动机的运动关系问题，使工作装置的整个工作循环动态模拟能顺利地按工作顺序完成。
最后可以通过捕捉动态模拟过程，制作成一个动画片。
通过以上设定，运行上述“动作设定”，可得出挖掘机工作状态模拟，如图5所示。
与挖掘机实际挖掘动作相比，模拟过程完全相符，因此证明在Pro/E软件环境下的运动仿真是正确的。
另外，挖掘机整个作业循环的完成，也证明了在Pro/E软件环境下，不但可以完成挖掘机动态模拟，还可以在分析过程中检查各个构件的干涉情况。
通过全局干涉检查，判断某国产22t挖掘机工作装置不存在干涉问题。
2.3挖掘机工作装置虚拟样机的仿真结果分析
如图6所示，本文以挖掘机铲斗中齿的齿尖部位作为研究对象(图中测量点)，分析其运动轨迹，速度、加速度与时间的关系。
由于篇幅所限，以下仅给出挖掘机工作装置的斗齿部位在整个挖掘作业循环时间里的速度、加速度、位置和时间的运动仿真分析结果，如图7、图8、图9所示。
从图7、图8中可以看出，只有在铲斗油缸动作时(也即铲斗运动时)，斗齿部位才有速度、加速度的变化，其他时刻铲斗相对于斗杆为静止。
图7、8中曲线的拐点A处为挖掘状态；B、C、D处曲线呈锯齿状，这是因为在动臂提升过程中进行了三次瞬间的铲斗姿态的调整，以保证铲斗满载状态；E处为铲斗快速卸载状态。
相对来说，铲斗在卸载时的速度、加速度最大。
从图9中可以看出，铲斗在整个挖掘机挖掘过程中，其位置(相对地面位置)在不停地变化。
拐点的位置发生在挖掘各个不同的工况位置。
图3 工作装置的动态模拟与分析基本流程
图4 某国产22t挖掘机理论作业循环时间表
图5 整个挖掘循环过程的动作模拟
图6 测量点示意图
图7 斗齿部位的速度一时间曲线
图8 斗齿部位的加速度一时间曲线
图9 斗齿部位的位置一时间曲线
2.4挖掘机运动仿真的意义
从图7和图8中可以看出，在铲斗进行挖掘的时候，斗齿部位的速度和加速度增大到拐点位置后有一个平缓的过渡，在挖掘结束后从另一个拐点位置开始减小，两个拐点之间的区间为挖掘机进行复合挖掘的时问。
显然，在斗齿刚切人土壤时和装满铲斗准备提升时两个暂态，速度和加速度的值略大于挖掘时刻的值，这与挖掘机实际工作情形是相符的。
从提高挖掘机作业效率角度考虑，可以通过减小挖掘的
时间段达到提高作业效率的目的。
在挖掘机铲斗装满土壤提升动臂时，为使铲斗中土壤不至于洒出，需要在动臂提升过程中进行铲斗姿态的调整。
本次仿真在提升过程中进行了3次铲斗的调整，因此图7和图8的曲线中有3次锯齿状突变。
该突变说明铲斗姿态的调整对运动中铲斗的速度和加速度有很大影响，调整时间越短，突变越剧烈。
从液压缸设计角度出发，应该考虑姿态调整引起的冲击力对液压缸的影响。
另外，这个冲击力也必然会影响到斗杆、动臂的载荷分布及应力变化，需要在斗杆和动臂的设计中考虑其影响。
在铲斗卸料的时候，由于考虑作业效率和铲斗的卸净度，在设计中采用了短时间、快速的卸料方法，因此图7和图8中的卸料区间的速度、加速度突变非常剧烈。
从仿真结果可以得出，这种大的速度、加速度变化，虽然有液压系统的缓冲，但是对工作装置的影响必然存在，所以应在实际的工作装置设计中予以考虑。
挖掘机工作装置运动仿真的实现，结束了挖掘机设计的分析和评估只能在物理样机上进行的历史，创造了新的挖掘机设计途径：计算机三维设计——虚拟样机分析——设计评估及改进。
这样不仅使挖掘机的设计效率和可靠性明显提高，也为企业产品的早日推出争取了时间。
参考文献
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