基于proe的液压挖掘机三维建模与运动仿真

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。

优秀设计07机制专业《三维设计技术》期末考核大作业——挖掘机的三维实体造型及装配班级：姓名：学号：挖掘机的装配（一）绘制挖掘机挖斗（1）创建新文件单击工具栏里的【新建文件】图标，出现对话框，在【类型】栏中选择【零件】，在【名称】文本框中输入dig_scratch，再在【子类型】栏中选择【实体】，单击【确定】按钮完成文件创建。

如图1-1所示。

图1-1（2）.绘制挖斗1.从特征操作按钮区中选取【拉伸】工具，单击显示区的【草绘】按钮，选取FRONT 平面作为绘图平面，接受参照基准和方向，单击【草绘】完成设置。

绘制如图1-2所示的草绘图，单击按钮区的【确定】完成草绘。

图1-22.选取双向拉伸，厚度均设为3.55，如图1-3所示。

图1-33.单击信息显示区的【完成】按钮，完成绘制。

完成后实体如图1-4所示。

图1-4（3）.绘制边缘1.选取【拉伸】工具，再单击【放置】、【定义】，选取FRONT作为绘图平面，单击【草绘】完成草绘设置。

2.选取【通过边创建图元】工具按钮，系统将自动弹出对话框，选取【单个】选取边，完成【关闭】。

如图1-5所示。

图1-53.采用双向拉伸，厚度均设定为３.９，最后单击信息栏右边的【完成】按钮如图1-6所示，完成边缘绘制。

图1-6（４）倒圆角在挖斗毛坯与突缘相交处绘制半径为０.１６的圆角，完成圆角后的模型如图1-7所示。

图1-7（５）抽壳从特征操作按钮区中选取【抽壳】工具按钮，在信息显示区中输入抽壳壁厚０.１２.如图1-8所示。

接着从模型中选取图所示的抽壳挖去曲面，最后单击显示区右边的【完成】按钮，完成抽壳后的实体效果图见（图1-9）。

图1-8 图1-9（6）创建挖齿1.绘制单个挖齿从特征操作按钮区中选取【拉伸】工具，再单击【定义】按钮，选取挖斗中的一个端面作为绘图平面，接受系统所默认的基准和方向，单击对话框中的【草绘】按钮完成绘图前的设置。

绘制如图1-10所示，草绘完成后单击【确定】。

****************学校毕业设计说明书设计题目：基于Pro/E的液压挖掘机三维建模与运动仿真系部：******专业：******班级：******学生姓名：******学号：******指导教师：**********年**月**日摘要工作装置是液压挖掘机的重要组成部分，为研究工作装置在挖掘机整个作业循环时间里的运动情况，运用Pro/E软件的运动仿真模块对挖掘机工作装置进行运动仿真。

采用传统的运动分析方法存在工作量大、不精确和不直观等缺点。

利用Pro/E对液压挖掘机反铲工作装置进行建模和装配,首先分析了挖掘机的运动过程和各工况位置,然后用Pro/ E中的Mechanism模块进行了机构运动学仿真,通过对挖掘机各连接轴的设置,找到挖掘机动臂、斗杆和铲斗的各极限位置，以及确定各部件的运动关系和时间安排。

结果表明该方法简单、可靠、为挖掘机整机设计及性能评估提供一定的理论依据。

关键字：液压挖掘机；Pro/E；运动仿真ABSTRACTThe work device is an important part of a hydraulic excavator.To start the motion process of hydraulic excavator work device in the whole operation cycle time, Pro/E sofortware is used to simulat. The traditional design methods to draw the envelope diagram have many shortcomings, such as the heavy workload,imprecision and less intuition. Pro/ E software was used to model and assemble for backhoe working equipment of the hydraulic excavator. Above all , the excavator movement process and work conditions were analyzed. Then mechanism kinematics simulation was carried on by Mechanism module in the Pro/ E software. The limit positionsof movable arm, bucket arm and bucket were found through setting joint shafts of the excavator.Keywords：excavator；Pro/E；dynamic simulation目录摘要 (Ⅰ)第1章绪论 (1)1.1液压挖掘机在工程应用中的重要性 (1)1.2液压挖掘机的简介 (1)1.2.1 液压挖掘机的组成 (2)1.2.2 液压挖掘机的工作循环过程 (3)1.3 Pro/E软件的介绍 (3)第2章基于Pro/E的挖掘机参数化建模 (5)2.1动臂的建模 (5)2.2 斗杆的建模 (7)2.3 挖斗的建模 (8)2.4 驾驶舱的建模 (10)2.5动臂液压元件 (12)2.6挖斗液压元件 (13)2.7连接片的建模 (14)第3章液压挖掘机的装配设计 (16)3.1 装配概述 (16)3.2 机座的装配 (17)3.3 机身的装配 (18)3.4 动臂液压元件的装配 (19)3.5 斗杆液压元件的装配 (20)3.6挖斗液压元件的装配 (21)3.7挖掘机的总体装配 (21)第4章液压挖掘机的运动仿真模拟 (23)总结 (27)致谢 (28)参考文献 (29)第1章绪论1.1液压挖掘机在工程应用中的重要性液压挖掘机作为一种重要的工程机械使用在土石方施工和矿山采掘工业中，它有别于其他机械设备，它的工作环境恶劣，常工作在地质情况复杂、载荷情况多变、大气条件差的条件下。

摘要基于Pro/E的装载机工作装置的实体建模及运动仿真摘要：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 (1)1.1 装载机的简介 (1)1.1.1 装载机的发展历史及前景 (1)1.1.2 装载机的种类 (1)1.1.3 本章小结 (3)1.2 运动仿真技术简介 (4)1.2.1 运动仿真技术产生的背景 (4)1.2.2 运动仿真技术 (4)1.2.3运动仿真技术在国内外的发展概况 (4)1.2.4 发展运动仿真技术的重要意义 (4)1.2.5 总结 (5)1.3 Pro/ENGINEER软件在工程设计中的应用 (5)1.3.1 Pro/ENGINEER软件介绍 (5)1.3.2 运动仿真技术对装载机设计理念的影响 (6)1.4 本章小结 (7)2 液压缸的选择 (8)2.1 本章小结 (8)3 装载机工作装置三维实体建模 (9)3.1 工作装置零件建模 (9)3.1.1 动臂的生成 (9)3.1.2 铲斗的生成 (10)3.1.3 底座的生成 (11)3.1.4 连杆的生成 (11)3.1.5 摇臂的生成 (12)3.1.6 液压缸筒的生成 (12)3.1.7 液压缸盖的生成 (13)3.1.8 液压缸活塞的生成 (13)3.1.9 连接销轴的生成 (13)3.2 工作装置装配模型建模 (14)3.2.1 底座模型装配 (15)3.2.2 动臂模型装配 (15)3.2.3 铲斗模型装配 (16)3.2.4 液压缸体模型装配 (16)3.2.5 摇杆模型的装配连接 (17)3.2.6 连杆模型与铲斗模型和摇杆模型的装配连接 (17)3.2.7 销钉模型的连接 (17)3.2.8 本章小结 (20)4 装载机工作装置运动仿真 (21)4.1 概述 (21)4.2 创建装载机工作装置的机械运动仿真 (21)4.2.1 连接轴设置 (21)4.2.2 创建快照 (22)4.2.3 定义伺服电动机................................................................................. 错误！未定义书签。

基于ProE的液压支架三维建模及分析摘要：介绍了三维建模软件Pro/E的主要功能及特点，并以两柱掩护式液压支架为例，分析讨论了应用Pro/E对液压支架进行三维建模的基本方法与技巧。

结果表明应用本方法可更好的获得液压支架的建模过程及相关的参数。

关键词：液压支架三维建模Pr o/E1前言液压支架作为综采工作面三大配套设备之一，具有较高的自动化程度，可实现支撑、切顶、移架、推溜等一整套工序，能够可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防止矸石进入回采工作面和输送机。

本文以两柱掩护式液压支架为例，利用Pro/E软件对其进行三维建模。

Pro/E是由美国参数技术公司(PTC)推出的一款集CAD ／CAE／CAM于一身的全方位三维设计软件，该软件的主要功能包括零件设计、产品装配、曲面造型、模具设计、钣金设计、机构运动及仿真等。

它的主要特点是参数化设计、基于特征建模、单一数据库以及全相关性。

本文系统地讨论了应用Pro/E对液压支架建模过程中的一些方法和技巧，分析了一些常见问题及解决方法。

2液压支架的三维建模两柱掩护式液压支架主要由顶梁、掩护梁、底座、立柱、前后连杆、伸缩梁、一二级护帮板及各类千斤顶等部件组成。

本文针对其结构复杂的特点，采用自下而上的方法进行建模，即先将各部件单独建模成零件再按照连接及约束关系进行装配。

2.1各部件的三维建模对于同一零件的造型方法可以有很多种，不同的造型方法生成文件的大小各不相同，造型速度也会有很大差别。

因此，选择科学合理的造型方法不仅能提高工作效率，而且能够节约计算机磁盘空间、加快软件的分析速度等。

整体液压支架的三维建模是在Pro/E的零件模块和组件模块中完成的。

建模之前，根据支架的组成将其分为顶梁、掩护梁、底座、立柱、前后连杆、伸缩梁等部件，首先对这些部件进行建模。

对部件建模时，需要注意的是：立柱、千斤顶作为单个部件需要实现伸缩运动，即组成它们的零件之间有相对运动关系，建模时需要先分别创建出各个零件，再按照其运动形式在组件模块中进行装配，其余部件如顶梁、掩护梁等为组焊件，单个部件中各部分之间无相对运动，所以可以直接在零件模块中创建。

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。

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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。

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基于ProE挖掘机三维造型设及仿真设计4982822科技学院毕业设计〔论文〕题目基于Pro/E挖掘机三维造型设及仿真学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

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2、不保密√。

作者签名： 2021 年月日导师签名： 2021 年月日目录摘要 (1)前言 (2)1．挖掘机简介 (3) (3) (3) (3) (4)2．挖掘机的开展概况及运动原理 (5) (5) (6) (7)3．挖掘机各部件的造型设计 (8)支架的造型设计 (8)履带轮的造型设计 (11)上部回转体的造型设计 (12)挖掘机的前臂连接架的造型设计 (22)...............................................................2 4 (28) (29)………………………………………………………3 2 …………………………………………………3 4 ………………………………………………………3 4 ………………………………………………………3 5 4．挖掘机运动仿真…………………………………………………………………3 5的装配 (35)挖掘机下部行走体的装配 (36)挖掘机上部回转体的装配 (37)挖掘机前臂的的装配 (37)挖掘机铲斗的装配 (40)创立伺服电机 (42) (44)及动画 (45)5．生成挖掘机工程图 (46)...............................................................4 6 (47)总结……………………………………………………………………………………48 参考文献……………………………………………………………………………49 致谢 (50)基于Pro/E的挖掘机三维造型设计及运动仿真学生：朱文武指导老师：史永芳三峡大学科技学院摘要:挖掘机是目前广泛使用的工程机械之一，传统方法是设计-样机制造-试验，不但设计周期长、本钱搞，且试验破坏性较大，利用三维实体建模与动态仿真技术相结合，预先建立实体仿真模型，模拟其动态特性，设计者能及早发现问题并及时修改和优化，这样既能缩短产品的设计周期，提高产品的可靠性，又能实现产品的优化设计。

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] 吕鹏伟.液压挖掘机工作装置动力学特性的研究[D].太原：太原科技大学,2013.[2] PEYRET F,JURASZ J.The computer integrated road construction project[J].Automation in Construction,2000(9):447-461.[3] SINGH S,CANNON H.Muti-resolution planning for earth moving[C]∥Proceedings International Conference on Robotics and Automation.Leuven:[s.n.],1998:121-126.[4] HALL A S,MCAREE P R.Robust bucket position tracking for a large hydraulic excavator[J].Mechanism and Machine Theory,2005,40(1):1-16.[5] TOMI M,KELERVO N,RAUNO H.Automation of an excavator based on a 3D CAD model and GPS measurement[J].Automation in Costruction,2006,15(5):571-577.[6] 李杨民,谢存禧,王骥湘.液压挖掘机工作装置动臂、斗杆机构的多体系统运动学分析[J].建筑机械,1994(11):22-25.[7] LEE M C,CHUNG S H,CHO J H,et al.Three-dimensional finite element analysis of powder compaction process for forming cylinder block of hydraulic pump[J].Powder Metallurgy,2008,51(1):89-94.[8] SUI Tianzhong,WANG Lei,TAN Zhen,et al.Structural parameters optimization of excavator working device based on mining process[J].Advanced MaterialsResearch,2012,421:759-763.[9] 张树忠,邓斌,柯坚.基于液压变压器的挖掘机动臂势能再生系统[J].中国机械工程,2010,21(10):1160-1166.[10] 吕广明,刘明思,杨扬,等.基于Pro/E ADAMS的液压挖掘机工作装置的动力学仿真分析[J].建筑机械,2013(17):86-90.[11] 林慕义,史青录.单斗液压挖掘机[M].北京:冶金工业出版社,2011:35-57.[12] 刘韬.液压挖掘机工作装置结构特性分析与仿真[D].长沙：中南大学,2010.[13] 郑东京.挖掘机工作装置的有限元分析及其仿真[D].杨凌：西北农林科技大学,2011.[14] 王敏.液压挖掘机工作装置的动态仿真及有限元分析[D].西安：长安大学,2015.[15] 王在昌.液压挖掘机工作装置动力学分析及有限元优化分析[D].济南：山东科技大学,2011.[16] 张桂菊,肖才远,谭青，等.基于虚拟样机技术挖掘机工作装置动力学分析及仿真[J].中南大学学报(自然科学版),2014(6):1827-1833.[17] 郭银赛,张毅,程明科.基于虚拟样机技术的挖掘机工作装置运动仿真与优化设计[J].机床与液压,2015,43(15):169-172.[18] 李渊博,何清华,张大庆.液压挖掘机工作装置动力学分析与仿真研究[J].机床与液压,2006(10):170-171.。

1 绪论21世纪，节约型、可持续型的产品成为了当代主流，那么制造业必然要成为改造的对象，产品从研发到制造成型都需要探究最科学的试验与生产方法。

三维软件的诞生就符合了现代化社会的高效率、低碳生产方式。

三维软件帮助研发人员更快地体现他们的研究成果，使得有些产品可以通过计算机绘制出来，进行一些简单的仿真与分析，极大的节约了开发成本。

Pro/E是现代化产品设计的主流软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，以它为设计工具不仅因为其强大的功能，更是由于它符合大众、适应市场需求。

利用Pro/E建模、装配仿真和优化设计等这些特有的功能可以找到最优的设计方法。

现在不管是在生产厂商、学校、研究院等都有它的应用，所以设计一个玩具利用Pro/E 再合适不过。

这次毕业设计课题不但跟上了时代的发展方向，又锻炼了自己的实战能力。

中国的人口达到了全球的五分之一，儿童市场的需求必然广泛。

生产出符合中国儿童的玩具必不可少，Pro/E软件给出了一个很好的平台，它可以使我们构思出来的模型表现出来，这不但很有趣也很有意义。

2 基于Pro/E的设计研究方案2．1 Pro/E软件的简介Pro/E是基于单一数据库、参数化、特征、全相关及工程数据再利用等概念的基础上开发出的一个功能强大的CAD/CAE/CAM软件。

它可以将产品从设计到生产加工的过程集成在一起，节约了生产时间，及时优化产品、增加创新力度并提高质量，从而满足设计制造需求。

单一数据库 Pro/E是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统CAD/CAM系统建立在多个数据库上。

所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。

换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。

下面就Pro/E的几个重要特点做简单介绍。

2.1.1 全相关性Pro/E的所有模块都是全相关的。

这就意味着在产品开发过程中某一处进行修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。

基于Pro/E的液压支架三维造型设计与运动仿真摘要采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。

综合机械化不仅产量大，效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。

液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。

首先，通过对液压支架的相关资料收集，整理；了解液压支架的结构，类型，工作原理，特点，目的及要求；其次，对支撑掩护式液压支架结构作了设计，受力分析以及强度校核；再次，利用三维软件Pro/E进行三维建模，并且根据运动关系将各个部件在Pro/E中装配起来。

；最后，进行运动仿真，保存运动仿真结果，用于运动分析。

关键词：液压支架四连杆机构底座ABSTRCTThe prehensive mechanization of coal mining is a strategic measure to the acceleration coal industrial development of our country , raise labor productivity substantially , realize the modern of coal industry. Synthesize mechanization not only output big, efficiency has low cost high and can alleviate heavy physical labor and improvement schoolwork environment, is the technology of coal industry develop direction. Hydraulic support is the one of prehensive most important equipment in the mechanization method of coal mining.First, the correlation of the hydraulic support data collection, collation, understanding of the structure of hydraulic support, types, working principle, characteristics, objectives and requirements;Second, support for structural support made the cover of hydraulic design and strength check;Again using three-dimensional software Pro / E three-dimensional modeling, and based on movement between the various parts in Pro / E in the assembly together. ;Finally, simulation animation production, preservation movement simulation results for motion analysis.Keywords: hydraulic support 4 linkage mechanisms base目录第1章前言1.1本课题研究的目的与意义众所周知煤炭是我们的主要能源之一，少了煤炭人类的生产，生活将出现问题，所以对煤矿开采配套设备的研究显得尤为重要。

液压挖掘机虚拟样机建模与作业过程动态仿真罗君扬;林述温【摘要】This paper uses Pro/E software to develop the parameter model of the hydraulic Excavator and conduct the virtual assem-bly, and then complete its virtual prototype. By the kinematics simulation, it conduces to comprehend and analyses the actual process of the mechanical motion and provides the information for improving the structure design.%利用参数化设计软件Pro/E完成了液压挖掘机的参数化建模，对模型进行了虚拟装配，得到了虚拟样机模型，通过对液压挖掘机虚拟样机进行运动仿真分析，有助于理解和分析实际机械装置运动过程，并提供相应的改进机构设计的信息。

【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2015(000)005【总页数】3页(P105-107)【关键词】液压挖掘机;参数化建模;运动学仿真【作者】罗君扬;林述温【作者单位】福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350108;福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350108【正文语种】中文【中图分类】TP391.9液压挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置，并反映了这些行业的施工机械化水平，是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工设备，是国民经济建设迫切需要的装备。

重视和加速挖掘机改进创新，稳定提高产品品质，满足用户需求，对加速现代化工程建设有着重大的意义[1-3]。

挖掘机的设计水平关系到最终产品的品质，而设计过程中技术的先进与否、数字化程度的高低，很大程度上决定了机械产品设计开发的周期、品质和成本。

第6期(总第163期)2010年12月机械工程与自动化M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G &　AU T O M A T IO N N o.6Dec.文章编号:1672-6413(2010)06-0072-02液压挖掘机的三维实体造型以及运动学仿真李　琴(攀枝花学院先进制造技术研究所,四川　攀枝花　617000)摘要:通过P ro /E 建立了液压挖掘机工作装置的三维实体模型,并用专用接口M echpro 2005将模型导入A DA M S 中进行运动学仿真,得到了挖掘机空载时关键位置点的位移、速度和加速度,为挖掘机的优化设计以及性能分析提供了参考。

关键词:虚拟样机;液压挖掘机;运动仿真中图分类号:T U 621∶T P391.9 文献标识码:A收稿日期:2010-05-10;修回日期:2010-07-23作者简介:李琴(1977-),女,四川成都人,讲师,硕士。

0　引言液压挖掘机作为工程机械的主要机种之一,广泛应用于工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘等机械化施工中。

而对液压挖掘机的设计,传统方法是设计-样机制造-试验,不但设计周期长、成本高,且试验破坏性较大,有时甚至可能会造成重大事故。

利用三维实体建模与动态仿真技术相结合,预先建立起实体仿真模型,模拟其动态特性,让设计者尽早发现问题并及时修改和优化,这样既能缩短产品的设计周期、提高产品的可靠性,又能实现产品的优化设计。

1　挖掘机三维实体模型的建立本文以某单斗反铲液压挖掘机为例,建立实体模型。

在建立液压挖掘机虚拟样机时,根据研究对象、研究目的的不同可对系统的仿真模型进行简化处理,但机械系统和液压系统的仿真模型必不可少[1]。

按照是否存在相对运动(暂不考虑行走运动)将挖掘机划分为上部转台、下车、动臂、斗杆、铲斗、铲斗摇杆、铲斗连杆、动臂液压缸、动臂液压活塞杆、斗杆液压缸、斗杆液压活塞杆、铲斗液压缸、铲斗液压活塞杆共13个大运动部件。