郭曉寧，曾彬彬

（福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350000）

在ADAMS中建立液壓挖掘機(jī)機(jī)械系統(tǒng)模型首先要建立構(gòu)件的實體模型，因為ADAMS的實體建模功能比較弱，所以現(xiàn)在在ADAMS建立機(jī)械系統(tǒng)三維實體模型的方法一般是首先在Pro/E，SolidWorks等專業(yè)的三維CAD建模軟件中建立模型，然后通過CAD軟件與ADAMS軟件之間的接口，將其導(dǎo)入到ADAMS中.這種建模方式的不足之處在于：對于從CAD軟件中導(dǎo)入的模型，需要在ADAMS軟件中重新定義其約束及質(zhì)量和質(zhì)心的位置等；另外，在ADAMS中不能對這些導(dǎo)入構(gòu)件的尺寸參數(shù)進(jìn)行修改，從而導(dǎo)致無法進(jìn)行參數(shù)化分析.要修改模型的參數(shù)，只能在CAD軟件修改后再重新導(dǎo)入到ADAMS軟件中進(jìn)行模擬仿真，這樣往往會浪費大量的時間和精力來進(jìn)行這種單調(diào)重復(fù)的建模工作.

文獻(xiàn)［1］采用CAD和測得的數(shù)據(jù)對液壓挖掘機(jī)三維模型進(jìn)行創(chuàng)建；文獻(xiàn)［2—7］采用對液壓挖掘機(jī)的機(jī)構(gòu)模型與CAD三維模型分別建模的方法，利用ADAMS建立液壓挖掘機(jī)的機(jī)構(gòu)模型，采用Por/E建立其三維模型，并與ADAMS中的機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行集成，在此模型上進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)的仿真研究.

本文用ADAMS提供的參數(shù)化建模和二次開發(fā)技術(shù)，在ADAMS中建立液壓挖掘機(jī)工作裝置的三維參數(shù)化實體模型并實現(xiàn)建模的自動化.

1 基于ADAMS的挖掘機(jī)機(jī)械系統(tǒng)實體參數(shù)化建模

在建立虛擬樣機(jī)模型時，既要滿足虛擬樣機(jī)仿真的功能性要求，又要盡量簡化模型，所以建模時，忽略實際挖掘機(jī)工作裝置千差萬別的結(jié)構(gòu)形式，而著眼于這些不同的結(jié)構(gòu)形式所蘊含的共性特點.按照是否存在相對運動，實際的挖掘機(jī)機(jī)械系統(tǒng)抽象后得到構(gòu)件：動臂、斗桿、鏟斗、鏟斗連桿和搖臂.

1.1 動臂模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1為建立動臂實體參數(shù)化模型所需要的所有結(jié)構(gòu)參數(shù)，在這些結(jié)構(gòu)參數(shù)中，根據(jù)對模型結(jié)構(gòu)的影響大小，將其分為主控制參數(shù)和輔助控制參數(shù)，其中主控制參數(shù)在建模時必須由設(shè)計人員通過對話框輸入，而輔助控制參數(shù)可以由主控制參數(shù)來表示.動臂結(jié)構(gòu)主控制參數(shù)和輔助控制參數(shù)分別如表1和表2所示.

圖1 動臂實體參數(shù)化模型結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.1 Structure parameter sketch of boom parmetric model

表1 動臂實體參數(shù)化模型主控制參數(shù)說明Tab.1 Major structure parameters of boom parametric model

表2 動臂實體參數(shù)化模型輔助控制參數(shù)Tab.2 Secondary structure parameters of boom parametric model

1.2 斗桿實體參數(shù)化模型的建立

反鏟式液壓挖掘機(jī)的斗桿一般是寬度相同、左右相互對稱且整體封閉的箱型焊接結(jié)構(gòu)件，圖2為建立斗桿三維實體參數(shù)化模型所需要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中主控參數(shù)和輔控參數(shù)分別如表3和表4所示.

圖2 斗桿實體參數(shù)化模型結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.2 Structure parameter sketch of arm parmetric model

表3 斗桿實體參數(shù)化模型主控制參數(shù)說明Tab.3 Major structure parameters of arm parametric model

表4 斗桿實體參數(shù)化模型輔助控制參數(shù)Tab.4 Secondary structure parameters of arm parametric model

1.3 鏟斗實體參數(shù)化模型

鏟斗一般為整體式對稱結(jié)構(gòu)，可以分為斗腔、斗齒、支座和加強(qiáng)部分等.圖3為建立鏟斗實體參數(shù)化模型所需要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其主控參數(shù)和輔控參數(shù)分別如表5和表6所示.

圖3 鏟斗實體參數(shù)化模型參數(shù)示意圖Fig.3 Structure parameter sketch of bucket parmetric model

表5 鏟斗實體參數(shù)化模型主控參數(shù)說明Tab.5 Major structure parameters of bucket parametric model

表6 鏟斗實體參數(shù)化模型輔控參數(shù)Tab.6 Secondary structure parameters of bucket parametric model

2 基于ADAMS/VIEW命令語言建立挖掘機(jī)實體參數(shù)化模型

限于篇幅，僅以動臂為例，來說明利用ADAMS/View提供的命令語言建立動臂實體參數(shù)化模型的方法與步驟：

（1）以LCZ，LBC，LBF，LZD，LDF，RF，L1和L2為輸入變量創(chuàng)建上下蓋板（如圖4所示）.部分程序如下：

（2）以LCZ，LBC，LBF，LZD，LDF，RF，L1和L3為輸入變量創(chuàng)建左右側(cè)板，并與上下蓋板進(jìn)行布爾運算，得到動臂箱體，如圖5所示（程序略）.

圖4 創(chuàng)建動臂模型上下蓋板Fig.4 Upper and lower plate of boom model

圖5 創(chuàng)建動臂左右側(cè)板Fig.5 Left and right side plate of boom model

（3）以LZD，LDF，RF，L1，L2，L4和L5為輸入變量創(chuàng)建耳板，并與（2）中生成的模型進(jìn)行布爾運算，得到含有耳板的動臂箱體，如圖6所示（程序略）.

（4）以RB，RC，RD，RF，L1和L3為輸入變量建立鉸接孔，創(chuàng)建好的動臂實體參數(shù)化模型如圖7所示（程序略）.

圖6 創(chuàng)建動臂模型耳板Fig.6 Ear plate structure of boom model

圖7 動臂的實體參數(shù)化模型Fig.7 Parametric model of boom

（5）將動臂的抽象機(jī)構(gòu)模型和參數(shù)化實體模型進(jìn)行集成.

按照類似的方法創(chuàng)建斗桿、鏟斗部件的三維實體參數(shù)化模型分別如圖8和圖9所示，創(chuàng)建后的液壓挖掘機(jī)工作裝置三維實體參數(shù)化虛擬樣機(jī)模型如圖10所示.

圖8 斗桿的實體參數(shù)化模型Fig.8 Parametric model of arm

圖9 鏟斗實體參數(shù)化模型Fig.9 Parametric model of bucket

圖10 液壓挖掘機(jī)工作裝置虛擬樣機(jī)模型Fig.10 Virtual prototype model of the hydraulic excavator working device

3 液壓挖掘機(jī)工作裝置參數(shù)化建模的用戶化設(shè)計

在液壓挖掘機(jī)的設(shè)計過程中，為了得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要不斷修改液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為此，利用ADAMS/View提供的二次開發(fā)功能，將上述建模過程自動化，在ADAMS/View中開發(fā)了一個液壓挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計專用模塊，定制了用戶化設(shè)計界面.

3.1 定制用戶化菜單

作為專用模塊的入口，首先在ADAMS/View的主菜單上增加專用菜單項及相應(yīng)的菜單列表.本文中，主界面用戶菜單是在ADAMS/View主界面菜單欄上由用戶插入的Excavator用戶菜單項及其相應(yīng)下拉菜單，主界面用戶菜單的建模部分的菜單如圖11所示.

圖11 用戶菜單項Fig.11 User menu

3.2 定制用戶化對話框

對話框是人機(jī)交互的常用界面形式之一，設(shè)計人員可以通過對話框方便地修改參數(shù).本文中參數(shù)設(shè)置對話框是通過創(chuàng)建宏而建立的.如圖12所示為建立動臂模型參數(shù)輸入對話框.

4 結(jié)論

本文利用ADAMS/View提供的參數(shù)化和二次開發(fā)功能，建立了液壓挖掘機(jī)工作裝置三維參數(shù)化實體機(jī)械系統(tǒng)模型，在ADAMS/View中建立了一個用戶化模塊，實現(xiàn)了參數(shù)化建模的自動化.運用此模塊，可以大大地減少虛擬樣機(jī)建模的時間.

圖12 動臂模型控制參數(shù)設(shè)置對話框Fig.12 Dialog box of inputing boom model control parameter

［1］TOMI M，KELERVO N，RSUNO H.A 3Dmodel based control of an excavator.［J］Automation in Construction，2006，15：571－577.

［2］劉靜.挖掘機(jī)器人虛擬樣機(jī)建模技術(shù)及其應(yīng)用研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2005.

LIU Jing.Investigation on modeling of a virtual robotic excavator prototype and the application technology［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2005.

［3］劉靜，潘雙夏，馮培恩.挖掘機(jī)器人虛擬樣機(jī)建模策略與仿真技術(shù)研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2004，38（11）：1490－1495.

LIU Jing，PAN Shuangxia，F(xiàn)ENG Peien.Modeling and simulation of virtual robotic excavator prototype［J］.Journal of Zhejiang University：Engineering Science，2004，38（11）：1490－1495.

［4］郭曉寧.基于 ADAMS的液壓挖掘機(jī)機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)化模型［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報，2008，6（4）：433－437.

GUO Xiaoning.The parameterized model for the mechanical system of hydraulic excavator based on ADAMS［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2008，6（4）：433－437.

［5］王建軍，馮光金，占必紅，等.小型挖掘機(jī)工作裝置三維建模及有限元分析［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報，2011，9（1）：63－67.

WANG Jianjun，F(xiàn)ENG Guanjin，ZHAN Bihong，et al.Three-dimensional modeling and finite element analysis on working devices for small-size hydraulic excavators［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2011，9（1）：63－67.

［6］丁國富.液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)的實現(xiàn)方法和技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2001.

DING Guofu.Study on method and technology of virtual prototype of hydraulic excavator［D］.Hangzhou：Zhejiang University，2001.

［7］丁國富，吳曉，王金諾.機(jī)器人化液壓挖掘機(jī)的運動學(xué)建模和仿真研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000，19（5）：736－737.

DING Guofu，WU Xiao，WANG Jinnuo.Research on the kinematics of modeling and simulating of robotized hydraulic excavator［J］.Mechanical Science and Technology，2000，19（5）：736－737.