魯記偉，吳國新

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100192）

基于Pro/E的小型挖掘機(jī)建模及仿真分析

魯記偉，吳國新

（北京信息科技大學(xué)現(xiàn)代測控技術(shù)教育部重點實驗室，北京 100192）

基于Pro/E建模的高效率性，對小型挖掘機(jī)進(jìn)行機(jī)械手臂實體建模及其運動仿真分析。整機(jī)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理；機(jī)械手臂處于工況時的運動學(xué)分析；挖掘機(jī)的裝配約束，還有仿真參數(shù)的設(shè)置方法即單一變量法；通過運動仿真，分析機(jī)構(gòu)運動時的缺陷并進(jìn)行運動參數(shù)的優(yōu)化，從而改善運動效果。

Pro/E；挖掘機(jī)；運動仿真分析；運動優(yōu)化

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.13

0 引言

挖掘機(jī)是一種有特殊功用的工程車輛，主要由鏟斗、機(jī)車回轉(zhuǎn)裝置、機(jī)車底盤以及機(jī)械手臂等組成，一般靠履帶或車輪行進(jìn)。由于它造型特別，人們對它有多種叫法，如挖土機(jī)、大爪車、斗車等。在工程建設(shè)中挖掘機(jī)有不可替代的作用，幾乎每個工地上都會用到，這也說明挖掘機(jī)的發(fā)展速度很快[1]。

Pro/E這款軟件最大的特點就是建模參數(shù)化，這使得建模效率大大提高，而且軟件的運用范圍更加廣泛。特別是在新產(chǎn)品開發(fā)階段，可以運用參數(shù)化的功能快速高效率建模，從而保證產(chǎn)品各方面參數(shù)的一致性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。當(dāng)用戶者把新的零件開發(fā)出來后，如果有些尺寸不合理，用戶可以直接在原圖上修改零件的尺寸，來滿足設(shè)計的要求。另外Pro/E的建模都是實體性質(zhì)的參數(shù)，用戶每一項參數(shù)的設(shè)置都有一定實際意義，比如零件的質(zhì)量、體積、表面積等，用戶可以參考零件的質(zhì)量或體積來構(gòu)造零件的外形。

基于Pro/E建模的高效率性，對小型挖掘機(jī)進(jìn)行簡單的三維建模，并對機(jī)械手臂運動進(jìn)行仿真，使其完成預(yù)想軌跡：斗桿和動臂一起運動以實現(xiàn)挖掘工作，將動臂向上抬起同時斗桿附加轉(zhuǎn)動，以保持鏟斗處于水平位置，然后機(jī)車車身回轉(zhuǎn)，斗桿和鏟斗同時轉(zhuǎn)動，以實現(xiàn)卸土的工作，最后機(jī)車回轉(zhuǎn)車身旋轉(zhuǎn)至最初位置。

1 挖掘機(jī)分類及其工作原理

挖掘機(jī)按照不同的分類方式有許多不同類型（表1）。挖掘機(jī)按驅(qū)動力的不同可分為電驅(qū)動和柴油燃機(jī)驅(qū)動，其中電驅(qū)動挖掘機(jī)大部分應(yīng)用在發(fā)生火災(zāi)或壓強(qiáng)高的地方。

表1 挖掘機(jī)的分類

1.1 挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

液壓挖掘機(jī)機(jī)身主要是由動力傳動機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、液壓系統(tǒng)和輔助機(jī)構(gòu)等組成[2]。

動力傳動機(jī)構(gòu)的作用：挖掘機(jī)通過內(nèi)燃機(jī)把柴油自身的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)車的機(jī)械能，再通過液壓系統(tǒng)由柱塞泵將機(jī)車的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓油的壓力能，再通過電液一體化將其能運送至各個機(jī)構(gòu)零件，然后各個機(jī)構(gòu)零件再將之轉(zhuǎn)化為機(jī)車的機(jī)械能。

行走機(jī)構(gòu)用來完成機(jī)車車身的行走并支撐機(jī)車整機(jī)的質(zhì)量，它由車架、支重輪、托鏈輪、導(dǎo)向輪、張緊裝置、車輪履帶、行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)接頭等組成，構(gòu)造類型多采用履帶轉(zhuǎn)動和輪胎轉(zhuǎn)動。

工作裝置是挖掘機(jī)整機(jī)之中最重要的一部分。由動臂、動臂液壓缸、動臂液壓缸活塞桿、斗桿、斗桿液壓缸、斗桿液壓缸活塞桿、鏟斗、鏟斗液壓缸、鏟斗液壓缸活塞桿、搖桿、連桿等組成，可以讓挖掘機(jī)完成挖掘、起重、旋轉(zhuǎn)、卸料等多種不同功能（圖1）。

圖1 挖掘機(jī)運動手臂

回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)操作平臺、動力系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)、伺服操縱系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、司機(jī)駕駛室等組成[7]。它控制挖掘機(jī)的挖掘方向，使挖掘機(jī)向左或向右回轉(zhuǎn)，完成挖掘、旋轉(zhuǎn)、卸料。

1.2 挖掘機(jī)工作原理及工況

挖掘機(jī)是通過內(nèi)燃機(jī)將柴油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)車的機(jī)械能，再由液壓系統(tǒng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓油液的液壓能，再通過液壓泵將油液的壓力能運送至各個機(jī)車執(zhí)行部件，如機(jī)車液壓油缸與搖桿的配合、機(jī)車轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)與減速器的配合，再由液壓泵將液壓油液的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)車的機(jī)械能，從而實現(xiàn)機(jī)車整機(jī)的運動。

液壓挖掘機(jī)工作過程可以分為3種情況：①單鏟斗挖掘。斗桿和動臂都靜止，通過鏟斗7與斗桿4的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)挖掘工作，最大挖掘范圍和挖掘力則由鏟斗液壓缸來決定。②單斗桿挖掘。動臂靜止，而由斗桿與動臂之間的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)挖掘工作，挖掘能力則由斗桿液壓缸決定。③雙聯(lián)合挖掘。由斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸一起運動進(jìn)行挖掘，挖掘能力由這2個液壓缸同時決定。

2 挖掘機(jī)手臂運動學(xué)分析

挖掘機(jī)機(jī)械手臂部分主要由動臂AF，斗桿FK，鏟斗KM，動臂液壓缸BC，斗桿液壓缸DE，鏟斗液壓缸JH，搖桿HI，連桿HL組成（圖2）。由于把動臂液壓缸和動臂液壓缸活塞桿看成了一體，所以整個裝置共有11個活動構(gòu)件。由平面機(jī)構(gòu)自由度計算公式（1）得[6]：

圖2 挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)示意

式中 F——平面機(jī)構(gòu)自由度

N——活動構(gòu)件數(shù)

PL———機(jī)構(gòu)中低副數(shù)目

PH——機(jī)構(gòu)中高副數(shù)目

P———虛約束

P1———局部自由度

計算后得自由度為3，所以需要3個液壓缸作為動力，以保證手臂的正常運轉(zhuǎn)。

令動臂液壓缸的長度為L1，斗桿液壓缸的長度為L2，鏟斗液壓缸的長度為L3。

動臂的擺動范圍β見式（2）。

因為Lab和Lac以及∠CAF，α都為已知量，所以β將由動臂液壓缸的長度為L1唯一確定。

斗桿FK的擺動范圍γ見式（3）。

因Ldf和Lef以及∠AFD，∠EFK都為已知量，所以β將由動臂液壓缸的長度L2確定。鏟斗的擺動范圍δ=360°-∠FKI-∠IKH-∠HKL-∠LKM。其中，∠FKI和∠LKM由機(jī)構(gòu)參數(shù)決定為定值。

聯(lián)立式（4），式（5），式（6）和式（7）即可求出∠IKH。聯(lián)立式（6）、式（8）可求出∠HKL，即可求出鏟斗的擺動范圍 δ，且只與鏟斗液壓缸的長度L3有關(guān)。

3 整機(jī)建模裝配及其運動仿真分析

建立各個部件三維模型后進(jìn)行組件裝配：將機(jī)車底盤添加進(jìn)裝配體，選擇缺省約束類型，然后依次將輪胎、機(jī)車回轉(zhuǎn)車身、動臂、斗桿、鏟斗調(diào)入機(jī)車底盤裝配體中，并定義約束類型為銷釘，再將活塞缸和搖桿依次調(diào)入；由于活塞桿與搖桿之間要產(chǎn)生空間滑動，所以定義為圓柱連接，活塞缸和搖桿與機(jī)車銷釘連接；連接構(gòu)件分別為機(jī)車底盤與車輪輪胎、機(jī)車底盤與機(jī)車回轉(zhuǎn)車身、動臂與機(jī)車回轉(zhuǎn)車身、動臂與斗桿、鏟斗與斗桿、活塞缸與搖桿、活塞缸與機(jī)車體、搖桿與機(jī)車體。其中，除活塞缸與搖桿為圓柱連接外，其他均為銷釘連接。

仿真預(yù)想軌跡：斗桿和動臂一起運動以實現(xiàn)挖掘工作，將動臂向上抬起同時斗桿附加轉(zhuǎn)動，以保持鏟斗處于水平位置，然后機(jī)車車身回轉(zhuǎn)，斗桿和鏟斗同時轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)卸土工作，最后機(jī)車回轉(zhuǎn)車身旋轉(zhuǎn)至最初位置。

電機(jī)位置的確定：點擊定義伺服電機(jī)功能鍵，選取動臂與機(jī)車轉(zhuǎn)軸命名為servomotor1，點擊輪廓設(shè)置參數(shù)，規(guī)范設(shè)置為速度，定義模為2，然后點擊運用。以同樣的方法設(shè)置其余電機(jī)，機(jī)車總體設(shè)置9個電機(jī)。

由于電機(jī)數(shù)目較多，同時設(shè)置每一個電機(jī)的運動時間，可能會達(dá)不到預(yù)期效果，所以采用了單一變量法的設(shè)置方式完成了機(jī)車整體的仿真。即其余電機(jī)不轉(zhuǎn)，而只讓一個電機(jī)轉(zhuǎn)動，觀察運動件的運動范圍。依此方法運用于其他電機(jī)上，記錄下每一個零件的運動時間，然后算出整個仿真所用的總時間，再以總時間為總體分配給各個分解運動所需時間，這樣就能精確仿真出挖掘機(jī)的預(yù)期運動。手臂運行流程如圖3所示。

通過仿真，基本實現(xiàn)了預(yù)想的運動軌跡，利用Pro/E對動臂與底座回轉(zhuǎn)裝置之間的銷釘進(jìn)行運動分析。由于銷釘與動臂之間為固態(tài)連接，所以其轉(zhuǎn)動角度也為動臂的轉(zhuǎn)動角度。

圖3 手臂運行流程

對動臂與底座回轉(zhuǎn)裝置之間的銷釘進(jìn)行真實工況下的運動分析，其中橫軸代表時間，縱軸代表轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速（圖4）。可以發(fā)現(xiàn)，大約在30 s和84 s時圖4a轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速的突變，這也符合挖掘機(jī)真實作業(yè)情況下動臂的運動情況，基于手臂在挖掘工作過程中的多變性，對其運動連接點進(jìn)行速度優(yōu)化，以降低速度連接點之間產(chǎn)生的加速度，從而改善手臂運動的靈活性。圖4b是采用二次速度曲線分別對仿真過程中30 s和84 s時產(chǎn)生的角加速度進(jìn)行的優(yōu)化，其角加速度明顯改善。

圖4 優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)速對比

4 結(jié)語

通過Pro/E對挖掘機(jī)進(jìn)行簡單的三維建模，并對手臂的工況進(jìn)行運動仿真，觀測各個部件的運動參數(shù)變化情況，對于有加速度的地方，通過優(yōu)化運動參數(shù)，降低各部件的加速度，從而改善了挖掘機(jī)的工作情況，為對真實挖掘機(jī)運動參數(shù)的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

［1］趙燕玲，張怡.液壓挖掘機(jī)運動軌跡研究［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011（22）：338-339.

［2］徐素霞，文學(xué)沫.基于Pro/E的挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)建模及運動學(xué)仿真［J］.裝備制造技術(shù)，2012（7）：282-285.

［3］徐兵，朱曉軍，劉偉.挖掘機(jī)工作裝置運動學(xué)建模與仿真［J］.機(jī)床與液壓，2011，39（9）：97-99.

［4］魏永泉，藍(lán)兆輝.挖掘機(jī)工作裝置逆運動學(xué)分析的桿組方法和運動規(guī)劃［J］.機(jī)械傳動，2013（4）：10-14.

［5］王久聰，李慶毅.挖掘機(jī)鏟斗機(jī)構(gòu)參數(shù)的試驗優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2013（4）：34-37.

［6］呂其惠，王力夫.液壓挖掘機(jī)工作裝置智能化控制的設(shè)計與研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2007（4）：107-109.

［7］毛坤朋.機(jī)械式、液壓式挖掘機(jī)挖掘軌跡與五桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)軌跡的對比［J］.化工技術(shù)與開發(fā)，2013（11）：73-76.

TH113.2

B

〔編輯 吳建卿〕

重點實驗室開放課題：KF20171123204，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（2015AA043702），國家自然科學(xué)基金資助項目51275052。