基于Pro/E的挖掘機虛擬樣機建模及運動學仿真

徐素霞，文學洙

（延邊大學 機械工程學科，吉林 延吉 133002）

挖掘機是我國經濟建設中非常重要的工程機械之一。因此，對挖掘機機械結構和工作過程做深入研究，是非常必要的。Pro/E 是一款全方位的三維產品開發軟件，整合了零件設計、產品組裝、工程制圖、造型設計、機構設計/分析與動態仿真等各種功能。借于此技術，工程設計人員可以在制造物理樣機之前，建立虛擬樣機模型，模擬實際工況進行運動仿真。根據仿真結果，對各種設計方案進行對比，從而確定關鍵的設計參數，預測產品的機械性能，以減少產品開發周期，節省設計費用，提高產品品質及性能。

本文以某種挖掘機為樣機，利用Pro/E 建立虛擬樣機模型，并對其進行運動仿真分析，通過數據分析來研究挖掘機的工作狀況。

1 挖掘機虛擬樣機的建模

1.1 零部件的建模

挖掘機虛擬樣機結構的正確性，直接影響運動仿真的結果。本文在滿足仿真實際要求的同時，簡化一些對仿真結果影響不大的零部件。挖掘機工作過程，是以鏟斗切削刃切削土壤，鏟斗滿載后提升，轉臺回轉至卸土位置，卸空后，鏟斗轉回到挖掘位置，開始下一次作業。挖掘機可分為以下幾個部分：

（1）車體；

（2）動臂；

（3）動臂油缸；

（4）斗桿5；

（5）斗桿油缸；

（6）鏟斗；

（7）鏟斗油缸。

按照挖掘機工作裝置尺寸，并結合Pro/E 強大的三維造型功能，將挖掘機各零部件建模。

1.2 虛擬樣機的建立

三維零件建模完成后，需要對虛擬樣機進行整機裝配。啟動Pro/E，單擊圖標工具欄口按鈕—新建裝配零件，進入裝配模式。

按挖掘機工作裝置連接方式，依次對轉臺、動臂、斗桿、鏟斗、搖桿、連桿、動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸進行連接。各鉸接點處以銷軸副進行裝配，油缸和油缸活塞以圓柱副單獨建立子裝配體。

1.3 定義伺服電機

挖掘機的復合運動，是一個多自由度運動。對多自由度問題，可以分為多個運動過程，每個過程只有單個自由度。

利用Pro/E 的機構，仿真子模塊Mechanism 來進行挖掘機的機構運動模擬和動態干涉檢查。定義伺服電機，我們可以采用分段單步驟挖掘仿真。如動臂轉動到某位置后不動，再由斗桿轉動到一定位置，然后由鏟斗進行挖掘，最后提升回轉等運動。每一個過程最后的運動狀態，均作為下一個過程的初始條件，這種分割的辦法雖繁瑣，但清晰明了，對需要重點研究某一運動過程很方便。

通過單一運動擬合好最佳的復合運動時間，最終實現挖掘機整個作業過程的連續仿真。挖掘機虛擬樣機及添加伺服電動機的位置如圖1 所示。

圖1 虛擬樣機及伺服電機定義

2 運動仿真分析

通過對伺服電機的有效分配，實現運動的定義，同時可設置仿真參數，如仿真時間、仿真總幀數、幀間隔、仿真初始狀態等各種運動信息。整個機構的作業循環，為動臂正轉下降使鏟斗與地面接觸，然后斗桿正轉到一定位置，鏟斗正轉進行挖掘作業，待鏟斗滿載后，動臂反轉，使鏟斗抬升。同時斗桿和鏟斗正轉調整姿勢防止灑土。然后轉臺反轉至卸載位置，斗桿和鏟斗反轉完成卸載。轉臺正轉回到挖掘位置，準備下次挖掘作業。

定義好各伺服電機運轉時間后，點擊【運行】虛擬樣機就會按要求完成運動仿真過程。根據需要可以回放運動分析，輸出仿真動畫和單幀頻查看機構的每一步運動。通過運動仿真，可對機構的反作用力、位移、速度和加速度、運動軌跡等進行查看輸出。圖2 是挖掘機中間齒尖在WCS 坐標系關于時間的位置、速度、加速度圖像。

圖2 齒尖仿真結果

由位置測量，可以查看挖掘機中間齒尖點在任意時間分別對應XYZ 的位置。挖掘機最大挖掘半徑在X 軸的最高點7 019.44 mm 處，最大挖掘深度在Y 軸最低點–2 727.54 mm 處。

由速度測量可知：4～8 s 是鏟斗進行挖掘的過程，斗齒部位的速度變化較大。在6 s 時，鏟斗挖掘完成動臂開始提升時，速度突然增大到拐點位置后，有一個平緩的過渡，在挖掘結束后從另一個拐點位置開始減小。12.5～15 s 是挖掘機卸載過程，速度變化也較明顯。這是因為在挖掘機鏟斗裝滿土壤提升動臂時，為使鏟斗中土壤不至于灑出，需要在動臂提升過程中進行鏟斗姿態的調整。卸載時，為了快速卸載，斗桿和挖斗同時反轉卸載。

由加速度測量可知：4～8 s 時，加速度發生急劇變化，這是因為挖掘開始時，為了方便挖掘，先給一個大挖掘力。12～14 s 時，加速度也發生很大變化，這時是鏟斗在卸載。說明這時鏟斗、斗桿和液壓缸，都遭受了較大沖擊力。

3 結束語

本次仿真，在提升過程中進行了鏟斗的調整，因此速度曲線和加速度曲線，都有鋸齒狀突變。該突變說明，鏟斗姿態調整，對運動中鏟斗速度和加速度有很大影響，調整時間越短，突變越劇烈。鏟斗卸料的時候，由于考慮作業效率和鏟斗的卸載干凈，設計中采用了短時間、快速卸料方法，因此卸料區間的速度、加速度突變非常劇烈。從仿真結果可以得出，這種大的速度、加速度變化，雖然有液壓系統的緩沖，但是對挖掘機工作裝置的影響必然存在，所以在實際的工作裝置設計中，應給予充分考慮。

[1]張 鐵.挖掘機的結構原理及使用[M]. 東營：石油大學出版社，2002.

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