基于Pro/E多姿態挖掘機虛擬樣機建模及仿真分析*

張 穩，羅金良，張亞龍

(南華大學，機械工程學院，湖南 衡陽 421001)

1 前言

液壓挖掘機在工業與民用建筑、道路建設、水力、礦山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置，是交通運輸、能源開發、城鎮建設以及國防施工等各項工程建設的重要施工設備，是國民經濟建設迫切需要的裝備。然而，在作業環境相對惡劣的環境中，一般的輪式、履帶式挖掘機無法正常、有效地工作。為此，設計一款底盤能夠根據工作環境的改變而改變工作姿態的工程機械成為了研究熱點。筆者設計了具有多姿態、采用四輪驅動、具有很強的路面適應性和越障能力，在淺水、沼澤、山地等環境中都能夠正常作業的挖掘機［1］。并利用Pro/E軟件建立挖掘機的三維立體模型并進行整體裝配，運用其機構運動仿真模塊進行各零部件運動干涉檢查及行走機構工作作用點的運動軌跡、位置和速度分析。

此采用Pro/E設計的挖掘機虛擬樣機的結構，在采用四輪驅動、控制時具有很強的路面適應性和越障能力，在淺水、沼澤、山地等環境中都可正常作業。采用傳統的設計方法，需要制造多個物理樣機，設計周期長、成本高等弊端，如何提高產品的設計質量，降低產品的研發成本，進行創新性設計，又快又好設計出滿足不斷變化市場的需求。虛擬樣機技術(Virtual Prototyping)的應用很好地解決了這些問題［2］。Pro/E是一款基于特征的全參數化建模軟件，目前有80多個專用模塊，功能強大。

利用Pro/E可方便的設計各零部件的三維立體模型并進行整體裝配，運用其機構運動仿真模塊能夠進行各零部件運動干涉檢查及行走機構工作時作用點的運動軌跡、位置和速度分析。

2 虛擬樣機的建立

構造虛擬樣機必須進行機械零部件的三維實體造型。三維實體模型的構筑對于虛擬樣機的仿真和分析十分重要［3］，必須充分理解所構造的機械結構的各個零部件的外形以及他們之間的相對位置和裝配關系，才能保證虛擬仿真的順利進行。

本樣機整機模型由回轉體、行走機構和工作裝置組成，其中行走機構對行走能力起到決定性作用，在此重點介紹行走機構。

(1)行走機構是由4個分支組成，每個分支機構由鉸接、關節、支撐臂、車輪及兩個液壓缸組成，如圖1～5所示。

圖1 行走機構分支裝配圖

(2)分支機構的裝配。在裝配中機構中各零件之間的約束類型如下表1所列。

圖2 鉸接

圖3 關節

圖4 支撐臂

圖5 車輪

表1 分支機構零件約束類型

其中液壓缸1和液壓缸2的兩缸筒采用圓柱連接，分別稱圓柱連接1和圓柱連接2。

(3)虛擬樣機的整機模型。如圖6所示。

圖6 虛擬樣機整機模型

3 行走機構運動學分析

3.1 添加驅動

各行走機構的運動都是獨立的，所以運動學仿真只需研究行走機構的1個分支在空間內完成回轉和伸縮運動。根據運動仿真分析的要求，需添加3個驅動，均為伺服電動機。

(1)在銷釘鉸接上添加旋轉伺服電動機，使分支機構整體繞連結上通孔軸線做旋轉運動。旋轉伺服電動機作用時間及速度采用模選項中表的方式確定，0～10 s內速度為5°/s;10～30 s內速度為-5°/s;30～40 s內速度為5°/s。

(2)在圓柱副1上添加移動伺服電動機1，控制關節在豎直方向的位置。移動伺服電動機1的作用時間及速度采用模選項中表的方式確定，0～40 s內速度為0;40～50 s內速度為-20 mm/s;50～61 s內為20 mm/s。

(3)在圓柱副2上添加移動伺服電動機2，控制支撐臂在豎直方向的位置。移動伺服電動機2的作用時間及速度采用模選項中表的方式確定，0～61 s內，速度為0;61～67 s內為-20 mm/s;67～72 s內，速度為20 mm/s。

3.2 機構分析及干涉檢驗

運動學仿真可確定所關心點的位移、速度、加速度的變化范圍［4］。

伺服電動機定義完成后，進入機構分析界面。分析類型選擇為運動學分析，開始時間設為0，終止時間為73 s，點擊運行，開始運動學分析。觀察仿真過程，保存仿真結果。點擊回放，進行碰撞檢測設置，設置為部分碰撞檢測，進行碰撞檢測。

3.3 仿真結果及分析

3.3.1 運動分析

干涉檢驗完成后，新建測量量measure1，測量類型為位置，測量點為支撐臂的末端，以底座中心坐標PRT_CSYS_DEF為measure1的參考坐標系，測量分量為X分量;新建測量量measure2，測量類型為位置，測量點為支撐臂的末端，選取坐標系PRT_CSYS_DEF為參考坐標系，測量分量為Y分量，評估方法默認為每個時間步長。測量結果如圖7、8所示。

圖7 前臂末端水平方向的位移變化曲線

進入回放界面，創建運動包絡圖，即行走機構運動過程中所能觸及到的位置。選取元件對話框一欄選取鉸接、關節、支撐臂、車輪為對象，輸出格式為零件，使用缺省模塊，創建運動包絡［5］，結果如圖9所示。

圖8 前臂末端豎直方向的位移變化曲線

圖9 行走機構分支的運動包絡圖

3.3.2 適應性分析

分支機構的自由度P=3，分別為鉸接繞Z軸方向的轉動自由度，關節繞鉸接Y軸方向的轉動自由度，前臂繞關節的Y軸轉動自由度［6］。基于此多自由度的結構設計，行走機構具有很強的靈活性和適應性。

4 結論

通過對行走機構的分支運動學分析，測得支撐臂末端的位置曲線和該分支的運動包絡圖，得到了該分支能達到位置空間，為機構進一步的設計及優化提供了依據。

［1］ 張 熠.KAISER步行式挖掘機［J］.工程機械與維修，2007(7):132.

［2］ 趙志平，李新勇.虛擬樣機技術及其應用與發展［J］.機械研究與應用，2006，19(1):6-7.

［3］ 吳衛國，朱學超，李高偉.基于Pro/E的工程機械試驗平臺的三維建模及運動仿真［J］.煤礦機械，2007，12(28):99-101.

［4］ 趙 武，劉祝英.4UX-550型馬鈴薯收獲機懸掛機構仿真研究［J］.農業機械技術設計與制造，2009(5):116-119.

［5］ 齊 龍，馬 旭，譚祖庭.基于Pro/E的復合式水田除草器設計與運動學仿真分析［J］.吉林農業大學學報2011，33(4):455-458，468.

［6］ 余順年，馬履中，陳扼西，等.三自由度并聯機構位置和運動分析及仿真［J］.農業機械，2005，36(5):97-100.