液壓挖掘機參數(shù)化姿態(tài)控制系統(tǒng)

呂彭民　吳玉文　張蓓

摘要：通過VB控制SolidWorks中液壓挖掘機各液壓缸長度參數(shù)，實現(xiàn)液壓挖掘機姿態(tài)的參數(shù)化控制，并對模型的建立、系統(tǒng)的設定以及關鍵技術進行闡述。通過參數(shù)化姿態(tài)控制系統(tǒng)，在SolidWorks中自動裝配出用戶指定姿態(tài)的液壓挖掘機幾何模型，用戶可以將該幾何模型導入有限元軟件Ansys中進行有限元分析，解決了有限元分析時挖掘機姿態(tài)難以調節(jié)的問題。

關鍵詞：液壓挖掘機；姿態(tài)；參數(shù)化；SolidWorks

中圖分類號：U415.51文獻標志碼：B

Abstract： The length parameters of hydraulic cylinders in SolidWorks were controlled by VB in order to command the stance of hydraulic excavator. With this system， the geometric model of hydraulic excavator with the userspecified stance can be automatically assembled in SolidWorks. The users can import the geometric model above into the software Ansys to carry out the finite element analysis. The system solves the problem that the stance of hydraulic excavator is difficult to change during the finite element analysis.

Key words： hydraulic excavator； stance； parameterization； SolidWorks

0引言

在研究液壓挖掘機載荷譜的過程中，通過對工作裝置的運動、力學分析，總結出載荷力的傳遞規(guī)律，并在此基礎上通過實際的載荷標定，建立載荷的回歸方程，實現(xiàn)實時應力測試向載荷測試的轉變[12]。在進行實際的載荷標定試驗前，需要在有限元分析軟件Ansys中對不同姿態(tài)的液壓挖掘機仿真模型進行受力分析，模擬實際加載過程，建立在Ansys環(huán)境下的載荷的回歸方程，從而預先驗證試驗方案的準確性。由于擬合載荷的回歸方程需要大量的不同姿態(tài)的數(shù)據(jù)，所以需要對多種姿態(tài)的液壓挖掘機仿真模型進行受力分析；而且，在液壓挖掘機設計過程中，也需要對不同姿態(tài)的仿真模型進行受力分析；但是，在Ansys中準確控制液壓挖掘機姿態(tài)是相對比較困難的，也會加大工作的重復性。

利用三維參數(shù)化技術，基于VB和SolidWorks設計了液壓挖掘機參數(shù)化姿態(tài)控制系統(tǒng)。在裝配過程中對相關配合進行參數(shù)化，得到液壓挖掘機部件間不同的裝配關系，實現(xiàn)對液壓挖掘機姿態(tài)的參數(shù)化控制。通過此系統(tǒng)，可以在SolidWorks中自動裝配出用戶指定姿態(tài)的液壓挖掘機幾何模型，用戶可以將該幾何模型導入有限元軟件Ansys中進行受力分析。

由于在擬合載荷的回歸方程時需要把相關力的力臂作為一個輸入量，因此需要得到各姿態(tài)下準確的力臂數(shù)值。力臂可以通過理論計算得出，但是對已建好的對應姿態(tài)的幾何模型，具有直接測量最為方便。通過本系統(tǒng)，可以快速建立對應姿態(tài)的液壓挖掘機幾何模型，并利用SolidWorks的良好操作性的測量功能，直接測得相關力臂，準確而且方便、快捷。

1基于VB的SolidWorks二次開發(fā)

1.1基于VB的SolidWorks零部件參數(shù)化建模

以圓柱體零件為例，其參數(shù)化建模流程如圖1所示。

1.2基于VB的SolidWorks自動裝配

自動裝配過程主要包括以下幾個步驟：VB連接SolidWorks，新建裝配體；插入零部件；添加配合關系；檢查干涉；完成裝配并保存[2]。自動裝配流程如圖2所示。

2參數(shù)化姿態(tài)控制系統(tǒng)的建立

2.1模型的建立

利用三維軟件SolidWorks建立挖掘機工作裝置、回轉平臺和底架的三維模型。工作裝置由動臂、斗桿、鏟斗和相應的液壓缸組成。工作裝置主要構件模型如圖3所示。

在建立三維模型時，要考慮在有限元中分析時的要求。為減小有限元分析的計算量，在保證挖掘機工作裝置、回轉平臺和底架的力學性能的基礎上，根據(jù)上述部件的結構特點進行簡化[3]。

（1） 忽略螺紋孔和對結構應力分布影響很小的倒角、運輸?shù)醵⒓毼⒌男泵娴取?/p>

（2） 由于動臂、斗桿、回轉平臺等部件都是焊接結構，在建模過程中，將焊縫處做連續(xù)處理，其材料與母材做相同處理。

（3） 由于在研究載荷譜時主要是對工作裝置進行受力分析，因此回轉平臺和底架也做了相應的簡化處理。

（4） 液壓挖掘機工作裝置的各部件是通過銷軸相連，通過銷軸在各部件之間傳遞力和運動，在對工作裝置進行整體有限元分析時要進行鉸接的處理。推薦選用梁單元BEAM188模擬銷軸，并通過節(jié)點耦合的方法對鉸接進行模擬。在有限元分析中通過SECTIONS定義不同半徑的實心圓模擬不同半徑的銷軸。在模擬鉸接時需要對UX、UY、UZ、RTOX、RTOY五個自由度進行約束，釋放Z方向的旋轉自由度[4]。所以，未在SolidWorks中直接建立銷軸模型。

2.2系統(tǒng)的設定

如圖4所示，系統(tǒng)界面主要由3部分組成，左側為姿態(tài)設定區(qū)，右上部為對應姿態(tài)的圖像展示區(qū)，右下部為液壓缸長度輸入?yún)^(qū)。

在液壓挖掘機實際作業(yè)過程中，存在多種挖掘姿態(tài)，需要注意液壓挖掘機最危險的姿態(tài)，以免因出現(xiàn)工作裝置部件的斷裂造成重大損失。液壓挖掘機在實際工作過程中，各液壓缸之間可實現(xiàn)不同的組合，挖掘姿態(tài)可達數(shù)萬種。

在姿態(tài)設定區(qū)設置了6個Option單選控件，Option1～Option5對應上述的5種典型液壓挖掘機姿態(tài)，Option6對應用戶自定義姿態(tài)[56]。如圖4所示，在運行程序時，當選定Option1時，右側Image控件載入Option1所對應的姿態(tài)圖片。此時，在液壓缸長度輸入?yún)^(qū)會自動顯示出Option1對應的典型姿態(tài)的各液壓缸長度，最終自動在SolidWorks中形成圖4圖像展示區(qū)所示姿態(tài)的液壓挖掘機裝配體模型。

同理，當選定Option2～Option5時，Image控件載入對應的姿態(tài)圖片，在液壓缸長度輸入?yún)^(qū)會自動顯示出對應的典型姿態(tài)的各液壓缸長度，最終自動在SolidWorks中形成如圖5所示的相應姿態(tài)的液壓挖掘機裝配體模型。當選定Option6時，為用戶自定義姿態(tài)，用戶在液壓缸長度輸入?yún)^(qū)指定位置輸入各液壓缸長度，最終自動在SolidWorks中形成用戶指定姿態(tài)的液壓挖掘機裝配體模型。

2.3系統(tǒng)的關鍵技術

系統(tǒng)程序運行主要包括幾個步驟：VB連接SolidWorks，打開各液壓缸子裝配體；在各液壓缸子裝配體中添加參數(shù)化的距離配合關系（若程序非首次運行，則首先自動刪除上次調節(jié)姿態(tài)過程中添加的參數(shù)化的距離配合關系，再重新添加）；檢查干涉；完成各液壓缸子裝配體的裝配并保存；打開液壓挖掘機整機裝配體，并重建模型；檢查干涉；完成整機裝配體的裝配并保存。下面以動臂液壓缸子裝配體和整機裝配體相關主要程序為例進行解釋。

（1） 動臂液壓缸子裝配體主要相關程序：

Set nassembly = swApp.OpenDoc6

（"D：＼＼he＼＼boom cylinder.SLDASM"，……）/打開動臂液壓缸子裝配體

boolstatus = nassembly.Extension.

SelectByID2（"距離1"， "MATE"，……）

nassembly.EditDelete/選中上次調節(jié)姿態(tài)過程中已添加的參數(shù)化的距離配合關系，并刪除

boolstatus = nassembly.Extension.

SelectByID2（"Point1@原點"，……）/選中動臂液壓缸缸筒零件原點（在前期裝配過程中，已將缸筒零件原點與子裝配體原點重合）

boolstatus = nassembly.Extension.

SelectByID2（"Point1@原點@cylinder rod1@boom cylinder"，……）/選中動臂液壓缸活塞桿零件原點

Set myMate = nassembly.AddMate3（5， 1， False， Val（Text1.Text），……）/將上述2個原點作為對象添加參數(shù)為Val（Text1.Text）距離配合關系

nassembly.EditRebuild3/重建模型

nassembly.ToolsCheckInterference/檢查干涉

longstatus = nassembly.SaveAs3

（"D：＼＼he＼＼boom cylinder.SLDASM"， 0， 2）/保存動臂液壓缸子裝配體

（2） 整機裝配體主要相關程序：

Set nassembly = swApp.OpenDoc6

（"D：＼＼he＼＼he.SLDASM"，……）/打開整機裝配體

nassembly.EditRebuild3/重建模型

nassembly.ToolsCheckInterference/檢查干涉

longstatus = nassembly.SaveAs3

（"D：＼＼he＼＼he.SLDASM"， 0， 2）/保存整機裝配體

3結語

本文首先分析了基于VB的SolidWorks二次開發(fā)技術。此項技術是一種三維參數(shù)化建模技術，實用價值高，有助于減少設計人員的工作量，提高產品研發(fā)效率。文章將此項技術應用于工程實際，對液壓挖掘機參數(shù)化姿態(tài)控制系統(tǒng)進行了研究和開發(fā)。實踐證明，該系統(tǒng)有以下特點。

（1） 實現(xiàn)了液壓挖掘機姿態(tài)控制的程序化和自動化。

（2） 操作簡單，能方便快捷地幫助用戶準確地參數(shù)化控制液壓挖掘機姿態(tài)。

（3） 在相關研究中可以充分利用SolidWorks測量等其他功能。

（4） 可以服務于液壓挖掘機載荷譜的研究和挖掘機的設計工作，滿足了相關工程的實際需要。

（5） 開發(fā)思路可以應用于其他需要大量重復性數(shù)據(jù)的工程研究。

參考文獻：

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[2]陳進，慶飛，龐曉平.基于作業(yè)路徑的液壓挖掘機挖掘性能[J].長安大學學報：自然科學版，2014，34（2）：115119.

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[責任編輯：王玉玲]