羅君揚(yáng)，林述溫

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350108)

液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)建模與作業(yè)過程動態(tài)仿真

羅君揚(yáng)，林述溫

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350108)

利用參數(shù)化設(shè)計軟件Pro/E完成了液壓挖掘機(jī)的參數(shù)化建模，對模型進(jìn)行了虛擬裝配，得到了虛擬樣機(jī)模型，通過對液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，有助于理解和分析實(shí)際機(jī)械裝置運(yùn)動過程，并提供相應(yīng)的改進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計的信息。

液壓挖掘機(jī)；參數(shù)化建模；運(yùn)動學(xué)仿真

液壓挖掘機(jī)在工業(yè)與民用建筑、道路建設(shè)、水力、礦山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置，并反映了這些行業(yè)的施工機(jī)械化水平，是交通運(yùn)輸、能源開發(fā)、城鎮(zhèn)建設(shè)以及國防施工等各項(xiàng)工程建設(shè)的重要施工設(shè)備，是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)迫切需要的裝備。重視和加速挖掘機(jī)改進(jìn)創(chuàng)新，穩(wěn)定提高產(chǎn)品品質(zhì)，滿足用戶需求，對加速現(xiàn)代化工程建設(shè)有著重大的意義[1-3]。

挖掘機(jī)的設(shè)計水平關(guān)系到最終產(chǎn)品的品質(zhì)，而設(shè)計過程中技術(shù)的先進(jìn)與否、數(shù)字化程度的高低，很大程度上決定了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的周期、品質(zhì)和成本。在工程設(shè)計中已得到廣泛應(yīng)用的計算機(jī)輔助技術(shù)就是這些先進(jìn)技術(shù)的代表?，F(xiàn)利用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，建立液壓挖掘機(jī)各部件參數(shù)化模型，并對模型進(jìn)行了虛擬裝配，得到了虛擬樣機(jī)模型，通過對液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)作業(yè)工況進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，檢查運(yùn)動中的干涉，以驗(yàn)證設(shè)計的合理性及可行性。

1 液壓挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動分析

液壓挖掘機(jī)的工作裝置是采用連桿機(jī)構(gòu)的原理，而各部分的運(yùn)動通過液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)的，從而完成挖掘作業(yè)。其中，動臂與動臂油缸組成動臂連桿機(jī)構(gòu)(簡稱動臂機(jī)構(gòu))，斗桿與斗桿油缸組成斗桿連桿機(jī)構(gòu)(簡稱斗桿機(jī)構(gòu))，鏟斗與鏟斗油缸及連桿機(jī)構(gòu)組成鏟斗連桿機(jī)構(gòu)(簡稱鏟斗機(jī)構(gòu))，各部分之間采用銷軸鉸接方式。工作裝置的幾何位置取決于動臂液壓缸的長度L1、斗桿液壓缸的長度L2和鏟斗液壓缸的長度L3。顯然L1、L2和L3為某一組確定值時工作裝置就相應(yīng)處于一個確定的幾何位置。液壓挖掘機(jī)工作裝置幾何參數(shù)簡圖如圖1所示，設(shè)計平面直角坐標(biāo)系，使x軸與地平面重合，y軸與挖掘機(jī)回轉(zhuǎn)中心線重合。則斗齒尖V所在的x坐標(biāo)值xV就表示挖掘半徑，y坐標(biāo)值yV為正值時就表示挖掘高度，為負(fù)值時表示挖掘深度[1]。

圖1 液壓挖掘機(jī)工作裝置幾何參數(shù)簡圖

1.1 動臂的運(yùn)動

從圖1可知，動臂擺角∠UCF是動臂油缸L1的函數(shù)。動臂上任意一點(diǎn)在任一時刻的位置坐標(biāo)也都是L1的函數(shù)。

動臂的擺角∠UCF

α=∠UCA=53.12°

(1)

∠ACU=α/180×π

(2)

(3)

∠BCU=∠ACB-∠ACU

(4)

(5)

∠UCF=∠BCU-∠BCF

(6)

F點(diǎn)瞬時位置坐標(biāo)：

XFC=l1×cos(∠UCF)

(7)

XF=XC+XFC

(8)

YFC=l1×sin(∠UCF)

(9)

YF=YC+YFC

(10)

1.2 斗桿的運(yùn)動

斗桿的位置參數(shù)是動臂油缸L1和斗桿油缸L2的函數(shù)。這里暫先討論斗桿相對于動臂的運(yùn)動，也即只考慮L2的影響。

斗桿相對于動臂的擺角∠CFQ：

(11)

(12)

(13)

(14)

l16=l2-l21

(15)

∠GFQ=∠GFN

(16)

∠CFQ=2π-∠CFD-∠DFE-∠EFG-∠GFQ

(17)

N點(diǎn)瞬時位置坐標(biāo)：

∠CFN=∠CFQ

(18)

(19)

(20)

∠UCN=∠UCF-∠NCF

(21)

XN=XC+lCN×cos(∠UCN)

(22)

YN=YC+lCN×sin(∠UCN)

(23)

1.3 鏟斗的運(yùn)動

鏟斗的運(yùn)動是動臂油缸L1、斗桿油缸L2和鏟斗油缸L3的函數(shù)，情況較復(fù)雜。這里暫討論鏟斗相對于斗桿的運(yùn)動。

鏟斗相對于斗桿的擺角∠FQV：

∠NQK=2π-∠MNQ-∠NMK-∠MKQ

(24)

(25)

∠FQV=∠MNQ+∠NMK+∠MKQ-∠KQV

(26)

Q點(diǎn)瞬時位置坐標(biāo)：

(27)

(28)

∠UCQ=∠UCF-∠QCF

(29)

XQ=XC+lCQ×cos(∠UCQ)

(30)

YQ=YC+lCQ×sin(∠UCQ)

(31)

V點(diǎn)坐標(biāo)：

由圖1以及前面計算公式，利用幾何關(guān)系可以依次求得∠CQV，lCV，∠VCQ，∠UCV等值。

XV=XC+lCV×cos(∠UCV)

(32)

YV=YC+lCV×sin(∠UCV)

(33)

斗齒尖V的坐標(biāo)值XV和YV是L1、L2和L3的函數(shù)。根據(jù)式(32)、式(33)，就可以確定整機(jī)的作業(yè)范圍，當(dāng)液壓缸長度L1、L2和L3為一組定值時，只有一組XV和YV與其對應(yīng)。

2 Pro/E中液壓挖掘機(jī)參數(shù)化模型的建立

文中以Pro/E為支撐平臺，進(jìn)行液壓挖掘機(jī)的三維參數(shù)化設(shè)計。因篇幅所限，這里僅列出動臂、斗桿和鏟斗等復(fù)雜零件的三維實(shí)體參數(shù)化模型，如圖2所示。

圖2 動臂、斗桿和鏟斗的參數(shù)化模型

3 液壓挖掘機(jī)的虛擬裝配

要建立液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)，需對其各個參數(shù)化模型進(jìn)行虛擬裝配。在Pro/E的裝配模塊中，通過確定零件之間的位置約束關(guān)系，可以把液壓挖掘機(jī)中的各個三維實(shí)體零件裝配成一個整體[4]。得到挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)后，可以檢查各零件之間是否有干涉以及裝配體的運(yùn)動情況是否合乎設(shè)計要求。如果出現(xiàn)問題，可以根據(jù)需要對生成的零件和特征進(jìn)行修改定義，直到達(dá)到挖掘機(jī)設(shè)計要求為止。

在進(jìn)行虛擬樣機(jī)裝配時，采用按照挖掘機(jī)各鉸接點(diǎn)“連接”約束方式進(jìn)行裝配：回轉(zhuǎn)機(jī)架和挖掘機(jī)底座的連接、動臂和回轉(zhuǎn)機(jī)架的連接、動臂與斗桿的連接、斗桿與鏟斗的連接、動臂液壓缸缸筒與回轉(zhuǎn)機(jī)架的連接、連桿與斗桿的連接、液壓缸缸桿與動臂的連接等均采用“銷軸”約束；液壓缸缸桿與液壓缸缸筒的連接、搖桿與鏟斗的連接、連桿與搖桿的連接采用“圓柱”和“銷軸”約束。最終完成的液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)(由于課題主要研究液壓挖掘機(jī)作業(yè)過程，因此對挖掘機(jī)的行走裝置、未進(jìn)行詳細(xì)建模，在此以底座替代)，如圖3所示。

圖3 液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)模型

4 液壓挖掘機(jī)作業(yè)范圍及整個作業(yè)過程仿真

液壓挖掘機(jī)反鏟裝置包括動臂、斗桿、鏟斗及相應(yīng)的三組驅(qū)動液壓缸，其結(jié)構(gòu)與具有臂、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的機(jī)械手十分相似，因此，可以利用確定機(jī)械手工作空間的方法來確定挖掘機(jī)工作裝置的作業(yè)空間。目前，確定機(jī)械手工作空間的方法主要有解析法、圖解法、數(shù)值法和仿真法[5-7]。仿真法具有直觀性強(qiáng)，通用性好，修改方便等優(yōu)點(diǎn)，所以采用仿真法來確定液壓挖掘機(jī)作業(yè)范圍。

液壓挖掘機(jī)作業(yè)范圍可分成9個部分，見圖4。圓弧ab為鏟斗油缸動作，挖掘軌跡以鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)Q為中心，當(dāng)工作裝置的鉸點(diǎn)C,Q和鏟斗斗尖V處在一直線上時，工作裝置的伸出長度最大。圓弧bc為動臂油缸動作，挖掘軌跡以機(jī)身與動臂的鉸點(diǎn)為中心，在圓弧bc上可得到最大挖掘半徑R0max和停機(jī)面最大挖掘半徑R1max。圓弧cd為鏟斗油缸動作，挖掘軌跡以鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)為中心，斗尖V處在點(diǎn)d時，工作裝置的鉸點(diǎn)F,Q和鏟斗斗尖V處在一直線上的狀態(tài)。圓弧de為斗桿油缸動作，挖掘軌跡以斗桿與動臂的鉸點(diǎn)F為中心，在圓弧de上可得到最大挖掘深度h3max。圓弧ef為鏟斗油缸動作，斗尖V處在點(diǎn)f時，鉸點(diǎn)C、斗尖V和鉸點(diǎn)Q處在一直線上的狀態(tài)，挖掘軌跡以鏟斗與斗桿的鉸點(diǎn)Q為中心，在弧ef上可得到最小挖掘半徑。圓弧fg為動臂油缸和鏟斗油缸的復(fù)合動作，此時動臂油缸的長度由最小逐級變?yōu)樽畲?，鏟斗油缸在最小和最大間不斷作往返運(yùn)動。圓弧gh為鏟斗油缸的動作，斗尖V處在點(diǎn)h時，動臂、斗桿和鏟斗油缸的長度為最大。圓弧hi為斗桿油缸的動作，斗桿油缸的長度由最大為最小。圓弧ia為鏟斗油缸的動作，鏟斗油缸的長度由最大為最小，在圓弧ia可得到最大卸載高度h2max，點(diǎn)a為最大挖掘高度h1max。

圖4 液壓挖掘機(jī)作業(yè)范圍

經(jīng)過挖掘作業(yè)范圍進(jìn)行運(yùn)動仿真，得到該挖掘機(jī)的最大挖掘半徑(2407mm)、最大挖掘深度(889mm)、停機(jī)面最大挖掘半徑(2317mm)、最大卸載高度(1098mm)和最大挖掘高度(1588mm)等主要工作性能尺寸，與設(shè)計要求的工作性能尺寸基本相符，從而可證明該模型的建立和虛擬仿真是正確的。

液壓挖掘機(jī)整個挖掘作業(yè)過程仿真如圖5所示。

圖5 整個挖掘作業(yè)過程的運(yùn)動仿真

通過對液壓挖掘機(jī)挖掘作業(yè)范圍以及整個挖掘作業(yè)過程進(jìn)行運(yùn)動仿真，校驗(yàn)了設(shè)計的液壓挖掘機(jī)各構(gòu)件無干涉現(xiàn)象，工作裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計合理，性能可以滿足作業(yè)要求。

液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)運(yùn)動仿真的實(shí)現(xiàn)，結(jié)束了挖掘機(jī)設(shè)計的分析和評估只能在物理樣機(jī)上進(jìn)行的歷史，開創(chuàng)了一條新的挖掘機(jī)設(shè)計的途徑：計算機(jī)三維設(shè)計——虛擬樣機(jī)分析——設(shè)計評估及改進(jìn)——小批量生產(chǎn)——批量生產(chǎn)。這樣不僅使挖掘機(jī)的設(shè)計效率和可靠性明顯提高，也為企業(yè)產(chǎn)品的早日上市和提前盈利爭取了時間。

5 結(jié)語

通過液壓挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)的運(yùn)動仿真分析，成功的對液壓挖掘機(jī)挖掘作業(yè)范圍以及整個作業(yè)過程進(jìn)行了動態(tài)模擬、干涉檢查。對液壓挖掘機(jī)工作循環(huán)過程的正確性，各構(gòu)件的干涉情況，設(shè)計的合理性進(jìn)行了初步驗(yàn)證；大大簡化了液壓挖掘機(jī)的設(shè)計開發(fā)過程，為液壓挖掘機(jī)的設(shè)計和改進(jìn)提供了參考依據(jù)。

[1] 同濟(jì)大學(xué). 單斗液壓挖掘機(jī)[M]. 第二版. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1986.

[2] 王宗君. 加速挖掘機(jī)改進(jìn)創(chuàng)新促進(jìn)挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的振興和發(fā)展[J]. 建筑機(jī)械, 1998, (5):30-33.

[3] 陳正利. 我國液壓挖掘機(jī)發(fā)展的幾個重要階段及前景展望[J]. 建筑機(jī)械, 1999, (1):17-23.

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[5] 蔡蒂, 謝存禧, 張鐵, 等. 基于蒙特卡洛法的噴涂機(jī)器人工作空間分析及仿真[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造，2009, (3):161-162.

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[7] 張鵬程, 張鐵. 基于包絡(luò)法六自由度工業(yè)機(jī)器人工作空間的分析[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造, 2010, (10):164-166.

Modeling and Dynamic Simulation for Virtual Prototype of Hydraulic Excavator

LUO Junyang, LIN Shuwen

(College of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

This paper uses Pro/E software to develop the parameter model of the hydraulic Excavator and conduct the virtual assembly, and then complete its virtual prototype. By the kinematics simulation, it conduces to comprehend and analyses the actual process of the mechanical motion and provides the information for improving the structure design.

hydraulic excavator; parametric modeling; kinematics simulation

羅君揚(yáng)(1975-),男， 福建福州人, 實(shí)驗(yàn)師,碩士，研究方向: CAD/CAM/CAE。

TP391.9

B

1671-5276(2015)05-0105-03

2014-03-03