教学单位 机电工程系 存档编号 CAD/CAM课程设计说明书题 目 基于Pro/ENGINEER的液压挖掘机三维建模与运动仿真 学生姓名 学生学号 专业名称 指导教师 年 月 日目 录1 绪论3 1.1 液压挖掘机在工程应用中的重要性3 1.2 液压挖掘机的简介3 1.3 Pro/ENGINEER软件的介绍52基于Pro/ENGINEER的挖掘机参数化建模7 2.1动臂的建模7 2.2 斗杆的建模9 2.3 挖斗的建模10 2.4驾驶舱的建模122.5 动臂液压元件13 2.6挖斗液压元件14 2.7连接片的建模153液压挖掘机的装配设计16 3.1装配概述16 3.2基座的装配17 3.3机身的装配18 3.4动臂液压元件的装配19 3.5斗杆液压元件的装配20 3.6挖斗液压元件的装配20 3.7挖掘机的总体装配214 液压挖掘机的运动仿真模拟225 总结26参考文献 27附录基于Pro/ENGINEER的液压挖掘机三维建模与运动仿真1 绪论1.1 液压挖掘机在工程应用中的重要性液压挖掘机作为一种重要的工程机械使用在土石方施工和矿山采掘工业中，它有别于其他机械设备，它的工作环境恶劣，常工作在地质情况复杂、载荷情况多变、大气条件差的条件下。因此，其可靠性备受关注，特别是它的工作装置部分，由于要承受巨大载荷以及频繁的载荷变化，其结构安全性更要进行严格验证。近年来，随着电子计算机的快速发展，有限元分析技术和虚拟样机技术在挖掘机的设计和开发过程中得到了广泛使用，国内外的研究人员对此也做了大量的研究工作与探索。挖掘机是一种常用的、重要的工程机械，在国民经济建设的许多行业被广泛地采用，如工业与民用建筑、交通运输、水利水电工程、农田改造、矿山采掘以及现代化军事工程等行业的机械化施工中，对减轻繁重的体力劳动，保证工程质量，加快建设速度，按时完成工期，提高劳动生产率都起着非常重要的作用。据统计，一般工程施工中约有65%70%的土方量、露天矿山中80%的剥离量和采掘量都是用挖掘机完成的。液压挖掘机作为工程机械的产品代表，它具有重量轻、结构紧凑、挖掘力大、传动平稳、操纵简便、易实现无级变速和自动控制等系列有点，被广泛用于水利水电工程、建筑工程、市政工程、矿山采掘以及国防等工程的施工中。它具有很高的生产效率和可靠的安全稳定性，对于保证工程质量、加快建设速度有着重要作用。据建设部门统计，一台斗容为1.0m的液压挖掘机挖掘级土壤时，每班生产率大约相当于300400个工人一天的作业量。因此使得挖掘机在现代“挖土改水”的建设中发挥着越来越重要的作用。随着计算机辅助设计技术的日益推广，机械设计及制造技术发生了革命性的变化，而作为一个重要分支的液压挖掘机行业，应用现代计算机辅助设计技术势在必行。1.2 液压挖掘机工作简介液压挖掘机实在机械系统传统挖掘机的基础上发展起来的一种周期作业的土方机械，液压挖掘机由于在动力装置和工作装置之间采用容积式液压传动，靠液体的压力能进行工作。如图11为挖掘机实际图片。图11 挖掘机1.2.1 液压挖掘机的组成液压挖掘机的总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构和辅助设备等，液压挖掘机结构简图如图12所示。图12 液压挖掘机的基本组成简图1-动臂； 2-斗杆； 3-挖斗； 4-连接片； 5-动臂液压缸； 6-斗杆液压缸； 7-挖斗液压缸； 11-回转装置； 111-行走装置；工作装置各运动部件之间采用销轴铰接，以动臂油缸来支撑和改变动臂的倾角，通过动臂油缸的伸缩可使动臂绕下铰点转动实现动臂的升降。斗杆铰接于动臂的上端，由斗杆油缸控制斗杆与动臂的相对角度。当斗杆油缸伸缩时，斗杆可绕动臂上铰点转动。铲斗与斗杆前端铰接，并通过铲斗油缸伸缩使铲斗转动。为增大铲斗的转角，通过采用摇臂连杆机构来和铲斗连接。1.2.2 液压挖掘机的工作循环过程液压挖掘机的工作循环过程的仿真是进行液压挖掘机虚拟样机研究必不可少的一个过程。液压挖掘机的工作装置动作以及机身的回转和行走都有液压传动系统实现，原动机驱动双联液压泵，把压力油分别送到两组多路换向阀，通过司机的操作，将压力油单独或同时送往液压执行元件（液压马达和液压油缸）驱动执行机构（工作装置）工作。其工作过程如下：先下放动臂至挖掘位置，然后转动斗杆与铲斗，当挖掘至装满铲斗时，提升动臂使铲斗离开土壤，边提升边回转至卸载位置，转斗卸除土壤，然后再回转至工作位置开始下一次作业循环。动臂液压缸主要用于调整工作装置的挖掘位置，一般不单独直接挖掘土壤。斗杆挖掘可以获得较大的行程，但挖掘力要小一些。铲斗挖掘的行程较短，为使铲斗在转斗挖掘结束的时候装满土壤，因此挖掘机的最大挖掘力一般是由铲斗液压缸实现的。1.3 Pro/ENGINEER软件介绍PRO/E是美国PTC参数技术公司推出，是国际上最先进也是最成熟使用参数化特征造型技术的大型CAD/CAM/CAEA集成软件。PRO/E包括三维实体造型，装配模拟，加工仿真NC自动编程，板金设计，电路布线，装配管路设计等专有模块，ID反求工程，CE并行工程等先进的设计方法和模式。其主要特点是参数化的牲造型；统一的能使各模块集成起来的数据库；设计修改的关联性，即一处修改，别的模块中的相应图形和数据也会自动更新。它的性能优良，功能强大，是一套可以应用于工业设计，机械设计，功能仿真，制造和管理等众多领域的工程自动化软件包。PRO/E自动化自问世以来，多年来已成为全世界最普及的3DCAD/CAM系统的标准软件，PRO/E在今日俨然已成为3DCAD/CAM系统的标准软件，广泛应用于电子，机械，模具，工业设计，汽车，自行车，航天，家电，玩具等各行各业。PRO/E 是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代产品造型系统，是一个参数化，基于特征的实体造型系统，并且具有单一的数据库功能。PRO/ENGINEER是世界领先的机械设计自动化解决方案，专门用于机械计算机辅助设计。它是一个适用于产品、模具等产品设计并具有基于单一数据库、参数化设计、行为建模能力、特征造型、全相关性等特性的CAD/CAE/CAM软件系统。2. 基于PRO/ENGINEER的液压挖掘机参数化建模本课程设计主要的研究内容是液压挖掘机工作装置的参数化建模，包括动臂、斗杆，挖斗、液压支柱等需详细建模，而除工作装置以外的部件，在建模时则尽量简化，比如回转平台、行走装置等只是勾画出外部形状，而内部细节并未详细绘制。参数化建模是指在参数化造型过程中记录建模过程和其中的变量以及用户执行的CAD/CAM/CAE功能操作。因此，参数化建模通过捕捉模型中的参数化关系记录了设计过程。其本质就是设计过程的记录和回放。这种记录过程与次序有关。同时，它利用一系列定义好的参数对模型进行顺序计算。参数化建模的优势在于其速度快，其缺点是用户必须提供几何元素的全部尺寸、位置信息，即只有完全定义前一元素，才能定义下一个元素。对液压挖掘机反铲工作装置的零件进行三维实体造型几乎要用到Pro/ E中所有的常用操作方法,如拉伸、旋转、切割、倒角、以及圆角等常用操作命令。例如绘制动臂先绘制草绘图,用到直线、圆弧、相切和修剪等操作,再拉伸，镜像得到动臂的主体。接下来主要用拉伸操作依次绘制连接柱、连接片,最后用圆角工具对零件进行倒圆角休整。2.1 动臂的建模动臂的建模主要采用拉伸，镜像命令来实现。首先拉伸出侧板，然后拉伸内肋板与上下板，最后用镜像命令完成动臂的建模。图2-1 动臂侧板的建模图2-2 动臂上下板与内筋板的建模图2-3 动臂上耳座支座的建模图2-4 动臂侧筋板的建模图2-5 动臂最终建模2.2 斗杆的建模斗杆的建模过程和动臂相似，同样采用拉伸，镜像命令来完成。图2-6 斗杆侧板的建模图2-7 斗杆上下板与内筋板的建模图2-8 斗杆上耳座支座的建模图2-9 斗杆侧筋板的建模图2-10斗杆最终建模2.3 挖斗的建模图2-11 挖斗草绘图 图2-12 抽壳图2-13 挖齿草绘图图2-14 挖齿沿挖斗边方向阵列，距离158，阵列数目6图2-15 挖斗最终建模2.4 驾驶舱的建模第一步：拉伸实体，去除材料。图2-16第二步：做倒角，然后抽壳。图2-17第三步：拉伸去除材料。图2-182.5 动臂液压元件图2-19 动臂液压缸图2-20 动臂液压柱2.6 挖斗液压元件图2-21 挖斗液压缸图2-22挖斗液压柱2.7 连接片的建模图2-23 连接片的草绘图图2-24 连接片的最终建模3液压挖掘机的装配设计3.1 装配概述机构的装配过程主要分为两大类：以约束条件装配固定不动的原件和以连接条件装配可移动的原件。以约束条件装配固定不动的原件:在装配机构的原件时，若欲装配的原件为固定不动的原件，则操作者直接在现有的组件上及欲装配的原件上选取点、线、面等几何元素，PRO/ENGINEER系统即会自动给定贴合、对齐、插入等约束条件，以将原件固定在现有的组件上，此外，也可自行指定元件固定住的约束条件。约束条件的类型共有11种，在这些约束条件中，固定及缺省只需点选其命令图标，即可完成元件的装配，坐标系仅需1个约束条件，即可元件的装配，其余的皆需给定2个或2个以上的约束