基于Pro/E的小型挖掘機建模及仿真分析

魯記偉，吳國新

（北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192）

基于Pro/E的小型挖掘機建模及仿真分析

魯記偉，吳國新

（北京信息科技大學現代測控技術教育部重點實驗室，北京 100192）

基于Pro/E建模的高效率性，對小型挖掘機進行機械手臂實體建模及其運動仿真分析。整機的結構組成與工作原理；機械手臂處于工況時的運動學分析；挖掘機的裝配約束，還有仿真參數的設置方法即單一變量法；通過運動仿真，分析機構運動時的缺陷并進行運動參數的優化，從而改善運動效果。

Pro/E；挖掘機；運動仿真分析；運動優化

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.13

0 引言

挖掘機是一種有特殊功用的工程車輛，主要由鏟斗、機車回轉裝置、機車底盤以及機械手臂等組成，一般靠履帶或車輪行進。由于它造型特別，人們對它有多種叫法，如挖土機、大爪車、斗車等。在工程建設中挖掘機有不可替代的作用，幾乎每個工地上都會用到，這也說明挖掘機的發展速度很快[1]。

Pro/E這款軟件最大的特點就是建模參數化，這使得建模效率大大提高，而且軟件的運用范圍更加廣泛。特別是在新產品開發階段，可以運用參數化的功能快速高效率建模，從而保證產品各方面參數的一致性，提高產品的質量。當用戶者把新的零件開發出來后，如果有些尺寸不合理，用戶可以直接在原圖上修改零件的尺寸，來滿足設計的要求。另外Pro/E的建模都是實體性質的參數，用戶每一項參數的設置都有一定實際意義，比如零件的質量、體積、表面積等，用戶可以參考零件的質量或體積來構造零件的外形。

基于Pro/E建模的高效率性，對小型挖掘機進行簡單的三維建模，并對機械手臂運動進行仿真，使其完成預想軌跡：斗桿和動臂一起運動以實現挖掘工作，將動臂向上抬起同時斗桿附加轉動，以保持鏟斗處于水平位置，然后機車車身回轉，斗桿和鏟斗同時轉動，以實現卸土的工作，最后機車回轉車身旋轉至最初位置。

1 挖掘機分類及其工作原理

挖掘機按照不同的分類方式有許多不同類型（表1）。挖掘機按驅動力的不同可分為電驅動和柴油燃機驅動，其中電驅動挖掘機大部分應用在發生火災或壓強高的地方。

表1 挖掘機的分類

1.1 挖掘機的結構組成

液壓挖掘機機身主要是由動力傳動機構、行走機構、工作裝置、回轉裝置、液壓系統和輔助機構等組成[2]。

動力傳動機構的作用：挖掘機通過內燃機把柴油自身的化學能轉化為機車的機械能，再通過液壓系統由柱塞泵將機車的機械能轉化為液壓油的壓力能，再通過電液一體化將其能運送至各個機構零件，然后各個機構零件再將之轉化為機車的機械能。

行走機構用來完成機車車身的行走并支撐機車整機的質量，它由車架、支重輪、托鏈輪、導向輪、張緊裝置、車輪履帶、行走機構、回轉接頭等組成，構造類型多采用履帶轉動和輪胎轉動。

工作裝置是挖掘機整機之中最重要的一部分。由動臂、動臂液壓缸、動臂液壓缸活塞桿、斗桿、斗桿液壓缸、斗桿液壓缸活塞桿、鏟斗、鏟斗液壓缸、鏟斗液壓缸活塞桿、搖桿、連桿等組成，可以讓挖掘機完成挖掘、起重、旋轉、卸料等多種不同功能（圖1）。

圖1 挖掘機運動手臂

回轉裝置由回轉操作平臺、動力系統、液壓傳動系統、伺服操縱系統、電器系統、空調系統、司機駕駛室等組成[7]。它控制挖掘機的挖掘方向，使挖掘機向左或向右回轉，完成挖掘、旋轉、卸料。

1.2 挖掘機工作原理及工況

挖掘機是通過內燃機將柴油的化學能轉化為機車的機械能，再由液壓系統將機械能轉化為液壓油液的液壓能，再通過液壓泵將油液的壓力能運送至各個機車執行部件，如機車液壓油缸與搖桿的配合、機車轉動機構與減速器的配合，再由液壓泵將液壓油液的壓力能轉化為機車的機械能，從而實現機車整機的運動。

液壓挖掘機工作過程可以分為3種情況：①單鏟斗挖掘。斗桿和動臂都靜止，通過鏟斗7與斗桿4的轉動來實現挖掘工作，最大挖掘范圍和挖掘力則由鏟斗液壓缸來決定。②單斗桿挖掘。動臂靜止，而由斗桿與動臂之間的轉動來實現挖掘工作，挖掘能力則由斗桿液壓缸決定。③雙聯合挖掘。由斗桿液壓缸和鏟斗液壓缸一起運動進行挖掘，挖掘能力由這2個液壓缸同時決定。

2 挖掘機手臂運動學分析

挖掘機機械手臂部分主要由動臂AF，斗桿FK，鏟斗KM，動臂液壓缸BC，斗桿液壓缸DE，鏟斗液壓缸JH，搖桿HI，連桿HL組成（圖2）。由于把動臂液壓缸和動臂液壓缸活塞桿看成了一體，所以整個裝置共有11個活動構件。由平面機構自由度計算公式（1）得[6]：

圖2 挖掘機機構示意

式中 F——平面機構自由度

N——活動構件數

PL———機構中低副數目

PH——機構中高副數目

P———虛約束

P1———局部自由度

計算后得自由度為3，所以需要3個液壓缸作為動力，以保證手臂的正常運轉。

令動臂液壓缸的長度為L1，斗桿液壓缸的長度為L2，鏟斗液壓缸的長度為L3。

動臂的擺動范圍β見式（2）。

因為Lab和Lac以及∠CAF，α都為已知量，所以β將由動臂液壓缸的長度為L1唯一確定。

斗桿FK的擺動范圍γ見式（3）。

因Ldf和Lef以及∠AFD，∠EFK都為已知量，所以β將由動臂液壓缸的長度L2確定。鏟斗的擺動范圍δ=360°-∠FKI-∠IKH-∠HKL-∠LKM。其中，∠FKI和∠LKM由機構參數決定為定值。

聯立式（4），式（5），式（6）和式（7）即可求出∠IKH。聯立式（6）、式（8）可求出∠HKL，即可求出鏟斗的擺動范圍 δ，且只與鏟斗液壓缸的長度L3有關。

3 整機建模裝配及其運動仿真分析

建立各個部件三維模型后進行組件裝配：將機車底盤添加進裝配體，選擇缺省約束類型，然后依次將輪胎、機車回轉車身、動臂、斗桿、鏟斗調入機車底盤裝配體中，并定義約束類型為銷釘，再將活塞缸和搖桿依次調入；由于活塞桿與搖桿之間要產生空間滑動，所以定義為圓柱連接，活塞缸和搖桿與機車銷釘連接；連接構件分別為機車底盤與車輪輪胎、機車底盤與機車回轉車身、動臂與機車回轉車身、動臂與斗桿、鏟斗與斗桿、活塞缸與搖桿、活塞缸與機車體、搖桿與機車體。其中，除活塞缸與搖桿為圓柱連接外，其他均為銷釘連接。

仿真預想軌跡：斗桿和動臂一起運動以實現挖掘工作，將動臂向上抬起同時斗桿附加轉動，以保持鏟斗處于水平位置，然后機車車身回轉，斗桿和鏟斗同時轉動，實現卸土工作，最后機車回轉車身旋轉至最初位置。

電機位置的確定：點擊定義伺服電機功能鍵，選取動臂與機車轉軸命名為servomotor1，點擊輪廓設置參數，規范設置為速度，定義模為2，然后點擊運用。以同樣的方法設置其余電機，機車總體設置9個電機。

由于電機數目較多，同時設置每一個電機的運動時間，可能會達不到預期效果，所以采用了單一變量法的設置方式完成了機車整體的仿真。即其余電機不轉，而只讓一個電機轉動，觀察運動件的運動范圍。依此方法運用于其他電機上，記錄下每一個零件的運動時間，然后算出整個仿真所用的總時間，再以總時間為總體分配給各個分解運動所需時間，這樣就能精確仿真出挖掘機的預期運動。手臂運行流程如圖3所示。

通過仿真，基本實現了預想的運動軌跡，利用Pro/E對動臂與底座回轉裝置之間的銷釘進行運動分析。由于銷釘與動臂之間為固態連接，所以其轉動角度也為動臂的轉動角度。

圖3 手臂運行流程

對動臂與底座回轉裝置之間的銷釘進行真實工況下的運動分析，其中橫軸代表時間，縱軸代表轉角轉速（圖4）。可以發現，大約在30 s和84 s時圖4a轉角轉速的突變，這也符合挖掘機真實作業情況下動臂的運動情況，基于手臂在挖掘工作過程中的多變性，對其運動連接點進行速度優化，以降低速度連接點之間產生的加速度，從而改善手臂運動的靈活性。圖4b是采用二次速度曲線分別對仿真過程中30 s和84 s時產生的角加速度進行的優化，其角加速度明顯改善。

圖4 優化前后的轉速對比

4 結語

通過Pro/E對挖掘機進行簡單的三維建模，并對手臂的工況進行運動仿真，觀測各個部件的運動參數變化情況，對于有加速度的地方，通過優化運動參數，降低各部件的加速度，從而改善了挖掘機的工作情況，為對真實挖掘機運動參數的優化提供了基礎。

［1］趙燕玲，張怡.液壓挖掘機運動軌跡研究［J］.現代商貿工業，2011（22）：338-339.

［2］徐素霞，文學沫.基于Pro/E的挖掘機虛擬樣機建模及運動學仿真［J］.裝備制造技術，2012（7）：282-285.

［3］徐兵，朱曉軍，劉偉.挖掘機工作裝置運動學建模與仿真［J］.機床與液壓，2011，39（9）：97-99.

［4］魏永泉，藍兆輝.挖掘機工作裝置逆運動學分析的桿組方法和運動規劃［J］.機械傳動，2013（4）：10-14.

［5］王久聰，李慶毅.挖掘機鏟斗機構參數的試驗優化［J］.機械設計與制造，2013（4）：34-37.

［6］呂其惠，王力夫.液壓挖掘機工作裝置智能化控制的設計與研究［J］.現代制造工程，2007（4）：107-109.

［7］毛坤朋.機械式、液壓式挖掘機挖掘軌跡與五桿機構實現軌跡的對比［J］.化工技術與開發，2013（11）：73-76.

TH113.2

B

〔編輯 吳建卿〕

重點實驗室開放課題：KF20171123204，國家高技術研究發展計劃（2015AA043702），國家自然科學基金資助項目51275052。