四自由度挖掘机的工装装置运动仿真及分析（一）

fjl789 · 发表于 2013-9-11 15:08:48

发表时间：2013/6/21 撰稿人：

田伟徐胜男

关键字：液压挖掘机四自由度 SolidWorks motion模块运动学仿真包络图
本文利用SolidWorks软件对履带式液压挖掘机进行实体建模，在原有的三自由度机构上改进成四自由度机构，并用SolidWorks 2012强大的motion模块对该挖掘机的工作装置进行运动学仿真，得到该挖掘机的挖掘轨迹包络图。仿真结果表明，所设计的液压挖掘机工作装置较为合理，从包络图中分析得知，与原始相比加大了最大垂直距离挖掘深度和挖掘范围，满足对特殊工作尺寸的要求。
1 引言

液压挖掘机是一种多功能挖掘装载机械，市场上普遍的是三自由度液压挖掘机，主要用于破碎、起重、装载、拆除、抓取、打桩、转孔、振捣、推土等多种场合，其工作装置主要结构为动臂、斗杆、铲斗。这种普通结构的反铲液压挖掘机能较好的适应一般的挖掘工作，因此应用范围广，但不能进行特殊的工作如清理桥下淤泥等。为了满足特殊的工作要求，把三自由度改为四自由度，将原来的动臂分为大动臂和小动臂，斗杆、铲斗长度不变，当小动臂油缸不动时与三自由度挖掘机挖掘范围相同，当需要特殊工作需要时小动臂油缸作用，增大挖掘深度和挖掘范围，实现一机多用。同时为了提高挖掘机的设计质量，验证设计的正确性，本文将液压挖掘机工作装置用三维造型软件SolidWorks 2012进行建模、装配并用SolidWorks 2012的motion模块进行仿真分析，进而确定挖掘机整机作业范围，校验所设计液压挖掘机工作装置的正确性。

2 虚拟样机的建立

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点。三维实体模型设计的准确程度对虚拟样机的仿真和分析结果汲汲相关，因此必须明确各个零部件的外形尺寸及它们之间的相对位置要求和装配约束关系，在实体建模时严格按照实际的尺寸进行，以达到仿真结果的准确性。利用各种约束装配关系完成液压挖掘机工作装置装配后的实体造型，如图1所示。由于主要是对工作装置进行运动学仿真，因而对系统模型进行简化。运用SolidWorks Motion进行仿真分析。

SolidWorks Motion具有如下功能：

（1）验证机构运动的正确性，对运动进行仿真，计算机构任一时刻的位置、速度、加速度；

（2）通过运动分析可以得出角速度，角位移，角加速度；

（3）跟据给出的力决定运动状态及反作用力；

（4）可以对运动点进行标记，画出标记点的仿真运动轨迹；

（5）可求得零件的能量变化曲线；

（6）通过尺寸变量对机构进行优化；

（7）可以通过函数对马达运动做出相应的调整；

（8）可以使不同相对运动零件的同一测量值在同一图解中以曲线形式表示出来。

1.回转平台 2.大动臂 3.小动臂 4.斗杆 5.铲斗 6.连杆 7.摇臂

8.铲斗油缸 9.斗杆油缸 10.小动臂油缸 11.大动臂油缸

图1 四自由度单斗液压挖掘机工作装置装配图

3 运动学分析 为了使虚拟样机模型能够达到和实际机构相同的仿真效果，必须严格按照实际驱动油缸的伸缩距离来进行运动学仿真。例如当挖掘机大动臂油缸收缩到某一位置后，小动臂油缸伸出一定位置，伸缩铲斗油缸和斗杆油缸到一定位置，再由铲斗油缸或斗杆油缸作业进行挖掘，然后大动臂提升，小动臂收缩，回转等运动。对这类多自由度问题，可以分为多个运动，每个过程只有1个自由度，每个过程最后的运动状态均作为下一个过程的初始状态，这种分割的办法虽麻烦但明确，对需要重点分析的某一运动过程很方便快捷。本文重点论述挖掘机的包络图，从理论上来讲，挖掘机的作业范围是指斗齿能达到的最大范围，但受自身几何干涉、作业场地、作业对象特性及安全性能等方面的影响，实际的作业范围往往受到限制。挖掘机的作业范围通常用挖掘包络图反映，他由一组连续的、首尾相连的封闭曲线形成，边界内为斗齿从理论上能到达的位置。为了绘制完美的包络图，前提须充分了解各个油缸的伸缩距离，各个油缸的伸缩距离见表1。表1 液压缸参数

由于通过运动学仿真观察设计的合理性并绘制最大包络图，因此不进行复合运动，每次只做单自由度运动，在Motion管理器中添加马达，对大动臂油缸、小动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸分别添加各自线性马达驱动，要求线性马达的伸缩距离符合实际油缸的伸缩范围，在马达管理器中，马达位置选择要求运动油缸的活塞杆，相对移动的零部件选择与油缸活塞杆对应的缸筒，接下来选择表达式/位移，编写各自STEP函数，通过STEP函数调节油缸的运动，以获得挖掘机的作业范围。该液压挖掘机反铲作业液压缸运动参数如下：大动臂油缸驱动函数 STEP(TIME，2，0，3，-1101)+STEP(TIME，5，0，6，1101) 小动臂油缸驱动函数 STEP(TIME，0，0，3，0)+STEP(TIME，3，0，4，623)+STEP(TIME，6，0，7，-623) 斗杆油缸驱动函数 STEP(TIME，1，0，2，-1228)+STEP(TIME，4，0，5，1228)+STEP(TIME，8，0，9，-1228) 铲斗油缸驱动函数 STEP(TIME，0，0，1，-873)+STEP(TIME，7，0，8，873)+STEP(TIME，9，0，10，-873) 全部STEP函数设置完成后，观察运动仿真结果，时间设定为10S，点击计算按钮，进行仿真经过观察没有干涉，各个部件运动复合设计要求。