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08116225倪宗道基于PROE的挖掘机的设计与运动仿真
湖北文理学院
毕业设计(论文)正文
题目
基于Pro/E的挖掘机的设计与运动仿真
专业
机械设计制造及其自动化
班级
机制0812班
姓名
倪宗道
学号
08116225
指导教师
张俊教授
2012年5月16日
基于Pro/E的挖掘机的设计与运动仿真
摘要:
挖掘机广泛应用于工程机械中,随着科学技术和制造业的发展,计算机辅助设计技术越来越广泛地应用在各个设计领域,为了缩短产品的设计周期、提高设计质量、降低设计成本,满足投资者和产品更新换代的需要。
根据挖掘机的工作原理和结构特点,利用三维建模软件Pro/Engineer建立了挖掘机各零件的三维模型,并在此基础上进行零件的装配、干涉检查、运动仿真分析等高级计算机辅助设计工作,将复杂的挖掘机形象地展现在用户面前,使设计者在设计阶段就能清楚地见到产品的最终结果,及时发现设计问题,既减轻了工作量又节省了资金,为新产品的开发奠定了基础,有助于增强企业的产品开发能力。
关键词:
挖掘机;虚拟装配;三维建模;Pro/E;运动仿真
StructuralDesignandMotionSimulationoftheExcavatorBasedonPro/E
Abstract:
Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandmanufacturingexcavatorsarewidelyusedinconstructionmachinery,computer-aideddesigntechnologybecomesmorewidelyusedinvariousdesignfields,inordertoshortenthedesigncycle,improvedesignquality,reducedesigncosts,meettheneedsofinvestorsandproductreplacement.Accordingtotheexcavatorworkingprincipleandstructurecharacteristics,theuseofthree-dimensionalmodelingsoftwarePro/Engineerparttoestablishathree-dimensionalmodeloftheexcavator,andonthisbasispartoftheassembly,interferencedetection,motionsimulationandotheradvancedcomputer-aideddesign,thecomplexityoftheimagetoshowtheexcavatortotheuser,sothatdesignersinthedesignphasecanclearlyseetheresultsofthefinalproduct,todetectdesignproblems.Notonlyreducestheworkloadbutalsosavesmoneyforthenewfoundationforthedevelopmentofproductstohelpenhanceproductdevelopmentcapabilities.
Keyword:
Excavator;Virtualassembly;3DModel;Pro/E;MotionSimulation
1绪论
1.1本课题研究的背景
早在1954年我国就已开始生产机械式挖掘机,当时的抚顺重型机器厂(抚顺挖掘机厂前身)引进前苏联的机械式挖掘机W10012和W5012等国际20世纪30-40年代的产品。
由于国家经济建设的需要,后又发展10余家厂生产,到1966年12年全国共生产了机械式挖掘机3000余台,后又延续生产到八十年代初。
自2000年以来,中国挖掘机市场的销量以超常规的速度增长着。
2000年中国国内所有挖掘机生产企业销售量之和为7926台,2003年则达到34800台,三年时间增长了四倍。
2001年比2000年增长56.4%,2002年比2001年增长59%,2003年与2002年比较,增长率竟然达到76%,2004年第一季度与2003年第一季度相比较全国挖掘机销售量的增长率又创新高,达到78%。
近年,中国挖掘机的实际销售量屡屡打破人们事先对市场的预计,显然这种过高的增长率对中国挖掘机市场的稳定、健康发展是不利的。
谁都知道,中国国土辽阔,经济建设的任务很重,挖掘机市场需求空间很大,将来挖掘机产量发展到八万台、十万台恐怕是不够的。
但挖掘机的实际需求量往往是由国家或地方经济建设的规模和任务所决定的,当地市场实际需求量相当大的程度也决定于当地老百姓的经济收入,如果当地老百姓的口袋里没有钱,买挖掘机岂不是空谈!
为什么这几年东部沿海地区挖掘机旺销,而西部地区挖掘机销售量远不及东部地区,这不是说西部地区挖掘机不需要,相反西部地区挖掘机需求量更大,而目前还没有条件可将巨大的潜在市场转变为现实市场。
业内人士认为,按照我们国家的土地、人口、经济、挖掘机的年均增长率在15%~20%是一种比较正常的发展速度。
中国挖掘机市场将持续呈波浪形发展,未来市场需求空间巨大。
从20世纪90年代以来,全世界每年挖掘机产量虽然有较大的波动(最高年产量为20余万台,最低年份产量也超过15万台),但挖掘机的年产量总要大大高于装载机和推土机的年产量。
据有关专家估算,全世界各种施工作业场所约有65%~70%的土石方工作量是由挖掘机来完成的。
从经济性考虑,完成同样的土石方工作量(有的土石方施工,装载机、推土机无法完成),采用挖掘机作业比用装载机、推土机消耗的能量要少,装载机次之,推土机能量消耗最大。
购买一台挖掘机虽然一次性投资比装载机、推土机要大,但投资回收期短,是投资回报率真正较高的设备。
党在十六大报告中明确指出了要通过未来20年的建设,实现国民生产总值GDP翻两番,全面建设小康社会的目标。
从2002年到2020年设定的增长目标是GDP翻两番,那么也就是说年均GDP增长率不能低于7.2%,这是必须要实现的目标。
GDP的增长在很大程度上要依靠基础投资来拉动,而基础设施投资的逐年增长意味着工程机械特别是液压挖掘机需求量会逐年上升。
在未来20年将会为挖掘机行业的稳定发展提供一个良好的宏观经济环境。
总之,中国挖掘机市场将持续呈波浪型发展,从科学的发展观来看,要摒弃一切脱离实际的超前。
今后一个时期挖掘机市场火爆式的炎夏恐难遇到,我们期待温暖、柔和、生机勃勃的春天的到来,期望中国挖掘机市场能够持续、稳定、健康发展。
当今任何一个国家,若其要在综合国力上取得优势地位,就必须在科学技术上取得优势。
90年代以来,随着以计算机技术为主的信息技术的发展,世界经济格局发生了巨大的变化,逐步形成了一个统一的一体化市场,经济循环加大、加快市场竞争日趋激烈,从而也迫切要求对产品设计的研究能有进一步的突破,为了缩短产品的设计周期、提高生产的质量、降低生产成本,就需要在产品的设计阶段进行预测。
计算机辅助设计,将难以用语言表达的复杂的机械结构,应用多媒体技术以多样化的方式表现在屏幕上,达到以直观和形象的形式学习机械设计知识的目的。
挖掘机是广泛应用于工程机械中的掘类器械,在工程机械中的地位还是无法替代的。
随着人民生活的提高,社会的飞速发展,人民对生活质量的要求也越来越高。
为了能够更直观,全面地反映挖掘机设计意图,在计算机内部建立相应的三维实体模型,并且在三维模型的基础上可以进行零件装配、干涉检查、有限元分析,运动仿真等高级的计算机辅助设计工作,使设计者在设计阶段就能清楚地见到产品的最终结果,及时发现设计问题,既减轻了工作量又节省资金,为产品的优化设计和更新换代奠定了基础。
1.2本课题研究的目的及意义
随着科学技术和国民经济的发展,在工程机械中的需求量越来越大,质量要求也越来越高。
而且随着市场竞争的日益激烈,制造企业为求得生存和发展,必须不断地调整产品的设计和研发模式,并能快速地开发出新产品。
而我国传统工程机械行业却由于新产品开发周期长,成本高,缺乏市场竞争力。
虚拟样机技术的逐渐成熟为实现产品的快速开发,提高我国工程机械产品的设计水平和市场竞争力提供了强有力的手段。
本文将虚拟样机技术引入挖掘机设计开发领域,应用Pro/E软件的高级建模技术和运动仿真功能对挖掘机进行三维建模、虚拟装配及运动仿真,使设计者在设计阶段就能清楚地见到产品的最终结果,可大大缩短设备研发周期,降低研制成本,提高设计质量和效率,为产品赢得了竞争优势,符合现代技术的发展要求。
本课题的研究也具有现实的意义:
(1)熟悉挖掘机的性能及运用,提高学生独立完成任务及自学能力,进一步提高文献检索和信息处理能力。
(2)培养学生现代化的设计理念。
(3)提高学生的形象思维和创造性思维能力。
(4)有利于培养良好的工程素质。
1.3调研分析
据调研显示,挖掘机的销量很大程度上得益于产品外观的简单、实用和功能的全面化。
随着市场的发展、工程中的应用以及结构更新的不断深入等,挖掘机在功能和结构上的适时变换也是大势所趋。
1、功能上便捷、全面、新奇、实用
从最近几年的挖掘机市场情况来看,越来越多的厂家特别是比较专业的厂家已经充分认识到了产品功能上的差异化的重要性,如三一重机SY215C履带式液压挖掘机、赛特WYL3.0-1型系列旋转180度的液压轮式挖掘机和WYL3.0-2型系列旋转360度的液压轮式挖掘机、重庆勤牛QNL220和QNL150两款轮式挖掘机等个性鲜明、功能独特,都具有很好的市场占有率。
调研结果显示:
挖掘机的便捷、全面、新奇、实用四项功能指标占调查结果的前四位。
2、外观上轻便、简单
轻便、简单将是未来几年挖掘机产品外观发展的主要方向,在如今的工程机械中厂家追求的更完美,而消费者追求更容易操作、外观更简单、轻便。
据调研,有很多的被采访消费者对外观简单、轻便的挖掘机更看好;约有一半以上的消费者对外观简单、轻便的挖掘机更颇为满意。
PRO/ENGINEER是美国参数技术公司(PTC)研制的CAD/CAM软件,具有很强的造型功能。
例如其3D实体模型(Solidmodel),3D实体模型可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现,以了解产品的真实性,并补足传统的面结构、线结构的不足。
再比如它的单一数据库功能,它可随时修改由3D实体模型产生2D工程图,而且有动标注工程图尺寸。
不论在3D还是2D图形上作尺寸修改,其相关的2D图形或者3D实体模型均自动修改,同时组合、制造等相关设计也会自动修改,这样可确保数据的正确性,并避免反复修正的耗时性。
除此之外,PRO/E以最自然的思考方式从事设计工作,如孔、开槽、倒圆角等均被视为零件设计的基本特征,可随时对特征做合理、不违反几何的顺序调整、插入、删除,重定义等修正动作,还有其参数化设计、运动仿真等特点。
挖掘机传统开发模式存在开发周期长、过程繁杂、开发成本高、性能测试困难等问题,本文将虚拟装配和仿真技术引入挖掘机开发领域,可提高产品的设计水平和市场竞争力,有着广阔的发展前景。
1.4本章小结
本章主要介绍了课题研究的背景、目的和意义,通过对挖掘机的研究和市场调研分析从而对本课题有一个更深入的了解。
2挖掘机的总体分析
产品的造型设计,是应用工程技术和艺术手段设计、塑造产品的形象,并将其最后统一在产品的功能、结构、工艺、使用性、视觉传达、市场关系等而取得人——机(产品)——环境和谐的一项创造性设计随着时代的前进,科学技术的发展,人们审美观念的提高与变化,工业产品的造型设计,不断向高水平发展变化影响产品。
造型设计的因素很多,但是,现代产品的造型设计,不要强调满足人和社会的需要,使美观人力一、精巧宜人的产品,为人们生活生产活动,并提高整个社会物质文明和精神文明水平,这是现代工业产品造型设计的主要依据和出发点。
2.1目前挖掘机设计中存在的优缺点
在了解市售挖掘机的优缺点后才能更好的提出相关的设计新规划,即推陈出新的设计理念才能得到更好的体现。
挖掘机有许多优点:
1、操纵轻便,减轻了劳动强度,提高了工作效率。
2、传动与操纵利用同样的介质,尺寸较小,装置简单。
3、全面、新奇、实用。
外观上也比以前更简单化了。
但在有些地方还是很不足,如挖掘机受到阻力影响而出现延迟反映,精度下降,而且动作比较迟缓。
随着现代制造技术的迅猛发展,虽然制造一台挖掘机的周期已经得到的很大的缩短,但是挖掘机的设计还是不能体现“少就是多”的设计理念,也就是用最少的材料和机构设计出更多的功能,同时挖掘机的设计也应该能够越来越人性化,更能体现以人为本的设计理念。
现代大多数的挖掘机都是很大的机器,这是挖掘机存在的另一缺点。
所以现代的挖掘机设计就应该重视这一点,设计挖掘机的同时也应该考虑到市场因素和原材料因素等各方面因素,从而设计出价格更廉价和性能更优越的挖掘机。
2.2颜色的拟定
现代社会紧张的生活节奏令人窒息,人们开始把目光转向自然,返朴归真,重新挖掘远古时代祛病保健的良方妙法。
颜色疗法便是近年来一种重放异彩的古代疗法。
人类关于色彩及其对人体影响的研究已有漫长的历史,它是古代文明的精神基础。
希腊哲学家和科学家亚里士多德就对色彩进行了广泛的研究。
著名医生阿尔韦托马格诺在中世纪发表的关于颜色的论著,至今仍有非常珍贵的意义。
了解各种颜色的生理作用,正确使用颜色,可以消除疲劳,抑制烦躁,控制情绪,调整和改善人的肌体功能。
据研究,一些疾病在很大程度上是由于人体内色谱失衡或缺少某种颜色造成的。
在我们体内有7种腺体中心,分布在脊柱的不同部位。
每种颜色都能产生一种电磁波长,这些波长由视觉神经传递给大脑,促使腺体分泌激素,从而影响人的心理与肌体,达到医疗作用。
每一种颜色有其独特的作用,令人产生不同的情感。
在装饰、化妆、服装和广告方面合理使用色彩可以取得宜人的效果。
除了医疗作用外,颜色还有一定的象征意义和社会属性,对人类生活有着举足轻重的影响。
白色象征真理、光芒、纯洁、贞节、清白和快乐,给人以明快清新的感觉。
红色是一种热烈的颜色,它象征着鲜血、烈火、生命和爱情。
其心理作用可以促进血液流通,加快呼吸并能治疗忧郁症,对人体循环系统和神经系统具有重大作用。
绿色是希望的象征,给人以宁静的感觉,可以降低眼内压力,减轻视觉疲劳,安定情绪,使人呼吸变缓,心脏负担减轻,降低血压。
紫色代表柔和、退让和沉思,给人以宁静、镇定和幻想,可以治疗大脑疾病及精神紊乱。
黄色是色谱中最令人愉快的颜色,它被认为是知识和光明的象征,可以刺激神经系统和改善大脑功能,激发人的朝气,令人思维敏捷。
橙色是新思想和年轻的象征,令人感到温暖、活泼和热烈,能启发人的思维,可有效地激发人的情绪和促进消化功能。
蓝色意味着平静、严肃、科学、喜悦、美丽、和谐与满足,它经常被用来放松肌肉紧张、松弛神经及改善血液循环。
黑色则代表死亡和黑暗,令人产生悲哀、暗淡、伤感和压迫的感觉。
在日常生活中,正确使用服装与化妆品的颜色和合理处理居室的色调,不仅可以使人享受艺术的魅力,而且能促进身心健康
基于以上的分析和参考各大生产厂家,主臂大体选为深黄色,前臂大体选为深黄色,挖斗选为黑色,旋转台选为清色。
这样的大体颜色看上去可以给顾客一种舒适的感觉。
也可以让顾客有一种赏心的感觉,愿意买你的产品,愿意听你的介绍,这样是你最想要的,也是最想看到的。
2.3挖掘机运动部件的分析
一台性能良好的挖掘机是由许多个零件或构件组成的,现代设计理念就是用最少的零件或构件设计出更能更强大的机器,即“少就是多”的设计理念。
从挖掘机总体外观来看,挖掘机主要分为前臂、主臂、挖斗和旋转工作台四部分。
1、前臂
主要由金属材料制成,是连接挖抖和主臂的重要组成部分,同时撑起挖掘机的整体几何外型。
2、主臂
主要的工作部分,是挖掘机的动力部分,利用电机就使它工作。
3、挖斗
主要用于挖东西,是与外界最直接接触的部分,也时容易磨损的部分。
4、旋转工作台
主要的受力支撑点,它带动主臂进行工作。
后面也是连着电机和人座。
通过对挖掘机运动部件的简单分析,设计出整个挖掘机的结构。
2.4本章小结
本章通过对市面上存在的挖掘机优缺点的分析,总结挖掘机的优点,摒弃缺点,提出“少就是多”的设计理念,通过颜色心里学的分析选择合适的产品颜色,最后对挖掘机进行了总体分析。
3挖掘机零件的三维设计
3.1Pro/E设计概述
在传统的工程设计中,设计人员首先在头脑中形成产品的三维轮廓,然后在图纸上利用二维工程图表示,其他设计人员以及工艺生产等不同部门的人员再通过二维图纸将产品还原为三维影像。
由于图纸的错误和理解的偏差,设计人员的意图并不总能完全实现,因而设计制造的周期较长,产品的质量也受到影响,在产品的形状和结构较为复杂的时候尤其如此。
因此三维化设计应该是发展趋势。
Pro/ENGINEER是由美国参数技术公司推出的一套博大精深的三维CAD/CAM参数化软件系统,被广泛应用于工程技术领域。
其强大而完美的功能几乎成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和标准。
是目前国际上专业设计人员使用最为广泛的、先进的、具有多种功能的动态设计仿真软件。
随着我国加入WTO,一场新的工业设计领域的技术革命正在兴起。
作为提高生产率和竞争力的有效手段,Pro/ENGINEER也在国内形成一个广泛应用的热潮。
使用Pro/E软件进行虚拟产品设计主要有两种设计方法,它们分别是由底向上和自顶向下的产品设计。
由底向上的产品设计就是先设计好产品的各个零部件,然后再把各个零部件逐一装配成完整产品的设计方法。
由底向上的产品设计方法是一种比较简单、低级的方法,其设计思路比较清晰,设计原理也比较容易被广大用户接受。
但是其设计理念还不够先进,设计方法还不够灵活,还不能完全适应现代设计的基本要求。
这种方法主要应用于一些已经比较成熟的产品设计过程,可以获得比较高的设计效率。
由顶向下的装配设计与由底向上的设计方法正好相反。
设计时,首先从整体上勾画出产品的整体结构关系或创建装配体的二维零件布局关系图,然后再根据这些关系或布局逐一设计出产品的零件模型。
在现代的虚拟产品设计中,往往都是先设计出整个产品的外在概念和功能概念后,逐步对产品进行设计上的细化直至单个零件。
Pro/E设计的工作流程如下:
1.机构总体分析
首先根据机构功能参数进行产品的总体设计,这是在人机交互下完成的,设计者必须富有创造性地确定产品的性能结构和外形,计算机可从已有的设计中搜索各种信息,提供设计者参考,并迅速形成产品的造型及外观图形。
2.产品各零部件三维建模
从产品结构总图中分离出各零部件的三视图,并分别对各零件进行造型、结构尺寸、色彩渲染等设计。
3.产品的装配设计
设计装配过程中的装配工序、组件修复、检查以及产品维修等。
4.产品的变更设计。
5.产品仿真设计
进行运动分析,动力分析,例如有限元分析、运动仿真、功能仿真、优化设计等,以及分析零件的运动形态、阻尼系数、受力和变形等情况。
在完成产品的分析之后,就可以进行成型零件的模具设计。
基于特征的实体建模基本流程如下图所示:
3.2挖掘机主要零件的三维设计
1、前臂的设计
主臂主要承受弯矩,可以适当减少中间截面上的材料。
其结构在工程机械实际上已有相关标准,具体结构如图3-2所示。
三维建模中前臂采用了拉伸、镜像等命令完成。
图3-2前臂的三维实体及工程图
2、主臂的设计
由于受到车体连接主臂处结构及挖斗工作轨迹的限制,其结构总体呈折线型,根据其细部受力情况其结构如图3-3所示。
三维建模中主臂采用了拉伸、切除、倒圆角镜像等命令完成,利倒圆角等命令来完善此结构。
图3-3主臂三维实体及工程图
3、挖斗的设计
对于装有反铲或正铲装置的挖掘机,其挖掘力是在单独操作挖斗或斗杆液压缸时,在铲斗齿尖上所产生的实际作用力,所测挖掘力的方向应与铲斗齿尖的弧形运动轨迹相切。
对于具体圆舌形或尖舌形切削刃的挖斗,挖掘力应在挖斗宽度的中心线上测量,挖斗结构如图3-4所示。
挖斗的三维建模采用拉伸方法建立铲斗基本体,在基本体上添加加厚板以及肋板特征。
添加耳特征时只需建立耳特征的一个面,然后采用镜像复制命令就可以完成肋板的设计。
最后采用两侧拉伸方法添加截齿特征和陈列生成。
图3-4挖斗三维实体及工程图
4、车体(旋转工作台)的设计
车体结构复杂,主要考虑到主臂连接部分的受力情况,其细部结构一定要满足强度要求;驾驶室要满足人性化——人体舒适性,所以空间要在结构紧凑的前提下尽量的大;尾箱部分要有足够散热空间,形成贯穿结构。
三维建模中车体(旋转工作台)用拉伸、沿样条曲线扫描、边界混合、倒圆角、镜像等命令来完成此图形。
图3-5车体(旋转工作台)三维实体及工程图
3.3挖掘机其他零件的三维设计
挖掘机主要工作部件设计完成后,剩下一些辅助零件如主臂油缸和主臂油缸杆等简单零件的设计。
1、主臂油缸杆的设计
图3-6主臂油缸杆的三维实体及工程图
2、主臂油缸的设计
图3-7主臂油缸的三维实体及工程图
3、前臂油缸杆的设计
其结构如图3-8所示。
图3-8前臂油缸杆的三维实体及工程图
4、前臂油缸的设计
图3-9前臂油缸的三维图及工程图
5、底盘的设计
承受整机的重力及运动的冲击力,结构要求坚固紧凑。
三维建模中底盘主要应用拉伸、拉伸切除、倒圆、镜像等操作。
图3-10底座的三维图及工程图
6、主臂轴等轴类零件的设计
该类零件用拉伸的方法创建,其结构如图3-11所示。
图3-11主臂轴三维实体及工程图
前臂轴零件、主臂油缸轴1零件及主臂油缸轴2零件以及挖斗连接片轴零件、挖斗轴零件、前臂油缸轴1零件及前臂油缸轴2等轴类零件其结构同图3-11。
7、挖斗连接片的设计
其结构尺寸首先得满足挖斗及挖斗油缸的运动关系,其厚度满足强度要求,轴连接处增大销钉连接面积适当增大其厚度。
三维建模中挖斗连接片结构如图3-12所示。
图3-12挖斗连接片三维实体及工程图
3.4本章小结
本章是对PRO/E三维建模特征工具的综合运用,确定创建实体特征的方法是创建实体特征的前提。
设计人员通过对模型结构的分析,选择一种创建实体特征的方法,然后再去考虑如何创建实体特征。
选择的创建实体特征的方法的正确与否,直接关系着模型设计的复杂程度、可修改型的好坏甚至设计的成败。
4挖掘机的装配设计
4.1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,操作者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(Fix)及缺省(default)只需点选其命令图标,即可完成元件的装配,坐标系(Coordsys)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个以上的约束条件,方能完成元件的装配。
其中还包括自动(Automat
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