液压挖掘机虚拟样机建模与作业过程动态仿真

罗君扬，林述温

(福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350108)

液压挖掘机虚拟样机建模与作业过程动态仿真

罗君扬，林述温

(福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350108)

利用参数化设计软件Pro/E完成了液压挖掘机的参数化建模，对模型进行了虚拟装配，得到了虚拟样机模型，通过对液压挖掘机虚拟样机进行运动仿真分析，有助于理解和分析实际机械装置运动过程，并提供相应的改进机构设计的信息。

液压挖掘机；参数化建模；运动学仿真

液压挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置，并反映了这些行业的施工机械化水平，是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工设备，是国民经济建设迫切需要的装备。重视和加速挖掘机改进创新，稳定提高产品品质，满足用户需求，对加速现代化工程建设有着重大的意义[1-3]。

挖掘机的设计水平关系到最终产品的品质，而设计过程中技术的先进与否、数字化程度的高低，很大程度上决定了机械产品设计开发的周期、品质和成本。在工程设计中已得到广泛应用的计算机辅助技术就是这些先进技术的代表。现利用计算机辅助设计技术，建立液压挖掘机各部件参数化模型，并对模型进行了虚拟装配，得到了虚拟样机模型，通过对液压挖掘机虚拟样机作业工况进行运动仿真分析，检查运动中的干涉，以验证设计的合理性及可行性。

1 液压挖掘机工作装置的运动分析

液压挖掘机的工作装置是采用连杆机构的原理，而各部分的运动通过液压缸的伸缩来实现的，从而完成挖掘作业。其中，动臂与动臂油缸组成动臂连杆机构(简称动臂机构)，斗杆与斗杆油缸组成斗杆连杆机构(简称斗杆机构)，铲斗与铲斗油缸及连杆机构组成铲斗连杆机构(简称铲斗机构)，各部分之间采用销轴铰接方式。工作装置的几何位置取决于动臂液压缸的长度L1、斗杆液压缸的长度L2和铲斗液压缸的长度L3。显然L1、L2和L3为某一组确定值时工作装置就相应处于一个确定的几何位置。液压挖掘机工作装置几何参数简图如图1所示，设计平面直角坐标系，使x轴与地平面重合，y轴与挖掘机回转中心线重合。则斗齿尖V所在的x坐标值xV就表示挖掘半径，y坐标值yV为正值时就表示挖掘高度，为负值时表示挖掘深度[1]。

图1 液压挖掘机工作装置几何参数简图

1.1 动臂的运动

从图1可知，动臂摆角∠UCF是动臂油缸L1的函数。动臂上任意一点在任一时刻的位置坐标也都是L1的函数。

动臂的摆角∠UCF

α=∠UCA=53.12°

(1)

∠ACU=α/180×π

(2)

(3)

∠BCU=∠ACB-∠ACU

(4)

(5)

∠UCF=∠BCU-∠BCF

(6)

F点瞬时位置坐标：

XFC=l1×cos(∠UCF)

(7)

XF=XC+XFC

(8)

YFC=l1×sin(∠UCF)

(9)

YF=YC+YFC

(10)

1.2 斗杆的运动

斗杆的位置参数是动臂油缸L1和斗杆油缸L2的函数。这里暂先讨论斗杆相对于动臂的运动，也即只考虑L2的影响。

斗杆相对于动臂的摆角∠CFQ：

(11)

(12)

(13)

(14)

l16=l2-l21

(15)

∠GFQ=∠GFN

(16)

∠CFQ=2π-∠CFD-∠DFE-∠EFG-∠GFQ

(17)

N点瞬时位置坐标：

∠CFN=∠CFQ

(18)

(19)

(20)

∠UCN=∠UCF-∠NCF

(21)

XN=XC+lCN×cos(∠UCN)

(22)

YN=YC+lCN×sin(∠UCN)

(23)

1.3 铲斗的运动

铲斗的运动是动臂油缸L1、斗杆油缸L2和铲斗油缸L3的函数，情况较复杂。这里暂讨论铲斗相对于斗杆的运动。

铲斗相对于斗杆的摆角∠FQV：

∠NQK=2π-∠MNQ-∠NMK-∠MKQ

(24)

(25)

∠FQV=∠MNQ+∠NMK+∠MKQ-∠KQV

(26)

Q点瞬时位置坐标：

(27)

(28)

∠UCQ=∠UCF-∠QCF

(29)

XQ=XC+lCQ×cos(∠UCQ)

(30)

YQ=YC+lCQ×sin(∠UCQ)

(31)

V点坐标：

由图1以及前面计算公式，利用几何关系可以依次求得∠CQV，lCV，∠VCQ，∠UCV等值。

XV=XC+lCV×cos(∠UCV)

(32)

YV=YC+lCV×sin(∠UCV)

(33)

斗齿尖V的坐标值XV和YV是L1、L2和L3的函数。根据式(32)、式(33)，就可以确定整机的作业范围，当液压缸长度L1、L2和L3为一组定值时，只有一组XV和YV与其对应。

2 Pro/E中液压挖掘机参数化模型的建立

文中以Pro/E为支撑平台，进行液压挖掘机的三维参数化设计。因篇幅所限，这里仅列出动臂、斗杆和铲斗等复杂零件的三维实体参数化模型，如图2所示。

图2 动臂、斗杆和铲斗的参数化模型

3 液压挖掘机的虚拟装配

要建立液压挖掘机虚拟样机，需对其各个参数化模型进行虚拟装配。在Pro/E的装配模块中，通过确定零件之间的位置约束关系，可以把液压挖掘机中的各个三维实体零件装配成一个整体[4]。得到挖掘机虚拟样机后，可以检查各零件之间是否有干涉以及装配体的运动情况是否合乎设计要求。如果出现问题，可以根据需要对生成的零件和特征进行修改定义，直到达到挖掘机设计要求为止。

在进行虚拟样机装配时，采用按照挖掘机各铰接点“连接”约束方式进行装配：回转机架和挖掘机底座的连接、动臂和回转机架的连接、动臂与斗杆的连接、斗杆与铲斗的连接、动臂液压缸缸筒与回转机架的连接、连杆与斗杆的连接、液压缸缸杆与动臂的连接等均采用“销轴”约束；液压缸缸杆与液压缸缸筒的连接、摇杆与铲斗的连接、连杆与摇杆的连接采用“圆柱”和“销轴”约束。最终完成的液压挖掘机虚拟样机(由于课题主要研究液压挖掘机作业过程，因此对挖掘机的行走装置、未进行详细建模，在此以底座替代)，如图3所示。

图3 液压挖掘机虚拟样机模型

4 液压挖掘机作业范围及整个作业过程仿真

液压挖掘机反铲装置包括动臂、斗杆、铲斗及相应的三组驱动液压缸，其结构与具有臂、关节和末端执行器的机械手十分相似，因此，可以利用确定机械手工作空间的方法来确定挖掘机工作装置的作业空间。目前，确定机械手工作空间的方法主要有解析法、图解法、数值法和仿真法[5-7]。仿真法具有直观性强，通用性好，修改方便等优点，所以采用仿真法来确定液压挖掘机作业范围。

液压挖掘机作业范围可分成9个部分，见图4。圆弧ab为铲斗油缸动作，挖掘轨迹以铲斗与斗杆的铰点Q为中心，当工作装置的铰点C,Q和铲斗斗尖V处在一直线上时，工作装置的伸出长度最大。圆弧bc为动臂油缸动作，挖掘轨迹以机身与动臂的铰点为中心，在圆弧bc上可得到最大挖掘半径R0max和停机面最大挖掘半径R1max。圆弧cd为铲斗油缸动作，挖掘轨迹以铲斗与斗杆的铰点为中心，斗尖V处在点d时，工作装置的铰点F,Q和铲斗斗尖V处在一直线上的状态。圆弧de为斗杆油缸动作，挖掘轨迹以斗杆与动臂的铰点F为中心，在圆弧de上可得到最大挖掘深度h3max。圆弧ef为铲斗油缸动作，斗尖V处在点f时，铰点C、斗尖V和铰点Q处在一直线上的状态，挖掘轨迹以铲斗与斗杆的铰点Q为中心，在弧ef上可得到最小挖掘半径。圆弧fg为动臂油缸和铲斗油缸的复合动作，此时动臂油缸的长度由最小逐级变为最大，铲斗油缸在最小和最大间不断作往返运动。圆弧gh为铲斗油缸的动作，斗尖V处在点h时，动臂、斗杆和铲斗油缸的长度为最大。圆弧hi为斗杆油缸的动作，斗杆油缸的长度由最大为最小。圆弧ia为铲斗油缸的动作，铲斗油缸的长度由最大为最小，在圆弧ia可得到最大卸载高度h2max，点a为最大挖掘高度h1max。

图4 液压挖掘机作业范围

经过挖掘作业范围进行运动仿真，得到该挖掘机的最大挖掘半径(2407mm)、最大挖掘深度(889mm)、停机面最大挖掘半径(2317mm)、最大卸载高度(1098mm)和最大挖掘高度(1588mm)等主要工作性能尺寸，与设计要求的工作性能尺寸基本相符，从而可证明该模型的建立和虚拟仿真是正确的。

液压挖掘机整个挖掘作业过程仿真如图5所示。

图5 整个挖掘作业过程的运动仿真

通过对液压挖掘机挖掘作业范围以及整个挖掘作业过程进行运动仿真，校验了设计的液压挖掘机各构件无干涉现象，工作装置结构参数设计合理，性能可以满足作业要求。

液压挖掘机虚拟样机运动仿真的实现，结束了挖掘机设计的分析和评估只能在物理样机上进行的历史，开创了一条新的挖掘机设计的途径：计算机三维设计——虚拟样机分析——设计评估及改进——小批量生产——批量生产。这样不仅使挖掘机的设计效率和可靠性明显提高，也为企业产品的早日上市和提前盈利争取了时间。

5 结语

通过液压挖掘机虚拟样机的运动仿真分析，成功的对液压挖掘机挖掘作业范围以及整个作业过程进行了动态模拟、干涉检查。对液压挖掘机工作循环过程的正确性，各构件的干涉情况，设计的合理性进行了初步验证；大大简化了液压挖掘机的设计开发过程，为液压挖掘机的设计和改进提供了参考依据。

[1] 同济大学. 单斗液压挖掘机[M]. 第二版. 北京:中国建筑工业出版社, 1986.

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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

罗君扬(1975-),男， 福建福州人, 实验师,硕士，研究方向: CAD/CAM/CAE。

TP391.9

B

1671-5276(2015)05-0105-03

2014-03-03