挖掘機的虛擬樣機技術研究畢業(yè)設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　當今激烈的市場競爭迫使制造企業(yè)為求得生存和發(fā)展必須對多變的市場需求做出敏捷響應，不斷地調(diào)整產(chǎn)品的設計和研發(fā)模式，并能快速的開發(fā)出新產(chǎn)品。而我國傳統(tǒng)工程機械行業(yè)卻由于新產(chǎn)品開發(fā)周期長、成本高，缺乏市場競爭力。虛擬樣機技術的逐漸成熟為實現(xiàn)產(chǎn)品的快速開發(fā)，提高我國工程機械產(chǎn)品設計水平和市場競爭力提供了強有力的手段。本文將虛擬樣機技

2、術引入挖掘機設計開發(fā)領域，主要從以下幾個方面進行了研究：結(jié)合當前挖掘機反鏟工作裝置的現(xiàn)狀，應用軟件ADAMS進行建模，并進行動力學分析；對工作裝置的受力狀況進行仿真，確定工作裝置的鉸點的受力狀況和相應曲線，得出的結(jié)果與實際的工作情況是相符的。以挖掘工況為對象，對鏟斗機構(gòu)、斗桿機構(gòu)和動臂機構(gòu)進行了動力學分析,在ADAMS軟件中建立了挖掘機工作裝置，對其進行了仿真分析。</p><p>　　關鍵詞：挖掘機，虛擬樣機技

3、術，工作裝置，ADAMS，仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Facing more intense global market competition ,manufacturing enterprises have to adjust their product design and fabrication mode fr

4、equently to meet the rapidly changing market requirement, In order to improve the traditional construction machinery design process , this dissertation presents and studies Virtual Prototyping technology ,which has been

5、approved to be a powerful CAD method. And then introduces the new technology into the field of Engineering Machinery design to satisfy the urgent re</p><p>　　Key words: Excavator,Virtual prototype technology

6、,Working device,ADAMS,The simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　前 言1</b></p><p>　　1 虛擬樣機技術概述2</p><p>　　1.1 虛擬樣機技術的概念2</p><p

7、>　　1.2 虛擬樣機技術的研究背景和意義2</p><p>　　1.2.1 虛擬樣機技術的研究背景2</p><p>　　1.2.2 虛擬樣機技術的研究意義2</p><p>　　1.3 虛擬樣機技術特點4</p><p>　　1.3.1 虛擬樣機功能組成4</p><p>　　1.3.2 虛擬樣機技

8、術的優(yōu)點5</p><p>　　1.3.3 虛擬樣機技術的局限性5</p><p>　　1.4 本章小結(jié)5</p><p>　　2 挖掘機虛擬樣機技術7</p><p>　　2.1 挖掘機的發(fā)展及研究現(xiàn)狀7</p><p>　　2.1.1 國外發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀7</p><p>　

9、　2.1.2 國內(nèi)發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀7</p><p>　　2.1.3 挖掘機開發(fā)重點方向8</p><p>　　2.2 挖掘機虛擬樣機技術的提出9</p><p>　　2.3 挖掘機虛擬樣機技術的意義9</p><p>　　2.4 本章小結(jié)11</p><p>　　3 ADAMS軟件的簡介12</p

10、><p>　　3.1 ADAMS軟件概述12</p><p>　　3.2 ADAMS軟件模塊12</p><p>　　3.2.1 ADAMS軟件簡介13</p><p>　　3.2.2 ADAMS建模、仿真的步驟15</p><p>　　3.3 本章小結(jié)16</p><p>　　4 挖掘機

11、的建模17</p><p>　　4.1 創(chuàng)建模型17</p><p>　　4.2 添加約束21</p><p>　　4.3 測試模型22</p><p>　　4.4 模型檢驗23</p><p>　　4.5本章小結(jié)24</p><p>　　5 挖掘機虛擬樣機仿真分析25</p

12、><p>　　5.1 挖掘機虛擬樣機技術運動學仿真分析25</p><p>　　5.1.1 運動學仿真概述25</p><p>　　5.1.2 挖掘機的運動學仿真分析25</p><p>　　5.2 挖掘機虛擬樣機技術動力學仿真分析29</p><p>　　5.3本章小結(jié)31</p><p&g

13、t;<b>　　結(jié) 論32</b></p><p><b>　　致 謝33</b></p><p><b>　　參考文獻34</b></p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　挖掘機是一種應用廣泛的工程機械。由于它的經(jīng)濟性

14、及具有適應多種用途的優(yōu)點，挖掘機已成為工程機械的主流產(chǎn)品。單斗挖掘機在工業(yè)與民用建筑、道路建設、水力、礦山、市政施工等土石方施工中均占有重要地位，是交通運輸、能源開發(fā)、城鎮(zhèn)建設以及國防施工等各項工程建設的重要施工設備，是國民經(jīng)濟迫切需要的裝備。</p><p>　　挖掘機工作裝置的性能參數(shù)主要包括各鉸點位置的幾何尺寸、各工作液壓缸的幾何尺寸、運動參數(shù)和閉鎖壓力等。性能參數(shù)對挖掘機的工作范圍，理論和實際挖掘力的大小

15、，作業(yè)循環(huán)時間和功率利用等工作性能有極大的影響。工作裝置設計水平的高低直接影響其作業(yè)性能的好壞，進而影響整機工作效率。</p><p>　　挖掘機是復雜的工程機械，零部件多，運動方式靈活多變，須從整體系統(tǒng)評價其性能的優(yōu)劣。隨著技術的發(fā)展，人們認識到即使挖掘機的每個零部件都是最優(yōu)的，也不能保證整個挖掘機的性能是最好的，即系統(tǒng)整體的優(yōu)化不是所有部件優(yōu)化的簡單疊加。挖掘機的設計另一個重要特點是它涉及的學科很多，包括機械

16、運動與動力學、液壓流體、機電控制、人機交互等，要獲取挖掘機綜合最優(yōu)解不僅需要各學科各專家的共同努力，更需要他們工作上的協(xié)同。</p><p>　　虛擬樣機技術提供了同時對挖掘機的整體外形、機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多方面評價的可能，具備了整機性能評估的條件，兼顧了各個學科，真正做到了全系統(tǒng)、全性能的優(yōu)化，同時，設計人員在虛擬環(huán)境中真實地模擬各種挖掘機的工作情況，快速分析多種設計方案，幫助設計人員完成無數(shù)次物理

17、樣機無法進行的危險試驗，在整個仿真過程中，可以隨時按照優(yōu)化建議或者市場用戶需求修改參數(shù)，反復這個過程直至獲得系統(tǒng)優(yōu)化級的整機設計方案。</p><p>　　總之，虛擬樣機技術可以用于液壓挖掘機開發(fā)的整個過程，作為樣機設計的有效手段，幫助挖掘機企業(yè)部分甚至全部擺脫對物理樣機的依賴，大大縮短了挖掘機設計開發(fā)周期、降低設計成本、全面提高了整機質(zhì)量。反鏟式單斗液壓挖掘機工作裝置是一個較復雜的空間機構(gòu)，國內(nèi)外對其運動分析、

18、機構(gòu)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設計方面都作了較深入的研究，但都有不完善之處，存有一定的缺陷，有些缺乏整體的系統(tǒng)性。</p><p>　　因此，本文結(jié)合當前液壓挖掘機反鏟工作裝置的現(xiàn)狀，應用軟件ADAMS在計算機里建立該類工作裝置機構(gòu)的模型，通過ADAMS進行動力學分析；虛擬樣機技術在液壓挖掘機工作裝置的應用研究目的在于減少挖掘機設計工作人員的工作量，縮短研究和開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提高設計質(zhì)量，具有重要的理論和實際意義。&

19、lt;/p><p>　　1 虛擬樣機技術概述</p><p>　　1.1 虛擬樣機技術的概念</p><p>　　近年來許多虛擬樣機技術的定義在各種行業(yè)的中出現(xiàn),他們就各自的領域給虛擬樣機技術下了定義。因而迄今為止虛擬樣機并沒有一個完全一致的定義。簡單地說,虛擬樣機技術就是用來代替真實的物理樣機(模型)的技術。在常規(guī)的產(chǎn)品開發(fā)過程中,物理樣機模型是用來驗證設計思想,選擇

20、設計產(chǎn)品,測試產(chǎn)品的可制造性和展示產(chǎn)品的。虛擬樣機要替代物理樣機,首先至少要具備上述功能。這樣看來,虛擬樣機應該可以用來測試產(chǎn)品的外形和行為,并且可以用來進行一系列的研究。另外,物理樣機可以使人對一個產(chǎn)品有一種感觀的評價,如顏色、外形、美學特性、觸覺和舒適性等。要替代物理樣機的這些特性,人和產(chǎn)品的交互應該包含在虛擬樣機技術里。</p><p>　　通過以上分析,本文采用以下定義:虛擬樣機就是用來代替物理產(chǎn)品的計算

21、機數(shù)字模型,它可以像真實的物理模型一樣,用來對所關心的產(chǎn)品的全壽命周期,如設計、制造、服務、循環(huán)利用等,進行展示、分析和測試。這種構(gòu)造和使用虛擬樣機的技術就叫虛擬樣機技術[1]。</p><p>　　1.2 虛擬樣機技術的研究背景和意義</p><p>　　1.2.1 虛擬樣機技術的研究背景</p><p>　　隨著全球經(jīng)濟一體化的環(huán)境形成，市場競爭愈演愈烈。各個企

22、業(yè)面臨的一個急需解決的問題是，一件產(chǎn)品往往要經(jīng)過多次反復的試制才能進入市場，也就是說，許多公司仍認為無法在縮短產(chǎn)品上市時間以及縮短產(chǎn)品和用戶距離上取得實質(zhì)性的突破。虛擬產(chǎn)品開發(fā)就是在這樣的背景下產(chǎn)生的。虛擬產(chǎn)品開發(fā)是以計算機仿真、建模為基礎，集計算機圖形學、智能技術、并行工程、虛擬現(xiàn)實技術和多媒體技術為一體，由多學科知識組成的綜合系統(tǒng)技術[2][3]。虛擬產(chǎn)品開發(fā)是現(xiàn)實產(chǎn)品開發(fā)在計算機環(huán)境中數(shù)字化的映射。它將現(xiàn)實產(chǎn)品開發(fā)全過程的一切活動

23、及產(chǎn)品演變基于數(shù)字化模型，對產(chǎn)品開發(fā)的行為進行預測和評價。應用虛擬現(xiàn)實技術，可以達到虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境的高度真實化，并使之和人有著全面的感官接觸和交融。</p><p>　　在這里，把虛擬產(chǎn)品開發(fā)定義為：在產(chǎn)品設計或制造、維護等系統(tǒng)的物理實現(xiàn)之前，就模擬出未來產(chǎn)品的性能或制造、維護系統(tǒng)的狀態(tài)，從而做出前瞻性的優(yōu)化決策和實施方案。</p><p>　　1.2.2 虛擬樣機技術的研究意義<

24、/p><p>　　虛擬產(chǎn)品開發(fā)技術是建立在以用計算機模擬產(chǎn)品整個開發(fā)過程這一構(gòu)想的基礎之上。VPD創(chuàng)建產(chǎn)品的數(shù)字模型，并在數(shù)字狀態(tài)下進行分析，完全是用數(shù)字形式來代替原來的實物原型試驗，然后再對原設計重新進行組合或者改進。因此，這樣可顯著減少制作最終實物原型的次數(shù)，從而使新產(chǎn)品開發(fā)一次成功率大大得到提高。虛擬產(chǎn)品開發(fā)是由各個“虛擬”的產(chǎn)品開發(fā)活動來組成，由“虛擬”的產(chǎn)品開發(fā)組織來實施，由“虛擬”的產(chǎn)品開發(fā)資源來保證，通

25、過分析“虛擬”的產(chǎn)品信息和產(chǎn)品開發(fā)過程信息求得開發(fā)“虛擬產(chǎn)品”的時間、成本、質(zhì)量和開發(fā)風險，從而做出開發(fā)“虛擬產(chǎn)品”系統(tǒng)和綜合的建議。虛擬產(chǎn)品開發(fā)的最終目的是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，以及縮短產(chǎn)品開發(fā)和用戶之間的距離。</p><p>　　虛擬產(chǎn)品開發(fā)的特點是“虛擬”，除了產(chǎn)品虛擬化外，還包括功能虛擬化、地域虛擬化、組織虛擬化。功能虛擬化是指虛擬產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)雖有制造、裝配、營銷等功能，但沒有執(zhí)行這些功能的機構(gòu)；地域虛擬化

26、是指產(chǎn)品開發(fā)各功能活動分布在不同的地點，但通過網(wǎng)絡加以連接和控制；組織虛擬化是指扁平的多元的“網(wǎng)絡組織結(jié)構(gòu)”將隨著開發(fā)目標的發(fā)展而產(chǎn)生、變化和消亡。</p><p>　　虛擬產(chǎn)品開發(fā)體系的核心內(nèi)容包括產(chǎn)品開發(fā)過程數(shù)字化建模、數(shù)字化產(chǎn)品建模和產(chǎn)品開發(fā)數(shù)字化仿真三個方面。</p><p>　　1. 產(chǎn)品開發(fā)過程數(shù)字化建模</p><p>　　在并行工程思想指導下，產(chǎn)品開

27、發(fā)過程是多學科群體在計算機技術和網(wǎng)絡通訊環(huán)境的支持下，在產(chǎn)品開發(fā)活動的時間和資源約束下，基于產(chǎn)品全生命周期信息，進行產(chǎn)品開發(fā)組織結(jié)構(gòu)和開發(fā)任務的動態(tài)調(diào)控流程。</p><p>　　過程建模應考慮的內(nèi)容有：</p><p>　　過程模型 過程模型的描述方法及在計算機上的處理和實現(xiàn)，過程的動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化。</p><p>　　(2) 組織模型 要規(guī)劃和描述組織結(jié)構(gòu)、

28、活動分工、權限和責任定義。</p><p>　　(3) 資源模型 對信息、設備、人力、資金等資源進行動態(tài)規(guī)劃和配置控制。</p><p>　　(4) 約束規(guī)則 時間約束是僅次于資源的主要約束，在資源允許下，增大產(chǎn)品開發(fā)活動的并行度；信息約束是開發(fā)活動之間及開發(fā)活動中單元之間相關性和一致性的保障。</p><p>　　(5) 過程監(jiān)控和協(xié)調(diào) 進行實際約束管理、過

29、程的實時監(jiān)控調(diào)度和沖突仲裁，保障過程按照最優(yōu)方向進展。</p><p>　　2. 數(shù)字化產(chǎn)品建模</p><p>　　產(chǎn)品建模主要以面向?qū)ο蠹夹g為工具，以STEP標準為指導思想，建立基于裝配的約束參數(shù)化的特征產(chǎn)品定義模型。其特點如下：</p><p>　　基于STEP思想。產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表示和交換是基于不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期中的數(shù)據(jù)，從而使

30、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表示具有標準化和共享性的特點。</p><p>　　(2) 支持工程分析工具的應用。工程分析工具利用已經(jīng)建立好的產(chǎn)品模型，對零部件甚至整機進行有限元受力分析、熱應力分析以及運動仿真、性能仿真、裝配仿真，仿真的結(jié)果可直接用于指導數(shù)字化產(chǎn)品的設計修改，不必通過實物模型來驗證。</p><p>　　(3) 支持產(chǎn)品異地、并行設計。由于產(chǎn)品模型在計算機上定義，加之網(wǎng)絡通訊的迅速發(fā)展，處于

31、異地的設計人員也可方便地進行交流。設計隊伍中除含有設計、制造、裝配、試驗等專業(yè)人員外，還有合作伙伴、用戶代表等，這樣在產(chǎn)品的開發(fā)過程中能及早地發(fā)現(xiàn)問題，在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段就得到解決。盡量避免下游重大問題的反饋所造成的時間拖延、成本上升等現(xiàn)象。</p><p>　　3. 數(shù)字化產(chǎn)品仿真</p><p>　　數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)的仿真包括全生命周期的產(chǎn)品演變仿真和產(chǎn)品開發(fā)全過程的活動仿真。全生命周

32、期的產(chǎn)品演變仿真是通過產(chǎn)品的數(shù)字模型，反映產(chǎn)品從無到有，再到消亡的整個演變活動，用戶和開發(fā)者在制造實物之前即可充分地評審其美觀度、可制造性、可裝配性、可維護性、可銷售性和環(huán)保性能等，從而確保產(chǎn)品開發(fā)的一次成功率。</p><p>　　產(chǎn)品開發(fā)全過程的活動仿真旨在通過開發(fā)活動的數(shù)字模型，反映虛擬開發(fā)組織形式下，產(chǎn)品開發(fā)活動的功能行為和運作方式，仿真虛擬產(chǎn)品開發(fā)的設備布置、物流系統(tǒng)、資源的利用和沖突以及組織結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)

33、活動和經(jīng)營活動等行為，從而確保產(chǎn)品開發(fā)的可能性、合理性、可靠性、經(jīng)濟性、高適應性和快速響應能力。</p><p>　　1.3 虛擬樣機技術特點</p><p>　　1.3.1 虛擬樣機功能組成</p><p>　　虛擬樣機技術實現(xiàn)必備的三個相關技術領域是：CAD技術、計算機仿真技術和以虛擬現(xiàn)實為最終目標的人機交互技術。</p><p>　　虛

34、擬樣機生成的前提是虛擬部件的“制造”。成熟的CAD三維幾何造型軟件能快速、便捷地設計和生成三維造型。虛擬部件必須包含顏色、材質(zhì)、外表紋理等外在特征以顯示真實的外觀，同時還必須包含質(zhì)量、重心位置、轉(zhuǎn)動慣量等內(nèi)在特征以進行精確的機械系統(tǒng)動力學仿真運算。</p><p>　　虛擬樣機必須具備交互的功能。設計師通過交互界面對參數(shù)化“軟模型”進行控制，實現(xiàn)虛擬樣機原型多樣化。而虛擬樣機反過來通過動畫、曲線和圖表等方式向設計

35、師提供產(chǎn)品感知和性能評價。虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，除應用上述傳統(tǒng)方式外，設計師還能通過修改虛擬部件的參數(shù)，對虛擬部件重新裝配，生成新的虛擬樣機。虛擬樣機仿真模型則通過力反饋操縱桿等傳感裝置向設計師傳遞虛擬樣機操縱力感，通過立體眼鏡向設計師提供實時的立體圖像。有了這些人類對產(chǎn)品的直觀感知，能使設計師產(chǎn)生強烈的“虛擬現(xiàn)實”沉浸感，協(xié)助設計師和用戶對產(chǎn)品性能作出評價。</p><p>　　計算機網(wǎng)絡、計算機支持的協(xié)同工作技術、

36、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和知識管理是虛擬樣機技術實現(xiàn)的重要底層技術支撐。通過這些技術將產(chǎn)品的各個設計、分析小組人員聯(lián)系在一起，共同完成新產(chǎn)品從概念設計、初步設計、詳細設計直到方案評估整個開發(fā)過程。</p><p>　　1.3.2 虛擬樣機技術的優(yōu)點</p><p>　　虛擬樣機技術具有下述優(yōu)點[4]：①減少了設計費用。②可以輔助物理樣機進行設計驗證和測試。③可以減少產(chǎn)品開發(fā)過程中所需的時間,使產(chǎn)品盡快

37、上市。④可以在相同的時間內(nèi)“試驗”更多的設計方案,這是物理樣機無法比擬的。⑤可以減少產(chǎn)品開發(fā)后期的設計更改,進而使得整個產(chǎn)品的開發(fā)周期最小化。⑥與常規(guī)的仿真相比,它涉及的設計領域廣,考慮也比較周全,因而可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。⑦由于虛擬樣機技術支持并行設計,使得設計小組之間的溝通變得便捷。</p><p>　　1.3.3 虛擬樣機技術的局限性</p><p>　　如前所述,虛擬樣機技術是建立在

38、許多技術基礎上的一種綜合技術,一些基礎技術的不成熟會限制虛擬樣機技術的應用,同時虛擬樣機技術是一種新興技術,現(xiàn)在還處在研究和發(fā)展的階段,本身的不完善使得應用受到一定的限制。主要有以下幾個方面</p><p>　　(1) 由于現(xiàn)在還沒有一個完全無縫的數(shù)據(jù)交換方法,在不同的虛擬樣機設計工具和應用軟件之間數(shù)據(jù)的交換經(jīng)常會帶來信息的丟失。現(xiàn)在通常是將各應用程序的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為中間的文件格式(如IGES、STEP格式等),但是

39、由于一些商業(yè)的CAD/CAE/CAM軟件對這些中間格式的支持程度不高,同時這些中間的文件格式本身不是很完善,還需要繼續(xù)完善和修改。再加上用戶對各軟件的數(shù)據(jù)存放方式的了解并不是很充分,因此這些方法的效果并不是很好。</p><p>　　(2) 虛擬樣機技術本身原理上的不夠準確性。在對產(chǎn)品性能進行研究的時候,如進行有限元分析時,會用小的平面模型去代替一個連續(xù)的三維實體模型。建模過程中的近似會給結(jié)果帶來原理上的誤差。如

40、果用虛擬現(xiàn)實技術來評估一個產(chǎn)品,如可維護性,在虛擬的環(huán)境和在真實的環(huán)境中即便是對于同一個工程師來說,他所花費的時間也是不一樣的。這種時間上面的差別主要是由于計算所花費的時間延遲、圖像處理的時間延遲以及虛擬環(huán)境中的不舒適性帶來的時間延遲。虛擬樣機技術在這些原理上的延遲應該在尋求設計優(yōu)化的過程中進行量化,并將其考慮其中。</p><p>　　(3) 產(chǎn)品的形狀很復雜,因此構(gòu)造一個準確的、完整的、理想化的模型是很難的。

41、例如,在計算機里進行裝配的動態(tài)響應研究是非常復雜和有挑戰(zhàn)性的。在這種情況下,如果輔助以適當數(shù)目的物理樣機,就可以更好地理解虛擬樣機,并且還可以增加虛擬樣機的可信度。虛擬樣機技術的其他方面,如可制造性、可維護性以及它們之間的關系現(xiàn)在理解得并不是很清楚,這些方面的模型并不令人滿意。這對虛擬樣機技術發(fā)揮其優(yōu)勢帶來了一定的限制。</p><p><b>　　1.4 本章小結(jié)</b></p>

42、;<p>　　本章主要研究虛擬樣機技術采用數(shù)字仿真的形式進行虛擬產(chǎn)品設計開發(fā)，仿真模型的參數(shù)就是物理樣機的設計參數(shù)，并替代物理樣機進行設計參數(shù)的測試評估；無需制造實物樣機就可預見和預測產(chǎn)品的性能，減免了高昂成本的物理樣機制造過程，降低了開發(fā)成本。因此虛擬樣機技術用于液壓挖掘機開發(fā)的整個過程，作為樣機設計的有效手段，有助于挖掘機企業(yè)部分甚至全部擺脫對物理樣機的依賴，達到縮短挖掘機設計開發(fā)周期、降低設計成本、提高設計質(zhì)量、實現(xiàn)

43、挖掘機現(xiàn)代制造模式的目的。</p><p>　　2 挖掘機虛擬樣機技術</p><p>　　2.1 挖掘機的發(fā)展及研究現(xiàn)狀</p><p>　　2.1.1 國外發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀</p><p>　　液壓挖掘機的生產(chǎn)水平反映機械化施工的水平和能力。國外，特別是西歐幾個國家從50年代開始研制液壓挖掘機，到60年代中小型液壓挖掘機已成批生產(chǎn)；70

44、年代初液壓挖掘機斗容已發(fā)展到8m3，開始進入礦山開采：80年代大型液壓挖掘機技術已成熟，生產(chǎn)斗容16-35m3、機重達650t。目前國外已停止斗容8m3以下機械挖掘機的生產(chǎn)，斗容大于16m3的挖掘機是機械挖掘機的強大競爭對手。國外各制造公司正在研制微機控制的智能化液壓挖掘機，并有所突破。建筑和礦用液壓挖掘機的銷售量在機械設備市場上占有顯著的地位。據(jù)不完全統(tǒng)計，1990年建筑和礦用設備在全球銷售額約為450億美元，而液壓挖掘機的銷售額以1

45、00億美元高居榜首。據(jù)推測，大型和微型液壓挖掘機年增長率分別為24%，35%。1990年全世界建筑和礦用液壓挖掘機(履帶式)的產(chǎn)量已達9．23萬臺，其中76%是日本生產(chǎn)的，歐洲產(chǎn)量占有17%。近年來，大型液壓挖掘機越來越多地占領了機械挖掘機的市場。液壓挖掘機逐步取代機械式挖掘機是必然的趨勢。</p><p>　　2.1.2 國內(nèi)發(fā)展動態(tài)及研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國從1958年開始研

46、制液壓挖掘機，逐步形成了1-2.5m3小型液壓挖掘機系列，具有一定生產(chǎn)規(guī)模。斗容l-7.5m3的液壓挖掘機年產(chǎn)量超過1000臺。1983年以后采用引進技術方式進行生產(chǎn)，加快了液壓挖掘機的發(fā)展，上海建筑機械廠按德國利伯赫爾公司許可證生產(chǎn)了R942。相繼又生產(chǎn)了R962、R972、R982等液壓挖掘機。杭州重機廠與德國德馬克公司合作生產(chǎn)H55和H85等液壓挖掘機。太原重型機器廠與德馬克公司合作生產(chǎn)14121型液壓挖掘機。北京建筑機械廠引進德

47、國公司制造技術生產(chǎn)Rtt6型液壓挖掘機。所有這些與國外合作生產(chǎn)德液壓挖掘機比國內(nèi)現(xiàn)用的液壓挖掘機生產(chǎn)效率高25%、機重輕10%。國產(chǎn)化率逐年提高，設備利用率為90%。</p><p>　　長江挖掘機廠在引進國外技術的基礎上生產(chǎn)斗容1.6-2.5m3的V160型液壓挖掘機，采用Deutz公司柴油機、減速機和液壓元件。裝有正鏟、反鏟、梅花抓斗等多種工作裝置。天津工程機械研究所與泰安工程機械廠生產(chǎn)的WY32型液壓挖掘機

48、，機重32t于1993年8月通過鑒定。該機結(jié)構(gòu)緊湊、機動靈活、生產(chǎn)效率高。能充分利用發(fā)動機功率、節(jié)能效果好。但目前國產(chǎn)液壓挖掘機數(shù)量少，多為斗容2．5m3以下的小型設備，中型設備較少，大型設備在我國尚屬空白。從品種、規(guī)格、數(shù)量上滿足不了國內(nèi)市場需要。從產(chǎn)品技術水平、可靠性、制造質(zhì)量與國外液壓挖掘有較大差距。對于大中型液壓挖掘機尚處于經(jīng)驗設計階段。試驗研究工作薄弱，短期內(nèi)難以完成設計開發(fā)工作。柴油機、液壓和密封元件等配套件的質(zhì)量和可靠性差

49、，使用壽命短。高強度的原材料缺乏，制造技術落后，裝備水平低。計算機技術在液壓挖掘機上應用正在研制過程中。需要解決的關鍵技術較多：如履帶行走裝置中履帶扳和鏈軌節(jié)的軋制和模鍛技術；支重輪、托輪均采用浮動密封，其制造技術、耐磨技術和密封技術；鏟斗設計合理性、耐磨性以及高強度鋼板焊接技術：液壓系統(tǒng)和元件的設計技術、大尺寸高壓油缸的制造技術</p><p>　　縱觀我國液壓挖掘機30余年的發(fā)展歷史[5]，大致可以分成以下幾

50、個階段：</p><p>　　(1)開發(fā)階段(1967年～1977年)。以測繪仿制為主的開發(fā)，通過多年堅持不懈的努力，克服一個一個的困難，有少量幾種規(guī)格的液壓挖掘機終于獲得初步成功，為我國挖掘機行業(yè)的形成和發(fā)展邁出了重要的一步。</p><p>　　(2)液壓挖掘機發(fā)展、提高并全面替代機械挖掘機階段(1978～1986年)。這個階段通過各主機生產(chǎn)廠引進技術(主要是德國挖掘機制造技術)的消化

51、、吸收和移植，使我國液壓挖掘機產(chǎn)品的性能指標全面提高到國際70年代末80年代初期的水平。全國液壓挖掘機平均年產(chǎn)量達到1230臺。</p><p>　　(3)液壓挖掘機生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量增加，新加入挖掘機行業(yè)的國有大、中型企業(yè)以技貿(mào)結(jié)合，合作生產(chǎn)方式聯(lián)合引進日本挖掘機制造技術(1987年～1993年)。由于國內(nèi)對挖掘機需求量的不斷提高，新加入挖掘機行業(yè)的企業(yè)通過開發(fā)和引進挖掘機制造技術，其產(chǎn)品批量或小批量的投放國內(nèi)市場或

52、出口，打破了多年來主要由六大家挖掘機生產(chǎn)企業(yè)壟斷國內(nèi)挖掘機市場的局面，引進了有益于提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能和產(chǎn)量的良性競爭。這個期間國內(nèi)液壓挖掘機的年均產(chǎn)量提高到2000余臺。</p><p>　　(4)國內(nèi)液壓挖掘機供需矛盾日益擴大，廣大用戶為了提高施工質(zhì)量和按期完成施工任務，對使用高質(zhì)量、高水平、高效率挖掘機的興趣日趨濃厚。國外各著名挖掘機制造廠商紛紛前來中國創(chuàng)辦合資、獨資挖掘機生產(chǎn)企業(yè)(1994～至今)。從199

53、4年開始，特別到1995年在我國挖掘機行業(yè)掀起了一股不小的合資浪潮。其中美國卡特彼勒公司率先在徐州金山橋開發(fā)區(qū)建立了生產(chǎn)液壓挖掘機的合資企業(yè)，隨后日本小松制作所、日立建機株式會社、神戶制鋼所、韓國大宇重工業(yè)、現(xiàn)代重工業(yè)以及德國利勃海爾公司等都相繼在中國建立了合資、獨資挖掘機生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)具有世界先進水平的多種型號和規(guī)格的液壓挖掘機。</p><p>　　2.1.3 挖掘機開發(fā)重點方向</p><

54、;p>　　液壓挖掘機的開發(fā)著重圍繞[6]：</p><p>　　1．加快產(chǎn)品開發(fā)速度。滿足快速多變的市場需求；</p><p>　　2．提高產(chǎn)品可靠性和效率，降低生產(chǎn)成本，向微型化發(fā)展的同時向大型化發(fā)展；</p><p>　　3．著眼于動力、傳動系統(tǒng)的改進以達到高效、節(jié)能；</p><p>　　4．精心設計，精心制造以提高產(chǎn)品零部件的可

55、靠性，從而保證整機的可靠性，延長維修周期，加快維修進程，降低維修費用，降低成本；</p><p>　　5．采用微電子技術使液壓挖掘機自動化、機電一體化和智能化進程加快；</p><p>　　6．考慮人機工程，改善司機勞動條件。</p><p>　　2.2 挖掘機虛擬樣機技術的提出</p><p>　　挖掘機具有普通機械產(chǎn)品生產(chǎn)必須滿足市場所提

56、出要求的共性。所以要縮短以設計、試制為主要內(nèi)容的投入期。節(jié)省投入成本，盡快進入利潤豐厚的成熟期。此外由于傳統(tǒng)物理樣機開發(fā)模式在人力、物力和時間上的巨大浪費往往與產(chǎn)品的復雜程度成正比，因此液壓挖掘機作為復雜工程機械的特殊性，對開發(fā)的時效性要求更高。在現(xiàn)有挖掘機產(chǎn)品進入衰退期之前，就應考慮現(xiàn)有產(chǎn)品的改進或新產(chǎn)品的開發(fā)。虛擬樣機在挖掘機設計的全過程都可發(fā)揮重要的作用。參與從初始概念直至最終成品的全過程。在制造之前，虛擬樣機可用來確定挖掘機外形

57、，檢查設計規(guī)劃和工程進程，支持方案可行性分析，進入裝配和人機工程的研究。在挖掘機開發(fā)的投入期應用虛擬樣機技術能縮短設計周期，節(jié)約設計經(jīng)費。在挖掘機產(chǎn)品制成之后又可以進行虛擬樣機仿真試驗，代替物理樣機試驗進行子系統(tǒng)及參數(shù)的優(yōu)化。挖掘機進入衰退期，利用原有的數(shù)字虛擬樣機可以修改原型，實現(xiàn)挖掘機產(chǎn)品快速創(chuàng)新設計[7]。</p><p>　　2.3 挖掘機虛擬樣機技術的意義</p><p>　　1

58、 在提高挖掘機設計質(zhì)量的應用</p><p>　　挖掘機的設計水平關系到最終產(chǎn)品的質(zhì)量，而設計過程中技術的先進與否、數(shù)字化程度的高低，很大程度上決定了機械產(chǎn)品設計開發(fā)的周期、質(zhì)量和成本。在工程設計中已得到廣泛應用的有限元分析技術(FEA)和計算機輔助技術(CAD)就是這些先進技術的代表。FEA技術可以幫助設計人員分析零件的應力狀態(tài)，解決了傳統(tǒng)材料力學所無法處理的工程問題。CAD技術則利用計算機強大的計算和數(shù)據(jù)存儲

59、處理功能，加上設計師豐富經(jīng)驗和主觀創(chuàng)造性進行產(chǎn)品開發(fā)。改變了以經(jīng)驗為主的傳統(tǒng)設計方法．以修改方便的高質(zhì)量三維計算機繪圖取代了繁瑣、重復的手工平面繪圖，節(jié)省了設計人員真正用于創(chuàng)造性工作的時間和精力，提高了設計質(zhì)量。目前挖掘機設計中廣泛地采用了FEA和CAD技術，虛擬樣機地生成就是依賴FEA和CAD技術的結(jié)果。</p><p>　　液壓挖掘機是復雜的工程機械，零部件多，運動方式多，須從系統(tǒng)層面評價其性能的優(yōu)劣。隨著技

60、術的發(fā)展，人們認識到即使傳統(tǒng)的技術手段使得挖掘機中的每個零部件都是最優(yōu)的，并不能保證整個挖掘機的性能是最好的，即系統(tǒng)整機的優(yōu)化不是所有部件優(yōu)化的簡單疊加。液壓挖掘機的設計還存在許多有別于其他機械行業(yè)的特點，其中最重要的一點是它涉及的學科很多，包括機械運動學與動力學、液壓流體傳動、機電控制、熱力學、人機工程學、美學等。要獲取挖掘機的綜合最優(yōu)解不僅需要各學科專家的共同努力，更需要他們工作上的協(xié)同。</p><p>　

61、　虛擬樣機技術是現(xiàn)階段實現(xiàn)上述目標的最佳手段。虛擬樣機的生成依賴于CAD、FEA技術，并超越了傳統(tǒng)的CAD和FEA技術的局限。但由于在設計開發(fā)的最后階段前無法得到整個樣機，所以設計過程中，各小組或各個進程往往把注意力集中在本學科的優(yōu)化上，而忽略了其他學科乃至整機系統(tǒng)性能。最終沒能獲得整機性能的晟優(yōu)解。虛擬樣機技術不僅利用了并行工程的長處，還通過將各并行過程和并行小組的工作集成到同一個虛擬樣機之上，提供同時對挖掘機的外形、機械系統(tǒng)、液壓系

62、統(tǒng)、控制系統(tǒng)等多方面評價的可能，因此具備了整機性能評估的條件，兼顧了各個學科，真正做到了全系統(tǒng)、全性能的優(yōu)化，解決了上述難題。</p><p>　　液壓挖掘機有別于其他機械的另一個特點是：工作環(huán)境惡劣，通常工作在地質(zhì)情況復雜、載荷情況多變、大氣條件差的條件下。液壓挖掘機物理樣機試驗必須模擬不同工況，費時費力。另外挖掘機造價很高，尤其是附帶各種檢測設備的物理樣機單機成本極高。而試驗的破壞性往往很大，反復試驗不僅延長

63、設計周期，還容易造成損壞，無形中提高了設計成本。采用虛擬樣機技術，可使設計人員在虛擬環(huán)境中真實地模擬各種挖掘機的工作情況，快速分析多種設計方案，幫助設計人員完成無數(shù)次物理樣機無法進行的危險試驗，在整個仿真過程中，可以隨時按照優(yōu)化建議或市場用戶需求修改參數(shù)，得到改進的虛擬樣機，反復這個過程宣至獲得系統(tǒng)優(yōu)化級的整機設計方案。我國挖掘機開發(fā)還有一個獨特的特點，就是先引進、消化、再設計，但效果總不佳，原因就是以前的仿制過程僅是拆機，照抄零件，對

64、引進的挖掘機缺乏系統(tǒng)上的理解，設計人員沒有吃透樣機。采用虛擬樣機技術，技術人員便可以進行系統(tǒng)層面的詳細研究，追蹤樣機的設計思想來指導其設計。從另一角度看，以往先引進、消化、再設計過程由于是從零件著手，設計方式是由下到上：從部件設計到整機設計，注意力往往集中在細節(jié)而忽略了整體。而借助于虛擬樣機</p><p>　　2 在挖掘機現(xiàn)代制造模式中的應用</p><p>　　現(xiàn)代制造模式的發(fā)展趨勢為

65、：制造智能化、制造敏捷化、制造虛擬化、制造全球化、制造網(wǎng)絡化。虛擬樣機技術為挖掘機現(xiàn)代制造模式的實現(xiàn)提供了技術支持。虛擬樣機技術以虛擬樣機為媒介，直接將人類在挖掘機領域的創(chuàng)造能力、設計師積累的豐富設計經(jīng)驗與計算機存儲的諸多方案結(jié)合，利用計算機模擬設計方案的實現(xiàn)。形成優(yōu)勢互補、人機融合的挖掘機產(chǎn)品開發(fā)制造環(huán)境，實現(xiàn)制造系統(tǒng)中人機一體的集成智能決策機制。市場的需求和新技術的出現(xiàn)都要求挖掘機的制造敏捷、迅速，其途徑就是樣機的柔性化和制造工藝的

66、柔性化。其中樣機柔性化需要依靠虛擬樣機實現(xiàn)。數(shù)字化的挖掘機虛擬樣機能快速修改，具備了產(chǎn)品對市場的快速響應能力，是實現(xiàn)挖掘機敏捷制造的基礎。制造工藝的柔性化則有賴于挖掘機虛擬制造的實現(xiàn)。虛擬制造是以CSCW支持的系統(tǒng)建模技術和仿真技術為核心，將真實的制造環(huán)境以及制造過程通過建立樣機計算機模型，流水線計算機模型等映射到計算機技術所支撐的虛擬環(huán)境中，在虛擬環(huán)境中模擬制造環(huán)境及制造過程。并通過這一過程對產(chǎn)品的可制造性進行預測和評價。因此虛擬制造

67、是實現(xiàn)敏捷制造的關鍵。而虛擬樣機是虛擬制造中不可或缺的產(chǎn)品性能評估和可制造性評價的對象。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要敘述了挖掘機虛擬樣機技術在挖掘機生產(chǎn)及其設計的應用以及未來挖掘機虛擬樣機的研究方向。主要用于提高虛擬樣機技術在挖掘機當中的應用價值，提高對挖掘機的設計。</p><p>　　

68、3 ADAMS軟件的簡介</p><p>　　3.1 ADAMS軟件概述</p><p>　　機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件ADAMS[8]，是美國MDI公司開發(fā)的集建模、求解、可視化技術于一體的虛擬樣機分析軟件，是世界上目前使用范圍最廣、最負盛名的機械系統(tǒng)仿真分析軟件。該軟件90年代開始在我國的機械制造、汽車交通、航空航天、鐵道、兵器、石油化工等領域得到應用，為各領域中的產(chǎn)品設計、科學研究做

69、出了貢獻。工程中利用ADAMS交互式圖形環(huán)境和零件約束、力庫等，進行仿真分析和比較，研究“虛擬樣機”可供選擇的多種設計方案。ADAMS自動輸出位移、速度、加速度和作用力，其仿真結(jié)果可顯示為逼真的動畫或X-Y曲線圖形，ADAMS仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷，支持ADAMS同大多數(shù)CAD、FEA及控制設計軟件包之間的雙向通訊。ADAMS的核心軟件包括交互式圖形環(huán)境ADAMS/View和仿

70、真求解器ADAMS/Solver，二者之間形成了無縫連接。用戶可以利用ADAMS的工作站或PC機上建造、試驗“虛擬樣機[9]”，在此基礎上與其它模塊集成就可以滿足多方面的仿真要求。</p><p>　　3.2 ADAMS軟件模塊</p><p>　　ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領域模塊及工具箱5類模塊組成，如表所示。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真，而

71、且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應用領域的問題進行快速有效的建模與仿真分析。</p><p>　　表3.1 ADAMS軟件模板</p><p>　　Fig.3.1 ADAMS Software templates</p><p>　　3.2.1 ADAMS軟件簡介：</p><p>　　ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領域模塊

72、及工具箱5類模塊組成。用戶不僅可以采用通用模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真，而且可以采用專用模塊針對特定工業(yè)應用領域的問題進行快速有效的建模與仿真分析。一些常用模塊介紹如下：</p><p>　　ADAMS/View</p><p>　　ADAMS/View(用戶界面模塊)是以用戶為中心的交互式圖形環(huán)境，它將簡單的圖標、菜單、鼠標點取操作與交互式圖形建模、仿真計算、動畫顯示等功能完美地集成在一

73、起。其實體建模的內(nèi)核采用Parasolid格式，除提供了豐富的零件幾何圖形庫外，還提供了完整的約束和力/力矩庫，支持布爾運算，建模工作快速。在ADAMS/View中，用戶利用Table Editor，可以像用Excel一樣方便地編輯模型數(shù)據(jù)：同時還提供了Function Builder工具包：具有設計研究(DS)，實驗設計(DOE)和優(yōu)化(OPTIMIZE)功能，可使用戶方便地進行優(yōu)化工作。</p><p>　　

74、ADAMS/Solver</p><p>　　ADAMS/Solver(求解器)是ADAMS系列產(chǎn)品的核心模塊之一，是求解機械系統(tǒng)運動學和動力學問題的程序。該軟件自動形成機械系統(tǒng)模型的動力學方程，提供靜力學、運動學和動力學的解算結(jié)果。ADAMS/Solver有各種建模和求解選項，以便精確有效地解決各種問題。</p><p>　　ADAMS/Postprocessor</p>

75、<p>　　ADAMS/Postprocessor(專用后處理模塊)具有相當強的后處理功能，它可以回放仿真結(jié)果，也可以繪制各種分析曲線。ADAMS/Postprocessor還可以對仿真分析曲線進行一些數(shù)學和統(tǒng)計計算;可以輸入試驗數(shù)據(jù)繪制試驗曲線，并同仿真結(jié)果進行比較;對分析結(jié)果曲線圖進行各種編輯。</p><p>　　ADAMS/Animation</p><p>　　ADAM

76、S/Animation(高速動畫模塊)是ADAMS的一個集成的可選模塊，該模塊使用戶能借助于增強透視、半透明、彩色編輯及背景透視等方法對已經(jīng)生成的動畫精細加工，增強動力學仿真分析結(jié)果動畫顯示的真實感。</p><p>　　ADAMS/Hydraulics</p><p>　　ADAMS/Hydraulics(液壓系統(tǒng)模塊)，為了模擬包括液壓回路在內(nèi)的復雜機械系統(tǒng)的動力學性能，MDI公司開發(fā)

77、了ADAMS/Hydraulics模塊。用戶使用該模塊，能夠精確地對由液壓系統(tǒng)驅(qū)動的復雜機械系統(tǒng)(如工程機械、汽車制動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、飛機起落架等)進行動力學仿真分析。用戶可以在ADAMS/View中建立液壓系統(tǒng)回路的框架，然后通過液壓驅(qū)動元件如液壓缸等將其連接島機械系統(tǒng)模型中，最后選取適當?shù)?、功能最強的求解器分析整個系統(tǒng)的性能。利用ADAMS/Hydraulics模塊，可以建立機械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)之間相互作用的模型，設置系統(tǒng)的運動特性，進行各

78、種靜態(tài)、模態(tài)、瞬態(tài)和動態(tài)分析;結(jié)合ADAMS/Control模塊，可以在同一仿真環(huán)境中建立、試驗和觀察包括機－電－液－控制一體化的虛擬樣機模型。ADAMS軟件新版本主要把ADAMS/Hydraulics作為ADAMS/View的一個即插即用模塊重新打包，方便用戶隨時調(diào)用。同時用戶還可以把自己定義的液壓元件擴充到該模塊內(nèi)部元件庫中去。</p><p>　　ADAMS/Flex</p><p>

79、;　　ADAMS/Flex(柔性模塊)是ADAMS與Flex軟件之間進行雙向數(shù)據(jù)通訊的接口。可研究柔性體對機械系統(tǒng)性能的影響，明顯提高仿真精度。Flex是合成柔性體的有效途徑。ADAMS/Flex支持ANSYS,MSCINASTRAN和I-DEAS的中性文件(Neutral file)格式。通過柔性體節(jié)點增加適當?shù)募s束和力，就可以使柔性體與其它剛體共同形成一個有機的ADAMS模型。</p><p>　　ADAMS

80、/Linear</p><p>　　ADAMS/Linear(系統(tǒng)模態(tài)分析模塊)可將ADAMS形成的機械系統(tǒng)非線性運動方程線性化，計算特征值、特征向量和狀態(tài)空間矩陣。</p><p><b>　　ADAMS/Car</b></p><p>　　ADAMS/Car(車輛模塊)賦予工程師精確建立整套虛擬樣機的能力，其中包括懸架、傳動系、發(fā)動機、轉(zhuǎn)向

81、機構(gòu)、ABS 系統(tǒng)以及其它復雜總成。用戶可以在各種不同的道路條件下運行ADAMS/Car 模型，執(zhí)行駕駛操作，使車輛在試驗道路上正常行駛，用戶可以準確模擬汽車的操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性、安全性及其它各項性能參數(shù)。</p><p>　　此外，ADAMS還包括Exchange(圖形接口模塊)、Controls(控制模塊)、Insight(試驗設計與分析模塊)、Vibration(振動分析模塊)、Durability(耐

82、用性分析模塊)、Driver(駕駛員模塊)、Tire(輪胎模塊)等。</p><p>　　3.2.2 ADAMS建模、仿真的步驟</p><p>　　利用ADAMS軟件進行虛擬樣機仿真分析的步驟如圖，根據(jù)此步驟可以完成一個復雜的機械系</p><p>　　統(tǒng)的仿真分析，各步驟簡述如下：</p><p>　　(1)建造模型：建模包含三部分工作：

83、</p><p>　　①創(chuàng)建零件有兩種途徑：通過ADAMS/View的零件庫來創(chuàng)建各種簡單的運動單元(零件)；用ADAMS/Exchange引入復雜的CAD形體(會影響運行速度)。</p><p>　?、诮o模型施加約束和運動。</p><p>　?、劢o模型施加各種作用力</p><p><b>　　(2)測試模型</b>

84、</p><p>　　定義測量，對模型進行初步仿真，通過仿真結(jié)果檢驗模型中各個零件、約束及力是否正確。</p><p><b>　　(3)校驗模型</b></p><p>　　導入實際實驗測試數(shù)據(jù)，與虛擬仿真的結(jié)果進行比較。</p><p><b>　　(4)模型的細化</b></p>

85、<p>　　經(jīng)過初步仿真確定了模型的基本運動后，可以在模型中加入更復雜的單元，如在運動副上加入摩擦，用線性方程或一般方程定義控制系統(tǒng)，加入柔性連接件等等,使模型與真實系統(tǒng)更加近似。</p><p><b>　　(5)優(yōu)化模型</b></p><p>　　對模型進行參數(shù)分析，優(yōu)化設計。</p><p>　　(6)定制用戶自己的環(huán)境&l

86、t;/p><p>　　用戶可以定制菜單、對話框，或利用宏使許多重復工作自動進行。</p><p><b>　　3.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對ADAMS軟件的基本涵義以及基本模塊的學習，加深對ADAMS軟件的理解。并對各模塊的作用的理解，便于挖掘機在其中的建模和仿真分析。</p><p><b&

87、gt;　　4 挖掘機的建模</b></p><p><b>　　4.1 創(chuàng)建模型</b></p><p>　　建立挖掘機反鏟模型[10]的一般步驟：在AMAMS軟件中依次建立挖掘機底盤模型和車架模型，建立動臂模型，建立動臂液壓缸模型，建立斗桿模型，建立鏟斗模型，建立斗桿液壓缸模型，建立擺桿和連桿模型。下面主要以底盤和車架、動臂、斗桿的模型建立為例。<

88、/p><p>　　(1)軟件的啟動：雙擊建立model_1，按國際單位設置質(zhì)量kg，長度mm，時間s，力N和頻率Hz，為方便繪圖設置工作網(wǎng)格的范圍，如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1ADAMS/View啟動窗口</p><p>　　Fig.4.1 ADAMS / View startup window</p><p>　　點OK進入到

89、ADAMS/View的默認界面，如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 AMAMS的默認界面</p><p>　　Fig.4.2 The default interface of ADAMS/View</p><p>　　點擊菜單欄中的設置/界面風格/經(jīng)典，即可切換到經(jīng)典模式。點擊，將界面縮小或放大到所需的尺寸，如圖4.3所示。</p><

90、;p>　　圖4.3ADAMS/View的經(jīng)典界面</p><p>　　Fig.4.3 The classic interface of ADAMS/View</p><p>　　(2)設置工作環(huán)境：需要設置的內(nèi)容包括設置工作柵格、設置單位、設置重力加速度。單位及重力加速度的設置對話框如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4 環(huán)境變量設置</p>

91、;<p>　　Fig.4.4 Working grid settings</p><p>　　調(diào)整視圖坐標窗口：選擇視圖/坐標窗口，出現(xiàn)要求的窗口，便于坐標定位的準確。如圖：4.5所示。</p><p><b>　　圖4.5 坐標窗口</b></p><p>　　Fig.4.5 Coordinates of a window<

92、;/p><p>　　(4)底盤和車架的建立：選擇ADAMS/View零件庫中的連桿，通過主工具箱顯示出連桿的選項創(chuàng)建一個輪，在使用平移和旋轉(zhuǎn)指令建立另一個輪，在此之上，選擇方形體，建立車架，如圖4.6所示。</p><p>　　圖4.6底盤和車架模型</p><p>　　Fig.4.6 chassis and frame model</p><p&g

93、t;　　(5)動臂的建立：選擇ADAMS/View零件庫中的平板，通過主工具箱顯示出平板的選項創(chuàng)建動臂，如圖4.7所示。</p><p><b>　　圖4.7 動臂模型</b></p><p>　　Fig.4.7 movable arm model</p><p>　　(6)斗桿的建立：選擇零件庫中的平板，創(chuàng)建斗桿，如圖4.8所示。</p

94、><p>　　圖4.8 斗桿的模型</p><p>　　Fig.4.8 model of the arm</p><p>　　(7)建立油缸及其連接部件：選擇零件庫中的圓柱體，首先創(chuàng)建出兩個不同半徑的圓柱體并按照實際長度截取，然后在兩個圓柱體上創(chuàng)建圓柱副，即可完成油缸的創(chuàng)建。</p><p>　　(8)關鍵點的創(chuàng)建，此處的關鍵點是指系統(tǒng)各構(gòu)件運

95、動副的連接位置。</p><p>　　圖4.9關鍵點的坐標</p><p>　　Fig.4.9 coordinates of point</p><p>　　(9)通過以上步驟的操作，挖掘機的模型基本建成，挖掘機虛擬樣機的效果圖如圖4.10所示。</p><p>　　圖4.10挖掘機虛擬樣機的效果圖</p><p>　

96、　Fig.4.10 rendering of virtual prototype of excavator</p><p><b>　　4.2 添加約束</b></p><p>　　建模時，通過各種約束限制構(gòu)件之間的某些運動，并以此將不同構(gòu)件連接起來組成一個完整的機械系統(tǒng)。ADAMS/View可以處理4種類型的約束：</p><p>　　(1)

97、運動副約束，例如：轉(zhuǎn)動副，棱柱副等；</p><p>　　(2)指定約束方向：限制某個運動方向；</p><p>　　(3)接觸約束：定義兩構(gòu)件在運動中發(fā)生接觸時，是怎樣相互約束的；</p><p>　　(4)約束運動：規(guī)定一個構(gòu)件遵循某個時間函數(shù)按指定的軌跡規(guī)律運動；</p><p>　　將反鏟裝置各鉸點定義為轉(zhuǎn)動副，油缸缸筒和活塞桿間定義

98、為移動副，將底盤與車架的連接定義為固定副。具體約束如圖4.11所示。</p><p>　　圖4.11各約束列表</p><p>　　Fig.4.11 The list of constraint </p><p><b>　　4.3 測試模型</b></p><p><b>　　圖4.12仿真分析</b&

99、gt;</p><p>　　Fig.4.12 Simulation Analysis</p><p>　　對已建好的模型進行初步的檢驗，操作步驟如下：</p><p>　　(1)在主工具箱選擇仿真工具圖標</p><p><b>　　(2)選擇仿真類型</b></p><p>　　仿真類型有四種情

100、況可以選擇：</p><p>　?、貲efault為默認的分析類型，由ADAMS/View根據(jù)樣機模型的自由度，決定采用動力學分析或運動學分析；</p><p>　　②Dynamic為進行動力學分析；</p><p>　?、跭inematic為進行運動學分析；</p><p>　?、躍tatic為靜態(tài)分析，包括進行一次指定時刻的靜態(tài)分析，或者

101、是在一段時間內(nèi)的一系列分析。</p><p>　　(3)選擇仿真分析時間的定義方法，輸入仿真分析時間。</p><p>　　有兩種定義方法可供選擇：</p><p>　?、貳nd Time定義仿真分析停止的絕對時間；</p><p>　?、贒uration定義從開始仿真分析到停止分析的時間間隔；</p><p>　　在

102、此模型中，選擇①種定義方法，設仿真分析時間為3s。</p><p>　　(4)設置仿真過程中輸出仿真結(jié)果的頻率或輸出步長。</p><p><b>　　有兩種表示方法：</b></p><p>　　①Step Size為前后兩步輸出的時間間隔，即輸出的時間步長。在使用時應注意系統(tǒng)使用的時間單位，例如：當使用秒時，0.001表示每秒輸出1000次

103、。</p><p>　?、赟teps表示在整個分析過程中總共輸出的步數(shù)。例如，對一個總共10s的分析過程，如果定義200步輸出，則每隔0.05s輸出一次仿真結(jié)果。</p><p>　　在此模型中，選擇②種表示方法，設置輸出步數(shù)為201步。</p><p>　　(5)完成以上設置后，按快捷鍵，開始仿真分析</p><p>　　(6)如果仿真分析

104、運行順利，計算機將一直仿真分析直到設定的停止時間。如果中途停止分析，可以按停止快捷鍵。</p><p>　　(7)結(jié)束仿真分析后，可利用回放快捷鍵，重現(xiàn)仿真的過程。</p><p><b>　　4.4 模型檢驗</b></p><p>　　樣機模型建成以后，可以用模型檢驗工具來檢查錯誤，如模型運動副對齊不準和零件約束不當?shù)?。在Tools菜單中選

105、擇Model Verify命令顯示信息窗口可以得到模型的重要信息，包括移動的零件和運動副的數(shù)量，同時也列出模型的自由度數(shù)，并說明模型是否合理。此外還可以用對象測量和交互式仿真分析對模型進行檢驗，仿真分析前進行裝配分析也有助于糾正錯誤的約束。例如檢測建好的挖掘機樣機模型，ADAMS顯示的資料如圖4.12所示。</p><p>　　圖4.13 模型校驗信息</p><p>　　Fig.4.13

106、 Information of model verification</p><p><b>　　4.5本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了挖掘機建模的一般過程，對創(chuàng)建模型，添加約束，測試模型和模型檢驗四個建模做出簡要的分析，為下章的運動學分析和動力學分析奠定了基礎。</p><p>　　5 挖掘機虛擬樣機技術分析</p&

107、gt;<p>　　5.1 挖掘機虛擬樣機技術的運動學仿真</p><p>　　5.1.1 運動學仿真概述</p><p>　　機械系統(tǒng)運動仿真[11]是指利用計算機對機械系統(tǒng)實際工作中的運動和受力等情況進行模擬，仿真技術為研究人員在設計過程中對設計方案進行檢驗和考核提供了有效手段。機械系統(tǒng)運動仿真技術是建立在多體系統(tǒng)動力學理論和先進的計算機實用技術基礎上的新技術，仿真所分析和

108、解決的問題主要包括靜力學、運動學和動力學等方面：實現(xiàn)仿真的軟件包括前處理、求解器和后處理三個組件，其中求解器是核心部分。一般地，用戶通過前處理組件建立起機械系統(tǒng)模型，然后通過求解器進行求解，給出計算結(jié)果，最后由后處理組件實現(xiàn)動畫顯示和曲線圖輸出。在機械系統(tǒng)運動仿真地求解計算過程中，需要處理大量由用戶輸入地專用函數(shù)，如數(shù)學函數(shù)、運動函數(shù)和力函數(shù)等。通過計算機實現(xiàn)這些函數(shù)功能的工作非常重要，關系到運動仿真算法的實現(xiàn)和仿真軟件的實際應用，其中