基于Pro／E的装载机工作装置虚拟样机与仿真分析

张 楠

（营口职业技术学院，辽宁 营口 115000）

0 引言

Pr o／Engineer是一款包括 CAD／CA M／CAE 的大型设计软件［1，2］，其不仅可用来建立相应的几何模型，而且还可对模型进行仿真模拟，并对仿真模拟的结果进行分析，以及时发现设计中所存在的问题，从而在设计阶段就解决这些问题，以减少生产及投入使用后的维修费用，这不仅有利于企业经济效益的提高，而且减少了设计所耗费的时间。

1 建立装载机工作装置的立体模型

建立装载机工作装置的立体模型所遵循的原则是尽量简化图形［3］，略去倒角和圆角等非关键性信息，以免图形变得复杂而不利于模型的建立。在进行具体的建模时要注意根据图形的不同形状来选择建模方式，利用Pro／Engineer软件建模主要是对图形进行拉伸、旋转以及扫描等操作，最终形成装载机工作装置的立体模型［4］。

2 虚拟样机的装配

装载机工作装置是一种多杆件的机构，传统虚拟样机的装配主要是利用骨架模型，虽然骨架模型这种装配方法可使装载机工作装置的精准度得以保证，但是其效率较低。本文中使用Pr o／Engineer软件进行装配的方法比较简单，动臂连接前车架、动臂连接铲斗、液压缸缸筒连接前车架以及摇杆连接动臂的方式都是利用“销轴”来进行约束，而液压缸活塞杆连接缸筒、液压缸活塞杆连接动臂、连杆连接铲斗以及连杆连接摇杆都是利用“销轴”结合“圆柱”进行约束。另外一些辅助零件，如销钉或是后车架等均是利用“匹配”或是“插入”等方式来进行约束，此约束方法是一种刚性连接［5］。所有部件连接好后整个装载机工作装置的虚拟样机就装配完成了。此虚拟样机装配时铲斗及动臂并不需要进行移动，使得整个建模工作量大大减少，效率也大大提高。本文所装配的装载机工作装置的虚拟样机主要是以ZL05为原型，装配好的装载机工作装置虚拟样机见图1。

图1 装载机工作装置虚拟样机

3 虚拟样机的动态模拟

虚拟样机装配好后，就可以利用Pro／Engineer软件进行动态模拟及分析，其动态模拟及分析流程见图2。

图2 工作装置动态模拟与分析流程

3.1 虚拟样机的动态模拟

装载机工作装置主要有6种工况，分别是铲斗铲掘后收斗过程、运输过程、动臂举升过程、铲斗卸料过程、动臂下降过程和动臂下降至铲掘位置时铲斗的自动放平过程。6种工况的工作是靠6种不同的伺服电机来完成的，将6个不同的伺服电机安装在铲斗连接动臂以及动臂连接机架的铰接点上。

对伺服电动机的收斗、举臂、翻斗、收斗、降臂和翻斗时的运行时间进行设置，运行时间的设置使得各伺服电动机的运行更有序，确定了其运动关系。最后利用Pr o／Engineer软件对整个动态模拟过程进行捕捉就能做成一个完整的动画影片以仔细观察装载机工作装置的整个运动状态。仿真得到的装载机工作装置的6种工况见图3。

图3 装载机工作装置的6种工况

3.2 虚拟样机的干涉检查

对装载机工作装置进行干涉检查的目的是为了对装载机工作装置工作时其连杆机构可能会出现运动干涉及其“死点”的位置进行检查及分析，以保证工作装置正常、稳定运行。利用Pr o／Engineer软件进行干涉检查的流程如下：①点击“Mechanism”菜单中的“回放”，对虚拟样机的动态仿真模拟进行回放以观察各杆件之间的运动关系；②在弹出的“回放”对话框中可看到结果集，选择运动名称和干涉模式，其主要有两种干涉模式，一种是“全局干涉”，另一种是“包括干涉”；③针对所选的运动名称点击“播放”并选择“全局干涉”进行干涉检查及分析。若有杆件在运动时有干涉现象产生，那么Pro／Engineer软件就会有相应的提示，并在干涉区进行加亮以方便修改。在本实验中，利用Pr o／Engineer软件进行干涉检查发现此装载机工作装置并无干涉问题。

3.3 虚拟样机的仿真结果

在此利用Pr o／Engineer软件中的Mechanis m模块进行运动仿真分析。点击“测量”就可建立一个或是多个分析测量特征，其对于某个杆件的运动分析结果主要用一条曲线或是一组曲线来表示。

运动仿真的步骤如下：①点击Mechanis m模块中的“测量”命令；②在弹出的对话框中对“图形类型”进行选择，在此先点击“测量与时间”，然后点击“结果集”，选择运动名称，并点击“创建新测量”；③在弹出的对话框中选择测量类型，点击“点或连接轴”，关闭对话框切至“测量结果”；④选择要进行展示的“测量”曲线就会有相应的测量曲线输出，当然也可以将一组测量曲线输出于同一坐标下。根据装载机工作装置的特征，一般可设置8个铰接点（具体见图1）。图4为连杆与摇杆之间的铰接点A的角位移曲线。

图4 连杆与摇杆铰接点A的角位移

由图4中我们可以看出，此铰接点的运动状态与所设计的初始条件相符，其曲线也与其运动状况相吻合。可见利用Pr o／Engineer软件有利于设计的改善，提高装载机工作装置的性能。

4 结语

本文利用Pro／Engineer软件建立了装载机工作装置的模型，通过对虚拟样机动态模拟而使得工作装置的内部运动状况直观地展现在人们面前，可以及时发现装置中的问题并加以解决，完善了装载机工作装置的设计，保障了装载机工作装置的可靠运行。

［1］于哲峰，唐海燕.基于Pro／Engineer的快速原型技术［J］.鞍山师范学院学报，2009（2）：18-19.

［2］丁锦宏，吴国庆.Pro／E软件在新产品设计中的应用［J］.机械制造与自动化，2010（4）：45-46.

［3］聂信天，史立新.快速原型技术在机械制造中的发展及应用［J］.农机化研究，2010（4）：33-34.

［4］高秀华，李炎亮.机械三维动态设计仿真技术：Pro／Engineer和Pr o／Mechanica应用［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［5］祝凌云，李斌.Pro／ENGINEER运动学仿真和有限元分析［M］.北京：人民邮电出版社，2009.