工作装置结构分析及运动学仿真研究.

1、同济大学中德学院硕士学位论文挖掘机工作装置结构分析及运动学仿真研究姓名:李向宝申请学位级别：硕士专业:机械制造及其自动化指导教师:王家海20080501?9t8MHK* s s. sa氏金ss!w 工工Aal4-*FM3 拿f &*dlt*x.務23s nxFMrwIt LKaxM$ we5*MA m：rAKMeKS AtMMBn Ar 7ayttw iffs OMK lfMMfxs =、* 丘 frBmKdlAW、m 、=* B, RWKaAXWy&-fAn3*JC茅巒 ss A a09 ss aABR9 Sa SI 备=口 * ft sw3rBlrm9FU MqNI R3羽MwM9I=冷M

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4、vkrl indite fWMJ m学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本;学校有权保存学位论文的印 刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提 供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为EI的的前 提下, 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：石国t苏1确j年（只名 EI经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。指导教师

5、签名：学位论文作者签名：年月 日年月曰同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创 作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作 做出贡献的其他个人和集 体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明 的法律责任 由本人承担。学位论文作者签名：/杏I勺、象7咖d年/月日第1章绪论1.1课题研究背景及意义第1章绪论自上世纪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

6、济循环加大、加快，市场 竞争日趋激烈。随着现代社会的快速发展，各种产品日新月异，产品的寿命缩短，产品 更新换代的速度逐渐加快，对产品设计与制造的要求也越来越高，日益激烈的市场竞 争要求现代化企业必须低成本高效率的开发新产品。但是产品从设计到投产是一个复杂的过程，它包括产品总体方案设计、概念设 计、制造加工与装配等多个环 节。其间还要进行必要的强度分析与校核。传统的设计与制造方法难以全面考虑这些环节。企业必须具备新产品的开发、研制 及创新能力,有自己的便于更新的产 品设计平台，才能不断快速地推出适应市 场需求、满足顾客需要的新产品，才能在激 烈的市场竞争中生存下来。结构化的开发方法（SSA&D或

7、SADT在计算机软件开发领域应用已经非 常普 遍，它是迄今为止开法方法中应用最普遍、最成熟的一种。近些年来该方法现在也被越来越多的用到机械产品的开发中，自顶向下设计是一种高效率的 设计方法，这种 设计方法一经引用，它的优点立即体现出来，该设计方法是从产品功能概念设计开始 的,它主要用来处理装配件的设计工作，利用它能够有效地把握设计意图，使组织结构 清晰，便于在各个子装配体之间迅速可靠地传 递设计信息，达到信息共享的目的。同 时简化了零件之间装配关系的描述，成功地协调了各装配件之间的设计冲突，并运用 参数化模型驱动和层次化装配建模技术，实现产品的装配设计过程与零件详细设计 过程的信息集成。CAD

8、技术作为加速产品创新设计的有效途径，越来越得到设计人员的重视。众 多行业的实践经验表明，采用CAD技术可以显著地缩短设计周期，提高设计质量和 生产效率，是加速产品更新换代的有效手段，也是改造传统生产过程的 必由之路。CAD技术的发展与应用水平已成为衡量一个国家工业水平的重要标志。因此，国家“863划专门投资，支持三维CAD软件的开发和产业化，以此为背景国内CAD技 术的研究和应用进入了新的发展阶段。随着我国CAD应第1章绪论用工程的普及和推广,CAD技术己在许多企业转化为现实生产力。传统的二维 CAD软件正逐渐被三维CAD软件所替代。目前，流行的CAD/CAM软件众多，软件 功能上也各有千秋，

9、如Pro/ENGINEER、UG、CATIA等，都是比较通用的大 型软件 系统。这些三维CAD软件除了基本的建模功能外，基本都还集成了结构 分析、动 态方针或其他更高级功能。以 CATIA为例，它同时具有逆向工程模块（CGO、空间 分析（SPA、ANSYS接口 （ANSYS In terface、有限元模型生成器（FEM、创成式零件 分析及优化（GP0、创成式零件应力分析（GPS、制造基础框架（Manufacturing Infrastructure、IGES集成接口等等诸多模块，但是作为建模 软件,它的上述辅助功能 比起专业的分析软件在某些功能上显然逊色很多，但是它提供的完善的接口程序，使

10、得建好的模型可以直接倒入到相关软件中，通过简单的工作就可以在新软件中直接 运用。计算机辅助工程，也就是通常所说的CAE（CompmerAided Engineering技术是在 自然科学技术和计算机技术不断发展的基础上建立起来的，它是将具体的自然科学 与计算机技术相结合，将自然的理论知识和经验通过计算机语言描述出来，来帮助人 们去认识客观世界的物质世界。在各种 CAE技术中，虚拟样机技术（VirtualPrototype技术使计算机辅助工程的一个重要分支，它是人们开发新产品时，在概念设 计阶段，通过学科理论和计算机语言，对设计阶段的产品进行虚拟性能测试，达到提高 设计性能、降低设计成本、减少产

11、品开发时间 的目的。此外随着计算机科学技术的发展，以计算机为工具的信息处理技术经历了数值计算阶段、数据（包括文字处理阶段以后，已经进入了知识处理的新阶 段。在这个阶 段，计算机能像人类一样具有进行创造性脑力劳动的能力，所以计算机具有智能。计 算机具有智能是计算机发展史上的一个划时代的标志，意味着信息社会进入一个知 识信息处理的新时代。为此世界上发达国家将研制智能计算机列为科研项目的重点，扩大智能是新世纪计算机科学发展的新趋势。知识工程是一门专门研究开发知识系统的理论、方法和技术的工程学科，知识系统是基于知识对实际问题进行求解 的系统它的核心部件是知识库。新一代计算机系统将围绕知识库，或者以知识

12、为核 心来组织。因此当今时代是知识的时代,谁掌握了知识，谁就掌握了主动权。2第1章绪论1.2国内外相关研究现状1.2.1自顶向下技术研究现状产品的设计是一个渐进的过程，一般经过概念设计、参数化设计和详细设计三 个阶段。这种渐进的设计过程，称为自顶向下（Top.Down设计。自顶向下设计过程具有如下优点：符合产品设计过程和设计人员的思维过 程。设计产品时，最初考虑的是产品应实现的功能，最后才考虑实现这些功能的几何 结构，所以产品的设计过程是一个从抽象到具体的渐进过程。便于实现多个子系统的协同，实现并行设计。在产品设计的最初阶段，即概念设计 阶段，就将产品的主要 功能、关键约束、配合关系等重要信息

13、确定下来，在进行任务分配时，这些关键约束也同时分配给各子系统，这样，各子系统才能很好地配合，避免发生冲突。为 DFx（DFA,DFM等提供了条件。能将前期阶 段的关键约束传递到后续设计阶段，这 样,在后续设计中就可根据前期设计的 约束要求进行可行性评价。从而实现面向装 配的设计（DFA和面向制造的设计（DFM。自顶向下设计方法所涉及技术的研究，包括自顶向下设计系统、装配模型 的表 达、模型建立、模型分析，以及装配顺序规划等方面。（1自顶向下设计系统研究现状设计系统设计的主要研究者及现状见表 1.1【IJ,简要说明如下：表1.1自顶向下系统研究序号系统名称装配模型推理方法系统特点研究人员1WAY

14、T关系模型手工 交互式最早的原型系统M.Mantyla 2Delta层次模型专家系统侧重功能理解Jin Kang Gui 3GN0SIS层次模型 专家系统 实现了抽象结构表lerbi Ranta达4G0NGEN面向对象模 专家系统 侧重产品建模Sreenivasa R型 Gorti5Pro/Top Down层次模型手工交互式侧重基准约束传递PTC交互式设计系统 WAYT,是由Top.Down的早期研究人员、芬兰赫尔辛基大刁if邸一xtflua lt KMlVWHnt4二屮.osfQUuaiiitBMDtta. FiwMKP9RHAO 1 VW.IM RiVAW. M界剤!Mt 4niSK4.H

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31、VC- !.第2章基于自顶向下的挖掘机工作装置设计与建模产品的形状和它要完成的功能任务。伴随着设计的深入，整体的形状空间逐级 划分,同时功能也逐级分解，直到最后不必再分解之时，再进行零件的造型设计，即是 一自顶向下的设计过程：用这种面向装配的设计（DFA方法设计出的产 品在逻辑结 构上就会呈现出多层次性，因此装配模型也必须提供一种层次结构的记录机制来与 之相适应。一个机械产品可以看成是相互间具有确定装配关系的若干零部件组成的一个装配体（Assembly,装配体可分解为不同层次的子装配体（Sub AssemblyB6】。而子 装配体又可分解为各组件，如此分解下去，最终分解的结果是如图2.15所示

32、的一种树 状结构模型。第0层:装配体第l层:子装配体第2层:组件第3层:特征第4层:实体图2.15产品装配模型结构层次模型图装配体模型最基本的组成单元是零件、子装配体。如图2.15所示，图中树的 根结点是成品装配休，其他所有结点均为部件；所有的部件结点又可分为叶结点和中间结点，其中叶结点是不可拆分的零件，而其他的中间结点则是由概念设 计所确定的子 装配体。多叉树的分支(branch代表从属关系，分支只联接相邻的 上下两层结点，表 示下层结点是上层结点的组成部件。由此看来，零件结点只有父结点，装配体只有组 成部件结点，而子装配体结点既有父结点又有组成部件结点。子装配体的层次结构 与最后产品装配体

33、是一样的，这样递归下去就形 成了多层次的产品装配结构树 (Assembly Structure Tree.AST也称为装配模型树，可用如下形式表达：Assembly Structure Tree(AST=Root,Compo nen t,Bra nch;其中Root为当前层的直接父节点，为成品装配体结点或子装配体结点；29第2章基于自顶向下的挖掘机工作装置设计与建模Component为部件(零件和子装配体的有限非空集合，可表示为,Sub-assembly_Subassembly., ,Parti; ,Pa nm.;Branch为有向边集，表示Component对Root的从属关系，可表示为,B

34、i.,Bp;以上Bi为第i个从属关系,P为m和n之和。一个产品可以表达成多个 AST的组合。本文所述的挖掘机工作装置装配模型树如图2.16117JL图2.16挖掘机工作装置装配模型树（层次结构图从上述分析可看出，装配体的层次结构可形成多层次的产品装配结构树，其中装 配模型、装配特征、装配关系等可用前面所讨论的方法来表示，由于特征信息可以在不同抽象层次上表达，即都可以用基准点（datum point、基准轴（datum axis基准面 （data plane基准坐标系（data coordinates基准线（datum curve等基本特征来表示, 因此，在设计初期，将装配体中的各零件，仅用零件

35、的基准特征来表示，这些基准特征 用来确定零件在空间的位置，例如只用回转中心来表示轴类零件，齿轮啮合用其轴线 及一对分度圆表示等。每个特征都能实现一定功能以满足整体设计要求。功能一约束一特征对应关系能帮助设计 人员寻找到多种设计方案，以便从中挑选出较优的 设计。功能一约束一特征”关系在某种意义上是一种模糊的、不确定关系，这种关 系的建立以及如何把这 些特征组合到一起正是首要解决的问题所在。据此，可设想将装配结构树中的 主干”用这些特征表示，并附加一定的约束关系，以此来控制产品 整体装配结构及功能。各设计组在这个整体装配结构的统一控制下，并行地将装配结构30第2章基丁自顶向下的挖掘机I作装置设训与

36、建模树中的各根结点、枝结点逐步细化，直至完成各零件的详细设计，使装配建模的 方法很好地支持并行工程。为了解决上述问题，设想在产品设计之初（概念设计，建立反映装配结构树 的 主 干”结构的目架模型（Skeleton Model.SM,SM用来确定子装配体、零件在空问的静止 位置或运动时的相对位置、它们之间的装配约束关系及一些重耍 的设计参数，而不 滞硬鼻零件具体的螭枸形壮加固217.剐217挖掘机主框架sM相当于位于装配体项层的控制产品整体结构及功能的概念上的空零件”也是装配体的-N没有肌肉的丰骨架，它由系列基准特征组成，并包台有若干设计参数 关系式。其中基准有与产品整体结构及装配有关的基准点（

37、轴、面基准特征，这些基 准特征是以系统的默认坐标系统为参照，通过添加参数关系式等约束条件而得到的， 以便利用这些基准特征米将子装配体、零件进行空问定位，或利用基“E特征来控制产品的几何结构形状。复杂产品的设计中，各子装配体中同样用与构建主SM相同 的方法构建各自的SM,形成子SM.即个装配体中可包含多个子SM,通过子SM来确 定子装配体中各零件静止或运动时的空间位筒及装配约束关系。设计完成后，通过 改变产品的士 SM,即整体设计方案的改变，来实现装配体整体结构的改变，或通过子 SM的改变,实现各予装配 体局部结构的改变，从而实现对产品自顶向下的设计及分 层组织和管理.如图216。在自顶向下设计

38、过程中可以首先声明各个子装配或者零件的空间位置和体 积, 设定全局性的关键参数，这些参数将被装配中的子装配和零件所使用。当 这些总体 参数在随后的设计中逐步确定并发生改变时，各个零件和子装配将随31第2章基于自顶向下的挖掘机工作装置设计与建模之改变J。这种自顶向下的设计方法有利于不同的设计人员共同设计。在设计总体方案确定后，所有承担设计任务的小组和个人就可以依据总装设计迅速开展丁作，可以大大加快设计过程，做到高效、快捷和方便的设计。装配体概念模型相当于是装配体的一副没有肌肉的骨架”通过这一 骨架”反映出整个产品的功能要求和设计者的设计意图。其中的各零件则是一些只包台了主要基准特征的空零件”此时

39、的装配概念模型是一全局化的模型，即是整体设计的 结果，同时又是零件设计的起点。详细设计阶段的工作是顺着这些空零件”的基准特征完成各零件的实体建模，即为装配体添加上每块 肌肉”完成由装配体概念模型 到产品实体结构模型的映射。在详细设计阶段，通过对各零件细部结构的修改，实现 装配体局部结构形状的改变。蛀后对装配体进行有关的有限元分析，并根据分析结 粜对装配体进行白顶向下的整体或局部修改，重新生成模型井输山。C霍甲卑一焉口 ！ 口 E日砌图218三维建模软竹中的树状模型在洋细设计阶段，可以通过对各子装配体的概念模型（子SM的修改,实现局部设 计方案的修改，从而使得与骨架中有关设计的部件、零件的位置、甚至形状随之发生改变。现在市面上多数三位建模软件均支持自顶向下设计，建立好装配体后软件左端均以树装模型形式显示各部件和零件问相互关系。如图218。第2章基于自项向F的挖掘机工作装置设计与建模2.3基于solidworks的液压挖掘机工作装置建模口 6 口快速发展的CAD技术已可提供完整的电子样机功能，能够完成完整的 电予样机的分