1、 三 峡 大 学 科 技 学 院毕业设计（论文）题目 基于 Pro/E 挖掘机三 维造型设 及仿真学生姓名: 朱文武 学号: 2008405336 专业: 机械设计制造及其自动化 班级: 20084053 指导教师: 评阅教师: 完成日期 年 月 日 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立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，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日 期： 学位论文版权使用授权书本学位论文作者
2、完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密 。（请在以上相应方框内打“” ）作者签名： 2012 年 月 日 导师签名： 2012 年 月 日 目 录摘要1前言21挖掘机简介31.1 挖掘机的定义31.2 挖掘机简史31.3 挖掘机的构成31.4 挖掘机的分类42挖掘机的发展概况及运动原理52.1 国内
3、挖掘机发展概况52.2 国外挖掘机发展概况62.3 挖掘机运动原理73挖掘机各部件的造型设计83.1 挖掘机地盘支架的造型设计83.2 挖掘机履带轮的造型设计113.3 挖掘机上部回转体的造型设计123.4 挖掘机的前臂连接架的造型设计223.5 挖掘机动臂的造型设计243.6 挖掘机斗杆的造型设计283.7 挖掘机铲斗的造型设计293.8 挖掘机油缸的造型设计323.9 挖掘机油缸活塞的造型设计343.10 挖掘机连杆的造型设计343.11 挖掘机摇杆的造型设计354挖掘机运动仿真354.1 挖掘机各部件的装配354.1.1 挖掘机下部行走体的装配364.1.2 挖掘机上部回转体的装配374
4、.1.3 挖掘机前臂的的装配374.1.4 挖掘机铲斗的装配404.2 创建伺服电机424.3 运动分析444.4 仿真效果及动画455生成挖掘机工程图465.1 生成挖掘机铲斗工程图465.2 生成其它零件工程图47总结48参考文献 49致谢501基于 Pro/E 的挖掘机三维造型设计及运动仿真学 生：朱文武指导老师：史永芳三峡大学科技学院摘 要: 挖掘机是目前广泛使用的工程机械之一，传统方法是设计-样机制造-试验，不但设计周期长、成本搞，且试验破坏性较大，利用三维实体建模与动态仿真技术相结合，预先建立实体仿真模型，模拟其动态特性，设计者能及早发现问题并及时修改和优化，这样既能缩短产品的设计
5、周期，提高产品的可靠性，又能实现产品的优化设计。本课题在对挖掘机的结构设计前要通过查阅、整理资料、实地考察、综合运用软件分析等一系列研究方法进行整合，结合实际情况制定实用的设计方案，然后通过所学知识运用美国 PTC 公司所开发的 proENGINEER 大型三维CAD/CAE/CAM 设计软件的各项功能来进行挖掘机的结构设计，然后再进入装配，把挖掘机各部分装配起来，再进行运动仿真及分析，使挖掘机符合实际运用，能够完成本该拥有的功能。关键词：挖掘机 pro/E 三维图 造型设计 运动仿真AbstractExcavator is widely used in engineering machine
6、ry, the traditional design method is design -prototype test. However, not only the design cycle is long, cost too much, but the test is bigger destructiveness . Using the 3D solid modeling and dynamic simulation technology combining previously establishe dentity, simulation model, simulation of its
7、dynamic characteristics, the designers can find problems and timely modification and optimization, which can shorten the design cycle, improve product reliability, but also can realize the optimization of product design. This topic in the structure design of excavator to through inspection, sorting
8、data, field investigation,comprehen sive use of software analysis and a series of research method of integration, combined with the actual situation to develop practical design solutions, and then use the knowledge of American PTC company developed proENGINEER large 3D CAD/CAE/CAM software functions
9、 for the excavator structure design, and then the assembly, get the excavator parts together, then make the kinematics simulation and analysis of the excavator, make excavator accord with the actual useing, has the function of excavator itsself.Key words: Excabator Pro/E three dimensional graph Mode
10、ling design Motion simulation Movement simulation2前 言本次毕业设计的主要内容是利用基于 Pro/E 的三维实体建模与动态仿真技术相结合来实现对挖掘机的设计及运动仿真。其关键点在于能熟练地掌握对 Pro/E 的运用同时对挖掘机的构造能有所了解。本课题给出了挖掘机造型设计及运动仿真的基本方法和过程。设计运用的是美国 PTC 公司所开发的 Pro/ENGINEER 大型三维CAD/CAE/CAM 设计软件，它是一款强大的 CAD/CAM/CAE 软件。1 988 年 ，Pro/ENGINEER 诞 生 。 目 前 已 经 发 布 了 Pro/ENG
11、INEER proewildfire6.0（ 本 次是 利 用 Pro/E 4.0 版 本 来 设 计 的 ） 。 PTC 的 系 列 软 件 包 括 了 在 工 业 设 计 和 机 械 设计 等 方 面 的 多 项 功 能 ， 还 包 括 对 大 型 装 配 体 的 管 理 、 功 能 仿 真 、 制 造 、 产 品 数 据管 理 等 等 。 Pro/ENGINEER 还 提 供 了 目 前 所 能 达 到 的 最 全 面 、 集 成 最 紧 密 的 产 品开 发 环 境 。Pro/E（Pro/Engineer 操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Cor
12、poration，简称 PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的 CAD/CAM 软件之一。Pro/E 第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决牲的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E 的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以
13、按照自己的需要进行选择使用。Pro/Engineer 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋、槽、倒角和抽空等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。Pro/Engineer 还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可
14、配上 Pro/Engineer 软件的其它模块或自行利用 C 语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下具有大部分的设计能力，组装能力和工程制图能力，并且支持符合工业标准的绘图仪和黑白及彩3色打印机的二维和三维图形输出。Pro/E 功能如下： 1）特征驱动。 2）参数化。3）通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间的关系来进行设计。4）支持大型、复杂组合件的设计。5)贯穿所有应用的完全相关性。所以对于挖掘机的建模与运动仿真过程全部利用 Pro/E 软件来实现，是很简单而又方便的选择。本文将利用 Pro/E 来实现挖掘机的三维建模与仿真分析来逐渐介绍 Pro/E 软件的具体功能，同时
15、详细地介绍挖掘机具体构造和一些设计参数。1挖掘机简介挖掘机是当今工程施工中不可缺少的一部分，已成为工程机械中的重要的一员，下面将对挖掘机进行简要的介绍。1.1 挖掘机的定义挖掘机，又称挖掘机械（excavating machinery)，是用铲斗挖掘高于或低于承机面的物料，并装入运输车辆或卸至堆料场的土方机械。挖掘的物料主要是土壤、煤、泥沙以及经过预松后的土壤和岩石。从近几年工程机械的发展来看，挖掘机的发展相对较快，而挖掘机作为工程建设中最主要的工程机械机型之一，其正确的选型也就显得更为重要。1.2 挖掘机简史第 一 台 手 动 挖 掘 机 问 世 至 今 已 有 170 多 年 的 历 史
16、， 期 间 经 历 了 由 蒸 汽 驱 动斗 回 转 挖 掘 机 到 电 力 驱 动 和 内 燃 机 驱 动 回 转 挖 掘 机 、 应 用 机 电 液 一 体 化 技 术 的 全自 动 液 压 挖 掘 机 的 逐 步 发 展 过 程 。由于液压技术的应用，20 世纪 40 年代有了在拖拉机上配装液压反铲的悬挂式挖掘机，20 世纪 50 年代初期和中期相继研制出拖式全回转液压挖掘机和履带式全液压挖掘机。初期试制的液压挖掘机是采用飞机和机床的液压技术，缺少适用于挖掘机各种工况的液压元件，制造质量不够稳定，配套件也不齐全。从 20 世纪 60 年代起，液压挖掘机进入推广和蓬勃发展阶段，各国挖掘机制
17、造厂和品种增加很快，产量猛增。1968-1970 年间，液压挖掘机产量已占挖掘机总产量的 83%，目前已接近 100%1。 1.3 挖掘机的构成常 见 的 挖 掘 机 结 构 包 括 ， 动 力 装 置 ， 工 作 装 置 ， 回 转 机 构 ， 操 纵 机 构 ， 传动 机 构 ， 行 走 机 构 和 辅 助 设 施 等 。4从外观上看，挖掘机由工作装置，上部回转体，下部行走体三部分组成。如下图挖掘机的拟人化的比喻：1.4 挖掘机的分类挖 掘 机 的 种 类 诸 多 ， 总 体 上 可 以 分 为 以 下 五 大 类 ：挖 掘 机 分 类 一 ： 常 见 的 挖 掘 机 按 驱 动 方 式
18、有 内 燃 机 驱 动 挖 掘 机 和 电 力 驱 动 挖掘 机 两 种 。 其 中 电 动 挖 掘 机 主 要 应 用 在 高 原 缺 氧 与 地 下 矿 井 和 其 它 一 些 易 燃 易 爆的 场 所 。5挖 掘 机 分 类 二 ： 按 照 行 走 方 式 的 不 同 ， 挖 掘 机 可 分 为 履 带 式 挖 掘 机 和 轮 式 挖掘 机 。 而 大 部 分 挖 掘 机 是 履 带 式 ， 这 有 两 个 理 由 2：1） 挖 掘 机 一 旦 进 入 作 业 现 场 就 不 大 移 动 ， 只 行 走 较 短 的 距 离 。2） 地 面 接 触 面 积 大 ， 能 够 在 较 松 软
19、的 地 方 作 业 。 在 凹 凸 不 平 的 地 面 行 驶 时， 能 够 承 受 猛 烈 的 冲 击 。轮 胎 式 挖 掘 机 ， 因 其 具 有 橡 胶 轮 胎 ， 机 动 性 好 ， 适 合 于 城 市 内 的 道 路 和 下 水道 施 工 。 但 不 适 用 于 松 软 地 基 部 位 的 作 业 。挖 掘 机 分 类 三 ： 按 照 传 动 方 式 的 不 同 ， 挖 掘 机 可 分 为 液 压 挖 掘 机 和 机 械 挖 掘机 。 机 械 挖 掘 机 主 要 用 在 一 些 大 型 矿 山 上 。挖 掘 机 分 类 四 ： 按 照 用 途 来 分 ， 挖 掘 机 又 可 以 分
20、为 通 用 挖 掘 机 ， 矿 用 挖 掘 机， 船 用 挖 掘 机 ， 特 种 挖 掘 机 等 不 同 的 类 别 。挖 掘 机 分 类 五 ： 按 照 铲 斗 来 分 ， 挖 掘 机 又 可 以 分 为 正 铲 挖 掘 机 和 反 铲 挖 掘 机。 正 铲 挖 掘 机 多 用 于 挖 掘 地 表 以 上 的 物 料 ， 反 铲 挖 掘 机 多 用 于 挖 掘 地 表 以 下 的 物料 。2挖掘机的发展概况及运动原理2.1 国内挖掘机发展概况从 20 世纪 50 年代生产第一台全液压挖掘机至今，挖掘机工作装置已经发展到了相当成熟的阶段。随着液压挖掘机市场的增大、产品的提高和使用范围的扩大，世
21、界著名的挖掘机生产商纷纷采用新技术、新手段来提高产品质量，提高产品的市场竞争力 1。我国当前挖掘机发展现状 2：1）2009 年中国挖掘机保有量超过 63 万台。2）2010 年新挖掘机销量超 90000 台。3）每年以 10%的速度在增加。4）中国正在搞开发建设，一些大项目特别是西部大开发正在进行需要大量的挖掘机。5）现有的挖掘机的维修，将来二手机的修理，翻新都需要售后服务人员来完成。6）若干年后到后市场时代我们更有用武之地。6我 国 的 挖 掘 机 生 产 起 步 较 晚 ， 从 1954 年 抚 顺 挖 掘 机 厂 生 产 第 一 台 斗 容 量 为1m3的 机 械 式 单 斗 挖 掘
22、机 至 今 ， 大 体 上 经 历 了 测 绘 仿 制 、 自 主 研 制 开 发 和 发 展 提高 等 三 个 阶 段 。20 世 纪 80 年 代 末 ， 我 国 挖 掘 机 生 产 厂 已 有 30 多 家 ， 生 产 机 型 达 40 余 种。 中 、 小 型 液 压 挖 掘 机 已 形 成 系 列 ， 斗 容 有 0.1 2.5 m3 等 12 个 等 级 、 20 多种 型 号 ， 还 生 产 0.5-4.Om3 以 及 大 型 矿 用 10m3、 12m3机 械 传 动 单 斗 挖 掘 机 ， 1m3隧 道 挖 掘 机 ， 4m3 长 臂 挖 掘 机 ， 1000m3 h 的 排
23、 土 机 等 ， 还 开 发 了 斗 容 量 O.25m3的 船 用 液 压 挖 掘 机 ， 斗 容 量 O.4m3、 O.6m3、 0.8m3 的 水 陆 两 用 挖 掘 机 等 。 但 总的 来 说 ， 我 国 挖 掘 机 生 产 的 批 量 小 、 分 散 ， 生 产 工 艺 及 产 品 质 量 等 与 国 际 先 进 水平 相 比 ， 有 很 大 的 差 距 。由 于 国 内 对 液 压 挖 掘 机 需 求 量 的 不 断 增 加 且 多 样 化 ， 在 国 有 大 、 中 型 企 业 产品 结 构 的 调 整 ， 牵 动 了 一 些 其 他 机 械 行 业 的 制 造 厂 加 入 液
24、 压 挖 掘 机 行 业 。 例 如 ，中 国 第 一 拖 拉 机 工 程 机 械 公 司 、 广 西 玉 柴 股 份 有 限 公 司 、 柳 州 工 程 机 械 厂 等 。这 些 企 业 经 过 几 年 的 努 力 已 达 到 一 定 的 规 模 和 水 平 。 例 如 ， 玉 柴 机 器 股 份 有 限 公司 在 20 世 纪 90 年 代 初 开 发 的 小 型 液 压 挖 掘 机 ， 连 续 多 年 批 量 出 口 欧 、 美 等 国 家， 成 为 我 国 挖 掘 机 行 业 能 批 量 出 口 的 企 业 。业内人士指出，我国单斗液压挖掘机应向全液压方向发展；斗容量宜控制在 0.1-
25、15 m3；而对于大型及多斗挖掘机，由于液压元件的制造、装配精度要求高，施工现场维修条件差等，则仍以机械式为主。应着手研究、运用电液控制技术，以实现液压挖掘机操纵的自动化 1。2.2 国外挖掘机发展概况第 一 台 手 动 挖 掘 机 问 世 至 今 已 有 130 多 年 的 历 史 ， 期 间 经 历 了 由 蒸 汽 驱 动半 回 转 挖 掘 机 到 电 力 驱 动 和 内 燃 机 驱 动 全 回 转 挖 掘 机 、 应 用 机 电 液 一 体 化 技 术 的全 自 动 液 压 挖 掘 机 的 逐 步 发 展 过 程 。工 业 发 达 国 家 的 挖 掘 机 生 产 较 早 ， 法 国 、
26、德 国 、 美 国 、 俄 罗 斯 、 日 本 等 是 斗容 量 3.5-40 m3单 斗 液 压 挖 掘 机 的 主 要 生 产 国 ， 从 20 世 纪 80 年 代 开 始 生 产 特大 型 挖 掘 机 。 例 如 ， 美 国 马 利 昂 公 司 生 产 的 斗 容 量 50-150 m3 的 剥 离 用 挖 掘 机 ，斗 容 量 132 m3 的 步 行 式 拉 铲 挖 掘 机 ； B-E(布 比 赛 路 斯 一 伊 利 )公 司 生 产 的 斗 容量 168.2 m3 的 步 行 式 拉 铲 挖 掘 机 ， 斗 容 量 107 m3 的 剥 离 用 挖 掘 机 等 ， 是 世 界 上目 前 最 大 的 挖 掘 机 。
