固定式破碎机三维建模与运动分析说明书

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊摘要本次设计建立了固定式液压破碎机三维设计模型，通过机构分析完成关键设备机构的运动模拟及机构参数的优化，实现特定空间内机构的工作范围和运动轨迹规划，提高设计效率和安全性。

本设计以作业空间要求为基础，确定机械参数，运用Pro/E 5.0软件建立破碎机的三维模型；然后运用机器人学的方法求解破碎机臂架的正运动学，再用几何方法求解破碎机臂架的逆运动学;最后利用Pro/E 5.0软件进行运动仿真和分析。

经运动模拟分析和正逆运动学计算，得到了机构的工作范围、运动轨迹规划以及打击时各铰链处的作用力。

关键词：固定式破碎机；Pro/E；三维建模；运动模拟与分析；正运动学；逆运动学┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊AbstractThis design is to establish a stationary hydraulic crusher’s three-dimensional model and to simulate the motion of its’working equipment and to complete parameter optimization of the mechanism by mechanism analysis. The target of this design is to realize the specially appointed working range and the special trajectory. This process can improve the design efficiency and the safety of the product .This design is to design the mechanical parameters basing on the working range .And using Pro/E 5.0 software establish the crusher’s three-dimensional model. Then working out the forward kinematics of the crusher’s working equipment by using robotics’methods .Working out the inverse kinematics of the crusher’s working equipment by using geometric method .Finally, using Pro/E 5.0 software complete the motion simulation and analyze of the crusher’ working equipment.Through the motion simulation and computing of forward and inverse kinematics ,this design has worked out the working range ,the special trajectory and force at each hinge when the machine is working .keywords：stationary crusher; Pro/E; three-dimensional modeling;the motion simulation and analyze; forward kinematics;inverse kinematics┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目录中文摘要英文摘要1. 总论 (1)1.1 概述 (1)1.2 固定式破碎机的结构与特点 (1)1.3 国内外固定式破碎机的发展现状 (2)1.4 研究的目的和主要工作 (3)2. 固定式破碎机的三维建模 (5)2.1 实体建模的基本方式 (5)2.2 实体建模 (5)2.2.1特征技术的概括及特点 (5)2.2.2三维实体对于特征的描述方法 (6)2.2.3生成基于特征的模型的方式 (6)2.3 三维建模软件的介绍与选择 (6)2.4 Pro/E软件的特点 (7)2.5 固定式破碎机工作装置的实例建模 (8)2.5.1 底座(base.asm) (8)2.5.2 回转支座（boom_bracket.asm） (9)2.5.3 大臂（boom.prt） (10)2.5.4 二臂（stick.prt） (10)2.5.5 转锤（hydraulic_breaker.prt） (11)2.5.6 其余零部件 (11)2.6 固定式破碎机工作装置的装配 (12)2.7 本章小结 (15)3. 固定式破碎机的运动学计算 (16)3.1 已知数据及其处理 (16)3.2 固定式破碎机工作空间的描述 (18)3.3 工作装置运动学建模 (19)3.3.1 关节空间到位姿空间（运动学正解） (19)3.3.2 位姿空间到关节空间（运动学逆解） (21)3.4 从关节空间到油缸驱动空间的相互映射 (23)3.4.1 大臂关节变量与大臂油缸长度的关系 (24)3.4.2 二臂关节角度与二臂油缸长度的关系 (24)3.4.3 转锤关节角度与转锤油缸长度的关系 (25)3.5 运用MATLAB软件绘出固定式破碎机的工作范围 (26)3.6 本章小结 (28)4. 运动仿真与运动分析 (29)4.1 利用Pro/E软件得到破碎机的工作范围 (29)4.2 动力学分析 (33)4.3 本章小结 (41)5. 结论 (42)参考文献 (43)致谢 (44)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1. 总论1.1 概述近年来国家基本建设飞速发展,工程机械市场火爆,为工程机械商提供了发展的机遇。

矿用破碎机主要对各类石料进行破碎作业，根据破碎的原理不同和产品颗粒大小不同，又分为很多型号。

常用破碎机械有颚式破碎机、反击式破碎机、立式冲击式破碎机、液压圆锥破碎机、信有重工破碎机、环锤式破碎机、锤式破碎机、辊式破碎机、复合式破碎机、圆锥式破碎机、双级破碎机、旋回式破碎机、移动式破碎机等。

固定式破碎机是相对于移动破碎机而言的，又叫固定式破碎站，为固定式全液压破碎机。

固定式破碎机主要应用于各类矿山、采石场破碎机的入料口或格筛处，进行大块物料的二次破碎，也可用于冶炼厂对钢包和冶金炉进行打壳拆包等处理[1]。

该产品破碎能力大、运行平稳、噪声低、性能可靠、操作方便，能有效地减轻工人的劳动强度，改善现场工作环境，提高工作效率，是二次破碎机械化理想设备。

1.2 固定式破碎机的结构与特点固定式液压破碎机主要由机架1、液压泵站2、操作室3、回转机构4、动臂5及动臂油缸6、斗杆7及斗杆油缸8、液压破碎锤9及转锤油缸10、以及液压系统、动力系统、操作系统等组成[1]，如图1.1所示。

图1.1 固定式液压破碎机的结构其固定式破碎机工作装置机构的结构如图1.2所示，工作装置范围包络如图1.3所示。

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图1.2 固定式破碎机工作装置机构图1.3 工作装置范围包络图1.3 国内外固定式破碎机的发展现状在国内外各大中矿山在爆破开采中，第一次爆破后，由于岩石结构及节理、裂缝、爆破技术等原因都会产生大块，这些大块都要经过二次爆破来处理。

二次爆破无论在露天或井下，都会给安全带来隐患。

目前有些矿山已不用炸药爆破法而用液压破碎锤进行二次破碎，尤其在选厂入口格筛处采用固定式液压破碎锤进行二次破碎已成为不可阻挡的一种趋势。

在国外大多露天和地下矿山的二次破碎基本上都采用液压破碎锤，在格筛，溜筛，溜井处基本上都装有固定式液压破碎锤处理矿石卡筛问题[2]。

2005年，安徽惊天液压智控股份有限公司成功研发出国内第一台固定式液压破碎机，在短短几年时间，公司已占国内市场58%左右的份额，公司为国内最大的露天矿——鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿研制的一台GTP90型固定式破碎机，安装于其半移动式破碎站的顶部格筛处，作业半径18米，作业深度15米，配套GT90液压锤，冲击功达6000J，是目前亚洲作业范围最大的一台固定式液压破碎机。

在工作装置的结构方面，固定式破碎机与拆除机器人有很大程度的类似性，而国内外对拆除机器人的研究成果及资料相对固定式破碎机更为丰富，所以在研制该类破碎机时，拆除机器人的成果及资料有重要的参考价值。

国外研制生产拆除机器人的厂家主要有瑞典布鲁克公司(BROKK)、德国的托普泰克公司( T O P T E C ) 、芬兰的┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊FINMAC 公司。

国内的近年来,国内企业在引进国外拆除机器人产品的同时引进其先进的技术,根据我国工程机械行业目前的实际状况,研发、制造出了具有自主知识产权的国产多功能遥控拆除机器人,打破了国外企业在这一领域的垄断现状,填补了我国在拆除机器人研发生产方面的空白。

如惊天液压公司生产的GTC系列多功能遥控拆除机器人,宣化鼎信矿冶机械有限责任公司生产的DXCC系列多功能拆除机器人（如图1.4所示）[7]。

图1.4 惊天液压公司和宣化鼎信公司生产的拆除机器人另外，福建晋工机械有限公司的赵家宏[8]等人也对拆除机器人做过装置设计和运动学仿真。

中冶华天工程技术有限公司的王玉飞[9]做过拆除机器人的瞬态动力学分析。

此外，固定式破碎机的工作装置与液压挖掘机的工作装置也有很大的相似之处。

在这一方面成果较多值得借鉴，比如重庆大学的陈玉峰[10]、浙江大学的任有良[11]、河北工业大学的杨彦龙[12]、中国工程机械学会的刘益、李继顺[13]等都做过相关研究。

随着21世纪世界经济和科学技术的飞速发展,面对持续发展、风云变幻的市场需求,企业为了提高自身竞争力,必须尽快推出新产品,更新设计,缩短产品的研发周期,提高产品质量,降低研发成本,进行创新性设计,这样才能对瞬息万变的市场需求做出敏捷反应,从而在竞争中获得相当的市场份额和利润,虚拟样机技术就是在这种迫切市场需求的驱动下产生的[3]。

三维建模技术在机械行业的广泛应用，根本性地改变了产品的设计、工艺以及生产装配乃至维修等环节，大幅度提升了新产品开发效率，节约产品开发成本[2]。