挖掘机回转减速机运动学及动力学仿真
大型矿用挖掘机工作装置仿真
本文结合的电铲挖掘机斗容为 ３ ５ｍ ，选其 动臂 内部为箱型结构 ，斗杆内部结构也为箱型结
收稿 日期 ：２０．７５ ０ ６０ —
作者简介：马 乐（９ １） １８ ．，女，吉林长春人 ，在读硕士，研究方向为机械系统仿真设计，（－ ｉ ｍａ １８ ＠ｓ ａｇｍ 巨ｍａｌ ｌ ９ １ ｉ ． ） ｅ ｎ ｏ
ｔ ｅ ｄ ｎ ｍｉ ｓ ａ ｄ ｋ ｎ ｍａ ｉ ｓ ｏ ｅ ｗ ｏ ｋ ｎ ｑ ｉ ｍｅ ｔａ ｅ ｓ ｕ ｉ ｄ ｄ ｒｎ ｈ ｕ ｌｗｏ ｋ ｐ ｏ ｅ ｓ ｈ ｙ ａ ｃ ｎ ｉ ｅ ｔｃ ｆ ｔ ｒ ｉ ｇ ｅ ｕ ｐ ｎ ｒ ｔ ｄ ｅ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｆ ｌ ｈ ｒ ｒｃ ｓ， ａ ｄ ｔ ｅ ｆ ｒ ｅ ｏ ｏ ｏ ｏ ｅ ｔ ｄ ｎ ｍ ｉ ｓ ａ ｅ ａ ａ ｙ ｅ ｓ ｅ ｉ ｌｙ ｈ ｏ ｅ ｎ ｉ ｌ ｔ ｎ ｎ ｈ ｏ ｃ ｎ ｓ ｍｅ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ｙ ａ ｃ ｒ ｎ ｌ ｚ ｄ ｅ ｐ ｃ ａ ｌ ．Ｔ ｅ ｍ ｄ ｌａ ｄ ｓｍｕ ａ ｉ ｏ ｍｅ ｈ ｄ ｃ ｎ ｈ ｌ ｈ ｔ ｄ ｔ ｅ ｃ ａ ｉ ａ ｙ ｔ ｍ． ｔ ｏ ａ ｅｐ ｔ ｅｓ ｕ ｙ ｉ ｏ ｈ ｒｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌ ｓ ｅ ｎ ｓ
（ ｌ ｇ ｆ ｃ ａ ｉ ａ Ｓ ｉ＆ Ｅ ｇ ， ｉｎ Ｕ ｉ Ｃ ａ ｇ ｈ ｎＪｌ ３ ０ ５ Ｃ ｉａ Ｃｏｌ ｅｏ ｈ ｎｃ ｌ ｃ． ｅ Ｍａ ｎ ．Ｊｌ ｎ ｖ， ｈ ｎ ｃ ｕ ｉ ｎ １ ０ ２ ， ｈ ｎ ） ｉ ｉ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅｗｏ ｋ ｎ ｑ ｉ ｍｅ ｔ ｆ ｅ ｖ ｘ ａ ａ ｏ ｔ ｌ ｃ ｒ ｃｓ ｏ ｅ ｓｓ ｍｕ ａ ｅ ． ｃ ｒ ｉ ｇ ｓ ｒ ｃ ： ｈ ｒ ｉ ｇ ｅ ｕ ｐ ｎ ａ ｙ ｅ ｃ ｖ ｔ ｒｗｉ ｅ ｅ ｔｉ ｈ ｖ ｌ ｉ ｌｔ ｄ Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｈ ｈ ｉ
基于SimMechanics的挖掘机工作装置运动仿真分析
31铲・装・运本栏目编辑 严 瑾第 41 卷 2013 年第 2 期基于 SimMechanics 的挖掘机工作装置运动仿真分析白鹏伟，史青录，程结结，吴正明，钟 飞太原科技大学机械工程学院 山西太原 030024摘要：为了查找和检验挖掘机工作装置设计方案的问题与缺陷，利用 SimMechanics 工具箱对挖掘机工作装置作业过程进行运动仿真。
通过仿真快速绘制出包络图并验证其工作尺寸参数，使设计人员在设计阶段就可以判断设计方案的合理性。
关键词：SimMechanics；工作装置；包络图；运动仿真中图分类号：TU621 文献标志码：A 文章编号：1001-3954(2013)02-0031-04Simulation and analysis on motion of excavator manipulatorbased on SimMechanicsBAI Pengwei ，SHI Qinglu ，CHENG Jiejie ，WU Zhengming ，ZHONG FeiSchool of Mechnical Engineering, Taiyuan University of Science & Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, ChinaAbstract ：In order to find out the problems and defects in the design scheme of excavator manipulator,SimMechanics toolbox was used to simulate the motion of the excavator manipulator. After the envelop diagram being plotted rapidly through simulation, the operating parameters were verified. The method could make it possible for designers to judge the reasonableness of design scheme during designing process.Keywords ：SimMechanics; manipulator; envelope diagram; motion simulation作者简介：白鹏伟，男，1986 年出生，硕士研究生，主要研究方向为机械与车辆动力学。
基于Pro／E的挖掘机虚拟样机建模及运动学仿真
图１
虚 拟 样 机 及 伺 服 电机 定 义
圈
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ８ ２ １— ４ ０
作者简 介 ： 徐素霞 （９ ８ ） 女 ， １８ 一 ， 内蒙古乌海人 ， 学生 ， 硕士研究 生 ， 研究方向 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 研究方 向为机构 学与机械动力学 。 ２ ２ ８
《 装备制造技术｝０ ２ ２ １ 年第 ７ 期
杆正转 到一定位置 ， 铲斗正转进行挖掘作业 ， 待铲斗 图２ 是挖掘机 中间齿尖在 ＷＣ Ｓ坐标系关于 时问的 满载后 ， 动臂反转 ， 使铲斗抬升。同时斗杆和铲斗正 位 置 、 度 、 速 加速 度 图像 。 转调 整 姿 势 防止 洒 土 。然后 转 台反 转 至卸载 位置 ， 斗
挖掘机是我 国经济建设中非常重要 的工程机械 之一 。因此 ， 挖 掘机 机械 结构 和工 作过程 做深 入研 对 究 ， 非 常 必要 的 。Ｐｏ 是 ｒＥ是 一 款全 方 位 的三 维 产 品 ／ 开发软件 ， 整合 了零件设计 、 品组装 、 产 工程制图、 造 型设计 、 机构设计 ／ 分析与动态仿真等各种功能。借 于 此技 术 ， 工程 设 计 人 员 可 以在 制造 物理 样 机 之前 ， 建立 虚 拟样 机模 型 ， 拟实 际工 况进 行运 动仿 真 。根 模 据仿 真结 果 ， 各 种 设计 方 案 进行 对 比 ， 而确 定关 对 从 键 的设 计 参 数 ， 预测 产 品 的机 械 性 能 ， 以减 少产 品开 发周期 ， 节省设计费用 ， 提高产品品质及性能。 本文以某种挖掘机为样机 ， 利用 Ｐｏ ｒＥ建立虚拟 ／ 样机模 型 ， 并对其进行运动仿真分析 ， 通过数据分析 来 研究 挖 掘机 的工作 状况 。
１ 挖掘机虚拟样机 的建模
液压挖掘机工作装置运动学分析及轨迹规划
液压挖掘机工作装置运动学分析及轨迹规划孙祥云【期刊名称】《《现代制造技术与装备》》【年(卷),期】2019(000)009【总页数】2页(P36,38)【关键词】液压挖掘机; 工作装置; 运动学分析【作者】孙祥云【作者单位】邢台职业技术学院邢台 054035【正文语种】中文液压挖掘机是一种土石方施工机械，广泛应用于工程建设领域当中，并发挥着重要作用。
为了促进挖掘机朝着智能化方向发展，提升其自动化挖掘能力，应该对液压挖掘机运动轨迹进行科学规划。
国内外众多学者针对插值函数提出各种轨迹规划方法，在液压挖掘机运动学分析领域，包括杆组分析、适量代数和作图法等方法。
1 液压挖掘机工作装置运动学分析1.1 正运动学液压挖掘机相关机械装置具体包括四种自由度，为此需要在思维空间内展现出来，按照所选择的变量描述可划分成以下几个部分。
第一，由三组液压缸长度和回转马达夹角所构成的驱动结构空间；第二，由斗杆和铲斗两者夹角、动臂和斗杆夹角、回转平台和动臂夹角以及底座和回转平台夹角等部分形成关节空间；第三，由基础坐标系中的铲斗夹角状态和铲斗齿尖所形成的位姿空间。
创建液压挖掘机设备装置的运动学坐标系，随后根据相应的机器人坐标学原理能够了解到，空间坐标系中的任意一个向量都可以利用齐次转换矩阵转移至其他坐标系中，把转换矩阵与连杆坐标系进行相乘，能够获得铲斗齿尖坐标系。
根据液压挖掘机各种运行参数，能够计算出基础坐标系中的铲斗齿尖位置，从关节向量空间朝着铲斗位姿空间实施正向转化。
在抛除液压挖掘机实施回转运动条件下，绘制出液压挖掘机装置包络图，从理论上讲，铲斗齿尖理论能够囊括包络图限制范围内各个边界区域。
液压挖掘机相关正向运动即通过机械臂连杆参数对执行器末端位姿进行准确计算，建立D—H坐标系。
挖掘机的铲斗齿尖是执行器末端，通过对变换矩阵进行研究发现，只有铲斗、斗杆和动臂之间转角关节为未知。
利用图形界面通过D—H法绘制液压挖掘机运行软件，导出为单独运行软件。
减速器运动仿真课程设计
减速器运动仿真课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解减速器的基本原理和运动特性，掌握减速器在机械系统中的应用。
2. 学生能够运用物理知识和数学方法，分析减速器运动过程中的速度、加速度和位移等参数。
3. 学生能掌握减速器运动仿真的基本步骤和方法，理解仿真软件的操作原理。
技能目标：1. 学生能够运用CAD软件进行减速器零件的设计与绘制。
2. 学生能够利用运动仿真软件，构建减速器模型，进行运动仿真分析。
3. 学生能够分析仿真结果，提出优化方案，提高减速器的性能。
情感态度价值观目标：1. 学生通过课程学习，培养对机械设计和运动仿真的兴趣，增强对工程技术的认识。
2. 学生能够树立正确的工程观念，认识到团队合作的重要性，培养协作解决问题的能力。
3. 学生能够关注减速器在工程实际中的应用，关注科技创新，提高社会责任感和使命感。
课程性质分析：本课程为高二年级机械设计与制造课程的一部分，以实践性和实用性为主，注重培养学生的动手能力和工程思维。
学生特点分析：高二学生在知识储备和操作技能方面具备一定的基础，对新鲜事物充满好奇，具备较强的学习意愿和探究精神。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，提高学生的操作技能和问题解决能力，培养学生良好的工程素养。
通过分解课程目标，使学生在完成具体学习成果的过程中，达到课程目标的要求。
二、教学内容1. 理论知识：- 减速器原理：介绍减速器的工作原理、类型及减速比的计算。
- 机械运动学：回顾速度、加速度、位移等基本概念，分析减速器运动过程。
2. 实践操作：- CAD软件应用：学习CAD软件的基本操作，完成减速器零件的设计与绘制。
- 运动仿真软件应用：掌握运动仿真软件的基本操作，构建减速器模型，进行运动仿真分析。
3. 教学大纲：- 第一周：学习减速器原理，进行减速器类型及减速比的计算练习。
- 第二周：复习机械运动学基础知识，分析减速器运动过程。
- 第三周：CAD软件教学，指导学生完成减速器零件设计与绘制。
减速器性能优化设计及动力学仿真分析
减速器性能优化设计及动力学仿真分析在工程设计中，减速器扮演着至关重要的角色。
减速器能够将高速旋转的输入轴转换成低速大扭矩输出轴，广泛应用于各个领域，例如机械制造、航空航天、汽车工业等。
为了提高减速器的性能和可靠性，优化设计和动力学仿真分析成为必不可少的工作。
一、减速器性能优化设计1.设计目标的设定在进行减速器性能优化设计之前，我们首先需要明确设计目标。
设计目标可以包括传动效率的提高、承载能力的增加、噪音和振动的降低等。
2.材料选择和结构设计减速器的性能受到材料选择和结构设计的影响。
合理选择材料可以提高减速器的强度和耐久性，同时减小重量和成本。
结构设计需要考虑传动性能、紧凑性和装配性等因素。
3.齿轮副的优化设计齿轮副是减速器的核心部件，其设计对减速器性能起着决定性的影响。
通过选择合适的齿轮模数、齿数、齿形和齿向等参数，可以实现传动效率的最大化和噪音的最小化。
4.润滑和密封设计减速器在运行过程中需要进行润滑和密封。
恰当的润滑和密封设计可以减小齿轮与轴承之间的摩擦和磨损，延长减速器的使用寿命。
二、动力学仿真分析1.建立减速器的动力学模型动力学仿真分析是通过建立减速器的数学模型，模拟减速器在不同工况下的运动和力学特性。
根据设计和实际参数，可以建立各个部件的质量、惯性矩和刚度等参数，以及齿轮副的传动比、啮合刚度等参数，进而建立整个减速器的动力学模型。
2.动力学仿真参数的选择在进行动力学仿真分析之前，需要选择合适的仿真参数。
例如，输入轴的转速和扭矩、载荷的大小和方向、润滑条件等。
选择合适的仿真参数可以更好地反映实际工况下的减速器性能。
3.分析减速器的动态特性通过动力学仿真分析，可以得到减速器的动态特性。
包括扭矩传递特性、振动和噪音特性、轴承的受力和寿命等。
通过对动态特性的分析，可以评估减速器在不同工况下的性能表现，并针对性地进行优化设计。
4.动力学仿真结果的分析和优化分析动力学仿真结果，可以发现减速器存在的问题和不足之处，并针对性地进行优化设计。
基于ADAMS的液压挖掘机工作装置仿真研究
ｓ ｉ ｚ ｅ ａ ｎ ｄ ｍ ｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｒ ａ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｃ ａ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｗ ｅ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ， ｍｏ ｒ ｅ ｏ ｖ ｅ ｒ ， ｈｅ ｔ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｃ ｕ ￣ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｃ ａ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｂ ｕ ｃ ｋ ｅ ｔ ａ ｎ ｄ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ
ｔ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ＡＤ ＡＭＳ ｔ ｏ ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ｌ ａ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｔ ｙ ｐ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｃ ａ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ．Ｂｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ＡＤＡＭＳ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｔ ｈ ｅ ｓ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ
ｍｏ ｄ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｃ ａ ｖ ａ ｔ ｏ ｒ ｗ ｅ ｒ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｋ ｉ ｎ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｌｌ ａ ｙ ａ ｎ ｄ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ａ ｌ ｌ ｙ ．Ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｔ ｈ ｅ ｍａ ｉ ｎ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ
２ ０ １ ３年 １ １ 月
机床 与液压
Ｍ ＡＣＨＩ ＮＥ Ｔ ０ＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ Ｉ ＣＳ
Ｎｏ ｖ
Ｖｏ １ ． ４１ Ｎｏ ． ２１
ＤＯ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １—３ ８ ８ １ ． ２ ０ １ ３ ． ２ １ ． ０ ３ ６
液压挖掘机机械系统在ADAMS中的运动学仿真分析
摘
要 ：将 三维造型软件 ｕ Ｇ和机械 系统运动学／ 力学分析软件 Ａ Ａ Ｓ结合起来 ，建立 了液压 挖掘机机械系统 的 动 ＤＭ
虚 拟 样 机 模 型 。对 挖 掘 机 机 械 系 统 进 行 运 动 学 仿 真 确 定 了挖 掘 机 整 机 作 业 范 围 和 最 大 挖 掘 半 径 、 最 大 挖 掘 深 度 、 最 大
掘 三 维造 型如 图 １所示 。
７ ０
图 ２ 挖 掘 机 机 械 系 统 虚 拟 样 机 效 果 图
《 电技术》２ １ 机 ０ ０年第 １ 期
机 电研究及设计制造
２ 样机模型运动学仿真 分析
运动 学仿 真可确 定所 关心 点 的位移 、速度 、
加 速 度 的变 化 范 围 。在 运 动 学 仿 真 中 ， ＡＡ Ｓｓ ｌｅ Ｄ Ｍ ／ ｏ ｖ ｒ只解 最少 的代 数方 程 。因此 ，对 于
运动 仿真系 统 的 自由度 必 须为零 。如 果指 定物 体
２ １ 动 臂工作 仿 真 ． 当采 用 动 臂 液压 缸 工 作来 进 行挖 掘 时 （ 杆 斗 液压 缸 和 铲 斗液 压缸 不 工 作 时） 以得 到最 大 的 可
挖掘 半径和 最长 的挖 掘行 程 。在 液压 缸和活 塞杆
仿 真 和分 析十 分重 要 ，必 须充 分理 解所 构造 的机 械 结 构 的各个 零部 件 的外 形 以及 他 们之 间 的相 对
位 置 和装 配关 系 ，在 实体 建模 时严 格 按照 实 际 的 尺 寸 来进 行 ，只有 这样 才 能达 到仿 真 时对 可信 度 的要 求 。利用 各种 约束 类 型完 成装 配 后 的液压 挖
设迫 切需 要 的装备 。２ ０ ０ ９年 １月 ２ ４日颁 布 的 中 华人 民共 和 国 国务 院令 第 ５ ９号 《 ４ 特种 设 备监 察 条例 》将挖 掘 机列 为厂 内机 动 车辆 ，进 行特 殊 管
减速器运动仿真报告
运动仿真文字报告
减速器装配好以后，将进行运动仿真，主要是仿真一对齿轮的运动过程，直观的观察减速器的运动，有助于了解减速器的工作状态。
本次仿真采用proe来操作，其运动仿真的具体步骤如下：
1在【应用程序】中选择机构，进入仿真界面
2定义齿轮副连接
分别定义两个齿轮的连接关系，定义齿轮比，形成齿轮的运动关系
3添加运动
给齿轮轴添加转动马达，例如：v=20m/s
4机构分析
添加电机运动时间，进行仿真齿轮的运动
5录制视频
点击回放，在【动画】对话框中，选择捕获，选择MPEG格式保存视频，完成运
动仿真。
基于多体动力学的机械传动系统建模与仿真研究
基于多体动力学的机械传动系统建模与仿真研究引言：机械传动系统是工程领域中常见的研究对象，它承担着将动力传递到工作负载的重要任务。
传统的基于静力学的机械传动系统分析方法已经无法满足复杂系统的需求，因此基于多体动力学的建模与仿真研究变得越来越重要。
本文将重点介绍基于多体动力学的机械传动系统建模与仿真的研究进展，并讨论其在实际工程中的应用。
一、多体动力学基础多体动力学是研究物体在空间中运动和相互作用的学科。
在机械工程中，多体动力学方法应用于机械系统的动力学分析。
通过建立机械系统的动力学模型，可以分析和预测系统在不同工况下的动力学行为。
二、机械传动系统建模方法1. 刚体元件建模刚体元件是机械传动系统的基本组成部分，如齿轮、轴等。
在建立机械传动系统的多体动力学模型时，首先需要对这些刚体元件进行建模。
建模方法包括虚质点法、刚体元素法等。
建模时需要考虑物体的质量、惯性矩等参数。
2. 接触问题建模机械传动系统中，元件间的接触问题是一个重要的研究内容。
接触问题的建模方法包括刚体接触和弹性接触两种。
刚体接触建模假设接触面之间无滑动，而弹性接触建模则考虑接触面的弹性变形。
对于刚体接触问题，常用的建模方法有闭合链法和过程方法等。
3. 动力学约束建模机械传动系统中存在各种运动学和动力学约束，这些约束对系统的动力学行为具有重要影响。
建模时需要将这些约束纳入考虑，以得到准确的分析结果。
常用的建模方法包括拉格朗日乘子法和柯氏力法等。
三、机械传动系统仿真技术基于多体动力学的机械传动系统仿真技术包括动力学分析和运动轨迹仿真两个方面。
1. 动力学分析动力学分析通过求解动力学方程，得到系统在不同工况下的运动学和动力学响应。
多体动力学软件（如ADAMS和SIMPACK等）提供了方便的求解方法。
通过动力学分析，可以得到系统的动态特性，如系统的振动模态、动力学力矩等。
2. 运动轨迹仿真运动轨迹仿真是对系统运动过程进行可视化展示，通过仿真结果可以直观地了解系统的运动轨迹和运动特性。
基于Matlab的挖掘机工作装置动力学建模与仿真
程：
＝ ＋ ＋ ∑
’
（ ，， ２ ４ ３）
） ＋
（） ７
（） ８
Ｍ （ ＋ （ ） ‰ Ｆ｛ ｌ Ｇ ／ ） ＝ “ ｜ ｘ １ ￣ｉ ｘ ｏＩ －
（＝ ， 。 ） ２ ３４
式 中： 为杆 件 ｉ１ Ｆ － 对杆 件 ｉ 约束 力 ， ， 的 表示杆 件 【 ｉ ＋ １对杆件 ｉ 约束力 ； ，为杆件 （ １对杆 件 ｉ 的约 束 ） 的 ｉ ） － 上 力矩 ， 为杆件 （ １对杆 件 ｉ 的约 束力 矩 ， ） ＋ 上 为
Ｐ ｌ Ｘ （尸 Ｆ 广Ｐ ｌｘ — ｒ Ｋ 广ｍ ＋ ｏ ２ ｌ Ｘ ０ ＋ ｏＪ （ 【 ２ － －
偶 、 与
的作用力， 与 为斗杆油缸作用在动臂和斗杆上的作
用力 ， 为铲 斗 油缸 对 斗杆 的 作用 力 ， 为摇 臂对 斗 杆 凡 的作 用力 ， 为连 杆对 铲斗 的作 用 力 ， 、 构成 为 凡 凡 、
、
（ 一 一 ｍ
Ｐ＋ ＩＰ ｌ尸２ Ｆ （ ）尸 Ｉ ｌ ｘ （ ｂ × １ ｘ ＋ ＋ Ｆ ０）
的正 向为逆 时针方 向 ， 与 ：为一对 作 用 反力 为一 对 作用 反 力偶 ； 。 动臂 油缸 对 动 臂 为
Ｍ２一 ３ ｌ Ｐ ｘ — ） Ｐｌ 『Ｐ Ｉ ＝ ２ ＋ ２ｏ （ ｍ ＋ ＋ ｏｘ Ｂ ｏｘ ｌ
式 中 ： 为杆件 ｉ 的惯 性 力 ， 为 杆件 ｉ 性 力矩 ， 杆 惯 ｍ为 件 ｉ 量 ， 为 杆件 ｉ 质 Ｊ ｒ ｆ 的转 动 惯量 ， 、 、 ａ 由式 （ ）（ ） １ 、２ 、 （ ） 算得 出 。 ４计 根 据受 力 分析 图 ，列 出任 一杆 件 的力 和力 矩平 衡 方
１ ３ ６ ｇ・ Ｉ ，＝ ２ ｋ Ｉ ， ＝ ５ ｋ ‘ Ｉ， ＝ ５ ６ ｇ ５ ６ ｋ Ｉ ，１ ８ ６ ｇ・Ｉ，４ ２ ２ ｇ Ｉ ｍ２ １ ６ ｋ ， Ｔ Ｔ Ｔ
某二级减速器动态仿真模型设计
【7】李长春，solidworks2010三维设计及制图，清华大学出版社
毕业论文开题报告
二．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段：
要解决的问题：
1.确定二级减速器各个零部件的尺寸参数。
2.利用solidworks绘制上下箱体高速级齿轮低速级齿轮三根传动阶梯轴轴承实体模型。
3.完成减速器的实体装配。
4.实现减速器的运动仿真。
5.对各个零部件进行力学性能分析。
采用的研究手段：
1.参数确定：
按照要求根据机械设计有关知识确定二级减速器各个零部件的尺寸参数。
2.建模：
（1）通过逐节拉伸完成轴的模型。
（2）运用拉伸拉伸切除镜像特征等完成箱体。
（3）利用solidworks里的齿轮插件完成齿轮的建模。
3.机构的装配：
按照装配路径完成减速器装配图，装配过程中需要建各个零部件之间的约束关系，应用solidworks提供的动态模拟功能使零部件按约束条件进行运动并查看干涉现象，发现问题及时纠正，直到满意为止。
4.运动仿真的实现：
装配完成后，通过添加动力源到齿轮，观看齿轮运动，然后利用animator工具生成产品动画。
5.动力学运动学仿真：
使用cosmosmotion模块对其进行动力学分析。
进度安排：
3月4日——4月4日：完成开题报告
4月5日——4月26日：确定二级减速器各零件尺寸，查阅solidworks书籍，学习solidworks软件并达到能够熟练应用的程度。
4月27日——5月31日：利用solidworks进行三维零件图、装配图的绘制并进行运动仿真，然后对各个零件进行力学性能分析。
基于Matlab的挖掘机工作装置动力学建模与仿真
Ｙ１Ｚ１Ｏ１Ｘ１ＦＩＹ２Ｏ２Ｘ２Ｚ２ＪＢＡＥ１５２３４Ｚ４ＮＸ４Ｙ４Ｏ４Ｚ３Ｙ３Ｏ３Ｘ３ＫＬＤＰ!３!２图１挖掘机工作装置机构简图和运动坐标系１．回转平台２．动臂３．斗杆４．铲斗５．行走装置!４Ｃ→→基金项目：福建省自然科学基金资助项目（２００６Ｊ００２４）""""""""""""""""挖掘机的挖掘作业主要由其工作装置来完成，工作装置的受力十分复杂，其动力学模型是挖掘机结构设计与分析、液压系统与控制系统设计的基础［１，２］。
目前对挖掘机的动力学模型研究主要基于两种理论：牛顿－欧拉方程，拉格朗日方程。
前者对每个杆件进行运动和受力分析，分别建立牛顿－欧拉动力学方程，然后再综合求解，得到系统的运动微分方程；后者利用功能平衡原理消除对复杂内力的计算，引入广义坐标描述系统位形，运用数学分析手段来建立系统的运动微分方程［３］。
本文探讨基于经典牛顿－欧拉方程建立挖掘机工作装置动力学模型的方法，利用ｍａｔｌａｂ强大符号计算功能，通过编制Ｍ文件实现动力学方程的自动推导，以某中型挖掘机为例进行模型验证。
１建立运动坐标系用牛顿－欧拉法建立动力学方程必须先确定杆件转动角速度、角加速度以及杆件质心速度、质心加速度。
为了描述工作装置的运动，建立如图１所示的运动坐标系，约定所有坐标系的Ｘ轴和Ｙ轴位于工作装置对称面上，Ｚ轴垂直工作装置对称面指向纸外。
图１中，Ａ、Ｃ、Ｄ分别为回转平台与动臂、动臂与斗杆、斗杆与铲斗的铰接点，Ｎ为铲斗斗齿尖位置；Ｅ、Ｂ为动臂油缸两端的铰点，Ｉ、Ｆ为斗杆油缸两端的铰点，Ｊ、Ｋ为铲斗油缸两端的铰点；坐标系Ｏ１Ｘ１Ｙ１Ｚ１固定在回转平台上，原点Ｏ１与Ａ重合，Ｘ轴水平向右，Ｙ轴垂直向上；坐标系Ｏ２Ｘ２Ｙ２Ｚ２与动臂固接，原点Ｏ２与Ｃ重合，Ｘ轴位于Ａ和Ｃ的延长线上，Ｙ轴方向由右手准则确定；斗杆的随动坐标系Ｏ３Ｘ３Ｙ３Ｚ３和铲斗的随动坐标系Ｏ４Ｘ４Ｙ４Ｚ４方位的确定规则与坐标系Ｏ２Ｘ２Ｙ２Ｚ２相同。
SolidWorks机器人运动学和动力学仿真技术研究
SolidWorks机器人运动学和动力学仿真技术研究在现代工业中，机器人技术的发展引领着生产制造的进步。
为了提高机器人的操作效率和准确性，研究人员一直致力于开发先进的仿真技术以模拟机器人的运动学和动力学。
其中，SolidWorks作为一款流行的三维设计软件，提供了强大的机器人运动学和动力学仿真工具，成为了研究人员的首选。
机器人的运动学和动力学是机器人技术中的两个重要概念。
运动学研究机器人的位置、速度、加速度和轨迹，而动力学则研究机器人受力状况以及对环境的相互作用。
运动学和动力学的仿真技术可通过SolidWorks的计算机辅助设计（CAD）环境进行实现。
首先，SolidWorks提供了完善的运动学仿真功能，可以准确地模拟机器人的运动轨迹和工作空间。
研究人员可以根据机器人的几何结构、连接关系和约束条件，使用SolidWorks进行运动学建模和仿真。
通过设置关节的运动范围、限制条件以及工作空间的约束，可以模拟机器人在不同任务下的运动情况。
运动学仿真结果可以帮助研究人员评估机器人的动作是否符合设计要求，并对机器人的性能进行分析和改进。
其次，SolidWorks还提供了强大的动力学仿真功能，可以模拟机器人受力情况和对环境的相互作用。
在机器人执行任务时，会受到来自外界的力和力矩，这些外界力会影响机器人的稳定性和动作效果。
通过建立机器人的物理模型，并加入机器人和环境之间的力学力和接触力，可以准确地模拟机器人在各种工作负载和环境条件下的动力学行为。
动力学仿真结果可以帮助研究人员评估机器人的可靠性和稳定性，为设计优化提供指导。
除此之外，SolidWorks还具有其他与机器人运动学和动力学仿真相关的功能。
例如，通过SolidWorks的可视化工具，研究人员可以实时观察机器人的运动过程，并生成动画以及运动轨迹图。
同时，SolidWorks还允许用户对机器人的设计进行参数化建模和优化，在仿真分析的基础上进行机械结构的改进、工作效率的提高等。
电铲工作装置EDEM Adams Simulink联合动态仿真
电铲工作装置EDEM Adams Simulink联合动态仿真引言：电铲工作装置是大型挖掘机的重要组成部分，它通过一系列的动作来完成挖土、装载等作业任务。
为了确保电铲工作装置的稳定性和性能，需要进行动态仿真来验证和优化设计方案。
本文将介绍一种基于EDEM、Adams和Simulink的联合动态仿真方法，以验证电铲工作装置的性能。
一、电铲工作装置的工作原理电铲工作装置由挖斗、铲杆、翻转臂、回转系统、液压系统等部分组成。
在工作时，液压系统通过控制液压缸和液压阀来实现铲杆和挖斗的运动，同时通过驱动电机和齿轮来实现翻转臂和回转系统的运动。
整个过程需要保证各部件之间的协调运动，以完成挖掘、装载等作业任务。
二、EDEM的应用EDEM是一款基于离散元素方法（DEM）的颗粒流动模拟软件，其可以模拟颗粒材料在运动过程中的动力学行为。
在电铲工作装置的仿真中，EDEM可以模拟挖掘、装载等过程中土石颗粒的运动和互动，从而可以评估挖掘力、装载稳定性等性能指标。
三、Adams的应用Adams是一款多体动力学仿真软件，其可以模拟多体系统在力和运动学约束下的运动行为。
在电铲工作装置的仿真中，Adams可以模拟铲杆、挖斗、翻转臂等部件的运动，同时考虑挖掘力、惯性力、地形阻力等外部力的作用，从而可以评估各部件的受力情况和协调运动。
四、Simulink的应用Simulink是一款基于图形化建模的仿真软件，其可以模拟系统的控制逻辑和动态响应。
在电铲工作装置的仿真中，Simulink可以模拟液压系统的控制逻辑和动作响应，同时考虑液压缸、液压阀的压力、流量等特性，从而可以评估液压系统的动态性能。
五、联合动态仿真方法为了更真实地模拟电铲工作装置的工作过程，可以将EDEM、Adams和Simulink进行联合动态仿真。
使用EDEM模拟挖掘、装载等过程中土石颗粒的运动和互动，得到挖掘力、装载稳定性等性能指标；然后，将这些结果作为Adams的输入，模拟铲杆、挖斗、翻转臂等部件的运动以及受力情况；将Adams的结果作为Simulink的输入，模拟液压系统的控制逻辑和动作响应，评估液压系统的动态性能。
挖掘机工作装置的虚拟样机建立及运动学仿真——以农用液压挖掘机为例
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Ｄ
１
［ ］ 黄伟． ６ 液压 挖掘 机工 作装 置在 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ中 的运动 仿真 分 析 ［ ］ 质量技术监督研究 ，０ ８ ５ ：７—３ ． Ｊ． ２０ （ ） ２ Ｏ
斗杆 液 压缸 的长度 Ｌ 和 挖斗 液 压 缸 的长 度 。对 ：
挖到 ， 可能 引 起 土 壤 崩 塌 而 影 响 机 械 的稳 定 和安 全 但
于类 似 的 多 自由度 问题 ， 以 分 为 多 个 运 动 过 程 ， 可 每 个 过 程 只有 一个 自由度 ， 每个 过程 最后 的状 态 就 是 下
１
．
［ ］ 秦成 ， ３ 史淑玲 ． 掘机摇 臂 机构 的虚 拟样 机研 究 ［ ］ 机 挖 Ｊ．
械 工 程 师 ，０ ８ ３ ：３ ２ ０ （ ） １ ３—１４ ３． ［ 牛 多 青 ． 压 挖 掘 机 工 作 装 置 虚 拟 样 机 设 计 及 其 有 限 元 ４］ 液
分析 ［ ． Ｄ］ 合肥 ： 安徽农业 大学 ，０ ８ ２０ ．
了材 料 属 性 、 义 了运 动 副 和 载 荷 、 加 了驱 动 后 前 定 添 处理 基 本结 束 ， 可 以进 行 仿 真 计 算 了 。仿 真 计 算 包 就 括装 配 计算 、 运动 学 计 算 、 力 学计 算 、 平 衡 计 算 和 动 静 线 性 化计 算 Ｊ 。
运 动 学计 算 要求 系 统 在 添加 运 动 副和 驱 动后 自由
上 添加 ３个 驱 动 ， 挖 掘 机 工 作 装 置 具 有 确 定 的 运 则 动 ， 以进 行运 动 学 分 析 。建 立 好 的 虚 拟 样 机 如 图 ２ 可
基于D—H法的挖掘机工作装置运动学分析
运 动学软 件仿真时 ，描述挖掘机的运动规律
的函数 大多根 据经 验 和统计 的规律 获得 ，虽 能满 足
一
般 的运 动 仿 真 需要 ，但 精 度不 高
Ｊ 因此 通 。
图 １ 绝 对 坐 标 系下 挖 掘 机 示 意 图
过 对挖 掘机 工作装 置 的运动 学过程 的理论分 析 ，得 出基 于数学 模 型的运 动控制 规律 ，对 提高 仿真 分析 精 度 以及下 一步 的动 力学仿 真具 有重 要 的意义 。
［ 收稿 日期 ］２ １— ６ １ ０ ２０—２ ［ 讯地 址 ］宋海峰 ，江苏省常 州市晋 陵北路２ ０￣ 大学 通 ０ｉ海 常州校 区２ ７ １ 信箱
挖掘 时 的运动 规律 ，不 对 回转支 承处 的旋转 运 动作
Ｃ Ｎ Ｔ Ｕ ＴＯＮＭＡ ＨＮ Ｒ ０ ９ ８７ Ｏ Ｓ Ｒ Ｃ Ｉ Ｃ ＩＥ Ｙ ２ １ ２
设计计算 ｌ ｓＮｃｃＡ Ｎ Ｉ＆ＡｕＴ Ｄ Ｇ ＬＬｌ Ｅ Ｏ
表 １ Ｄ Ｈ参 数 表 —
杆件编号ｉ
１
１１ ｊ 一
Ｏ
ｉ － Ｉ
Ｏ ０ ｌ
关节变量
ｌ
２
３ ４
１ ｌ
０
０ ０
Ｏ
０
２
３
０２
３
图 ２ 基 于 Ｄ— Ｈ法 的 工 作 装 置 结构 简 图
ｌ２ 挖 掘机 工作装 置 的简化 ＿
１ 工作装置 的结构及简化
１１ 挖 掘机 工作装 置 ．
挖 掘 机 工作 装 置 可视 为 活 动关 节 为３ 转 动关 个 节 的三 自由度 串联开链 杆 件机构 ，即为机 器人 研究 中常见 只有 旋转 运动 没有 平移运 动 的机械 手机 构 。 依 Ｄ Ｈ法确定 机 械手运 动学 中的各个 杆件 坐标 系及 — 参 数 ，如 图２ 示 。 所
挖掘机工作装置的运动学建模与仿真
袁开 磊
（ 太原科技大学机械 电子工程学 院 ，山西 太原 ００２ ３０ ４）
［ 要 ］ 于Ｄ Ｈ 次变 换 矩 阵法 建立 挖 掘 机 的运 动 学模 型 ，为 铲 斗轨 迹 规划 、工作 装 置 的逆 向运 摘 基 — 齐
动学分析 、动力学分析等奠定 了基础 。利用ｍａ ａ的符号运算功能通过编制Ｍ文件实现运动学数学模型的 ｔｂ ｌ 自动推导。以某型号挖掘机为例，在建立的运动学模型基础上 ，利用ｍａ ａ编程实现挖掘包络图的程序化 ｔｂ ｌ 绘制 ，给出了主要作业性能参数 ，为挖掘机的机构设计提供 了一种高效便捷的方法。 ［ 关键词 ］ 挖掘机 ；工作装置 ；运动学方程 ；挖掘包络图 ［ 中图分类号 ］ Ｕ ２ Ｔ ６１ ［ 文献标识码 】 Ｂ ［ 文章编号 ］ ０ １５４ （ ０ ２ ０ —０ ７ ０ １０ — ５Ｘ ２ １ ） ２ ０９ — ５
装 置 的 方 位 。运 动 学 分 析 主要 研 究 组 成 机 构 的相 互 连 接 的 构 件 系 统 的位 置 、速 度 和 加 速 度 ，与 产
生运 动的力无关 ，其数学模 型是 一组线性和非线 性 的代数方程 。挖掘机运动学分析 是进行铲 斗轨 迹 规 划 、逆 向 运 动 学 分 析 、动 力 学 分 析 的基 础 ，
图 ２ Ｔ作 装 置机 构 示 意 图
根 据 图示几 何关 系有
ＬＭＮＱ ｏ２ ３ ＝ ￣＋ ３ ４ （ ７）
如 图２ 示 ，ＡＡ Ｃ中 ＬＡ Ｂ 所 Ｂ Ｃ 为
凹 ；ａ ｃ 。 ｒｃ ｓ
＝
（
］
＝
√ ＋ ２ ｃ Ｚ Ｎ ， 一ｌ ｏ ＭＱ ｓ
置 、上 部 转 台 、动 臂 、斗 杆 、铲 斗 相 固 连 ，并 作
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挖掘机回转减速机运动学及动力学仿真
摘要：以某挖掘机回转减速机为研究对象，通过UG建立减速机的三维模型，将模型导入到ADAMS中建立减速机的虚拟样机，再对虚拟样机进行运动学与动力学仿真，得到各级转速、齿轮啮合力等曲线。
将仿真结果与理论计算进行对比，证明虚拟样机建立正确，也为减速机动态特性优化提供一定的指导。
关键词：UG;行星减速;ADAMS;动力学仿真
引言
行星减速机具有结构紧凑、传递速度范围大、运行平稳等优点，被广泛地应用于建筑、冶金等领域。
由于其结构相对复杂，使用传统方法不易对其动力学特性进行精确计算，也无法准确预测其工作性能。
本文在ADAMS中建立虚拟样机，可得到所需的各种数据曲线。
为零件的强度校核、寿命预测和工程设计等提供支持。
1.行星减速机的工作原理
本文研究的行星减速机采用2级行星轮系组成，每一级结构都采用NGW型传动。
如图1是此行星减速机的传动结构简图。
此减速机属于周转轮系[1]，由于内齿圈
固定不动，所以=0（m，n，H分别代表太阳轮、内齿圈、行星架），所以减速比：
即：
得出n级NGW型的减速比
各级太阳轮齿数各级内齿圈齿数
图1.二级行星减速机结构简图
1.一级太阳轮
2.一级行星轮
3.一级行星架
4.二级太阳轮
5.二级行星轮
6.二级行星架
7.内齿圈
本文的减速机一级太阳轮、一级行星轮、内齿圈、二级太阳轮、二级行星轮的齿数分别为：21、33、87、21、23。
所以总减速比为（1+87/21）2=26.45。
2.减速机三维模型的建立
由于ADAMS不善用于复杂3D曲面的三维建模，所以采用UG来建立三维模型。
2.1齿轮和花键的参数化建模[2]
变位齿轮用传统的建模方法可能建模失败，因此采用参数化建模齿轮和花键。
在UG工具菜单的表达式命令中输入齿轮的渐开线方程，然后在“插入”下拉菜单中的“规律曲线”下“通过方程”生成具体的渐开线，再镜像此渐开线，随后作出该齿轮的齿顶圆和齿根圆，最后进修修剪、拉伸圆形阵列等操作即可完成齿轮三位建模。
图2.产生的渐开线和一个齿轮
2.2其它零部件的三维建模
其它零件采用传统的建模方法。
即在UG中“插入”→“草图”→“拉伸/旋转/扫掠/布尔运算”等步骤来完成零部件的建摸。
2.3行星减速机的虚拟装配
模型装配可以按照实际的物理装配顺序进行装配，运用适当的约束关系使最后的总装配体符合实际的物理样机。
图3.减速机的总装配体
3.行星减速机虚拟样机的建立
3.1模型导入到ADAMS中
将UG中的模型导出为Parasolid中的.xt格式，然后才能导入到ADAMS中。
3.2在ADAMS中材料属性的定义
导入ADAMS后首先定义零件的材料属性。
太阳轮和行星轮为20GrMnMo，内齿圈和行星架为40Gr。
20GrMnMo/40Gr对应的泊松比、杨氏模量、密度属性分别为0.3/0.28、207GPa、7800/7100kg/m3。
3.3在ADAMS中添加约束
在ADAMS中给各个零件添加相应的旋转副、固定副等约束。
3.4在ADAMS中的啮合齿轮之间定义接触
本文将要定义13个接触，只要是相互啮合的齿轮对之间，不论是内啮合或外啮合，都定义一个接触。
3.5在ADAMS中接触力的选择和定义
ADAMS中选用冲击函数法计算接触力，接触力由相互切入产生的弹性力和相对速度产生的阻尼力组成[3]。
冲击函数等于
（1）
其中—两个物体的实际距离;—两个物体的参考距离;—接触刚度;—指数—阻尼。
所以用冲击函数法，需要确定指数、切入深度、接触刚度和阻尼。
3.6在ADAMS中接触力的相关参数确定[4]
指数：对于金属材料，e的取值为1.3到1.5，故e=1.5。
切入深度：通常情况下，在没有指定穿透深度时，应尽量取较小值，本文取穿透深度x=0.01mm。
接触刚度（Stiffness）：取决撞击物体的材料和结构形状。
根据Hertz静力弹性接触理论：，由此式得到碰撞时法相接触力和变形的关系为：。
刚度系数=，其中=，=，而为材料的弹性模量，和为材料的泊松比，和为物体在接触点的接触半径，由于齿轮的齿高和分度圆半径变动范围不大，可用分度圆半径来替代[3]。
由参考文献5，刚度系数，由参考文献6知：
图表4.啮合刚度系数值
阻尼：阻尼系数的值正常取刚度系数的1/1000-1/100倍之间，因此取=1000。
滑动摩擦力计算方法选库伦法，设置静态系数=0.08、动态系数=0.05。
4.行星减速机的运动学与动力学仿真
进行仿真运行前，还需添加运动激励和负载转矩，及设置仿真运行参数。
4.1在ADAMS中添加运动激励及负载转矩
为了运动时，速度不产生较大突变，采用Step函数。
Step（time，0，0，0.2，9828d）使角速度在0.2秒内从0增加到9828度/秒。
在输出轴上施加-4000Nm的力矩，同样定义step（time，0，0，0.2，-4000000）。
4.2设置仿真时间、步长及积分格式
设置仿真时间2秒，步长0.0001。
采用GSTIFF积分器下SI2积分格式替代默认的I3积分格式。
图5.ADAMS中搭建的虚拟样机
4.3减速比验证
图6.一级太阳轮、行星架和二级行星架的角速度
如图6，一级太阳轮的角速度是在0到0.2秒内逐渐增加到9828度/秒，然后保持匀速。
一级行星架的角速度在1910度/秒上下波动。
二级行星架370度/秒上下波动。
与理论值比较验证了虚拟样机的正确性。
4.4同级行星轮的接触力的对比
图7.三个二级行星轮与内齿圈的接触合力放大图
如图7，三个二级行星轮与内齿圈的三个接触力都在15000N左右波动，三个力的波动范围略有差别，但差别不大，表明均载状况良好。
4.5齿轮接触力分析
图8.一级太阳轮与某一同级行星轮在X、Y和Z方向的接触力
由于是直齿轮传动，所以X和Y方向有接触力，Z方向没有接触力。
由于行星传动是非定轴传动，行星齿轮不但绕行星轴自转，也随着行星架公转，因此，X和Y方向啮合力呈谐波性（如图8）。
图9.一级太阳轮与一级行星轮的接触合力
图10.一级行星轮与内齿圈的接触合力
图11.二级太阳轮与二级行星轮的接触合力
图12.二级行星轮与内齿圈的接触合力
理论上同级的每个太阳轮和行星轮、行星轮和内齿圈的法相接触力应相等，均为：，T为转矩，N为同级的行星轮个数，i为本级的减速比，R为太阳轮分度圆半径。
如图9、10、11和12，每一级太阳轮与行星轮的啮合力略大于行星轮与内齿圈的接触力。
考虑到偏载和摩擦力的存在，此情形与实际相符。
高速速级齿轮间的接触力波动幅值较大，而对应的低速级齿轮间的接触力波动幅值较小，这说
明构件转速在低速下，有利于减小工作时的动载荷。
结论：
（1）渐开线齿轮动态啮合力的仿真分析方法可准确的计算齿轮传动的动态接触力。
（2）仿真结果表明：齿轮传动的速度越大，动载荷越大。
参考文献：
[1]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M]北京：高等教育出版社，2006年5月
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[3]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社，2006年4月
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项目基金：国家科技支撑计划（2013BAF07B01）。