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基于Pro/E的挖掘机摇臂机构的运动仿真分析 在PRO/E中建立装配模型,如图2。图中大写字母A-L代表连接构件,P1-P14代表运动副,在装配模块中将A-L各构件装配成整机,并定义相互运动的运动副。图2所示的挖掘机摇臂机构的运动链如图3所示。 从图3中,可看出整机的运动主体为A,B,E,H四部件。在各主体之间又有各分部件的连接。因此要在各主体和分部件之间定义运动限制,并定义多重驱动,使不同主体有自己的驱动,从而完成系统的运动。系统运动仿真过程如图4所示。 通过运动过程的模拟可直观的了解系统的动态特征,可十分便利的对各运动构件进行运动分析和运动副的关系分析。如图5所示,图形反映了在三重驱动下,构件H在运动中的速度变化情况。 同时,还能分析机构的受力情况,此系统中我们很关心三个液压轴在摇臂运动中的受力情况,通过设定运动结构分析,可测量出需要的参数变化曲线,如图6所示,图形反映了三个液压轴的受力情况。 二. 基于 Simulink 的液压起升机构仿真研究 1 起升机构的 SimMechanics 模型 1.1 仿真框图绘制 起升机构结构简图如图 1 所示，主要有车架、起升油缸、负载等组成。利用 SimMechanics 中提供的模块，构建系统的 Simulink 模型如图 2 所示，其中，车架可以认为固定不动，用 Ground 模块来表示，负载认为是一个旋转刚体，用 Body 表示，油缸的缸体和活塞分别当作一个刚体用 Body表示，负载与车架、活塞杆与负载、缸体与车架间的接头均为单自由度的旋转副，液压缸的缸体和活塞杆间用圆柱副或者单自由度的移动副连接。 1.2 模块参数设置 完成模型的连接之后，需要进行参数设置。规定构件的坐标方向，该机构可简化为平面的运动，每个坐标轴的旋转方向遵从右手法则，从纸面向上的方向为 z 坐标轴的正方 向。为简单起见，图中转动副的坐标系均选择为世界坐标 (World)，根据实际系统设置各个刚体两端坐标、质量、转动 惯量、质心位置坐标等参数。 1.3 仿真参数设置 在机构系统仿真中，除了设置 Simulink 仿真控制参数外，还需要对 Simulation 菜单下的 Mechanical environment进行设置，包括各个坐标轴的重力加速度向量、分析方法以及仿真结果的显示方式等。可以选择前向动力学分析、反向动力学分析以及平衡点处的线性化近似分析等。 2 液压系统的 Simulink 模型 2.1 液压系统的 Simulink 建模思路 基于面向对象的仿真建模思想，将液压回路视为由各个液压元件构成，各液压元件之间通过油口相连接。这些液压元件包括液压容腔、液压油泵、各类液压阀及液压油缸等，可以在 Simulink 下分别建立各自的仿真模型，并封装为模块，供回路仿真建模时使用。在建立各个液压元件数学模型的基础上，利用 Simulink 进行封装，然后根据节点法建模思想将液压元件模型连接起来构成整个系统的仿真模型。 2.2 液压元件的 Simulink 模型 根据液压系统的构成元件，分别建立其 Simulink 模型，主要包括液压容腔、定量泵、溢流阀、平衡阀、换向阀、单向阀等。下面以双 向 平 衡 阀 的 建 模 为 例 说 明Simulink 建模方法。实际系统使用双向平衡阀作为控制元件，根据模块的重用性只需建立单个即可。图 3 为平衡阀的原理示意简图。 根据实际的液压回路，以及与机械系统的连接关系，利用建立的元件模型以及 Simulink 常用模块，借助于节点法建模思想，建立起升液压系统的 Simulink 模型如图 4 所示。 3 液压起升机构的完整仿真模型及结果 液压系统模型与机械系统模型通过液压油缸进行连接，液压系统输出作用力到机械系统油缸活塞杆上，而机械系统模型输出活塞杆的速度和位移信号作为液压系统的输入。对上述的机械系统模型和液压系统模型进行封装，创建子模块，再根据输入输出关系进行连接，即可得到液压起升整个系统的 Simulink 仿真模型如图 5 所示。图 6 所示为仿真的部分结果，(a)、(b)分别为负载起升的角度和角速度响应曲线。仿真结果与在专业的机械、液压仿真软件 ADAMS 中计算的结果相同。利用 MATLAB/Simulink 的强大功能可以方便地建立控制算法的模型，并与起升模型联立进行算法的测试研究，另外利用虚拟现实工具箱提供的功能，还可以显示机械系统运动的动画示意图 4 结论 利用 SimMechanics 模块集能够方便地建立机械系统的模型；在分别建立液压元件的数学模型的基础上，基于节点法建模思想，在 Simulink 环境下能够快速建立液压系统的数学模