裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)
裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì),裝載機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì),裝載,機(jī)工,裝置,設(shè)計(jì)
摘 要
基于Pro/E的裝載機(jī)工作裝置的實(shí)體建模及運(yùn)動(dòng)仿真
摘 要：
裝載機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的工程機(jī)械。有其廣泛的空間，但由于裝載機(jī)傳統(tǒng)開發(fā)模式存在的開發(fā)周期長(zhǎng)、過程繁雜、開發(fā)成本高、性能測(cè)試?yán)щy等問題，本文將仿真技術(shù)引入裝載機(jī)開發(fā)領(lǐng)域，完成以下工作：
1． 介紹了裝載機(jī)的發(fā)展歷史及前景，裝載機(jī)的種類，介紹了仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景、在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r以及仿真技術(shù)的實(shí)際意義。
2． 對(duì)液壓缸作出了合理的選擇。
3． 簡(jiǎn)述了Pro/E軟件在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，利用Pro/E構(gòu)建裝載機(jī)的三維實(shí)體模型，并對(duì)其進(jìn)行裝配，在Pro/E環(huán)境下進(jìn)行了裝配干涉檢驗(yàn)。
4． 在Pro/ENIEER MECHANISM環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,得出裝載機(jī)工作的性能曲線。
關(guān)鍵字：裝載機(jī) 工作裝置 液壓缸 仿真技術(shù) 三維建模
Abstract：
Loader is a kind of engineer machine that is widely applied in engineer project, which has wildely space, Aim to the problems that exist in traditional research way of loader, for example the research cycle is long, the cost is long, the cost is high and the performance test is complex etc, this paper leads virtual prototype technology into research of loader. The following research works are completed:
1. The development foreground, the category and loader’s history is introduced, also the background of simulation technology come into being, developing status in local and the significance of virtual prototype technology is introduced.
2. To brief introduce the Pro/E software which application in the field of engineering, the 3D modeling is used by Pro/E software, which is built and interferential test of assembly in Pro/E environment is completed.
3. The simulated motion in Pro/E environment is completed, and the capability curve is reached.
4. A rational choice for the hydraulic actuating cylinder.
Keywords: Loader, Working mechanism, hydraulic actuating, Simulation technology, 3D modeling
目 錄
目 錄
摘 要 I
1 前 言 1
1.1 裝載機(jī)的簡(jiǎn)介 1
1.1.1 裝載機(jī)的發(fā)展歷史及前景 1
1.1.2 裝載機(jī)的種類 1
1.1.3 本章小結(jié) 3
1.2 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)簡(jiǎn)介 4
1.2.1 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景 4
1.2.2 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù) 4
1.2.3運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況 4
1.2.4 發(fā)展運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)的重要意義 4
1.2.5 總結(jié) 5
1.3 Pro/ENGINEER軟件在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 5
1.3.1 Pro/ENGINEER軟件介紹 5
1.3.2 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)對(duì)裝載機(jī)設(shè)計(jì)理念的影響 6
1.4 本章小結(jié) 7
2 液壓缸的選擇 8
2.1 本章小結(jié) 8
3 裝載機(jī)工作裝置三維實(shí)體建模 9
3.1 工作裝置零件建模 9
3.1.1 動(dòng)臂的生成 9
3.1.2 鏟斗的生成 10
3.1.3 底座的生成 11
3.1.4 連桿的生成 11
3.1.5 搖臂的生成 12
3.1.6 液壓缸筒的生成 12
3.1.7 液壓缸蓋的生成 13
3.1.8 液壓缸活塞的生成 13
3.1.9 連接銷軸的生成 13
3.2 工作裝置裝配模型建模 14
3.2.1 底座模型裝配 15
3.2.2 動(dòng)臂模型裝配 15
3.2.3 鏟斗模型裝配 16
3.2.4 液壓缸體模型裝配 16
3.2.5 搖桿模型的裝配連接 17
3.2.6 連桿模型與鏟斗模型和搖桿模型的裝配連接 17
3.2.7 銷釘模型的連接 17
3.2.8 本章小結(jié) 20
4 裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真 21
4.1 概述 21
4.2 創(chuàng)建裝載機(jī)工作裝置的機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真 21
4.2.1 連接軸設(shè)置 21
4.2.2 創(chuàng)建快照 22
4.2.3 定義伺服電動(dòng)機(jī) 22
4.2.4 運(yùn)行運(yùn)動(dòng) 25
4.2.5 結(jié)果回放動(dòng)態(tài)干涉檢查與制作播放文件 26
4.2.6 測(cè)量 28
5 結(jié) 論 31
6 致 謝 32
7 主要參考文獻(xiàn) 33
8 附 表 34
I
1 前 言
1 前 言
裝載機(jī)是一種廣泛用于公路、鐵路、建筑、水電、港口、礦山等建設(shè)工程的土石方施式機(jī)械，它主要用于鏟裝土壤、砂石、石灰、煤炭等散狀物料，也可對(duì)礦石、硬土等作輕度鏟挖作業(yè)。換裝不同的輔助工作裝置還可進(jìn)行推土、起重和其他物料如木材的裝卸作業(yè)。在道路、特別是在高等級(jí)公路施工中，裝載機(jī)用于路基工程的填挖、瀝青混合料和水泥混凝土料場(chǎng)的集料與裝料等作業(yè)。此外還可進(jìn)行推運(yùn)土壤、刮平地面和牽引其他機(jī)械等作業(yè)。由于裝載機(jī)具有作業(yè)速度快、效率高、機(jī)動(dòng)性好、操作輕便等優(yōu)點(diǎn)，因此它成為工程建設(shè)中土石方施工的主要機(jī)種之一，同時(shí)也成為工程機(jī)械中發(fā)展最快、產(chǎn)銷量及市場(chǎng)需求最大的機(jī)種之一。
1.1 裝載機(jī)的簡(jiǎn)介
1.1.1 裝載機(jī)的發(fā)展歷史及前景
我國裝載機(jī)始于1960年末，發(fā)展至今它經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段，即60年代仿制摸索階段；70年代自力更生研制階段；80年代至90年代技術(shù)引進(jìn)、合資合作發(fā)展階段。自1958年，上海港口機(jī)械廠首先測(cè)繪并試制了67KW（90hp）、斗容量為1的裝載機(jī)——我國自己制造的第一臺(tái)裝載機(jī)之后。全國裝載機(jī)產(chǎn)品從1976年的446臺(tái)發(fā)展到1996年的18310臺(tái)，二十年內(nèi)增長(zhǎng)41.1倍。同時(shí)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與國家基建規(guī)模及資金投入的增大，更促進(jìn)了我國裝載機(jī)行業(yè)的迅速發(fā)展。生產(chǎn)企業(yè)由1980年的20家增至現(xiàn)在的100余家，初步形成了規(guī)格為0.8~10t約19個(gè)型號(hào)的系列產(chǎn)品，并已成為工程機(jī)械主力機(jī)種。自此裝載機(jī)在全國機(jī)械產(chǎn)品中，成為重要代表產(chǎn)品，令世人矚目。
隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、健康、高速發(fā)展，對(duì)工程機(jī)械的需求將增長(zhǎng)，這些需求對(duì)工程機(jī)械產(chǎn)品既提出了“量”又提出了“質(zhì)”的巨大市場(chǎng)需求。我國“九五”期間土石方、路基路面、基礎(chǔ)及建筑施工工作量預(yù)計(jì)比“八五”要大一倍以上，工程機(jī)械的總需求量亦將為“八五”期間的二倍，推土機(jī)、裝載機(jī)、輪式起重機(jī)、叉車、路面機(jī)械、鑿巖鉆車及挖掘機(jī)械等7類主要工程機(jī)械“九五”末的年需求量可在11萬臺(tái)以上。而輪式裝載機(jī)2000年時(shí)年需求達(dá)27000～30000臺(tái)以上，這就為我國輪式裝載機(jī)行業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)良好的市場(chǎng)前景，為制訂戰(zhàn)略發(fā)展宏偉目標(biāo)提供科學(xué)決策依據(jù)。
綜觀國外裝載機(jī)的發(fā)展特點(diǎn)及外部環(huán)境，專家預(yù)測(cè)未來裝載機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)是：
（1） 開發(fā)節(jié)能、高效、可靠、環(huán)保型產(chǎn)品，并研制無泄漏裝載機(jī)。
（2） 微電子及機(jī)電液儀一體化技術(shù)將獲得越來越廣泛的應(yīng)用。
（3） 安全性及舒適性是產(chǎn)品發(fā)展的重要目標(biāo)。
（4） 大型化與微型化仍是產(chǎn)品系列化的兩極方向。
（5） 技術(shù)進(jìn)步、人才培養(yǎng)和售后服務(wù)將成為企業(yè)生存的三大關(guān)鍵內(nèi)在因素。
（6） 集團(tuán)化、社會(huì)化與國際化是企業(yè)生存與發(fā)展的必由之路。
1.1.2 裝載機(jī)的種類
目前，裝載機(jī)的國際市場(chǎng)分為兩類：一類是發(fā)達(dá)國家市場(chǎng)，二類是發(fā)展中國家市場(chǎng)。發(fā)達(dá)國家市場(chǎng)的產(chǎn)品技術(shù)水平和質(zhì)量要求很高，競(jìng)爭(zhēng)異常激烈。由于我國裝載機(jī)產(chǎn)品檔次低，不易開拓此類市場(chǎng)，而應(yīng)重點(diǎn)鞏固與繼續(xù)發(fā)展二類市場(chǎng)。二類市場(chǎng)主要包括東南亞、中東、非洲和南美洲四大區(qū)域市場(chǎng)，主要由發(fā)展中國家組成，與我國有良好的外交關(guān)系，往來密切，也是我國裝載機(jī)出口量最多的地區(qū)。因此，發(fā)展中國家市場(chǎng)是目前我國裝載機(jī)進(jìn)入國際市場(chǎng)的主攻方面。由于受東南亞經(jīng)濟(jì)危機(jī)持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)、印尼國內(nèi)動(dòng)亂及一些國家貨幣貶值等諸多外部因素的影響，導(dǎo)致了我國裝載機(jī)出口難度的增加，也給國外裝載機(jī)及其關(guān)鍵部件的進(jìn)口創(chuàng)造了外部條件。
因此，有關(guān)生產(chǎn)裝載機(jī)企業(yè)（包括合資企業(yè)）要積極準(zhǔn)備，把握時(shí)機(jī)，迎接挑戰(zhàn)，扎實(shí)搞好“三大戰(zhàn)役”，務(wù)求在品種、質(zhì)量、交貨期和售后服務(wù)等方面有一個(gè)更大的發(fā)展。在有限的時(shí)間內(nèi)，集中力量解決目前存在的以下三個(gè)問題：相當(dāng)一批產(chǎn)品水平較低，高科技含量少，可靠性較差；中小型號(hào)生產(chǎn)廠家多而雜，產(chǎn)量過剩；產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，多數(shù)企業(yè)形不成規(guī)模效益。
總的來說，常用的單斗裝載機(jī)，按行走裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)功率，傳動(dòng)形式，行走系結(jié)構(gòu)，裝載方式的不同進(jìn)行分類。?
1、行走裝置的不同：?裝載機(jī)分為輪胎式和履帶式兩種。
輪胎式裝開機(jī)由動(dòng)力裝置、車架、行走裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和工作裝置等組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單圖如圖2所示。輪胎式裝載機(jī)采用柴油機(jī)為動(dòng)力裝置，液力變矩、動(dòng)力換檔變速箱、雙橋驅(qū)動(dòng)等組成的液力機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)（小型輪胎式裝載機(jī)有的采用液壓傳動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)），液壓操縱，鉸接式車架轉(zhuǎn)向，反轉(zhuǎn)桿機(jī)構(gòu)的工作裝置。
履帶式裝載機(jī)以專用底盤或工業(yè)拖拉機(jī)為基礎(chǔ)車，裝上工作裝置并配裝相就原操縱系統(tǒng)而構(gòu)成，如圖1所示。履帶式裝載機(jī)的動(dòng)力裝置也是柴油機(jī)，機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)則采用液壓助力濕式離合器或濕式雙向液壓操縱轉(zhuǎn)向離合器和正轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)的工作裝置。
圖1輪胎式裝載機(jī)
圖2履帶式裝載機(jī)
1-行走機(jī)構(gòu)；2-發(fā)動(dòng)機(jī)；3-動(dòng)臂；4-鏟斗；5-轉(zhuǎn)斗油缸；6-動(dòng)臂油缸；7-駕駛室；8-燃油箱
2、發(fā)動(dòng)機(jī)功率：?
??? ①功率小于74kw為小型裝載機(jī)。?
??? ②功率在74～147kw為中型裝載機(jī)?
??? ③功率在147～515kw為大型裝載機(jī)?
??? ④功率大于515kw為特大型裝載機(jī)?
? 3、傳動(dòng)形式：?
??? ①液力—機(jī)械傳動(dòng)，沖擊振動(dòng)小，傳動(dòng)件壽命長(zhǎng)，操縱方便，車速與外載間可自動(dòng)調(diào)節(jié)，一般在中大型裝載機(jī)多采用；?
??? ②液力傳動(dòng)：可無級(jí)調(diào)速、操縱間便，但啟動(dòng)性較差，一般僅在小型裝載機(jī)上采用；?
??? ③電力傳動(dòng)：無級(jí)調(diào)速、工作可靠、維修簡(jiǎn)單、費(fèi)用較高，一般在大型裝載機(jī)上采用。?
? 4、行走結(jié)構(gòu)：?
??? ①輪胎式：質(zhì)量輕、速度快、機(jī)動(dòng)靈活、效率高、不易損壞路面、接地比壓大、通過性差、但被廣泛應(yīng)用；?
??? ②履帶式：接地比壓小，通過性好、重心低、穩(wěn)定性好、附著力強(qiáng)、牽引力大、比切入力大、速度低、靈活性相對(duì)差、成本高、行走時(shí)易損壞路面。?
? 5、裝卸方式：?
??? ①前卸式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、視野好，適合于各種作業(yè)場(chǎng)地，應(yīng)用較廣；?
??? ②回轉(zhuǎn)式：工作裝置安裝在可回轉(zhuǎn)360O的轉(zhuǎn)臺(tái)上，側(cè)面卸載不需要調(diào)頭、作業(yè)效率高、但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、成本高、側(cè)面穩(wěn)性較差，適用于較俠小的場(chǎng)地。?
??? ③后卸式：前端裝、后端卸、作業(yè)效率高、作業(yè)的安全性欠好。
1.1.3 本章小結(jié)
本章主要討論了裝載機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢(shì)，介紹了裝載機(jī)的種類，為課題研究的實(shí)際意義提供了依據(jù)。
2
1.2 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)簡(jiǎn)介
1.2.1 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景
進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，社會(huì)發(fā)展日新月異。人們對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品的需求越來越迫切，對(duì)產(chǎn)品性能的要求也越來越高，全球化經(jīng)濟(jì)已明顯地呈現(xiàn)出買方市場(chǎng)的特點(diǎn)。由于這一變化，導(dǎo)致市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，而競(jìng)爭(zhēng)的核心則主要體現(xiàn)在產(chǎn)品創(chuàng)新上，體現(xiàn)在對(duì)客戶的響應(yīng)速度和響應(yīng)品質(zhì)上。傳統(tǒng)的物理樣機(jī)在產(chǎn)品的創(chuàng)新開發(fā)中，在開發(fā)周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品品質(zhì)等方面已越來越不能滿足市場(chǎng)需求，運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)正是在這一市場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的。
1.2.2 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)
運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)是一種嶄新的產(chǎn)品開發(fā)方法，是多個(gè)相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物，是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。其涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等多個(gè)領(lǐng)域、多項(xiàng)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)仿真和產(chǎn)品生命周期建模為基礎(chǔ)，以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心，借助成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、圖形用戶界面技術(shù)、信息技術(shù)、集成技術(shù)、多媒體技術(shù)、并行處理技術(shù)等，將分散的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和分析過程集成在一起，使得與產(chǎn)品相關(guān)的所有人員能在產(chǎn)品研制的早期直觀形象地對(duì)虛擬的產(chǎn)品原型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測(cè)試、制造仿真以及使用仿真等。
換句話說“運(yùn)動(dòng)仿真”設(shè)計(jì)方法就是在建造第一臺(tái)（件）物理樣機(jī)之前，利用軟件技術(shù)建立產(chǎn)品系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模型，通過基于實(shí)體可視化的仿真分析，模擬系統(tǒng)在真實(shí)工作環(huán)境條件下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，以便反復(fù)修改設(shè)計(jì)方案，最終得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
1.2.3運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展概況
國外已在各個(gè)領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用仿真設(shè)計(jì)。所涉及到的產(chǎn)品從龐大的卡車到微小的照相機(jī)的快門，從火箭到輪船的錨機(jī)。在工程／礦山機(jī)械行業(yè)，如約翰·迪爾公司利用仿真技術(shù)成功地解決了工程機(jī)械在高速行駛時(shí)出現(xiàn)蛇行現(xiàn)象的問題及在重載下的自激振動(dòng)這個(gè)一直困擾著設(shè)計(jì)師及用戶的難題，大大提高了工程／礦山機(jī)械高速行駛性能與重載作業(yè)性能?？ㄌ乇死展纠锰摂M樣機(jī)在切削任何一片金屬之前就可快速試驗(yàn)數(shù)千種設(shè)計(jì)方案，不但降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，縮短了開發(fā)周期，而且還制造出性能更為優(yōu)異的產(chǎn)品。
運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)在國外已有很多應(yīng)用實(shí)例，我國也正極急投身于該項(xiàng)技術(shù)的研究中。在傳統(tǒng)上，我國引進(jìn)物理樣機(jī)，開發(fā)人員往往停留在零件照抄的水平上，對(duì)于樣機(jī)缺乏系統(tǒng)水平上的理解和研究，結(jié)果雖然投入了大量的人力物力，卻收效甚微。但如果采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，技術(shù)人員便可對(duì)引進(jìn)樣機(jī)進(jìn)行深入的研究，可以追蹤樣機(jī)的設(shè)計(jì)思想，從而真正提高設(shè)計(jì)人員的水平，開發(fā)出能滿足市場(chǎng)需求的產(chǎn)品來。
1.2.4 發(fā)展運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)的重要意義
運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)方法將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)集成在一起，提供一種更全面地了解設(shè)備性能的方法。它利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢(shì)以及可交互式地探索虛擬物體的功能，對(duì)設(shè)備進(jìn)行幾何、功能及制造等方面交互的建模與分析。在概念設(shè)計(jì)和方案論證中，便于設(shè)計(jì)師將自己的經(jīng)驗(yàn)與想象融于計(jì)算機(jī)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)中，充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，并替代物理樣機(jī)進(jìn)行性能模擬試驗(yàn)。設(shè)計(jì)師可在計(jì)算機(jī)上方便地確定、修改設(shè)計(jì)進(jìn)程，逐步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過運(yùn)動(dòng)仿真機(jī)試驗(yàn)，還可節(jié)省建立試驗(yàn)臺(tái)、安裝測(cè)試設(shè)備和測(cè)試儀表等有關(guān)的費(fèi)用，更快地確定影響設(shè)計(jì)方案性能的敏感參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。這樣，可大大縮短設(shè)備研發(fā)周期，降低研制成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，為產(chǎn)品贏得了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
1.2.5 總結(jié)
基于運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)計(jì)方法將成為21世紀(jì)工礦設(shè)備開發(fā)、研究的主流。對(duì)成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、工況惡劣，而又不可能制造多臺(tái)物理樣機(jī)的設(shè)備其應(yīng)用前景更加廣闊，如大型露天礦用設(shè)備、煤礦井下綜采設(shè)備和深海開采設(shè)備等。以及那些事關(guān)國際名聲的骨干行業(yè)，如汽車工業(yè)、軍事工業(yè)等，仿真技術(shù)在這些行業(yè)的應(yīng)用在帶來可觀經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，亦可提高其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有著廣闊的發(fā)展前景。因此，仿真技術(shù)的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)必將為經(jīng)濟(jì)發(fā)展、國防建設(shè)、科技發(fā)展及社會(huì)進(jìn)步做出重大貢獻(xiàn)。
1.3 Pro/ENGINEER軟件在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
1.3.1 Pro/ENGINEER軟件介紹
Pro/ENGINEER和Pro/MECHANICA是由美國參數(shù)技術(shù)公司推出的一套博大精深的三維CAD/CAM參數(shù)化軟件系統(tǒng), 被廣泛應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域。Pro/ENGINEER和Pro/MECHANICA不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械二維和三維動(dòng)態(tài)造型仿真設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、加工制造設(shè)計(jì)、而且還能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)仿真、結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)庫管理等多種技術(shù)目的。應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、汽車、機(jī)械、NC加工，電工等諸多行業(yè)。
由于其強(qiáng)大而完美的功能 Pro/ENGINEER幾乎成為三維CAD/CAM領(lǐng)域的一面旗幟和標(biāo)準(zhǔn)。 它在國外大學(xué)院校里以成為學(xué)生工程必修的專業(yè)課程，也成為工程技術(shù)人員必備的技術(shù)，是目前國際上專業(yè)設(shè)計(jì)人員使用最為廣泛的、先進(jìn)的、具有多種功能的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)仿真軟件。隨著我國加入WTO ，一場(chǎng)新的工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)革命正在興起。作為提高生產(chǎn)率和競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段 Pro/ENGINEER也在國內(nèi)形成一個(gè)廣泛應(yīng)用的熱潮。
Pro/ENGINEER WILDFIRE 是美國PTC公司于2003年新推出的Pro/ENGINEER系列產(chǎn)品中的旗艦產(chǎn)品 該軟件在原有的2001版本基礎(chǔ)上新增了重多功能 ，特別強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)過程的易用性以及設(shè)計(jì)人員之間的互聯(lián)性。 原有的Pro/ENGINEER產(chǎn)品的升級(jí)周期為半年一次 ，而本次升級(jí)卻花了兩年的時(shí)間 ，其產(chǎn)品性能有了本質(zhì)性的改善。
PTC的系列軟件不但包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。它的技術(shù)特點(diǎn)在于以下兩個(gè)方面。
1 Pro/E參數(shù)化設(shè)計(jì)特征和功能
Pro/ENGINEER是采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的、基于特征的實(shí)體的建模工具，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如Hole（孔）、Shell（殼）、Chamfer（倒角）及Round（倒圓角）。用戶可以方便的修改模型，給工程設(shè)計(jì)者提供了設(shè)計(jì)上從未有過的簡(jiǎn)易和靈活。
2 Pro/E單一數(shù)據(jù)庫
Pro/ENGINEER建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，而傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，是指工程中的資料全部來自一個(gè)庫，每一個(gè)獨(dú)立用戶都能同時(shí)為同一件產(chǎn)品造型而工作。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程任何一處發(fā)生改動(dòng)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上都有響應(yīng)。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑就會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有變動(dòng)，也完全反映在整個(gè)三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完美組合，把一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作緊密結(jié)合起來，使得設(shè)計(jì)效率更高，成品質(zhì)量更好，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力大大增強(qiáng)。
本次對(duì)礦用小型裝載機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用Pro/ENGINEER WILDFIRE軟件,現(xiàn)就本次設(shè)計(jì)所接觸到的幾個(gè)主要模塊做簡(jiǎn)要概述。
1 機(jī)械設(shè)計(jì)CAD模塊
機(jī)械設(shè)計(jì)模塊是一個(gè)高效的三維機(jī)械設(shè)計(jì)工具，它可繪制形狀相當(dāng)復(fù)雜的零件。在實(shí)際中存在大量形狀不規(guī)則的物體表面，如摩托車輪轂，這些稱為自由曲面。隨著人們生活水平的提高，對(duì)曲面產(chǎn)品的需求將會(huì)大大增加。用Pro/E生成曲面非常方便，方法有：拉伸 旋轉(zhuǎn) 放樣 掃掠 網(wǎng)格 點(diǎn)陣等。由于生成曲面的方法較多，因此Pro/E可以迅速建立復(fù)雜曲面。
2 運(yùn)動(dòng)分析模塊（Scenario For Motion）
運(yùn)動(dòng)分析模塊（CAE）是CAE（Computer Aided Engineer）應(yīng)用軟件，用于建立運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型，分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。運(yùn)動(dòng)分析模塊自動(dòng)復(fù)制主模塊的裝配文件,并建立一系列不同的運(yùn)動(dòng)分析方案。Pro/ENGINEER 運(yùn)動(dòng)分析模塊可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力距。
Pro/ENGINEER MOTION模塊為Pro/ ENGINEER的集成運(yùn)動(dòng)模塊，是設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)有力的工具。該模塊可以讓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)師設(shè)定裝配件在特定的環(huán)境中的機(jī)構(gòu)動(dòng)作并給予評(píng)估，能夠判斷出改變哪些參數(shù)能滿足工程及性能超群上的要求，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)最佳狀態(tài)，Pro/ENGINEER MOTION有如下功能：
1) 校驗(yàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的正確性，對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，計(jì)算機(jī)構(gòu)任意時(shí)刻的位置、速度、加速度。
2) 可以通過運(yùn)動(dòng)分析，得出裝配的最佳配置。
3) 根據(jù)給出的力決定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及反作用力。
4) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)反求所需要的力。
5) 求出鉸接點(diǎn)所受的力及軸承力。
6) 通過尺寸變量對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
7) 干涉檢查。
1.3.2 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)對(duì)裝載機(jī)設(shè)計(jì)理念的影響
裝載機(jī)是一種作業(yè)效率高，用途廣泛的工程機(jī)械，它不僅對(duì)松散的堆積物料可進(jìn)行裝運(yùn)、卸作業(yè)，還可對(duì)巖石、硬土進(jìn)行輕度鏟掘工作，并能用來清理刮平場(chǎng)地及牽引作業(yè)。經(jīng)過80多年的發(fā)展，到今天裝載機(jī)已經(jīng)成為一種必不可少的工程用具。目前，世界上已經(jīng)出現(xiàn)了許多能夠滿足不同要求的規(guī)格種類繁多的裝載機(jī)產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展，和設(shè)計(jì)理念的不斷更新，還將出現(xiàn)更多功能和性能優(yōu)良的裝載機(jī)產(chǎn)品。本次改裝設(shè)計(jì)的小型裝載機(jī)主要用于中小型礦井下代替人工，鏟裝粒度不大的散裝物料，對(duì)提高中小型礦井的機(jī)械化水平有重要意義。
通常在對(duì)輪式裝載機(jī)的工作裝置進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析時(shí)一般采用圖解法或解析法，采用圖解法精度較低，使用解析法計(jì)算又很復(fù)雜，因此一般只對(duì)幾個(gè)作業(yè)位置進(jìn)行分析計(jì)算，難以了解全部工況的作業(yè)性能及負(fù)荷變化。為解決這一問題，我們使用機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析仿真軟件對(duì)其進(jìn)行分析。這就要求先進(jìn)行裝載機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)。
裝載機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真的設(shè)計(jì)主要是用大型參數(shù)化建模工具Pro/ENINEER對(duì)工作裝置先進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)模擬。為能夠方便的解決在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段中運(yùn)動(dòng)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系、運(yùn)動(dòng)范圍設(shè)計(jì)、可能的運(yùn)動(dòng)干涉檢查等問題找到一個(gè)切實(shí)可行的新方法。裝載機(jī)虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)步驟和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟基本相同如圖1.2.1所示。
N
Y
Y
Y
N
N
Y
礦用裝載機(jī)模型
設(shè)計(jì)方案
實(shí)體建模
干涉檢查分析
N
運(yùn)動(dòng)分析
生成工程圖
是否符合設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿意
圖1.2.1 裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)步驟
1.4 本章小結(jié)
本章主要討論了運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)產(chǎn)生的背景、狀況及發(fā)展趨勢(shì)，介紹了運(yùn)動(dòng)仿真應(yīng)用的領(lǐng)域和實(shí)現(xiàn)的過程，指出了課題研究的背景和實(shí)際意義，確定了論文所要完成的主要任務(wù)和預(yù)期目的。介紹了Pro/ENGINEE軟件在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
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2 液壓缸的選擇
2 液壓缸的選擇
缸的主要參數(shù)包括行程、缸徑、最高使用壓力等。
大臂缸和翻斗缸的要求相同均為最大推力：20000N、行程：800mm，一般均是工作過程中伸出過程壓力遠(yuǎn)高于縮回過程，主要按伸出推力計(jì)算即可，活塞截面積：
Ah = Fmax / pmax = 20000N/14.23MPa = 1.4*10-3 m2
Dg = 2×(Ah/π)1/2 = 42mm
Ah 預(yù)算缸的活塞面積
Fmax 缸允許的最大推力
pmax 泵輸出的最大壓力
Dg 預(yù)算缸的內(nèi)腔直徑
那就要求所選缸最高使用壓力大于或等于14MPa，行程為800mm，缸內(nèi)徑為42mm或略小于 42mm的尾部耳環(huán)式等速缸。
選缸：D25WE4022800M—ISO
型號(hào)
行程
最高使用壓力
D25WE4022800M—ISO
800mm
25MPa
活塞桿直徑
液壓缸內(nèi)徑
22mm
80mm
2.1 本章小結(jié)
正確選擇液壓缸的參數(shù)對(duì)下面的工作十分重要,在計(jì)算行程當(dāng)中,如有不當(dāng)就可能造成干涉,直接影響裝配,裝配不成功,就無法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真.
3 工作裝置的實(shí)體建模
3 裝載機(jī)工作裝置三維實(shí)體建模
3.1 工作裝置零件建模
在傳統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員首先在頭腦中形成產(chǎn)品的三維輪廓，然后在圖紙上利用二維工程圖表示，其他設(shè)計(jì)人員以及工藝 生產(chǎn)等不同部門的人員再通過二維圖紙將產(chǎn)品還原為三維影像。由于圖紙的錯(cuò)誤和理解的偏差，設(shè)計(jì)人員的意圖并不總能完全實(shí)現(xiàn)，因而設(shè)計(jì)制造的周期較長(zhǎng)，產(chǎn)品的質(zhì)量也受到影響。在產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的時(shí)候尤其如此。因此三維化設(shè)計(jì)應(yīng)該是發(fā)展趨勢(shì)。
三維模型的發(fā)展經(jīng)歷了由線框、曲面到實(shí)體的過程。實(shí)體模型最真實(shí)的反映三維形體的特性，不但包括了形體的幾何輪廓，而且由于實(shí)體有密度屬性，因而可以進(jìn)行質(zhì)量計(jì)算、干涉檢查等操作。
基本特征是建模時(shí)創(chuàng)建的第一個(gè)特征，是零件結(jié)構(gòu)的基本要素?；咎卣饕院蟮钠渌卣饕蕾囉诨咎卣?。基本特征可以是實(shí)體特征，也可以是基準(zhǔn)特征，正交基準(zhǔn)平面就常常被用作基本特征。
在Pro/E中進(jìn)行零件設(shè)計(jì)的步驟是先創(chuàng)建基本特征，然后添加結(jié)構(gòu)特征。開始做零件之前，應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作，明確設(shè)計(jì)意圖。認(rèn)真考慮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸，可以變動(dòng)的尺寸與尺寸之間的關(guān)系，在裝配時(shí)與其他零件的裝配關(guān)系等。
由于在Pro/E中實(shí)體模型可以有多種不同的生成方法,采取何種方法更為合理、高效,需要有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)積累過程。一般來說，要根據(jù)圖形的形狀選擇生成模型的方式。草圖繪制盡量簡(jiǎn)化，最好不要繪制過渡圓角、倒角等非關(guān)鍵性信息。如果要像繪制二維工程視圖那樣繪制草圖,效率會(huì)很低,實(shí)踐證明也沒有這個(gè)必要。因?yàn)樵赑ro/ENGINEER中我們可以對(duì)實(shí)體進(jìn)行各種編輯操作，如倒圓角。再就是如果草圖繪制過于精細(xì),再生成模型時(shí)會(huì)耗盡計(jì)算機(jī)資源,使得三維模型生成速度很慢且易出現(xiàn)問題。
3.1.1 動(dòng)臂的生成
圖3.1.1動(dòng)臂實(shí)體圖
動(dòng)臂建模主要采用拉伸，首先選定草繪平面進(jìn)入草繪模式，繪出動(dòng)臂二維草圖，然后進(jìn)行拉伸生成動(dòng)臂三維實(shí)體，再在其上打孔，應(yīng)注意保證主要尺寸的準(zhǔn)確性。對(duì)另一個(gè)動(dòng)臂我們可以用復(fù)制的方法得到。復(fù)制方法有兩種：一是鏡像，另一是平移，如圖1 采用鏡像。最后添加一些細(xì)節(jié)如圖1動(dòng)臂上的筋板，添加筋板時(shí)要注意參考面的正確建立。對(duì)于復(fù)雜的零件,選擇合理的生成方法就顯得尤為重要。因?yàn)檫x擇不正確的生成方法不但效率低，而且有些情況根本就不能生成實(shí)體模型。因此，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)實(shí)體模型之前，必須要考慮好模型的生成方法和步驟。這就要求設(shè)計(jì)人員要有較好的空間想像力和抽象思維能力，這也是三維建模同二維圖形繪制最大的不同點(diǎn)之處。
3.1.2 鏟斗的生成
采用拉伸方法建立鏟斗基本體，用抽殼功能形成基本殼體。在基本體上添加加厚板以及肋板特征。添加耳特征時(shí)只需建立耳特征的一個(gè)面，然后采用鏡像復(fù)制命令就可以完成肋板的設(shè)計(jì)。最后采用兩側(cè)拉伸方法添加截齒特征和陳列生成。在鏟斗建模過程中要注意的是兩側(cè)加厚板的復(fù)制。
圖3.1.2鏟斗實(shí)體圖
3.1.3 底座的生成
圖3.1.3底座實(shí)體圖
先建立底盤框架，采用裁減命令生成槽鋼結(jié)構(gòu)，在框架上生成后續(xù)特征。底座的生成主要采用了拉伸命令，裁減命令和復(fù)制命令。底座建模過程中需注意翻轉(zhuǎn)油缸連接座的正確定位。
3.1.4 連桿的生成
圖3.1.4連桿實(shí)體
連桿的生成比較簡(jiǎn)單，主要采用了拉伸命令，需要注意的是在草繪截面時(shí)尺寸的標(biāo)注，要保證主要尺寸的準(zhǔn)確，比如兩孔中心距。
3.1.5 搖臂的生成
圖3.1.5搖臂實(shí)體圖
搖臂建模也主要采用拉伸命令，先建立特征實(shí)體的一半然后用復(fù)制特征命令鏡像特征另一半，需要注意的是鏡像特征時(shí)對(duì)稱基準(zhǔn)的建立方法。然后在基本特征上建立孔特征，應(yīng)注意保證孔間距的準(zhǔn)確，建議： 先建立搖臂兩端的連接孔，生成后再建立中間連接孔。這樣作，主要是避免三孔同時(shí)建立時(shí)出現(xiàn)的孔位置難以確定的問題。
3.1.6 液壓缸筒的生成
圖3.1.6 液壓缸筒實(shí)體
液壓缸模型結(jié)構(gòu)及尺寸參看機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，主要采用拉伸和裁減命令生成，需要注意的是尾部聯(lián)結(jié)油管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和建立方法。
3.1.7 液壓缸蓋的生成
圖3.1.7液壓缸蓋實(shí)
缸蓋結(jié)構(gòu)和尺寸參看機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，主要用拉伸和裁減命令，注意內(nèi)部需加上密封槽。
3.1.8 液壓缸活塞的生成
圖3.1.8液壓缸活塞實(shí)體
其結(jié)構(gòu)和尺寸需參看機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，也主要采用拉伸和裁減命令生成，注意也要加上密封槽。
注：本次設(shè)計(jì)的小型裝載機(jī)工作裝置需采用三個(gè)液壓缸，其中翻轉(zhuǎn)液壓缸和舉升液壓缸基本結(jié)構(gòu)相同，所不同的只是長(zhǎng)度尺寸不同，所以只需建立一個(gè)舉升液壓缸零件，翻轉(zhuǎn)液壓缸零件可在舉升油缸的基礎(chǔ)上通過修改尺寸再生而成
3.1.9 連接銷軸的生成
圖3.1.9連接銷軸實(shí)體
銷軸建模主要采用旋轉(zhuǎn)命令，先繪制一條旋轉(zhuǎn)軸，接著草繪截面，再繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)360度就可生成銷軸實(shí)體，然后生成軸端的限位孔，最后在需要倒角的部位倒角。要注意的是建立限位孔時(shí)需先創(chuàng)建與柱面相切的基準(zhǔn)面作為草繪截面
3.2 工作裝置裝配模型建模
零件設(shè)計(jì)完成后，往往需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)零件進(jìn)行裝配。在Pro/ENGINEER的裝配模塊中，通過定義零件之間的位置約束關(guān)系，可以把子零件裝配成一個(gè)裝配件，并檢查零件之間是否有干涉以及裝配體的運(yùn)動(dòng)情況是否合乎設(shè)計(jì)要求。同時(shí)在生成裝配體過程中，用戶可以根據(jù)需要添加生成新的零件和特征。
使用Pro/E 進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)有兩種基本方法，示意圖如圖3.2.1所示。
在上面兩種方法中，第1種方法相對(duì)第2種方法是比較低端的方法。因?yàn)樵谡嬲母拍钤O(shè)計(jì)中，
（a）由底向上的設(shè)計(jì)方法
(b)由頂向下的設(shè)計(jì)方法
圖3.2.1 Pro/E的裝配件設(shè)計(jì)方法
很少利用一個(gè)零件來控制整個(gè)裝配體的設(shè)計(jì)，往往都是在拿出產(chǎn)品的外在概念和功能概念后，逐步
對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)上的細(xì)化，直至細(xì)化到單個(gè)零件。比如設(shè)計(jì)一種新型號(hào)的汽車，先由設(shè)計(jì)師拿出汽車外觀的概念圖，然后由底盤工程師和車身工程師一起進(jìn)行汽車的布局協(xié)調(diào)，根據(jù)協(xié)調(diào)的結(jié)果，得到各自部分布局的概念圖，在這個(gè)布局概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行零件的細(xì)化設(shè)計(jì)。由此可以看出，在對(duì)產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)上，以由頂向下的設(shè)計(jì)方法更為貼近實(shí)際一些。
但是由底向上的設(shè)計(jì)方法并不是一無是處，對(duì)于一些已經(jīng)比較成熟的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，采用這種設(shè)計(jì)方法效率反而高一些。在實(shí)際的裝配過程中通?；旌鲜褂眠@輛中設(shè)計(jì)方法，以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)。比如本次對(duì)礦用小型裝載機(jī)的改造設(shè)計(jì)，由于該項(xiàng)設(shè)計(jì)在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，所以采用第一種方法比較合適。
前面已經(jīng)生成礦用小型裝載機(jī)的各種底層零件的三維模型，然后采用由底向上的裝配設(shè)計(jì)方法對(duì)這些零件進(jìn)行空間定位來生成裝配件。在裝配件設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)需要對(duì)裝配件中的零件進(jìn)行修改，比如修改零件尺寸，移動(dòng)零件在裝配件中的位置，生成新的特征等。對(duì)于一個(gè)裝配件，當(dāng)其中所有的零件都被完全約束時(shí)，這種裝配件就稱為參數(shù)化的裝配件，否則就是非參數(shù)化的裝配件。
下面對(duì)本次裝載機(jī)工作裝置模型的裝配設(shè)計(jì)過程作簡(jiǎn)要敘述：
3.2.1 底座模型裝配
進(jìn)入裝配界面調(diào)入圖3.1.3所示底座實(shí)體模型，點(diǎn)選圖3.2.2所示按扭固定主體模型。在元件放置對(duì)話框中點(diǎn)確定。
圖3.2.2
3.2.2 動(dòng)臂模型裝配
調(diào)入圖3.1.1所示動(dòng)臂實(shí)體模型，在元件放置對(duì)話框中點(diǎn)“連接”(圖3.2.3)在連接類型中選“銷釘”（圖3.2.4），約束類型1為“軸對(duì)齊”分別在動(dòng)臂模型和底座模型上選擇需要對(duì)齊 的軸線。約束類型2為“平移”，分別在兩實(shí)體上選擇要匹配的面，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)模型位置，可以點(diǎn)選“反向”按鈕改變模型方向，在“約束偏移”框中輸入偏移尺寸（如圖3.2.5）可以調(diào)節(jié)匹配面間的間隙，點(diǎn)選“移動(dòng)”（圖3.2.6）進(jìn)入移動(dòng)界面，（如圖3.2.7）選“旋轉(zhuǎn)”，用鼠標(biāo)在圖區(qū)點(diǎn)選動(dòng)臂模型，然后拖動(dòng)鼠標(biāo)可以調(diào)節(jié)動(dòng)臂角度，點(diǎn)中鍵終止操作，點(diǎn)“確定”完成動(dòng)臂模型裝配。
圖3.2.3 圖3.2.4 圖3.2.5
圖3.2.6 圖3.2.7
3.2.3 鏟斗模型裝配
調(diào)入鏟斗模型，動(dòng)臂和鏟斗的連接類型也屬于銷釘連接，分別選取鏟斗模型和動(dòng)臂模型需要對(duì)齊的軸，然后選擇匹配平移面，操作方法同動(dòng)臂裝配操作方法。
3.2.4 液壓缸體模型裝配
第一步：缸筒與底座的連接
缸筒與底座的連接屬于銷釘連接，操作方法同前所述。旋轉(zhuǎn)缸筒角度使其基本接近和動(dòng)臂連接的角度。
第二步：活塞桿與缸筒和動(dòng)臂的連接
活塞桿與缸筒之間能夠自由伸縮，所以連接類型選用“圓柱”連接。 “圓柱”連接類型只有一個(gè)軸對(duì)齊約束，分別選取缸筒和活塞桿的中心軸，點(diǎn)選“移動(dòng)”按扭選擇“平移”，調(diào)整活塞桿在缸筒中的位置。在元件放置對(duì)話框中點(diǎn)“+”按扭（圖3.2.8）增加一個(gè)“銷釘”連接類型，分別選取活塞桿前端環(huán)和動(dòng)臂連接軸孔的軸線，然后分別選取活塞桿前端環(huán)和動(dòng)臂需要匹配的面，輸入偏移尺寸，系統(tǒng)自動(dòng)完成活塞桿與動(dòng)臂的裝配連接，點(diǎn)“確定”退出。
圖3.2.8
第三步：缸蓋模型的裝配
調(diào)入缸蓋模型，在連接類型中選取“剛性”連接，在約束中選“匹配”選擇缸的前端面和缸蓋內(nèi)端面進(jìn)行重合匹配，再增加“插入”約束，分別選取缸蓋曲面和缸體曲面，系統(tǒng)自動(dòng)完成缸蓋的裝配連接。
3.2.5 搖桿模型的裝配連接
搖桿模型與動(dòng)臂模型裝配連接也采用銷釘連接操作方法同上所述。
3.2.6 連桿模型與鏟斗模型和搖桿模型的裝配連接
在裝配連桿時(shí)首先選取和搖桿的連接或和鏟斗的連接為“銷釘”連接，操作過程同前所述。其次選取連桿的另一端與鏟斗或搖桿的連接為圓柱連接，操作過程同前所述。這樣就完成了連桿模型的裝配。
3.2.7 銷釘模型的連接
銷釘?shù)倪B接選用“剛性”連接，首先選取“插入”約束，選擇銷釘曲面和要插入的孔面，其次選取“匹配”約束，選擇銷釘蓋內(nèi)表面和需要匹配的面完成重合匹配，最后點(diǎn)“確定”結(jié)束。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
圖3.2.9裝載機(jī)六種不同工況下的裝配模型
3.2.8 本章小結(jié)
本章主要介紹了本次所設(shè)計(jì)的礦用小型裝載機(jī)工作裝置的主要零件的三維實(shí)體建模方法和模型的裝配設(shè)計(jì)過程。需要提出的是在建模過程中，對(duì)于不同生成方法的選擇應(yīng)盡可能采用簡(jiǎn)單方法，采取能簡(jiǎn)則簡(jiǎn)的原則，這樣能大大提高設(shè)計(jì)效率。對(duì)于細(xì)節(jié)問題一般放在設(shè)計(jì)最后統(tǒng)一進(jìn)行。如倒角、渲染效果等。在裝配設(shè)計(jì)中需要注意的是各模型之間連接類型和約束的選擇，正確的選取連接類型和約束，能夠確保后續(xù)動(dòng)態(tài)仿真的實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是礦用小型裝載機(jī)工作裝置的動(dòng)態(tài)模擬設(shè)計(jì)，但為了美觀,根據(jù)車體的基本結(jié)構(gòu)和基本尺寸也生成了車體,如圖3.2.9所示為本次設(shè)計(jì)裝配的裝載機(jī)在幾種不同情況下的裝配模型。
4 工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真
4 裝載機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)仿真
4.1 概述
完成裝載機(jī)工作裝置的裝配模型設(shè)計(jì)后，就要開始進(jìn)行本次設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容―――裝載機(jī)工作次試驗(yàn)才確定的?？赡芤?yàn)槌醮卧O(shè)計(jì)，缺乏經(jīng)驗(yàn)的原因，但也能夠看出正確的裝配方法是確保運(yùn)動(dòng)仿真能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵。
在Pro/ENGINEER的“機(jī)械（ Mechanism）”模塊中，可進(jìn)行一個(gè)機(jī)械裝置的機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真，并將其結(jié)果輸入到 Pro/MECHANICA中，以便于進(jìn)一步進(jìn)行力學(xué)分析，也可以將“機(jī)械”模型帶入到“設(shè)計(jì)動(dòng)畫”中來創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)畫序列。
4.2 創(chuàng)建裝載機(jī)工作裝置的機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真
4.2.1 連接軸設(shè)置
本次設(shè)計(jì)只對(duì)大臂連接軸進(jìn)行了設(shè)置，對(duì)其余連接軸均采用默認(rèn)設(shè)置。大臂連接軸設(shè)置過程如下：
打開工作裝置的裝配模型文件，點(diǎn)選主菜單上的“應(yīng)用程序”彈出其下拉菜單，然后點(diǎn)選“Mechanism”進(jìn)入機(jī)械模塊界面。接著選擇“Mechanism”，彈出其下拉菜單，點(diǎn)選“拖動(dòng)”命令。出現(xiàn)“拖動(dòng)”對(duì)話框，如圖4.2.1所示。然后選取裝配模型中的大臂上的一點(diǎn)，用鼠標(biāo)對(duì)其進(jìn)行托移。建議在托移過程中將鏟斗鎖定。具體方法:先點(diǎn)選“拖動(dòng)”對(duì)話框中的“約束”選項(xiàng)卡，如圖4.2.1所示。再點(diǎn)選標(biāo)簽，如圖4.2.2所示，然后選取鏟斗與大臂的連接軸，這樣就鎖定了鏟斗，在拖動(dòng)大臂過程中鏟斗將保持不動(dòng)。
圖4.2.1 圖4.2.2
將大臂托移到鏟土工況時(shí)的位置，也就是圖3.2.9(a)所示大臂位置，然后關(guān)閉“托動(dòng)”對(duì)話框。
選擇“Mechanism(M)”下拉菜單中的“連接軸設(shè)置”命令，系統(tǒng)彈出如圖4.2.3所示的“連接軸設(shè)置”對(duì)話框，在該對(duì)話框中進(jìn)行下列操作：
在裝配模型中選擇大臂與底座的連接軸，系統(tǒng)加亮所選取的軸，該連接軸名稱Connection_1.axis_1顯示在對(duì)話框中，同時(shí)該接頭中的第一主體底座顯示綠色，第二主體大臂顯示青色。清除復(fù)選框并單擊“生成零點(diǎn)”。系統(tǒng)便將當(dāng)前“連接軸位置”設(shè)置為零。點(diǎn)“限制”按鈕系統(tǒng)顯示如圖4.2.4所示的界面，選中該界面中的復(fù)選框，再分別在“最小”和“最大”文本框中鍵入0和81。這樣就限定了該連接軸，即大臂的運(yùn)動(dòng)范圍。
單擊“連接軸設(shè)置”對(duì)話框中的“確定”按鈕。完成該連接軸設(shè)置。再次拖動(dòng)大臂可驗(yàn)證所定義的極限已經(jīng)起作用了。
圖4.2.3 圖4.2.4
4.2.2 創(chuàng)建快照
可通過創(chuàng)建快照操作使工作裝置的某個(gè)位置保存下來，以便下次查看。本次設(shè)計(jì)對(duì)裝載機(jī)的工作裝置在幾個(gè)不同工況中的位置均創(chuàng)建了快照，具體方法如下：
將工作裝置拖動(dòng)到需要?jiǎng)?chuàng)建快照的工位，在“拖動(dòng)”對(duì)話框中點(diǎn)選“快照”選項(xiàng)卡，然后單擊按鈕就完成了一次快照創(chuàng)建。
4.2.3 定義伺服電動(dòng)機(jī)
伺服電動(dòng)機(jī)是以單一自由度在兩個(gè)主體之間強(qiáng)加特殊運(yùn)動(dòng)。向模型中添加伺服電動(dòng)機(jī)，是為運(yùn)動(dòng)運(yùn)行作準(zhǔn)備。伺服電動(dòng)機(jī)通過將位置、速度或加速度指定為時(shí)間的函數(shù)來形成運(yùn)動(dòng)輪廓，主要有以下函數(shù)：
常量：y=A，A=常量；該類型用于定義恒定運(yùn)動(dòng)。
斜插入：y=A+B*t,其中，A= 常量，B=斜率；該類型用于定義恒定運(yùn)動(dòng)或隨時(shí)間成線性變化的運(yùn)動(dòng)。
余弦：y=A*cos(2*Pi*t/T+B)+C, A=振幅，B=相位，C=偏移量，T=周期；該類型用于定義振蕩往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
擺線：y=L*t/TL*sin(2*Pi*t/T)/2*Pi, L=總上升數(shù)，T=周期；該類型用于模擬一個(gè)凸輪輪廓輸出。
表：通過輸入一個(gè)表來定義位置速度或加速度與時(shí)間的關(guān)系，表文件的擴(kuò)展名為.tab，可以在任何文本編輯器創(chuàng)建或打開。文件采用兩欄格式，第一欄是時(shí)間，該欄中的時(shí)間值必須從第一行到最后一行按升序排列；第二欄是速度、加速度或位置。
可以在連接軸或幾何圖元上放置伺服電動(dòng)機(jī).對(duì)于一個(gè)圖元,可以定義任意多個(gè)伺服電動(dòng)機(jī).本次設(shè)計(jì)的裝載機(jī)工作裝置模型中共定義了八個(gè)伺服電動(dòng)機(jī),其中六個(gè)定義在鏟斗與舉升臂的連接軸上,主要用來控制鏟斗的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).另外兩個(gè)電動(dòng)機(jī)都定義在舉升臂與底座的連接軸上,兩個(gè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方向相反,用來舉臂和落臂.
定義伺服電動(dòng)機(jī)的具體操作如下:
選擇“Mechanism(M)”下拉菜單中的“伺服電動(dòng)機(jī)”選項(xiàng)，系統(tǒng)彈出“伺服電動(dòng)機(jī)”對(duì)話框，單擊該對(duì)話框中的“新建”按鈕。彈出如圖4.2.5所示的“伺服電動(dòng)機(jī)定義”對(duì)話框，在該對(duì)話框中進(jìn)行下列操作。
（1） 鍵入伺服電動(dòng)機(jī)名稱：在該對(duì)話框中的名字文本框中鍵入伺服電動(dòng)機(jī)名
或采用系統(tǒng)默認(rèn)名。
（2）選擇連接軸：?jiǎn)螕魧?duì)話框中的“類型”標(biāo)簽在該界面下進(jìn)行下列操作。
圖4.2.5
a.單擊“從動(dòng)實(shí)體”區(qū)域中的，從彈出的下拉列表中選擇“連接軸”（默
認(rèn)選項(xiàng)）
b.在裝配模型上選中所要定義伺服電動(dòng)機(jī)的連接軸。
（3）型中出現(xiàn)一個(gè)洋紅色的箭頭，表明連接軸中從動(dòng)圖元將相對(duì)于參照?qǐng)D元
動(dòng)的方向，可以單擊“反向”按鈕來改變方向。
（4）定義運(yùn)動(dòng)函數(shù)：?jiǎn)螕魧?duì)話框中的標(biāo)簽，系統(tǒng)顯示如圖所示界面，在
界面中進(jìn)行下列操作。
a.選取“速度”作為規(guī)范：?jiǎn)螕簟耙?guī)范”區(qū)域中的，從彈出的下拉列表中選擇“速度”。
注：裝載機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)是相當(dāng)復(fù)雜的，由于時(shí)間有限，本人沒有對(duì)裝載機(jī)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)作深入的研究，所以本次設(shè)計(jì)所定義的所有電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)均選“速度”作為“規(guī)范”，并且運(yùn)動(dòng)函數(shù)均選則“常數(shù)”。
b.選取運(yùn)動(dòng)函數(shù)：?jiǎn)螕簟澳！眳^(qū)域中的，從彈出的下拉列表中選擇“常數(shù)”在A的文本框中鍵入數(shù)值。（見附表）
c.繪制連接軸的速度、位置、加速度與時(shí)間的函數(shù)圖形：選中圖形區(qū)域中的“位置”“速度”“加速度”復(fù)選框，再單擊“圖標(biāo)” ，系統(tǒng)就會(huì)彈出連接軸的“位置”、“速度”、“加速度”與“時(shí)間”的函數(shù)圖形窗口。如圖4.2.6所示為本次設(shè)計(jì)的舉升臂連接軸在下臂過程中“位置”、“速度”、“加速度”與“時(shí)間”的函數(shù)圖形窗口。
圖4.2.6舉升臂連接軸在下臂過程中位置、速度、加速度與時(shí)間的函數(shù)圖
4.2.4 運(yùn)行運(yùn)動(dòng)
向工作裝置中增加伺服電動(dòng)機(jī)后，可以啟動(dòng)“運(yùn)行運(yùn)動(dòng)”命令，通過該命令可以設(shè)置伺服電動(dòng)機(jī)時(shí)間周期和運(yùn)動(dòng)增量，來定義工作裝置的運(yùn)動(dòng)方式。
下面是本次設(shè)計(jì)的裝載機(jī)工作裝置運(yùn)行運(yùn)動(dòng)的操作過程。
Step1.選擇“Mechanism(M)”下拉菜單中的“分析”命令（或單擊命令圖標(biāo)）。
Step2.系統(tǒng)彈出“分析”對(duì)話框，單擊該對(duì)話框中的“新建”按鈕。
Step3.這時(shí)，系統(tǒng)彈出如圖4.2.7所示的“分析定義”對(duì)話框，在該對(duì)話框中進(jìn)行下列操作。
圖4.2.7
（1） 輸入分析（即運(yùn)動(dòng)）名稱：在該對(duì)話框中的名字文本框中鍵入伺服電動(dòng)機(jī)名稱，或采用系統(tǒng)的默認(rèn)名。
（2） 選擇分析類型：選取分析類型為“運(yùn)動(dòng)”（默認(rèn)選項(xiàng)）。
（3） 整伺服電動(dòng)機(jī)順序：?jiǎn)螕魧?duì)話框中的“電動(dòng)機(jī)”標(biāo)簽，在彈出的界面中調(diào)整伺服電動(dòng)機(jī)順序。（見附表）
（4） 時(shí)間周期和運(yùn)動(dòng)增量：在圖4.2.7所示的“分析定義”對(duì)話框的“圖形顯示”區(qū)域進(jìn)行下列操作。如圖4.2.8
圖4.2.8
a.鍵入開始時(shí)間0（單位為秒）。
b.選擇測(cè)量時(shí)間域的方式：?jiǎn)螕粼搮^(qū)域中的，從下拉列表中選擇“長(zhǎng)度和幀頻”。
c.鍵入結(jié)束時(shí)間34.4（單位為秒）。
d.鍵入幀頻10
e.鍵入最小時(shí)間間隔0.1（單位為秒）
（5） 進(jìn)行初始配置：在圖所示的“分析定義”對(duì)話框的“初始配置”區(qū)域中，選擇選項(xiàng)。
注意：當(dāng)前：機(jī)械裝置從當(dāng)前的屏幕位置開始運(yùn)行運(yùn)動(dòng)。
快照：從保存在“拖動(dòng)”對(duì)話框中快照列表中，選擇某個(gè)快照，工作裝置從該快照開始運(yùn)行運(yùn)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)選擇“快照1”即鏟土工位開始運(yùn)行運(yùn)動(dòng)。
Step4.運(yùn)行運(yùn)動(dòng)。
在圖所示的“分析運(yùn)行”對(duì)話框中，單擊“運(yùn)行”按鈕?；蛘?，單擊“分析定義”對(duì)話框中的“確定”按鈕后，再在“分析”對(duì)話框中，單擊“運(yùn)行”按鈕。
Step5.完成運(yùn)動(dòng)定義：?jiǎn)螕簟胺治龆x”對(duì)話框中的“確定”按鈕；單擊“分析”對(duì)話框中的“關(guān)閉”按鈕。
4.2.5 結(jié)果回放動(dòng)態(tài)干涉檢查與制作播放文件
使用“回放”命令可以查看前面已經(jīng)運(yùn)行的工作裝置運(yùn)動(dòng)定義。對(duì)每一個(gè)運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)定義，將單獨(dú)保存一組運(yùn)動(dòng)結(jié)果，其結(jié)果可以保存在一個(gè)文件中，此文件可以在另一個(gè)進(jìn)程中運(yùn)行。也可以使用該命令來刪除恢復(fù)或輸出這些結(jié)果。在回放中，還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查和制作播放文件。下面說明本次設(shè)計(jì)的操作過程。
Step1.選擇“Mechanism(M)”中的“回放”命令（或直接單擊命令圖標(biāo)）。
Step2.系統(tǒng)彈出如圖4.2.9所示的“回放”對(duì)話框，在該對(duì)話框中進(jìn)行下列操作。
（1）選取運(yùn)動(dòng)名稱：從“結(jié)果集”下拉列表中，選取前邊定義的運(yùn)動(dòng)名稱。
（2）定義回放中的動(dòng)態(tài)干涉檢查。
a.選擇在回放期間要檢查的干涉類型：在“模式”區(qū)域中，選擇命令。
b.為干涉類型檢測(cè)提供可用選項(xiàng)：在“選項(xiàng)”區(qū)域中選擇。
圖4.2.9
（3）開始回放演示：在如圖所示的“回放”對(duì)話框中，單擊“演示”圖標(biāo)
系統(tǒng)便開始進(jìn)行回放演示，如果檢測(cè)到元件干涉時(shí)，系統(tǒng)將加亮干涉區(qū)域，并停止回放。
（1） 制作播放文件?；胤沤Y(jié)束后，系統(tǒng)彈出如圖4.2.10所示的“動(dòng)畫”對(duì)話框，單擊該對(duì)話框中的“捕獲”按鈕，再在彈出如圖4.2.11所示的對(duì)話框中，單擊“確定”按鈕，即可生成一個(gè)*.mpg文件,該文件可以在其他軟件(例如, Windows Media Player)中播放.
（5） 觀測(cè)完運(yùn)動(dòng)后,單擊如圖所示的“動(dòng)畫”對(duì)話框中的“關(guān)閉”按鈕。
Step3.單擊如圖所示的“回放”對(duì)話框中的“關(guān)閉”按鈕。
圖4.2.10 圖4.2.11
4.2.6 測(cè)量
使用“結(jié)果”菜單中的“測(cè)量”命令，可創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)分析測(cè)量特征，這類特征是用一個(gè)圖形表示某個(gè)運(yùn)動(dòng)分析運(yùn)行的測(cè)量結(jié)果。我們可以選擇創(chuàng)建一個(gè)圖形，對(duì)于一組運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果顯示多條測(cè)量曲線，或者也可以觀察某一測(cè)量如何隨不同的運(yùn)動(dòng)運(yùn)行結(jié)果而改變。測(cè)量有助于理解和分析移動(dòng)機(jī)械裝置產(chǎn)生的結(jié)果，并提供可用來改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)的信息。圖4.2.12所示為本次設(shè)計(jì)中對(duì)舉升臂連接軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析輸出的曲線圖。圖中縱坐標(biāo)為“速度”橫坐標(biāo)為“時(shí)間”圖中曲線表示在不同時(shí)間舉升臂連接軸的速度值。
從圖4.2.12中可看出舉升臂連接軸在運(yùn)動(dòng)過程中速度基本與前邊所設(shè)置的速度相吻合，但在到達(dá)最高工位、中間工位、和最低工位時(shí)因?yàn)殓P斗的翻轉(zhuǎn)會(huì)造成一定范圍的波動(dòng)，但波動(dòng)不是很大，說明動(dòng)臂能夠平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，所以基本滿足要求。
圖4.2.12 舉升臂速度與時(shí)間曲線
生成4.2.12圖示曲線的操作過程如下。
Step1.選擇“Mechanism(M)”中的“測(cè)量”命令。
Step2.系統(tǒng)彈出如圖4.2.13所示“測(cè)量結(jié)果”對(duì)話框，在該對(duì)話框中進(jìn)行下列操作。
圖4.2.13 圖4.2.14
（1） 選取圖形類型：?jiǎn)螕簟皥D形類型”區(qū)域中的，從彈出的下拉列表中選擇“測(cè)量與時(shí)間”。
（2） 創(chuàng)建一個(gè)測(cè)量：?jiǎn)螕魟?chuàng)建測(cè)量圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出如圖4.2.14所示的“測(cè)量定義”對(duì)話框，在該對(duì)話框中進(jìn)行下列操作。
a. 鍵入測(cè)量名字：在該對(duì)話框中的名字文本框中鍵入測(cè)量名字“舉升臂連接軸速度與時(shí)間關(guān)系”。
b. 選擇測(cè)量類型：?jiǎn)螕簟邦愋汀眳^(qū)域中的，從彈出的下拉列表中選擇“速度”。
c. 選取測(cè)量點(diǎn)：選取模型中的舉升臂連接軸。
d. 選取評(píng)估方法：?jiǎn)螕簟霸u(píng)估方法”區(qū)域中的，從彈出的下拉列表中選擇“每一時(shí)間步距”。
e. 單擊“確定”按鈕系統(tǒng)立即將新建測(cè)量添加到如圖4.2.13所示的“測(cè)量結(jié)果”對(duì)話框中。
（3） 進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。
a. 選取測(cè)量名：在圖4.2.13所示的“測(cè)量結(jié)果”對(duì)話框列表中，單擊“舉升臂連接軸速度與時(shí)間關(guān)系”。
b. 選取運(yùn)動(dòng)名
c. 單擊測(cè)量啟動(dòng)命令圖標(biāo)：在圖4.2.13所示的“測(cè)量結(jié)果”對(duì)話框的上部，單擊測(cè)量啟動(dòng)命令圖標(biāo)。
d. 系統(tǒng)開始自動(dòng)計(jì)算測(cè)量，并繪制出測(cè)量結(jié)果圖4.2.12
Step3. 單擊“測(cè)量結(jié)果”對(duì)話框中的“關(guān)閉”按鈕。
圖4.2.15鏟斗連接軸速度與時(shí)間關(guān)系
圖4.2.15為對(duì)鏟斗連接軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析輸出的鏟斗連接軸速度與時(shí)間的關(guān)系，縱坐標(biāo)表示速度，橫坐標(biāo)表示時(shí)間。從圖中可以看出鏟斗在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中速度與時(shí)間關(guān)系與前面所設(shè)定的值能夠較好的吻合，說明鏟斗連接軸滿足設(shè)計(jì)要求。此圖的生成方法與圖4.2.12的生成方法基本相同。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求還能生成多種這樣的測(cè)量結(jié)果曲線，方法基本相
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