液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究001.docx

《液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究001.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究001.docx（41页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、综合课程设计II项目总结报告题目：液压挖掘机工装轨迹限制及仿真技术探讨院（系）机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学生学号班号指导老师填报日期2013年3月15日哈尔滨工业高校机电工程学院制2013年3月一、总结报告应包括下列主要内容：1 .项目背景分析；2 .探讨支配要点及执行状况；3 .项目关键技术的解决；4 .详细探讨内容及技术实现；5 .技术指标分析；6 .存在的问题及建议。二、总结报告由指导老师填写看法、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。指导老师评语：检查日期:指导老师签字:哈尔滨工业高校课程设计任务书姓名：院(系)：专业：机械设计制造及其自动化班号：任务起至日期：2013

2、年2月25日至2013年3月15日课程设计题目：液压挖掘机工装轨迹限制及仿真技术探讨已知技术参数和设计要求：1)结构参数名称长度(mm)行程(mm)转角范围(0)驱动件(mm)缸径(mm)活塞杆直径(mm)动臂2558660117双缸8045斗杆1332585117单缸9050铲斗835500170单缸80452）工作负责参数：m=500kg3）工装轨迹参数：挖掘水平直线4）限制系统要求：以51单片机为限制处理器5）角度传感器选择：电阻式位移传感器工作支配支配:周1周2周3周4周5第1周系统简图运动学分析运动学分析液压系统液压系统第2周电路设计电路设计电路设计限制方法限制方法第3周MT1B仿真

3、分析答辩同组设计者及分工:指导老师签字年月日教研室主随看法：教研室主任签字年月日第一章挖掘机工装轨迹限制的机电液系统介绍1.1单斗液压挖掘机的机械模型简介本次课程设计的液压挖掘机是针对学校的试验室用的样机模型，其容量为0.01立方米，动臂和斗杆为四连杆机构，动臂、斗杆和铲斗均由液压缸驱动，它们之间以销轴连接。在动臂和斗杆的销轴上分别安装了角度传感器，用以检测相对位角。模型不具备回转机构，无回转功能。其结构简图如图17所示，其参数如表1-1所示。斗杆图1-1样机结构简图表1-1样机结构参数表名称长度(mm)行程(mm)转角范围()驱动件缸径(mm)活塞杆直径(mm)动臂2558660117双缸8

4、045斗杆1332585117单缸9050铲斗835500170单缸8045工程机械的重要机型，在工业及民用建筑、交通运输、水利水电、军事施工建设中发挥着特别重要的作用。液压挖掘机被应用于众多诸如平整场地、肯定形态的沟、渠道挖掘等困难作业。其工作装置运动轨迹的自动限制是研制中的一个重要课题。由于挖掘机在实际工作中，挖掘阶段转台不回转，静止不动，转台回转时,工作装置不挖掘，因此，工作装置挖掘轨迹的限制，可归结为动臂、斗杆和铲斗三个杆件的平面限制问题，即对于随意给定的动臂、斗杆目标轨迹和铲斗方位角,可将其变换为工装三杆件的目标转角序列，由微机限制电液伺服驱动系统，使动臂、斗杆和铲斗跟踪各自的目标转

5、角，从而实现轨迹限制。其机、电液一体化系统简图如图12所不。图1-2液压挖掘机机、电液一体化系统简图本次课程设计中机遇试验室的液压挖掘机装置主要设计参数如下：挖掘机工作负载参数要求：m=500kg挖掘机工作装置轨迹参数要求：挖掘水平直线挖掘机工作装置轨迹限制系统设计要求：以51单片机为限制处理器角度传感器选择：电阻式角位移传感器1.2电液限制系统的组成电液限制系统是在要限制的转轴处增加了角度传感器获得转角数据，通过限制器处理并由电液转换元件驱动液压缸运动，使铲斗达到预料的轨迹。计算机限制系统由液压缸、电液比例流量阀、比例放大器、角度传感器、A/D和D/A卡等环节组成，如图1-3所示。系统可分为

6、数字和模拟两部分，通过A/D和D/A转换器把两部分组成一个数字、模拟混合系统。数字部分采纳51单片机，模拟部分包括除51单片机外的各环节。图1-3系统限制框图(1)角度传感器角度传感器将各臂位置角转化为电信号，供限制器处理。在探讨中，我们将斗尖轨迹的限制转化为对动臂和斗杆各自的相对转角的限制。限制装置中的选择是电阻式角位移传感器，输出为模拟电压量，须要通过A/D转换环节才能供限制器处理。(2)限制器及数据采集卡限制器主要完成将传感器的信号依据限制算法进行运算后输出限制量的工作。本设计采纳在PC机内接入集成了A/D和D/A转换芯片的模入模出限制卡，此卡将角度传感器输出的模拟量转化为对应角度的数字

7、值，运算后将结果转换为模拟信号，将限制量以电压形式输出。(3)电液转换部分此部分主要由电液比例阀，放大器组成。试验平台选用北京华德液压工业集团有限责任公司生产的2FRE6.A-20B/10QM型号二通比例调速阀，并配有及之配套的放大器VT-5010S30.在液压限制系统中，虽然采纳伺服阀精度最高，且响应最快，但其成本高，对污染敏感，很少用在一般场合。而比例阀的价格只有伺服阀的1/8T/10,但具有及节流阀相像的抗污染实力。虽然及伺服阀相比，比例阀的频宽较窄、精度稍差，但假如和微机及角度传感器构成闭环反馈系统，应用合适的限制方法，完全可以达到较高的定位精度。因此在本设计中采纳微机限制比例法系统的

8、方式实现液压挖掘机工装轨迹的限制。其次章液压挖掘机工装轨迹的运动学分析2.1运动学问题运动学是指对给定的液压挖掘机，已知杆件几何参数和关节变量，求铲斗相对于参考坐标系的位置和姿态。依据D-H坐标系的规则和定义，设置微机操纵系统液压挖掘机的杆件坐标系，如图2-1所示。第O号坐标系在基座上的位置和方向任选，只要Z。轴沿第一关节运动轴，即挖掘机上车回转中心即可。最终一个坐标系，即第4号坐标系，可放在铲斗的任何部分，只要Z3及乙垂直即可。去铲斗纵向对称面上铲斗及斗杆的较接点O3及斗齿尖连成X,轴，较点的回转轴线为轴。X是工装纵向对称面上的一根水平轴，X?在动臂两端钱点连线上，X3在斗杆两端钱点连线上。

9、i取0、1、2、3、4时个参数值见表2-1.图2T反铲斗液压挖掘机工作装置示意图i%4Ii1*90042a00I230（）b4900h各参数的含义为：di。一到Oi沿ZjT方向上的距离（及ZjT同方向为正）生Oid到Oi沿Xi方向上的距离（及XjT同方向为正）4从XjT到Xj绕ZI轴的转角（逆时针为正）I,OjT到Oi沿Xj方向上的距离通过矩阵变换，首先把第四象限的坐标变换到第三象限，再把第三象限的坐标变换到其次象限，再把第一象限的坐标变换到第一象限，再把第一象限变换到第0象限，因此，铲斗坐标系到大地坐标系的变换矩阵为：=07,2;3本次设计中取/=500mn,I2=2558wtw,3=133

10、2mm,14=400mm取斗尖位置坐标在基座坐标系中的表示为（XIMZ）,由此得铲斗尖位姿的正解为X、Z1cos(835*cos(ft+a+4)+1332cos(ft+4)+2558CoSO2+600)Sina(835*cos+a+a)+1332cos(2+即+2558CoSo2+600)835*sin(62+4+%/6)+1332Sine+4)+2558sin2+500为获得斗尖包络区域，为下面轨迹位置选择供应参考，取动臂转角范围为-50-67步长为1;斗杆转角范围为-140-23,步长为1,利用MatIab做出斗尖所能达到的位置，如图2-2。40003000200010000-1000-2

11、000-3000-4000cCCci-0100020003000400050006000图2-2斗尖包络区域2.2运动学逆问题为简化计算，将第1号坐标系K轴建立在E-Q-Z。平面内，a=90O并将铲斗以30锁死，即g=30取y=3500直线轨迹，将所需限制的轨迹离散为若干点坐标，并依据上述方程，可得出斗尖的在每一点时的动臂、斗杆的角度序列。利用mat1ab解上述方程组，得到10组数值解如表2-2所示。yZ口%IOOO-IOOO-20.068-131.18I1OO-IOOO-16.613-130.401200-IOOO-13.324-129.461300-IOOO-10.216-128.3714

12、00-IOOO-7.3051-127.141500-IOOO-4.6022-125.791600-IOOO-2.1125-124.321700-IOOO0.16501-122.731800-IOOO2.2340-121.041900-IOOO4.0977-119.25第三章液压挖掘机液压系统的建模分析对于一个连续系统数学模型的表示，可采纳微分方程、传递函数、状态方程等方式。在本文中，对限制系统数学模型的描述采纳传递函数的方式。本章通过计算各环节的传递函数，进而得到整个被控系统的传递函数，作为限制仿真的模型，进而实现获得系统的特性，检验限制方法的效果，实现对限制参数的整定等目标。3.1斗杆液压缸

13、的传递函数斗杆液压缸的缸径力=90、活塞杆直径=50切山、形成=585/加，活塞杆及负载的质量机=50Okgo1）活塞平均面积A=爪2%=(03-。6%=4.398乂1。一3疗2)容腔总容积匕=液压缸有效面积（活塞行程+阀至缸间管路折算距离）=A（H+0.015）=4.4010-3（0.585+0.015）=2.6410347108(4.40x10-3)22.64103500A2m3）液压缸固有频率=202.65式中用取7x104）液压阻尼比=0.0144emKte_71O85OO1r20.01(5106)V；XAM2.64x10-3*4.40x10-3-321.410-232阀芯直径QI=I

14、Omm,rc=5106m,=1.4102Pas由上，得斗杆液压缸传递函数GI(S)=227.37?20.0144TiS-+5+1(202.652202.65J3.2动227.32.43510-5+1.42110452+5臂液压缸的传递函数斗杆液压缸的缸径D=80%、活塞杆直径d=450m八形成H=660mn,活塞杆及负载的质量加=500伙o1）活塞平均面积A=Q-笛%=HOM_o45%=3.44x10.2）容腔总容积匕=液压缸有效面积(活塞行程+阀至缸间管路折算距离)=A(0.015)=3.4410-3其它环节传递函数(0.66+0.015)=2.32210-3m347108(3.44x10-3)22.32210-35003)液压缸固有频率=168.93