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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯
題目RPP平面連桿機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真
專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 078105102
學(xué) 生 姓 名 熊礽智
指 導(dǎo) 教 師 朱保利
填 表 日 期 2011 年 03 月 8 日
數(shù)控系統(tǒng)輔助液壓挖掘機(jī)的概念
摘要
數(shù)控系統(tǒng)輔助液壓挖掘機(jī)操作者的概念被提出和討論。然后，基于描述概念性的控制系統(tǒng)被安裝在專(zhuān)門(mén)的數(shù)控平臺(tái)上，平臺(tái)上配備D/A和A/D轉(zhuǎn)換器，已經(jīng)在小型液壓拉鏟挖掘機(jī)K-111的工裝上應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它能滿(mǎn)足所有描述的需求，并且能用于輔助機(jī)器操作員工作。它能為精密工具做引導(dǎo)，了解的運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)重復(fù)和特定工具軌道 (包括最佳的路徑)，還有自動(dòng)改進(jìn)或優(yōu)化路徑。工具軌道也能被規(guī)定使用設(shè)定模型，使挖掘機(jī)成為遙控操縱類(lèi)別的機(jī)器?，F(xiàn)行的系統(tǒng)能基本用于真機(jī)控制系統(tǒng)。1998 Elsevier 科學(xué) B.V. 版權(quán)所有。
關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；液壓挖掘機(jī)；工具軌道
1 介紹
重型機(jī)械的自動(dòng)化，包括液壓挖掘機(jī)在內(nèi)，始于20世紀(jì)七十年代中期并成為可能。這主要由于時(shí)實(shí)控制系統(tǒng)和高動(dòng)力性能的液壓元件的發(fā)明。第一臺(tái)配備若干機(jī)械電子系統(tǒng)的挖掘機(jī)被當(dāng)作模型展示，這是Orenstein 和 Koppel為BAUMA'83 展覽會(huì)準(zhǔn)備的未來(lái)的液壓挖掘機(jī)。自從那次以后，許多配備了自動(dòng)控制系統(tǒng)的器被展現(xiàn)和要求 如引擎操作，泵操作，機(jī)器工裝，機(jī)器診斷等等。這種系統(tǒng)帶來(lái)了真正的幫助和明顯的利潤(rùn)。舉例來(lái)說(shuō), 被裝備 LITRONIC 系統(tǒng)的 LIEBHERR R902挖掘機(jī)（對(duì)于挖溝機(jī)），對(duì)比沒(méi)有配備這種自動(dòng)控制系統(tǒng)的相同機(jī)型來(lái)說(shuō)，效率提高達(dá)40％成本降低30％。雖然一些機(jī)器的自動(dòng)系統(tǒng)（在一些情況下的優(yōu)化）發(fā)展的相當(dāng)快，但是直到現(xiàn)在主要的機(jī)器程序－推處理-沒(méi)有適當(dāng)?shù)睦斫夂兔枋?。它的自?dòng)化相當(dāng)?shù)挠邢蓿ㄈ缰貜?fù)運(yùn)動(dòng)和激光平行系統(tǒng)等等），并且優(yōu)化處理系統(tǒng)還沒(méi)有發(fā)展。比較新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地表明，優(yōu)化的工裝軌跡在連續(xù)材料情況下，工具的尖端不得不沿著前一個(gè)推擠過(guò)程形成的滑道運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上了解這樣的軌跡和真機(jī)，為工具的運(yùn)動(dòng)建立了一個(gè)特別的控制系統(tǒng)是必要的，這使得實(shí)現(xiàn)這樣的軌跡像實(shí)現(xiàn)其它幫助操作員實(shí)現(xiàn)其它任務(wù)一樣。考慮到日益加重的機(jī)器的發(fā)展，這種系統(tǒng)必須適應(yīng)數(shù)控電—液驅(qū)動(dòng)。經(jīng)核實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，這種控制系統(tǒng)的概念在這篇文章中提出。
2 工具軌跡的優(yōu)化
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[1，2]由于重型機(jī)械工裝的作用，在土壤運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，沿著滑線(xiàn)方向形成了剛性區(qū)域（清楚科技昂的裂紋）。沿著滑線(xiàn)方向，材料的參數(shù)改變了（初始的內(nèi)聚力C減小到殘余值接近Cr=0）。在簡(jiǎn)單工具推擠垂直墻的過(guò)程中，力轉(zhuǎn)移關(guān)系表明水平力隨著推擠垂直墻過(guò)程而增長(zhǎng)，但處在一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)。在力減弱的同時(shí)，一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制在工具作用結(jié)束而產(chǎn)生。這種機(jī)制周期的產(chǎn)生，而且能用塑性理論的可容學(xué)機(jī)制來(lái)描述[4－8]（如圖1）。
圖 1 年行土壤在水平工具向前推擠過(guò)程中的典型變形（在理論上）
下了很大的功夫作了描述土壤切削過(guò)程的塑性變形理論, 那里的問(wèn)題,積極施壓剛性壁對(duì)顆粒介質(zhì)(下平面應(yīng)變作出反應(yīng)) 被假設(shè)為簡(jiǎn)化模型土壤搡. 在這種情況下, 該方法的特點(diǎn)是采用〔3,9〕和若干理論方法(靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)) ,得下 假設(shè)剛性塑性土壤中的行為. 雖然一些邊值問(wèn)題解決這個(gè)方式 存在若干局限在獲取完整的解決方案,甚至運(yùn)動(dòng)學(xué)-根據(jù)十大受理的[9] 尤其是對(duì)于更先進(jìn)的地球切削過(guò)程. 另一種方法,基于動(dòng)準(zhǔn)予三方機(jī)制 建議后來(lái)[5]和應(yīng)用的描述更先進(jìn)地球搡鎢十大流程[ 6,7,10-12 ]。
讓我們討論推擠平面應(yīng)變剛性墻問(wèn)題，如圖1所呈現(xiàn)的。假設(shè)材料使剛塑性的并且服從庫(kù)倫－莫爾屈服準(zhǔn)則：
在這里，C----材料凝聚力，φ----內(nèi)部摩擦力。
流規(guī)則的形式：
在這里，G(σij)代表塑性潛力。
在發(fā)生時(shí)可能是描述的屈服準(zhǔn)則（如公式（1）），關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則是假設(shè),當(dāng)另一項(xiàng)功能被采用時(shí),流動(dòng)規(guī)律是不相關(guān)。
利用這種方法,并假定改變材料參數(shù)的滑移線(xiàn)[6，7], 不同動(dòng)受理解剛性壁搡過(guò)程中,才能提出和解決預(yù)測(cè)最小能量搜查。
對(duì)于形狀如“L”形的剛性墻的動(dòng)力學(xué)允許的解在圖1中體現(xiàn)，主要展示經(jīng)驗(yàn)觀察的結(jié)果。隨著進(jìn)程的進(jìn)展，橫向力愈來(lái)愈來(lái)不穩(wěn)定，并且當(dāng)這種力減少的時(shí)候，在工具的末端同時(shí)產(chǎn)生了動(dòng)力學(xué)機(jī)制，這種機(jī)制周期的產(chǎn)生。這種理論描述的預(yù)計(jì)情況和實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果比較吻合[ 6,7,10-12 ]。
考慮到實(shí)驗(yàn)觀察和理論的方法，試驗(yàn)的表示是可能的，一旦滑線(xiàn)在前后連續(xù)的材料里面產(chǎn)生，那么工具的尖端很可能沿著先前的產(chǎn)生的滑線(xiàn)運(yùn)動(dòng)[12]。實(shí)驗(yàn)在基于平面應(yīng)變的情況下的特殊實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成[1,12],應(yīng)用人工合成的材料，這種材料模仿粘土和其相應(yīng)的參數(shù)，這種材料由50％的水泥，20％的斑脫土，18％的砂子和白色的凡士林混合構(gòu)成。白色的凡士林的使用是為了得到粘性土壤，是土壤的參數(shù)不受空氣的溫度和液體流的影響，并且確保這些參數(shù)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持穩(wěn)定。
典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]，在圖2和圖4中展示出來(lái)，以相同的方法挖出相同等的材料（約60N）?！癓”形的工具以58的角模擬傾斜了現(xiàn)實(shí)過(guò)程（LA=180mm），是首先推入到一個(gè)特定的位置斜度（如圖2－b）。當(dāng)工具以45向前時(shí)，工具的尖端作用于材料的自由邊界，滑線(xiàn)就周期的被產(chǎn)生了。在下一個(gè)階段（縮回階段）工具的尖端沿著三個(gè)垂直的線(xiàn)運(yùn)動(dòng)（如圖2－c），伴隨著工具的旋轉(zhuǎn)，工具被挖起的材料填滿(mǎn)（如圖2－d）。那些直線(xiàn)傾斜的角度α＝30，40和50。α角的值是40和50的更接近工具的水平推擠過(guò)程形成的滑線(xiàn)的傾斜度（如圖2－c）。在如此的情況下，它的意思是工具的末端幾乎沿著滑線(xiàn)移動(dòng)，在滑動(dòng)過(guò)程中，材料的內(nèi)聚力c由于材料的軟化而急劇下降。
這些過(guò)程的具體能量適合不同的初步水平位移，在每次測(cè)試中選擇確定的相似的挖出量（600N）。如圖3所示，可以看出在α＝30的情況下，具體的能量單元比在α＝40和α＝50時(shí)都高（甚至高出100％）。然而，在進(jìn)行刀尖沿線(xiàn)傾斜的角度，類(lèi)似的角度滑線(xiàn)的傾向，填土過(guò)程的具體的能量可以大大減少。
圖 2 斜坡樣本的實(shí)驗(yàn)過(guò)程：（a）工具和斜坡模型；（b）過(guò)程的第一階段－水平移動(dòng)；
（c）軌跡變化和水平移動(dòng)發(fā)展階段；（d）過(guò)程的最后階段
圖 3 在兩相分明的軌跡情況下‘撤回線(xiàn)’在不同斜度下的具體工作值
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)生在粘性土推土過(guò)程中：（1）沿著滑線(xiàn)材料形成剛性區(qū)域，這里的材料參數(shù)極大的改變（內(nèi)聚力）；（2）機(jī)器的工具沿著先前產(chǎn)生的滑線(xiàn)移動(dòng)，推土過(guò)程極大的節(jié)省能量（填土工具）。這個(gè)觀察可能是填充過(guò)程的基礎(chǔ)。
3 算機(jī)輔助控制系統(tǒng)的基本
據(jù)之前顯示，在推土過(guò)程中分析土體變形的力學(xué)機(jī)理，可能決定刀具軌跡的優(yōu)化。然而，在連續(xù)的材料中產(chǎn)生了工具沿著滑線(xiàn)的自動(dòng)移動(dòng)，這必須成為被提倡的系統(tǒng)的一個(gè)重要選項(xiàng)。這也應(yīng)該成為精密工具的向?qū)?，自?dòng)重復(fù)已經(jīng)確認(rèn)的運(yùn)動(dòng)（例如“討論會(huì)”），實(shí)現(xiàn)一些手工不能實(shí)現(xiàn)的工具動(dòng)作等等。
考慮到對(duì)重型機(jī)器自動(dòng)化的經(jīng)驗(yàn)少，這樣的系統(tǒng)應(yīng)該被裝配在機(jī)器上來(lái)協(xié)助操作員，并且扮演決定性和控制性的角色。因此，在控制系統(tǒng)和操作員之間的適當(dāng)?shù)姆蛛x是必要的。
這種用于挖掘機(jī)上的控制系統(tǒng)是建立在實(shí)驗(yàn)室范圍上的，其基本假設(shè)可以闡述如下[13]，（1）控制中心的操作系統(tǒng)是基于兩個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的協(xié)作下的。第一個(gè)通過(guò)控制液壓缸的位置來(lái)控制機(jī)械夾具的運(yùn)動(dòng)。第二個(gè)為第一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生控制信號(hào)。（2）在標(biāo)準(zhǔn)工況下，夾具液壓缸的比例液壓閥通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制。直接的操作員控制僅在出現(xiàn)緊急情況下才能用。（3）機(jī)器環(huán)境和控制系統(tǒng)之間的反饋是通過(guò)操作員來(lái)實(shí)現(xiàn)的。他連續(xù)的參加機(jī)器夾具運(yùn)動(dòng)控制的過(guò)程中。（4）為了了解這種人工控制不能實(shí)現(xiàn)的工具運(yùn)動(dòng)，操作員有可能通過(guò)硬件或軟件來(lái)調(diào)整單個(gè)液壓缸的位移。（5）操作員有可能轉(zhuǎn)換夾具運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制來(lái)認(rèn)識(shí)特殊的工具軌跡。在這里，工具的尖端沿著滑線(xiàn)或特定的已經(jīng)確認(rèn)的或是事先存在的軌跡移動(dòng)。（6）優(yōu)化的工具軌跡也可以被認(rèn)為是操作員給定的軌跡的修正。（7）系統(tǒng)可以在考慮某些限制的基礎(chǔ)上來(lái)修正操作員說(shuō)給定的軌跡，如：幾何關(guān)系限制，泵的最大能力限制，泵的最大輸出限制和泵的最大功率限制等等。
現(xiàn)行的概念是基于操作員和控制系統(tǒng)之間的協(xié)作，這就是說(shuō)夾具的移動(dòng)是在控制系統(tǒng)修正下的操作員的控制或是在操作員的命下控制系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。
4 控制系統(tǒng)功能實(shí)例
控制系統(tǒng)基于上述理念被安裝在一個(gè)特殊的數(shù)控場(chǎng)合，配備有PC和C/A、A/C轉(zhuǎn)換器。在小型液壓挖掘機(jī)K-111的設(shè)備中有所應(yīng)用[14-17]。夾具利用液壓缸的位置控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾具的位移控制。夾具液壓缸位移是靠變量柱塞泵反饋的成比例液壓值來(lái)控制的。夾具液壓缸控制系統(tǒng)基于三個(gè)液壓控制系統(tǒng)，每個(gè)控制系統(tǒng)應(yīng)用PID或是狀態(tài)控制器，控制不同的液壓缸的位移[14]。
它可以用 工具軌跡計(jì)劃編制，測(cè)量作用力和位移，以及其它于夾具位移有關(guān)的量來(lái)控制夾具的位移。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)的獲得也是可行的。
當(dāng)建立控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該考慮的相當(dāng)重要的問(wèn)題之一是工具軌跡計(jì)劃編制的方法。這種方法（通常）從兩步來(lái)認(rèn)識(shí)[15],在第一步中，計(jì)劃和決定軌跡的形狀。在第二步中，軌跡曲線(xiàn)已決定性的方法按時(shí)間進(jìn)行參數(shù)化，這種決定性的方法把軌跡定義在廣義坐標(biāo)內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，推廣到廣義坐標(biāo)的時(shí)間描述機(jī)器構(gòu)造空間被決定。挖掘機(jī)在這種情況下，液壓缸的長(zhǎng)度都是相匹配的。然后，它們作為控制系統(tǒng)信號(hào)被用于重復(fù)計(jì)劃好的軌跡。有些系統(tǒng)能力描述如下。
4..1 工具沿著指定好的路線(xiàn)移動(dòng)
為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立的控制系統(tǒng)，在挖掘機(jī)工作空間或是在其構(gòu)造空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”技術(shù)用這種方法，坐標(biāo)的最初和最終的點(diǎn)以及足夠數(shù)量的特有的節(jié)點(diǎn)被定義。然后描述這個(gè)點(diǎn)的值被導(dǎo)入系統(tǒng)，而其余各點(diǎn)的軌跡的計(jì)算采用內(nèi)差值法。線(xiàn)性的或是三次多項(xiàng)式差值法被應(yīng)用。軌跡的時(shí)間參數(shù)化才能通過(guò)確定的軌跡運(yùn)行時(shí)間，以及其劃分個(gè)別路徑環(huán)節(jié)而被認(rèn)識(shí)?？紤]到系統(tǒng)計(jì)算液壓缸的速度的一些限制，測(cè)定兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的運(yùn)行時(shí)間（或者在最優(yōu)化的情況下）。
在這樣的標(biāo)準(zhǔn)挖掘施工情況下，很難精確實(shí)現(xiàn)軌跡，在這里同時(shí)移動(dòng)兩三個(gè)液壓缸是必要的。
4.2 工具運(yùn)動(dòng)建模
另一種控制裝置運(yùn)動(dòng)的方法控制建模，它有些象機(jī)器人上的控制單元，這種控制依靠幻影執(zhí)行。理解為運(yùn)動(dòng)學(xué)的重復(fù)或是機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)的模型[18]，配備有系統(tǒng)測(cè)量的移動(dòng)參數(shù)。以這種方式控制的挖掘機(jī)成了要控機(jī)器[19]。
設(shè)定模型是按K-111挖掘機(jī)裝置的1/10建立的模型，位于該板塊。三個(gè)電位計(jì)位于旋轉(zhuǎn)軸的模型單元里。來(lái)自這些電位計(jì)的信號(hào)允許我們決定裝置的構(gòu)造。機(jī)械底部提供的模型，限制了個(gè)別裝置元件，來(lái)自K-111挖掘機(jī)的轉(zhuǎn)角值。特別開(kāi)關(guān)啟動(dòng)系統(tǒng)。
設(shè)定模型是只能用于規(guī)劃中刀具的路徑，以及在其運(yùn)動(dòng)的刀具軌跡并用點(diǎn)的方法把它們記錄下來(lái)，當(dāng)以2下兩種情況下軌跡點(diǎn)被記錄：較以前的位置相比，液壓缸的總長(zhǎng)度增加到高于假設(shè)時(shí)；與前面的記錄時(shí)間相比時(shí)記錄的數(shù)據(jù)更晚時(shí)。
路徑的點(diǎn)在不包括斷點(diǎn)的定時(shí)間隔下被記錄。路徑的節(jié)點(diǎn)以相應(yīng)的裝置液壓缸的長(zhǎng)度來(lái)定義。其它的軌跡點(diǎn)的計(jì)算由計(jì)算機(jī)在構(gòu)造空間內(nèi)以插值法配置。不在軌跡上的點(diǎn)的計(jì)算依靠建模標(biāo)記。并可以忽視在區(qū)間的節(jié)點(diǎn)這相當(dāng)于若干采樣周期。這種軌跡的參數(shù)的實(shí)現(xiàn)是基于假設(shè)的液壓反饋輸出上的。因此，系統(tǒng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)的記錄和為裝置液壓缸位置控制系統(tǒng)而設(shè)定的決定點(diǎn)進(jìn)行操作（基于已經(jīng)描述的節(jié)點(diǎn)和假設(shè)輸出反饋）。
如果建模的裝置移動(dòng)變慢，對(duì)于適當(dāng)?shù)募僭O(shè)反饋輸出而言，真正的挖掘機(jī)裝置的移動(dòng)象模型移動(dòng)一樣。對(duì)于快速移動(dòng)來(lái)說(shuō)，路徑規(guī)劃的進(jìn)展的實(shí)現(xiàn)依靠真正的挖掘機(jī)的裝置。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于依靠建模來(lái)控制的裝置移動(dòng)在圖4中展示出來(lái)，在這里用建模來(lái)表示挖掘機(jī)裝置軌跡的階段被展現(xiàn)出來(lái)。虛線(xiàn)表示的是建模，實(shí)線(xiàn)表示真正的挖掘機(jī)裝置和涉及的節(jié)點(diǎn)路徑點(diǎn)。在那種情況下，按照假設(shè)反饋輸出，設(shè)置液壓缸位置控制系統(tǒng)的軌跡節(jié)點(diǎn)在圖4也有展示。建模的軌跡也就是機(jī)械裝置的軌跡，于可重復(fù)利用的值在圖5中展示。標(biāo)記成Jlw、Jlr和Jll的值是在移動(dòng)中意味著液壓缸位置（計(jì)劃的和確定的位置）是錯(cuò)誤的。
JxMax和JyMax表示水平方向和垂直方向的最大的不同。圖6表示的是液壓缸長(zhǎng)度建模（基本心好來(lái)源于固定線(xiàn)）的改變，并且計(jì)算K-111的裝置（虛線(xiàn)）液壓缸的改變控制系統(tǒng)，以及在移動(dòng)中的錯(cuò)誤響應(yīng)（點(diǎn)線(xiàn)）。并于隆隆聲的運(yùn)轉(zhuǎn)用指標(biāo)（w），臂（r）和鏟斗（l）標(biāo)記。
圖4 應(yīng)用建模描述挖掘機(jī)裝置軌跡的連續(xù)階段
建模信號(hào)的運(yùn)行和真實(shí)裝置設(shè)置點(diǎn)之間的不同源于基于假設(shè)反饋輸出的時(shí)間參數(shù)化的方法（建模的移動(dòng)超過(guò)真實(shí)裝置的可能的移動(dòng)）。
4.3 沿著直線(xiàn)的工具移動(dòng)
在當(dāng)前的情況下，裝置的液壓缸的同時(shí)移動(dòng)通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，這意思就是通過(guò)建模實(shí)現(xiàn)。它也可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這意思是通過(guò)機(jī)器操作者實(shí)現(xiàn)（用專(zhuān)門(mén)的按鈕）。機(jī)器在任意工作空間內(nèi)，工具水平或垂直切削角度保持為常數(shù)。在構(gòu)造空間內(nèi)，以點(diǎn)的方法描述工具路徑。此外，機(jī)器操作者可以決定移動(dòng)速度。速度靠控制系統(tǒng)考慮輸出反饋的情況下保證正確。水平運(yùn)動(dòng)的控制結(jié)果在圖7和圖8中表示出來(lái)。切削工具的軌跡在圖7中表示出來(lái)。他們假設(shè)反饋的計(jì)算長(zhǎng)度以點(diǎn)線(xiàn)表示出來(lái)。工具軌跡的時(shí)間參數(shù)化方法于建模相似，看起來(lái)操作者給的速度太高，并且系統(tǒng)修正的液壓缸移動(dòng)適時(shí)的與假設(shè)輸出反饋相保持。工具沿著斜線(xiàn)移動(dòng)的例子在圖9和圖10中展示出來(lái)。在圖中工具軌跡和相應(yīng)液壓缸被畫(huà)出來(lái)，這樣的移動(dòng)以水平和垂直運(yùn)動(dòng)之和來(lái)實(shí)現(xiàn)（斜線(xiàn)以水平和垂直速度來(lái)合成）。例如，沿著斜線(xiàn)的軌跡可以在推擠過(guò)程的退回階段沿著滑線(xiàn)或自動(dòng)形成，使得土壤陡坎。
圖5 建模的路徑（Xu，Yu）和機(jī)器裝置路徑（X，Y）描述的軌跡
圖6 建模中液壓缸的長(zhǎng)度變化（實(shí)線(xiàn)），控制系統(tǒng)計(jì)算的液壓缸的長(zhǎng)度（虛線(xiàn)），在裝置移動(dòng)中的錯(cuò)誤的響應(yīng)（點(diǎn)線(xiàn)）。
圖7 水平運(yùn)動(dòng)的切削工具軌跡
圖8 指示速度的裝置液壓缸的計(jì)算長(zhǎng)度（實(shí)線(xiàn)）和反饋輸出的假設(shè)計(jì)算長(zhǎng)度（點(diǎn)線(xiàn)）
圖9 傾斜移動(dòng)的切削工具軌跡
圖10指示速度的裝置液壓缸的計(jì)算長(zhǎng)度（實(shí)線(xiàn)）和反饋輸出的假設(shè)計(jì)算長(zhǎng)度（點(diǎn)線(xiàn)）
4.4 沿著滑線(xiàn)的工具的自動(dòng)移動(dòng)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的土壤搡過(guò)程顯示，預(yù)計(jì)理論滑線(xiàn)的位置合周期的優(yōu)化工具軌跡是可能的?？梢栽隍?yàn)室情況下的均勻材料中實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)實(shí)情況下，當(dāng)材料不是均勻的或是不好定義的時(shí)，材料的滑線(xiàn)必須自動(dòng)的被探測(cè)?；€(xiàn)探測(cè)的自動(dòng)化過(guò)程是基于觀察的，當(dāng)工具開(kāi)始穿透稠密的材料時(shí)，作用在工具上的水平力的增加時(shí)可以觀察的。這種情況也發(fā)生在當(dāng)工具尖端從沿著滑線(xiàn)（這里的物質(zhì)密度相當(dāng)?。┫驔](méi)有動(dòng)過(guò)的材料（滑線(xiàn)上下沒(méi)有改變的材料）移動(dòng)時(shí)。然而，推力增加的觀察能被用于滑線(xiàn)的探測(cè)。這個(gè)過(guò)程在下面簡(jiǎn)要介紹和實(shí)現(xiàn)。
切削工具的移動(dòng)時(shí)水平、垂直合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成，并且的水平反作用力被測(cè)量和跟蹤。首先，當(dāng)水平力下降時(shí)，工具水平向前移動(dòng)，同時(shí)伴隨滑線(xiàn)系統(tǒng)從末端產(chǎn)生，一個(gè)特別的過(guò)程（以旋轉(zhuǎn)工具為例）被實(shí)現(xiàn)。然后，當(dāng)水平力增加并且超過(guò)定義值時(shí)。工具按照指定的位移值垂直運(yùn)動(dòng)，并且再進(jìn)行水平移動(dòng)（工具的旋轉(zhuǎn)被增加）。如果這樣，工具再一次垂直運(yùn)動(dòng)（按照所描述的位移），并且然后水平運(yùn)動(dòng)等等，這樣工具的尖端自動(dòng)沿著滑線(xiàn)移動(dòng)（以步進(jìn)方式）。
初步測(cè)試的結(jié)果在圖11和圖12中展示出來(lái)。作為一個(gè)簡(jiǎn)化的模型，工具沿著土壤陡坡傾斜0.61rad的可能被調(diào)查。為了定義水平力的最大值和定義垂直位移，控制系統(tǒng)自動(dòng)沿著陡坡跟隨工具。橫向力于橫向位移和工具軌跡進(jìn)行滑線(xiàn)偵察在圖11中展示。圖11的部分放大在圖12中展示，圖12展示了控制系統(tǒng)的作用。
圖11橫向力與橫向位移和刀具軌跡進(jìn)行滑移線(xiàn)偵查
圖12 圖11的部分放大圖
5 總結(jié)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的控制系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足上述所有要求的描述,可以用來(lái)作為機(jī)床操作協(xié)助。自動(dòng)重復(fù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，專(zhuān)用工具（包括高度優(yōu)化路徑）軌跡的實(shí)現(xiàn)和自動(dòng)改進(jìn)或?qū)崿F(xiàn)路徑的優(yōu)化。工具軌跡也可以用建模來(lái)規(guī)定，使挖掘機(jī)成為遙控機(jī)器。現(xiàn)行的系統(tǒng)能作為真實(shí)機(jī)器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
致謝
這個(gè)研究得到了KBN7T07C00412工程‘用于挖掘機(jī)這類(lèi)重型機(jī)械的土壤搡過(guò)程的優(yōu)化’的贊助，并在基爾科技大學(xué)實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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19、M. Olszewski, Industrial robots and manipulators, WNT
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
題 目： 節(jié)能液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
起 止 時(shí) 間：
學(xué) 生 姓 名：
班 級(jí)：
指 導(dǎo) 老 師：
系/室 主 任：
論文 (設(shè)計(jì)) 內(nèi)容及要求：
一、 論文內(nèi)容
《節(jié)能型液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)》。按照挖掘機(jī)工作裝置和各個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)要求，把各種液壓元件用管路有機(jī)地連接起來(lái)的組合體，稱(chēng)為挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)。其功能是，以油液為工作介質(zhì)，利用液壓泵將發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗懿⑦M(jìn)行傳送，然后通過(guò)液壓缸和液壓馬達(dá)等將液壓能轉(zhuǎn)返為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的各種動(dòng)作。
二、 論文基本要求
基本要求：液壓挖掘機(jī)的動(dòng)作復(fù)雜，凡要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)、換向、負(fù)載變化大，沖擊和振動(dòng)頻繁，而且野外作業(yè)，溫度和地理位置變化大，因此根據(jù)挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn)，液壓系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：
1）要保證挖掘機(jī)動(dòng)臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨(dú)動(dòng)作，也可以互相配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合動(dòng)作。
2）工作裝置的動(dòng)作和轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)既能單獨(dú)進(jìn)行，又能作復(fù)合動(dòng)作，以提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)率。
3）履帶式挖掘機(jī)的左、右履帶分別驅(qū)動(dòng)，使挖掘機(jī)行走方便、轉(zhuǎn)向靈活，并且可就地轉(zhuǎn)向，以提高挖掘機(jī)的靈活性。
4）保證挖掘機(jī)的一切動(dòng)作可逆，且無(wú)級(jí)變速。
5）保證挖掘機(jī)工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)等）有良好的過(guò)載保護(hù)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走裝置有可靠的制動(dòng)和限速；防止動(dòng)臂因自重而快帶下降和整機(jī)超速溜坡。
三、 寫(xiě)作要求
1）.小型液壓挖掘機(jī)技術(shù)參數(shù)：
整機(jī)質(zhì)量：6000kg ；標(biāo)準(zhǔn)斗容量：0.25m3； ；發(fā)動(dòng)機(jī)功率：60kW； 鏟斗寬度：800mm 最大挖掘深度：3500mm ； 最大挖掘深5800mm；最大挖掘半徑：6000mm ； 最大卸載高度：3600mm ； 液壓系統(tǒng)工作壓力：28Mpa； 最大流量：63x2L/min ；
爬坡度：27.8最大牽引力：48kN；最大行走速度：5km/h ； 最低行走速度：3km/h ；外形尺寸（長(zhǎng)x寬x高）：7800x2100x2620 mm
2）.對(duì)小型液壓挖掘機(jī)的行走底盤(pán)確定其形式并設(shè)計(jì)其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)；
3）.對(duì)小型液壓挖掘機(jī)的行走底盤(pán)的零、部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)；
4）.圖紙要求：CAD繪圖：小型液壓挖掘機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的總裝圖0#號(hào)1張，液壓挖掘機(jī)行走裝置裝配圖0號(hào)圖紙1張，履帶板零件圖0號(hào)圖紙2張；共計(jì)圖紙折合成0#號(hào)圖3張以上。
5）．畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的字?jǐn)?shù)不少于1.5萬(wàn)字，文字要通順、語(yǔ)言流暢。譯文3000漢字。
四、 時(shí)間要求
論文于2010年1月3日開(kāi)始至2010年6月3日結(jié)束。
指導(dǎo)老師：
2010 年 1 月 5 日
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
設(shè)計(jì)題目
節(jié)能型液壓挖掘機(jī)的液壓裝置的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)題目來(lái)源
自選課題
設(shè)計(jì)題目類(lèi)型
機(jī)械工程設(shè)計(jì)
起止時(shí)間
2010.01.01-2010.06.20
一. 設(shè)計(jì)（論文）依據(jù)及研究意義：
液壓挖掘機(jī)作為工程機(jī)械的一個(gè)重要品種，對(duì)于減輕工人繁重的體力勞動(dòng)，提高施工機(jī)械化水平，加快施工進(jìn)度，促進(jìn)各項(xiàng)建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都起著很大的作用。據(jù)建筑施工部門(mén)統(tǒng)計(jì)，一臺(tái)斗容量為1.0m3的液壓挖掘機(jī)挖掘I～I(xiàn)V級(jí)土壤時(shí)，每班生產(chǎn)率大約相當(dāng)于300～400個(gè)工人一天的工作量。由此可見(jiàn)液壓挖掘機(jī)在土方施工當(dāng)中有著重要作用。
隨著液壓技術(shù)的不斷完善，能源危機(jī)的加劇，節(jié)能型液壓挖掘機(jī)特別是履帶式底盤(pán)中小類(lèi)型挖掘機(jī)受到市場(chǎng)消費(fèi)者的追捧，由于其質(zhì)量輕，體積小，接地比壓低，挖掘力大，實(shí)用于各種地面松軟，空間狹小環(huán)境作業(yè)，其通用性非常廣泛。介于這種小型節(jié)能液壓履帶式挖掘機(jī)市場(chǎng)需求潛力大，我們提出設(shè)計(jì)研究6噸型號(hào)履帶式挖掘機(jī)設(shè)計(jì)任務(wù)。本人從事液壓挖掘機(jī)的液壓裝置項(xiàng)目設(shè)計(jì)。液壓器件以及原理圖主要以中聯(lián)重科挖掘機(jī)，泵車(chē)為藍(lán)本，經(jīng)過(guò)篩選而設(shè)計(jì)的。
二.設(shè)計(jì)（論文）主要研究?jī)?nèi)容、預(yù)期目標(biāo)：（技術(shù)方案、路線(xiàn)）
1. 挖掘機(jī)液壓工作原理設(shè)計(jì)(及液壓原理圖設(shè)計(jì))。
2.挖掘機(jī)各搖臂，液壓缸力學(xué)等參數(shù)求算。
3.挖掘機(jī)液壓元件選用，根據(jù)主泵，液壓缸，液壓鎖，液壓馬達(dá)，液壓換向開(kāi)關(guān)等液壓元件工作環(huán)境需要選用不同品牌產(chǎn)品(如主泵選用德國(guó)力士樂(lè)品牌).
三、設(shè)計(jì)（論文）的研究重點(diǎn)及難點(diǎn)：
重點(diǎn)
1.液壓原理圖設(shè)計(jì)
2. 主泵排量，壓力，控制壓力，油缸等液壓設(shè)備壓強(qiáng)計(jì)算和校核
3.液壓元件選用
4.組裝后主泵排量，壓力，控制油路壓力，以及各種溢流閥，減壓閥的壓力調(diào)試
難點(diǎn)
1,協(xié)調(diào)液壓挖掘機(jī)工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走機(jī)構(gòu)外形尺寸與挖掘機(jī)性能參數(shù)之間的矛盾.
2.保證挖掘機(jī)平衡及穩(wěn)定性，盡量提高液壓挖掘機(jī)的挖掘能力.
3.在提高工作效率的同時(shí)能達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求。
四、設(shè)計(jì)（論文）研究方法及步驟（進(jìn)度安排）：
1.2009年底至2010年初通過(guò)老師對(duì)小型履帶挖掘機(jī)的講解，以及中聯(lián)重科工廠實(shí)習(xí)加深對(duì)這一課程的認(rèn)識(shí)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，圖書(shū)館，書(shū)店查找相關(guān)資料，為開(kāi)題報(bào)告做準(zhǔn)備。
2.1月16日～3月1日查找收集資料，消化資料，學(xué)習(xí)CAD軟件極其proe等機(jī)械制圖軟件為完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的制圖做準(zhǔn)備。
3.3月2日～4月15日對(duì)挖掘機(jī)液壓原理圖設(shè)計(jì)。
4.4月16日～5月12日油缸壓強(qiáng)與主泵排量壓強(qiáng)計(jì)算和校核。
5.5月9日～5月20日專(zhuān)題研究。
6.5月21日～5月29日編寫(xiě)說(shuō)明書(shū)，整理資料，準(zhǔn)備答辯
五、進(jìn)行設(shè)計(jì)（論文）所需條件：
1、 裝有AutoCAD、Office軟件的聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)一臺(tái)
2、 與設(shè)計(jì)所需理論技術(shù)相關(guān)的書(shū)籍和資料
3、 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，《液壓零件手冊(cè)》等
主要參考文獻(xiàn)
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[10]《工程機(jī)械》、《建筑機(jī)械化》等有關(guān)學(xué)術(shù)雜志在近年來(lái)發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)。
六、指導(dǎo)老師意見(jiàn)：
簽名： 年 月 日
摘要
挖掘機(jī)使用于建筑工地的很寬的方面，從挖掘與土壤移動(dòng)操作到需要一個(gè)可選的附加的叫破碎器的破巖任務(wù)。它們普通結(jié)構(gòu)包含一個(gè)行駛裝置，回轉(zhuǎn)裝置和一個(gè)前面的工作裝置。動(dòng)臂（boom），斗桿（arm），鏟斗（bucket），是組成挖掘機(jī)前面工作裝置三個(gè)主要連接體?；剞D(zhuǎn)裝置，動(dòng)臂，斗桿，和鏟斗的運(yùn)動(dòng)是挖掘機(jī)?？康那闆r下工作時(shí)最頻繁的運(yùn)行。在本論文當(dāng)中，主要介紹了動(dòng)臂、斗桿、鏟斗的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算，包括運(yùn)動(dòng)分析。使用了自己編寫(xiě)小的視窗應(yīng)用程序來(lái)執(zhí)行一部分計(jì)算任務(wù)。
關(guān)鍵詞：挖掘機(jī)；動(dòng)臂；斗桿；鏟斗；工作裝置；Visual C++
Abstract
Excavators are used in a wide variety of ways in construction fields, from digging and soil-moving operations to rock-breaking tasks that require an optional attachment called a breaker. Their common structure consists of a traveling body, a swing body and a front manipulator. The boom, arm and bucket, are three main links comprising the front manipulator of an excavator. Swing, boom, arm and bucket motions are the most frequent motions of an excavator when it works in a parked condition. In this paper, design calculation, including movement analyses, is mainly talked about. Some of the calculation tasks use small windows application programs, which are written by myself.
Key words：Excavator；boom；arm；bucket；manipulator；Visual C++
目錄
引 言---------------------------------------------------------1
1 緒 論
1.1 中國(guó)挖掘機(jī)市場(chǎng)現(xiàn)狀 1
1.2 小挖掘機(jī)的特點(diǎn)----------------------------------------------2
1.4 挖掘機(jī)的類(lèi)型 3
1.5 液壓挖掘機(jī)基本結(jié)構(gòu)和其選擇 4
2 液壓挖掘機(jī)總體設(shè)計(jì)方案 6
2.1 本設(shè)計(jì)方案確定 6
2.1.1 所選挖掘機(jī)型式 6
2.1.2 單斗挖掘機(jī)的特點(diǎn) 6
2.1.3 所選機(jī)型的適用范圍 7
2.2 液壓挖掘機(jī)的主要參數(shù)和選擇 7
2.2.1 總體設(shè)計(jì)內(nèi)容 7
2.2.2 單斗液壓挖掘機(jī)的基本參數(shù) 7
2.2.3 選擇確定液壓挖掘機(jī)主要參數(shù)的基本依據(jù) 8
2.3 基本數(shù)據(jù)計(jì)算 8
2.3.1標(biāo)準(zhǔn)斗容與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系 8
2.3.2挖掘力與整機(jī)質(zhì)量的關(guān)系 10
2.3.3工作尺寸與整機(jī)質(zhì)量關(guān)系 12
3 液壓挖掘機(jī)的反鏟裝置 13
3.1 動(dòng)臂及斗桿的結(jié)構(gòu) 13
3.2 動(dòng)臂缸和斗桿缸的布置 15
3.3 鏟斗與鏟斗缸的連接方案 16
3.4 鏟斗結(jié)構(gòu)﹑斗形及斗容量計(jì)算 17
4 回轉(zhuǎn)裝置 19
4.1 回轉(zhuǎn)裝置概述 19
4.1.1 回轉(zhuǎn)裝置的組成 19
4.1.2 對(duì)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的基本要求 19
4.2 回轉(zhuǎn)支承的構(gòu)造和特點(diǎn) 20
4.2.1 轉(zhuǎn)柱式回轉(zhuǎn)支承的構(gòu)造和特點(diǎn) 20
4.2.2 滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承的構(gòu)造和特點(diǎn) 21
4.2.3 滾動(dòng)軸承式回轉(zhuǎn)支承的系列標(biāo)準(zhǔn) 21
4.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 21
4.3.1 傳動(dòng)方式及其特點(diǎn) 22
4.3.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的類(lèi)型確定 22
4.4 轉(zhuǎn)臺(tái) 25
4.4.1 轉(zhuǎn)臺(tái)平衡的確定 25
4.4.2 轉(zhuǎn)臺(tái)配重的確定 26
4.5 單斗液壓挖掘機(jī)的穩(wěn)定性 27
4.5.1 穩(wěn)定性驗(yàn)證的條件 27
4.5.2 穩(wěn)定性 27
4.5.3 穩(wěn)定性的計(jì)算 28
5 行走裝置 29
5.1 液壓挖掘機(jī)行走裝置介紹 29
5.2 履帶式行走裝置的結(jié)構(gòu)布置和傳動(dòng)方案 31
5.2.1 履帶式行走裝置的構(gòu)造 32
5.2.2 履帶行走裝置的傳動(dòng)方式 33
5.2.3 履帶行走裝置參數(shù)的確定 36
6 液壓系統(tǒng) 41
6.1 液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)介紹 41
6.1.1 基本要求 41
6.1.2液壓挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的基本類(lèi)型與特點(diǎn)--------------------- 42
6.1.3系統(tǒng)的工作需要和工況分析 43
6.3液壓執(zhí)行元件設(shè)計(jì)與計(jì)算 43
6.3.1 液壓泵設(shè)計(jì)與計(jì)算 44
6.3.2 液壓缸設(shè)計(jì)與計(jì)算 45
6．3．3回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)與計(jì)算------------------------------47
6.3.4行走液壓馬達(dá)設(shè)計(jì)與計(jì)算--------------------------------50
6.4液壓系統(tǒng)最終方案的擬定 52
參考文獻(xiàn)------------------------------------------------------------------------------------53
致謝 54