装载机工作装置液压缸驱动函数的建立.pdf

2 0 1 0年 1月 第 3 8 卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I C S J a n ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ．1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 1 ． 0 2 9 装载机工作装置液压缸驱动函数的建立 张辉 ，张俊俊 西南科技 大学制造科学与工程 学院，四川绵阳 6 2 1 0 1 0 摘要动臂缸和转斗缸是装载机工作装置的关键部件，也是整个系统的驱动部件，工作装置的各种工作位置由动臂缸 和转斗缸的长度共同决定。建立了工作装置模型，通过对其模型进行运动学分析，计算出各工作位置的油缸的长度 ，从而 建立了液压缸的驱动函数 ，这对研究工作装置的虚拟样机及其动力学系统仿真非常重要。 关键词装载机工作装置 ；液压缸驱动函数；运动学分析；阶跃函数 中图分类号T H1 1 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 0 9 0 2 ， ， The Es t a bl i s h m e n t o f t he Hy dr a u l i c Cy l i nd e r Dr i v i ng Fun c t i o n f o r W o r k i ng De v i c e o f th e Lo a d e r Z HAN G Hu i 。Z HANG J u n i a n S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Mi a n y a n g S i c h u a n 6 2 1 0 1 0 ，C h i n a Ab s t r a c t B o o m c y l i n d e r a n d t i l t i n g c y l i n d e r a r e t h e k e y c o mp o n e n t s o f t h e wo r k i n g d e v i c e o f l o a d e r ， an d t h e d r i v e c o mp o n e n t s o f e n t i r e s y s t e m． T h e v a r i e t y o f w o r k i n g l o c a t i o n s o f t h e wo r k i n g d e v i c e a r e d e c i d e d b y t h e l e n g t h s o f b o o m b u c k e t c y l i n d e r an d t i l t i n g c y l i n d e r t o g e t h e r ． T h e w o r k i n g d e v i c e mo d e l w a s e s t a b l i s h e d ． T h e l e n g t h o f t h e c y l i n d e r i n e a c h w o r k i n g l o c a t i o n s w a s c a l c u l a t e d t h reu s h t h e k i n e ma t i c s a n a l y s i s ． T h e h y d r a u l i c c y l i n d e r d r i v i n g f u n c t i o n Was e s t a b l i s h e d w h i c h i s v e r y i mpo r t an t t o s t u d y t h e v i r t u al p r o t o t y p e and t o s i mu l a t e t h e d y n a mi c s s y s t e m o f w o r k i n g d e v i c e ． Ke y wo r d s Wo r k i n g d e v i c e o f t h e l o a d e r ；Hy d r a u l i c c y l i n d e r d r i v i n g f u n c t i o n ；K i n e ma t i c s a n aly z i n g；S t e p f u n c t i o n 动臂缸和转斗缸是装载机工作装置的关键部件， 不仅是工作装置最薄弱的环节，也是整个系统的驱动 部件 ，所 以建立液压缸的驱动函数对研究工作装置 的 虚拟样机及其动力学系统仿真具有重要意义。 1 工作装置分析模型 图1 反转六杆机构模型 以反转六杆机构工作装置为例进行分析，选择前 车架作为该机构的运动参考体系，在 C A D中建立如 图 1 所示的平面直角坐标系。其活动构件数 8 ，低 副数 1 1 ，高副数0 ，所以反转六杆机构的工作装 置 自由度 2 。 当转斗缸 闭锁 时 ，动臂在动臂缸的作用下举升 或 下降铲斗，此时该工作装置 自由度为 1 ，动臂缸为原 动件 ；当动臂缸闭锁时，动臂处于某一特定作业位置 不动 ，在转斗缸作用下，通过平面六杆机构使铲斗绕 铰接点转动 ，此时工作装置 自由度为 1 ，转斗缸为原 动件 。 2 运动学分析 2 ． 1 工况分析 通常认为工作装置的作业过程为 开动装载机使 铲斗插入料堆一边插入边提升铲斗到运输高度一运 输一动臂举升到上限位置一转斗卸载一动臂下降回到 初始状态。为方便研究，假设一次只有一种油缸动 作 ，即动臂油缸 和转 斗 油缸 不 同时 作业 ，即 “ 边 插 入边提升铲斗到运输高度”分解为先是转斗缸伸长 完成收斗动作 ，然后动臂缸伸长提升铲斗到运输高 度 。 因此，工作装置完成一个作业循环过程为 初始 铲装状态一铲斗收斗一提升铲斗到运输高度一动臂举 收稿 日期 2 0 0 8 0 1 1 9 基金项目四川省教育厅 自然科学重点项目 0 ．5 1 1 3 1 作者简介 张辉 1 9 8 4 一 ，男 ，硕士研究生 ，主要从事虚拟样 机技术 的研究 。电话 1 3 8 8 1 1 0 0 5 8 4，E ma i l z h a n g h u i 2 0 4 6 1 2 6 ． e o m。 第 1 期 张辉 等装载机工作装置液压缸驱动函数的建立 9 1 升 到上 限位置一转 斗卸载一 动臂 下降 回到初 始状 态。 可分为 以下几种工况 1 插入工况 。动臂 下 放处 于下 限位 置 ，铲斗 放置于地面，斗尖触地 ，开动地下铲运机 ，使铲斗插 入料堆 。 2 铲装工况。铲斗插入料堆后，转动铲斗铲 取物料 ，操作转斗缸实现收斗作业过程 。然后转斗缸 闭锁，举升动臂，将铲斗升高到适当的运输位置。 3 举升工 况 。当铲 斗 达到 卸 载地 点 后 ，举 升 动臂缸使动臂转动到适当的卸载位置。 4 卸 载工况 。在 卸载 点 ，动 臂缸 闭 锁 ，操 作 转斗缸使铲斗翻转，向固定料仓或运输车辆卸料。 5 动臂下降工况。铲斗在最高举 升位置卸载 后，转斗缸闭锁保持其长度不变，操作动臂缸将动臂 放至铲掘位置 ，实现铲斗自动放平性。 2 ． 2 主要 工作位 置 工作装置的各种工作位置由动臂缸和转斗缸的长 度共 同决定 。图 2是用 C A D按 Z L 5 0轮式装 载机技术 参 数绘制的工作装置主要工作位置状态 图 ，表 1 给 出 了各位置状态的液压缸长度和铲斗角。某些参数没能 达 到要求 ，需要 进一步 的优化 ，如 图 d中的卸载距 离 1 0 7 0 m m，技术参数是 1 1 0 0 m m 。 a 下限 收斗 位景 b 运输 位 置 c 举 升 上 限位 置 d 卸 载位 景 图2 工作装置主要工作位置图 表 1 工作装置主要工作位置状态 3建立液压缸驱动函数 工作装置的作业循环过程是由液压缸行程变化驱 动完成 的，分析各工作位置 的油缸长度就可 以得 到油 缸行程的阶跃函数。表 2是液压缸完成各动作的行 程 。 表 2液压 缸行程 转斗缸行程／ m m 动臂缸行程／ m m 对工作装置进行仿真优化就需要将驱动建立成特 定的运行函数形式，以便更加真实地反映实际的激励 情况。阶跃函数和脉冲函数是最常用的驱动函数形 式。在 A D A MS ／ S o l v e r 中，S T E P 三次多项式逼近阶 跃 函数 和 S T E P 5 五 次多 项式 逼 近 阶跃 函数 具 有特定 的频率 响应 特 性被 广 为采 用。形 式为 S T E P x ，B e g i n A，I n i t i a l F u n c t i o n V al u e ，E n d A t ，F i n al F u n c t i o n V al u e ，其 中 是 自变 量 。当 小 于初 始值 时，函数取值为 I n i t i a l F u n c t i o n V al u e ；当 大于终止 值时，函数取值为 F i n a l F u n c t i o n V a l u e ；当 在初始 值和终止值之间时，函数依据一定规律光滑过渡，不 会出现数值过渡突变 、微分值不连续的情况。文中的 研究方法 ，是利用由阶跃函数构成的脉冲函数 S T E P T I ME，T I M E 1 ，F 1 ，T I ME 2 ，F 2 来 控 制油 缸 的运 动。表 3 是在虚拟样机仿真过程中设定的驱动约束函 数 一 。 表 3 液压缸驱动约束 函数 铲斗缸函数 提升缸函数 S T E P t i m e ， 0 ， 0 ， 1 ， S T E P t i m e ， 1 ， 1 9 6 ， 5 ， S T E P t i m e ， 5， 一1 3 0 ， 7 ， S T E P t i me ， 7 ， 0 ， 1 1 ， 0 S T E P t i m e ， 0 ， 0 ， 1 ， S T E P t i m e ， 1 ， 0 ， 1 ． 5 ， S TE P t i m e ， 1 ． 5 ， 8 0 ， 5 ， S T E P t i m e ， 5 ， 7 1 7 ， 7 ， s TE P t i m e ， 7 ， 7 1 7 ， 1 1 ， 0 4结论 工作装置的动作是由动臂缸和转斗缸运动共同完 成的，建立了工作装置模型，并对其进行运动学分析， 下转第 1 1 9页 ． ． 第 1 期 鲜鸿雄 等并联运动机床现状与关键技术研究综述 1 1 9 对并联运动机床的关键技术进行了总结，提出了目前 存在 的问题 以及解决方法 。随着世界各 国对并联 运动 机床的深入研究 ，并联运动机床性能价格 比和精度等 都将不 断地提 高 ，在未来数控领域里 ，并联运动 机床 必将得 到广 阔地发展 。 参考文献 【 1 】 蒋大申． 未来的机床[ J ] ． 机械制造， 1 9 9 5 1 2 5 6 ． 【 2 】周延佑， 林益耀． 发展中的六条腿机床 [ J ] ． 机械制造 1 9 9 8 ， 3 6 1 0 48 ． 【 3 】S t e w a r t D． A P l a t f o r m w i t h S i x D e g r e e s o f F r e e d o m[ C] ／ ／ P r o c ． I n s t ．o f Me c h ． En gr．， L o n d o n， E n g l a n d， 1 9 6 5，1 8 0 37138 6． 【 4 】C l a v e l R ， D E L T A ． A f a s t r o b o t w i t h p a r a l l e l g e o m e t r y [ c ] ／ ／ P r o e ． o f t h e I n t ．S y mp ．o n I n d u s t ria l Ro b ，S wi t z e r l a n d， 1 988 911 00． 【 5 】郭祖华． 并联数控刀具磨床的动力学优化设计[ D ] ． 北 京 北京航空航天大学 ， 2 0 0 1 ． 1 2 ． 【 6 】中国国际招标网 h t t p ／ ／ w w w ． c h i n a b i d d i n g ． C O B ． 【 7 】慧聪机床网 h t t p ／ ／ i n fo ． m t ． h c 3 6 0 ． c o m ． 【 8 】 李华峰， 丁洪生 ， 何小妹， 等． B K X I 变轴机床开放式数 控系统软件的开发 [ J ] ． 机床 与液压， 2 0 0 6 2 1 9 1一 l 93． 【 9 】程丽， 高建设 ， 赵云峰． 五自由度并联机床数控系统软件 开发[ J ] ． 燕山大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 2 3 2 0 1 2 0 4 ． 【 1 0 】乔俊伟， 詹永麟． 六 自由度并联平台结构参数优化 [ J ] ． 机械设计， 2 0 0 0 ， 1 1 3 4 3 4 5 ． 【 1 1 】杨晓钧， 王知行， 钟诗胜． 基于工作空间和灵活性的并 联机床结构参数优化设计 [ J ] ． 机械与电子 ， 2 0 04 2 1 4一l 7． 【 1 2 】G a o J ， We b b P ， G i n d y N ． R e s e a r c h o n a n i n e r t i a l p o s i t i o n i n g s y s t e m f o r a p aral l e l k i n e ma t i c m a c h i n e [ J ] ． Me c h a t r o n i c s， 2 00 5， 1 5 12 2． 【 1 3 】张立新 ， 黄玉美， 韩旭熠， 等． 新型并联机床曲面加工的 运动控 制与后置 处理算法 [ J ] ． 机 械科学与技 术， 2 0 0 7 ， 2 6 5 6 4 3 645 ， 649 ． 【 1 4 】 郭宗和 ， 孙术华， 郝秀清， 等． 3 - P u u 三维平动并联机器 人的位置分析及其仿真 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 6 ， 1 7 1 7 1 7 8 71 7 8 9 ． 【 1 5 】贺利乐． 六 自由度并联杆系机床位置正解的研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 04 1 2 6 7 7 0 ． 【 1 6 】陈基民． 数值计算方法[ M] ． 上海 上海大学出版社， 2 0 07 1 00． 【 l 7 】孟祥志， 刘志峰， 蔡光起， 等． 基于加工空间的并联数控 机床参数优化[ J ] ． 东北大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 2 6 4 2 7 9 2 8 2 ． 【 l 8 】B h a s k a r D a s g u p t a ， T ． S ． M r u t h y u n j a y a ． C l o s e d fo r m d y n a mi c e q u a t i o n s o f t h e g e n e r a l S t e w a rt p l a t f o rm t h r o u g h t h e N e w t o n - E u l e r A p p r o a c h [ J ] ． Me c h a n i s m a n d Ma c h i n e T h e o r y ， 1 9 9 8 ， 3 3 7 9 9 31 0 1 2 ． 【 l 9 】 张建政， 刘伟， 高峰． 6 - P S S 并联机器人动力学模型的 牛顿一欧拉方法 [ J ] ． 机械设计与研究 ， 2 0 0 7 ， 2 3 3 5 4 5 7． 【 2 0 】L i u K a i ， L e w i s F r a n k ， Leb r e t G u y ， e t a 1 ． T h e S i n g u l a ri t i e s a n d D y n a mi c s o f a S t e w a r t P l a t f o rm Mani p u l a t o r [ J ] ． J o u r mal o f I n t e l l i g e n t a n d R o b o t i c S y s t e ms ， 1 9 9 3， 8 2 8 7 3 08． 【 2 1 】C h e n C ． D y n a m i c A n a l y s i s a n d D e t e rmi n a t i o n o f th e J o i n t C h a r a c t e ri s t i c s o f P a r a l l e l D ri v e R o b o t Mani p u l a t o r s [ J ] ． J ． o f R o b o t i c s S y s t e ms ． 1 9 9 3 ， 1 0 6 7 9 1 8 0 9 ． 【 2 2 】李兵 ， 王知行， 李建生． 基于凯恩方程的新型并联机床 动力学研究[ J ] ． 机械科学与技术， 1 9 9 9 ， 1 8 1 4 1 43． 【 2 3 】方跃法． 六自由度并联机器人的弹性动力模型[ J ] ． 机 械科学与技术 ， 1 9 9 0 1 6 2 6 9 ． 【 2 4 】陈修龙， 赵永生． 并联机床的运动仿真和运动学正解计 算[ J ] ． 计算机辅助设计与图形学学报， 2 0 0 4， 1 6 4 5 4 95 5 4． 【 2 5 】郭祖华， 陈五一， 陈鼎昌． 基于全局动力学性能的并联 机床结构参数优化[ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 3 ， 1 4 1 0 8 6186 4． 【 2 6 】刘远伟， 吴海兵， 崔龙交 ， 等． 叉杆型并联机床误差模型 建立与分析[ J ] ． 淮阴工学院学报 ， 2 0 0 7 ， 1 6 5 2 6 2 9． 【 2 7 】 谢殿煌， 张同庄， 丁洪生， 等． 球杆仪标定 B K X I 型并联 数控机床的雅克比矩阵研究[ J ] ． 现代制造工程， 2 0 0 5 9 3 43 6 ． 上接 第9 1页 通过分析工作装置 的各工作位置可以求出油缸的长 度 ，从而建立液压缸的驱动函数。 参考文献 【 1 】王国标 ， 杨立夫． 装载机工作装置优化设计[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 1 9 9 6 ． 【 2 】高秀华 ， 王云超， 安二 中， 等． 基于 A D A MS的装载机工 作装置优化[ J ] ． 计算机仿真， 2 0 0 7 ， 2 4 1 2 1 7 2 2 1 ． 【 3 】陈立平． 机械系统动 力学分析 及 A D A M S应用教程 [ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 5 ． 【 4 】于洋 ．基于 A D A M S的轮式装载机工作装 置的优化 [ D] ． 合肥 中国科技大学， 2 0 0 8 ．