基于ADAMS的液压挖掘机工作装置仿真研究.pdf

2 0 1 3年 1 1 月 第 4 l卷 第2 1 期 机床与液压 MACHI NE T 0OL ＆ HYDRAUL I CS No v ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ． 21 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 1 ． 0 3 6 基于 A D A MS 的液压挖掘机工作装置仿真研究 邓 小林 ，韦衡 冰 梧州学院电子信息工程 系，广西梧州 5 4 3 0 0 2 摘要 在对现有挖掘机研究现状进行分析的基础上 ，对虚拟样机技术的概念进行了阐述。采用 P r o ／ E N G I N E E R软件建 立了挖掘机的三维模型 ，将该模型导入到 A D A M S中，建立了挖掘机的虚拟样机模型。利用 A D A MS的仿真功能对挖掘机的 顺序动作方式和复合动作方式进行了运动学和动力学仿真。通过仿真，得到了挖掘机的主要作业尺寸以及工作运动轨迹 ， 获得了挖掘机铲斗的位移曲线图、各液压缸受力曲线图以及动臂、斗杆、铲斗等关键铰接点的受力曲线图，为以后挖掘机 的结构设计以及产品的优化提供依据。 关键词挖掘机 ；虚拟样机 ；运动学仿真；动力学仿真 中图分类号T I M2 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 11 2 9 5 St u dy o n M a n i p ul a t o r M o t i o n S i mul a t i o n o f Hy dr a u l i c Ex c a v a t o r Ba s e d o n ADAM S DENG Xi a o l i n． W EI He n g b i n g D e p a r t m e n t o f E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ， Wu z h o u U n i v e r s i t y ， Wu z h o u G u a n g x i 5 4 3 0 0 2 ，C h i n a Abs t r a c t On t h e b a s i s o f a na l y z i n g t he e x i s t i n g r e s e a r c h o n e x c a v a t o r ，t he c o n c e p t o f v i r t ua l p r o t o t y pi n g t e c h n o l o g y wa s d e s c r i b e d ．T h e t h r e e ． d i me n s i o n a l 3 Dm o d e l o f 山e e x c a v a t o r ， w h i c h w a s e s t a b l i s h e d b y u s i n g P r o ／E N G I N E E R s o f t w a r e ， w a s i m p o r t e d i n t o t h e AD AMS t o b u i l d v i r t u al p r o t o t y p e mo d e l o f t h e e x c a v a t o r ．By u s i n g ADAMS s i mu l a t i o n f u n c t i o n，t h e s e q u e n t i a l o p e r a t i n g mo d e a n d t h e c o mp o u n d a c t i o n o f t h e e x c a v a t o r w e r e s i mu l a t e d k i n e ma t i c all y a n d d y n a mi c a l l y ．T h r o u g h s i mu l a t i o n， t h e ma i n o p e r a t i o n s s i z e a n d m o t i o n t r a j e c t o r y o f t h e e x c a v a t o r w e r e o b t a i n e d ， mo r e o v e r ， the d i s p l a c e m e n t c u e s o f t h e e x c a v a t o r b u c k e t a n d b e a r i n g f o r c e c u r v e s o f h y d r a u l i c c y l i n d e r a n d k e y h i n g e p o i n t s s u c h a s b o o m，d i p p e r s t i c k，b u c k e t a n d S O o n we r e g ain e d ．I t p r o v i d e s a b a s i s f o r the f u t u r e s t r u c t u r a l d e s i g n o f e x c a v a t o r a n d p r o d u c t o p t i mi z a t i o n ． Ke ywor dsEx c a v a t o r；Vi rtu al p r o t o t y p e；Ki n e ma t i c s s i mu l a t i o n； Dy na mi c s i mu l a t i o n 随着科学技术的飞速发展 ，市场竞争 的 日益加 剧，如何才能缩短产品的开发周期、提高产品质量、 降低产品的研发成本，已成为企业迫切需要解决的问 题 。液压挖掘机作为重要 的工程机械之一 ，被越来越 广泛应用在建筑、水利、矿山挖掘、交通运输等各行 各业的工程施工当中。据相关统计，在工程施工中的 7 0 ％左右 的土方量 以及露 天矿 山 中 8 0 ％ 左右 的剥离 、 采掘量都是采用挖 掘机完成 ，它在保证工程质量 、提 高工程效率方面起到了重要的作用 ，对加速工程的机 械化和现代化建设具有十分重要的意义” 。 传统的挖掘机设计主要是根据现有的资料和依靠 经验进行改进设计 ，设计周期相对较长，产品的设计 制造成本较高，企业迫切需要将计算机辅助设计和现 代化 的设计理论和方法应用到挖掘机设计 过程 中。虚 拟样机技术是指在产 品设计 过程 当中 ，将零部件设计 技术和分析技术融合在一起，通过在计算机上建立产 品模型，针对产品在实际使用中的各种工况进行仿真 分析 ，预测产品的整体性能，进而改进和优化产品结 构 、提高产 品性能 的一种技 。 。 目前 ，国 内外很 多科研机构和大型企业 ，都已经将虚拟样机技术应用 在挖掘机工作装置的设计和开发当中 ，并取得了 很 多有益 的成果 。 这里以单斗反铲液压挖掘机为例 ，以机械系统动 力学 自动分析软件 A D A M S A u t o m a t i c D y n a m i c A n a l y s i s o f M e c h a n i c a l S y s t e m对单斗反铲液压挖掘机进行 运动学 和动力 学分析 。利用 三维建 模软件 P r o ／ E N G I N E E R建 立挖掘机的三维模 型 ，将该模 型导人 到虚拟 样机软件 A D A M S中，对挖掘机的顺序动作和复合动 作 的运动学进行仿真分析 ，得到挖掘机 的主要作业尺 寸以及挖掘机的运 动作业仿 真轨迹 图。通过对单斗反 铲液压挖掘机进行动力学分析，获得挖掘机的动臂、 斗杆 、铲斗等关键 铰接点的受力 情况 。通过虚 拟样机 仿真分析，可以快速测试设计产品的性能，缩短产品 的开发周期，让产品在概念设计阶段就能快速分析和 比较多种设计方案，确定产品性能的敏感参数，并进 行相应优化和改进 ，为挖掘机的实体设计、强度校核 收稿 日期 2 0 1 21 02 5 基金项目广西高校科学技术研究项目 2 0 1 3 Y B 2 2 6 ；梧州学院重点科研项目 2 0 1 1 B 0 0 6 作者简介邓小林 1 9 8 4 一 ，男 ，讲师，主要研究方向为虚拟样机技术、产品结构优化设计。Em ai l d e n g x i a o l i n 3 1 6 3． c o m 1 3 2 机床与液压 第4 1 卷 4挖掘机的动力学仿真分析 挖掘机在实际工作中所受的载荷十分复杂 ，这里 仅加载对影 响挖掘机挖掘能力和可靠性 比较大的挖掘 阻力 、物料重力 以及构件 的重力 ，以一个完整的挖掘 周期为例，对其进行动力学仿真分析 ，得到挖掘机的 动臂 、斗杆 、铲斗等各个铰接点的力学特性 曲线 。 4 ． 1 动力学分析基础 液压挖掘机主要由转台、动臂、斗杆 、铲斗 、动 臂油缸、斗杆油缸 、铲斗油缸 、摇杆以及连杆等部分 组成 。挖掘阻力是指挖掘机 的铲斗在挖掘土壤过程 中 所 遇到 的阻力 。可 以按照挖掘轨迹的切线方向和法线 方向将其分解为切向挖掘阻力 ， 和法向挖掘阻力 ，其计算公式为 f k o b h 1 L 0w， 式 中 K o 为挖掘 比阻力 ，N ／ m m ； b 为切削宽度 ，m m； 为挖掘深度 ，m m； 为挖 掘阻力 系数 。 式 中 ，挖掘 比阻力 主要跟 挖掘土壤 的性质 有关 ， 不 同的土壤 的挖掘 比阻力完全不 同。切削宽度指 的是 挖掘机的铲斗宽度，挖掘深度指的是挖掘机挖掘土壤 的深度 ，挖掘阻力系数指的是切向阻力 和法 向阻力 的 比例关系，文中所仿真的液压挖掘机其切向挖掘阻力 为 3 0 0 0 0 N，法 向挖掘 阻力为 1 0 0 0 0 N。 物料 的重力 G 计算公式 为 G -- p 2 式 中P为土壤 的密度 ； 为挖掘机铲 斗的容量 ； g为重力加速度 。 不 同容量的铲斗挖掘不同类 型的土壤 ，所得到 的 物料的重力都是不一样的，在此，挖掘机的物料质量 取 6 0 0 k g 4 ． 2 载荷添加 添加挖掘阻力 以及物料的重力。挖掘阻力分为切 向阻力和法向阻力 ，这里所仿真的液压挖掘机其切向 挖掘阻力为 3 0 0 0 0 N，法 向挖掘阻力 为 1 0 0 0 0 N，物 料重力为6 0 0 k g 1 0 N ／ k g 6 0 0 0 N 。以A D A MS 提供 的阶跃函数 S T E P函数表示如下 切 向 挖 掘 阻 力 W 1 S T E P t i m e ，2 ，0 ，3 ． 2 ， 一 3 0 0 0 0 S T E P t i m e ，3 ． 2 ， 0 ，5 ，3 0 0 0 0 。 法 向挖 掘 阻 力 w 2S T E P t i m e ，2 ，0 ，3 ． 2 ， 一 1 0 0 0 0 S T E P t i m e ， 3 ． 2 ， 0 ，5 ，1 0 0 0 0 。 物料重力 G S T E P T I ME ，2 ，0 ，3 ． 2 ，6 0 0 0 S T E P T I ME，3 ． 2，0，1 2，0 S T E P T I ME， 1 2，0，1 4， 一6 0 0 0 。 上述载荷的 函数曲线 图在 A D A M S中表示成如 图 1 2所示 。 图 1 2 载荷函数曲线图 4 ． 3 仿真分析及结果后处理 这里设置仿真总时间为 1 6 S ，其中挖掘机的准备 时间 1 S ，挖 掘 机 作业 时 间为 1 5 S ，仿 真 步 数 设 为 1 0 0 0 进行仿真。利用 A D A M S的仿真模块进行仿真， 得 到如 图 1 3所示 的铲斗斗齿尖部 的位移 曲线 图。 毫 昌 10 5 0 4 A n a I ys i s Las t R u n 8 时 间， s 图 1 3 铲斗斗齿尖部的位移曲线图 图 1 4所示是仿 真所得 到的 动臂液 压缸 、斗缸 液 压缸和铲斗液压缸在挖掘过程 中的受力 曲线 图。 图 l 4 各液压缸受力曲线图 图 1 5所示是仿真所得 到 的动臂与平 台的铰接点 的力学曲线图。 第 2 l 期 邓小林 等 基于A D A MS的液压挖掘机工作装置仿真研究 1 3 3 4 3 ．拿 2 0 0 1 ．2 8 时 间， l 2 l 6 2 01 0 - 12 ． 0 6 图 1 5 动臂与平台铰接点受力曲线图 图 1 6所示是仿真所得到斗杆与动臂的铰接点的 力学曲线图。 图 1 6 斗杆与动臂铰接点受力曲线图 图 1 7所示是仿真所得到铲斗与斗杆的铰接点的 力学曲线图。 5 三 可 。 0 R ．5 图 。 一l 0 0 4 A n a l y s i s Las t R u n 8 1 2 1 6 时间／ S 2 0 1 0 - 1 2 - 0 6 图 l 7 铲斗与斗杆铰接点受力曲线图 图 1 8 所示 是仿真所 得到 动臂各 铰接 点受力 曲线 0 4 8 12 16 Ana l y s i s La s t _Ru n 时间／ s 2 0 1 0 - 1 2 - 0 6 图 1 8 动臂各铰接点受力曲线图 图 1 9所示是仿 真所得 到斗 杆各铰 接点 受力 曲线 1． 5 1． 0 Z 0． 5 。 1 An a l ys i s Las t Ru n 生重 8 12 时 间／ S 图1 9 斗杆各铰接点受力曲线图 图 l 3铲斗斗齿尖部 的位移 曲线 图清楚地 显示 了 随着挖掘机各油缸驱动的变化，铲斗斗齿尖部的位移 的变化情况。从图 1 4可以看出在挖掘机进行姿态调 整准备阶段的2 S内，3个油缸同时工作，液压缸受 力波动明显。当挖掘机开始工作时，各油缸受力逐渐 增大，随着卸料的开始，受力逐渐减少。从图 1 5可 以看 出 ，在挖掘开始前的 2 S内，震荡激 烈 。随着挖 掘的进行 ，挖掘阻力逐渐增大，当挖掘阻力和动臂与 平台铰接处的合力达到峰值时，挖掘机开始抬臂回 转 ，此 时合力 在 4 0 k N附近上 下波 动。从 图可 看 出 ， 仿真分析的受力结果与现实相符。图 1 6 、图 l 7显示 的是斗杆与动臂铰接点 、铲斗与斗杆铰接点的受力 曲 线图，从图可以看出，当挖掘阻力达到最大值时，各 铰接点的合力达到最大值。在卸载时，铲斗与斗杆铰 接处相对斗杆与动臂铰接处的合力值减小较快 ，说明 了外载荷对铲斗与斗杆处 铰接处 的约束反力 比挖掘机 构件本身对各铰接点 的影 响较大 。图 1 8 、图 1 9 分 别 为动臂各铰接点受力 曲线 图和斗杆各铰接点受力 曲线 图。从曲线图可知 ，动臂各铰接点和斗杆各铰接点处 的约束反力最大值出现在3 ． 2 S 处 ，即挖掘阻力最大 时。其中，峰值为动臂与斗杆铰接点处的值，因此 ， 此处是挖掘过程中的容易产生破坏的部分，在设计时 应充分考虑该处 的强度和刚度 。 5结 论 虚拟样 机技 术 在 汽车 制造 、工 程 机 械 、航 空 航 天 、船舶机械等众多领域得到了广泛 的应用 ，利用该 技术 ，设计人员可 以直接通过软件在虚拟环境中模 拟 分析各种运动轨迹以及关键铰接点的受力及其变化情 况 。文 中以挖掘机为例 ，对虚拟样机技术进行 了分析 研究 ，利用 A D A MS 对挖掘机 的顺序 动作方式 和复合 动作方式分别进行了仿真。通过仿真 ，得到了挖掘机 的最大挖掘半径、最大挖掘深度、最大挖掘高度等各 项重要作业尺寸，并获得 了挖掘机的工作运动轨迹。 通过对挖掘机复合动作的动力学进行了仿真分析，得 下转第 6 9页 一 斗铰 ／ ． 0 一 z _l x一 、 R 【 N l 第 2 l 期 张玉萍 等旋压机床同步伺服进给控制的研究 6 9 题即电流均衡问题，具体的解决方案如图4 ，图 5所 示 。 一 籍 霉 ． 一一l 主 丝 杠 补偿速 度 调节 信 号 盎 董 堑 竺 兰 1 皇 卜 ． r 叫 兰 卜 _ _ ．叫 兰 兰 ．杠 髓 转速 同步原理框 图 图 5电流均衡原理框 图 图 4为转速控制 的原理框 图 ，主从控制 回路分别 由伺服驱动器、伺服电机、编码器和系统控制单元等 组成 。控制单元 同时 向主从控 制 回路 发 出指令 ，主 、 从丝杠编码器输出的信号进行差值 比较，然后将偏差 值作为补偿信号 ，反馈至从 电机控制 回路的输入端， 改变从电机的输人命令 ，从而与主电机达到同步。 图5为 电流均衡原理框 图 ，主从 电流 回路的反馈 信号与给定信号比较后进入电流调节器进行调节。当 两回路电流不同时，电流差值信号来控制电流调节 器，大小相等 、方向相反的差值信号分别加到主从 回路中，使一台电机电流上升 ，另一 台电机 电流下 降 ，从而使两电机电流均衡 ，即达到了平衡转矩的 作用 。 3 ． 2调 试 结果 通过分析 ，作者选用 了合理 的控制方案 ，并进行 了详细设计 ，节省了安装调试时间。经安装调试后， 机床的速度范围指标有 了较大提高 。双机 同步控制所 达到 的参数指 标为 进 给 速度 为 0～1 5 0 0 m m ／ m i n ； 快移速度最大为 7 ． 5 m ／ m i n ；进给力最大为 4 8 0 k N 。 机床投入生产以来，加工精度和效率大大提高， 保证 了加工质量 ，提高 了机械性能的稳定性 。事实证 明，无论在性能上、可靠性上，双机同步控制都达到 了一个新的高度 。 4结束语 以强力旋压机为对象 ，对双电机伺服进给控制进 行了研究 ，提出了控制 方案 。此 系统可获得较好 的同 步控制效果 ，不仅提高了同步的快速性 ，也 大大提高 了控制系统的安全系数。此方法可靠性高，成本低 ， 较为实用 。 目前 ，同步控制领域 中存 在着许 多理论 和 实际问题 ，它会激发许多学者 的研究 ，推动更深入的 研究 ，提出新方法 和新理论 。研究机械系统 的同步问 题具有重要 的理论意义和实际应 用价值 。 参考文献 【 1 】 谭建成． 数控系统伺服电机控制技术发展动向[ J ] ． 机 电工程技术 ， 2 0 0 3 ， 3 2 5 1 1 1 3 ． 【 2 】 何王勇． 数控机床双轴同步控制技术研究[ D ] ． 武汉 华 中科技大学 ， 2 0 1 1 1 1 1 2 ． 【 3 】王晓维． 立式两旋轮车轮辋旋压机数控系统研究 [ D ] ． 秦皇岛 燕山大学， 2 0 0 6 5 66 0 ． 【 4 】O G A T A K a t s u h i k o ． Mo d e m C o n t r o l E n g i n e e r i n g [ M] ． P r e n t i c e Ha l l ， 2 01 0 1 592 25． 【 5 】 刘福才 ， 张学莲， 刘立伟． 多级电机传动系统同步控制理 论与应用研究[ J ] ． 控制工程 ， 2 0 0 2 ， 9 4 8 7 9 0 ． 上接第 1 3 3页 到 了挖掘机 的铲 斗斗齿 尖部的位移 曲线 图、各液压缸 受力 曲线 图以及 挖掘机关键铰接点 的受力 曲线 图 ，为 以后的产品优化设计以及改进原有产品设计 ，提高产 品的设计 质量或进行新产 品的开发研 制都具 有重要的 意义 。 参考文献 【 1 】刘静， 潘双夏， 冯培恩． 基于 A D A M S的挖掘机液压系统 仿真技术[ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 5， 3 6 1 0 1 0 91 1 2 ． 【 2 】 黄浩东， 陈宗基． 虚拟原型技术及控制工程 中的虚拟原 型机[ J ] ． 北京航空航天大学报 ， 1 9 9 9， 2 3 2 8 42 8 7 ． 【 3 】 E C C L E S T O N M i c h a e 1 ． V i r t u a l P r o t o t y p i n g [ J ] ． M a n u f a c t u r i n g E n g i n e e r ， 1 9 9 6 ， 7 5 3 1 2 91 3 2 ． 【 4 】 徐兵 ， 朱晓军， 刘传 ， 等． 挖掘机工作装置运动学建模与 仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 9 9 7 9 9 ． 【 5 】 赵波 ， 刘杰， 王亚美． 液压挖掘机工作装置控制方案研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 2 4 2 4 3 ． 【 6 】时培成 ， 王幼民， 王立涛， 等． 挖掘机液压 一 机械复合系 统建模与仿真研究 [ J ] ． 机械传动， 2 0 0 7， 3 1 3 2 6 2 9． 【 7 】秦成． 基于 P r o e ／ A d a m s ／ M a t l a b挖掘机虚拟样机研 究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 9 1 3 31 3 4 ． 【 8 】 郑家坤． 基于虚拟样机的挖掘机工作装置的设计与仿真 [ D] ． 成都 西南交通大学 ， 2 0 0 8 ． 【 9 】 同济大学． 单斗液压挖掘机[ M] ． 2版． 北京 中国建筑 工业 出版社 ， 1 9 8 6 ． 鉴 一卜- 一