,,,,,挖掘机挖掘机构设计,,,,,,,,,,,,附录,,,,,,,半自动液压挖掘机控制系统弘和阿拉亚，正幸鹿儿岛机械工程研究实验室，神户制钢有限公司，西神户兵库县，日本接受年月日摘要种液压挖掘机的半自动控制系统已经研制成功。使用这个系统，不熟练的操作者可以轻松而准确地控制液压挖掘机。个以控制器控制液压挖掘机的数学模型，构建个由模拟控制算法开发。该算法被应用于液压挖掘机，并且对它的有效性进行了评价。控制精度高和高稳定性能得以实现是由于前馈加反馈控制，非线性补偿的实现，状态反馈和增益调度。挖掘机挖掘机构设计关键词工程机械液压铲前馈状态反馈运行介绍液压挖掘机是工程机械，可以看做是个关节机器人。在挖掘和装载作业时候，使用这台机器需要个高层次的技能，即使是个熟练的操作者也会感到相当疲劳。另方面，操作者年龄的增长，以及熟练的操作人员数量也因此减少。这种局势要求液压挖掘机可以被任何个人轻松的操作。操作液压挖掘机需要高度的技巧的原因，有以下几个方面两个以上的操纵杆在很多情况下需要同时运行和调整。操纵杆操作的方向与铲的运动的很不同的。例如，在用液压挖掘机平整地面时候，我们必须同时操作个操作杆来移动铲斗的顶部使其水平移动。在这种情况下，操纵杆的运动指示了执行器的方向，但这个方向不同于工作方向。如果经操作者只用个杠杆并且其他自由度都是自动操作，操作就会变得非常容易。我们称这个系统为半自动控制系统。要开发这个半自动控制系统，这两个技术问题必须解决我们必须使用普通控制阀来实现自动控制。我们必须补偿液压铲动态特性，提高控制精度。我们已经制定了控制算法来解决这些技术问题，并确认了这实验与实际液压挖掘机控制算法的影响。使用此控制算法，我们已经完成了对液压挖掘机进行半自动控制的系统。然后，我们报告这些项目。液压铲模型学习控制算法，我们要分析的液压挖掘机数值模型。液压挖掘机的动臂，斗杆和铲斗都是液压驱动。该模型的细节描述如下。动态模型假如每个附件是个坚实的身体从运动拉格朗日方程，得到以下表达式液压模型每个节点驱动液压缸的流量是由滑阀控制。我们可以设想如下个开放的面积比例阀的阀芯位移。没有漏油。当液压油通过管道时候不发生压力下降。附录在头和杆双方的气缸的有效截面积相同。角控制系统角是基本控制遵循的的地址反馈参考角度。为了获得更精确的控制，状态反馈和非线性补偿被添加到位置反馈。我们将讨论这些算法的细节如下非线性补偿在普通的自动化控制系统，新的控制设备例如伺服阀被采用。在我们的半自动化系统，为了实现手动和自动操作并存，我们必须使用主控制阀是在手动操作中使用。在这些阀中，阀芯位移和开放区域面积的关系是非线性的。然而，在自动操作中，利用这种关系，阀芯位移是与所需的空地成反比计算出来的，并且是非线性补偿。状态反馈根据在第节讨论的模型，如果角控制臂的动态特性，在个标准的条件下附近线性化，闭环传递函数可表示为加上这因素，对的系数变大，因此，系统趋于稳定。这样，加速度反馈是有效改善响应特性。不过，人们普遍难以准确检测加速度。为了克服这困难，气缸采用力反馈，而不是加速度反馈。在这种情况下，汽缸力的计算方法是检测气缸压力，并在其低频率部分的过滤。这就是所谓的压力反馈。伺服控制系统当个关节是手动操作，另外的个关节是通过跟随手工操作来实现控制自动的时候，个伺服控制系统就是必需的。例如，如图所示，在水平控制中，通过控制动臂以保持高度由和计算出来。为了获得更精确的控制，下面的控制行动进行了介绍。图框图控制系统挖掘机挖掘机构设计根据姿势自适应增益调度对于铰接式机如液压挖掘机，动态特性要很容易的跟随操作者的意识而改变。因此，在恒定增益的情况下它很难稳定地控制机器的所有姿势。为了解决这个问题，根据自适应增益调度的态度是成倍增加反馈回路图。自适应增益或被作为两个变量，是指动臂的高度结果和现场分析测试我们用该系统进行试验。我们证实，该系统工作正常，在第和部分所描述的控制算法的影响确定如下。个别附件自动化控制测试对于每个附件如动臂，斗杆，以及铲斗，参考角度逐步由初始值变了正负，并测定了反应，因此，在第三章所描述的控制算法的影响得以确定。结论本文表明，状态反馈和前馈控制相结合使我们能够精确地控制液压挖掘机，并表明，非线性补偿使得它可以使用普通的自动调节阀控制。这些控制技术的使用使不熟练操作者轻松的操作液压挖掘机。我们将运用这些技术来控制的其他工程机械如履带式起重机，提高传统工程机械使其可以由任何人很容易地操作。致谢铲斗机构参数的选择铲斗运动分析铲斗相对于坐标系的运动是,和的函数，西那在讨论铲斗相对于斗杆的运动。如图所示，点为铲斗油缸与斗杆的铰点。点为斗杆与动臂的铰点点为铲斗与斗杆的铰点，点为铲斗的斗齿点，点为连杆与斗杆的铰点，点是曲柄与斗杆的铰点，点为铲斗油缸与曲柄铰点，点为曲柄与连杆的铰点。图铲斗连杆机构传动比计算简图挖掘机挖掘机构设计二铲斗参数设计，斗形参数的选择斗容,平均斗宽，挖掘半径和转斗挖掘装满角度是铲斗的四个主要参数。他们间的关系为般土壤松散系数由表比较取，取。则可以求出铲斗上两铰点与间距由知，取,则,取图铲斗三维效果图动臂斗杆的结构强度校核计算分析计算工况的选择及斗杆的强度计算液压挖掘机在工作过程中外载荷复杂多变，工作装置各构件的内力随各组油缸力及运动变量的改变而变化。因此，合理的确定计算工况是进行工作装置强度计算的前提。动臂斗杆的结构强度校核计算分析斗杆的计算工况为动臂位于最低斗杆油缸作用力臂最大斗齿尖位于铲斗与斗杆铰点和斗杆与动臂铰点连线的延长线上侧齿遇到障碍作用有横向力图斗杆计算图铲斗所受的侧向力决定于液压挖掘机的制动力矩，其值为式中铲斗所受的最大侧向力液压挖掘机回转机构的制动力矩侧向力作用点至回转中心的距离在距离铰点为的截面的在和，其轴向力有下式求得式中截面以左部分的斗杆重量斗杆对水平线的倾角截面上任意点的正应力安下式求得式中，从截面中心线,到所求点的距离，截面对,轴惯性矩截面面积截面上任意点的切应力可按照下式求得挖掘机挖掘机构设计图斗杆危险截面图斗杆截面图截面图形的几何性质截面截面面积截面对参数轴的静矩截面形心截面的惯性矩抗弯截面模数截面的惯性矩动臂斗杆的结构强度校核计算分析抗弯截面模数截面截面面积截面的惯性矩抗弯截面模数截面的惯性矩抗弯截面模数截面截面面积截面对参数轴的静矩截面形心截面的惯性矩抗弯截面模数截面的惯性矩抗弯截面模数强度计算斗杆材料选择为根据图示的斗杆各铰点的受离情况，斗杆上截面截面截面应力值为截面弯矩轴力切力挖掘机挖掘机构设计截面的应力按第四强度理论其合成应力为截面弯矩轴力切力截面ⅡⅡ上的应力按第四强度理论其合成应力为截面弯矩轴力动臂斗杆的结构强度校核计算分析切力截面ⅢⅢ上的应力按第四强度理论其合成应力为从以上四个截面应力可知，用为材料强度极限，各截面应力均小于，强度要求可以满足。动臂的强度计算动臂最大受力位置的确定动臂强度计算，同样应该按照挖掘工作中的可能出现的最大载荷来选定计算位置。般认为最大载荷发生在铲斗油缸挖掘到最大深度的时候，如果这是由于挖掘机的稳定性或斗杆油缸承载能力的限制，在铲斗切削刃不能实现最大挖掘力，那么计算位置就应该选择使斗杆转过些角度的时候。图动臂挖掘力分布图挖掘机挖掘机构设计整体式弯动臂对弯曲部分的断面进行强度计算时，颖考虑按曲梁进行设计，即在弯曲平面内的应力按照下式计算式中断面面积断面弯曲处的曲率半径断面重心至计算点的距离，该点在曲率中心与断面重心之间为负，反之为正断面形状及曲梁曲率有关系数图动臂截面图动臂斗杆的结构强度校核计算分析图挖掘力力臂图示图挖掘力力臂测量点及点的受力计算点取整个工作装置为隔离体，由于挖掘力的作用点距点的力臂和动臂油缸距点的力臂为。由此可得动臂油缸受力为挖掘机挖掘机构设计点取铲斗，斗杆为隔离体，由图量的斗杆油缸距点的力臂为，挖掘力到点的距离为。从而