一種挖掘機(jī)作業(yè)手柄自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

廖明，涂群章，蔣成明，陳青，鄭偉杰

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007）

一種挖掘機(jī)作業(yè)手柄自動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

廖明，涂群章，蔣成明，陳青，鄭偉杰

（解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007）

利用擺動(dòng)導(dǎo)桿原理將兩個(gè)擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)垂直交叉組合，設(shè)計(jì)了一種某型挖掘機(jī)作業(yè)手柄操縱機(jī)構(gòu)?；贛atlab/simulink建立了機(jī)構(gòu)橫向擺動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型，完成了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)手柄操縱機(jī)構(gòu)的操縱工況進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真分析，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

操作手柄；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)仿真

工程機(jī)械經(jīng)常需要在一些工作環(huán)境較為惡劣甚至危險(xiǎn)的場合進(jìn)行作業(yè)，如搶險(xiǎn)救災(zāi)、排雷排爆、核能化工污染區(qū)作業(yè)等，這類工作環(huán)境嚴(yán)重威脅駕駛員的身體健康和生命安全。本文研制一種可安裝于工程裝備駕駛室內(nèi)的遙控駕駛機(jī)器人，將駕駛員從高危作業(yè)環(huán)境中解放出來，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的遙控操縱具有十分重要的意義。作業(yè)手柄操縱機(jī)構(gòu)是整個(gè)駕駛機(jī)器人機(jī)構(gòu)的核心之一。本文以挖掘機(jī)為例，設(shè)計(jì)了一種挖掘機(jī)作業(yè)手柄自動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

1 作業(yè)手柄操縱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 手柄運(yùn)動(dòng)分析

挖掘機(jī)作業(yè)過程中，駕駛員需要對(duì)左右兩個(gè)作業(yè)手柄進(jìn)行前、后、左、右的單向操縱和協(xié)調(diào)操縱以實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛室回轉(zhuǎn)平臺(tái)、鏟斗、動(dòng)臂和斗桿的聯(lián)合控制。如圖1所示，令OP為作業(yè)手柄，其中O為手柄與駕駛室的鉸接點(diǎn)，P為手柄操縱機(jī)構(gòu)在作業(yè)手柄上的夾持點(diǎn)，作業(yè)手柄的工作空間為以鉸接點(diǎn)O為球心，在XY兩個(gè)方向擺動(dòng)的空間夾角∠POZ≤30°的球面區(qū)域，手柄操作力需求約為25 N.

圖1 作業(yè)手柄工作空間

1.2 操縱機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)手柄運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)了作業(yè)手柄操縱機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)簡圖如圖2、圖3所示，其中，圖2為縱向擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，圖3為橫向擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖，縱向擺動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)手柄在XOZ平面內(nèi)擺動(dòng)，橫向擺動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)手柄在YOZ平面內(nèi)擺動(dòng)。

圖2 縱向擺動(dòng)（XOZ平面內(nèi)）連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

縱向擺動(dòng)的輸入為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出為手柄繞支點(diǎn)的擺動(dòng)，縱向擺動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)縱向擺動(dòng)主動(dòng)桿擺動(dòng)，經(jīng)由平移夾持裝置帶動(dòng)手柄擺動(dòng)[1]。

橫向擺動(dòng)的輸入、輸出與縱向擺動(dòng)相同，但結(jié)構(gòu)不同。如圖3所示。

圖3 橫向擺動(dòng)（YOZ平面內(nèi)）連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

將縱向擺動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)與橫向擺動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合，設(shè)計(jì)出空間擺動(dòng)導(dǎo)桿式手柄操縱機(jī)構(gòu)，圖4為基于上述原理，在Creo環(huán)境下構(gòu)建的手柄操縱機(jī)構(gòu)模型。當(dāng)縱向擺動(dòng)電機(jī)8轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)經(jīng)由縱向擺動(dòng)主動(dòng)桿1、連桿4、銜接裝置3、手腕結(jié)構(gòu)5和平移夾持裝置6傳遞給作業(yè)手柄，此時(shí)，兩橫向擺動(dòng)主動(dòng)桿為從動(dòng)桿，手腕結(jié)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)縱向擺動(dòng)時(shí)連桿能夠繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，而當(dāng)橫向擺動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，縱向擺動(dòng)主動(dòng)桿作為從動(dòng)桿。

圖4 作業(yè)手柄操縱機(jī)構(gòu)建模

2 手柄操縱機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

對(duì)手柄操縱機(jī)構(gòu)而言，主要研究機(jī)構(gòu)末端的角位移、擺動(dòng)速度、擺動(dòng)加速度相對(duì)于運(yùn)動(dòng)時(shí)間的關(guān)系，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析能夠?yàn)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)性能和動(dòng)力性能研究提供必要的依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)[2]。以橫向擺動(dòng)為例，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，縱向擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與此類似。

機(jī)構(gòu)橫向擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)簡圖如圖5（a）所示，M為平移頭與平移座的接觸點(diǎn)，σ為平移頭與平移座的接觸點(diǎn)中心與手柄支點(diǎn)O1的連線與Y軸的夾角，P點(diǎn)為平移頭與平移座的接觸點(diǎn)在手柄上的垂直點(diǎn)，令橫向擺動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)角為αh，手柄在橫向平面內(nèi)的擺動(dòng)角為θh.對(duì)機(jī)構(gòu)擺動(dòng)過程進(jìn)行分析易得，調(diào)整連桿AN的長度對(duì)手柄的角位移沒有影響，故在對(duì)機(jī)構(gòu)的橫向擺動(dòng)過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，可以將基點(diǎn)O2等效移動(dòng)到O'2處，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的位置關(guān)系如圖5（b）所示。記O1O'2與Y軸的夾角為φ，將O1O'2記為l1，記O'2N為l2，記MN為l3，記O1M為l4，規(guī)定由X軸負(fù)方向旋轉(zhuǎn)到矢量的矢量端順時(shí)針為正[3]。

圖5 橫向擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)簡圖

則根據(jù)圖5（b）可建立矢量方程式：

分別得到矢量方程的在X方向和Y方向的分量表達(dá)式：

將（2）（3）式對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)后得：

假設(shè)橫向擺動(dòng)主動(dòng)桿的角速度ω2為已知，則將（5）（6）式轉(zhuǎn)化為矩陣形式并進(jìn)行整理變換即解得手柄橫向擺動(dòng)角速度正解：

將（5）（6）式再次求導(dǎo)可得：

假設(shè)縱向擺動(dòng)主動(dòng)桿的角加速度a2為已知，則將（8）（9）式轉(zhuǎn)化為矩陣形式并進(jìn)行整理變換即解得手柄操縱機(jī)構(gòu)縱向擺動(dòng)角加速度的正解：

設(shè)運(yùn)動(dòng)初始狀態(tài)下αh=0，a2=0且ω2=π/6，單位rad/s，又已知l1＝82 mm，l2＝180 mm，l3＝31 mm，運(yùn)用MATLAB的fsolve函數(shù)對(duì)式（2~4）進(jìn)行6次迭代計(jì)算，解得θh=0.464 3 rad，l4＝243.836 mm，σ=0.139 9 rad.

在求得θh、l4和σ的基礎(chǔ)上，根據(jù)式（10）編制M函數(shù)“hengbai”，在simulink系統(tǒng)中建立計(jì)算模型，如圖6所示，對(duì)各積分器設(shè)置初始值，令仿真時(shí)間為6 s，并進(jìn)行計(jì)算。

圖6 橫向擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算模型

“hengbai”數(shù)據(jù)表中從上至下依次為仿真時(shí)間t、αh、l4、l'4、l''4、θh、ω4、α4和eta.運(yùn)用plot（hengbai.signals. Values（：，1），hengbai.signals.value（：，i））（i=3，6，7，8）指令，分別繪制l4、手柄與水平面的夾角θz、手柄擺動(dòng)角速度ω3和手柄擺動(dòng)角加速度α3與時(shí)間t的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 手柄橫向擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖7 （a）即為安裝在操縱手柄上的夾持機(jī)構(gòu)在手柄上做直線滑動(dòng)的位移曲線，可以為實(shí)際安裝機(jī)構(gòu)提供依據(jù)。由圖7（b~d）可以看出機(jī)構(gòu)操縱手柄的擺動(dòng)速度平滑，擺動(dòng)軌跡滿足作業(yè)手柄運(yùn)動(dòng)要求。

3 手柄操縱機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

3.1 動(dòng)力學(xué)建模

將Creo中的關(guān)鍵零件的準(zhǔn)確模型通過Parasolid格式轉(zhuǎn)換成ADAMS中的部件，并設(shè)置好相應(yīng)的計(jì)算單位、重力方向，再給每個(gè)導(dǎo)入的部件設(shè)置質(zhì)心、約束連接點(diǎn)MARKER以及質(zhì)量等重要參數(shù)，通過對(duì)零件的旋轉(zhuǎn)、平移等操作，將零件移動(dòng)至相應(yīng)的全局坐標(biāo)，最后在部件之間存在球鉸連接、平面鉸接、平移等約束的連接點(diǎn)處添加約束副，完成挖掘機(jī)手柄操縱機(jī)構(gòu)在ADAMS中的建模[4]，如圖8所示。

圖8 挖掘機(jī)手柄操縱機(jī)構(gòu)ADAMS模型

為分析挖掘機(jī)手柄操縱機(jī)構(gòu)在極限擺角情況下各關(guān)鍵關(guān)節(jié)的載荷情況和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，模擬挖掘機(jī)做“挖掘—回轉(zhuǎn)—卸土”作業(yè)時(shí)右先導(dǎo)作業(yè)手柄的動(dòng)作，確定手柄操縱機(jī)構(gòu)的操縱步驟[5-6]，如圖9所示，其中，挖掘過程中還包含了斗桿的擺動(dòng)動(dòng)作，抬升大臂和卸土之間包含回轉(zhuǎn)動(dòng)作，這些操作由左先導(dǎo)作業(yè)手柄操縱。

圖9 挖掘工況下右作業(yè)手柄操作流程

將手柄的角位移曲線生成.txt文件導(dǎo)入ADAMS中生成樣條曲線SPLINE_1和SPLINE_2，在ADAMS模型中的手柄與ground的球鉸支點(diǎn)處利用函數(shù)表達(dá)式AKISPL（time，0，SPLINE_1，0）*1d設(shè)置手柄的general_motion_1，如表1所示。

表1 手柄運(yùn)動(dòng)函數(shù)

設(shè)置好仿真時(shí)間和步長，進(jìn)行仿真，得出縱、橫向擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸角度變化曲線，如圖10所示。

圖10 縱、橫向擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)角變化曲線

刪除作業(yè)手柄支點(diǎn)處初始運(yùn)動(dòng)general_motion_1，用同樣的方法將驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)角變化曲線導(dǎo)入到ADAMS中，生成樣條曲線SPLINE_3和SPLINE_4，分別在兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸與傳動(dòng)軸之間的鉸接副上添加motion，再次利用AKISPL函數(shù)設(shè)置縱、橫向擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的motion，在運(yùn)行仿真前，還要根據(jù)駕駛裝置技術(shù)指標(biāo)設(shè)置手柄支點(diǎn)處的阻力轉(zhuǎn)矩。設(shè)置仿真時(shí)間與步長，進(jìn)行仿真，觀察兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化過程和輸出轉(zhuǎn)矩[7]。

3.2 仿真結(jié)果分析

電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化和輸出轉(zhuǎn)矩曲線分別如圖11和圖12所示。

圖11 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線

圖12 驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩曲線

由電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線、輸出轉(zhuǎn)矩曲線得，在手柄操縱機(jī)構(gòu)操縱右先導(dǎo)作業(yè)手柄完成“挖掘—回轉(zhuǎn)—卸土”作業(yè)過程中縱向擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速約為35.59°/s，橫向擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速約為67.85°/s，縱向擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩為5 595 N·mm，橫向擺動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩為5 476 N·mm.根據(jù)以上結(jié)果，可以對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，本挖掘機(jī)手柄操縱機(jī)構(gòu)采用57BYGH280-3004型步進(jìn)電機(jī)搭配減速比為4：1的行星減速器。

4 結(jié)束語

手柄操縱機(jī)構(gòu)根據(jù)擺動(dòng)導(dǎo)桿原理能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)挖掘機(jī)作業(yè)手柄的控制，可操縱作業(yè)手柄在工作空間內(nèi)XY兩個(gè)方向上擺動(dòng)。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)仿真得到了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和擺動(dòng)手柄擺動(dòng)角度的關(guān)系，模擬了挖掘機(jī)作業(yè)手柄工作過程，為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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Design and Analysis of the Automatic Operation Mechanism of the Operating Handle of the Excavator

LIAO Ming，TU Qun-zhang，JIANG Cheng-ming，CHEN Qing，ZHENG Wei-jie
（College of Field Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China）

The design of the operating mechanism of a certain type of excavator is accomplished by using the principle of the swing guide-bar to cross the two swing guide-bar mechanisms.Based on Matlab/simulink，the mathematical model of the mechanism of lateral swing process is established，and the kinematic analysis is completed.Using ADAMS software，the dynamic simulation analysis of the operating conditions of the handle control mechanism is carried out，and the rationality of mechanism design is verified.

operating handle；mechanism design；motion simulation

TH113.2

：A

：1672-545X（2017）01-0076-04

2016-10-15

廖明（1992-），男，云南祥云人，碩士研究生，研究方向?yàn)轳{駛機(jī)器人；涂群章（1969-），男，湖北黃梅人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。