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机械传动 综合 实验 传动系统 结构设计

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机械传动综合实验台传动系统结构设计,机械传动,综合,实验,传动系统,结构设计

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单 位 代 码_02_ 学 号_ 分 类 号_ 密 级_毕业设计(论文) 文献综述 院（系）名称工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名 指导教师2010年 03 月 17日 单 位 代 码_02_ 学 号_060105017_ 分 类 号_ 密 级_毕业设计(论文) 文献翻译 院（系）名称工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名轩晓月 指导教师刘万福2010 年03 月17 日黄河科技学院毕业设计（论文） 第V页机械传动综合实验台传动系统结构设计摘要机械传动系统作为机器的重要组成部分，不仅应能实现预期功能，而且应具有良好的性能。本文采用模块化设计方法，研制了机械传动系统性能综合测试实验台。机械传动综合实验台是现代教学中很重要的一种教学平台，它展示了多种不同的传动方式，可供选择使用。本文对机械传动综合实验台传动系统的工作原理、主要结构进行了分析与设计。在综合实验比较的基础上，对各种不同的传动方式进行了分析与对比，选择了用于机械传动综合实验台最佳的传动方式和结构系统，并对传动系统的传动比进行分配。本文采用圆柱齿轮减速器作为其主要的传动机构用于试验台的传动系统，它具有结构紧凑、传动平稳、机械效率高、传递功率大等特点，可在多种场合下使用。关键词：机械传动，减速器，实验台 The Design Of Transmission System Of MechanicalTransmission Test-bed Author: Xuan Xiao YueTutor: Liu Wan FuAbstractMechanical transmission system as an important part of the machine, not only ought to be able to achieve the desired functionality, moreover should have good performance. This article uses the modulation design method, has developed the mechanical transmission system of measurement and test of performance of comprehensive test-bed. Mechanical Transmission Test Stand is a very important modern teaching as a teaching platform; it shows the different kinds of transmission mode selection and use.This article synthesized the laboratory bench to the mechanical drive transmission systems principle of work, the primary structure to carry on the analysis and the design. In the experiment, on the basis of the comparison of different transmission mode are analyzed and compared, choose a comprehensive test-bed for mechanical drive transmission mode and the optimal structure system, and carried on the assignment to transmission systems velocity ratio. Using cylindrical gear reducer as its main transmission mechanism for the transmission system, its test with compact structure, smooth transmission, mechanical power transmission of high efficiency, etc, can be in various situations.Key Words: mechanical transmission, retarder, test-bed 目 录1 绪论 11.1 机械传动综合试验台的发展现状及趋势 11.2 国内外对传动实验台研究的差距 21.3 现代机械传动实验台的发展方向 21.4 课题研究的内容 32 总体设计方案拟定 52.1 实验台设计要求 52.1.1 实验台特点 52.1.2 实验台的实验原理 92.1.3 试验台的组成 102.1.4 实验方案列举 112.1.5 整个实验台的总布置设计 122.2 机械传动系统设计 122.2.1 已知条件 122.2.2 机械传动系统方案设计 122.2.3 机械传动系统的带传动设计计算 142.2.4 减速器的设计计算 183 磁粉制动器选择 274 传感器的选择 30结论 33致谢 34参考文献 35黄河科技学院本科毕业设计（论文）任务书 工 学院 机械 系 机械设计制造及其自动化 级专业 1 班学号 7 学生 指导教师 毕业设计（论文）题目 机械传动综合实验台传动系统结构设计 毕业设计（论文）工作内容与基本要求：一、主要内容1. 设计机械传动综合实验台传动系统的工作原理图及机械传动系统结构工作图；2. 机械传动综合实验台系统设计方案拟定及传动形式确定；3. 设计说明书及设计图纸；4. 写出文献综述，文献翻译资料。二、基本要求1、完成机械传动综合实验台传动系统结构设计的工作，绘制传动系统整体结构图、主要零部件图。2、查阅文献资料12种以上，其中外文资料不少于两种，写出3000字以上的文献综述。3、翻译外文科技资料，不少于3000汉字，单独装订成册。4、完成开题报告，填写开题报告表。5、写设计说明书，不少于8000字符，写摘要，中英文完全对照，中文不少于300字。三、时间安排1-2周 考察调研，实习参观，完成开题报告；3-4周 完成文献综述，文献翻译，拟定设计初步方案；5-9周 完成设计方案，基本编写出设计说明书，基本完成绘制原理图和设计计算等工作；10-11周 完成设计说明书定稿，绘制总装图及相关零件图；12周 做好答辩前的所有准备工作，准备毕业答辩。毕业设计（论文）时间： 2010 年 3 月 1 日至 2010 年 5 月 10 日计 划 答 辩 时 间： 2010 年 5 月 24 日专业（教研室）审批意见：审批人（签字）：黄河科技学院毕业设计（论文）开题报告表课题名称机械传动综合实验台传动系统结构设计课题来源教师拟订课题类型AX指导教师刘万福学生姓名轩晓月专 业机械设计制造及其自动化学 号060105017一、 选题背景本次毕业设计就是针对机械传动综合实验台的传动系统进行设计。在综合试验台中，通过比较各种不同的传动方式的优缺点，选择用于机械传动的综合实验台的合适的传动方式，该课题是符合机械专业特点的设计课题；该课题完成的过程，将比较全面的覆盖本科专业期间所学的基础知识和专业知识，是对综合素质与工程实践能力的全面训练，我将用四年所学知识完成该课题。二、 调研资料准备1. 机械传动综合实验台传动系统的工作原理图及传动系统结构工作图；2. 机械传动综合实验台传动系统设计方案拟定及传动形式确定；3. 设计说明书及设计图纸。三、 设计目的及要求1.设计目的通过本课题的毕业设计，全面领会贯通大学四年的机械专业知识，运用所学的知识分析和解决简单的实际问题，掌握机械设计的基本方法。满足设计的传动系统，再运用所学的机械原理和机械设计相关知识完成传动系统的设计。2.基本要求（1）文献翻译不少于3000字，内容与机械类相关；（2）文献综述不少于3000字，参考文献不少于12篇，外文参考文献不少于2篇；（3）毕业设计（论文）一份,字数不少于8000字，图纸若干。四、 设计思路与预期成果 1设计思路：根据任务书的要求与导师的指导相结合来完成设计；2预期成果：开题报告；文献综述；文献翻译；毕业设计说明书；装配图、零件图及工艺卡。五、 任务完成的阶段内容及时间安排1-2周 考察调研，实习参观，完成开题报告；3-4周 完成文献综述，文献翻译，拟定设计初步方案；5-9周 完成设计方案，基本编写出设计说明书，基本完成绘制原理图盒设计计算等工作；10-11周 完成设计说明书定稿，绘制总装图及相关零件图；12周 做好答辩前的所有准备工作，准备毕业答辩。六、 完成论文所具备的条件因素1.通过大学四年的学习，获得了一定的理论知识及设计水平；2.有多年教学和生产实践经验的导师的指导，学校的优良设施为设计提供了便利。指导教师签名： 日期： 课题来源：（1）教师拟订；（2）学生建议；（3）企业和社会征集；（4）科研单位提供课题类型：（1）A工程设计（艺术设计）；B技术开发；C软件工程；D理论研究；E调研报告 （2）X真实课题；Y模拟课题；Z虚拟课题要求（1）、（2）均要填，如AY、BX等。 、 黄河科技学院毕业设计（论文）文献综述 第8页面向未来的机械制造技术及机械传动技术摘要 机械制造技术不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重点，而传动技术的发展与机械制造技术的息息相关，随着科学的发展，传动技术已成为制造业最重要的一部分。本文简述介绍先进制造技术的特点，我国机械制造技术的发展方向及几种主要机械传动元件。 关键词：机械制造 技术特点 发展方向 传动元件0 引言传统制造技术(也称为制造工艺) 是机械制造工业中最重要的领域之一,无论何种形式的能量,都须通过传动装置来实现预定的转速、扭矩、运动形式和方向。先进的制造技术是传统工艺与微电子、计算机、自动化、新材料等高新技术以及现代管理技术相结合的新型交叉科学和综合技术,具有如下特征1:(1) 微电子、计算机和自动化技术的引入,形成了现代自动化技术,CAD(计算机辅助技术) 、CAPP (计算机辅助工艺设计) 、CAM (计算机辅助制造) 、EMS (柔性制造系统) 、CIME(计算机集成制造系统) 、IMS(智能制造系统) 、CE(并行工程) 、L P(精益加工) 、AE(敏捷制造) 等正成为各工业化国的研究方向。当前传动领域的研究与开发其重点已放在功能优化上,用现代化制造技术优化已有的产品。(2) 传统机械制造技术一般单指加工过程的工艺方法,而现代制造技术则以整个制造过程为服务对像,不仅包括将原材料加工成成品的工艺方法,而且包括保证产品质量、提高生产效率的各种技术,是集工艺方法、工艺装备、工艺材料、检测控制手段及管理技术为一体的成套技术。在传动技术上其表现形式为降低传动机构的成本、提高承载能力、寿命和传动效率;降低噪音和改善工作环境;降低重量、尺寸、能耗、磨损、故障和停机时间,加工成本和运营成本等。(3) 现代机械制造技术集机械、电子、信息、材料和管理技术于一体以整个设计、制造、使用和维修为服务对象。计算机集成制造系统使整设计和整造融为一体,设计与工艺、技术与管理和界限很难分清。人们必须用工业工程和系统工程来面对机械制造业的发展,面对传统技术的革新与进展3。1 先进制造技术的特点1.1 是面向21世纪的技术先进制造技术是制造技术的最新成长阶段，是由传统的制造技术成长起来的，既保持了过去制造技术中的有效要素，又要不断吸收各种高新技术成就，并渗透到产品生产的所有领域及其全部过程。先进制造技术与现代高新技术相结合而产生了一个完整的技术群，它是具有明确范畴的新的技术领域，是面向21世纪的技术6。1.2 是面向工业应用的技术先进制造技术并不限于制造过程本身，它涉及到产品从市场调研、产品开发及工艺设计、生产准备、加工制造、售后服务等产品寿命周期的所有内容，并将它们结合成一个有机的整体。先进制造技术的应用特别注意产生最好的现实效果，其目标是为了提高企业竞争和促进国家经济和综合能力的增长。目的是要提高制造业的综合经济效益和社会效益。1.3 是驾驭生产过程的系统工程先进制造技术特别强调计算机技术、资讯技术、传感技术、自动化技术、新材料技术和现代系统管理技术在产品设计、制造和生产组织管理、销售及售后服务等地方的应用。它要不断吸收各种高新技术成就与传统制造技术相结合，使制造技术成为能驾驭生产过程的物质流、能量流和资讯流的系统工程。1.4 是面向全球竞争的技术 20世纪80年代以来，市场的全球化有了进一步的成长， 发达国家通过金融、经济、科技手段争夺市场，倾销产品，输出资本。随着全球市场的形成，市场竞争变得越来越激烈，先进制造技术正是为适应这种激烈的市场竞争而出现的。因此，一个国家的先进制造技术，它的主体应该具有世界先进水平，应能支持该国制造业在全球市场的竞争力。1.5 是市场竞争三要素的统一在20世纪70年代以前，产品的技术相对比较简单，一个新产品上市，很快就会有相同功能的产品跟着上市。因此，市场竞争的核心是如何提高生产率。20世纪80年代以后，制造业要赢得市场竞争的主要矛盾已经从提高劳动生产率转变为以时间为核心的时间、成本和品质的三要素的矛盾。先进制造技术把这三个矛盾有机结合起来，使三者达到了统一。2 我国机械制造技术的发展方向近年来，我国的制造业不断采用先进制造技术，但与工业发达国家相比，仍然存在一个阶段性的整体上的差距。（1）管理方面。工业发达国家广泛采用计算机管理，重视组织和管理体制、生产模式的更新发展，推出了准时生产（JIT）、敏捷制造（AM）、精益生产（LP）、并行工程（CE）等新的管理思想和技术。我国只有少数大型企业局部采用了计算机辅助管理，多数小型企业仍处于经验管理阶段。（2）设计方面。工业发达国家不断更新设计数据和准则，采用新的设计方法，广泛采用计算机辅助设计技术（CAD/CAM），大型企业开始无图纸的设计和生产。我国采用CAD/CAM技术的比例较低。（3）制造工艺方面。工业发达国家较广泛的采用高精密加工、精细加工、微细加工、微型机械和微米/纳米技术、激光加工技术、电磁加工技术、超塑加工技术以及复合加工技术等新型加工方法。我国普及率不高，尚在开发、掌握之中。（4）自动化技术方面。工业发达国家普遍采用数控机床、加工中心及柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS），实现了柔性自动化、知识智能化、集成化。我国尚处在单机自动化、刚性自动化阶段，柔性制造单元和系统仅在少数企业使用。现代机械制造技术的发展主要表现在两个方向上：一是精密工程技术，以超精密加工的前沿部分、微细加工、纳米技术为代表，将进入微型机械电子技术和微型机器人的时代；二是机械制造的高度自动化，以CIMS和敏捷制造等的进一步发展为代表。 1.精密成形技术成形制造技术包括铸造、焊接、塑性加工等。精密成形技术包括：精密铸造（湿膜精密成形铸造、刚型精密成形铸造、高精度造芯）、精密锻压（冷湿精密成形、精密冲裁）、精密热塑性成形、精密焊接与切割等。 2.无切削液加工无切削液加工的主要应用领域是机械加工行业，无切削液加工简化了工艺、减少了成本并消除了冷却液带来的一系列问题，如废液排放和回收等等。 3.快速成形技术快速原型零件制造技术（RPM），其设计突破了传统加工技术所采用的材料去除的原则，而采用添加、累积的原理。其代表性技术有分层实体制造（LOM），熔化沉积制造（FDM）等等。 由于以上工艺和技术不仅减少了原材料和能源的耗用量或缩短了开发周期、减少了成本，而且有些工艺的改进对环境起到保护作用，因此被称为绿色制造工艺。绿色制造是人类社会可持续发展在制造业中的体现。这一切除了工艺革新外，还必须依靠信息技术，通过计算机的模拟、仿真，才能实现57。 现今的制造技术重视机械制造业和传动技术并举作用,没有先进的机械制造业,就谈不上传动技术的发展。传动技术已成为制造业最重要的一部分,它的发展无一不伴随着各种先进技术的产生和应用。因此,优化传动技术、将传统的传动技术与高新技术相结合,以成为国内外制造技术发展的趋势。以下介绍两大主要机械传动元件-齿轮传动、轴承传动技术的革新与最新进展8。3齿轮传动齿轮传动的革新与发展主要围绕着以下几点进行:减小尺寸、降低重量、提高传递扭矩的能力，可以通过设计、制造、热处理、装配等环节实现。 3.1齿轮传动的特点齿轮传动是应用最为广泛的一种传动形式，与其它传动相比，具有传递的功率大、速度范围广、效率高、工作可靠、寿命长、结构紧凑、能保证恒定传动比；缺点是制造及安装精度要求高，成本高，不适于两轴中心距过大的传动。3.2齿轮传动分类1、按轴线相互位置：平面齿轮传动和空间齿轮传动。平面齿轮传动按轮齿方向分为直齿轮传动、斜齿轮传动和人字齿轮传动；按啮合方式分为外啮合、内啮合和齿轮齿条传动。空间齿轮传动分为锥齿轮传动、交错轴斜齿轮传动和蜗杆蜗轮传动。2、按齿轮是否封闭：开式和闭式齿轮传动3.3齿轮传动的基本要求1、传动准确平稳； 2、承载能力高和较长的使用寿命2。3.4结构设计可以通过改善齿轮箱的结构设计和装配来减少齿轮传动装置的尺寸和重量,即一方面使齿轮箱的结构轻巧、同时又提高箱体的刚性。如整体式箱体,所有的齿轮都位于一个封闭的箱体铸件中,因而在高负载的传动输出端就不会出现承受横向力和力矩的密封面,从而可获得刚性好、无扭曲而轻巧、密封好的传动箱。35 机械制造为了消除齿轮在传动过程中受载后弹性变形,从而相应地在制造时把齿廓磨成球面,使齿轮在预定载荷下产生最理想的齿面接触状态,采用精加工工艺对齿轮珩磨和螺旋齿的磨削,都有利于提高齿轮传递扭矩的能力。3.6 齿轮材料及热处理方式制造齿轮常用的材料有锻钢和铸钢，其次是铸铁，在特殊情况下也可采用有色金属和非金属材料。锻钢的强度比直接采用轧制钢材好，重要齿轮都采用锻钢。从齿面硬度和制造工艺来分，可把钢制齿轮分为软齿面和硬齿面齿轮。软齿面齿轮是调质或正火后进行精加工，齿面硬度较小，承载能力不高，但其制造工艺较简单，适用于一般机械传动。硬齿面齿轮在精加工后进行热处理，硬度较高，承载能力也较软齿面齿轮大，但制造工艺复杂，一般用于高速重载及结构要求紧凑的机械中。当齿轮的直径大于500mm，轮坯不宜于锻造，可采用铸钢，但其精加工前要进行正火处理。铸铁的铸造性能好，但抗弯强度和耐冲击性较差，自身所含石墨能起一定润滑作用。非金属材料适用高速小功率及精度要求不高的齿轮传动11。齿轮常用的热处理方式有表面淬火、渗碳淬火、氮化、调质和正火，其中前三种处理得到的齿面是硬齿面，后两种处理得到的是软齿面。表面淬火是将钢件表面进行淬火，而心部仍保持原先的组织的一种热处理方法；渗碳淬火是向钢件的表面渗入碳原子再采用淬火加低温回火的工艺，钢件的表面有高的硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度和较高的韧性。氮化是向钢表面渗入氮原子的过程，其目的是提高钢的表面硬度和耐磨性以及提高疲劳强度和耐蚀性。齿轮经渗碳淬火或氮化后,其承受载荷的和传递扭矩的能力会大大提高,就是在功率不变的情况下,经处理后的齿轮传动装置可比处理前的传动装置在尺寸上小得多。在齿轮表面上涂上一层很薄的特殊优质材料再经热处理后还可以进一步提高齿轮的承载能力和寿命。37 齿轮传动的噪音齿轮传动的一个重要标志就是要求降价噪音,可以通过齿面精加工提高齿轮精度,调整齿轮的啮合频率，合理润滑等达到要求。此外,还可以采用特殊齿形即深齿形来实现低噪音传动。4 轴承轴承是传动技术中不可缺少的重要元件,在使用广泛的滚动轴承领域中,主要从轴承润滑、轴承材料、结构形式以及全部的支承原理加以改进和革新。41 润滑轴中的润滑材料的纯净度和润滑膜厚度是提高轴承使用寿命的重要因素,所以轴承在使用过程中应保持有良好的润滑和密封,轴承寿命的提高可以相对地减小轴承的尺寸,采用质量高的润滑油和相应的过滤手段也可以为设计者较准确地估算轴承寿命、根据承受载荷选择轴承尺寸,满足使用要求。42 轴承的材料轴承的材料决定了轴承的承载能力和使用寿命,目前轴承材料领域中出现了一种新型的氮合金可渗透钢“Cronidur30”,可取代传统的轴承钢GCr15 之类材料,具有很好的耐腐蚀性和很高的热硬性,可使轴承获得更大的功率储备和使用耐久性,对提高轴承寿命有很大的潜力。另一种新型轴承钢低氮钢(LNS) ,这种钢的原始状态含有少量的氮,采用德国专利的淬火方法淬火后,可在钢的功能表面边缘层产生硬化,从而使材料达到边缘层硬、耐疲劳和耐磨;材料心部软而韧明显地提高了承载能力和耐热强度,具有非常强的耐腐蚀和耐磨性,特别适用于高转速和高温工况下的滚动轴承9。43 轴承结构一种全新的轴承结构形式CARB ( Compact Aligning Roller Bearing ) 轴承,是把滚子轴承的角度灵活性、滚柱轴承的轴向可调性以及滚针轴的结构紧凑性集一体,该轴承滚子呈桶形,其外曲率半径要比调心滚子轴承SRB(self - align2ing Roller Bearing) 大得多(图1) ,这种轴承的优点是:承载力大,最大承载形式的圆柱滚子轴承的实际承载能力仅为CABR 的70 % ,摩擦力小,它的摩擦损耗仅为单列球面滚子轴承的1/ 3 ,结构紧凑,由于它集中了多种轴承的优点,所以当实际承受能力相等时,采用CARB 可以比其它轴承小两档规格,且重量相应减少40 % ,保持非常紧凑的结构形式。4.4 重要轴承介绍以磁悬浮轴承为例，磁悬浮轴承是利用电磁力使轴承稳定悬浮起来且轴心位置可以由控制系统控制的一种新型轴承,是集机械学、力学、控制工程、电磁学、电子学和计算机科学等同一身的最具有代表性的机电一体化产品,将作为滚动轴承、滑动轴承等传统轴承的替代产品,成为二十一世纪占主导地位的轴承4。（1）工作原理其系统主要由悬浮物体、传感器和执行器三大部份组成 ,传感器检测出转子偏离参考点的位移,作为控制器的微处理器将检测的位移转化成控制信号,然后,功率放大器将这一控制信号转换成控制电流,其控制电流在电磁铁中产生磁力从而使转子维持其悬浮位置不变。（2）磁悬浮轴承的特征1) 通常在相同的轴径下,转速比滚动轴承大约高五倍。比滑动轴承大约高二倍。2) 无须润滑和密封,故不存在润滑剂的对环境的污染,也不会产生机械噪音。3) 维修成本低、寿命长。因靠磁场力悬浮轴颈,相对运动表面之间无接触,没有摩擦磨损以及疲劳产生的寿命的问题。4) 运动学参数(阻尼、刚度等) 可以通过调节控制器参数方便地进行调节。(3）应用领域磁悬浮轴承主要应用于真空技术、机床、航天航空、核工业等许多旋转或往复运动的机械上。(4) 其它方面对其它传动元件,如离合器、弹性联轴节、驱动元件等,可采用先进的摩擦材料,在尺寸不大的条件下获得较大的传动力矩。5 结论现代制造技术是现代技术和工业创新的集成，是国家制造业的水平的主要标志，也是国家工业的基础和支柱，而传动技术是制造技术的最重要的一部分，因此现代制造技术的发展会推动传动技术的发展。随着社会的发展，人们对产品的要求也发生了很大变化，要求品种要多样、更新要快捷、质量要高档、使用要方便、价格要合理、外形要美观、自动化程度要高、售后服务要好、要满足人们越来越高的要求，就必须采用先进的机械制造技术，同时优化传动技术。因此，我们应抓住机遇，了解我国机械制造技术的发展现状，把握现代机械制造技术的发展趋势，使我国现代制造业及传动技术与世界发达国家站在同一起跑线上1210。 参考文献1王世敬，温筠.现代机械制造技术及其发展趋势J.石油机械，2002，（11）.2朱孝禄、鄂中凯，齿轮承载能力分析，高等教育出版社，北京，1992。3 H. Nakamura, A. Matsuzaki, Automation in construction machinery, Hitachi Review 57 3 1975 5562.4 徐龙祥. 超高速超精密加工的磁浮主轴系统研究J 先进制造技术,南京:科技出版社,1997 :514 - 518.5武永利.机械制造技术新发展及其在我国的研究和应用J.机械制造与自动化，2003，（1）.6 姚福生,王仁康. 关于先进制造技术的几点参考. 机械工艺师,1997 .7谢黎明.机械工程与技术创新M.北京：化学工业出版社，2005.8张春林，曲继芳.机械创新设计M.北京：机械工业出版社，2001.9黄纯颖 沈刚等.机械传动方案智能化设计系统的构思与实现J.工程设计，1996(增刊).10 Hottenstein, M. P. and Casey, M. S. (1997).Facilitation of advanced manufacturing technology: implementation and transfer, Industrial Management, Vol.39, No. 5, pp. 8-15.11 齿轮手册编委会.齿轮手册.第2版. 北京：机械工业出版社，200112 马晓春.我国现代机械制造技术的发展趋势J.森林工程，2002，（3）. 黄河科技学院毕业设计（论文）文献翻译 第15页液压挖掘机的半自动控制系统摘要一种应用于液压挖掘机的半自动控制系统已经被开发出来。采用该系统，即使是不熟练的操作者也能容易和精确地操控液压挖掘机。这种半自动控制系统构造出了具有控制器的液压挖掘机的精确数学控制模型，同时通过模拟实验可以仿真出其控制算法。当将该控制算法应用在液压挖掘机上时，就可以估算出液压挖掘机的工作效率。依照此法，可通过正反馈及前馈控制、非线性补偿、状态反馈和增益调度等各种手段获得较高的控制精度和稳定性能。关键词：施工机械；液压挖掘机；前馈；状态反馈；操作1引言液压挖掘机，被称为大型铰接式机器人，是一种施工机械。采用这种机器进行挖掘和装载操作，要求司机具备高水平的操作技能，即便是熟练的司机操作也会产生相当大的疲劳。另一方面，随着操作者年龄增大，熟练司机的数量因而也将会减少。开发出一种让任何人都能容易操控的液压挖掘机就非常必要了1-5。液压挖掘机之所以要求较高的操作技能，其理由如下。1.液压挖掘机的操作，至少有两个操作手柄需要同时操作并且要协调好。2.操作手柄的动作方向与其所控的臂杆组件的运动方向不同。例如，液压挖掘机的反铲水平动作，必须同时操控三个操作手柄（动臂，斗柄，铲斗）使铲斗的顶部沿着水平面（图1）运动。在这种情况下，操作手柄的操作表明了执行元件的动作方向，但是这种方向与工作方向却不同。如果司机只要操控一个操作杆，而其它自由杆臂自动的随动动作，操作就变得非常简单。这就是所谓的半自动控制系统。开发这种半自动控制系统，必须解决以下两个技术难题。1. 自动控制系统必须采用普通的控制阀。2. 液压挖掘机必须补偿其动态特性以提高其控制精度。我们现已经研发出一种控制算法系统来解决这些技术问题，通过在实际的液压挖掘机上试验证实了该控制算法的作用。而且我们已采用这种控制算法，设计出了液压挖掘机的半自动控制系统。具体阐述如下。图1 挖掘机反铲水平动作与机架模型2液压挖掘机的模型为了研究液压挖掘机的控制算法,必须先分析液压挖掘机的数学模型。液压挖掘机的动臂、斗柄、铲斗都是由液压力驱动，其模型如图2所示。模型的具体描述如下。 图2 液压挖掘机模型2.1 动态模型6假定每一臂杆组件都是刚体，由拉格朗日运动方程可得以下表达式：其中 g是重力加速度；i铰接点角度；i是提供的扭矩；li组件的长度；lgi转轴中心到重心之距；mi组件的质量；Ii是重心处的转动惯量(下标i=1-3;依次表示动臂，斗柄，铲斗)。2.2 挖掘机模型每一臂杆组件都是由液压缸驱动，液压缸的流量是滑阀控制的，如图3所示。可作如下假设：1.液压阀的开度与阀芯的位移成比例。2.系统无液压油泄漏。3.液压油流经液压管道时无压力损失。4.液压缸的顶部与杆的两侧同样都是有效区域。在这个问题上，对于每一臂杆组件，从液压缸的压力流量特性可得出以下方程：当时；其中，Ai是液压缸的有效横截面积;hi是液压缸的长度;Xi是滑芯的位置；Psi是供给压力;P1i是液压缸的顶边压力；P2i是液压缸的杆边压力；Vi是在液压缸和管道的油量；Bi是滑阀的宽度；是油的密度；K是油分子的黏度；c是流量系数。图3 液压缸和滑阀模型2.3 连杆关系在图1所示模型中，液压缸长度改变率与杆臂的旋转角速度的关系如下：(1)动臂(2)斗柄 (3)铲斗当时，2.4 扭矩关系从2.3节的连杆关系可知，考虑到液压缸的摩擦力，提供的扭矩i如下其中，Cci是粘滞摩擦系数;Fi是液压缸的动摩擦力。2.5 滑阀的反应特性滑阀动作对液压挖掘机的控制特性产生会很大的影响。因而，假定滑阀相对参考输入有以下的一阶延迟。其中，是滑芯位移的参考输入；是时间常数。3 角度控制系统如图4所示，角基本上由随动参考输入角通过位置反馈来控制。为了获得更精确的控制，非线性补偿和状态反馈均加入位置反馈中。以下详细讨论其控制算法。 图4 控制系统方框图（）3.1 非线性补偿在普通的自动控制系统中，常使用如伺服阀这一类新的控制装置。在半自动控制系统中，为了实现自控与手控的协调，必须使用手动的主控阀。这一类阀中，阀芯的位移与阀的开度是非线性的关系。因此，自动控制操作中，利用这种关系，阀芯位移可由所要求的阀的开度反推出来。同时，非线性是可以补偿的（图5）。滑阀的行程与滑阀开度的关系图5 非线性补偿3.2 状态反馈建立在第2节所讨论的模型的基础上，若动臂角度控制动态特性以一定的标准位置逼近而线性化（滑芯位移X 10，液压缸压力差P 110，动臂夹角 10），则该闭环传递函数为其中，Kp是位置反馈增益系数；由于系统有较小的系数a1,所以反应是不稳定的。例如，大型液压挖掘机SK-16中。X10是0，给出的系数a0=2.7 10 ,a1=6.0 10 ,a2=1.2 10 .加上加速度反馈放大系数Ka，因而闭环（图4 的上环）的传递函数就是加入这个因素,系数S 就变大，系统趋于稳定。可见，利用加速度反馈来提高反应特性效果明显。但是，一般很难精确的测出加速度。为了避免这个问题，改用液压缸力反馈取代加速度反馈（图4的下环）。于是，液压缸力由测出的缸内的压力计算而滤掉其低频部分7，8。这就是所谓的压力反馈。4 伺服控制系统当一联轴器是手动操控，而其它的联轴器是因此而被随动作控制时，这必须使用伺服控制系统。例如，如图6所示，在反铲水平动作控制中，动臂的控制是通过保持斗柄底部Z（由1与2计算所得）与Zr 的高度。为了获得更精确的控制引入以下控制系统。4.1 前馈控制由图1计算Z，可以得到将方程（8）两边对时间求导，得到以下关系式，右边第一个式子看作是表达式（反馈部分）将 替换成 1，右边第二个式子是表达式（前馈部分）计算当2手动地改变时，1的改变量。实际上，用不同的2值可确定 1。通过调整改变前馈增益Kff，可实现最佳的前馈率。采用测量斗柄操作手柄的位置（如角度）取代测斗柄的角速度，因为驱动斗柄的角速度与操作手柄的位置近似成比例。4.2 根据位置自适应增益调度类似液压挖掘机的铰接式机器人，其动态特性对位置非常敏感。因此，要在所有位置以恒定的增益稳定的控制机器是困难的。为了解决这个难题，根据位置的自适应增益调度并入反馈环中（图6）。如图7所示，自适应放大系数（KZ或K）作为函数的两个变量， 2和Z 、 2表示斗柄的伸长量，Z是表示铲斗的高度。5 模拟实验结论反铲水平动作控制的模拟实验是将本文第4节所描述的控制算法用在本文第2节所讨论的液压挖掘机的模型上。（在SK-16大型液压挖掘机进行模拟实验。）图8表示其中一组结果。控制系统启动5秒以后，逐步加载扰动。图9表示使用前馈控制能减少控制错误的产生图6 控制系统方框图图7 根据位置的增益调度图8 反铲水平运动模拟实验结论图9 前馈控制在减少Z错误产生方面的作用6 半自动控制系统建立在模拟实验的基础上，半自动控制系统已制造出来，应用在SK-16型挖掘机上试验。通过现场试验可验证其操作性。这一节将讨论该控制系统的结构与功能。图10 控制系统略图6.1 结构图10的例子中，控制系统由控制器、传感器、人机接口和液压系统组成。控制器是采用16位的微处理器，能接收来自动臂、斗柄、铲斗传感器的角度输入信号，控制每一操作手柄的位置，选择相应的控制模式和计算其实际改变量，将来自放大器的信号以电信号形式输出结果。液压控制系统控制产生的液压力与电磁比例阀的电信号成比例，主控阀的滑芯的位置控制流入液压缸液压油的流量。为获得高速度、高精度控制，在控制器上采用数字处理芯片，传感器上使用高分辨率的磁编码器。除此之外，在每一液压缸上安装压力传感器以便获得压力反馈信号。以上处理后的数据都存在存储器上，可以从通信端口中读出。6.2 控制功能控制系统有三种控制模式，能根据操作杆和选择开关自动切换。其具体功能如下。（1）反铲水平动作模式：用水平反铲切换开关，在手控斗柄推动操作中，系统自动的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平运动。在这种情况下，当斗柄操作杆开始操控时，其参考位置是从地面到斗柄底部的高度。对动臂操作杆的手控操作能暂时中断自动控制，因为手控操作的优先级高于自动控制。（2）铲斗水平举升模式：用铲斗水平举升切换开关，在手控动臂举升操作中，系统自动控制铲斗。保持铲斗角度等于其刚开始举升时角度以阻止原材料从铲斗中泄漏。（3）手控操作模式：当既没有选择反铲水平动作模式，也没有选择铲斗水平举升模式时，动臂，斗柄，铲斗都只能通过手动操作。系统主要采用C语言编程来实现这些功能，以构建稳定模组提高系统的运行稳定性。7 现场试验结果与分析通过对系统进行现场试验，证实该系统能准确工作。核实本文第3、4节所阐述的控制算法的作用，如下所述。7.1 单个组件的自动控制测试对于动臂、斗柄、铲斗每一组件，以5的梯度从最初始值开始改变其参考角度值，测量其反应，从而确定第3节所描述的控制算法的作用。7.1.1 非线性补偿的作用图11 表明动臂下降时的测试结果。因为电液系统存在不灵敏区，当只有简单的位置反馈而无补偿时（图11中的关）稳态错误仍然存在。加入非线性补偿后（图11中的开）能减少这种错误的产生。图11 动臂转角非线性补偿的作用7.1.2 状态反馈控制的作用对于斗柄和铲斗，只需位置反馈就可获得稳定响应，但是增加加速度或压力反馈能提高响应速度。以动臂为例，仅只有位置反馈时，响应趋向不稳定。加入加速度或压力反馈后，响应的稳定性得到改进。例如，图12表示动臂下降时，采用压力反馈补偿时的测试结果。图12 动臂转角压力反馈控制的作用7.2 反铲水平控制测试在不同的控制和操作位