（机械设计及理论专业论文）装载机机构建模及显示控制器软件开发.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要刊珥弓 1 降7 弓 在传统装载机基础上，智能装载机加装有智能铲装控制系统、遥控作业控制 系统和远程监视系统，使其具备了在无人驾驶条件下完成铲装作业的功能。为了 实现智能铲装，智能装载机控制系统引进了c a n 总线技术，其执行机构是装载 机工作装置一个典型的反转六孝t 机构，本文对装载机机构建模进行了理论 分析，建立了适合于智能铲装控制的机构运动与力学模型，并结合试验数据分析 了铲装控制实施的效果。具体t 作包括如下几个方面： 1 、分析机构的运动规律，确定广义角位移及角度传感器的安装位置，用数 学模型描述铲斗的运动轨迹。 2 、建立机构在铲装状态下的受力数学模型，将其用于智能铲装控制，并结 合试验数据对比分析了人工与智能铲装条件下控制实施的效果。 3 、智能装载机控制系统中显示监控平台软件开发，具体包括e p e c 2 0 2 5 显 示控制器与总线的数据通讯，以及显示控制器界面的编程和管理。 关键词装载机，智能控制，工作装置 硕+ 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a ni n t e l l i g e n tl o a d e rc o n s i s t so fat r a d i t i o n a ll o a d e r s b o d y ， a n i n t e l l i g e n ts h o v e l l i n g c o n t r o l s y s t e m ，ar e m o t ec o n t r o ls y s t e ma 1 1 d a l o n g d i s t a n c ew a t c h i n gs y s t e m w i t ht h e s ec o n t r 0 1s y s t e m s ，t h ei n t e l l i g e n t l o a d e rc a ne v e nw o r kl u l d e ru n m 猢e dc o n d i t i o n si nr e m o t ec o m r o l m o d e t bi m p l e m e n ti n t e l l i g e n ts h o v e l l i n g ，c a n b u si s 印p l i e di nt h e i o a d e r sc o n t r o l s y s t e m s ，w h o s ea c t u a t i n gi m p l e m e n t i st h el o a d e r s w o r k i n gi m p l e m e n t at y p i c a l r e v e r s es i x - b a ts t m c t u r e i nt h i st h e s i s w i t had e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l sb o t h m o v e m e n t a n df b r c eb a l a n c eh a v e b e e ne s t a b l i s h e df o rt h e l o a d e r s w o r k i n g j m p l e m e n t t h ec o n t r 0 1e f f e c t sh a v e a l s ob e e ne x a m i n e dw i t h t h e a b u n 出n t e x p e r i m e m a l d a t a t h ed e t a i l e d p a r t sa r ea sf o l l o w s 1 t h el a wo ft l l e s t m c t u r e sm o v e m e n th a s b e e n a n a l y z e d g e n e m l i z e d a n g u l a rd i s p l a c e m e ma n da n g u l a rs e n s o r s p o s i t i o nh a sb e e n a s c e n a i n e d t h et r a c ko f t h es h o v e l sm o v e m e n t h a sb e e nd e s c r i b e di nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l 2 n l ei m p l e m e m sm e c h a l l i c a lm a t h e m a t i c a lm o d e li nt h ew o d d n g s t a t eh a s b e e n e s t a b l i s h e d ， w h i c hh a sb e e n a p p l j e d i n i n t e l l i g e n t s h o v e l l i n gc o n t r 0 1 t h ee 丘i e c t sb e t w e e n i n t e l l i g e n ts h o v e l l i n ga n dm a n u a l s h o v e i n g h a v eb e e n c o m p a i e da n da n a l y z e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t a 3 t h e d i s p l a y s o f t w a r e d e v e l o p m e n tf o rt 1 1 e1 0 a d e r s i n t e l l i g e n t c o n 仃d ls y s t e mi n c l u d i n gc o m m u n i c a t i o n b e t w e e ne p e c 2 0 2 5 d i s p l a ya n d i i 硕： 二学位论文 a b s t r a c t c a n b u s ，t h ed i s p l a y si n t e r f a c ea n dd a t am a n a g e m e n ti nt h ee p e c 2 0 2 5 c o m r o l l e r k e yw o r d s 1 0 a d e r ，i n t e l l i g e mc o n 仃o l ，w o r k i n gi m p l e m e n t 堡主兰堡垒壅一苎二兰! 至查 第一章综述 装载机主要功能是对松散物料进行铲装及短距离运输，它广泛应用于矿山、 港口、铁路、公路、水利工程和城市建设等。 图1 1 装载机全景图 1 1 装载机的发展和研究现状 工程机械在国民经济生产中占据着举足轻重的地位，而装载机作为工程机械 里最为广泛使用的产品之一，其作用日益突显。我国装载机生产始于1 9 6 0 年末， 发展至今它经历了3 个阶段“1 。，即6 0 年代仿制摸索阶段，7 0 年代自力更生研 制阶段，8 0 年代至9 0 年代技术引进、合资合作发展阶段。进入二十一世纪，随 着新技术、新材料的应用，我国的装载机质量和数量都跃上了一个新的台阶。特 别是在我国第四代轮式装载机研制过程中，以c a t 公司f 、e 系列为蓝本，移植 与创新相结合，许多新技术在国产装载机上得到应用和推广。 国外装载机生产厂商以“安全、舒适、高效”作为产品设计的最终目的“， 通过产品的更新换代，不断提高产品的技术水平和科技含量。世界新一代轮式装 载机广泛采用新技术新结构，普遍装有负荷传感系统、流量放大转向系统和先导 系统等，减少了系统损失，提高了效率，既节能又省力。同时，换代的新机型还 都装有电子监控、计算机脓控，故障自诊断和工况液晶显示。并采用自动换挡变 速箱，使油耗降低1 5 。值得一提的是，全液压悬挂装置在新机型上的应用，使 装载机具有了减振功能，且吸振性能也得到了改善，此外，新代的装载机还配 备了低排污柴油机以及电子消声和电子称重装置，得到用户一致好评。国外主要 工程机械生产厂家大多建立了完善的电子液压控制平台，并且在智能控制方面进 硕士学位论文 第一章综述 j 二深入地研究。 随着国外先进技术的引进，国内实力较强的企业纷纷引进技术人才，广泛采 用c a d 、c a p p 、c a m 、c i m s 等计算机技术和三维仿真造型、有限元分析技 术，使设计开发能力大为提高。特别是在引进、消化、吸收国外知名生产企业装 载机设计制造技术的基础上陆续开始在新产品中使用了带电子监测的三级报警 装置、电控变速、全自动电液换档、新型制动系统、可实现多用途化的工作装置、 功能集成的操作手柄，并用高技术开发出了机器人化装载机”，同时努力改善司 机的工作环境，提高产品的安全性、舒适性和可靠性“。 综观困内外研究的现状，新材料和新技术在装载机上的不断采用和升级，使 装载机的自动化和智能化水平日益提高，可见，智能化已经成为装载机新世纪主 流发展趋势之一。而智能施工技术作为工程机械智能化发展的核心正备受国内外 生产厂家的瞩目。这种技术是将人工智能融入施工过程的各个环节，通过模拟人 类专家的智能活动，取代或延伸施工过程巾的部分脑力劳动，在旌工过程中系统 能自动监测其运行状态，在受到外界干扰或内部激励能自动调整其参数，以达到 最佳状态并具备自组织能力。本文所指的装载机智能控制系统就是将各种传感 器、控制器组合而成为智能施工系统，它具有信息处理和知觉反馈、决策能力， 从而提高效率、保证质量和降低成本。智能装载机控制系统的核心是铲装作业的 智能化“”，对此国内外的文献资料都鲜有提及，更未见实际的产品面世，例如 在参考文献 1 0 中，作者仅仅对作业施工的自动化控制进行了理论上的论述，因 此智能铲装控制技术的成功具有一定的创新性和先进性。 1 2 课题来源与研究背景 本文选题来自于“智能装载机控制系统”项目。在钢铁厂，炼钢转炉冶炼时 溅落的和倒渣时洒落在渣罐外的炉渣，必须及时清除。过去清渣时转炉必须停止 冶炼，由工人冒着高温驾驶装载机将炉渣从渣坑中铲出。这种作业制度下，不仪 工人的劳动强度大，同时也降低了转炉的生产效率。因此，研制智能化的清渣设 备，就可以使设备在转炉连续生产的同时，随时通过遥控操作来清除炉渣，这样 既可降低工人的劳动强度，又能提高主体生产设备的效率。因此研发的智能装载 机必须具备以下功能：智能铲装作业、远程遥控、可视化髓视。 论文以智能铲装控制的需要为出发点，就装载机的工作机构进行了运动与力 学行为建模的分析，并且在理论分析的基础上探索了其它几种可应用于装载机的 控制方法，丰富了智能装载机的控制功能。同时对控制系统中显示软件进行开发， 使显示控制器在智能控制中发挥了巨大的作用。 堕堂垡笙兰 兰二茎! ! 查 1 3 智能装载机研究的工程背景 一、装载机电子控制技术的发展和应用 工程机械的机器人化技术是2 0 世纪9 0 年代开始发展起来的，高度集成了机、 电、液控制和人机工程于一体的应用技术。 当今世界工程机械发展目新月异，知名企业的产品! i f 朝多样化的方向发展， 产品结构调整也不断加快，以此来提高企业对市场的竞争力。其创新热点主要集 中在：更好的经济性和运转效率，更加完善的性能，使用舒适性和安全性，更有 环境亲和性的设计和使用，机械电子控制系统的应用即机电液一体化的综合 应用”。在工程机械智能控制方面，信息技术渗透较快。继电液控制、p l c 控制、信息数据显示后，又推出了计算机控制板式的控制方式、触摸式操纵等。 工程机械正从征服自然、改造自然的突出力量型机械，转变为人、机械、自然相 容的协调融合设计。 电子控制技术在装载机上的应用，遵循着从工作部件的电子控制到总成的电 子控制，一直到整机集成电子控制的方向。具体的应用首先在工作装置的电子控 制技术，工作装黄是装载机进行作业的执行机构，在原有机构的基础上，通过传 感器检测工作装置的运行位置，经判断处理，控制电磁阀实现自动控制。例如： 动臂举升自动限位，铲斗自动放平，有效载荷测量，行驶减振等等；其次，还有 动力和传动系统的电子控制技术，工作过程电子监控系统，装载机卫星控制技术。 国内生产的新机型上己普遍采用电控单元，但电子技术应用于装载机上，在国内 尚处于起步，无疑各产商将这一技术视为提高机器性能和高技术含量的标志，也 是工程机械发展的方向。 轮式装载机是用途广泛的土方施工机械，其铲装作业过程的工作效率及机械 磨损率取决于装载机驾驶员( 以下简称为人) 的实时操作技术水准。如人以最佳 技术水准操作机械作业，则可使发动机功率得到有效利用，作业效率高而机械磨 损率低。但是由于在铲装过程中物料或土体对铲斗形成的阻力及作业环境是随机 变化的，人只能根据实时观察判断及工作经验进行铲装作业，因而实际与理想作 业效率的差距很大。寻求具有人工智能的装载机工作装置控制技术，辅助人进行 铲装作业对提高装载机生产与经济效率是必要而迫切的。 二、c a n b u s 总线技术在智能装载机上的应用 本项目以冶金炉前清渣，核废料清除，以及抢险等应用场合为背景，研究装 载机的智能控制技术、遥控技术和多视角可视化技术，提高装载机作业效率。 传统装载机完全依赖手动操作，因此为了减轻操作者的劳动强度，装载机制 造厂在电气化改造方面已经作了许多工作。然而，这些工作一般是按照如下思路 堕主堂堡堡壅 笙二i 墅 进行的：由一个控制器收集现场输入信号，然后进行一些处理并输出控制信号， 从而驱动执行单元工作。根据这种思路设计出的装载机，其工作是人在驾驶室环 境下按照一定的方式进行的，此时装载机自身参数的工作状态与外界没有丝毫的 联系，而如果遇到恶劣的环境驾驶人员则难阻上机工作。 智能装载机控制系统的开发，就是针对传统装载机在控制上的不足，以及为 迎合特殊场合的需要而进行的。它引入现场总线技术“”1 ，建立现场总线控制系 统，以方便对传统装载机进行智能化和遥控技术的改造，使装载机町以无人驾驶， 即使在恶劣的工作条件下也w 以实现遥控智能铲装作业。 同时出于经济的考虑，必须和现有的控制系统实现兼容。自8 0 年代美国仪 表协会( i s a ) 下属的标准和实现工作组中的i s s p 5 0 开始制定现场总线标准 以来，出现了一系列的现场总线标准，比较有影响的现场总线标准有：l o n w o r k s ， f f ，p r o f i b u s ，c a n ，h a r t ，其中c a n 是控制器局域网络“，最早由德国 b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之| 日j 的数掘通信，与一般的通 信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因此 在装载机的现场总线控制系统中，采用c a n 总线协议最为合适。c a n 是一种 多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率、高抗电磁干扰性而 且能够检出产生的任何错误。当信号传输距离达到l o k m 时，c a n 仍可提供高 达5 0 k b i 仉的数据传输速率。 本系统是基于c a n b u s 中的c a n o p e n 协议。 c a n o p e n 指定有四类通信对象。用8 个字节的数据字段把过程数据对象 p d o ( p m c e s sd a _ t ao b j e c l s ) 映象到一个单一的c a n 帧，从而传输应用对象。每 个p d o 有个唯一的标识符且可以仅通过个节点发送。但其接受者可不止一 个( 生产者消费者通信) 。发送p d o 可用多种方式，如由内部事件驱动，由内 部定时器驱动，由远程请求驱动和由接收到来自特定的节点的一个同步信息驱 动。应用对象和支持的传送方式的缺省映象在对象字典中对每一个p d o 都作了 描述。p d 0 标识符具有高优先级以确保良好的实时性能。 这样的一个c a n 总线系统“，和传统的装载机控制系统建立样，首先必 须制定系统的控制方案，在此基础上，根据系统控制的功能划分和控制对象的物 理分布，将个复杂系统的控制任务分成若干个子任务，每个子任务或者某些子 任务由一个控制器来完成，各个控制器通过c a n 总线将它们连接起来，对于每 一个控制器来说，为了实现和c a n 总线的数据通信，需要一个c a n 总线接 j ， 【乜就是说，控制器和c a n 总线接口相连，c a n 总线接口又和现场总线相连，控 制器通过对c a n 总线接口的操作实现对c a n 总线接口的通信参数配置，传送数 据和接收数据，实现对整机的控制。 4 顶j j 学位论文 第一章综述 在智能装载机的控制系统中，完全呵以按照如下的思路进行：该控制系统需 要对大量的数据进行处理和模型计算，因此可阻将这些复杂计算功能放在一个控 制器中进行，即用这个模块( e p e c 2 0 2 3 ) 作为数据的输入模块和数据处理模块， 经过c a n 总线接口将处理好的数据传送给专用于数据输出的模块( e p e c 2 0 2 4 ) ， 由该模块向现场总线发出控制指令，控制执行元件执行相应动作。同时有一个友 好的人机界面是非常重要的，在人机界面硬件方面，需要有一个控制模块 ( e p e c 2 0 2 5 ) ，它一样连接在c a n 总线上，实现与上述控制器的信息融合，既 可以接收来自于总线的信息，又可以通过编制一个界面应用程序来向装载机发送 指令，从而可以实现系统的在线检测，大大提高了本系统的先进性。如下图 遥控接收机 e 3 0 0 2 0 2 5 显示器模块 l i介 c a n b u s u i i i 8竺_ 篓 u l m 十 e 3 0 0 2 0 2 3 控制模块e 3 0 0 2 0 2 4 控制模块 n r 一黼s “a 昌出出黑赢三 输出 图1 2 控制系统概图 总而言之，智能装载机控制系统在工作现场采用c a n 总线将各控制器模块 连接起来构成c a n 网络，并通过显示控制器的在线监测、数据设定，就可以 实现对装载机的有效控制，包括在不同的工况、不同的料堆进行智能铲装作业， 以及实现智能铲装的自学习功能、辅助放平功能和自动卸料功能等。 在浚项目中，采用了控制器e p e c 2 0 2 3 、e p e c 2 0 2 4 和硅示器e p e c 2 0 2 5 ( l c d ) ，并在c a n o p e n 协议上与遥控器接收器连接成c a n 网比“，实现信息 互通a 以这样的控制连接方式，就可以充分利用总线优势，实时采集到装载机现 场工作状态。例如：所处工作模式，工作装管位置，参数，车速，液压参数等， 再通过数据信号的转换，经c a n 总线传递给控制器，经控制器进行数据处理， 判断后即给出相应的控制指令控制执行机构，完成预定要求。 堡堂堡笙兰皇三兰至! 童查 1 4 工作装置的结构形式和减阻铲装的特点 一、工作装嚣的结构形式 装载机工作装置是完成装卸作业并带液压缸的空间多杆机构。本项目选定工 作载体为z l 5 0 系列装载机，其工作装置为无铲斗托架结构型式“，平面投影为 反转六杆机构。它由运动相互独立的两部分构成连杆机构和动臂举升机构， 主要可分为铲斗、动臂、连杆、上下摇臂、转斗油缸、动臂油缸、液压系统等。 如图示，装载机的动臂下铰点与铲斗连接，e 铰点与莳车架连接；转斗缸一端与 前车架连接，另一端与上摇臂连接：连杆则分别与下摇臂和铲斗连接，构成一个 典型的反转六杆机构。 图1 - 3 装载机工作装置概图 二、装载机减阻机理简述 装载机工作装置的运动特点“”。“可以看成是铲斗的运动特点。由机械原理知 识可知，上述反转六杆机构的自由度为2 ，即它的运动约束变量等于2 ，它的运 动规律可用2 个变量来描述。由运动特点可以得出：在以机架为坐标参考系下， 铲斗的运动就是动臂绕固定点的转动和铲斗绕动臂下铰点的转动的合成。所以如 果可以测知这两个角位移变量，那么铲斗及工作装置上各铰点的位置和运动特性 就可以用数学方法描述，进而得到铲斗的运动轨迹函数关系式，并在此基础上提 出几种可应用于智能装载机的运动控制方式，丰富装载机的机多能。 装载机主要靠牵引力实现插入铲装工作，因此由于工况的不同，作业环境的 改变，使铲斗的受力非常复杂。在实际工作状态下，装载机在驱动力作用下，不 6 堕：生堂垡笙塞 笙二竖堕 断克服遇到的各种阻力而维持运动，这些阻力包括静阻力、动阻力、作用阻力。 其中作用阻力是主要的，它与铲装过程和铲装物料有直接关系，研究结果表明： ( 插入图形) 当铲斗插入料堆后，料堆会发生明显变形，并使斗刃前缘的物料逐 渐被压实，形成压实区，即密实核晦。 图1 4 铲斗插入物料时的示意图 西斗深；厶密实核长度；三c 插入料堆深度 面积f 1 、f 2 是铲斗插入时料堆产生变形的范围，决定插入阻力和功耗的大 小。f 1 、f 2 面积的大小随插入深l c 的增加按指数大于1 的指数曲线规律增加， 随料堆高度h h 的增加按指数小于l 的指数曲线规律增加，且当h h 超过一定值 对其变化不大。此外，f 1 、f 2 还随物料粒径增大而增加，粒径变化对f 2 的影响 尤大。鼠、幺与斗底倾角、物料粒径d 、插入深度l c 、料堆高度h h 有关。 其一般规律是： 随的增加岛、岛减小，f l 、f 2 则增大； 随d 增大鼠减小； 当小时，鼠与b 相差不大，较大时，则相差较大。 研究成果表明，密实核长度反映了阻力，尤其是切向分力的大小，它与插入 深度和料堆高度有关，且随粒径增大而增大。 装载机插入铲取过程中所受到的阻力，取决于料堆的形状、物料的特性、铲 刃插入深度、料斗的影响等众多参数。但是，散体物料特别是大块散体物料的各 种特性有很大的随机性，理论公式计算插入、铲取阻力时，无法准确确定诸如自 然堆角、内摩擦角、物料滑移角等重要参数，因而，计算结果往往与实际值有很 大的误差。 虽然铲装过程中铲斗受力十分复杂，难于准确进行理论计算，更不可能实时 理论计算( 插入深度不能实时检测) ，但是对于智能减阻控制来说，依然有一定 的规律可循。 首先，有很多因素虽然有影响，甚至有的影响较大，如物料的粒度( 块度) 、 物料内摩擦系数、料堆的高度等，但是这些因素在一次或多次装载作业中不改变， 因此，可以将它们作为固定的参数输入。其次，为了保证铲装满斗率，最终的插 堡! ：堂焦笙塞j 蔓二里! i 堕 入深度也必须保证。 因此，插入减阻智能控制的主要减阻机理，就是不断破坏已经形成的密实核， 减小第二滑移体面积( 对大粒度物料、原生土层影响尤大) ，达到减阻作用：其 次，要控制铲斗插入时斗底倾角，使其斗底尽量保持水平，以减小滑移体体积， 达到减阻效果。 在铲取过程中，密实核的长度与水平插入时的密实核长度成正比，因此，上 述减阻措施对铲取过程依然重要。此外，为保证满斗率和降低能耗，应该采厨j 插 入与铲取混合进行的方式，控制插入深度和斗尖轨迹，对高料堆斗尖轨迹宜大致 平行于料堆斜面，对矮料堆斗尖轨迹宜平缓。铲装可使斗刃变钝，增大插入阻力， 其阻力大小与密实核大小成正比，所以如何减少密实核的大小，破坏密实核的形 成是减阻插入铲取的关键。可见，智能减阻铲装的主要目的就是要破坏密实核， 减小它对铲取工作阻力的影响。 对装载机控制来说，破坏斗尖处密实核的方法，可采取举升动臂或者收、斗的 方式，使斗尖向上运行一段距离，造成铲斗切削刃处密实核破裂，铲斗底面离开 物料，再插入作业的措旌( 将重新生成密实核) 。有资料表明，装载机在原生土 层作业时，试验统计出此项操作4 8 次可完成一次铲掘作业，满斗率8 5 左右。 根据统计，在其它条件相同时，密实核长度与铲斗当时的插入深度成正比， 因此，检测插入阻力，可以间接地估计实时密实核的长度状况，用力柔顺控制的 方法达到减阻目的。 此外，应该注意到，装载机所能提供的最大插入力不仅与装载机空载最大牵 引力有关( 即上限) ，在实际工况下，真正控制最大插入力的是车轮与地面问的 摩擦状况。一旦出现打滑现象，车轮与地面的摩擦状况将急剧恶化，应立即采取 减阻措施，降低插入阻力，使装载机离开打滑地面，熏新产生牵引力，实现铲装 作业，并尽可能的减少车轮( 履带) 的磨损。 1 5 智能装载机控制系统的组成 对智能装载机控制方法进行研究，就必须先了解整个控制系统的建立。智能 控制系统由以下几个部分构成：感知系统、电液平台、遥控系统、c a n 网络和m c 控制器的开发。这里所说的感知系统就是分布于装载机工作装置上的角度传感器 ( 3 个) 和压力传感器( 4 个) ，其数据信息直接进入控制器( e p e c 2 0 2 3 ) ，由控 制器进行数据处理并通过总线传送到控制器( e p e c 2 0 2 4 和e p e c 2 0 2 5 ) ，经过逻辑 运算驱动执行元件执行相关操作。 硕l 学位论文第一章综述 1 6 课题研究的内容 本论文的内容和结构大致分为四个部分： 第一部分：以理论分析为核心，主要为智能控制策略的制定提供理论依据， 为智能铲装控制提供数学模型。对装载机工作装置的结构、运动特点、受力方式 等特性作一个针对性比较强的理论分析。 第二部分：以理论联系实际为主。结合上述的理论分析和数学模型，探讨智 能铲装控制及其它控制方法的实现。 第三部分：以实践应用为主。主要对显示控制器软件和控制数据的界面进行 开发和管理。 第四部分：对智能装载机控制系统数据采集的试验研究进行了说明。 9 硕十学位论文 第二章机构运动学分析 第二章机构运动学分析 对装载机 ：作装置反转六杆机构的运动和力学理论分析，在许多文献资 料中昭”“都已经涉及，例如胡铁华等在参考文献【3 1 中对机构运动轨迹的描述就 利用了矩阵理论，但推算过程复杂，理论性很强，不适合应用于智能控制。因此， 必需针对智能控制的要求，对机构进行有效和实用的分析，并建立能为实施控制 所需的数学模型。 图2 1z l 5 0 c 外形概图 z l 5 0 c 装载机是我国1 9 8 8 年鉴定的产品，其外形如图2 1 所示。 该机是一种以装载散装料为主的较大型工程机械，是用于綦建、筑路、矿场、 港口码头、军事工程以及钢铁、能源企业等进行装卸、推土、其中、牵引等作业。 z l 5 0 c 装载机工作装置如图2 2 所示，由动臂油缸和转斗油缸控制反转六杆 机构的运动，以实现铲斗的铲装作业。 图2 2z l 5 0 c 装载机工作装置 对于智能装载机而言，角位移传感器的安装位置是非常重要的，作为感知系 统的一部分，它是判知装载机工作装置状态的重要参数，所以机构运动和力学理 论分析将从传感器的安装位置开始。 1 0 堡主堂丝堡壅笙三至塑丝堕型坐：坌塑 2 1 机构工作装置的分析 z l 5 0 c 装载机工作装置可以视为一个出动臂油缸和转斗油缸控制反转六抒 机构。选择机架作为反转六杆机构工作装置的运动参考系，如图2 3 所示的平面 直角坐标系x o y 。由机械原理可知机构的运动自由度为2 ，即在广义坐标下， 机构的运动状态可以由两个变量来描述。当铲斗的位置角卢：和动臂位置角。确 定后，机构的运动状态就唯一地被确定，故可选崩和：作为自变量来确定铲斗 的运动位置。因此第一个角传感器安装在g 点测量屈；而第二个角传感器考虑 到实际条件，不便于安装在铰点a 位置来测反，从安全角度需要远离铲斗，所 以可以选择反转四杆机构a b c d 的d 点问接测占，因此还需要将秽与：角进行 转换。单位：角度( 度数) ，长度( m m ) y g oop 图2 t 3 反转六杆机构运动分析图 表2 4 工作机构符号定义 x 符号物理意义符号物理意义 蜀 动臂a g d 中a d 杆长 成 动臂a gl j y 轴夹角 r 2 铲斗上a b 点距 声2 四连杆a b c d 中么b a d r ) 连杆b c 长 风 f g d 中z f g d r 。下摇臂c d 杆k尻f g d 中么g d f 月5 动臂g d 杆长 ， f d e 中z f d e 硕： 二学位论文 第二章机构运动学分析 r 上摇臂d e 杆睦 j b 。 么e d g r ，任意t 况e f 长 8 1 a b 杆与铲底的夹角 蜀 杌粟杆g f 长 移四连杆a b c d 中么a d c r 。动臂举升杆g i 长 y 1 动臂a d g 中么g a d r l o 机架杆g hk ，2 动臂a d g 中z d g a r 1 3 铲斗尖p 与a 点的距离 乃 铲斗尖么p r 1 2 动臂缸最短时睦度 ，4 z i g a r 2 2 动臂缸最跃时比变 崩 动臂油缸g i h 中么l g h 对应图2 3 所示。 2 2 基本参数问的相互转换关系 、届角的确立及上下限 由图2 3 及基本三角函数关系可得： 驴a r c c o s ( 壁筹 z 叫 m i n ( 屈) 2m i n ( 屈1 ) 一y 。 i n a x ( 届) 2m a x ( 届i ) 一，4 ( 2 2 2 ) ( 22 3 ) 注：g h 与y 轴重合 r 由矗，：和r ：分别代入得到动臂油缸的行程极大和极小值，这样就可以得 到。的极大和极小值。 二、动臂角与摇臂角数学关系 出机构的特性可以很出：影响口角的因素有两个，一个是动臂角屈，另一 个则是转斗油缸的伸长r ，。 首先分析动臂角l 与目的关系。在f g d 中么f g d ( 屈) 表示的是动臂与 固定杆件g f 的转动关系，而。则表示动臂与固定杆件g h 的转动关系，因此， 岛与。之间只差一个常量角口： 屈= 届一q( 2 2 4 ) 砑= 缸i j 面而( 2 - 2 _ 5 ) 硕十学位沦文第二章机构运动学分析 d f 动臂支点d 与转斗油缸支点f 之间的距离 在f g d 中，由正弦定理： 生：生 s i n 岛s i n 4 ( 2 2 6 ) 反= 一域嘉s i n 岛) 2 _ 7 ) 反= 删i n ( 嘉s m ( 届1 ) ) ( 2 告8 ) 因为动臂机架a d g 是整体运动的，摇臂绕其支点d 转动，所以臼角与卢。 角之间只相差一个常量角a ：，又： 拶2 孱一口2 2 岛一屈一口2( 2 2 9 ) 即：岛= 口+ 屈+ d 2 ( 2 2 1 0 ) 。在f d e 中，由余弦定理得摇臂杆伸长： r ，=伍i i i i 丽 ( 2 - 2 1 1 ) r - 2 、卯2 + r 乞2 d f 恐c o s ( 口+ 盯c s i n ( 熹s i n ( 届1 ) ) ) ( 2 引2 ) 由上式知道：当转斗缸不动作时，摇臂角目只受动臂角，的影响；如果转斗缸 动作时，摇臂角口就只受转斗缸伸长的影响。需要说明的是这两个因素不会同时 影响摇臂角口的变化，因为动臂缸和转斗缸是不能同时动作的，即动臂油缸开启 时，转斗油缸关闭；反之，亦然。 堕兰笪笙壅 笙三兰垫塑堕垫兰坌塑 ，一 、 厂 ， |。 | | 图2 5 铲斗自动保平角度关系 如上图2 3 所示，铲口水平角随着动臂的提升会逐渐保持水平，防止物料撒 漏，这就可以解释为什么装载机有铲斗自动保平功能。所谓自动保平功能是指当 铲斗完成铲装完全收斗后，动臂举升的过程中，斗口会始终朝上，保持相对水平， 防止物料撒漏，这个功能是由反转六杆机构本身的特性所决定的。 三、转斗角局与摇臂角臼问的转换 转斗角卢：只受摇臂角的影响。在反转四杆机构a b c d 中，已知杆长和某一 角度，求取其它的角度是无法用简单的三角关系来求得的，这里借助美国弗罗伊 登斯坦( f f r e u d e n s t e i n ) 。“1 提出的近似综合用解法。 ，一g c o s 口+ p c o s = c o s ( 曰一矽)( 2 2 1 3 ) ，= 墨：墨i 墨i 二竺i 2 只4 尺z 里 。：旦 r 2 1 心 口角为r 1 与r 。的夹角，痧角是r l 与尺2 的夹角。这两个角是同向的，因为 本机构是一个反转机构，所以声：= 7 r 妒。为了区别r ：和r 。的运动位置，我们 令两杆与月。异边时岛角为“+ ”，否则为“一”。 具体处理方法： r g c o s 口+ p c o s 痧= c o s ( p 一) = c o s p c o s 庐+ s i n 矽s i n 硕十学位论文第二章机构运动学分析 ( ，一g c o s 目) + ( p c o s 日) c o s 痧= s i n 臼s i n 庐 令： 爿= ( ，一g c o s 口) ：曰= ( p c o s 口) ；c = s i n 口； 取：西 当日_ 霹， 得： 4 + 曰c o s = cs i n 痧 一4 a 托c o s i = a r c c 0 s j 一 些李掣1 ( 2 - n - 1 4 ) b 2 + c 2i 9 生：皇二垡耍至( 2 _ 。瑙) 曾。+ c 2i 展= 万一庐= 厂( 目) 当 拶g 羿，2 = 矽一刀= ，( 移) 注：界角是指a b 杆与a d 杆重合时的角度 2 3 铲斗运动轨迹描述 ( 2 2 1 6 ) ( 2 2 17 1 铲斗运动轨迹可以由铲斗斗口的水平倾角伊以及斗尖p 的坐标( x ，蚱) 来表 示，先确定a 点的坐标： 以2 爿g s i n 1 ( 2 3 1 ) 匕2 彳g c o s l ( 2 3 2 ) 然后就可以得出p 点坐标和铲斗运动轨迹： p 一9 0 。+ 届一腹一，l 一岛( 2 3 3 ) 爿p2 以+ r 1 3 c o s 劬一儿) ( 2 3 4 ) 。匕+ 马3 s i n ( 妒一y 3 ) ( 2 3 5 ) 其中岛、乃、y ，、r ，常量 迸一步可以求出铲斗的运动速度，以方便后面的动力学建模： 对铲斗的运动轨迹：妒= 9 0 。+ 届一屈一 一岛求一次导数塑。 “j 得 痧= 矗一度 ( 2 3 6 ) 堡堂丝堡奎 笙二：童塑垄垫兰坌塑 对f f r e u d e n s t e i n 公式进行处理 r g c o s 目+ p c o s 妒= c o s i 矽一) 又：恻= 弦一叫 j 彤：垡! 业竺业掣d 臼 7 p s i n 庐s i n ( 日一) gs i n 口d 曰一p s i n d 痧= 一s m ( 口一痧) ( d 臼一d ) 而眇| = l 识i i 嘏= 一却j 当目 临界角j 庐= 矗+ 庐= 矗+ j i i ：鬻毋斗当p 临界角 口s l n 驴s l n i 一驴l ( 2 3 7 1 f 2 3 8 1 ( 2 3 - 9 ) ( 2 3 1 0 ) 由上面的分析可以知道，只要获知角度传感器的数据信息，就可以判断出装 载机工作装置所处的位置状态，进而根据铲斗的位置信息就可以控制工作装置的 动作，例如智能铲装作业，铲斗是否放平，铲斗辅助定位等等。 2 4 铲斗定位功能的数学建模 铲斗位置是智能装载机控制的一个重要参数，它是执行所有控制程序时首先 进行判别和运算的，以下分析的是基于运动分析中铲斗自动放平功能以及自动平 放功能。”1 的数学建模。 一、铲斗自动放平 铲斗自动放平，也称自动复位，是指铲斗在举升后卸料完毕，将铲斗收斗到 某一位置，而放低动臂至插入位置时，铲斗正好放平即斗底水平，这样可以节省 操作者的劳动强度。传统装载机都可以通过工作装置的自身运动特性和通过液压 系统中的电磁换向阀来实现自动保平和自动放平。但对于自动放平功能只是相对 于某一个特定的卸料位置( 动臂限位) ，即首先设定好动臂限位开关，再调定好 在转斗缸上安装的用于铲斗自动放平的电磁开关( 一般在装载机出厂前已经调节 好供用户使用) ，离开该特定的卸料位置，工作机构就不具备这种功能，所以具 有很大的局限性。在智能装载机上，遥控者远离装载机，所以该功能可以有效的 帮助遥控者定位铲斗到水平插入状态，而无须通过可视系统目测，节省时问提高 1 6 堡兰垡堡奎笙三兰塑丝堕型堕：坌塑 效率。而对该功能的完善不仅可拆除传统装载机上用于自动复位的动臂限位控制 器和电磁开关，而且减少了运动部件的冲击和碰撞，降低了噪音和远程操作的劳 动强度，更重要的是它为智能铲装控制时的铲斗定位提供了可靠的保证，提高了 智能控制的使用效率。建模思路为：当动臂处于最低，进入铲装位置时，保持铲 斗放平，转斗油缸锁住，其长度e f = l ；再使动臂举升至最高，就可以得到每一 个动臂角对应的摇臂角，即铲斗放平时动臂角与摇臂目角的对应关系。 由公式： 可知，当r ，等于铲斗处于插入位置放平时转斗缸的臂长l ，使动臂举升至最高 这样就可以得到相关角度的关系： p = 厂( ，) 、 、 弋 k 弋 、 图2 6 铲斗自动放平状况动臂角与摇臂角相关图 如上图所示，铲斗收到最大，动臂举升的过程中，斗 j 倾斜角逐渐减小，也 就是逐渐保持水平( 一般认为物料不洒落) ，由上述的公式转换以及数值模拟的 结果反映了机构自动保平功能的实现。 二、铲斗自动平放 铲斗自动平放是指动臂提升到任意位置都可以保持铲斗平放，即铲斗底部平 堡主堂笪堡垄兰三皇塑苎堕型型塑塑 而保持相对水平( 妒：0 ) 。这对于装载机实现多功能用途是一个补充，例如只需 要更换不同类型的铲斗，就可以实现叉车用途，提升不能倾翻的物体，或作为特 种用途车辆，举升人员高空作业等，既提高了工作效率又实现了一机多能。 由铲斗轨迹公式： p = 9 0 0 + 崩一岛一，一岛 知舻= o o 时铲斗始终放平： 岛= 9 0 0 + a y l 一岛 ( 2 4 - 1 ) 动臂角届足可以测得的，但转斗角岛只能通过先测得摇臂角目间接换算得 到，根据前面叙述的在四杆机构a b c d 中，运用弗罗伊登斯坦( f f r e u d e n s t e i n ) 提出的近似综合解法。 臼= 厂( 屈，b ，b c ，c d ，爿c ) ( 2 4 2 ) 综合上两式可得关系如下： 口= ，( ( 9 0 0 + 届一n 一岛) ，爿日，曰c ，4 c )( 2 - 4 3 ) 7 一 k 图2 7 铲斗自动平放状况动臂角与摇臂角相关图 求得动臂角和摇臂角的关系，就可以得到两个角之问的曲线关系。上图曲 线所揭示的只是在理论计算上实现铲斗自动平放要求时，这两个角度所需要满足 的一对应的数学关系。实际上这种关系在实践中无法实现，因为工作装置的运 硕十学位论文第二章机构运动学分析 动是间歇式的，动臂油缸和转斗油缸互锁，不能做连续的互动，这里只作理论上 的分析，在后面的章节中会专门讨论如何在实践中实现这一功能。 2 5 小结 本章主要是针对智能控制的需要，就装载机工作机构的运动关系进行了分 析，以传感器安装处角位移变量为机构广义角位移，用简洁的数学关系推导出“ 义角位移与其它角位移之间的换算关系，从而得出铲斗的运动轨迹表达式。然后 运用轨迹方程摸索出铲斗运动轨迹的多种形式，提出了相应的控制方法，为实现 装载机一机多能提供了理论依据。 1 9 硕十学位论文第二章机构力学分析 第三章机构力学分析 与机构运动学分析相似，机构力学分析主要的目的是针对智能减阻控制的 需要，对机构的力学特性做一个比较详细的分析，建立一个行之有效的数学模型， 作为智能减阻铲装控制的一个重要判别依据。 在综述巾已经详细介绍了铲装过程中密实核的形成机理，以及它对铲装的 影响，从中可以知道：密实核的形成是不可避免的，或小或大总是存在的，但如 何破坏足以影响铲装作业的密实核的形成却是可以实现的。智能减阻铲装控制过 程就是利用油缸压力传感器计算铲装时工作阻力，再与经验值( 或最大牵引力的 6 0 ) 比较，当工作阻力达到设定的门槛值时，就采取减阻策略复合铲装( 抬 升动臂，收斗配合进行) ，所以减阻控制的目的就是使铲装总是朝阻力减小的方 向进行。综上所述，在下面的章节中将讨论如何建立计算工作阻力的数学模型。 3 1 装载机的阻力类型 装载机在驱动力作用下，不断克服遇到的各种阻力而维持运动“1 “3 ，在参 考文献 4 4 】中，就装载机的作业阻力类型作了详细的分析。这些阻力中，因维持 等速运动作业所产生的阻力叫静阻力，如装载机上坡、等速插入作业时的滚动阻 力、风阻力、坡度阻力、插入作业阻力等；因速度变化而产生的阻力叫动阻力： 或者为维持装载机一定的运动( 等速或变速) 需要克服的阻力称运动阻力；装载 机作业时，料堆作用在装载机工作装置上的阻力叫做作业阻力。在上述阻力中， 滚动阻力和风阻力在任何行驶条件下都存在，坡度阻力、动阻力、装载作业阻力 以及转向阻力则仅在一定条件下产生。一个基本的铲装过程町见下图所示。 图3 1 铲斗铲装过程示意图 本文讨论的是装载作业阻力，也就是装载机在进行插入铲取物料的过程中 堕主堂堡堡壅塑三皇塑塑望兰! ! 塑 所遇到的工作阻力，包括插入阻力和铲取阻力，即在铲斗斗尖处，工作装置所遇 剑的水平阻力和垂直阻力。 3 2 装载机工作阻力分析 装载机作业条件复杂，作业场地多变，即使在同样的作业条件下，由于工作 位置及作业： 况不同，工作机构受力情况也不一一样。因此，进行机构工作阻力的 数学建模时，首先要分析装载机作业过程，找出一个在普遍性工况条件下，使工 作机构各部件受力最不利的作业位置作为计算的依据。 一、工作机构计算位置的确定 分析装载机的铲掘、运输、提升及卸载等作业过程，发现装载机在最低铲装 物料位置时工作机构受力最大，也就是动臂处于最低位置时，铲斗斗底基本与地 面平行，以这个位置为工作机构的计算位置。如图所示 图3 2 工作机构计算位置示意图 二、工作机构典型工况的选择及外载荷的确定 装载机在铲装作业过程中，工作机构受力最大的情况有以下三种： 1 ) 装载机沿水平面运动，工作装置油缸锁闭，由牵引力带动铲斗插入料堆， 则机构受