（机械设计及理论专业论文）平地机工作装置混联机构设计关键技术.pdf

摘要 摘要 近年来，随着我国建筑与机械行业的快速发展，工程机械产品出现了井喷式 的销量增长，工程机械相关技术与国外差距也在不停缩短。然而平地机作为工程 机械中相对复杂的一个分支，对它的研究却很少，尤其是对于平地机工作装置动 力学分析与研究这部分，缺乏系统的理论研究与分析方法。为了丰富这个领域的 研究内容，同时也是为了给平地机工作装置的设计提供更多的理论支持和设计方 法，本文提出了平地机工作装置系统动力学研究与面向机构优化的二次开发系统 设计方法。 把平地机工作装置作为一个模块，首先解析了它的具体结构并在此基础上对 该空间机构进行了分析与综合。通过空间机构学的理论与方法，最终确认该机构 是由一个少自由度并联机构和一个平面组合机构形成的空间复杂混联机构，基于 螺旋理论以及空间机构解析法，证实了这个少自由度并联机构是一个3 - u p s s 并 联机构。结合样机的物理试验，对该机构的位置正解进行了分析与验证，试验结 果表明了该方法的有效性与合理性。 在机构分析的基础上，基于系统动力学分析软件a d a m s ，建立了平地机工 作装置系统运动学与动力学虚拟样机模型。对工作装置的各项运动学参数进行了 设计验证与分析，比如油缸的最大行程，铲刀的最大入地深度，工作包络区间等 等。对工作装置各项动力学参数进行了分析与研究，比如工作装置系统各构件在 恶劣工况下的受力曲线图以及最大载荷。结合分析得到的各构件最大载荷，基于 专业有限元分析软件h y p e r w o r k s , 对各构件建立了有限元分析模型，进行了结构 强度校核，并根据工程实际，对相关部件进行了结构优化。考虑到铲刀经常受到 冲击载荷，对铲刀同时也进行了动态冲击响应分析仿真，并在此基础上绘制了该 铲刀的抗冲击特征曲线图，从而指导用户合理使用平地机，也为工程师的创新、 优化设计提供参考。 为了避免优化过程中的重复建模问题，提高整个系统的优化效率，本文最后 提出了一种工作装置二次开发系统设计方法，实现了工作装置空间机构的参数化 驱动。首先，建立了该二次开发系统的总体框架图，依此，创建了基于u g o p e n a p i 的用户自定义界面，编写了基于u g o p e ng r i p 的工作装置系统参数化语言 程序，通过v i s u a lc + + 应用程序框架，用户自定义界面与参数化语言程序建立了 平地机工作装置混联机构设计关键技术 联系，也同时实现了人机交互操作。该二次开发系统同时也为企业设计人员提供 了工作装置快速设计方法。 结合某企业的平地机工作装置设计实例，并依据物理试验结果，验证了该系 统动力学研究方法和二次开发系统设计方法的有效性和合理性，该设计分析方法 不仅缩短了平地机新产品的开发周期，减少了新产品的开发成本和交货时间，而 且很大程度上提高了产品的设计质量，制造的可行性以及使用的耐久性，丰富了 产品族的多样性。对于以小批量制造，用户定制为主要特点的平地机行业，这种 设计分析方法的应用显得尤为重要。 关键词：平地机；工作装置；并联机构；动力学；二次开发；a d a m s 本工作主要是基于参加的福建省区域重大科技专项：高性能平地机研究与 开发，项目编号：2 0 0 9 h 4 0 1 5 。 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo ft h e r a p i dd e v e l o p m e n to fb u i l d i n g sa n dm a c h i n e r y i n d u s t r i e si n c h i n a , t h es a l e so fc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yp r o d u c t sa d v a n c e d s i g n i f i c a n t l y , t h eg a po fr e l a t e dt e c h n o l o g i e si nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yb e t w e e na t h o m ew i t l la b r o a dh a db e e n i n c r e a s i n g l yn a r r o w i n g h o w e v e r , g r a d e r , w h i c hi so n eo f t h em o s tc o m p l i c a t e db r a n c h e si nc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r y , h a db e e nr e s e a r c h e dr a r e l y , f u r t h e r m o r e ，t h e r el a c k e ds y s t e mt h e o r yr e s e a r c ha n da n a l y s i sm e t h o dt o w a r d s d y n a m i c sa n a l y s i so fg r a d e rw o r k i n gd e v i c e i no r d e rt oe n r i c ht h er e s e a r c hc o n t e n t s o ft h i sr e s e a r c hd i r e c t i o n , 勰w e l l 懿t op r o v i d em o r et h e o r ys u p p o r t sa n dd e s i g n m e t h o d sf o re n g i n e e r sw h oa r ee n g a g e di ng r a d e rw o r k i n gd e v i c ed e s i g n , ad y n a m i c s r e s e a r c hm e t h o da n das e c o n d a r yd e v e l o p m e n ts y s t e md e s i g nm e t h o dh a sb e e n p r o p o s e d t a k i n gg r a d e rw o r k i n gd e v i c ea sam o d u l e ，t h ed e t a i l e ds t r u c t u r ea n dm e c h a n i s m w a sa n a l y z e d i t sm e c h a n i s mw a sc o n f i r m e dt oc o n t a i nal o w e r - m o b i l i t yp a r a l l e l m e c h a n i s m sa n dac o m b i n a t i o np l a n a rm e c h a n i s mb a s e do nt h et h e o r yo f s p a t i a l m e c h a n i s m t h i sl o w e r - m o b i l i t yp a r a l l e lm e c h a n i s mw a sc o n f i r m e dt ob ea3 - u p s s p a r a l l e lm e c h a n i s m af u r t h e re x p e r i m e n ti nt h el o c a lw a sp e r f o r m e ds u b s e q u e n t l y ，i t s r e s u l t ss h o w e dt h a te x p e r i m e n td a t aw a sb a s i c a l l ys a m e 、蕊mc o m p u t e rs i m u l a t i o n d a t a , a n dt h em a x i m u me r r o rw a sl e s st h a n3 w h i c ha c c o r d e dw i t ht h ep r e c i s i o n r e q u i r e m e n t0 1 1w o r k i n gd e v i c e ；a c c o r d i n gt ot h i se x t e n t , t h ev a l i d i t yo f s u c ha n a n a l y s i sm e t h o di sp r o v e da n dc o n c l u d e d av i r t u a lp r o t o t y p i n go fg r a d e rw o r k i n gd e v i c ew a sb u i l tt om a k ek i n e m a t i c sa n d d y n a m i c sa n a l y s i sb a s e do i ls y s t e md y n a m i ca n a l y s i ss o f t w a r e ，i e a d a m s t m a l l k i n d so fk i n e m a t i c sp a r a m e t e r so f w o r k i n gd e v i c e ，s u c h 勰c y l i n d e rs t r o k e ，m a x i m u m d e p t ho fi n s e r t i o n , r a n g eo fw o r ke n v e l o p e ，c o u l db ea n a l y z e da n dv e r i f i e d a f t e r w a r d , s o m ed y n a m i c sp a r a m e t e r so fw o r k i n gd e v i c ew e r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e d ，s u c h 勰 f o r c ec u r v ea n dm a x i m u ml o a d so fa l lc o m p o n e n t si nt h ew o r s tw o r k i n gc o n d i t i o n c o m b i n i n gt h ea n a l y s i sr e s u l t sa b o v e ，a l lc o m p o n e n t s f i n i t e - e l e m e n ta n a l y s i sm o d e l s w e r es e tu pb a s e do nf i n i t e - e l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，i e h y p e r w o 如m s t r u c t u r e 平地机工作装置混联机构设计关键技术 s t r e n g t hc h e c k sa n do p t i m i z a t i o n sw e r ec a r r i e do u ts u b s e q u e n t l ya c c o r d i n gt ot h e p r a c t i c a lw o r kc o n d i t i o n s b e c a u s ec r a c k so ng r a d e rb l a d ew e r eo f t e no c c u r r e di nt h e p r o c e s so fi m p a c t ，b a s eo nt h i sb a c k g r o u n d ，am e t h o dt oa n a l y z ea n ds i m u l a t et h e s h o c kr e s i s t a n c eo fb l a d ei sp r e l i m i n a r i l yp r o p o s e d t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l su n d e r k i n d so fi m p a c ta c c e l e r a t i o n sw e r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d ，t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo n s h o c kr e s i s t a n c eo fb l a d ei sd r a w na tl a s t i ti n d i c a t e st h a tt h eb l a d ec a nb e a rt h e i m p a c t a c c e l e r a t i o nw i t ha l m o s t10 m s 2 ，w h i c hc o u l d p r o v i d e r e f e r e n c ef o r o p t i m i z a t i o nd e s i g na n de n g i n e e r i n gt e s t , a l s oc o u l dg u i d ec u s t o m e r st ou s eg r a d e r p r o p e r l y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fr e p e a t i n gm o d e l i n ga n di m p r o v et h ep r o d u c t o p t i m i z a t i o ne f f i c i e n c y , as e c o n dd e v e l o p m e n ts y s t e mo fw o r k i n gd e v i c ei sp r o p o s e d p a r a m e t r i cd r i v i n gp r o c e s sa b o u tg r a d e rw o r k i n gd e v i c ei sr e a l i z e di nt e r mo fs p a t i a l m e c h a n i s m a tf i r s t ，a no v e r a l ld e s i g nf r a m e w o r ko ft h i ss e c o n dd e v e l o p m e n ts y s t e m w a se s t a b l i s h e d ，t h e nc u s t o m i z e du s e ri n t e r f a c ew a sc o m p l e t e db a s e do nu g o p e n a p ia n dp a r a m e t r i cp r o g r a m sf o rt h i sw o r k i n gd e v i c es y s t e mw e r ec o m p l i e db a s e do n u g o p e ng r i ps u b s e q u e n t l y t h ec o n n e c t i o n sa m o n gc u s t o m i z e du s e ri n t e r f a c e ， p a r a m e t r i cp r o g r a m sa n dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o nw e r er e a l i z e db yu s i n gv i s u a l c + + ，a ni n t e g r a t e ds e c o n dd e v e l o p m e n ts y s t e md e s i g no fw o r k i n gd e v i c ew a s e v e n t u a l l yc o m p l e t e db a s e do nu gp l a t f o r m t h i ss e c o n dd e v e l o p m e n ts y s t e mc o u l d n o to n l yp r o v i d ee n g i n e e r s 、7 l ，i t l lar a p i dd e s i g nm e t h o dt od e c r e a s en e wp r o d u c t d e v e l o p m e n tc y c l ea n dc o s t , b u ts o l v et h ep r o b l e mo fr e p e a t i n gm o d e l i n gd u r i n g a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o na sw e l l c o m b i n i n gt h ee x a m p l eo fg r a d e rw o r k i n gd e v i c ed e s i g na n dl o c a lt e s t s ，s y s t e m d y n a m i c sr e s e a r c ha n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n ts y s t e mo fg r a d e rw o r k i n gd e v i c ea l e v e r i f i e da n dc o n f i r m e dt ob ee f f e c t i v e t h i sm e t h o dc o u l dn o to n l yd e c r e a s et h en e w p r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e ，b u ta l s os h o r t e nt h en e wp r o d u c td e v e l o p m e n tc o s ta n d l e a d t i m e f u r t h e r m o r e ，t h i sm e t h o dc o u l de x t r e m e l yi m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t ya n d a s s u r e 、i d ev a r i e t i e s ，o t h e rk e yf a c t o r ss u c ha sp r o d u c ts h a p e ，m a n u f a c t u r a b i l i t y ，a n d d u r a b i l i t yt h a ta f f e c tt h ep r o f i t a b i l i t yo fm a n u f a c t u r e dp r o d u c t sc o u l db eo p t i m i z e d q u i c k l y i ti sq u i t ec r i t i c a lf o rg r a d e ri n d u s t r i e s ，w h i c hh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l l a b s t r a c t s c a l ea n dc u s t o m i z a t i o n , t oa p p l yt h i sm e t h o d k e yw o r d s ：g r a d e r ；w o r k i n gd e v i c e ；p a r a l l e lm e c h a n i s m ；d y n a m i c s ；s e c o n d a r y d e v e l o p m e n t ；a d a m s t h i st h e s i si ss u p p o r t e db ym a j o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to ff u j i a n p r o v i n c e ，c h i n a 州o ：2 0 0 9 h 4 0 1 5 ) 第一章绪论 第一章绪论 【摘要】首先介绍了国内外平地机技术的演进与发展，然后从工程机械工作装置 的研究现状分析开始，深入分析了国内外平地机工作装置的研究进展以及不足， 紧接着提出了本文的研究课题以及研究意义，最后阐述了本文的主要研究内容。 【关键词】平地机工作装置工程机械模块化 1 1 引言 平地机是一种通过铲刀工作装置系统，进行土地平整和整形作业的土方施工 机械，根据实际工况可以选配其他多种可换作业装置，是一种高效多用途的土方 工程机械。它可以实现公路、机场、农田等大面积的地面平整作业，同时也具备 挖沟、刮坡、推土、排雪、疏松、压实、布料、拌和、开荒等功能，是国防工程、 矿山建设、道路修筑、水利建设和农田改良等施工中的重要设备【l - 2 】，下图1 1 为某公司p y l 8 5 a 型号平地机示意图： 图1 1 某公司p y l 8 5 a 型平地机示意图 自2 0 世纪2 0 年代起，在9 0 年的发展历程中，平地机经历了低速到高速、 小型到大型、机械操纵到液压操纵、机械换挡到动力换挡、机械转向到液压助力 转向再到全液压转向以及整体机架到铰接机架的发展过程。整机的可靠性、耐久 性、安全性和舒适性都有了很大的提高。 国外平地机生产商以美国卡特彼勒、瑞典沃尔沃、日本小松生产最为著名。 其主要技术有：铰接式机架、多档直接驱动、后桥带自锁差速器、集成操纵杆、 防落物和防倾翻驾驶室、电子监控、自动找平、全轮驱动等技术，产品可靠性高。 平地机工作装置混联机构设计关键技术 为了提高平地机的通过性能和牵引力，国外很注意轮胎的研制，广泛采用高花纹 的宽基低压轮胎，有的轮胎气压还可调整例。 目前国内平地机生产厂家有十余家，其中主要厂家有徐工集团筑路机械有限 公司、常林股份有限公司、柳州工程机械股份有限公司、三一重工股份有限公司、 厦工三明重型机器公司，山推工程机械股份有限公司、成都成工工程机械股份有 限公司、中联重工科技发展股份有限公司、平地机行业国内主导厂家优势较为明 显，市场占有率基本集中在这些厂家。 1 2 平地机工作装置的研究现状与分析 1 2 1 工程机械工作装置研究现状及进展 工作装置是工程机械中最直接的受力装配总成件，也是最重要的受力部件， 实现了工程机械的挖、铲、推、刮、压、载、疏、拌、排等复杂的动作。对工作 装置的创新与研究不仅可以实现更优化的作业过程，同时也是整机性能分析与优 化不可或缺的一部分。 曹旭阳等人 4 1 基于人类肢体运动学，提出了工程机械工作装置的创新设计思 路。黄洪钟等人【5 】提出了基于满意度原理的装载机多目标优化设计理论。杨国平 等人 6 1 提出了一种较为简单新型的装载机工作装置，实现了工作装置作业过程中 良好的举升平移性。戴文跃等人【7 】利用系统动力学分析软件实现了反转六杆机构 工作装置的动力学仿真过程。高玉根等人【8 】采用基于违约解转化法的遗传算法对 装载机反转六杆机构进行了优化设计。龚捷等人【9 】采用计算力矩法设计了装载机 工作装置作业轨迹控制器，实现了工作装置作业轨迹的高精度跟踪控制。潘双夏， 周玉忠等人【1 1 1 】对装载机八杆机构工作装置运动学参数进行了分析，并进行了优 化设计。曹旭阳，宁晓斌等人【1 2 。1 4 1 对装载机工作装置机液耦合系统进行了系统仿 真分析与试验研究。杨克石等人【1 5 1 提出了基于行为的自主挖掘的模糊行为状态 流实现方法，逐步完善了挖掘机工作装置的自主操作，减轻了驾驶员繁重的体力 劳动。杨为等人【1 6 1 对挖掘机工作装置质量、刚度对固有频率影响的试验灵敏度 进行了研究。杜文靖等人【1 7 1 分析了挖掘机工作装置铰点轴和轴套配合不合理引 起的故障机理，提出了铰点轴和轴套最小间隙和最大间隙的计算方法。蒋炎坤等 人【1 8 】采用遗传算法对挖掘机工作装置铰点位置进行了优化。何清华，范文杰等 人【1 9 - 2 0 l 对挖掘机工作装置建立了系统动力学模型，得出了铲斗轨迹控制方法。杜 2 第一章绪论 文靖，陈进，崔国华等人1 2 1 2 3 】基于挖掘机工作装置的典型工况，对工作装置整体 进行了有限元分析。王帮峰等人【2 4 1 建立了液压履带起重机工作装置机器人动力 学模型并对其运动过程进行了仿真。邓崛等人【2 5 1 对铲运机工作装置建立了虚拟 样机模型，并对相应的运动学参数进行了优化设计。 1 2 2 平地机工作装置国内外研究现状 国内外对平地机的研究主要集中在驱动桥技术、液压技术、电子监控、通信 技术、自动找平技术和农m d , 型平地机技术等方面 2 6 - 3 7 ，对平地机工作装置的直 接研究文献很少，仅仅有余波对平地机工作装置作了位置分析与运动学仿真【3 8 】， a n d r z e js 对平地机工作装置铲刀的稳定性进行了分析【3 9 1 。 另外，在专利研究方面，与平地机工作装置相关的专利主要集中在以下六方 面且多以实用新型专利为主： 1 ) 平地机工作装置自动找平系统 2 ) 平地机工作装置减震缓冲系统结构设计 3 ) 平地机工作装置刀片的结构、材料及制造工艺 4 ) 平地机工作装置其他组件的创新与设计 5 ) 其他平地机特殊工作装置 6 ) 平地机工作装置操纵手柄 对十多年来与平地机工作装置相关的中国专利和美国专利统计如附表1 ，2 。 通过对中国和美国十多年来的专利进行分析与筛选，发现对平地机工作装置整体 性能的分析与研究，对工作装置空间机构的分析，运动学、动力学的研究内容很 少，而且国内外这方面的研究文献也比较缺乏，对该领域的研究不够深入。 1 2 3 平地机工作装置研究课题的提出和研究意义 通过上两节的分析可知大部分的内容集中在对装载机与挖掘机工作装置的 研究，对平地机工作装置的研究很少。然而，平地机工作装置相对于装载机、挖 掘机更加复杂，具有更多的驱动油缸和构件，同时也能够实现更多的作业方式， 平地机工作装置在平地机整机系统中占有更加重要的位置。因此，本文把平地机 工作装置总成作为平地机的一个重要的模块进行系统的研究，对工作装置的空间 机构学、运动学、动力学以及结构优化等方面做了详细的研究，并且结合某企业 的平地机工作装置设计实例，进行了相关的功能试验，对各项工作装置参数进行 3 平地机工作装置混联机构设计关键技术 了分析与验证，最后针对平地机工作装置系统，以机构优化为目标，基于 u n i g r a p h i c sn x4 0 平台进行了二次开发。整个研究过程及其结果极大的优化了 平地机工作装置系统结构，提高了平地机的整机工作特性。 对于平地机工作装置的研究，具有如下几个方面的意义： 1 ) 分析并确定平地机工作装置复杂空间机构的工作原理 2 ) 创新平地机工作装置机构 3 ) 验证并优化平地机工作装置运动学参数 4 ) 确定平地机工作装置系统的动力学特性 5 ) 提升平地机整机的各项运动学、动力学性能 6 ) 对平地机系统各部件进行了有限元分析、强度校核与结构优化，保证了 各部件良好的强度、一阶固有频率以及外观造型 刀对平地机工作装置系统的二次开发，提高了工作装置机构优化的效率， 避免了复杂部件的重复建模过程 基于以上的研究意义分析，本文对平地机工作装置展开了深入的研究。从模 块化分析与设计的角度，把工作装置作为一个产品模块进行系统的分析与优化， 而不仅仅是针对工作装置中的单个或多个构件。同时，基于对工作装置系统的分 析与优化，单独设计了平地机工作装置二次开发系统，为设计人员的工作装置优 化与创新提供了个性化的平台。 1 3 本文的主要研究内容 为了实现平地机工作装置系统的详细分析，本文结合某企业平地机工作装置 设计实例，做了如下方面的研究： 1 ) 平地机工作装置空间机构分析与综合。通过分析平地机工作装置的结构 和工况，对工作装置进行机构提炼，并在此基础上进行分解分析，实现 了混联机构工作装置的位置正解分析，阐述了平地机工作装置工作原理。 2 ) 平地机工作装置运动学分析与验证。根据不同的工作装置作业方式，对 平地机工作装置各项运动学参数进行了仿真分析，并结合某企业平地机 工作装置设计实例，对各项参数进行了设计验证。 3 ) 平地机工作装置静、动力学分析。模拟平地机工作装置最恶劣的工况， 施加铲刀最大下压力和机器最大驱动力，对工作装置整个运动过程进行 4 第一章绪论 了动力学仿真，获取了工作装置系统各个构件的动力学性能，为下一步 的各构件有限元分析与优化提供了基础与输入。 4 ) 平地机工作装置强度校核与结构优化。根据上一步分析得到的各构件的 动力学性能，结合相应的恶劣工况，对工作装置系统各构件进行了强度 校核，并根据需求对部分构件作了结构优化。 5 ) 面向机构优化的平地机工作装置二次开发系统设计。面向机构优化，基 于c a d 软件u l l i 伊a p i l i c sn x 4 0 平台，对工作装置系统进行了二次开发， 最终建立了参数化的平地机工作装置系统模型，实现了满足各种设计要 求的工作装置系统各铰点空间位置。 论文研究内容整体框架如下图1 2 所示： 第一章 绪论 u 第二章 平地机工作装置空间机构的分析与抽象 上上 第三章 平地机工作装置运动学分析与验证 上 第四章 平地机工作装置静、动力学分析 ll t 第五章 平地机工作装置强度校核与结构优化 ii ，lj r i 第六章 i 面向机构优化的平地机i 作装置二次开发系统设计 l 上 第七章 总结与展望 图1 2 研究内容框架 5 平地机工作装置混联机构设计关键技术 第二章平地机工作装置空间机构的抽象与分析 【摘要】考虑到平地机工作装置结构的复杂性，为了研究其运动学特性，本章提 出了工作装置混联机构简化位置正解的分析方法。根据平地机工作装置结构及各 部件运动副关系，抽象出了工作装置的机构模型，基于作业方式，对该机构进行 了分解分析，确定了少自由度并联机构为该机构的主体，利用螺旋理论对该并联 机构进行了自由度分析，采用数值分析法对该并联机构进行了位置正解分析，最 终实现了平地机工作装置并联机构部分的位置正解分析。现场的物理试验表明， 对于工作装置并联机构部分的位置正解，试验结果与计算机仿真结果基本吻合， 最大误差不超过3 ，满足平地机工作装置的精度要求；从而验证了所提出的分 析方法的有效性。依据该理论基础，通过进一步的分析，获得了平地机混联机构 工作装置的运动学特性；并且讨论了该机构的设计要点，为工作装置的优化设计、 创新设计奠定了理论基础。 【关键词】平地机工作装置混联机构位置正解数值分析 2 1 平地机工作装置结构分析 一般的平地机有铲刀和松土器两种工作装置，分布在平地机前后端，有些平 地机前面还有推土板供选装，本文仅对铲刀工作装置进行分析与研究。铲刀工作 装置结构简图如图2 1 所示，主体由铲刀、转盘、回转驱动装置、牵引架、角位 器以及液压缸组成。 图2 1 平地机铲刀工作装置简图 牵引架的前端与车架铰接，可在任意方向转动和摆动。转盘支承在牵引架上， 6 第二章平地机工作装置空间机构的抽象与分析 在回转驱动装置的驱动下绕牵引架转动，并带动铲刀回转。铲刀背面上的两条滑 轨支承在两侧角位器的滑槽上，可以在铲刀侧移油缸推动下侧向滑动。角位器与 回转耳板下端铰接，上端用螺母固定，松开螺母时角位器可以摆动，并带动铲刀 改变切削角网。 2 2 平地机工作装置机构抽象 依据以上分析的工作部件间配合关系，抽象出工作装置各部件的运动副关系 图，如下图2 2 所示。 图2 2 工作装置部件运动副图 根据工作装置部件运动副关系【4 0 】，进行深入分析，把前机架与油缸叉座的 旋转副、油缸叉座与油缸体的旋转副简化为前机架与油缸缸体的胡克副，可建立 平地机工作装置简化机构模型如图2 3 所示。该机构是由一个少自由度并联机构 和三个简单平面机构串联组成的混联机构，三个各自独立的简单平面机构分别实 现转盘带动铲刀回转( 调整平面角) ，铲刀侧移油缸带动铲刀侧向移动，铲土角 调整油缸调整切削角功能；少自由度并联机构实现铲刀竖向移动和绕基础车轴线 旋转( 调整倾斜角) 。 7 平地机工作装置混联机构设计关键技术 a d - 右升降油缸c f - 左升降油缸b e ：倾斜油缸 n ( ：铲刀侧移油缸n p ：铲土角调整油缸h i ：回转油缸g ：牵引架与前机架的铰接点 图2 3 工作装置机构简图 2 3 平地机工作装置机构分解分析 2 3 1 基于作业方式的平地机工作装置机构分解分析 平地机作业方式主要有刮刀刮土直移、刮刀刮土侧移、刀角铲土侧移、机外 刮土等四种作业法。不同的作业方式，对平面角、倾斜角、切削角、铲刀侧移距 离、铲刀竖向移动距离都有不同的要求，但无论何种作业方式，概括起来都具有 如下特点： 1 ) 切削角一般停机调整； 2 ) 平面角先停机调整，行驶时根据作业少量调整； 3 ) 铲刀侧移距离可以停机调整，也可以行驶过程中根据需要适量调整； 4 ) 倾斜角一般在行驶过程中调整； 5 ) 铲刀的竖向移动和绕基础车轴线的旋转一般同时进行。 根据作业方式的这种特点，结合图2 3 所示的机构模型，可以把工作装置混 联机构分解为少自由度并联机构i 和组合平面机构，如图2 3 所示。组合平面 机构i i 是由三个各自独立的简单平面机构串联而成，主要是在停机时实现对平面 角、切削角和铲刀侧移距离三个参数的调整，对该机构的分析与求解比较容易； 8 第二章平地机工作装置空间机构的抽象与分析 少自由度并联机构主要是在行驶时实现对倾斜角、铲刀竖向移动距离两个参数的 调整，该机构是工作装置混联机构的主体。 2 3 2 基于螺旋理论的平地机机构自由度分析 少自由度并联机构可描述如图2 4 所示，在此机构中的分支都含有一个胡克 副、移动副、球铰副，并且动平台与定平台通过球铰连接。由图可知机构的总构 件数为n = 8 ，运动副数g = 1 0 ，其中胡克副的自由度为2 ，移动副的自由度为1 ， 球铰副的自由度为3 。按照螺旋相逆性与坐标系选择无关的原则，取分支坐标系 o i x i y i z i 的原点为定平台的形心，z i 轴沿各分支的移动副方向，x i 、y i 轴方向在满 足右手定则的前提下任取。取出第i 个分支，这个分支的运动螺旋系为： $ l = ( 1 0 0 ；a lb lc 1 ) $ 2 m ( olo ；a 2b 2 c 2 ) $ 3 = ( o00 ；001 ) $ 4 = ( 10o ；a 4b 4c 4 ) 9 5 = ( o l o ；a 5b 5c 5 ) $ 6 _ ( 001 ；a 6b 6c 6 ) 计算分析可知该分支机构无约束反螺旋，公共约束为0 ，所以，该并联机构的阶 数d = 6 ，观察可确定该机构无公共约束之外的冗余约束和局部自由度，即机构中 除公共约束之外的冗余约束v - - 0 ，局部自由度鲫。 根据修正后的b a c h g r o b l e r 公式【4 ，可计算该机构的自由度为： m = d ( n 争1 ) + 壹歹+ v g = 6 ( 8 1 0 1 ) + 3 x ( 2 + 1 + 3 ) + 3 _ 3 。 f 蕾l 该机构是由动平台、静平台及a d 、b e 、c f 三个u p s 驱动分支和一个s 约 束分支g 组成，左右升降油缸和倾斜油缸为该机构的3 个驱动器，因此推断该 机构为3 - u p s s 并联机构。 9 平地机工作装置混联机构设计关键技术 a d 右升降油缸c f ：左升降油缸b e 倾斜油缸g ：牵引架与前机架的铰接点 图2 4 少自由度并联机构图 2 4 平地机工作装置位置正解分析 3 - u p s s 并联机构具有结构复杂，工作范围相对较小，承载大以及位置正解 难度大等特点，赵云峰，王宣银等人【4 1 - 4 2 对3 u p s s 并联机构进行了运动学分析 和静力学分析，得到了该机构的运动雅可比矩阵和静力学雅可比矩阵，采用离散 的方法对该机构的工作空间进行了分析。本文根据以上思想，采用数值分析法求 解一组非线性方程，从而求得并联机构的位置正解。如图1 4 所示，在定平台上 建立o x y z ( 或记为s o ) ，原点o 与定平台的胡克副铰接点b 重合，y 轴方向沿e f 杆 方向，z 轴方向垂直于平面d f f 向上，x 轴方向由右手定则确定；在动平台上建立 p x u yz ( 或记为s n ) ，原点p 与动平台的球副铰接点e 重合，y 轴方向沿b c 杆方向， z 轴方向垂直于平面a b c 向上，x 轴方向由右手定则确定。采用z y - x 型欧拉角( a d 丫) 来描述动坐标系s n 最终的姿态矩阵： t ( a z , 1 3 y ，丫x ) = 【t 嗣 t y p 】【t 瑚= lc 伍c 口c t s 口s 7 - s 疋tc 伍s b c r + s 口s 7 、 is 。c 卢s 口s # s r + c 口g s 口s 卢c r g s yl ( 1 ) l 一踯 c a s tc # c x 式中，a ，d ，丫表示欧拉旋转角，c 表示c o s ，s 表示s i n 。动坐标系s n 在定坐 标系s o 中的位置向量可表示为仁y p 引1 。根据以上分析，动坐标系s n 的 位置和姿态由a 、p 、y 、x o 、y p 、z p 6 个独立参数确定，在动坐标系中任一位置向 量r 都可以通过坐标变换方法变换到定坐标系中： 1 0 第二章平地机工作装置空间机构的抽象与分析 足b 【t 】r + 尸 ( 2 ) 假设d 、e 、f 位置向量在定坐标系中表示为d 、e 、p ，当给定三个驱动器 的位移l i ( i _ l ，2 ，3 ) 后，可建立如下方程组： f l 1 2 = ( a - d i ) t ( a - d i ) l 2 2 = ( 弘e i ) t ( b - e i ) ( 3 ) ll 3 2 = ( c - f i ) t ( c - f i ) 由于动坐标系中，d 、e 、f 与g 之间的相对位置不变，根据定杆长原理， 可建立如下方程组 ( - 耐 g ) = l d g 2 ( e o - 3 t ( g - 6 3 = l e g ( 4 ) l ( f 6 3 t 旷，- g ) ：l f g 2 式中l d e 、l e a 、l f g 表示杆d e 、e g 、f g 的长度，可根据d 、e 、f 的初 始坐标值确定，联立方程组( 3 ) 、( 4 ) ，可得含6 个独立参数的6 个非线性方程， 采用最小二乘法，建立目标函数，在分析软件( a d a m s 、m a t l a b ) 中建立数学 模型可求解该方程组，从而确定动平台的位姿。 2 5 仿真分析与实例验证 系统动力学分析软件a d a m s 基本应用之一是求解非线性方程组，本文结合 某企业平地机工作装置设计实例，利用a d a m s 来求解3 - u p s s 并联机构位置正 解，并与试验数据对比，验证了该算法的有效性。该并联机构各铰点初始坐标值 如下表2 1 所示( 各铰点对应于图4 ) ，在a d a m s 中建立数学模型。 表2 1 铰点初始坐标值单位：m m 平地机工作装置混联机构设计关键技术 仿真分析可知给定油缸驱动位移所对应的动平台( 即牵引架) 上d 、e 、f 铰点的坐标值，并可根据油缸驱动函数确定动平台上任一点的位置变化曲线，实 现该并联机构连续位置正解。为了工程试验方便，选取牵引架上动点p 、q 到摆 架下端定点o 的距离为试验验证项，采用i _ , e i c ad i s t oa 3 型号激光测距仪进行 试验 4 2 4 3 1 ，物理试验图如下2 5 所示。得到计算值与试验值对比如下表2 2 所示。 图2 5 物理试验图 表2 2 仿真与试验结果对照表单位：m i l l 1 2 第二章平地机工作装置空间机构的抽象与分析 从表2 2 可知，给定的油缸驱动位移下测量值与仿真值差别最大接近2 5 c m ， 产生这种误差的主要因素有：制造偏差带来的各铰点相对位置发生变化，这种 误差在机构运动的过程中会放大，各部件的装配误差、装配间隙，部件外观 尺寸为非关键尺寸，标定的测量点存在偏差，各部件变形，测量设备精度， 操作误差。 对于刚体的运动学分析，基于实际工况的约束和驱动所进行的仿真计算与实 际是基本相符的，文献【4 2 删对工业机器人误差产生原因和补偿方法进行了研究， 其目的就是为提高机器人的运动学精度。对于工作装置并联机构，所实现刮土或 铲土作业都是由操作员手动调整实现的，不需要像工业机器人一样要求机构运动 的精准性，一定范围内的误差是可以接受的。工作装置机构总体尺寸较大，即使 产生的误差稍大一些，相对于仿真计算值都不到3 ，基本可认为该仿真计算方 法是有效的。 基于以上分析结论，在a d a m s 中实现工作装置混联机构完整的运动学仿如 过程，以机外刮土作业方式为例，主要运动学参数包括铲刀侧移距离7 0 0 m m ， 平面角6 0 0 ，倾斜角3 0 0 。选取铲刀左上、左下、右上、右下四个角点为分析对 二 象，得到四角点到坐标原点距离变化曲线如下图2 6 所示。 图2 6 距离变化曲线图 整个仿真过程分为四部分：铲土角调整阶段( 0 1 s ) ；转盘回转阶段( 1 - 2 s ) , 铲刀侧伸阶段( 2 5 5 s ) ；倾斜角、提升高度调整阶段( 5 5 1 0 s ) ，当倾斜角大于 3 0 0 时，通