挖掘机虚拟样机-20110112-邹久礼.docx

虚拟技术在挖掘机中的应用机械电子工程专业 邹久礼 S201101121引言目前，我国挖掘机制造企业普遍存在产品更新换代慢的问题，总体产品质量低于国外同类产品。如何尽快缩短这种差距，提高产品的设计水平已成为挖掘机制造企业的迫切要求。国内液压挖掘机开发存在的缺陷:国产液压挖掘机数量少，多为斗容2.5M3以下的小型设备，中型设备较少，大型设备在我国尚属空白。从品种、规格、数量上满足不了国内市场需要。从产品技术水平、可靠性、制造质量与国外液压挖掘机有较大差距。对于大中型液压挖掘机尚处于经验设计阶段，试验研究工作薄弱，短期内难以完成设计开发工作。配套件的质量和靠性差，使用寿命短。液压系统和元件的设计技术、大尺寸高压油缸的制造技术、整体性能参数的测试技术缺乏，满足不了国民经济重点工程发展的需要。国外独资或合资企业产品虽然价格较贵，但因其技术含量较高，依然占据国内市场的90%份额。挖掘机的发展趋势是节能、高效和智能化。为了适应这种发展方向，需要研究挖掘机器人的规划控制技术以提高自动挖掘水平。挖掘规划决定如何最优地利用资源完成一个挖掘任务，以及对每一条规划路径以最节能和时间最短的方式完成，这就需要在规划器中预先考虑挖掘机的整体性能，即系统运动学特性、动力学特性、液压系统特性以及动力系统控制方式等。机器人控制的目的是根据预定的系统性能和预期的目标达到机器人的动态响应。一般来说，机器人的动态特性直接取决于机器人动力学模型和控制方法的效率。控制问题包括机器人系统动力学模型的建立和相应的控制策略的确定。挖掘机器人的动力学模型不仅要考虑惯量、质量等动力学参数，还要考虑液压系统性能、挖掘阻力等环境因素的影响。根据上述分析，开发一个集成多领域系统模型的挖掘机虚拟样机模型作为综合的性能仿真平台对提高挖掘机的自动化技术的研究是必要的，理想的仿真平台需要建模简单快速、模型逼真、参数的调整能和控制系统相结合，使得机械系统、动力系统和控制系统统一仿真。这种仿真的优点可以一次仿真整个机器人系统，遇到问题可以从机液控制协调的角度分析解决;直接从ADAMS模型中产生机器人系统仿真模型，而不用推导复杂的方程，大大简化了建模过程。2 挖掘机生命周期过程中应用虚拟样机技术液压挖掘机产品质量的高低是产品设计、制造、企业管理水平的综合反映。挖掘机生命周期是指从挖掘机投放市场到最后被市场淘汰所经历的全过程。挖掘机在产品生命周期内各个阶段的销售量、成本、价格、利润的一般变化规律如图1所示。图1 挖掘机生命周期各阶段投入期处于投入期的挖掘机，大都是属于基本型的，生产的批量较小，一般是单件或小批生产。同时，由于刚刚投产，设计还没有完全定型，生产工艺也不够成熟，绝大多数是采用通用设备进行加工，工人的劳动熟练程度不高，质量和性能不太稳定。成长期产品进入成长期、挖掘机转入批量生产和扩大销售的阶段。这时设计、工艺成熟，挖掘机基本稳定。专用设备齐全，生产线已基本形成，因而在这一时期，在生产、技术、工艺管理已取得一定的成功经验。成熟期挖掘机进入成熟期后，就是进入挖掘机寿命周期的黄金时代，这一时期是挖掘机在整个寿命周期中延续时间最长、竞争最激烈和给企业带来巨额利润时期。这个时期工业成熟，企业大量生产，生产成本己降低到最大限度，用户已形成习惯内购买，挖掘机产品销售达到顶峰，市场需求也达到饱和，和同类挖掘机的竞争表现为质量和名牌的竞争。衰退期挖掘机进入衰退期后，弱小竞争对手纷纷退出市场，只有名牌挖掘机可以延长寿命周期。一般举措是:产品变型、增加功能延长成熟期、缩短投入期。改进产品结构，增加变型更新换代挖掘机，延长寿命周期。液压挖掘机具有普通机械产品生产必须满FGI.1.3SGATESOFXECVAOARTDVEELPOMENI足市场所提出要求的共性。所以要缩短以设计、试制为主要内容的投入期。节省投入成本，尽快进入利润丰厚的成熟期。此外由于传统物理样机开发模式在人力、物力和时间上的巨大浪费往往与产品的复杂程度成正比，因此液压挖掘机作为复杂工程机械的特殊性，对开发的时效性要求更高。在现有挖掘机产品进入衰退期之前，就应考虑现有产品的改进或新产品的开发。虚拟样机在挖掘机设计、制造的全过程都可发挥重要的作用，参与从初始概念直至最终成品制造的全过程。在制造之前，虚拟样机可用来确定挖掘机外形，检查设计规划和工程进程，支持方案可行性分析，进入装配和人机工程的研究。在挖掘机开发的投入期应用虚拟样机技术能缩短设计周期，节约设计经费。在挖掘机产品制成之后又可以进行虚拟样机仿真试验，代替物理样机试验进行子系统及参数的优化。挖掘机进入衰退期，利用原有的数字虚拟样机可以修改原型，实现挖掘机产品快速创新设计。3 应用虚拟样机技术提高挖掘机设计质量挖掘机的设计水平关系到最终产品的质量，而设计过程中技术的先进与否、数字化程度的高低，很大程度上决定了机械产品设计开发的周期、质量和成本。在工程设计中已得到广泛应用的有限元分析技术(FEA)和计算机辅助技术(CAD)就是这些先进技术的代表。EFA技术可以帮助设计人员分析零件的应力状态，解决了传统材料力学所无法处理的工程问题。CAD技术则利用计算机强大的计算和数据存储处理功能，加上设计师丰富经验和主观创造性进行产品开发。改变了以经验为主的传统设计方法，以修改方便的高质量三维计算机绘图取代了繁琐、重复的手工平面绘图，节省了设计人员真正用于创造性工作的时间和精力，提高了设计质量。目前挖掘机设计中广泛地采用了FAE和CAD技术，虚拟样机地生成就是依赖FAE和CAD技术的结果。液压挖掘机是复杂的工程机械，零部件多，运动方式多，须从系统层面评价其性能的优劣。随着掘机动态设计时需要考虑的重要因素之一。他们建立了液压挖掘机工作装置启动及制动动态响应的分析方法，并在实物样机上对该方法进行了验证，表明了该方法的正确性及良好的精度。1998年，中国一拖集团有限公司技术中心工程研究所的王学军，贾鸿社利用计算机优化技术，从整机稳定性出发，综合考虑总体主参数之间相互制约的各种关系来建立履带式液压挖掘机(反铲)总体主参数优化分析的数学模型，从而使整机总体主参数设计达到最优化。通过对液压挖掘机主参数的优化，为各部件的设计提供了合理的参数，特别是对老产品的改进、新产品的开发以及液压挖掘机系列化的发展提供了理论依据2000年，哈尔滨建筑大学的白桦，陆念力运用模糊控制方法对单斗液压挖掘机的动臂和铲土工作装置的运动过程进行跟踪，通过微机的智能化分析学习，实现轨迹控制和示教再现。它对提高单斗液压挖掘机的自控水平和工作效率具有较大意义。2001年，浙江大学的高峰在冯培恩教授的指导下研究了挖掘机的节能性和操作性，使其动力系统在各个环节上减少功率损失，最终达到减少液压系统发热、节约燃油的目的，同时提高挖掘机的工作性能。以试验型挖掘机器人为对象，对多种阀控节能控制进行了深入研究，其中包括负流量控制、正流量控制和负荷传感控制，针对这些节能控制方式的不足提出了多种改进方案，并分别进行了试验验证，效果良好。2001年，吉林大学的刘宝全对沈阳重型机器厂与德国曼.塔克拉夫公司联合研制的SRS160225/3.0型360M03H/斗轮挖掘机斗臂架进行了静、动态性能的研究，探讨了斗臂架结构的设计规律，为我国自行生产大型斗轮挖掘机提供参考。文章采用从GORFEAS建立有限元模型，采用有限元分析与试验相结合的方法研究了斗轮挖掘机的动态性能阁。2001年，吉林大学的国香恩将发动机、变量泵、控制阀及负载作为一个动态系统，用系统论的观念来挖掘整个液压挖掘机的节能潜力，研制出了一种采用微电子技术与现代模糊控制技术相结合的液压挖掘机电子节能控制器，对挖掘机采用分工况控制，使发动机输出功率与克服负载所需的功率协调一致，从而稳定了发动机转速。同时系统还设计了无载自动怠速和溢流阀的二级溢流控制功能，大大减少了系统的节流损失、溢流损失和操纵阀中位时的能量损失，并且使发动机和泵的功率匹配性能大大提高，使整个液压挖掘机系统具有较低的油耗和较高的工作效率。2002年，浙江大学的许杭围绕浙江大学机械设计研究所现有的液压挖掘机虚拟样机进行研究，在继承了原有成果和实践的基础上，对整个挖掘机虚拟样机系统作了进一步的完善，为挖掘机实现高效的现代设计作了一些有实际应用意义的尝试。利用控制系统仿真软件MATLBALS加ULIKN建立通用液压元件的非线性仿真模型，实现了图形化交互方式下液压系统仿真模型的模块化构建和元件参数化设计。提出了虚拟样机的机构系统模型和液压系统模型建模仿真任务分离的策略。挖掘机机构系统仿真模型在动力学仿真软件ADAMS中实现，液压系统仿真模型在控制系统设计仿真软件MATLALL/SIMULINK中实现，分别利用两者的长处。2003年，江苏大学的丁华，朱茂桃用PRO尼软件建立了液压挖掘机动臂的三维模型，对铰销间接触载荷的处理时采用经典弹性力学方法，选用板壳单元建立了动臂的有限元模型，对动臂的两种工况进行了计算，结合工作装置的静强度试验结果，进行对比分析，对现形设计提出了改进意见。1998年，英国的D以AI，O.S.P等人为方便对控制策略、操作环境设计和重载液压机械系统的验证和评估，建立了挖掘机仿真器。仿真器由一个挖掘机斗杆的独立模型，一个铲斗和地面相互作用力模型，图表环境和人机交互界面组成。2001年，日本的HGA，AM.认为在挖掘机挖掘过程中，必须控制动臂尖使铲斗的斗齿尖能够水平运动。因此研究了一种自动挖掘控制系统，使用这种控制系统可以像手动控制那样控制挖掘深度，而且可以减少重复确定挖掘深度的工作提高了工作效率。2003年，日本的IMNAIHS，IESTUJIOR对液压挖掘机的挖掘工作进行了的柔性多体系统的动力学仿真。从目前的观点来说节能技术在建筑机械设计中是必须考虑到的，而动力学仿真对节能的评估是非常有用的。液压挖掘机的挖掘工作涉及到连杆动力系统和包括非线性特征的液压驱动系统。应用新的数值分析方法研究连杆与液压的复合系统，对液压挖掘机挖掘工作的仿真是很有用的。液压挖掘机虚拟样机系统仿真分析尚属空白。从品种、规格、数量上满足不了国内市场需要。从产品技术水平、可靠性、制造质量与国外液压挖掘有较大差距。对于大中型液压挖掘机尚处于经验设计阶段。试验研究工作薄弱，短期内难以完成设计开发工作。柴油机、液压和密封元件等配套件的质量和可靠性差，使用寿命短。高强度的原材料缺乏，制造技术落后，装备水平低。计算机技术在液压挖掘机上应用正在研制过程中。需要解决的关键技术较多:如履带行走装置中履带扳和链轨节的轧制和模锻技术;支重轮、托轮均采用浮动密封，其制造技术、耐磨技术和密封技术;铲斗设计合理性、耐磨性以及高强度钢板焊接技术;液压系统和元件的设计技术、大尺寸高压油缸的制造技术;电子监控与检测技术;整机性能参数的测试技术，大型结构件加工质量控制与制造技术等基础技术和关键技术靠自行研制和测绘仿制势必旷日持久，满足不了国民经济重点工程发展的需要。纵观我国液压挖掘机30余年的发展历史，大致可以分成以下几个阶段: 开发阶段(1967年一1977年)。以测绘仿制为主的开发，通过多年坚持不懈的努力，克服一个一个的困难，有少量几种规格的液压挖掘机终于获得初步成功，为我国挖掘机行业的形成和发展迈出了重要的一步。 液压挖掘机发展、提高并全面替代机械挖掘机阶段(19781986年)。这个阶段通过各主机生产厂引进技术(主要是德国挖掘机制造技术)的消化、吸收和移植，使我国液压挖掘机产品的性能指标全面提高到国际70年代末80年代初期的水平。全国液压挖掘机平均年产量达到1230台。 液压挖掘机生产企业数量增加，新加入挖掘机行业的国有大、中型企业以技贸结合，合作生产方式联合引进日本挖掘机制造技术(1987年1993年)。由于国内对挖掘机需求量的不断提高，新加入挖掘机行业的企业通过开发和引进挖掘机制造技术，其产品批量或小批量的投放国内市场或出口，打破了多年来主要由六大家挖掘机生产企业垄断国内挖掘机市场的局面，引进了有益于提高产品质量、性能和产量的良性竞争。这个期间国内液压挖掘机的年均产量提高到2000余台。 国内液压挖掘机供需矛盾日益扩大，广大用户为了提高施工质量和按期完成施工任务，对使用高质量、高水平、高效率挖掘机的兴趣日趋浓厚。国外各著名挖掘机制造厂商纷纷前来中国创办合资、独资挖掘机生产企业(1994一至今)。从1994年开始，特别到1995年在我国挖掘机行业掀起了一股不小的合资浪潮。其中美国卡特彼勒公司率先在徐州金山桥开发区建立了生产液压挖掘机的合资企业，随后日本小松制作所、日立建机株式会社、神户制钢所、韩国大宇重工业、现代重工业以及德国利勃海尔公司等都相继在中国建立了合资、独资挖掘机生产企业，生产具有世界先进水平的多种型号和规格的液压挖掘机。4 挖掘机开发重点方向液压挖掘机的开发着重围绕: 加快产品开发速度，满足快速多变的市场需求; 提高产品可靠性和效率，降低生产成本，向微型化发展的同时向大型化发展; 着眼于动力、传动系统的改进以达到高效、节能; 精心设计，精心制造以提高产品零部件的可靠性，从而保证整机的可靠性，延长维修周期，加快维修进程，降低维修费用，降低成本; 采用微电子技术使液压挖掘机自动化、机电一体化和智能化进程加快; 考虑人机工程，改善司机劳动条件。5 国内外液压挖掘机研究技术概况由于液压挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政工程等土石方施工中的重要位置，国内外的研究人员对液压挖掘机的开发进行了大量的科学研究与探索。1997年，浙江大学ACD&GC国家重点实验室的童听，王建治，冯培恩研究认为液压挖掘机工作装置在工作过程中承受复杂的动态载荷，其中液压缸在启动及制动时，结构产生衰减动态响应，这是液压挖液压挖掘机在工业与民用建筑、道路建设、水力、矿山、市政工程等土石方施工中均占有重要位置。并反映了这些部门的施工机械化水平。是交通运输、能源开发、城镇建设以及国防施工等各项工程建设的重要施工设备，是国民经济建设迫切需要的装备。重视和加速挖掘机改进创新，稳定提高产品质量，满足用户需求，对加速现代化工程建设有着重大的意义。6 液压挖掘机国外发展现状液压挖掘机的生产水平反映机械化施工的水平和能力。国外，特别是西欧几个国家从SQ年代开始研制液压挖掘机，到60年代中小型液压挖掘机已成批生产;70年代初液压挖掘机斗容己发展到M8，开始进入矿山开采;80年代大型液压挖掘机技术已成熟，生产斗容16一35M3，、机重达650T。目前国外已停止斗容8M3以下机械挖掘机的生产，斗容大于16M3的液压挖掘机是机械挖掘机的强大竞争对手。国外各制造公司正在研制微机控制的智能化液压挖掘机，并有所突破。建筑和矿用液压挖掘机的销售量在机械设备市场上占有显著的地位。据不完全统计，1990年建筑和矿用设备在全球销售额约为450亿美元，而液压挖掘机的销售额以100亿美元高居榜首。据推测，大型和微型液压挖掘机年增长率分别为24%和35%。1990年全世界建筑和矿用液压挖掘机(履带式)的产量已达9.23万台，其中76%是日本生产的，欧洲产量占有17%。近年来，大型液压挖掘机越来越多地占领了机械挖掘机的市场。液压挖掘机逐步取代机械式挖掘机是必然的趋势。7 液压挖掘机国内发展概况我国从1958年开始研制液压挖掘机，逐步形成了12.SMA小型液压挖掘机系列，具有一定生产规模，斗容1一7.M5，的液压挖掘机年产量超过1000台。1983年以后采用引进技术方式进行生产，加快了液压挖掘机的发展，上海建筑机械厂按德国利伯赫尔公司许可证生产了R942，相继又生产了R962、R972、R982等液压挖掘机。杭州重机厂与德国德马克公司合作生产H55和H85等液压挖掘机。太原重型机器厂与德马克公司合作生产H121型液压挖掘机。北京建筑机械厂引进德国0&K公司制造技术生产HR6型液压挖掘机。所有这些与国外合作生产德液压挖掘机比国内现用的液压挖掘机生产效率高25%、机重轻10%。国产化率逐年提高，设备利用率为90%。长江挖掘机厂在引进国外技术的基础上生产斗容1.6一2.SMA的盯160型液压挖掘机，采用DEUTZ公司柴油机、MNANEMSNAN公司减速机和液压元件。装有正铲、反铲、梅花抓斗等多种工作装置。天津工程机械研究所与泰安工程机械厂生产的脚32型液压挖掘机，机重32T于1993年8月通过鉴定。该机结构紧凑、机动灵活、生产效率高。能充分利用发动机功率、节能效果好。但目前国产液压挖掘机数量少，多为斗容2.5M3以下的小型设备，中型设备较少，大型设备在我国技术的发展，人们认识到即使传统的技术手段使得挖掘机中的每个零部件都是最优的，并不能保证整个挖掘机的性能是最好的，即系统整机的优化不是所有部件优化的简单叠加比。液压挖掘机的设计还存在许多有别于其他机械行业的特点，其中最重要的一点是它涉及的学科很多，包括机械运动学与动力学、液压流体传动、机电控制、热力学、人机工程学、美学等。要获取挖掘机的综合最优解不仅需要各学科专家的共同努力，更需要他们工作上的协同。虚拟样机技术是现阶段实现上述目标的最佳手段。虚拟样机的生成依赖于CAD、FAE技术，并超越了传统的CAD和FEA技术的局限。虚拟样机技术通过综合并行设计和系统集成思想达到上述目的。传统的并行设计包含两个方面，其一是从时间上，多过程集成并行设计。其二是空间上，多个产品开发组协同并行设计，都可以加快设计速度。但由于在设计开发的最后阶段前无法得到整个样机，所以设计过程中，各小组或各个进程往往把注意力集中在本学科的优化上，而忽略了其他学科乃至整机系统性能，最终没能获得整机性能的最优解。虚拟样机技术不仅利用了并行工程的长处，还通过将各并行过程和并行小组的工作集成到同一个虚拟样机之上，提供同时对挖掘机的外形、机械系统、液压系统、控制系统等多方面评价的可能，因此具备了整机性能评估的条件，兼顾了各个学科，真正做到了全系统、全性能的优化，解决了上述难题。液压挖掘机有别于其他机械的另一个特点是:工作环境恶劣，通常工