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1、综合课程设计II项目总结报告题目：液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究院（系） 机电工程学院 专业 机械设计制造及其自动化学生 学号 班号 指导教师 填报日期 2013年12月5日 哈尔滨工业大学机电工程学院制2013年11月说 明一、总结报告应包括下列主要内容：1项目背景分析；2研究计划要点与执行情况；3项目关键技术的解决；4具体研究内容与技术实现；5技术指标分析；6存在的问题与建议。二、总结报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。指导教师评语： 指导教师签字： 检查日期： 哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）：机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自
2、动化 班 号：1008102任务起至日期：2013年 11月18日至2013年 12月 6 日 课程设计题目： 液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究 已知技术参数和设计要求： 1）结构参数名称长度(mm)行程(mm)转角范围()驱动件(mm)缸径(mm)活塞杆直径(mm)动臂91520090双缸5030斗杆460160120单缸5020铲斗304125165单缸50202）工作负载参数：m=800kg3）工装轨迹参数：挖掘直线4）控制系统要求：以51单片机为控制处理器5）角度传感器选择：光电编码器 工作量：研究内容： 依据项目要求，在三周的课程设计内，主要完成以下设计任务：1）挖掘机工装轨迹控
3、制的机、电、液一体化系统简图；2）角位移传感器的选择3）液压挖掘机工装轨的运动学分析；4）液压挖掘机液压系统的建模分析；5）控制系统的电路设计；6）控制方法的选择及分析；7）系统的整体及MATLAB仿真分析。预期成果：依据实际情况要求完成以下工作：1）画出一张控制器和其外围电路的原理图；2）系统仿真结果图3）编写一万字以上的项目总结报告一份工作计划安排： 周1周2周3周4周5第1周系统简图运动学分析运动学分析液压系统液压系统第2周电路设计电路设计电路设计控制方法控制方法第3周MATLAB仿真分析 答辩 同组设计者及分工： 指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月
4、日目录第一章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统介绍11.1单斗液压挖掘机的机械模型简介11.2电液控制系统的组成2第二章 液压挖掘机工装轨迹的运动学分析42.1运动学问题42.2 运动学逆问题6第三章 液压挖掘机液压系统的建模分析93.1斗杆液压缸的传递函数93.2动臂液压缸的传递函数103.3其它环节传递函数103.4斗杆系统的整体建模与仿真123.5 动臂系统的整体建模与仿真14第四章 控制系统的电路设计174.1角度传感器的选择174.2 数据采集电路184.3 D/A转换器及接口电路184.4 控制系统的电路原理图设计19第五章 控制方法的选择及MATLAB仿真技术215.1 计算机实现P
5、ID控制215.2 斗杆系统PID控制仿真225.3 动臂系统PID控制仿真25参考文献29第一章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统介绍1.1单斗液压挖掘机的机械模型简介本次课程设计的液压挖掘机是针对学校的实验室用的样机模型，其容量为0.01立方米，动臂和斗杆为四连杆机构，动臂、斗杆和铲斗均由液压缸驱动，它们之间以销轴连接。在动臂和斗杆的销轴上分别安装了角度传感器，用以检测相对位角。模型不具备回转机构，无回转功能。其结构简图如图1-1所示，其参数如表1-1所示。图1-1 样机结构简图名称长度(mm)行程(mm)转角范围()驱动件(mm)缸径(mm)活塞杆直径(mm)动臂91520090双缸5030
6、斗杆460160120单缸5020铲斗304125165单缸5020表1-1结构参数表样机的挖掘轨迹以停机面为基准。机构运动副之间的间隙及液压马达工作时的内部泄露，会对位置精度产生影响，但由于实际作业要求，误差在允许范围之内，不会影响工作稳定性。液压挖掘机是工程机械中一种应用十分广泛的机型，在工业及民用建筑、交通运输、水利水电、军事设施建设中发挥着非常重要的作用。其工作装置运动轨迹的自动控制是研制中的一个重要课题。现有控制装置主要是连杆机构，通常只能保证简单挖掘轨迹。对于任意给定，需要通过计算机系统控制实现。挖掘机在实际工作中，挖掘阶段转台不回转，静止不动，转台回转时，工作装置不挖掘，二者运动
7、是分开的。工作装置挖掘轨迹的控制，可归结为动臂、斗杆和铲斗三个杆件的平面控制问题，即对于任意给定的动臂、斗杆目标轨迹和铲斗方位角，可将其变换为工装三杆件的目标转角序列，由微机控制电液伺服驱动系统，使动臂、斗杆和铲斗跟踪各自的目标转角，从而实现轨迹控制。其机、电液一体化系统简图如图1-2所示。图1-2 液压挖掘机机电液一体化系统简图反铲单斗液压挖掘机的液压控制系统是一种典型的位置控制系统，其可分为动臂、斗杆、铲斗三个控制回路，且具有相似结构形式。在实际工作中铲斗被锁死，故只对动臂和斗杆进行分析。1.2电液控制系统的组成电液控制系统是实现液压挖掘技术的关键技术，可将弱电信号转换成大功率的液压型号，
8、控制机械系统产生相应运动。电液控制系统是在要控制的转轴处增加了角度传感器获取转角数据，通过控制器处理并由电液转换元件驱动液压缸运动，使铲斗达到预计的轨迹。计算机控制系统由液压缸、电液比例流量阀、比例放大器、角度传感器和D/A卡等环节组成，如图1-3所示。系统可分为数字和模拟两部分，通过D/A转换器把两部分组成一个数字、模拟混合系统。数字部分采用51单片机，模拟部分包括除51单片机外的各环节。动臂/斗杆液压缸电液比例阀放大器D/A控制器RY角度传感器给定值输出值图1-3 系统控制框图（1）角度传感器在研究过程中，要对铲斗齿尖的轨迹进行控制，通过角度传感器将动臂和斗杆各自的相对转角位置转化为电信号
9、，供控制器处理。控制装置中的选择是光电编码器，将角度值转换为脉冲数，输出信号为脉冲，出线方式为电缆侧出。（2）控制器及数据采集卡控制器主要完成将传感器的信号按照控制算法进行运算后输出控制量的工作。本设计采用MCS-51系列的8031单片机，其集成度高、速度快、处理能力强、可扩展性能好、寻址范围大。光电编码器的输出脉冲经数据采集电路输进单片机，运算后将结果经D/A转换芯片的模入模出控制卡转换为模拟信号，将控制量以电压形式输出。（3）电液转换部分此部分主要由电液比例阀，放大器组成。实验平台选用北京华德液压工业集团有限责任公司生产的2FRE6.A-20B/10QM型号二通比例调速阀，并配有与之配套的
10、放大器VT-5010S30.在液压控制系统中，虽然采用伺服阀精度最高，且响应最快，但其成本高，对污染敏感，很少用在普通场合。而比例阀的价格只有伺服阀的1/8-1/10，但具有与节流阀相似的抗污染能力。虽然与伺服阀相比，比例阀的频宽较窄、精度稍差，但如果和微机及角度传感器构成闭环反馈系统，应用合适的控制方法，完全可以达到较高的定位精度。因此在本设计中采用微机控制比例法系统的方式实现液压挖掘机工装轨迹的控制。选用电液比例阀需要考虑诸多因素，如负载性质、大小，控制速度、加速度、精度，系统频宽，工作环境，可靠性，经济性，尺寸和重量等。具体包括工作压力、额定流量、幅值频宽、相位频宽、电气性能、安装尺寸和
11、价格等。第二章 液压挖掘机工装轨迹的运动学分析2.1运动学问题运动学正问题是指对给定的液压挖掘机，已知杆件几何参数和关节变量，求铲斗相对于参考坐标系的位置和姿态。按照D-H坐标系的规则和定义，设置微机操纵系统液压挖掘机的杆件坐标系，如图2-1所示。第0号坐标系在基座上的位置和方向任选，只要轴沿第一关节运动轴，即挖掘机上车回转中心即可。最后一个坐标系，即第4号坐标系，可放在铲斗的任何部分，只要与垂直即可。去铲斗纵向对称面上铲斗与斗杆的铰接点与斗齿尖连成轴，铰点的回转轴线为轴。是工装纵向对称面上的一根水平轴，在动臂两端铰点连线上，在斗杆两端铰点连线上。i取0、1、2、3、4时个参数值见表2-1.图2-1 反铲斗液压挖掘机工作装置示意图表2-1参数取值表90 00 各参数的含义为：- 到沿方向上的距离（与同方向为正）-到沿方向上的距离(与同方向为正)-从到绕轴的转角（逆时针为正）-到沿方向上的距离通过矩阵变换，首先把第四象限的坐标变换到第三象限，再把第三象限的坐标变换到第二象限，再把第一象限的坐标变换到第一象限，再把第一象限变换到第0象限，因此，铲斗坐标系到
