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1、word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与仿真技术研究院系 机电工程学院 专业 机械设计制造与其自动化学生 学号 班号 指导教师填报日期 2013年3月15日 某某工业大学机电工程学院制2013年3月说 明一、总结报告应包括如下主要内容：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：某某工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 系： 专 业：机械设计制造与其自动化 班 号：任务起至日期：
2、2013年 2月25日至2013年 3月 15 日 课程设计题目： 液压挖掘机工装轨迹控制与仿真技术研究 技术参数和设计要求： 1结构参数名称长度(mm)行程(mm)转角X围(0)驱动件(mm)缸径(mm)活塞杆直径(mm)动臂2558660117双缸8045斗杆1332585117单缸9050铲斗835500170单缸80452工作负责参数：m=500kg3工装轨迹参数：挖掘水平直线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： 电阻式位移传感器工作计划安排：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
3、MATLAB仿真分析 辩论 同组设计者与分工： 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 日第一章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统介绍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 样机结构简图表1-1 样机结构参数表名称长度mm行程mm转角X围驱动件缸径mm活塞杆直径mm动臂2558660117双缸8045斗杆
4、1332585117单缸9050铲斗835500170单缸8045液压挖掘机是工程机械的重要机型，在工业与民用建筑、交通运输、水利水电、军事施工建设中发挥着非常重要的作用。液压挖掘机被应用于众多诸如平整场地、一定形状的沟、渠道挖掘等复杂作业。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。由于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，因此，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
5、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本次课程设计中机遇实验室的液压挖掘机装置主要设计参数如下：挖掘机工作负载参数要求：m=500kg挖掘机工作装置轨迹参数要求：挖掘水平直线挖掘机工作装置轨迹控制系统设计要求：以51单片机为控制处理器角度传感器选择：电阻式角位移传感器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、A/D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局部，
6、通过A/D和D/A转换器把两局部组成一个数字、模拟混合系统。数字局部采用51单片机，模拟局部包括除51单片机外的各环节。A/D控制器D/A放大器电液比例阀液压缸动臂/斗杆RY角度传感器给定值输出值图1-3 系统控制框图1角度传感器角度传感器将各臂位置角转化为电信号，供控制器处理。在研究中，我们将斗尖轨迹的控制转化为对动臂和斗杆各自的相对转角的控制。控制装置中的选择是电阻式角位移传感器，输出为模拟电压量，需要通过A/D转换环节才能供控制器处理。2控制器与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展运算后输出控制量的工作。本设计采用在PC机内接入集成了A/D和D/A转换芯片的模入模出控制
7、卡，此卡将角度传感器输出的模拟量转化为对应角度的数字值，运算后将结果转换为模拟信号，将控制量以电压形式输出。3电液转换局部此局部主要由电液比例阀，放大器组成。实验平台选用华德液压工业集团某某公司生产的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，但其本钱高，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，但如果和微机与角度传感器构成闭环反应系统，应用适宜的控制方法，完全可以达到较高的定位精
8、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。第二章 液压挖掘机工装轨迹的运动学分析运动学是指对给定的液压挖掘机，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坐标系的规如此和定义，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，可放在铲斗的任何局部，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
9、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2-190 090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，铲斗坐标系到大地坐标系的变换矩阵为：本次设计中取取斗尖位置坐标在基座坐标系中的表示为，由此得铲斗尖位姿的正解为为获取斗尖包络区域，为下面轨迹位置选择提供参考，取动臂转角X围为步长为；斗杆转角X围为，步长为，利用Matlab
10、做出斗尖所能达到的位置，如图2-2。图2-2 斗尖包络区域2.2 运动学逆问题为简化计算，将第1号坐标系轴建立在平面内，。并将铲斗以锁死，即。取直线轨迹，将所需控制的轨迹离散为假如干点坐标，并根据上述方程，可得出斗尖的在每一点时的动臂、斗杆的角度序列。利用matlab解上述方程组，得到10组数值解如表2-2所示。表2-2运动学逆问题求解1000-10001100-10001200-10001300-10001400-10001500-10001600-10001700-10001800-10001900-1000第三章 液压挖掘机液压系统的建模分析对于一个连续系统数学模型的表示，可采用微分方程
11、、传递函数、状态方程等方式。在本文中，对控制系统数学模型的描述采用传递函数的方式。本章通过计算各环节的传递函数，进而得到整个被控系统的传递函数，作为控制仿真的模型，进而实现获取系统的特性，检验控制方法的效果，实现对控制参数的整定等目标。斗杆液压缸的缸径、活塞杆直径、形成，活塞杆与负载的质量。1活塞平均面积2） 容腔总容积3） 液压缸固有频率式中取4） 液压阻尼比由上，得斗杆液压缸传递函数斗杆液压缸的缸径、活塞杆直径、形成，活塞杆与负载的质量。1活塞平均面积2） 容腔总容积3） 液压缸固有频率式中取4） 液压阻尼比如此单个液压缸的传递函数为：因两个液压缸并联驱动动臂，故动臂液压缸的传递函数为2试
12、验台2FRE6.A-20B/10QM型号二通比例调速阀，并与之配有配套的放大器VT-5010，依据厂家提供的技术规格，其频率特性为2HZ，这一值在一般情况下为系统在公称压力时阀相应的最高频率，在一般工作情况下，其频率响应一般在1HZ左右，这一值同系统的动力执行机构液压缸的频响相比，电液比例阀的频率特性是不可忽略的，视为一阶惯性环节来讨论，其传递函数可近似的写成式中 :电液比例阀的时间常数电液比例阀增益由产品性能查得：比例阀的额定流量：线圈输入电流最大值：如此电液比例阀的流量增益：当电液比例阀的频率特性为1HZ时，其时间常数:如此电液比例阀的传递函数为:比例放大器的输入信号为DAC0832卡的输出电压信号，X围为0-10V，其输出信号为比例阀的电磁铁的线圈电流，X围为0-2.2A，故此放大器传递函数为所选的传感器是电阻式角位移传感器，它输出的是电压值，经A/D转换得到数字信号，A/D转换器的时间常数远小于机械本体的时间常数以与计算机的采样频率，可以忽略其时间效应，将其视为一个比例环节，近似为单位负反应，即传递函数为此处斗杆的传递函数为斗杆液压缸的活塞位移与斗杆相对于动臂的角度的关系。根据设计数据，斗杆相对于机身的转角X围为，斗杆液压缸活塞杆的行程为，故斗杆的传递函数为动臂的传递函数为动臂液压缸的活塞位移与动臂相对于机身的角度的关
