挖掘机反铲工作装置的设计与仿真系统

由于挖掘机实际工作状态十分复杂 ( 无特定工作线 路 ) , 所以, 对于整体仿真部分, 分别设计了手动和自 动 2 种实现方式。手动仿真是在自动仿真的基础上 设计了一个利用键盘和鼠标 , 对挖掘机各种工作位 置进行手动控制的仿真过程 , 十分灵活方便。 4 挖掘机反铲工作装置 CAD 系统设计实例 下面以某型挖掘机反铲工作装置为例详细介绍 本软件的工作过程, 要求设计的挖掘机工作范围参 数为 : 最大挖远 R max = 410 cm 、 最大卸 载高 H max = 300 cm 、 最大挖深 D max = 220 cm 。 先对各分支部分按照动臂、 斗杆及铲斗的顺序 进行设计计算, 另外 , 在本次设计中, 油缸的平均作 用压力都取为 10 000 Pa, 油缸作用面积都为 10 cm 2。 ( 1) 动臂结构设计结果 L 1 = 320, L 22 = 140, L 5 = 61, L 7 = 130, 117 #,
参考文献 :
[ 1] 金海薇 . 液压挖掘机反铲工作装置的计算机辅助机构设计与仿真 研究 [ D] . 辽宁工程技术大学硕士学位论文 , 2004. [ 2] 郑 春歧 , 等 . 基 于 VB 及 3Dmax 的挖掘机 动态仿真 [ J] . 建 筑机械
文献标识码: A 过一根三芯电缆连接 , 以实现与分机的双向串行数 据传送。同时 , 它还可以 通过 RS- 232C 与上级网 络连接, 使检测数据进入更高层次的主控中心管理 系统。
摘 要 : 详细阐述了智能分布式温湿度测控系统中采集现场分机与主机、 主机与计算机管理 网络之间数据通信的原理和实现方法。 该方法的使用表明 : 系统安装方便 、 实用 、 数据通讯安全、 可 靠。 关键词 : 分布式系统 ; 数据通信; Windows 系统 中图号 : TP39 1 引言 数据的采集与通信在工业测控以及远程控制中 起着重要的作用, 直接影响着整个系统的性能。以 所研究的智能分布式温湿度检测与控制系统为例 , 介绍一种简单实用的数据测量与通讯的方法 , 该方 法可对现场温湿度等参数进行实时测控并可将数据 传送到主控中心管理系统。下面对分机与主机、主 机与主控管理系统通信的硬、软件设计进行详细阐 述。 2 系统的组成与数据通讯硬件结构 2. 1 系统组成 分布式数据采集检测与控制系统组成如图 1 所 示。采集现场的分机测控仪采用电流型集成温度传 感器和干湿球法检测温湿度, 以低功耗、 高可靠性的 PIC 单片机做为主芯 片, 可以将多台测控仪 和系统 主机连接成温湿度检测网络。系统主机是整个分布 式温湿度测控系统的核心 , 它和各现场分机之间通 作装置整体运动模型 , 辅以 Matlab 数值计算软件, 编 制了一套完整的计算机辅助设计与仿真系统软件。 本软件能够反映出工作装置的外形、 各构件尺寸、 位 置关系和几何布局等 , 画面简洁、 操作方便, 可以对 挖掘机的设计起到辅助作用, 从而减少设计人员的 工作量。
txi tyi 1 直观清晰地写出工作装置中相邻杆系的相互坐标的 转换关系式。 其中动臂坐标系与初始坐标系之间的变换矩阵 为 D 10 , 斗杆坐标系与动臂坐标系之间的变 换矩阵 为 D 21 , 铲斗坐标系与斗杆坐标系之间变换 矩阵为 D 32 , 所以动臂坐标是 D 10 的函数, 斗杆坐标是 D 21
Fig. 2 图2 铲斗循环仿真
Emulation of bucket circulation
( 3) 数据库管理模块 该模块提供了国内一些主要挖掘机厂家生产的 中小型液压挖掘机的型号、 性能参数 , 便于用户查阅
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挖掘机反铲工作装置的设计与仿真系统 ∃ ∃ ∃ 金海薇, 等
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图3
最大挖远仿真
Fig. 3 The emulation of max dig farness
5 结语 本文利用变换矩阵法建立了液压挖掘机反铲工
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文章编号 : 1003 0794( 2004) 08 0058 03
一种简单、 实用的分布式数据测控系统与通信方法
邢 哲 , 胡振山 , 王进野 ( 山东科技大学 工程学院 , 山东 泰安 271021)
min = max =
30 #。
经过 Matlab 的数据拟合曲线 , 得出在动臂提升 角为 62#时, 最大提升力为 61 844 Nm 。 ( 2) 斗杆结构设计结果 L 8 ( DF) = 140 , L 2m in = 150, E 20 = 75. 97, L 9 = 60。 经过 Matlab 的数据拟合曲线 , 得出在斗杆转角 为 110 #时 , 最大挖掘力为 68 711 Nm。 ( 3) 铲斗结构设计结果 2 = 122, E = 17. 69。 经过 Matlab 的数据拟合曲线 , 得出在铲斗转角 为 61 #时 , 最大挖掘力为 24 640 N 。 最后, 经过整体仿真模块的计算 , 得到设计结果 的实 际最 大挖 深是 242 8 cm, 最大 挖 远是 425 64 cm, 最大卸载高是 331 2 cm。在仿真界面上有白色 显示的极限尺寸。可以看出 , 经过设计得到的工作 范围尺寸和初始设计的要求尺寸十分接近 , 设计精 度达到 95% 以上。 图 3 为挖掘机工作装置的最大挖远仿真界面。
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2004 年第 8 期
文章编号 : 1003 0794( 2004) 08 0056 03
挖掘机反铲工作装置的设计与仿真系统
金海薇 , 李冬伟 ( 军械工程学院 , 河北 石家庄 050051)
摘 要 : 根据液压挖掘机工作装置的结构特点和工作原理 , 用矩阵变换法进行了图形建模, 在 此基础上开发了一套液压挖掘机反铲工作装置的计算机辅助设计与仿真软件, 并采用动态链接库 技术 , 将 C+ + Builder 与 Matlab 结合开发 , 本软件对挖掘机反铲工作装置的设计有一定实用价值。 关键词 : 挖掘机 ; CAD; 动态链接 中图号 : TH12 1 前言 挖掘机反铲工作装置的组成非常复杂, 造成机 构设计很难用常规的制图方法来实现, 因此, 必须引 入 CAD 技术及动态仿真技术以加速其研发效率。 本文针对现有的挖掘机工作装置的资料, 开发 了一个功能较全、 界面友好的液压挖掘机反铲工作 装置计算机辅助设计与仿真系统, 特别是, 本系统还 成功地实现了与 Matlab 数值计算软件的结合。 2 挖掘机工作装置系统模型的建立 以往在进行挖掘机反铲工作装置的分析时, 常 采用对各部件固定坐标系的方法 , 虽然算法简易但 不利于计算机程序实现。因此 , 利用已有的对动臂、 斗杆和铲斗 3 部分进行固定坐标系下的运动分析的 基础上 , 运用计算机图形学中的二维图形变换矩阵 法, 将这些分散的运动公式合并代换成矩阵形式, 得 到新的矩阵变换运动方程如图 1 所示。在整机上建 立直角坐标系 XOY, 在动臂上安装坐标系 X 1 O1 Y1 , 且 X 1 轴与 CF 平行, 在斗杆上安装坐标系 X 2 O2 Y2 , 且 X 2 轴与 FQ 平行, 在铲斗上安装坐标系 X 3 O3 Y3 , 且 X 3 轴与 QV 平行。经推导可知 , 在以上 3 种不同 坐标下点的 坐标旋 转公 式为 ( x ai , y ai ) = ( x aj , y ai ) cos - sin sin cos 坐标变换矩阵为 ( x i , y i , 1) = ( x j , y j , cos 1) Dji , 其中 Dji = - sin sin cos 0 0 。利用它们 可
图1 铲斗的位置和姿态计算简图
文献标识码: A D 10 的函数, 铲斗坐标是 D 32 D 21 D10的函数。
Fig. 1 The position attitude diagram of bucket
3 挖掘机反铲工作装置辅助设计及仿真系统 本系统采用面向对象的设计方法, 主要开发平 台为 C+ + Builder 5. 0, 它主要由以下几部分组成 : ( 1) 各种机构尺寸设计模块 该模块完成各种机构( 动臂、 斗杆、 转斗) 的尺寸 参数设计。 ( 2) 各种机构动态循环仿真模块 该模块用来完成各机构的循环( 可控 ) 仿真。各 操作界面友好、 统一 , 使用十分方便, 可对仿真过程 的任意动作进行控制, 如遇机构不合理问题, 可自动 给出警告。另外, 通过输入油缸平均压力及作用面 积 , 仿真的同时能按一定的要求得出实时数据如图 2 所示。
有关产品信息。另外, 本模块还与各机构设计模块 相链接 , 使得已成功设计的各参数可以方便地进行 查询。 ( 4) Matlab 数值拟合模块 C+ + Builder 虽然具有丰富的图形绘制功能与 控制能力, 但在数值处理方面其效率却远不如 Mat lab, Mathematic 等专业数值运算软件。因此, 为了求 出各部件理论油缸推力与其运动角度的函数关系 , 本模块将设计机构的运动角度与运动时的理论推力 通过动态链接库技术传入 Matlab 进程, 在最小二乘 拟合的原则下, 用多项式或幂函数拟合了二者的有 限精度的函数关系。 动态链接库 ( DLL ) 是一个包含了函数和数据的 程序模块。它的调用方法有 2 种: ! 静态加载 DLL。 即当加载可执行文件的同时也加载了 DLL 库。 ∀ 动态加载 DLL, 也就 是在程序运 行期间 , 通过调 用 LoadLibrary 加载 DLL 库。静态链接与动态链接的不 同之处在于, 在静态链接时, 链接程序给每个调用它 的模块都复制一份库函数的代码 , 因而执行文件的 尺寸要而变大。 鉴于以上原 因, 本系 统采 用静 态方 式 来链 接 Matlab 的 C+ + 语言动态链接库。Mat lab 的动态链 接库主要有 libmx. lib, libmat. lib, libeng. lib 3 种, 分别 对应 mxArray 系列函数库, mat 系列文件函数库, en gine 引擎系列函数库。 在 C+ + Builder 中采用静态链接方式来链接这 些动态链接库十分方便。首先用 Implib 函数将 Mat lab 安 装目 录 下的 这 3 个 lib 文 件转 换 成 Borland C+ + 可识别的格式 , 在通过 程序中的 project - > Add to project 菜单命令加入程序 , 同时将 Matlab 安 装目录下关于这些库函数说明 的头文件也加 入进 来。这样就可以在程序中方便地使用这些函数。 C+ + Builder 与 Matlab 通 讯的 函数 主 要通 过 mxArray 数据类型, 传递函数主要有 engOpen( ) 用于 远程打开 matlab 进程 ; mxCreateDoubleMatrix( ) 用于创 建一 个 matlab 可 以 识 别 的 矩 阵 格 式 数 据 类 型 ; mxSetName( ) 与 engPutArray ( ) 分别用于对此变 量命 名; engEvalString ( ) 向 mat lab 传递各种 命令, 以控 制 其进行数据计算与绘制。 ( 5) 整体综合仿真模块 本模块按挖掘机工作装置的工作状态, 又分为 整体仿真 , 最大挖深仿真 , 最大挖远仿真, 最大卸载 高仿真等 4 部分 , 其中各结构参数可由用户手动输 入或由各分支机构设计结果导入 , 仿真时的控制包 括开始和暂停, 并 且可以调节自动 运行时的速度。