裝載機鏟掘作業(yè)軌跡規(guī)劃及運動學(xué)建模

裝載機鏟掘作業(yè)軌跡規(guī)劃及運動學(xué)建模

0主要研究成果裝載是一個循環(huán)機器。每個工作循環(huán)主要由三部分組成：挖掘、運輸和沉淀。其中，在挖掘過程中消耗的能量是最大的。目前，世界上許多國家生產(chǎn)的裝載機已經(jīng)實現(xiàn)了遙控作業(yè)，并且已經(jīng)進入了實用化階段；而國內(nèi)生產(chǎn)的裝載機的鏟掘作業(yè)仍是由操作者操縱動臂手柄或鏟斗手柄來完成的。由于裝載機的作業(yè)形式是它圍繞著作業(yè)對象在移動，而作業(yè)對象復(fù)雜多變，具有很大的隨機性，因而，就使得裝載機的鏟掘作業(yè)的效率很大程度上取決于操作者的經(jīng)驗、技能和意愿。目前，國內(nèi)外在裝載機自動控制方面的一些主要研究成果如下：文獻對裝載機工作裝置的電液比例控制、遠程定位控制、鏟斗持平進行了研究。文獻給出了裝載機鏟取區(qū)間水平等阻線的概念，并建立了基于水平等阻線的鏟取區(qū)間控制策略。文獻給出了裝載機理想鏟掘軌跡的特性。而目前對裝載機作業(yè)的軌跡規(guī)劃研究得較少。為了節(jié)約能源，降低操作者的勞動強度，提高我國工程機械產(chǎn)品的競爭力，本文針對與裝載機自動鏟掘控制密切相關(guān)的鏟掘作業(yè)的軌跡規(guī)劃問題，以ADAMS環(huán)境下的ZL40裝載機為仿真模型，針對在同樣時間內(nèi)完成同樣的作業(yè)量時，兩種不同軌跡下的動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸施加的作用力和作功的情況進行了仿真研究。裝載機自動鏟掘控制的目標(biāo)是：為了實現(xiàn)高效節(jié)能，要求裝載機在盡可能短的時間內(nèi)，以盡可能小的能耗，獲得較大的鏟斗裝載率。根據(jù)上述裝載機自動鏟掘控制的目標(biāo)，確定本文的研究目的是：為裝載機在均質(zhì)的料堆進行鏟掘時，找一條鏟掘軌跡，使鏟掘過程消耗的能量較小。本文根據(jù)經(jīng)驗及有關(guān)文獻給出理想的鏟掘軌跡，在ADAMS環(huán)境下的ZL40裝載機三維仿真模型上，使鏟斗斗尖實現(xiàn)規(guī)定的軌跡，再根據(jù)裝載機在該軌跡下鏟斗所受的作業(yè)阻力，求得裝載機工作裝置的動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸在該軌跡下需要施加的作用力和輸出功率，最后根據(jù)所作總功的情況，確定理想的鏟掘軌跡，為以后進一步研究裝載機鏟掘作業(yè)的自動控制打下技術(shù)基礎(chǔ)。1挖掘操作的軌跡規(guī)劃1.1改合墻裝置的工作原理根據(jù)裝載機鏟掘作業(yè)的特點，在鏟掘作業(yè)的工況下，可以將裝載機視做平面運動機構(gòu)。該平面運動機構(gòu)有3自由度，分別是車體的平移、動臂的舉升以及鏟斗的翻轉(zhuǎn)。其中，動臂的舉升是通過動臂油缸來實現(xiàn)的，鏟斗的翻轉(zhuǎn)是通過轉(zhuǎn)斗油缸驅(qū)動搖臂及連桿來實現(xiàn)的，其工作原理如圖1所示。裝載機鏟掘物料有四種方法：一次鏟掘法、分段鏟掘法、挖掘法、配合鏟掘法。在這些鏟掘方法中，配合鏟掘法能夠使鏟斗在鏟掘過程中所受的鏟掘阻力最小。它具體實現(xiàn)的方法是：裝載機前進，把鏟斗插入物料一定深度，然后，在裝載機前進的同時，還配合以鏟斗翻轉(zhuǎn)及動臂的提升。下面，本文將以配合鏟掘法來規(guī)劃鏟掘作業(yè)軌跡。1.2擴大挖掘作業(yè)軌跡根據(jù)上述配合鏟掘法的特點，確定作業(yè)軌跡由兩部分構(gòu)成：(1)插入?yún)^(qū)間。鏟斗底部平行于地面，水平地插入物料，如圖2所示的AB段；(2)鏟取及提升區(qū)間。車輛在前進的同時，通過操縱動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸完成鏟斗的鏟取及提升，如圖2所示的BC段。在鏟取及提升區(qū)間，鏟斗斗尖軌跡既可以是直線，也可以是曲線，具體軌跡形式可由軌跡規(guī)劃給出。下面設(shè)定裝載機的作業(yè)條件。根據(jù)ZL40裝載機的鏟斗斗容1.8m3，鏟斗寬度為2.75m，而得到的鏟斗截面積0.654545m2，文中設(shè)定裝載機在一次鏟掘作業(yè)鏟斗截面積為0.5790m2，料堆坡度角為45°。為了描述鏟掘軌跡方程，文中以裝載機在行進中鏟斗斗尖剛好接觸料堆時刻的車體與動臂的鉸點為坐標(biāo)原點O0，以車體向前運動方向為x0軸，垂直地面向上方向為y0軸，建立如圖3所示坐標(biāo)系。在該固定坐標(biāo)系中，鏟斗斗尖O3的坐標(biāo)為(3.28687，–1.93423)，單位為mㄢ下面根據(jù)經(jīng)驗及有關(guān)文獻，給出兩種理想的鏟掘作業(yè)軌跡方程，并將在后面的仿真結(jié)果中比較動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸在兩種作業(yè)軌跡下施加的作用力和輸出功率的情況。首先，根據(jù)配合鏟掘法的特點及操作經(jīng)驗可知，當(dāng)使鏟斗斗尖的軌跡與料堆坡度的表面線大致平行時，鏟掘作業(yè)的能耗較小。根據(jù)上述條件，并在同時滿足插入深度及鏟取物料的截面積為0.5790m2等條件下，給出在坐標(biāo)系O0x0y0中的鏟掘軌跡為直線時的軌跡方程為另外，根據(jù)文獻提出的較理想的鏟掘作業(yè)軌跡條件，即為確保鏟掘作業(yè)在最少的時間內(nèi)完成同樣的鏟斗裝載率，鏟掘軌跡應(yīng)連續(xù)光滑。據(jù)此條件，并同時在滿足插入深度及鏟取截面積為0.5790m2等條件下，給出在坐標(biāo)系O0x0y0中的鏟掘軌跡為曲線時的軌跡方程為式(1)、(2)的圖形如圖4所示。1.3兩種軌跡下的車速根據(jù)配合鏟掘法的特點及操作經(jīng)驗，對鏟掘作業(yè)的軌跡進行如下規(guī)劃：水平插入時，將軌跡規(guī)劃為動臂和鏟斗不動，車輛勻速前進；鏟取及提升區(qū)間時，將軌跡規(guī)劃為車輛勻速前進，并同時滿足動臂不斷提升及鏟斗不斷翻轉(zhuǎn)的姿態(tài)條件，則得到兩種軌跡下的車速條件。鏟斗斗尖沿直線軌跡運動時，車速條件為鏟斗斗尖沿曲線軌跡運動時，車速條件為1.4挖掘路徑描述空間的轉(zhuǎn)換為了得到動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的驅(qū)動方程，需要將上述鏟掘軌跡實現(xiàn)由直角坐標(biāo)空間向關(guān)節(jié)空間轉(zhuǎn)換以及由關(guān)節(jié)空間向驅(qū)動空間轉(zhuǎn)換。1.4.1機制的逆解根據(jù)圖5所建立的裝載機鏟掘作業(yè)的運動學(xué)模型及D-H坐標(biāo)系，通過求運動學(xué)方程的逆解，可得到如下鏟掘軌跡由直角坐標(biāo)空間向關(guān)節(jié)空間轉(zhuǎn)換模型式中θi——從xi-1軸到ix軸的轉(zhuǎn)角，繞zi-1軸正向轉(zhuǎn)動為正，i=2,3x,y——鏟掘軌跡點對應(yīng)的坐標(biāo)值s——車體的水平位移2l,3l——O1O2,O2O3的長度1.4.2直線軌跡轉(zhuǎn)斗油缸驅(qū)動方程根據(jù)裝載機工作裝置的連桿機構(gòu)尺寸，通過求解三角形，可得到動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的位移變化量隨θ2、θ3的變化關(guān)系。由于篇幅關(guān)系，具體過程在此不再詳述。在此僅給出求解結(jié)果，即動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸分別在直線軌跡和曲線軌跡下的驅(qū)動方程。在規(guī)劃的軌跡上均勻取60個點，經(jīng)直角坐標(biāo)空間向關(guān)節(jié)空間轉(zhuǎn)換和關(guān)節(jié)空間向驅(qū)動空間轉(zhuǎn)換，得到60個與其對應(yīng)的動臂及轉(zhuǎn)斗油缸所在連桿的長度，再將動臂及轉(zhuǎn)斗油缸所在連桿的長度與各自的初始值比較，經(jīng)曲線擬合，得到動臂油缸及轉(zhuǎn)斗油缸的驅(qū)動方程。結(jié)果如下。直線軌跡動臂油缸驅(qū)動方程式中y——動臂油缸相對于其初始位置的活塞桿位移t——時間，其基準是以鏟斗斗尖與料堆接觸為0時刻開始計時直線軌跡轉(zhuǎn)斗油缸驅(qū)動方程式中y′為轉(zhuǎn)斗油缸相對于其初始位置的活塞桿位移。曲線軌跡動臂油缸驅(qū)動方程曲線軌跡轉(zhuǎn)斗油缸驅(qū)動方程2新型挖掘法挖掘特點下面給出裝載機在實現(xiàn)上述鏟掘軌跡的鏟掘過程中，鏟斗所受的作用力。根據(jù)配合鏟掘法的特點，可認為裝載機在鏟掘過程中，水平阻力和垂直載荷同時作業(yè)在鏟斗上，垂直載荷需要加上鏟斗內(nèi)所裝物料的重力。下面分別求裝載機在鏟掘過程中鏟斗所受的水平阻力、垂直阻力和鏟斗內(nèi)物料的重力。2.1水平阻力在鏟掘過程中，鏟斗所受的水平阻力式中xF——鏟斗插入阻力K——與物料性質(zhì)有關(guān)的影響系數(shù)b——鏟斗寬度d——鏟斗插入料堆的深度2.2垂直阻力在鏟掘過程中，鏟斗所受的垂直阻力式中zF——鏟起阻力σ——開始提升時物料的切應(yīng)力b——鏟斗寬度d——鏟斗插入料堆的深度2.3中g(shù)中的擴大槽—物料重力在鏟掘過程中，鏟斗所受的物料重力即為鏟斗中物料的重力式中G——鏟斗中物料的重力f1(x)——在坐標(biāo)系中的料堆表面方程f2(x)——在坐標(biāo)系O0x0y0中的鏟掘軌跡方程x——鏟斗插入料堆的深度b——鏟斗寬度γ——物料重度3挖掘安裝過程的模擬3.1建立仿真模型由于ADAMS軟件的三維實體建模功能相對較弱，故選擇建模功能較強的Solidworks軟件建立ZL40裝載機的三維仿真模型，得到如圖6所示的仿真模型。再將Solidworks軟件建立的ZL40裝載機三維模型導(dǎo)入ADAMS進行參數(shù)設(shè)置，添加相應(yīng)的運動約束、驅(qū)動及力，最后得到ZL40裝載機在ADAMS環(huán)境下的仿真模型。3.2水平阻力，水平阻力，加轉(zhuǎn)斗缸驅(qū)動在ADAMS環(huán)境下，設(shè)置如下仿真條件：仿真時間設(shè)為t=2.8s，對于直線軌跡，按照式(10)添加水平阻力，式(11)添加垂直阻力，式(12)添加物料重力，式(3)添加車速，式(6)添加動臂油缸驅(qū)動，式(7)添加轉(zhuǎn)斗油缸驅(qū)動；對于曲線軌跡，按照式(4)添加車速，式(8)添加動臂油缸驅(qū)動，式(9)添加轉(zhuǎn)斗油缸驅(qū)動，其余的與直線軌跡相同。3.3兩種挖掘軌跡下作功比較在上述仿真條件下，得到如下仿真結(jié)果。圖7、8分別為兩種鏟掘軌跡下動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的作用力。由圖7、8可知，因直線軌跡和曲線軌跡的差異而產(chǎn)生的對動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的作用力的影響較小。下面比較在兩種鏟掘軌跡下動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸輸出功率的情況。由于直線軌跡在拐點處存在極大的沖擊，文中的直線軌跡輸出功率是按照采用圓滑曲線過渡的情況給出的。圖9、10分別為兩種鏟掘軌跡下動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸的輸出功率，圖11為裝載機的動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸在兩種鏟掘軌跡下輸出總功率的情況。由圖9～11可知，曲線軌跡功率變化總體上較直線軌跡平滑。下面比較兩種鏟掘軌跡下動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸作功情況。分別對動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸在兩種鏟掘軌跡下的輸出功率進行積分，得到下表所示兩種鏟掘軌跡下作功比較表。由表可知，動臂油缸在曲線鏟掘軌跡時所作的功小于直線軌跡，轉(zhuǎn)斗油缸在直線鏟掘軌跡時所作的功小于曲線軌跡，動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸在直線鏟掘軌跡所作總功小于曲線軌跡。4兩種油缸的運動過程中受沖擊嚴重,但曲線軌跡下，動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸起充(1)當(dāng)兩種鏟掘軌跡差異很小時，不同軌跡下的動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸所施加的作用力的差異也很小。(2)動臂油缸和轉(zhuǎn)斗油缸在直線軌跡下，