新型多连杆可控挖掘机构相关性能分析及仿真

摘要

挖掘机作为一种典型的工程机械，广泛应用于农田水利、建筑工程、矿山采掘等领域。目前，传统的机械式挖掘机因其单一的自由度不能完成灵活的挖掘动作;液压式挖掘机具有结构简单、动作灵活等优点，但其液压组件加工精度和装配要求较高，且易发生漏油等问题。随着科学技术的发展，机构学不断与多种学科交叉、渗透，产生了许多新的研究领域，其中，近年来与电子技术结合产生的可控机构既可实现柔性输出，又具有刚度高、惯量小、承载能力强等优点，国内外学者已经对可控机构开展了很多研究工作，并获得了一定成果，但结合工程实际应用的机构构型研究还鲜见报道。
　　本文在分析挖掘机和可控机构国内外研究现状的基础上，将可控机构理论应用于挖掘机，设计出一种新型多连杆可控挖掘机构，针对该挖掘机构先后做了结构学、运动学和动力学等方面的研究，并进行了仿真分析，为该挖掘机构的应用和推广提供了理论依据。主要工作内容如下:
　　运用可控机构创新设计的相关理论和方法设计出一种新型多连杆可控挖掘机构，对其结构组成和工作原理进行分析，并利用约束螺旋理论计算该挖掘机构的自由度。
　　根据挖掘机构的结构特点对其结构进行简化，运用闭环矢量法建立可控挖掘机构位置分析的数学模型，分别求解出机构的位置正解和位置逆解表达式，并对该机构的位置正逆解进行数值分析。
　　在机构位置正逆解分析的基础上，对可控挖掘机构的速度、加速度进行求解，得到该机构的雅克比矩阵和海森阵，分析机构的奇异位形，根据隐函数存在定理求出工作空间的边界条件。
　　在可控挖掘机构运动学分析的基础上，运用拉格朗日法建立机构的动力学数值模型，根据龙格—库塔法运用MATLAB进行数值求解，绘制出挖掘机构动力学参数曲线，为可控挖掘机构的电机选型及控制策略提供理论依据。
　　利用ADAMS软件建立新型多连杆可控挖掘机构的三维虚拟样机模型，进行运动学和动力学仿真，进一步验证了该挖掘机构的可行性以及前文所建立数学模型的正确性，为该机构后续参数优化设计和控制策略提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 挖掘机的国内外概况

1．2．1 机械式挖掘机的国内外概况

1．2．2 液压式挖掘机的国内外概况

1．3 可控机构的研究现状

1．4 本文的研究意义

1．5 本文主要研究内容

第二章 新型多连杆可控挖掘机构的设计与结构分析

2．1 引言

2．2 新型多连杆可控挖掘机构的设计

2．3 新型多连杆可控挖掘机构的工作过程

2．4 基于约束螺旋理论的自由度计算

2．5 本章小结

第三章 新型多连杆可控挖掘机构的位置分析

3．1 引言

3．2 机构位置正解

3．2．1 第一五杆机构DEFHG

3．2．2 第二五杆机构ABCIG

3．2．3 二杆组铲斗机构LKJ

3．2．4 机构位置正解

3．3 机构位置逆解

3．3．1 主动输入角θ1

3．3．2 主动输入角θ3

3．3．3 主动输入角θ2

3．3．4 机构的位置逆解

3．4 数值算例及分析

3．4．1 位置正解数值算例

3．4．2 位置逆解数值算例

3．5 本章小结

第四章 奇异位形及工作空间求解

4．1 引言

4．2 机构的速度及加速度正逆解

4．2．1 机构速度正逆解

4．2．2 机构加速度正逆解

4．3 奇异性分析

4．3．1 五杆机构DEFHG的奇异性

4．3．2 五杆机构ABCIG的奇异性

4．3．3 二杆组机构的奇异性

4．4 工作空间分析

4．4．1 工作空间边界条件

4．4．2 机构工作空间仿真算例

4．5 本章小结

第五章 新型多连杆可控挖掘机构动力学分析

5．1 引言

5．2 新型多连杆可控挖掘机构动能计算

5．2．1 机构各杆件质心位移表达式

5．2．2 机构各杆件质心速度表达式

5．2．3 新型多连杆可控挖掘机构动能

5．3 新型多连杆可控挖掘机构势能计算

5．4 新型多连杆可控挖掘机构动力学模型

5．5 动力学模型数值求解

5．6 本章小结

第六章 新型多连杆可控挖掘机构虚拟仿真分析

6．1 引言

6．2 虚拟样机模型

6．3 运动学仿真分析

6．3．1 正运动学仿真

6．3．2 逆运动学仿真

6．4 动力学仿真分析

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间科研情况

附录