液压挖掘机铲斗轨迹规划及控制系统设计

摘要

液压挖掘机是功能最典型、结构最复杂、用途最广泛的工程机械之一，在现代化建设中发挥着非常重要的作用。随着挖掘现场环境复杂性及挖掘作业要求多样化的增加，液压挖掘机的自动化和智能化逐渐成为国内外的研究热点，其中，挖掘轨迹的规划和控制技术是实现挖掘过程自动化的关键技术，对液压挖掘机自动化和智能化的实现起着决定性的作用。
　　本文根据国内外液压挖掘机工作装置运动控制的研究现状，结合液压挖掘机自动化、智能化的发展趋势，综合运用自动控制、液压、传感器及计算机等技术，以定点挖坑作业为例，对液压挖掘机的铲斗运动轨迹规划和控制系统设计问题进行了探讨和研究。根据液压挖掘机定点挖坑作业的控制要求，对铲斗的运动轨迹进行了分析，给出了轨迹坐标的规划和求解方法；对液压挖掘机工作装置进行了运动学分析，给出了求解轨迹坐标所对应的油缸长度的运动学计算方法，并进行了相关仿真；对液压挖掘机工作装置中的动臂、斗杆和铲斗控制子系统进行了建模和仿真，详细分析了加PID控制前后的控制子系统的时域和频域特性，根据分析和仿真结果完成了控制子系统PID控制器的设计；给出了基于CAN总线的液压挖掘机铲斗轨迹控制系统的硬件设计方案，以CodeSys V2.3为软件开发环境，采用IEC61131-3语言编制了下位机的相关控制程序，完成了控制系统部分软件的设计。
　　仿真结果表明，加入PID控制器的液压挖掘机工作装置子控制系统比较稳定，响应较快，跟踪性能也比较理想，可以在较短的时间内达到预设控制量，能够满足实际工况要求。