挖掘机运动学分析新方法_董明晓

Journal of Mechanical Strength2023,45(5):1152-1158DOI :10.16579/j.issn.1001.9669.2023.05.019∗20220215收到初稿,20220311收到修改稿㊂长沙市自然科学基金资助项目(kq2208085),广西科技重大专项(桂科AA19254021),国家自然科学基金项目(51765005)资助㊂∗∗蔡敢为,男,1961年生,湖南湘潭人,汉族,湖南三一工业职业技术学院工程机械学院教授,博士,博士研究生导师,主要研究方向为机械动力学,机构学㊂∗∗∗王㊀芬,女,1997年生,山西晋中人,汉族,广西大学机械工程学院硕士,主要研究方向为机械动力学㊁机构学㊂自动挖掘机的挖掘阻力函数研究∗RESEARCH ON EXCAVATION RESISTANCE FUNCTIONOF AUTOMATIC EXCAVATOR蔡敢为∗∗1,2,3㊀王㊀芬∗∗∗3㊀田军伟3㊀齐㊀港3(1.湖南三一工业职业技术学院工程机械学院,长沙410100)(2.河池学院人工智能制造学院,宜州546300)(3.广西大学机械工程学院,南宁530000)CAI GanWei 1,2,3㊀WANG Fen 3㊀TIAN JunWei 3㊀QI Gang 3(1.School of Construction Machinery ,Hunan Sany Polytechnic College ,Changsha 410100,China )(2.School of Artificial Intelligence and Manufacturing ,Hechi College ,Yizhou 546300,China )(3.School of Mechanical Engineering ,Guangxi University ,Nanning 530004,China )摘要㊀对挖掘机的挖掘阻力函数研究是实现自动挖掘的关键步骤,基于经典土壤-铲斗模型提出一种自动挖掘机的挖掘阻力模型,给出了自动挖掘切入㊁切削㊁切出三阶段全过程的挖掘阻力函数表达式及各项系数的详细计算过程㊂对现行铲斗形状模型做了适当修改,使其更符合实际形状㊂以某条挖掘轨迹和淤泥质黏土为例,计算得到该工况下的理论挖掘阻力变化曲线,与利用Ls-Prepost 软件仿真得到的结果相对比,二者形态相近,最大误差小于10.2%,表明该阻力模型适合作为挖掘机动态性能分析的激励函数,对自动挖掘机的动态性能研究具有较好的参考价值㊂关键词㊀自动挖掘机㊀挖掘阻力函数㊀振动激励函数㊀挖掘机振动中图分类号㊀TU621㊀㊀Abstract ㊀The research on the excavation resistance function of excavator is the key step to realize automatic excavation.Based on the classical soil-bucket model,a digging resistance model of automatic excavator is proposed.The expression of theexcavation resistance function for the whole automatic excavation process of three stages of penetration,cutting and loading andthe detailed calculation process of its coefficients are given.The existing bucket shape model is modified to make it more in line with the actual shape.Taking a certain excavation track and silty clay as examples,the theoretical excavation resistance curveunder this working condition is calculated and compared with the results obtained by Ls-Prepost software simulation.The shape of the two curves is similar,and the maximum error is less than 10.2%,the results show that the resistance model can be used as the excitation function of excavator dynamic performance analysis.It has a good reference value to the dynamic performanceresearch of automatic excavator.Key words ㊀Automatic excavator ;Excavation resistance function ;Vibration excitation function ;ExcavatorvibrationCorresponding author :CAI GanWei ,E-mail :caigaiwei @ ,Fax :+86-731-85251008The project supported by the Changsha Natural Science Foundation(No.kq2208085),the Guangxi Science and TechnologyMajor Project(No.GuiKe AA19254021),and the National Natural Science Foundation of China(No.51765005).Manuscript received 20220215,in revised form 20220311.0㊀引言㊀㊀挖掘机自动挖掘功能可以减少操作员的工作量和降低对操作员技能的依赖,提高机器的利用率和产量,特别是能够实现函数曲面挖掘等特殊挖掘要求㊂随着工程机械电动化趋势,目前挖掘机自动挖掘功能的研究已成国内外工程机械领域的研究热点㊂BRADLEY D A 等[1]对自动挖掘机的运动学和实时控制策略方面㊀第45卷第5期蔡敢为等:自动挖掘机的挖掘阻力函数研究1153㊀㊀的发展现状进行了阐述㊂FUJINO K等[2]以液压挖掘机的姿态和移动方向为参数,得出了自动控制技术在实际现场处理各种现象时所需要的数据㊂KURINOV I 等[3]结合多体方法和近端策略优化以及协方差矩阵自适应算法来模拟自动挖掘机,使其能在给定时间内有效装载铲斗,同时避免与地面发生碰撞㊂JUD D 等[4]提出挖掘机完全自动化的硬件扩展,使其在地图上进行环境无碰撞轨迹规划,并且轨迹精度较高㊂乔建强等[5]基于复杂料堆提出挖掘机的自主作业规划,利用雷达点云信息实现了连续高效的自动挖掘任务㊂挖掘阻力是挖掘机的工作负载,是挖掘机强度分析㊁振动分析㊁驱动控制㊁疲劳分析㊁稳定性分析等研究的基础,国内外许多学者对其展开了大量研究㊂LUENGO O等[6]基于经典土方运动方程提出了一种新的挖掘阻力模型,在倾斜土壤面条件下,考虑土壤的重力㊁黏聚力以及超载部分对铲斗的作用力㊂ZHAO Y等[7]11197-11207将自动挖掘的挖掘过程分为切入阶段㊁切削阶段以及切出阶段,更贴合实际情况,其改进的挖掘力模型,将土壤性质考虑到挖掘阻力系数中,但仍然只考虑了切削阶段的挖掘力㊂KIM Y B等[8-9]基于改进的基本土方方程(Fundamental Equation of Earthmoving Mechanics,FEE),额外考虑铲斗切削速度,但表达式中参数需要实验测定,不具有通用性㊂陈进等[10]将挖掘机工作装置实测的相对角度和液压缸推力作为自变量,将挖掘阻力作为未知量进行数学建模,但该模型仅适用于某种工况下的正铲液压挖掘机㊂童乐[11]通过Ls-Prepost软件对某条挖掘轨迹对应的挖掘阻力进行仿真,并将软件计算的油缸推力与实验所测的油缸推力进行对比,验证了仿真得到的挖掘阻力的正确性㊂孙伟等[12]考虑挖掘速度㊁物料重力㊁铲斗与物料之间的摩擦力以及铲斗两侧物料挖掘阻力的影响,基于McKyes机-土静力平衡方程提出了智能正铲的挖掘阻力模型㊂周宏兵等[13]应用Adams对液压挖掘机全挖掘过程挖掘力进行了仿真和分析㊂综上所述,国内外学者所提的挖掘阻力模型大多数以实验数据验证仿真结果或用仿真软件计算挖掘阻力,并且主要考虑切削阶段[7]11197-11207,而自动挖掘的挖掘过程分为切入阶段㊁切削阶段以及切出阶段,切削阶段模型不完全适用于自动挖掘的整个挖掘过程,并且应用软件对挖掘力进行仿真分析,不能获得函数形式的挖掘力模型㊂分析挖掘机振动响应等参数的时候,需要作为激励的挖掘阻力函数,描述挖掘全过程的函数形式的挖掘阻力模型是研究挖掘机自动挖掘过程的动态性能等的迫切需求㊂本文综合考虑土壤重力㊁土壤之间的黏聚力㊁土壤与铲斗之间摩擦力以及超载部分的重力等对铲斗的作用,建立整个挖掘过程的挖掘阻力函数模型,为自动挖掘机动态性能研究提供参考㊂1　经典土壤铲斗模型㊀㊀经典土壤铲斗模型是由REECE A R[14]提出的一种模拟土壤切削过程的数学模型,FEE是该模型用来计算切削过程挖掘阻力的公式,目前国内外研究多数基于此公式进行改进㊂经典土壤铲斗模型假设在铲斗切削土壤过程中,土壤楔形块沿破坏面进行移动,如图1所示㊂图1㊀经典土壤铲斗模型Fig.1㊀Classic soil bucket model图1中,W为可移动楔形块土壤的重力;Q为超载部分(堆积在地平面以上的土壤)的重力;L t为铲斗长度;L f为土壤破坏面(楔形土壤发生移动的平面)长度;c a为土壤与铲斗之间的黏附力系数;c为土壤之间的内聚力系数;d为挖掘深度(铲斗齿尖在地平面以下的深度);R为土壤阻止楔形土壤移动的力;ϕ为土壤的内摩擦角;β为地平面与土壤破坏面之间的夹角;ρ为地平面与铲斗的夹角;F为铲斗作用于土壤的挖掘力;δ为F与铲斗法向方向的夹角㊂将图1的经典土壤铲斗模型进行静力平衡分析,即Fx=F sin(ρ+δ)+caL t cosρ-㊀㊀R sin(β+ϕ)-cL f cosβ=0Fy=-F cos(ρ+δ)+caL t sinρ-㊀㊀R cos(β+ϕ)+cL f sinβ+W+Q=0ìîíïïïïïï(1)㊀㊀求解式(1),可得挖掘力F的表达式为F={W+Q+cd[1+cotβcot(β+ϕ)]+c a d[1-cotρcot(β+ϕ)]}/[cos(ρ+δ)+sin(ρ+ϕ)cot(β+ϕ)](2) FEE忽略土壤与铲斗之间黏附力的相关项㊂令Nγ㊁N c㊁N q分别为Nγ=cotρ+cotβ2[cos(ρ+δ)+sin(ρ+δ)cot(β+ϕ)]N c=1+cotβcot(β+ϕ)cos(ρ+δ)+sin(ρ+δ)cot(β+ϕ)N q=1cos(ρ+δ)+sin(ρ+δ)cot(β+ϕ)ìîíïïïïïïïï(3)㊀㊀则FEE的表达式可写为㊀1154㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀F r =F w +F c +F qF w =γgd 2wN γF c =cdwN cF q =QN qìîíïïïïïï(4)式中,F r 为土壤作用于铲斗的挖掘阻力,其大小与挖掘力F 相同;F w 为楔形块的重力作用于铲斗的力;F c 为土壤之间的内聚力作用于铲斗的力;F q 为超载部分的重力作用于铲斗的力;γ为土壤密度;g 为重力加速度;w 为铲斗宽度㊂2㊀新土壤铲斗模型2.1㊀挖掘全过程分析㊀㊀经典挖掘阻力模型仅考虑了切削阶段的阻力计算,没有包括切入阶段和切出阶段的阻力计算,但自动挖掘机的动态性能研究需要挖掘全过程的挖掘阻力函数,因此本文基于经典土壤铲斗模型提出一种新土壤铲斗模型㊂由于挖掘全过程中不同阶段土壤作用于铲斗的力不同[7]11197-11207,新土壤铲斗模型将分别对挖掘全过程的三个阶段(切入㊁切削及切出阶段)进行分析㊂由于本文以反铲液压挖掘机为模型,结合其工作装置模型方向,因此挖掘全过程如图2所示㊂其中,切入阶段指铲斗以某一角度接触土壤并进入土壤一定深度的过程;切削阶段指土壤被切削并装入铲斗的过程;切出阶段指铲斗被提升的过程,此阶段铲斗装满土壤后从土壤中运动至地平面以上[7]11197-11207㊂图2㊀挖掘全过程示意图Fig.2㊀Schematic diagram of the whole excavation process2.2㊀挖掘深度及相关参数计算㊀㊀由于经典土壤-铲斗模型仅将刀刃作为平板考虑,而自动挖掘过程中的挖掘阻力需要根据铲斗形状建立更准确的土壤铲斗模型,因此本文对挖掘机工作装置及铲斗部分进行建模,如图3所示㊂由图3可知,h 为挖掘机动臂转动中心(A 点)距离地平面(x 轴)的高度;令z J 为轨迹点(铲斗齿尖)在绝对坐标系(O-xz )下的纵坐标,则z J 可以写为z J =L AB sin θ1+L BG sin θ2+L GJ sin θ3+h(5)式中,θ1㊁θ2㊁θ3分别为动臂㊁斗杆㊁铲斗关节转角函数㊂L AB ㊁L BG ㊁L GJ 分别为动臂㊁斗杆㊁铲斗的杆长㊂因此挖掘深度d 可以表示为d =-z J(6)图3㊀挖掘机工作装置及铲斗部分模型Fig.3㊀Working device and bucket model of excavator㊀㊀图3中,α为铲斗杆与水平面之间的夹角,其值为α=-(θ1+θ2+θ3)(7)则地面与铲斗刀刃之间的夹角ρ可以写为ρ=π-α-øGJJ 1(8)式中,øGJJ 1为铲斗角,该值由挖掘机铲斗型号决定㊂2.3㊀挖掘全过程土壤铲斗模型2.3.1㊀切入阶段㊀㊀考虑切入阶段铲斗的受力情况,当铲斗未进入土壤一定深度之前,不会受到土壤超载力的作用㊂当铲斗进入土壤一定深度之后,则需要计入超载力部分的作用㊂基于以上条件,切入阶段的挖掘阻力模型如图4所示㊂图4㊀切入阶段挖掘阻力模型图Fig.4㊀Excavation resistance model diagram at the penetration stage由图4可知,当J 1点未进入土壤时,可移动土壤的重力为楔形土壤S 1JS 2的重力W ;当J 1点进入土壤后,可移动土壤的重力为楔形土壤J 2JS 2的重力W 与铲斗底部土壤J 1JJ 2的重力W 1之和;当铲斗进入土壤一定深度后,则需要考虑超载力部分的作用㊂由此得到切入阶段的挖掘阻力F pene [式(9)]㊂该式相比FEE,不仅增加了N ca 系数相关项(表征土壤与铲斗之间的黏附力),并且考虑了铲斗形状,将W 1计入其中㊂㊀第45卷第5期蔡敢为等:自动挖掘机的挖掘阻力函数研究1155㊀㊀F pene=(γgd 2N γ+cdN c +c a dN ca )w ㊀㊀d /sin ρ<L JJ 1(γgd 2N γ1+cdN c1+c a dN ca )w +2W 1N γ1(cot ρ1+cot β)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀L JJ 1ɤd /sin ρ<ηL QJ(γgd 2N γ1+cdN c1+qdN q1+c a dN ca )w +㊀㊀2W 1N γ1(cot ρ1+cot β)㊀㊀㊀㊀ηL QJ ɤd /sin ρìîíïïïïïïïïïï(9)式中,L JJ 1㊁L GJ 分别为J ㊁J 1点之间距离以及G 点㊁J 点之间距离;q 为土壤超载力的均布力;η为描述铲斗进入土壤深度的比例系数;N γ1㊁N c1㊁N q1㊁N ca 分别为Nγ1=cot ρ1+cot β2[cos(ρ1+δ)+sin(ρ1+δ)cot(β+ϕ)]N c1=1+cot βcot(β+ϕ)cos(ρ1+δ)+sin(ρ1+δ)cot(β+ϕ)N q1=cot ρ1+cot βcos(ρ1+δ)+sin(ρ1+δ)cot(β+ϕ)N ca =1-cot βcot(β+ϕ)cos(ρ1+δ)+sin(ρ1+δ)cot(β+ϕ)ìîíïïïïïïïïïïïï(10)㊀㊀为得到铲斗底部土壤J 1JJ 2的重力W 1,如图5所示,假设铲斗轮廓J 1J 2为一圆弧,且与JJ 1线段相切,则W 1可以写为W 1=12JJ 2JJ 1sin(ρ1-ρ)+θC 2R 2C -12R 2C sin θC(11)㊀㊀图5中,C 为圆弧J 1J 2所在圆的圆心;θC 为øJ 2CJ 1;JJ 1与JJ 2分别为线段与的长度;ρ1为圆弧JJ 2所在圆的半径;ρ1为JJ 2与地平面夹角㊂R C ㊁ρ1可分别由式(12)㊁式(13)计算得出:R 2C=(x C -x G )2+(y C -y G )2(12)ρ1=arctanx J 2d(13)其中,x C =k J x J 1-k M x M -y J 1+y M k J -k M y C =k J k M (x J 1-x M )-k M y J 1+k J y Mk J -k M ,ìîíïïïïïïk J =-cot ρ,k M =-x J 1-x Gy J 1-y G,x M =x J 1+x G 2y M =y J 1+y G2ìîíïïïïïï,㊀㊀x G =-L GJ cos αy G =-L GJ sin α{,x J 2=R 2C-(d -y C )2+x C 图5㊀W 1部分土壤面积计算示意图Fig.5㊀Diagram of calculation of soil area in part W 1㊀㊀为得到土壤超载力的均布力q ,需要对超载部分建立模型,假设在挖掘过程中,铲斗刀刃经过的所有土壤的重力为超载力,且均匀分布在楔形土块以上,如图6所示㊂图6㊀超载部分计算模型Fig.6㊀Calculation model of overload part图6中,B 0为某一时刻(t =t 0)堆积在地平面上的土壤横截面面积;B t 为该时刻经过一段时间后(t =t f ),堆积在地平面上的土壤横截面面积;d 0㊁d t 分别为t 0时刻与t f 时刻铲斗进入土壤的深度;ρ0㊁ρt 分别为t 0时刻与t f 时刻铲斗刀刃与地平面夹角㊂则由前文假设可以得到B t =B 0+S 1+S 3-S 2(14)式中,S 1㊁S 2㊁S 3分别为әJ 0J 3J 20㊁әJ 0t J 3t J 2t ㊁曲边梯形J 0J 0t J 3t J 3的面积,其值分别为S 1=12d 20cot ρS 2=12d 2t cot ρt S 3=ʏt f t 0d (t )d t ìîíïïïïïïïï则超载部分的重力Q 及均布力q 可以写为Q =B t wγg q =B t γg dN q 1ìîíïïïï(15)2.3.2㊀切削阶段㊀㊀考虑切削阶段铲斗的受力情况,铲斗在运动过程中始终受到超载力作用,并且比FEE 多考虑W 1相关项,但此过程不考虑c a 相关项,因此切削阶段的挖掘㊀1156㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀阻力F cut 如式(16)所示,式中相关变量的计算方法与前文计算方法相同㊂F cut =(γgd 2N γ1+cdN c1+qdN q1)w +2W 1N γ1(cot ρ1+cot β)(16)2.3.3㊀切出阶段㊀㊀考虑切出部分铲斗的受力情况,将切出过程中分为两个阶段来考虑,如图7所示㊂当铲斗刀刃与土壤面夹角未超过90ʎ时,可移动土壤的重力需要额外增加超过地平面的斗内土壤GJ 2G 1的重力W 2;当铲斗刀刃与土壤面夹角超过90ʎ时,可移动土壤的重力需再增加斗内土壤GJJ 2的重力W 3,同时会受到土壤作用于刀刃的支持力R 1,并且铲斗将不受到超载部分土壤及土壤黏聚力的影响㊂图7㊀切出阶段挖掘阻力模型图Fig.7㊀Excavation resistance model diagram at the loading stage当ρɤπ/2时,W 1沿用前文的计算公式,而W 1+W 2可通过式(17)计算,即W 1+W 2=[V s -12d 2(cot α+cot ρ1)w ]γg (17)式中,V s 为铲斗容积㊂当ρȡπ/2时,静力平衡方程为-F drag cos(32π-ρ-δ)+R 1cos(-π2-φ+ρ)=0F dragsin(32π-ρ-δ)+R 1sin(-π2-φ+ρ)-㊀㊀(W 1+W 2+W 3)=0ìîíïïïïïï(18)㊀㊀由于几何关系,可以求得W 1+W 2+W 3,如式(19)所示:W 1+W 2+W 3=V s γg(19)因此得到切出阶段挖掘阻力F drag 为F drag=(γgd 2N γ1+cdN c1+qdN q1)w +㊀㊀[2V s -d 2(cot α+cot ρ1)w ]γgN γ1(cot ρ1+cot β)㊀ρɤπ/2V s γg sin(ρ+δ)cot(ρ-φ)-cos(ρ+δ)㊀㊀㊀ρ>π/2ìîíïïïïïï(20)3㊀算例分析3.1㊀挖掘路径及关节转角函数㊀㊀以某自动液压挖掘机为例,其基本尺寸参数为动臂长度L AB =6.33m,斗杆长度L BG =3.21m,铲斗长度L GJ =1.71m,铲斗宽度w =1.3m,铲斗角øGJG 1=55.58ʎ㊂以挖掘基坑的某条挖掘路径为例[15-17],如图8所示㊂从中选取4个路径点(单位:m),分别为P 1(8.8,-3)㊁P 2(8.3,-4.5)㊁P 3(5.3,-4.5)㊁P 4(4.8,-3),P 1点至P 2点属于切入阶段,P 2点至P 3点属于切削阶段,P 3点至P 4点属于切出阶段,三个阶段之间的时间间隔分别为10s㊁25s㊁15s,采用三次多项式规划关节角度函数㊂动臂关节㊁斗杆关节㊁铲斗关节的关节转角函数分别为θ11=0.0255t 3-0.3825t 2-4.3388θ12=-0.0204t 3+0.3062t 2-54.1147θ13=0.0001t 3-0.0009t 2-23.9692ìîíïïïïθ21=-0.0004t 3+0.0141t 2-17.09θ22=0.0042t 3-0.1581t 2-43.9080θ23=0.0005t 3-0.0188t 2-23.9998ìîíïïïïθ31=-0.0042t 3+0.0937t 2-14.156θ32=0.0037t 3-0.0830t 2-76.849θ33=0.0208t 3-0.4677t 2-27.911ìîíïïïï式中,θij 为第i 个关节的第j 段轨迹表达式㊂图8㊀挖掘路径图Fig.8㊀Excavation track diagram3.2㊀理论挖掘阻力计算㊀㊀以淤泥质黏土为介质,淤泥质黏土的参数为凝聚力系数c =15.5kPa;内摩擦角ϕ=13.9ʎ;土壤密度γ=17.37kN /m 3;地面与破坏面之间的夹角β及挖掘力F 与铲斗刀刃法向方向的夹角为δ,可由文献[7]11197-11207得出,如式(21)所示:β=45ʎ+ϕ2ʈ52ʎδ=972.8K 4d -2152K 3d +1629K 2d -479.6K d +68.2ʈ28.86ʎìîíïïïïïï(21)㊀第45卷第5期蔡敢为等:自动挖掘机的挖掘阻力函数研究1157㊀㊀式中,K d =0.94㊂㊀㊀结合上文所提各关节轨迹函数表达式㊁土壤参数以及挖掘全过程三个阶段的挖掘阻力表达式,对挖掘阻力进行求解,得到挖掘过程中的理论挖掘阻力图,如图9所示㊂图9㊀挖掘阻力理论求解图Fig.9㊀Excavation resistance theory solution diagram3.3㊀仿真挖掘阻力计算㊀㊀基于Hypermesh 和Ls-Dyna 软件对铲斗挖掘土壤的全过程进行动力学仿真[18],其流程图如图10所示㊂图10㊀仿真过程流程图Fig.10㊀Flow chart of simulation process在Ls-Dyna 求解结束后,利用Ls-Prepost 运行D3PLOT 进行后处理,如图11所示㊂根据仿真结果对挖掘阻力分析,理论挖掘阻力与仿真挖掘阻力的对比图,如图12所示㊂从图12可知,本文所提公式计算的阻力曲线与仿真阻力曲线非常相似,并且最大误差不超过10.2%,说明本文所提公式图11㊀挖掘阻力仿真过程Fig.11㊀Excavation resistance simulation process可望较好地应用于工程实际㊂图12㊀挖掘阻力理论与仿真对比图Fig.12㊀Comparison between excavation resistance theory and simulation4㊀结论㊀㊀挖掘阻力是影响挖掘机动态响应的重要激励,本文建立了自动挖掘机整个挖掘过程的挖掘阻力函数,为其动态性能分析㊁研究提供了基础㊂基于经典土壤铲斗模型提出了一种考虑挖掘全过程的自动挖掘机的动态挖掘阻力模型,即考虑切入阶段㊁切削阶段及切出阶段三个阶段㊂根据铲斗在不同阶段的受力情况,给出包括挖掘全过程三个阶段的挖掘阻力函数表达式以及相应各项系数的详细求解步骤㊂另外,对经典模型中的铲斗模型也进行了修正,以铲斗实际形状为依据建立新的铲斗模型㊂以某种工况下的某反铲液压挖掘机的一条预期挖掘轨迹和淤泥质土壤为例,分别通过理论计算及Hypermesh /Ls-Prepost 软件仿真得到理论挖掘阻力曲线及仿真挖掘阻力曲线㊂经过比较,二者形态非常吻合,且最大误差不超过10.2%,表明本文建立的挖掘全过程阻力函数模型可应用于自动挖掘机动态响应分析等实际工作工况,并且在工程实际中,可以通过增加相应的系数将误差进一步减少㊂本文工作为自动挖掘机的动态性能研究提供了较好的参考㊂参考文献(References )[1]㊀BRADLEY D A,SEWARD D W.The development,control andoperation of an autonomous robotic excavator [J ].Journal ofIntelligent and Robotic Systems,1998(21):73-97.[2]㊀FUJINO K,MOTEKI M,NISHIYAMA A,et al.Towards㊀1158㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀autonomous excavation by hydraulic excavator-measurement andconsideration on bucket posture and body stress in digging works[C].2013IEEE Workshop on Advanced Robotics and its SocialImpacts,2013:231-236.[3]㊀KURINOV I,OREZCHQWSKI G,HÄMÄLÄINEN P,et al.Automated excavator based on reinforcement learning and multibodysystem dynamics[J].IEEE Access,2020(8):213998-214006.[4]㊀JUD D,LEEMANN P,KERSCHER S,et al.Autonomous free-formtrenching using a walking excavator[J].IEEE Robotics andAutomation Letters,2019(4):3208-3215.[5]㊀乔建强,王㊀鑫,李㊀光,等.基于环境点云的矿用挖掘机器人自主作业规划[J].机械工程师,2020(9):77-79.QIAO JianQiang,WANG Xin,LI 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设计计算DESIGN & CALCULATION挖掘机工作装置运动和疲劳强度分析武慧杰1，杨建伟1，张志强2（1. 北京建筑大学 机电与车辆学院，北京 100044；2. 中交路桥北方工程有限公司，北京 100024）［摘要］针对挖掘机工作装置的疲劳损伤，利用Pro/E 及ANSYS 进行三维建模及有限元分析。

通过Pro/E 平台中的机构模块分析工作装置的极限位姿以及运动参数，然后利用工作装置位姿转换，基于力矩平衡关系，对斗杆挖掘和铲斗挖掘工况下的铰点进行受力分析，获取工作装置各铰点的最大载荷。

在此基础上，利用ANSYS 疲劳强度分析得出挖掘机最小疲劳全寿命。

研究结果可为挖掘机工作装置结构设计提供理论参考。

［关键词］挖掘机；运动分析；疲劳强度；全寿命［中图分类号］TU621 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X （2015）06-0089-05Kinematics and fatigue strength analysis of excavator working deviceWU Hui -jie ，YANG Jian -wei ，ZHANG Zhi -qiang本文在Pro/E 软件中对挖掘机整机进行实体三维建模，并运用Pro/E 的机构运动分析模块对挖掘机工作装置的包络图及铲斗齿尖的位移、速度和加速度进行仿真模拟。

然后基于ANSYS 软件，结合工作装置位姿关系计算工作装置各铰点承受的最大载荷，在此基础上对挖掘机动臂、斗杆进行应力和全寿命分析，得到挖掘机工作强度和使用寿命的校核结果，为挖掘机工作装置强度和可靠性分析提供了高效的解决办法。

１ 挖掘机三维建模与虚拟仿真1.1 工作装置原理与结构液压挖掘机的作业过程包括铲土挖掘、满载回转、举升卸载、空斗返回等，其中反铲作业设备是液压挖掘机的主要工作装置［1］，由动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸、连杆等组成，其结构如图1所示。

工程机械故障诊断的新技术和方法【摘要】工程机械故障诊断是工程机械维护领域的重要环节，而随着科技的不断进步，新技术和方法的应用也在逐渐改变着这一领域。

本文将介绍传感器技术、人工智能、数据分析技术、机器学习以及无人机和遥感技术在工程机械故障诊断中的应用。

这些新技术的引入为工程机械故障诊断提供了更精准、更快速的诊断手段，有助于提高工程机械设备的可靠性和安全性。

在文章探讨了工程机械故障诊断新技术和方法的发展前景、重要性以及工程机械行业应用新技术的必要性。

新技术的不断创新与应用将推动工程机械故障诊断领域取得更大的发展，为工程机械行业的发展提供更为可靠的支持。

【关键词】工程机械、故障诊断、新技术、传感器技术、人工智能、数据分析技术、机器学习、无人机、遥感技术、发展前景、重要性、必要性1. 引言1.1 工程机械故障诊断的新技术和方法工程机械故障诊断是工程机械维修领域中至关重要的一环。

随着科技的不断进步，新技术和方法的出现为工程机械故障诊断带来了革命性的变化。

这些新技术的应用不仅提高了故障诊断的效率和准确性，还为工程机械维修提供了更多可能性。

工程机械故障诊断的新技术和方法包括传感器技术、人工智能、数据分析技术、机器学习、无人机和遥感技术等。

通过这些新技术的应用，工程机械的故障可以更快速地被检测出来，同时能够预测潜在故障的发生，提前进行维修和保养，从而减少停机时间和维修成本。

在本文中，我们将深入探讨以上提到的新技术在工程机械故障诊断中的具体应用，分析其优势和挑战，并展望未来工程机械故障诊断新技术和方法的发展前景。

工程机械故障诊断的新技术和方法对于工程机械行业的发展具有重要意义，需要引起相关领域的重视和应用。

的研究和应用将为工程机械行业的发展注入新的活力和动力。

2. 正文2.1 传感器技术在工程机械故障诊断中的应用随着科技的不断发展，传感器技术在工程机械领域的应用越来越广泛。

传感器是一种可以感知、测量和记录各种物理量或化学量的设备，通过将传感器安装在机械设备上，可以实时监测设备的运行状态和性能参数，有助于及时发现可能存在的故障，并进行有效的诊断和预测。

工程机械故障诊断的新技术和方法【摘要】工程机械故障诊断是保障工程施工效率和质量的重要环节。

现有技术和方法在诊断过程中存在一定的局限性，无法满足工程机械复杂故障的快速准确诊断需求。

为此，基于人工智能的故障诊断技术、传感器技术、大数据分析、机器学习算法和虚拟现实技术等新技术逐渐应用于工程机械故障诊断中，取得了显著的成效。

这些新技术的引入不仅提高了故障诊断的准确性和效率，还为工程施工提供了更好的保障。

工程机械故障诊断新技术和方法的持续发展面临着一些挑战，例如数据隐私保护和算法性能优化等问题。

未来，应加强技术研发和标准制定，促进工程机械故障诊断新技术的创新和应用，以推动领域的进一步发展。

【关键词】工程机械、故障诊断、人工智能、传感器技术、大数据分析、机器学习算法、虚拟现实技术、新技术、新方法、影响、发展方向、挑战。

1. 引言1.1 工程机械故障诊断的重要性工程机械在各个行业中扮演着至关重要的角色，其稳定运行和高效性能直接影响着生产效率和成本控制。

由于使用环境的恶劣条件以及长时间工作的特性，工程机械容易出现各种故障。

及时而准确地诊断和解决故障，对于保障工程机械的正常运行至关重要。

工程机械故障的发生会导致生产中断、设备损坏、甚至人员伤亡，给企业带来不可估量的损失。

对工程机械进行及时的故障诊断，可以有效地减少生产停滞时间，降低维修成本，提高设备利用率，提高企业的生产效率和竞争力。

随着工程机械设备的不断更新和发展，现有的故障诊断技术和方法已经难以满足快速、准确、智能的需求。

研究和应用新技术和方法，提高工程机械故障诊断的效率和准确性，对于保障工程机械的稳定性和可靠性具有重要的意义。

1.2 现有技术和方法的局限性目前工程机械故障诊断领域存在一些局限性，主要表现在以下几个方面：1. 传统的故障诊断方法依赖于专业技术人员的经验和直觉，缺乏客观性和标准化。

这样的方法容易受到个人主观因素的影响，导致诊断结果不够准确和可靠。

PUMA机器人逆运动学求解新方法
董明晓;周以齐;张明勤
【期刊名称】《组合机床与自动化加工技术》
【年(卷),期】2000(000)010
【摘要】本文分析了ＰＵＭＡ机器人位置结构和姿态结构的特点，根据末端执行器位置矢量和姿态转换矩阵，在考虑臂形标志的基础上建立逆运动学算法，在ＭＡＴＬＡＢ５．３上建立仿真实验系统，验证该算法的有效性。

【总页数】1页(P19)
【作者】董明晓;周以齐;张明勤
【作者单位】山东建筑工程学院机械系;山东工业大学机械学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.PUMA机器人逆运动学分析
2.RBF网络在PUMA560机器人运动学逆解中的应用
3.PUMA机器人运动学逆解新算法
4.PUMA560型机器人逆运动学问题的解析解
5.差分粒子群算法在PUMA机器人逆运动学求解中的应用
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液压挖掘机是一种土石方施工机械，广泛应用于工程建设领域当中，并发挥着重要作用。

为了促进挖掘机朝着智能化方向发展，提升其自动化挖掘能力，应该对液压挖掘机运动轨迹进行科学规划。

国内外众多学者针对插值函数提出各种轨迹规划方法，在液压挖掘机运动学分析领域，包括杆组分析、适量代数和作图法等方法。

1　液压挖掘机工作装置运动学分析1.1　正运动学液压挖掘机相关机械装置具体包括四种自由度，为此需要在思维空间内展现出来，按照所选择的变量描述可划分成以下几个部分。

第一，由三组液压缸长度和回转马达夹角所构成的驱动结构空间；第二，由斗杆和铲斗两者夹角、动臂和斗杆夹角、回转平台和动臂夹角以及底座和回转平台夹角等部分形成关节空间；第三，由基础坐标系中的铲斗夹角状态和铲斗齿尖所形成的位姿空间。

创建液压挖掘机设备装置的运动学坐标系，随后根据相应的机器人坐标学原理能够了解到，空间坐标系中的任意一个向量都可以利用齐次转换矩阵转移至其他坐标系中，把转换矩阵与连杆坐标系进行相乘，能够获得铲斗齿尖坐标系。

根据液压挖掘机各种运行参数，能够计算出基础坐标系中的铲斗齿尖位置，从关节向量空间朝着铲斗位姿空间实施正向转化。

在抛除液压挖掘机实施回转运动条件下，绘制出液压挖掘机装置包络图，从理论上讲，铲斗齿尖理论能够囊括包络图限制范围内各个边界区域。

液压挖掘机相关正向运动即通过机械臂连杆参数对执行器末端位姿进行准确计算，建立D —H 坐标系。

挖掘机的铲斗齿尖是执行器末端，通过对变换矩阵进行研究发现，只有铲斗、斗杆和动臂之间转角关节为未知。

利用图形界面通过D —H 法绘制液压挖掘机运行软件，导出为单独运行软件。

将液压挖掘机装置连杆长度、机械臂动臂长度和简化后的机械臂斗杆长度输入软件当中，点击函数运算，便可以由软件主界面直接转移到函数绘制模块。

把液压挖掘机执行器末端位姿代表公式输入绘制界面中的CALLBACK 函数内，并对其他按钮函数进行科学设置，参考现有挖掘机参数测试软件性能，将现实状况和软件形成的液压挖掘机运行区域进行比较分析可以发现，软件绘制出来的挖掘机工作区域较为准确。

工程机械故障诊断的新技术和方法工程机械在工程施工和物流运输领域起着至关重要的作用，然而由于长期使用和环境影响，工程机械故障诊断一直是一个重要的问题。

传统的故障诊断方法存在着时间成本高、专业人才需求大、误差率高等问题，为了解决这些问题，新的技术和方法正在不断涌现。

本文将就工程机械故障诊断的新技术和方法进行探讨，并对其在实际应用中的意义进行分析。

一、机器学习技术机器学习技术是近年来发展迅猛的一种技术，其核心思想是利用数据来训练模型，从而实现对未知数据的预测或分类。

在工程机械故障诊断中，机器学习技术可以通过对大量的故障数据进行分析和学习，从而实现对未知故障的快速准确诊断。

利用机器学习技术进行故障数据的分析和挖掘，可以发现一些潜在的故障模式和规律，从而实现对故障的提前预警和预测。

机器学习模型可以对工程机械进行实时监测和分析，一旦出现异常情况即可及时发出警报，从而及时进行故障处理，避免损失扩大。

机器学习技术还可以通过建立大型故障数据库，实现对故障数据的智能识别和分类，为工程机械故障诊断提供精准的参考和指导。

二、物联网技术物联网技术是将各种物理设备通过网络连接起来，实现数据的实时采集和传输。

在工程机械故障诊断中，物联网技术可以实现对工程机械的远程监测和数据采集，从而实现对工程机械状态的实时监控和分析。

三、智能诊断系统智能诊断系统是一种集成了人工智能、大数据、物联网等多种技术于一体的综合系统，其核心目的是实现对工程机械故障的智能化诊断和处理。

智能诊断系统可以通过对工程机械的大量数据进行分析和学习，建立起一套完整的故障诊断知识库，并实现对工程机械故障的自动判断和诊断。

四、虚拟现实技术虚拟现实技术可以通过建立一个虚拟的工程机械工作环境，模拟各种实际工作场景和故障情况，为工程机械的故障诊断和维修提供更加直观和真实的体验。

利用虚拟现实技术可以模拟出各种故障情况下的声音、振动等特征，为故障诊断提供更加直观的辅助手段；虚拟现实技术还可以结合物联网技术，实现对工程机械的远程虚拟操作，从而为故障诊断和处理提供更加便捷的方式。

第卷第期教学研究年月引言“机械工程控制基础”是世纪年代初兴起的一套控制理论，是经典控制理论在机械工程领域中的应用，现在已经发展成为机械工程专业的一门专业基础必修课。

在这门课程的教学之初，注重的是理论教学，强调课程体系的系统性和逻辑性，教学形式是以课堂授课为主，教学内容以介绍基本概念和基本原理为主，这使学生初步领悟到控制论的深奥，也领会到控制论的缜密性、逻辑性和系统性。

但是，由于学生的数理基础和机械工程专业背景有限，普遍感觉课程内容抽象，而且理论性太强，在有限的时间内让学生接受这些理论和方法，往往感觉力不从心。

在教学过程中不断探索、不断积累经验，逐渐体会到在“机械工程控制基础”这门课程的教学过程中，首先要培养学生的逻辑思维方式，通过生活实例和典型工程案例巧妙地将课程的基本理论与工程实践有机地结合起来，将抽象的内容具体化，将无形的理论有形化，将缜密的证明过程简单化，激发学生的学习兴趣，培养学生运用控制论的思维方式解决机械工程领域的实践问题，使该课程逐渐成为广受学生欢迎的实用性较强的一门专业基础课程。

“机械工程控制基础”课程特点随着控制技术在机械行业中的广泛应用，掌握“机械工程控制基础”的基本概念、基本原理和基本方法已成为机械工程专业学生进行机电液产品设计、制造、生产管理必备的基本知识和基本技能。

该课程的主要内容包括：系统的数学建模、时域性能分析、频域性能分析、稳定性分析、性能校正及其控制系统设计。

“机械工程控制基础”课程具有理论性强、系统性强、逻辑性强的特点，导致学生普遍感觉这门课程学习难、作业难、实践难。

要学好这门课程，对学生提出三个基本要求：较好的数理功底、一定的工程背景、较强的逻辑分析能力。

尤其是机械工程专业的学生，前期学习了机械制图、机械原理、机械设计等课程，初步培养了学生的形象思维方式，现在如何从让机器动起来的形象思维方式成功转型到只用数学公式表达机器运动的抽象思维方式，然后再将抽象的内容具体化、实践化、工程化，教学过程中应在以下个方面下功夫。