液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究课程设计

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1、综合课程设计II项目总结报告题目：液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究院（系）机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学生学号班号指导教师填报日期2013年12月5日哈尔滨工业大学机电工程学院制2013年11月说明一、总结报告应包括下列主要内容：1．项目背景分析；2．研究计划要点与执行情况；3．项目关键技术的解决；4．具体研究内容与技术实现；5．技术指标分析；6．存在的问题与建议。二、总结报告由指导教师填写意见、签字后，统一交所在院（系）保存，以备检查。指导教师评语：指导教师签字：检查日期：哈尔滨工业大学课程设计任务书姓名：院（系）：机电工程学院专业：机械设计制造及其

2、自动化班号：1008102任务起至日期：2013年11月18日至2013年12月6日课程设计题目：液压挖掘机工装轨迹控制及仿真技术研究已知技术参数和设计要求：1）结构参数名称长度(mm)行程(mm)转角范围(º)驱动件(mm)缸径(mm)活塞杆直径(mm)动臂91520090双缸5030斗杆460160120单缸5020铲斗304125165单缸50202）工作负载参数：m=800kg3）工装轨迹参数：挖掘直线4）控制系统要求：以51单片机为控制处理器5）角度传感器选择：光电编码器工作量：研究内容：依据项目要求，在三周的课程设计内，主要完成以下设计任务：1）挖掘机工

3、装轨迹控制的机、电、液一体化系统简图；2）角位移传感器的选择3）液压挖掘机工装轨的运动学分析；4）液压挖掘机液压系统的建模分析；5）控制系统的电路设计；6）控制方法的选择及分析；7）系统的整体及MATLAB仿真分析。预期成果：依据实际情况要求完成以下工作：1）画出一张控制器和其外围电路的原理图；2）系统仿真结果图3）编写一万字以上的项目总结报告一份工作计划安排：周1周2周3周4周5第1周系统简图运动学分析运动学分析液压系统液压系统第2周电路设计电路设计电路设计控制方法控制方法第3周MATLAB仿真分析答辩同组设计者及分工：指导教师签字________________

4、___年月日教研室主任意见：教研室主任签字___________________年月日目录第一章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统介绍11.1单斗液压挖掘机的机械模型简介11.2电液控制系统的组成2第二章液压挖掘机工装轨迹的运动学分析42.1运动学问题42.2运动学逆问题6第三章液压挖掘机液压系统的建模分析93.1斗杆液压缸的传递函数93.2动臂液压缸的传递函数103.3其它环节传递函数103.4斗杆系统的整体建模与仿真123.5动臂系统的整体建模与仿真14第四章控制系统的电路设计174.1角度传感器的选择174.2数据采集电路184.3D/A转换器及接口电路184.4

5、控制系统的电路原理图设计19第五章控制方法的选择及MATLAB仿真技术215.1计算机实现PID控制215.2斗杆系统PID控制仿真225.3动臂系统PID控制仿真25参考文献2943第一章挖掘机工装轨迹控制的机电液系统介绍1.1单斗液压挖掘机的机械模型简介本次课程设计的液压挖掘机是针对学校的实验室用的样机模型，其容量为0.01立方米，动臂和斗杆为四连杆机构，动臂、斗杆和铲斗均由液压缸驱动，它们之间以销轴连接。在动臂和斗杆的销轴上分别安装了角度传感器，用以检测相对位角。模型不具备回转机构，无回转功能。其结构简图如图1-1所示，其参数如表1-1所示。图1-1样机结构简

6、图名称长度(mm)行程(mm)转角范围(º)驱动件(mm)缸径(mm)活塞杆直径(mm)动臂91520090双缸5030斗杆460160120单缸5020铲斗304125165单缸5020表1-1结构参数表样机的挖掘轨迹以停机面为基准。机构运动副之间的间隙及液压马达工作时的内部泄露，会对位置精度产生影响，但由于实际作业要求，误差在允许范围之内，不会影响工作稳定性。液压挖掘机是工程机械中一种应用十分广泛的机型，在工业及民用建筑、交通运输、水利水电、军事设施建设中发挥着非常重要的作用。其工作装置运动轨迹的自动控制是研制中的一个重要课题。现有控制装置主要是连杆机构，通常只

7、能保证简单挖掘轨迹。对于任意给定，需要通过计算机系统控制实现。挖掘机在实际工作中，挖掘阶段转台不回转，静止不动，转台回转时，工作装置不挖掘，二者运动是分开的。43工作装置挖掘轨迹的控制，可归结为动臂、斗杆和铲斗三个杆件的平面控制问题，即对于任意给定的动臂、斗杆目标轨迹和铲斗方位角，可将其变换为工装三杆件的目标转角序列，由微机控制电液伺服驱动系统，使动臂、斗杆和铲斗跟踪各自的目标转角，从而实现轨迹控制。其机、电液一体化系统简图如图1-2所示。图1-2液压挖掘机机电液一体化系统简图反铲单斗液压挖掘机的液压控制系统是一种典型的位置控制系统，其可分为动臂、斗杆、铲斗三个