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1、第5卷第1期中 国 工 程 机 械 学 报Vol.5No.12007年1月CHINESEJOURNALOFCONSTRUCTIONMACHINERYJan.2007液压挖掘机工作装置的动力学分析及控制刘鹏虎,张 勇,张 强(辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新 123000)摘要:对液压挖掘机的工作装置进行三自由度的动力学分析,利用拉格朗日方法建立其动力学方程,并对挖掘机计算机控制进行了改造,绘出了PID控制的框图以及铲斗轨迹跟踪方程表达式.研究结果可以用于挖掘机工作装置的轨迹规划和运动控制.关键词:液压挖掘机;运动
2、学;拉格朗日方程;PID控制中图分类号:U415.511文献标识码:A文章编号:1672-5581(2007)01-0072-03DynamicalanalysisandcontrolformanipulatorofhydraulicexcavatorLIUPeng2hu,ZHANGYong,ZHANGQiang(CollegeofMechanicalEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)Abstract:Inthisstudy,athree
3、2degree2freedom(3DF)dynamicalanalysisisfirstconductedforthemanipula2torofahydraulicexcavator.Afterwards,adynamicalfunctionisestablishedbasedontheLagrangianequa2tion.Meanwhile,thecomputerizedcontrol,PIDcontroldiagramandscoop2pathtrackingequationareadapt2ed.Finall
4、y,thisapproachhasbeenproveneffectiveintrajectorytrackingandmotioncontrolofthemanipula2tor.Keywords:hydraulicexcavator;kinematics;Lagrangeequation;PIDcontrol 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,作为工程机械的代表产品,它在工业与民用建筑、交通运输、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用.随着工程机械机器人的研究发展,
5、液压挖掘机的自动化逐渐成为研究的重点.在局部自动化的研究中,人们对挖掘机的工作装置进行控制的研究较多.目前,国内外对挖掘机工作装置控制的研究中,一般把挖掘机工作装置作为一种平面三自由度冗余机械手来研究,控制工作装置的末端(即铲斗)以跟踪规划好的期望轨迹.[1]目前在挖掘机的控制自动化研究方面已取得了一定进展,可实现简单的自动挖掘动作,如:直线挖掘、自动卸载、紧急避障等.分析机器人操作的动态数学模型主要有两种理论:New2Euler方程和拉格朗日[2]力方程.前者对每个杆件进行受力分析,得到两组递推公式.如:Koivo等
6、采用New2Euler方程描述了挖掘机构的运动关系并建立了较完整的系统运动学方程.拉格朗日方程消除了New2Euler中复杂的内力分析,只要知道各连杆的质量、惯性张量、质心位置和旋转矩阵即可直接计算实现给定运动所需的关节驱动力和力矩,能很快得到力矩的封闭解,有助于清楚理解整个系统的行为和各个参数对动力学方程的影响程度和方式.利用拉格朗日方法求解操作臂系统的动力学方程,这不仅能以最简单的形式求得复杂的系统动收稿日期:2006-12-20作者简介:刘鹏虎(1950-),男,副教授.E2mail:zyingkexiao@ya
7、hoo.com.cn 第1期刘鹏虎,等:液压挖掘机工作装置的动力学分析及控制73力学方程,而且具有显式结构,无需求解复杂的内作用力.一般对于动力学有两种相反的问题:其一是动力学正问题,即已知关节驱动力和力矩求各关节速度和加速度;其二是逆问题,和动力学正问题的求解目的相反.本文应用拉格朗日动力学对挖掘机工作装置进行动力学逆问题分析.1 挖掘机工作装置动力学方程的建立1.1 运动坐标系的建立[3]挖掘机工作装置的动力学方程是对工作装置在工作过程中各个液压缸的受力情况进行精确分析并依此进行前馈补偿,以达到更好的动态性能.挖掘
8、机工作装置主要由动臂、斗杆和铲斗组成三自由度机构可依据空间机构学中的Denavit2Hartenberg(D2H)法建立起来的坐标系,如图1所示.图1 挖掘机空间坐标系Fig.1Coordinateframeforexcavatorkinematics 对于前端挖掘机构(动臂-斗杆-铲斗),前端姿态可以通过挖掘机相邻两杆的变换矩
