五连杆折叠系统展开的运动学建模与控制仿真.pdf

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1、设计-计算DesignandCatcutation五连杆折叠系统展开的运动学建模与控制仿真袁端磊，朱苛娄，闫广超，王海燕，李禹生平高集团有限公司摘要I结合工程实际对五连杆折叠系统进行运动学仿真计算，给出折叠臂架系统中液压缸伸缩与折叠系统展开之间的运动学关系。采用多体系统运动学理论建立液压缸驱动下折叠系统展开的运动方程，实现用液压缸驱动折叠系统按目标运动展开的控制要求，并对五连杆折叠系统展开过程进行数值仿真。仿真结果验证所提方法的正确性，结论可对高空作业车、高空消防车、混凝土泵车等折叠臂架变幅系统的设计和控制提供参考。关键词：五连杆折叠系统；液压缸

2、伸缩；臂架展开；多体系统工程机械中很多特种车辆，如大高度登高平台消防使得其控制精准度和运动平稳性受到限制，因此改进五车等，为使其作业高度达到上百米，都需要采用折叠臂架连杆折叠系统展开控制方法的研究非常有必要。系统，由于其工作载荷大，折叠臂架系统展开通常采用液折叠臂架系统广泛应用于工程机械中，目前已积累压缸驱动，液压缸通过五连杆机构与臂架相连。由于五了大量的研究成果，例如：以液压缸伸缩过程中所受压力连杆机构的复杂性，液压缸伸缩和臂架展开角度之间的峰值和压力变化梯度最小为目标，对连杆机构的铰点位映射关系呈现非线性，使得折叠系统的展开控制变得非置进行优

3、化；运用机构运动学原理，对连杆机构铰点位常困难。目前工程实际中应用的折叠系统，其控制大多通置的布局进行研究嘲；为避免出现干涉，对机构进行优化过角度传感器或角度仪测量数据进行反馈实现，还有完以提高安全性能的研究等。但上述工作仅对折叠臂架系全依靠操作人员的视觉反馈控制，以及通过机械调速阀统的设计展开论述，没有对其运动学关系进行深入的研对机构进行控制的情况_引。这不仅增加了系统复杂性，还究，更没有涉及运动控制问题。尤其是五连杆折叠系统的作者简介：袁端磊(1973—)，男，河南禹州人，高级工程师，研究方向：高压电器研发。42l工稚杠械l20份7杠拭第45

4、卷I第7期总第489期展开运动为液压缸伸长的函数，包含强非线性，系统约束雅克比矩阵难以给出，因此其运动控制的研究就更不多见。本文以工程机械中应用较多的五连杆折叠系统为研究对象，首先建立运动学模型，分析其正、逆运动学特性，给出五连杆折叠系统中臂架展开角度、角速度以及角加速度与液压缸伸缩运动参数之间的函数关系；然后根据逆运动学函数，给定某目标下的控制函数行程控制方案，并以此为基础对折叠臂架展开运动控制的效果进行仿真，结果验证所提控制方案的正确性和可行性。1运动学模型建立大高度高空作业车采用五连杆折叠系统实现臂架折一叠，其结构如图1所示。在五连杆折叠系

5、统中，主臂和2图2五连杆折叠机构的坐标系统号臂均为伸缩梁结构，通常情况下主臂和2号臂处于收一=缩状态并且水平折叠，工作时，2号臂通过折叠臂架驱动中e2,e，沿截面主轴方向，e沿主臂轴线方向，坐标系遵从一一一绕铰点A相对主臂展开；上连杆(上摇杆)铰接于2号臂，右手定则。2)同样地，在2号臂右端面形心建立2号臂连并绕铰点D转动；下连杆(下摇杆)铰接于主臂，并绕铰点体基坐标系(p，p：，P，)。3)在铰点A处分别建立固结于两B转动；两连杆与液压缸铰接于C点，C点为空间铰点，叠臂的铰坐标系，铰坐标系(，，_2，一e3)固结于主臂，方位其运动较为复杂；液压

6、缸另一端铰接于2号臂E点，通过与主臂连体基相同；铰坐标系(。，P一，P一，)固结于2号臂，液压缸伸缩运动，2号臂相对芒臂变幅展开，整个系统只方位与2号臂连体基相同，这样两折叠臂的相对转动可有1个自由度。由这两个铰坐标系之间的转动描述，0即为主臂与2号臂轴线之间的夹角。在液压缸的驱动下，2号臂绕铰点A转动后，则2号臂连体基与主臂连体基之间的关系为：le1=Af．AlPJe3cos0sin00A=c01J’为，总体．基‘主臂连．体．基与12号臂连体基转换矩阵。1．液压缸2．2号臂3．j连杆4．下连杆5．主臂为便于在总体坐标系中求解，可以直接得出铰点A

7、，曰，D，E的矢量，，rD，分别为：图1五连杆折叠变幅机构的设计简图nro+aue~+a12e2+a13e3(2)为了描述系统的展开运动，选取的坐标系如图2所rB=r0+6l+b2e2+b3e3(3)示。1)在主臂左端面形心建立固结于主臂上的连体基坐rD=十(d广!1+(d2一2+(d3一％3(4)标系(el,e：，e)(文中出现的坐标系均为单位坐标系)，其，E；=+(e1一口2il+(e2一c#2+(3一c233(5)2o7l工和敞l43设计-计算DesignandCatcutation式中：，．D为主臂连体基原点在总体基坐标下的矢量(零矢下标

8、XY对应边的长度)，已知￡胁三，脚和量)，b分别为铰点A，曰在主臂连体基下的分量；％，(Lc~=L+s，L为液压缸未伸缩原长；5为液压缸