挖掘机虚拟样机-20110112-邹久礼

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1、虚拟技术在挖掘机中的应用机械电子工程专业邹久礼S201101121引言目前，我国挖掘机制造企业普遍存在产品更新换代慢的问题，总体产品质量低于国外同类产品。如何尽快缩短这种差距，提高产品的设计水平已成为挖掘机制造企业的迫切要求。国内液压挖掘机开发存在的缺陷:国产液压挖掘机数量少，多为斗容2.5M3以下的小型设备，中型设备较少，大型设备在我国尚属空白。从品种、规格、数量上满足不了国内市场需要。从产品技术水平、可靠性、制造质量与国外液压挖掘机有较大差距。对于大中型液压挖掘机尚处于经验设计阶段，试验研究工作薄弱，短期内难以完成设计开发工作。配套件的质量和靠性差，使用寿命短

2、。液压系统和元件的设计技术、大尺寸高压油缸的制造技术、整体性能参数的测试技术缺乏，满足不了国民经济重点工程发展的需要。国外独资或合资企业产品虽然价格较贵，但因其技术含量较高，依然占据国内市场的90%份额。挖掘机的发展趋势是节能、高效和智能化。为了适应这种发展方向，需要研究挖掘机器人的规划控制技术以提高自动挖掘水平。挖掘规划决定如何最优地利用资源完成一个挖掘任务，以及对每一条规划路径以最节能和时间最短的方式完成，这就需要在规划器中预先考虑挖掘机的整体性能，即系统运动学特性、动力学特性、液压系统特性以及动力系统控制方式等。机器人控制的目的是根据预定的系统性能和预期的目

3、标达到机器人的动态响应。一般来说，机器人的动态特性直接取决于机器人动力学模型和控制方法的效率。控制问题包括机器人系统动力学模型的建立和相应的控制策略的确定。挖掘机器人的动力学模型不仅要考虑惯量、质量等动力学参数，还要考虑液压系统性能、挖掘阻力等环境因素的影响。根据上述分析，开发一个集成多领域系统模型的挖掘机虚拟样机模型作为综合的性能仿真平台对提高挖掘机的自动化技术的研究是必要的，理想的仿真平台需要建模简单快速、模型逼真、参数的调整能和控制系统相结合，使得机械系统、动力系统和控制系统统一仿真。这种仿真的优点可以一次仿真整个机器人系统，遇到问题可以从机液控制协调的角度

4、分析解决;直接从ADAMS模型中产生机器人系统仿真模型，而不用推导复杂的方程，大大简化了建模过程。2挖掘机生命周期过程中应用虚拟样机技术液压挖掘机产品质量的高低是产品设计、制造、企业管理水平的综合反映。挖掘机生命周期是指从挖掘机投放市场到最后被市场淘汰所经历的全过程。挖掘机在产品生命周期内各个阶段的销售量、成本、价格、利润的一般变化规律如图1所示。图1挖掘机生命周期各阶段投入期处于投入期的挖掘机，大都是属于基本型的，生产的批量较小，一般是单件或小批生产。同时，由于刚刚投产，设计还没有完全定型，生产工艺也不够成熟，绝大多数是采用通用设备进行加工，工人的劳动熟练程度不

5、高，质量和性能不太稳定。成长期产品进入成长期、挖掘机转入批量生产和扩大销售的阶段。这时设计、工艺成熟，挖掘机基本稳定。专用设备齐全，生产线已基本形成，因而在这一时期，在生产、技术、工艺管理已取得一定的成功经验。成熟期挖掘机进入成熟期后，就是进入挖掘机寿命周期的黄金时代，这一时期是挖掘机在整个寿命周期中延续时间最长、竞争最激烈和给企业带来巨额利润时期。这个时期工业成熟，企业大量生产，生产成本己降低到最大限度，用户已形成习惯内购买，挖掘机产品销售达到顶峰，市场需求也达到饱和，和同类挖掘机的竞争表现为质量和名牌的竞争。衰退期挖掘机进入衰退期后，弱小竞争对手纷纷退出市场，

6、只有名牌挖掘机可以延长寿命周期。一般举措是:①产品变型、增加功能延长成熟期、缩短投入期。②改进产品结构，增加变型更新换代挖掘机，延长寿命周期。液压挖掘机具有普通机械产品生产必须满FGI.1.3SGATESOFXECVAOARTDVEELPOMENI足市场所提出要求的共性。所以要缩短以设计、试制为主要内容的投入期。节省投入成本，尽快进入利润丰厚的成熟期。此外由于传统物理样机开发模式在人力、物力和时间上的巨大浪费往往与产品的复杂程度成正比，因此液压挖掘机作为复杂工程机械的特殊性，对开发的时效性要求更高。在现有挖掘机产品进入衰退期之前，就应考虑现有产品的改进或新产品的开

7、发。虚拟样机在挖掘机设计、制造的全过程都可发挥重要的作用，参与从初始概念直至最终成品制造的全过程。在制造之前，虚拟样机可用来确定挖掘机外形，检查设计规划和工程进程，支持方案可行性分析，进入装配和人机工程的研究。在挖掘机开发的投入期应用虚拟样机技术能缩短设计周期，节约设计经费。在挖掘机产品制成之后又可以进行虚拟样机仿真试验，代替物理样机试验进行子系统及参数的优化。挖掘机进入衰退期，利用原有的数字虚拟样机可以修改原型，实现挖掘机产品快速创新设计。3应用虚拟样机技术提高挖掘机设计质量挖掘机的设计水平关系到最终产品的质量，而设计过程中技术的先进与否、数字化程度的高低，很大

8、程度上决定