平面可控机构式挖掘机设计研究

张佳

摘 要：现有的机械工程机械产品，如传统的单自由度机械挖掘机，具有坚固耐用的优点，但产量不够灵活。液压挖掘机可实现灵活的输出，但也存在液压系统零件加工和组装要求高，寿命短，漏油等缺点。本文设计了一种平面可控机构挖掘机。这种挖掘机设计对工程具有一定的指导作用。

关键词：平面；挖掘机；设计

1 引言

首先，基于液压挖掘机和装载机的原理，利用工作机构的行为表达方法将工作机制转化为工艺动作过程。然后，结合可控机制，变形机制和并联机制的相关研究成果，采用基于螺旋理论的约束合成方法和配置演化方法，合成机构创新。在功能分析的基础上，完成了挖掘机和装载机执行机构的概念设计，得到了一些具有变形功能的新型多自由度可控机构挖掘机，装载机和可控机构装载机，为其提供了一定的参考。適用于此类机制。

2 机械产品的创新设计

概念设计是产品创新设计的初始阶段。它以产品工作阶段的要求为基础，以市场需求分析为产品功能创建，功能和子功能结构设计的起点，满足功能和结构要求的工作原理，最后实现工作原理功能载体的概念和系统设计。概念设计是产品创新设计的重要阶段。其主要步骤包括市场需求分析，产品功能确定，产品工作机制确定和过程概念。

机械产品的功能是对能量流和物质流的转移和转换的程序，功能和能力的抽象描述。该功能显示了设计要求，效果描述了工作机制，过程动作工程是工作机制的具体行动过程，执行是过程的分解，执行机制是最终的执行机制。功能效应过程和执行机制功能解决模型。

3 传统液压挖掘机的功能分析

挖掘机的主要功能是用铲斗铲挖掘和运输物料，并将其卸载到指定位置。同时，通过组装平整，夹具，冲击锤等工作工具，挖掘机还可以应用于其他类型的施工工作。

液压挖掘机的执行机构由三个部分铰接：动臂，斗杆和铲斗。吊杆的提升，斗杆的膨胀和铲斗的旋转分别由三组液压缸控制，联合驱动用于实现两端平移和旋转的运动输出。效应。

根据工作机理，液压挖掘机的工艺过程可分为：挖掘机行进到挖掘现场；通过调节旋转装置和液压缸，挖掘机处于适合给定挖掘任务的位置；通过动臂和斗杆液压缸的联合驱动，可以实现挖掘臂末端（铲斗根部）平面内各种轨迹的输出，同时与铲斗同步。液压缸的膨胀和收缩可实现铲斗和挖掘的转动，移动臂的提升，旋转装置的操作，以及挖掘机将土壤卸载到特定位置：通过旋转装置和液压缸的调节，挖掘机处于适合特定挖掘任务的新姿态。

4 挖掘动作分解

液压挖掘机的技术动作过程可分为以下四种执行动作。装载机主要在铲运和装载在工作面上方运输的材料方面起着重要作用。与挖掘机类似，不同的末端执行器安装在吊杆的根部。装载机也可以应用于其他综合机械化施工场合。

装载机工作装置由铲斗，动臂，连杆，摇臂，动臂液压缸，动臂液压缸等组成。整个工作装置铰接在车架上。铲斗通过连杆和摇臂与摇臂的液压缸铰接，用于装载和卸载物料。移动臂与框架和移动臂的液压缸铰接，以提升铲斗。铲斗的翻转和臂的提升分别由摇臂液压缸和动臂液压缸控制。整个加载机构可以实现平面内两个自由度的运动输出。

5 配置演化方法的创新设计实例

5.1、平面可控机构挖掘机

根据功能分析，液压挖掘机的弹性轨迹输出主要是由于动臂和铲斗杆通过铰孔连接并由各自的液压缸分别驱动，可以实现输出规律。铲斗杆端的平面类似于2R机构的串联。同时，随着铲斗液压缸的膨胀和收缩，铲斗可以实现平面内两个平移的运动输出。因此，平面二自由度可控机构可用作新型挖掘机的执行机构，辅以独立的斗轮驱动支链，可实现类似于现有液压挖掘机执行机构的柔性轨迹输出。从两自由度五杆机构演化出四种新型可控机构挖掘机构。挖掘机的挖掘臂是平面的两自由度五杆机构。两个主动杆由独立的控制电机驱动。工作空间中复杂轨迹的输出可以通过编程实现。铲斗的翻转由单独的控制马达驱动。手臂动作完成挖掘，平整，卸载和其他挖掘动作；混合驱动可控挖掘机构，其两个分支是两自由度混合驱动可控机构，采用大功率传统电机和低功率伺服电机混合驱动的策略，具有更大的挖掘力和更高的可靠性比全伺服电机驱动；反铲挖掘机与上述挖掘机相比。与现有的液压挖掘机相比，两台前铲挖掘机具有更大的工作空间和更接近的输出运动。它们适用于不需要挖掘力的工作场合。

由多个可控电机共同驱动，其输出运动由多个执行器共同确定，并且是多个独立变量的函数。每个变量，即伺服电机的角位移或转速由计算机控制，并且通过编译适当的计算机控制程序可以容易地实现柔性运动输出定律。采用连杆驱动，加工和装配零件的要求低，克服了加工精度高，维护成本高，液压挖掘机零件漏油容易的缺点。

采用外对驱动的闭链驱动方式，该机构具有良好的刚度特性，承载能力强，误差累积小。所有驱动电机都安装在机架上，杆可制成灯杆，惯性小，动态性能好。它可以有效地避免由于串联机械手的驱动装置的安装主要在铰接时引起的刚度差，惯性和关节误差累积的问题。

5.2、平面可控机构装载机

液压装载机的工作装置由摇臂液压缸和动臂液压缸组合驱动，可实现铲斗平面内两个自由度的运动输出。因此，平面二自由度可控机构可以直接用作新装载机的致动器。通过配置演变，可以实现类似于现有液压装载机致动器的轨迹输出。传统五杆机构的连杆已成为装载机的摇臂，通过新的连杆与铲斗连接；与摇臂连接的主动杆已演变为装载机的动臂：动臂与铲斗直接连接，由另外两根连杆直接驱动，从而改善装载机的机械状态。新的两个主动杆由独立的可控电机驱动，可直接由计算机控制，实现现有液压挖掘机臂的提升和铲斗的转动。采用连杆驱动，加工和装配零件的要求低，克服了液压装载机液压元件加工精度高，维护困难，漏油等缺点。采用外驱动闭链传动，机构具有更好的刚度特性，承载能力强，误差累积小。所有驱动电机都安装在机架上，机构的动态性能良好。

参考文献

[1]胡俊峰，张宪民.两自由度高速并联机械手的弹性动力学分析[J].华南理工大学学报（自然科学版）.2009（11）

[2]王汝贵，蔡敢为.两自由度可控连杆机构系统在电磁参数激励作用下的主共振分析[J].机械强度.2009（02）