吳政等

摘要

農(nóng)業(yè)問題是當(dāng)今中國面臨的最大問題，而挖掘機(jī)是當(dāng)代農(nóng)用機(jī)械中必不可少的農(nóng)用機(jī)械之一。該文利用Maplesim軟件建立一種農(nóng)用挖掘機(jī)工作機(jī)構(gòu)仿真模型，然后對(duì)該機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，從而得到該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，機(jī)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的位移，速度，加速度情況下隨時(shí)間的變化規(guī)律，為以后結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種可行的方法。這也使得設(shè)計(jì)人員在制造物理樣機(jī)之前，對(duì)挖掘機(jī)的性能、運(yùn)動(dòng)狀況等情況有了直觀的了解，從而提高了設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低了設(shè)計(jì)的成本。

關(guān)鍵詞Maplesim；農(nóng)用機(jī)械；建模；仿真分析

中圖分類號(hào)S222.5+5；TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）24-304-03

仿真，就是使用項(xiàng)目模型將特定于某一具體層次的不確定性轉(zhuǎn)化為他們對(duì)目標(biāo)的影響，該影響是在項(xiàng)目仿真項(xiàng)目整體的層次上表示[1]。機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的核心是利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)各構(gòu)件在任意時(shí)刻的位置、速度和加速度，進(jìn)而確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)所需的作用力[2]。通過計(jì)算機(jī)仿真可以有效地預(yù)測其整體性能，進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高機(jī)構(gòu)的性能、縮短設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本 [3]。Maplesim作為系統(tǒng)級(jí)的多領(lǐng)域建模和仿真工具，支持包括機(jī)械、信號(hào)、電子、液壓等廣泛物理領(lǐng)域的建模、分析和仿真。Maplesim對(duì)多體系統(tǒng)使用了最先進(jìn)的算法，能自動(dòng)生成優(yōu)化后的系統(tǒng)方程。此外，Maplesim強(qiáng)大的代碼生成工具，突破現(xiàn)有數(shù)值建模工具的限制，讓更多的物理系統(tǒng)可用于實(shí)時(shí)仿真和硬件在環(huán)仿真[4-5]。

農(nóng)用挖掘機(jī)，一種常被用在修建農(nóng)田水利工程的農(nóng)用機(jī)械，它是用鏟斗來挖掘高于或低于其承載機(jī)面的泥沙等，然后再將這些挖掘好的泥沙等送進(jìn)運(yùn)輸車輛中或者卸至堆料場。隨著近幾年政府對(duì)農(nóng)業(yè)的大力扶持，農(nóng)用挖掘機(jī)的需求量越來越大，這使得農(nóng)用挖掘機(jī)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)中不可或缺的農(nóng)用機(jī)械之一。農(nóng)用挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)具有急回的特性，即農(nóng)用挖掘機(jī)將物料送入堆料場后，鏟斗急速返回到原來的工作位置。如何實(shí)現(xiàn)農(nóng)用挖掘機(jī)構(gòu)在急回過程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和快速，這很重要。為了確定機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)對(duì)急回過程中速度的平穩(wěn)性的影響以及機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否滿足要求，就必須對(duì)其進(jìn)行分析。根據(jù)要求對(duì)一種農(nóng)用挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，通過仿真軟件Maplesim對(duì)其建立仿真模型，并添加約束，然后用信號(hào)驅(qū)動(dòng)農(nóng)用挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在Maplesim環(huán)境下對(duì)這種農(nóng)用挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，得出相關(guān)的測試曲線，著重分析其節(jié)點(diǎn)的位移，運(yùn)行速度和加速度等隨時(shí)間的變化情況，并判斷這些位移、速度、加速度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 理論分析

以一種挖掘機(jī)機(jī)構(gòu)模型，采用DenavitHartenberga齊次坐標(biāo)變換法（簡稱D-H法）建立其運(yùn)動(dòng)方程[6-8]。采用D-H法的標(biāo)準(zhǔn)形式建立挖掘機(jī)工作裝置的連桿坐標(biāo)系如圖1所示。

注：AB-動(dòng)臂；BC-斗桿；CD-鏟斗；θ1，θ2，θ3-分別為AB與水平方向夾角、AB與BC間夾角、BC與CD間夾角；a1，a2，a3-分別為AB長度，BC長度、CD長度。

為了準(zhǔn)確的確定各桿件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和位置關(guān)系，在每個(gè)桿件上按照D-H法建立一個(gè)坐標(biāo)系。

根據(jù)D-H齊次坐標(biāo)變換法，連桿坐標(biāo)系i相對(duì)于坐標(biāo)系i-1的變換矩陣i-1A稱為連桿變換，其修正形式的變換式為：iAi-1=

cosθi-cosαisinθisinαisinθicosαicosθi

sinθicosαicosθi-sinαicosθicosαisinθi

0sinαicosαi1

0001

（1）