張佳

摘 要：現(xiàn)有的機(jī)械工程機(jī)械產(chǎn)品，如傳統(tǒng)的單自由度機(jī)械挖掘機(jī)，具有堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)，但產(chǎn)量不夠靈活。液壓挖掘機(jī)可實(shí)現(xiàn)靈活的輸出，但也存在液壓系統(tǒng)零件加工和組裝要求高，壽命短，漏油等缺點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種平面可控機(jī)構(gòu)挖掘機(jī)。這種挖掘機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)工程具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：平面；挖掘機(jī)；設(shè)計(jì)

1 引言

首先，基于液壓挖掘機(jī)和裝載機(jī)的原理，利用工作機(jī)構(gòu)的行為表達(dá)方法將工作機(jī)制轉(zhuǎn)化為工藝動(dòng)作過程。然后，結(jié)合可控機(jī)制，變形機(jī)制和并聯(lián)機(jī)制的相關(guān)研究成果，采用基于螺旋理論的約束合成方法和配置演化方法，合成機(jī)構(gòu)創(chuàng)新。在功能分析的基礎(chǔ)上，完成了挖掘機(jī)和裝載機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)，得到了一些具有變形功能的新型多自由度可控機(jī)構(gòu)挖掘機(jī)，裝載機(jī)和可控機(jī)構(gòu)裝載機(jī)，為其提供了一定的參考。適用于此類機(jī)制。

2 機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的初始階段。它以產(chǎn)品工作階段的要求為基礎(chǔ)，以市場(chǎng)需求分析為產(chǎn)品功能創(chuàng)建，功能和子功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，滿足功能和結(jié)構(gòu)要求的工作原理，最后實(shí)現(xiàn)工作原理功能載體的概念和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)是產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要階段。其主要步驟包括市場(chǎng)需求分析，產(chǎn)品功能確定，產(chǎn)品工作機(jī)制確定和過程概念。

機(jī)械產(chǎn)品的功能是對(duì)能量流和物質(zhì)流的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換的程序，功能和能力的抽象描述。該功能顯示了設(shè)計(jì)要求，效果描述了工作機(jī)制，過程動(dòng)作工程是工作機(jī)制的具體行動(dòng)過程，執(zhí)行是過程的分解，執(zhí)行機(jī)制是最終的執(zhí)行機(jī)制。功能效應(yīng)過程和執(zhí)行機(jī)制功能解決模型。

3 傳統(tǒng)液壓挖掘機(jī)的功能分析

挖掘機(jī)的主要功能是用鏟斗鏟挖掘和運(yùn)輸物料，并將其卸載到指定位置。同時(shí)，通過組裝平整，夾具，沖擊錘等工作工具，挖掘機(jī)還可以應(yīng)用于其他類型的施工工作。

液壓挖掘機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由三個(gè)部分鉸接：動(dòng)臂，斗桿和鏟斗。吊桿的提升，斗桿的膨脹和鏟斗的旋轉(zhuǎn)分別由三組液壓缸控制，聯(lián)合驅(qū)動(dòng)用于實(shí)現(xiàn)兩端平移和旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)輸出。效應(yīng)。

根據(jù)工作機(jī)理，液壓挖掘機(jī)的工藝過程可分為：挖掘機(jī)行進(jìn)到挖掘現(xiàn)場(chǎng)；通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)裝置和液壓缸，挖掘機(jī)處于適合給定挖掘任務(wù)的位置；通過動(dòng)臂和斗桿液壓缸的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)挖掘臂末端（鏟斗根部）平面內(nèi)各種軌跡的輸出，同時(shí)與鏟斗同步。液壓缸的膨脹和收縮可實(shí)現(xiàn)鏟斗和挖掘的轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)臂的提升，旋轉(zhuǎn)裝置的操作，以及挖掘機(jī)將土壤卸載到特定位置：通過旋轉(zhuǎn)裝置和液壓缸的調(diào)節(jié)，挖掘機(jī)處于適合特定挖掘任務(wù)的新姿態(tài)。

4 挖掘動(dòng)作分解

液壓挖掘機(jī)的技術(shù)動(dòng)作過程可分為以下四種執(zhí)行動(dòng)作。裝載機(jī)主要在鏟運(yùn)和裝載在工作面上方運(yùn)輸?shù)牟牧戏矫嫫鹬匾饔?。與挖掘機(jī)類似，不同的末端執(zhí)行器安裝在吊桿的根部。裝載機(jī)也可以應(yīng)用于其他綜合機(jī)械化施工場(chǎng)合。

裝載機(jī)工作裝置由鏟斗，動(dòng)臂，連桿，搖臂，動(dòng)臂液壓缸，動(dòng)臂液壓缸等組成。整個(gè)工作裝置鉸接在車架上。鏟斗通過連桿和搖臂與搖臂的液壓缸鉸接，用于裝載和卸載物料。移動(dòng)臂與框架和移動(dòng)臂的液壓缸鉸接，以提升鏟斗。鏟斗的翻轉(zhuǎn)和臂的提升分別由搖臂液壓缸和動(dòng)臂液壓缸控制。整個(gè)加載機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)輸出。

5 配置演化方法的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例

5.1、平面可控機(jī)構(gòu)挖掘機(jī)

根據(jù)功能分析，液壓挖掘機(jī)的彈性軌跡輸出主要是由于動(dòng)臂和鏟斗桿通過鉸孔連接并由各自的液壓缸分別驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)輸出規(guī)律。鏟斗桿端的平面類似于2R機(jī)構(gòu)的串聯(lián)。同時(shí)，隨著鏟斗液壓缸的膨脹和收縮，鏟斗可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)兩個(gè)平移的運(yùn)動(dòng)輸出。因此，平面二自由度可控機(jī)構(gòu)可用作新型挖掘機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，輔以獨(dú)立的斗輪驅(qū)動(dòng)支鏈，可實(shí)現(xiàn)類似于現(xiàn)有液壓挖掘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的柔性軌跡輸出。從兩自由度五桿機(jī)構(gòu)演化出四種新型可控機(jī)構(gòu)挖掘機(jī)構(gòu)。挖掘機(jī)的挖掘臂是平面的兩自由度五桿機(jī)構(gòu)。兩個(gè)主動(dòng)桿由獨(dú)立的控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)。工作空間中復(fù)雜軌跡的輸出可以通過編程實(shí)現(xiàn)。鏟斗的翻轉(zhuǎn)由單獨(dú)的控制馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。手臂動(dòng)作完成挖掘，平整，卸載和其他挖掘動(dòng)作；混合驅(qū)動(dòng)可控挖掘機(jī)構(gòu)，其兩個(gè)分支是兩自由度混合驅(qū)動(dòng)可控機(jī)構(gòu)，采用大功率傳統(tǒng)電機(jī)和低功率伺服電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)的策略，具有更大的挖掘力和更高的可靠性比全伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；反鏟挖掘機(jī)與上述挖掘機(jī)相比。與現(xiàn)有的液壓挖掘機(jī)相比，兩臺(tái)前鏟挖掘機(jī)具有更大的工作空間和更接近的輸出運(yùn)動(dòng)。它們適用于不需要挖掘力的工作場(chǎng)合。

由多個(gè)可控電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，其輸出運(yùn)動(dòng)由多個(gè)執(zhí)行器共同確定，并且是多個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)。每個(gè)變量，即伺服電機(jī)的角位移或轉(zhuǎn)速由計(jì)算機(jī)控制，并且通過編譯適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)控制程序可以容易地實(shí)現(xiàn)柔性運(yùn)動(dòng)輸出定律。采用連桿驅(qū)動(dòng)，加工和裝配零件的要求低，克服了加工精度高，維護(hù)成本高，液壓挖掘機(jī)零件漏油容易的缺點(diǎn)。

采用外對(duì)驅(qū)動(dòng)的閉鏈驅(qū)動(dòng)方式，該機(jī)構(gòu)具有良好的剛度特性，承載能力強(qiáng)，誤差累積小。所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)都安裝在機(jī)架上，桿可制成燈桿，慣性小，動(dòng)態(tài)性能好。它可以有效地避免由于串聯(lián)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置的安裝主要在鉸接時(shí)引起的剛度差，慣性和關(guān)節(jié)誤差累積的問題。

5.2、平面可控機(jī)構(gòu)裝載機(jī)

液壓裝載機(jī)的工作裝置由搖臂液壓缸和動(dòng)臂液壓缸組合驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)鏟斗平面內(nèi)兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)輸出。因此，平面二自由度可控機(jī)構(gòu)可以直接用作新裝載機(jī)的致動(dòng)器。通過配置演變，可以實(shí)現(xiàn)類似于現(xiàn)有液壓裝載機(jī)致動(dòng)器的軌跡輸出。傳統(tǒng)五桿機(jī)構(gòu)的連桿已成為裝載機(jī)的搖臂，通過新的連桿與鏟斗連接；與搖臂連接的主動(dòng)桿已演變?yōu)檠b載機(jī)的動(dòng)臂：動(dòng)臂與鏟斗直接連接，由另外兩根連桿直接驅(qū)動(dòng)，從而改善裝載機(jī)的機(jī)械狀態(tài)。新的兩個(gè)主動(dòng)桿由獨(dú)立的可控電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可直接由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有液壓挖掘機(jī)臂的提升和鏟斗的轉(zhuǎn)動(dòng)。采用連桿驅(qū)動(dòng)，加工和裝配零件的要求低，克服了液壓裝載機(jī)液壓元件加工精度高，維護(hù)困難，漏油等缺點(diǎn)。采用外驅(qū)動(dòng)閉鏈傳動(dòng)，機(jī)構(gòu)具有更好的剛度特性，承載能力強(qiáng)，誤差累積小。所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)都安裝在機(jī)架上，機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能良好。

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