摘要
液压挖掘机是一种多功能工业设备，被广泛应用于道路修建、市政开采、水利运输、抢险救灾等施工作业中，在提高劳动生产率方面发挥着重要作用。由于挖掘机作业环境恶劣、施工基本依赖人工操作，会导致操作人员疲劳、作业效率降低、设备故障频发等问题，因此液压挖掘机实现自动挖掘作业一直是近年来的研究热点。在面对长距离自动挖掘作业时，为使挖掘轨迹更贴合期望路径，本文提出一种新的轨迹规划方法，并结合经典土壤阻力模型提出一种自动挖掘的动态挖掘阻力模型，采用Newmark法求解铲斗齿尖沿轨迹作业时的固有频率及动态响应，这些研究为液压挖掘机实现自动挖掘作业的控制提供了模型基础及理论支撑。 首先，基于D-H参数法对液压挖掘机工作装置的运动学正解进行求解，利用粒子群算法对其运动学逆解进行求解；采用几何法分析关节空间与驱动空间之间的转换关系，并求出工作装置各铰点的位置坐标；利用数学软件对工作装置的工作空间进行求解，并与虚拟样机分析软件仿真得到的包络图进行比较；基于拉格朗日法对工作装置进行刚体动力学建模，求出各关节对应的驱动力矩。 其次，在液压挖掘机自动挖掘作业中，为使挖掘轨迹更接近期望路径，本文提出一种新的多项式插值的轨迹规划方法，即在关节空间内交叉使用三次插值多项式与五次插值多项式。本文选取工作空间内的一条轨迹，采用活跃粒子群算法对插值时间进行优化求解，得到轨迹的最短运行时间及关节最优曲线。并在相同条件下与传统方法进行比较，结果表明利用交叉插值方法得到的末端曲线更贴合期望曲线，证明了该轨迹规划多项式插值方法的有效性。 然后，基于经典土壤铲斗模型提出一种反铲液压挖掘机自动挖掘作业的动态挖掘阻力模型，其考虑挖掘全过程，即切入、切削以及切出阶段，并且铲斗模型更符合实际形状，同时给出挖掘阻力函数表达式及各项系数的详细计算过程。以第三章轨迹规划的期望曲线为例，采用数学软件计算该工况下的理论挖掘阻力，与利用显示动力学仿真软件得到的挖掘阻力进行对比，两者结果接近一致，验证了该挖掘阻力模型的正确性。 最后，提出液压缸单元模型，对液压挖掘机的工作装置进行弹性动力学建模，得到系统动力学方程，并求解工作装置沿前文轨迹作业的前三阶固有频率，以自激惯性力和挖掘阻力作为外激励，采用Newmark法求得工作装置沿前文轨迹作业的动态响应，为液压挖掘机实现自动挖掘的控制研究提供了理论支撑。
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