基于Maplesim挖掘機機構建模與仿真分析

吳政等

摘要

農業問題是當今中國面臨的最大問題，而挖掘機是當代農用機械中必不可少的農用機械之一。該文利用Maplesim軟件建立一種農用挖掘機工作機構仿真模型，然后對該機構模型進行運動學仿真分析，從而得到該機構的運動規律，機構節點的位移，速度，加速度情況下隨時間的變化規律，為以后結構尺寸的設計和優化設計提供了一種可行的方法。這也使得設計人員在制造物理樣機之前，對挖掘機的性能、運動狀況等情況有了直觀的了解，從而提高了設計效率和產品質量，降低了設計的成本。

關鍵詞Maplesim；農用機械；建模；仿真分析

中圖分類號S222.5+5；TP391.9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）24-304-03

仿真，就是使用項目模型將特定于某一具體層次的不確定性轉化為他們對目標的影響，該影響是在項目仿真項目整體的層次上表示[1]。機械系統動態仿真技術的核心是利用計算機輔助技術進行機械系統的運動學和動力學分析，以確定系統各構件在任意時刻的位置、速度和加速度，進而確定系統及其各構件運動所需的作用力[2]。通過計算機仿真可以有效地預測其整體性能，進而改進設計，提高機構的性能、縮短設計周期、降低設計成本 [3]。Maplesim作為系統級的多領域建模和仿真工具，支持包括機械、信號、電子、液壓等廣泛物理領域的建模、分析和仿真。Maplesim對多體系統使用了最先進的算法，能自動生成優化后的系統方程。此外，Maplesim強大的代碼生成工具，突破現有數值建模工具的限制，讓更多的物理系統可用于實時仿真和硬件在環仿真[4-5]。

農用挖掘機，一種常被用在修建農田水利工程的農用機械，它是用鏟斗來挖掘高于或低于其承載機面的泥沙等，然后再將這些挖掘好的泥沙等送進運輸車輛中或者卸至堆料場。隨著近幾年政府對農業的大力扶持，農用挖掘機的需求量越來越大，這使得農用挖掘機成為現代農業建設中不可或缺的農用機械之一。農用挖掘機機構具有急回的特性，即農用挖掘機將物料送入堆料場后，鏟斗急速返回到原來的工作位置。如何實現農用挖掘機構在急回過程中運動平穩和快速，這很重要。為了確定機構的幾何參數對急回過程中速度的平穩性的影響以及機構的設計是否滿足要求，就必須對其進行分析。根據要求對一種農用挖掘機機構進行分析，通過仿真軟件Maplesim對其建立仿真模型，并添加約束，然后用信號驅動農用挖掘機機構進行運動，在Maplesim環境下對這種農用挖掘機機構進行仿真分析，得出相關的測試曲線，著重分析其節點的位移，運行速度和加速度等隨時間的變化情況，并判斷這些位移、速度、加速度是否滿足設計要求。

1 理論分析

以一種挖掘機機構模型，采用DenavitHartenberga齊次坐標變換法（簡稱D-H法）建立其運動方程[6-8]。采用D-H法的標準形式建立挖掘機工作裝置的連桿坐標系如圖1所示。

注：AB-動臂；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。

為了準確的確定各桿件之間的相對運動和位置關系，在每個桿件上按照D-H法建立一個坐標系。

根據D-H齊次坐標變換法，連桿坐標系i相對于坐標系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）