基于VB的挖掘機(jī)工作裝置挖掘包絡(luò)圖快速繪制

摘 要：挖掘機(jī)工作裝置挖掘姿態(tài)是由動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸組合動(dòng)作進(jìn)行決定。以挖掘機(jī)工作裝置工作油缸行程為變量，通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系推導(dǎo)，得出工作裝置各鉸點(diǎn)在整機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)值，借助Visual Basic編程軟件進(jìn)行可視化界面設(shè)計(jì)及計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)工作裝置工作姿態(tài)及挖掘包絡(luò)曲線的自動(dòng)快速繪制，大幅提升設(shè)計(jì)人員挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)效率。

關(guān)鍵詞：Visual Basic 挖掘機(jī) 工作裝置 工作姿態(tài) 包絡(luò)曲線

挖掘機(jī)的工作裝置由動(dòng)臂、斗桿、連桿機(jī)構(gòu)、鏟斗、動(dòng)臂油缸、斗桿油缸以及鏟斗油缸等部分構(gòu)成，如圖1所示，各構(gòu)件之間采用鉸接的方式連接，以此確保裝置在作業(yè)過(guò)程中能夠靈活運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。挖掘范圍是衡量挖掘機(jī)性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，其直觀體現(xiàn)便是挖掘包絡(luò)圖。在過(guò)往的設(shè)計(jì)流程里，繪制挖掘機(jī)挖掘包絡(luò)圖多依賴(lài)三維模型運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析方法[2-4]。這種方式前期建模需投入大量時(shí)間與精力，每對(duì)構(gòu)件的尺寸、形狀、連接位置等進(jìn)行一次修改，都必須重新完整地運(yùn)行仿真分析，過(guò)程繁瑣且效率低下。鑒于此，本文借助 Visual Basic 編程軟件，將復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算邏輯轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)潔高效的程序代碼，用戶(hù)通過(guò)可視化界面中輸入關(guān)鍵參數(shù)，如各構(gòu)件的尺寸規(guī)格、油缸的行程范圍等，程序便能迅速依據(jù)預(yù)設(shè)算法完成運(yùn)算，快速生成準(zhǔn)確的挖掘包絡(luò)圖，大幅提升設(shè)計(jì)效率與工作質(zhì)量。

1 工作裝置計(jì)算的基本方法

挖掘機(jī)工作裝置的工作姿態(tài)，會(huì)隨著挖掘機(jī)動(dòng)臂油缸、斗桿油缸以及鏟斗油缸的伸縮量改變而相應(yīng)變化。在挖掘機(jī)圖形繪制過(guò)程中，工作裝置各鉸點(diǎn)于不同姿態(tài)下的整機(jī)坐標(biāo)值計(jì)算，堪稱(chēng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。借助坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法，則能夠快速且準(zhǔn)確地得出各鉸點(diǎn)的整機(jī)坐標(biāo)值。[5]

1.1 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系

如圖2所示，設(shè)P點(diǎn)在局部坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為，通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系推導(dǎo)，我們?nèi)菀椎贸鯬點(diǎn)在整機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值如下：

從上式可以看出，整機(jī)坐標(biāo)值的獲得需確定局部坐標(biāo)值以及局部坐標(biāo)系在整機(jī)坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)角值。

1.2 工作裝置各鉸點(diǎn)局部坐標(biāo)值

在挖掘機(jī)工作裝置繪制好后，動(dòng)臂、斗桿、鏟斗各鉸點(diǎn)在各自局部坐標(biāo)中的值通過(guò)簡(jiǎn)單的三角函數(shù)關(guān)系便能獲得。例如圖3中鉸點(diǎn)B點(diǎn)在動(dòng)臂局部坐標(biāo)下的坐標(biāo)值為

工作裝置其他鉸點(diǎn)局部坐標(biāo)值在此不作計(jì)算。

1.3 連桿機(jī)構(gòu)隨油缸行程的擺角關(guān)系

如圖3所示，動(dòng)臂、斗桿、鏟斗局部坐標(biāo)系分別隨動(dòng)臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸伸縮而進(jìn)行擺轉(zhuǎn)。

1.3.1 液壓缸搖桿機(jī)構(gòu)分析

從圖4液壓缸搖桿機(jī)構(gòu)參數(shù)中可得出

連桿機(jī)構(gòu)隨油缸行程變化的計(jì)算流程VB編程碼如下：

Public Function clndrrodfy2（lc As Double， Lb As Double， lr As Double）

Dim fy2 As Double

fy2 =3.1415926 - arccos（（lr * lr + Lb * Lb - lc * lc） / （2 * lr * Lb））

clndrrodfy2 = fy2

End Function

1.3.2 四連桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角分析

在圖5所示的四連桿的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，a為主動(dòng)桿、b為連桿、c為從動(dòng)桿、d為連桿架。

（1）由四連桿的主動(dòng)轉(zhuǎn)角計(jì)算從動(dòng)轉(zhuǎn)角，有

式中：；；

VB編程碼程序如下：

Public Function Fourlinkdt（fy As Double）

Dim p As Double， q As Double， r As Double， dt As Double

p = -Sin（fy）

q = d / a - Cos（fy）

r = （d * d + c * c + a * a - b * b） / （2 * a * c） - d * Cos（fy） / c

dt = 2 * Atn（（p + Sqr（p * p + q * q - r * r）） / （q - r））

Fourlinkdt = dt

End Function

1.3.3 液壓缸搖桿機(jī)構(gòu)與四連桿機(jī)構(gòu)的串聯(lián)

液壓缸搖桿機(jī)構(gòu)與四連桿機(jī)構(gòu)的串聯(lián)的擺角關(guān)系為：

其中角度有方向，逆時(shí)針為正順時(shí)針為負(fù)。

在得到后，根據(jù)前面四連桿機(jī)構(gòu)推導(dǎo)公式我們能夠得到，VB編程碼程序如下：

Public Function SixLinkfy（lc As Double， a As Double）

Dim fy As Double

fy = clndrrodfy2（lc， lbc， lrc） + a

SixLinkfy = fy

End Function

Public Function SixLinkdt（lc As Double， a As Double）

Dim fy As Double， dt As Double

fy = SixLinkfy（lc， a）

dt = Fourlinkdt（fy）

SixLinkdt = dt

End Function

連桿機(jī)構(gòu)隨油缸行程的擺角關(guān)系的推導(dǎo)，能夠幫助我們得出挖掘機(jī)工作裝置各構(gòu)件在整機(jī)坐標(biāo)中的擺角，結(jié)合前面局部坐標(biāo)值，我們就可以通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得出挖掘機(jī)工作裝置各鉸點(diǎn)的整機(jī)坐標(biāo)值，為挖掘機(jī)的工作姿態(tài)及包絡(luò)曲線的繪制奠定基礎(chǔ)。

2 挖掘機(jī)工作裝置包絡(luò)曲線圖繪制過(guò)程

在挖掘機(jī)工作裝置各個(gè)鉸點(diǎn)位置及油缸參數(shù)確定后，鏟斗斗齒尖的的運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)圖也就得到確定，挖掘機(jī)挖掘包絡(luò)曲線圖繪制過(guò)程中各油缸狀態(tài)如表1所示[6]。在斗齒運(yùn)動(dòng)軌跡包絡(luò)圖繪制的同時(shí)能夠?qū)ぷ餮b置的主要工作尺寸范圍進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 可視化界面設(shè)計(jì)及運(yùn)用

如圖9所示，此可視化界面適用于反鏟挖掘機(jī)設(shè)計(jì)，輸入?yún)?shù)包含工作裝置的幾何參數(shù)以及油缸相關(guān)參數(shù)。同時(shí)界面設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)檢驗(yàn)按鈕，能夠?qū)Σ缓侠淼臄?shù)據(jù)輸入進(jìn)行自動(dòng)判別。在圖形繪制界面中設(shè)計(jì)了整機(jī)坐標(biāo)軸，能夠自動(dòng)繪制挖掘機(jī)的不同工作姿態(tài)以及對(duì)不同參數(shù)下的挖掘機(jī)工作裝置包絡(luò)曲線圖，并實(shí)時(shí)捕捉各點(diǎn)在整機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，獲得挖掘機(jī)的主要挖掘范圍。還能對(duì)挖掘機(jī)的主要工作尺寸（最大挖掘高度、最大卸載高度、最大挖掘半徑、地面最大挖掘半徑、最大挖掘深度）進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，極大提升設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率以及設(shè)計(jì)精度。

從圖10中可以看出，通過(guò)Visual Basic 程序編制得到的挖掘機(jī)工作裝置挖掘包絡(luò)圖與采用ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真得到的工作裝置包絡(luò)圖（圖7）輪廓一致，證明包絡(luò)曲線圖自動(dòng)繪制運(yùn)動(dòng)學(xué)建模以及程序編制的正確性。在自動(dòng)繪制的包絡(luò)曲線圖界面中，我們通過(guò)鼠標(biāo)采集點(diǎn)的定位，還能夠快速獲得挖掘機(jī)挖掘范圍內(nèi)的任意作業(yè)尺寸。從圖11中可知，設(shè)計(jì)界面可保留工作裝置不同幾何參數(shù)下的包絡(luò)曲線圖及工作姿態(tài)圖，能為挖掘機(jī)工作裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

4 結(jié)論

借助 Visual Basic 編程軟件，運(yùn)用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法繪制挖掘機(jī)工作裝置的包絡(luò)曲線圖，可顯著提高挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)效率，大幅縮短設(shè)計(jì)周期。在作業(yè)尺寸計(jì)算環(huán)節(jié)，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)高精度運(yùn)算，為挖掘機(jī)實(shí)際作業(yè)提供堅(jiān)實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。此外，所設(shè)計(jì)的界面功能能夠留存不同幾何參數(shù)下的包絡(luò)曲線圖與工作姿態(tài)圖，為挖掘機(jī)工作裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

基金項(xiàng)目：貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2020ZK06），基于VB的挖掘機(jī)挖掘包絡(luò)曲線自動(dòng)繪制。

參考文獻(xiàn)：

[1]林慕義，史青錄.單斗液壓挖掘機(jī)構(gòu)造與設(shè)計(jì) [M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[2]高佳宏.液壓挖掘機(jī)工作裝置的三維設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2007，28（12）：87-88.

[3]王桂新，楊彥龍.基于ADAMS的液壓挖掘機(jī)工作裝置的仿真分析[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37（3）：59-63.

[4]蘇燕.反鏟液壓挖掘機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].青島：山東科技大學(xué)，2017.

[5]陳國(guó)俊. 液壓挖掘機(jī)（原理、結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、計(jì)算）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

[6]何君，何林.液壓挖掘機(jī)工作裝置仿真分析[J].貴州科學(xué)，2008，30（1）：50-53.