基于AMEsim的液压挖掘机运动及控制仿真

　　液压挖掘机是结构最复杂、用途最广的工程机械之一，它在工业与民用建筑、水利电力工程、矿山采掘以及军事工程等施工中起着极为重要的作用。随着工程机械机器人化的研究发展，液压挖掘机的自动化也逐渐成为各国的研究重点，尤其是局部自动化，在这方面的研究中，多数工作集中在对挖掘机的工作装置进行控制。目前国内外对于挖掘机工作装置控制的研究中，通常把其工作装置作为多自由度的机器手来处理，控制工作装置的末端(即铲斗尖)以跟踪规划好的期望轨迹，期望轨迹就被称为铲斗轨迹控制中的目标值；如：自动挖掘，自动装载等[1]。因此本文着重点就是对定点挖掘过程中的挖掘机机电液一体化系统进行运动仿真并通过采用PID控制器以更好地跟踪期望轨迹实现自动挖掘。

　　挖掘机液压系统是由多个液压元件组成的复杂非线性系统，各液压元件间依靠液压介质进行能量的传递，同时依靠控制系统传递的控制信号实现压力、流量的控制。对挖掘机这样的复杂系统进行定性和定量的仿真，依靠传统的仅用微分和差分方程的方法是不能很好地模拟系统实际的各种工作性能，目前有的采用Matlab对挖掘机液压系统进行仿真[2]。有的采用Adams软件对其机构进行动力学仿真[3]。但是要对挖掘机这种复杂机电液一体化系统进行综合仿真(液压系统和各种控制系统及动力学联合仿真)，仅采用Matlab或Adams软件是很难实现的，必须利用多个软件之间的接口进行联合仿真。而本文所采用的法国AMESim仿真软件正好适合对挖掘机进行机电液一体化系统的综合仿真。

　　1 挖掘机机电液系统的建模

　　挖掘机工作装置主要由动臂、斗杆和铲斗组成，其三者的协调运动是由3组液压缸的伸缩联动来实现。液压挖掘机采用3组液压缸，动臂液压缸Jack1、斗杆液压缸Jack2、铲斗液压缸Jack3，使铲斗实现平面运动，加上回转液压马达驱动转台运动，分别带动铲斗、动臂、斗杆及连杆一起转动使铲斗运动，从而满足挖掘作业要求见图1。经改造后，其工作装置的三节臂的驱动液压缸分别由一个三位四通的电比例阀控制，控制动臂液压缸的电比例阀Valve1、控制斗杆液压缸的电比例阀Valve2和控制铲斗液压缸的电比例阀Valve3，且液压缸上的位移传感器动态反馈各个液压缸活塞的瞬时位移，通过各自的PID控制器进行控制，因此能够实现对其运动进行精确控制，跟踪期望的运动轨迹。建模时需要输入各机构的位置坐标信息，本文通过三维UG软件进行建模然后读出各个机构的重心G位置和质量以及联接点Port的坐标值，限于篇幅只给出动臂Body1的各点坐标值(单位： m)，重心G坐标(-2. 785，2. 148)，port1坐标(2. 784，-2. 148)，port2坐标(0. 277，0. 449)，port3坐标(-0. 796，1. 239)，port4坐标(-3. 931，0. 449)，其中port1为动臂和机身联接点，port2为动臂和动臂液压缸Jack1联接点，port3为动臂和斗杆液压缸Jack2联接点，port4为动臂和斗杆联接点。