基于Maplesim挖掘机机构建模与仿真分析

吴政等

摘要

农业问题是当今中国面临的最大问题，而挖掘机是当代农用机械中必不可少的农用机械之一。该文利用Maplesim软件建立一种农用挖掘机工作机构仿真模型，然后对该机构模型进行运动学仿真分析，从而得到该机构的运动规律，机构节点的位移，速度，加速度情况下随时间的变化规律，为以后结构尺寸的设计和优化设计提供了一种可行的方法。这也使得设计人员在制造物理样机之前，对挖掘机的性能、运动状况等情况有了直观的了解，从而提高了设计效率和产品质量，降低了设计的成本。

关键词Maplesim；农用机械；建模；仿真分析

中图分类号S222.5+5；TP391.9文献标识码A文章编号0517-6611（2015）24-304-03

仿真，就是使用项目模型将特定于某一具体层次的不确定性转化为他们对目标的影响，该影响是在项目仿真项目整体的层次上表示[1]。机械系统动态仿真技术的核心是利用计算机辅助技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，进而确定系统及其各构件运动所需的作用力[2]。通过计算机仿真可以有效地预测其整体性能，进而改进设计，提高机构的性能、缩短设计周期、降低设计成本 [3]。Maplesim作为系统级的多领域建模和仿真工具，支持包括机械、信号、电子、液压等广泛物理领域的建模、分析和仿真。Maplesim对多体系统使用了最先进的算法，能自动生成优化后的系统方程。此外，Maplesim强大的代码生成工具，突破现有数值建模工具的限制，让更多的物理系统可用于实时仿真和硬件在环仿真[4-5]。

农用挖掘机，一种常被用在修建农田水利工程的农用机械，它是用铲斗来挖掘高于或低于其承载机面的泥沙等，然后再将这些挖掘好的泥沙等送进运输车辆中或者卸至堆料场。随着近几年政府对农业的大力扶持，农用挖掘机的需求量越来越大，这使得农用挖掘机成为现代农业建设中不可或缺的农用机械之一。农用挖掘机机构具有急回的特性，即农用挖掘机将物料送入堆料场后，铲斗急速返回到原来的工作位置。如何实现农用挖掘机构在急回过程中运动平稳和快速，这很重要。为了确定机构的几何参数对急回过程中速度的平稳性的影响以及机构的设计是否满足要求，就必须对其进行分析。根据要求对一种农用挖掘机机构进行分析，通过仿真软件Maplesim对其建立仿真模型，并添加约束，然后用信号驱动农用挖掘机机构进行运动，在Maplesim环境下对这种农用挖掘机机构进行仿真分析，得出相关的测试曲线，着重分析其节点的位移，运行速度和加速度等随时间的变化情况，并判断这些位移、速度、加速度是否满足设计要求。

1 理论分析

以一种挖掘机机构模型，采用DenavitHartenberga齐次坐标变换法（简称D-H法）建立其运动方程[6-8]。采用D-H法的標准形式建立挖掘机工作装置的连杆坐标系如图1所示。

注：AB-动臂；BC-斗杆；CD-铲斗；θ1，θ2，θ3-分别为AB与水平方向夹角、AB与BC间夹角、BC与CD间夹角；a1，a2，a3-分别为AB长度，BC长度、CD长度。

为了准确的确定各杆件之间的相对运动和位置关系，在每个杆件上按照D-H法建立一个坐标系。

根据D-H齐次坐标变换法，连杆坐标系i相对于坐标系i-1的变换矩阵i-1A称为连杆变换，其修正形式的变换式为：iAi-1=

cosθi-cosαisinθisinαisinθicosαicosθi

sinθicosαicosθi-sinαicosθicosαisinθi

0sinαicosαi1

0001

（1）