基于Matlab的挖掘机改凿岩钻车工作轨迹分析

2014-03-04柴孟江

有色金属（矿山部分） 2014年6期

柴孟江

（潍坊科技学院，山东潍坊262700）

国外液压凿岩钻车技术复杂、功率大，适用于各种工况，但该设备价格较高，易损件价格昂贵，备件购买周期较长，不适合小型矿使用。为了减少投资，国内许多企业利用挖掘机已有发动机泵站系统，将挖掘机铲斗拆除，安装凿岩机及其推进系统。本文主要分析改型后钻车工作臂的垂直工作范围。

1 工作臂结构

更改后的工作臂结构如图1所示。主要由旋转平台、支撑座、大臂、推进梁等结构组成。其余的油管、钎杆等结构不影响工作范围，在此忽略。

工作臂运动由举升油缸、俯仰油缸以及推进链条控制。

2 工作臂D－H运动学模型

图1 工作臂结构Fig．1 The structure of boom

垂直工作范围通常是指平面内垂直凿岩状态的工作范围，就是推进梁与地面垂直的理想状态［1］。

通过机器人D－H法，确定工作臂各结构之间的数学关系，通过计算得到位置矢量方程［2，7］。方程的取值范围为由油缸行程确定的大臂与推进梁的位置和角度［3］。

为分析方便，将工作臂简化为一个连杆机构，并建立坐标系，如图2所示［4，8］。

图2 工作臂各连杆坐标系Fig．2 The connecting rod coordinate system

其中：l1—大臂长度，l1＝ 2 700mm；l2—推进梁长度，l2＝2 600mm；α—大臂l1绕z轴旋转的角度，z轴垂直于平面；d—z轴上两条相邻的公垂线之间的距离；θ—两个相邻的x轴之间的角度。

按照上述分析过程，将分析结果列入表1，使参数对应。

表1 D－H参数表Table 1 D－Hparameter

根据表1中的各个参数，计算连杆模型机构的运动学方程［5－6］，最终得到工作臂的位置方程（3）。

式中：C—cos；S—sin；其他参数见表1。

方程的约束条件由油缸以及机械限位等运动过程约束，在下一节详细阐述。

3 竖直平面运动过程分析

钻车凿岩作业时，推进梁l2与工作平面保持垂直，使凿岩机的冲击力以及推进力不会在竖直方向分散，保证凿入效率。体现在模型中的效果就是推进梁l2与x0保持垂直。我们对几个运动过程分别进行探讨。

1）运动过程1：大臂收缩

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在此运动过程中，举升油缸与俯仰油缸同时运动，举升油缸收缩，使大臂l1向下运动到水平位置；举升油缸保证推进梁l2一直与地面保持垂直。

由A凿岩点移动到B凿岩点，为确保工作范围为最大，推进梁需要收缩到最小范围，不需要推进补偿。运动轨迹为A到B的三角函数曲线，举升油缸收缩使大臂l1到达水平位置停止，可以得到大臂旋转角度范围作为限制条件，如图3所示。