工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及特性分析

梁玉強(qiáng)

（太原學(xué)院，太原 030000）

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)發(fā)展快速，社會(huì)生產(chǎn)規(guī)模越來越大，自動(dòng)化程度越來越高，在整個(gè)生產(chǎn)過程中，工程機(jī)械臂的應(yīng)用至關(guān)重要。在控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及傳感器技術(shù)日漸成熟的背景下，工程機(jī)械臂呈現(xiàn)出精密化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，這就給工程機(jī)械臂的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，人們需要全面分析工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及特性，以此來為設(shè)計(jì)實(shí)踐提供依據(jù)。

1 工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

1.1 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

從本質(zhì)上來講，工程機(jī)械臂系統(tǒng)屬于一種多體系統(tǒng)，這就需要對(duì)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析[1]。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)以多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律為主要研究對(duì)象，主要包括多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面，二者之間有著密不可分的關(guān)系，具體如圖1所示。

圖1 多剛體系統(tǒng)與多柔體系統(tǒng)關(guān)系

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究較為成熟，形成了完善的理論體系，但對(duì)于多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的研究還處于起步階段，相關(guān)計(jì)算方式及模型建立等還有待探索，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較高的柔性體系來說，其模型建立、計(jì)算求解公式等方面存在諸多問題[2]。多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模有著較高的復(fù)雜度，對(duì)于相關(guān)求解方程式的精準(zhǔn)度也有著較高的要求。而機(jī)械臂屬于一種復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)及特性分析的過程中，還難以有效應(yīng)用多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方式，需要進(jìn)一步深入研究。

1.2 工程機(jī)械臂

在整個(gè)工程機(jī)械系統(tǒng)中，工程機(jī)械臂扮演著重要的角色，工程機(jī)械臂的設(shè)計(jì)質(zhì)量與工程機(jī)械整體性能有著密不可分的關(guān)系。就目前來看，對(duì)工程機(jī)械臂的研究主要集中在兩個(gè)方面。

一是對(duì)工程機(jī)械臂系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)微分方程建模的相關(guān)研究。工程機(jī)械臂屬于多體系統(tǒng)，在建模的過程中，需要采用多體動(dòng)力學(xué)方式，以拉格朗日理論為基礎(chǔ)，在廣義坐標(biāo)系中建立其挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)圖，建立機(jī)械臂力學(xué)模型，以此來為分析機(jī)械臂中相關(guān)運(yùn)動(dòng)分析奠定基礎(chǔ)。

二是對(duì)工程機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)仿真的相關(guān)研究，以動(dòng)力學(xué)分析軟件或數(shù)值求解方法為基礎(chǔ)，進(jìn)行工程機(jī)械臂的仿真。當(dāng)前較為常用的仿真軟件有MATLAB軟件、ADAMS軟件等，通過對(duì)工程機(jī)械臂的仿真來分析其動(dòng)力學(xué)特性。

2 工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性研究

2.1 工程機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)分析

工程機(jī)械臂主要用于挖掘機(jī)之上，而挖掘機(jī)在開采工程、土建施工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，機(jī)械臂的性能一定程度上能夠反映整個(gè)工程機(jī)械設(shè)計(jì)水平，本文以單斗反鏟液壓挖掘機(jī)為例，簡(jiǎn)要分析工程機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)情況。

動(dòng)臂、鏟斗、斗桿、液壓缸及液壓控制系統(tǒng)等是挖掘機(jī)的主要工作部分，在工作的過程中，液壓控制系統(tǒng)啟動(dòng)，動(dòng)臂液壓缸會(huì)產(chǎn)生壓力，動(dòng)臂在液壓缸壓力的作用下圍繞著鉸點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，斗桿液壓缸也會(huì)產(chǎn)生壓力，斗桿在壓力作用下則會(huì)圍繞鉸點(diǎn)做上下擺動(dòng)，以此來將鏟斗鉸接到斗桿之前，鏟斗液壓缸產(chǎn)生壓力，配合搖桿與連桿驅(qū)動(dòng)，在聯(lián)合作用下，鏟斗圍繞著鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)[3]。單斗反鏟液壓挖掘機(jī)的工程機(jī)械臂系統(tǒng)屬于多體系統(tǒng)，在工作范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)任何角度的旋轉(zhuǎn)，操作靈活，使用方便，適用范圍廣泛，通過機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)來完成挖掘工作，在工作的過程中，工程機(jī)械臂的受力情況與運(yùn)動(dòng)情況較為復(fù)雜，動(dòng)力學(xué)特性與其工作性能和挖掘水平息息相關(guān)。

2.2 工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一直備受關(guān)注，研究實(shí)踐表明，即使機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到或超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其在實(shí)際工作的過程中，受到工作環(huán)境、使用強(qiáng)度及使用年限等因素的影響，也難免會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷與破壞，因此，對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分重要的。在工程機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的應(yīng)用日漸廣泛，這得益于各種模擬技術(shù)和設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。

工程機(jī)械臂的工作環(huán)境較為惡劣，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，有著較高的工作負(fù)荷和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，因此經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些故障和問題。利用動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方式可以優(yōu)化工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過模擬仿真進(jìn)行工程機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)分析，研究其動(dòng)力學(xué)特性。在此基礎(chǔ)上，人們可以找出需要優(yōu)化的結(jié)構(gòu)部位，建立工程機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并利用增廣拉格朗日乘子法對(duì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，以此為依據(jù)即可開展工程機(jī)械臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善其工作性能，從而降低使用過程中的故障概率。

工程機(jī)械臂動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法較多，其中典型方法為有限元分析動(dòng)態(tài)法，有限元與優(yōu)化算法的結(jié)合能夠節(jié)省優(yōu)化開發(fā)時(shí)間，提升優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。有限元分析的應(yīng)用能夠有效滿足工程機(jī)械臂零部件應(yīng)力分布需求，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)來優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸[4]。但需要注意的是，這種方法在實(shí)際應(yīng)用的過程中會(huì)受到商業(yè)軟件的限制，需要積極發(fā)展有限元軟件技術(shù)，提升優(yōu)化設(shè)計(jì)精度和優(yōu)化可靠性。此外，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法也逐步被應(yīng)用起來，其非線性映射能力較強(qiáng)，能夠自動(dòng)模擬工程機(jī)械臂動(dòng)態(tài)特性之間的函數(shù)關(guān)系，其采用遺傳算法來進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠改善工程機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)特性，優(yōu)勢(shì)較為明顯。

3 結(jié)論

工程機(jī)械臂的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系整個(gè)機(jī)械的性能，對(duì)工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及特性的分析能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，對(duì)工程機(jī)械臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，其中有限元分析優(yōu)化、基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等優(yōu)化方法效果良好，值得推廣和應(yīng)用。