基于VB的挖掘機工作裝置挖掘包絡圖快速繪制

摘 要：挖掘機工作裝置挖掘姿態是由動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸組合動作進行決定。以挖掘機工作裝置工作油缸行程為變量，通過數學關系推導，得出工作裝置各鉸點在整機坐標系下的三維坐標值，借助Visual Basic編程軟件進行可視化界面設計及計算分析，實現挖掘機工作裝置工作姿態及挖掘包絡曲線的自動快速繪制，大幅提升設計人員挖掘機工作裝置的設計效率。

關鍵詞：Visual Basic 挖掘機 工作裝置 工作姿態 包絡曲線

挖掘機的工作裝置由動臂、斗桿、連桿機構、鏟斗、動臂油缸、斗桿油缸以及鏟斗油缸等部分構成，如圖1所示，各構件之間采用鉸接的方式連接，以此確保裝置在作業過程中能夠靈活運轉[1]。挖掘范圍是衡量挖掘機性能的一項關鍵指標，其直觀體現便是挖掘包絡圖。在過往的設計流程里，繪制挖掘機挖掘包絡圖多依賴三維模型運動學仿真分析方法[2-4]。這種方式前期建模需投入大量時間與精力，每對構件的尺寸、形狀、連接位置等進行一次修改，都必須重新完整地運行仿真分析，過程繁瑣且效率低下。鑒于此，本文借助 Visual Basic 編程軟件，將復雜的運動學計算邏輯轉化為簡潔高效的程序代碼，用戶通過可視化界面中輸入關鍵參數，如各構件的尺寸規格、油缸的行程范圍等，程序便能迅速依據預設算法完成運算，快速生成準確的挖掘包絡圖，大幅提升設計效率與工作質量。

1 工作裝置計算的基本方法

挖掘機工作裝置的工作姿態，會隨著挖掘機動臂油缸、斗桿油缸以及鏟斗油缸的伸縮量改變而相應變化。在挖掘機圖形繪制過程中，工作裝置各鉸點于不同姿態下的整機坐標值計算，堪稱關鍵環節。借助坐標系的轉換方法，則能夠快速且準確地得出各鉸點的整機坐標值。[5]

1.1 坐標系的轉換關系

如圖2所示，設P點在局部坐標系中的坐標為，通過數學關系推導，我們容易得出P點在整機坐標系中的坐標值如下：

從上式可以看出，整機坐標值的獲得需確定局部坐標值以及局部坐標系在整機坐標系中的轉角值。

1.2 工作裝置各鉸點局部坐標值

在挖掘機工作裝置繪制好后，動臂、斗桿、鏟斗各鉸點在各自局部坐標中的值通過簡單的三角函數關系便能獲得。例如圖3中鉸點B點在動臂局部坐標下的坐標值為

工作裝置其他鉸點局部坐標值在此不作計算。

1.3 連桿機構隨油缸行程的擺角關系

如圖3所示，動臂、斗桿、鏟斗局部坐標系分別隨動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸伸縮而進行擺轉。

1.3.1 液壓缸搖桿機構分析

從圖4液壓缸搖桿機構參數中可得出

連桿機構隨油缸行程變化的計算流程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 四連桿機構的轉角分析

在圖5所示的四連桿的機構簡圖中，a為主動桿、b為連桿、c為從動桿、d為連桿架。

（1）由四連桿的主動轉角計算從動轉角，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 液壓缸搖桿機構與四連桿機構的串聯

液壓缸搖桿機構與四連桿機構的串聯的擺角關系為：

其中角度有方向，逆時針為正順時針為負。

在得到后，根據前面四連桿機構推導公式我們能夠得到，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

連桿機構隨油缸行程的擺角關系的推導，能夠幫助我們得出挖掘機工作裝置各構件在整機坐標中的擺角，結合前面局部坐標值，我們就可以通過坐標轉換得出挖掘機工作裝置各鉸點的整機坐標值，為挖掘機的工作姿態及包絡曲線的繪制奠定基礎。

2 挖掘機工作裝置包絡曲線圖繪制過程

在挖掘機工作裝置各個鉸點位置及油缸參數確定后，鏟斗斗齒尖的的運動軌跡包絡圖也就得到確定，挖掘機挖掘包絡曲線圖繪制過程中各油缸狀態如表1所示[6]。在斗齒運動軌跡包絡圖繪制的同時能夠對工作裝置的主要工作尺寸范圍進行檢驗。

3 可視化界面設計及運用

如圖9所示，此可視化界面適用于反鏟挖掘機設計，輸入參數包含工作裝置的幾何參數以及油缸相關參數。同時界面設計了數據檢驗按鈕，能夠對不合理的數據輸入進行自動判別。在圖形繪制界面中設計了整機坐標軸，能夠自動繪制挖掘機的不同工作姿態以及對不同參數下的挖掘機工作裝置包絡曲線圖，并實時捕捉各點在整機坐標系下的坐標值，獲得挖掘機的主要挖掘范圍。還能對挖掘機的主要工作尺寸（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）進行自動計算，極大提升設計人員的設計效率以及設計精度。

從圖10中可以看出，通過Visual Basic 程序編制得到的挖掘機工作裝置挖掘包絡圖與采用ADAMS運動仿真得到的工作裝置包絡圖（圖7）輪廓一致，證明包絡曲線圖自動繪制運動學建模以及程序編制的正確性。在自動繪制的包絡曲線圖界面中，我們通過鼠標采集點的定位，還能夠快速獲得挖掘機挖掘范圍內的任意作業尺寸。從圖11中可知，設計界面可保留工作裝置不同幾何參數下的包絡曲線圖及工作姿態圖，能為挖掘機工作裝置的優化設計提供重要依據。

4 結論

借助 Visual Basic 編程軟件，運用坐標轉換法繪制挖掘機工作裝置的包絡曲線圖，可顯著提高挖掘機工作裝置的設計效率，大幅縮短設計周期。在作業尺寸計算環節，該方法能夠實現高精度運算，為挖掘機實際作業提供堅實可靠的數據支持。此外，所設計的界面功能能夠留存不同幾何參數下的包絡曲線圖與工作姿態圖，為挖掘機工作裝置的優化設計提供重要依據。

基金項目：貴州工業職業技術學院科研項目（項目編號：2020ZK06），基于VB的挖掘機挖掘包絡曲線自動繪制。

參考文獻：

[1]林慕義，史青錄.單斗液壓挖掘機構造與設計 [M]. 北京：冶金工業出版社，2011.

[2]高佳宏.液壓挖掘機工作裝置的三維設計[J].煤礦機械，2007，28（12）：87-88.

[3]王桂新，楊彥龍.基于ADAMS的液壓挖掘機工作裝置的仿真分析[J].河北工業大學學報，2008，37（3）：59-63.

[4]蘇燕.反鏟液壓挖掘機工作裝置的運動學分析及優化設計[D].青島：山東科技大學，2017.

[5]陳國俊. 液壓挖掘機（原理、結構、設計、計算）[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

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