针对挖掘机高效、节能和智能化的发展趋势,结合我国传统挖掘机行业新产品开发周期长、成本高、对挖掘机产品的评价和设计手段落后等现状,本文以863项目“非结构环境移动机器人的集成化智能控制关键技术研究(编号:2001AA422130)”和国家自然科学基金重点项目“机械广义优化设计理论、方法、技术及其实现和应用(编号:59635150)”为依托,首次运用虚拟样机这一近年来得到快速发展的先进技术开展挖掘机的高效、节能和智能控制技术的研究。重点研究开发一个集成多领域系统模型的挖掘机虚拟样机环境,作为挖掘机综合性能仿真评估平台,用于挖掘机节能和智能化策略的分析及优化,提高挖掘机的作业效率、节能效果和自动化水平。主要研究内容和特色如下: 1、针对挖掘机器人机、电、液和信息一体化的发展特点,提出挖掘机器人虚拟样机的建模策略和框架。根据抽象建模的需要将挖掘机器人分为有机关联的单学科系统级模型,即:动力学、机械、液压和控制四个子系统模型,为了得到一个综合的性能仿真平台,提出动力学、机械、液压、控制一体化建模技术。基于各个子系统的功能确定系统之间的参数传递关系,通过子系统模型的参数关联集成,以及数据接口设置,将各个子系统模型在ADAMS环境中实现集成,构成挖掘机器人的虚拟性能测试平台,以能够在此平台上对挖掘机器人的动力学、液压、控制系统进行仿真分析。 2、分别利用D-H方法和Newton-Euler方法推导了挖掘机器人运动学和动力学理论模型,在此基础上利用动力学分析软件ADAMS建立挖掘机器人的参数化机构仿真模型,利用三维造型软件Pro/E建立了挖掘机器人的机械部件模型并与ADAMS参数化机构模型进行集成,构成机械系统模型,在此模型上可以进行运动学和动力学可视化仿真分析。 3、针对现有挖掘机液压系统模型中液压缸子模型未能考虑因挖掘机不同位姿变化带来的质量分布以及外负载参数的变化,从而造成液压系统仿真模型误差较大的问题,提出了基于虚拟样机动力学解算的液压系统仿真模型的建模方法。由此得到的液压系统模型由于关联了系统动力学响应及外负载的变化,液压系统的状态参量与机构动作同步变化,可以更加真实精确地模拟挖掘机的工作状态。在此基础上建立了挖掘机器人节能控制和伺服控制系统模型,并在ADAMS中实现与液压系统模型的参数关联集成。 4、对数字化虚拟样机的精确性进行了研究和评估。针对挖掘机器人虚拟样机模型系统的复杂性,提出了定性分析和定量验证相结合的方法。定性分析主要是看仿真结果是否明显与基本物理定律矛盾,或与边界条件约束冲突。在定性分析的基础上进行定量验证,通过对模型中机构尺寸和约束进行验证保证了机构动力学模型的精确性。在此基础上验证液压系统和控制系统模型的精确性,分空载和加载两种工况分别设计单关节动作试验方案,在保证模型与实际系统初始运动姿态以及输入信号相同的条件下,测量关节运动位移、