混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械，包括變胞挖掘機構、鏟斗調(diào)整機構和鏟斗，變胞挖掘機構為由重載挖掘驅(qū)動桿和軌跡輸出驅(qū)動桿、挖掘臂和挖掘連桿以及機架構成的二自由度五連桿機構，采用電機和伺服電機混合驅(qū)動的策略，根據(jù)不同挖掘工況要求變化自身拓撲結構，滿足不同挖掘任務中復雜軌跡輸出和頻繁負載變化要求；正鏟式鏟斗鉸連于挖掘臂前端；鏟斗調(diào)整機構設于挖掘臂前端臂體與鏟斗之間，由單獨的伺服電機控制，負責調(diào)整鏟斗在各個挖掘工況中的姿態(tài)。本發(fā)明具有多功能階段變化、多拓撲結構變化、多自由度變化等特點，根據(jù)工況變化自我重構，解決了傳統(tǒng)機械式挖掘機構實現(xiàn)動作簡單、液壓式挖掘機構易出現(xiàn)漏油等問題。
【專利說明】混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械
(-)【技術領域】:
[0001]本發(fā)明涉及工程機械技術，特別是一種混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械。
(二)【背景技術】:
[0002]挖掘機是一種重要的工程機械，廣泛應用于工業(yè)、交通、能源、農(nóng)田改造、水利、民用建筑、礦山采掘以及現(xiàn)代化軍事工程等機械化施工方面。
[0003]挖掘機主要有液壓式和機械式兩種類型。液壓式挖掘機具有結構簡單、重量輕、可實現(xiàn)很多復雜動作等優(yōu)點，被廣泛采用。但是液壓式挖掘機是以液壓油為傳遞動力的介質(zhì)，其起動性較差，容易因內(nèi)部元件磨損后產(chǎn)生泄漏，而且涉及的元件較多，泄漏的液壓油會造成環(huán)境的污染。同時出現(xiàn)過熱，工作無力等現(xiàn)象。隨著挖掘機功能要求的增加，其液壓系統(tǒng)越來越復雜，會造成其故障出現(xiàn)更具有突發(fā)性、隱蔽性。正因為液壓系統(tǒng)有如此缺陷和局限性，液壓式挖掘機多為中、小型挖掘機，許多大型挖掘機還不得不采用電力驅(qū)動的機械式挖掘機。
[0004]機械式挖掘機已經(jīng)有近百年歷史，是利用機械傳動件帶動挖掘動作，其具有作業(yè)效率高，使用壽命長，能適應惡劣的礦山工作環(huán)境等特點。但是，傳統(tǒng)的單自由度機械式挖掘機自身結構龐大復雜且不能完成靈活多變的挖掘動作，即使僅用于采礦，也常常遇到困難，如:在挖掘較高臺面時斗齒上不能產(chǎn)生更大的切削力；對于傾斜礦層的清理根底，向裝載車中卸載高度偏小等等。
[0005]當前，工程機械領域已形成這樣的共識:機械式挖掘機所能完成的動作簡單、難以變化，許多動作不能實現(xiàn)；液壓式挖掘機可以靈活地執(zhí)行各種工程動作，但又存在液壓系統(tǒng)零部件要求高、壽命不長、漏油等缺陷。這是工程機械領域一個十分棘手的問題，也是長期未能取得突破的難題。
[0006]變胞機構是上世紀90年代，英國倫敦大學國王學院戴建生教授等人在研究可折疊式紙盒和工藝品機構時發(fā)現(xiàn)的一類新型機構，具有多工作階段的變功能和變拓撲結構特性。變胞機構由于其適應性和可重構性，尤其適應于在不同工作階段完成不同工作任務等要求。該發(fā)現(xiàn)獲得了 1998年在亞特蘭大召開的ASME第25界機構學雙年度最佳論文獎，并列入20世紀90年代獲獎的四篇論文之一。這類新型機構提出后，引起了國際機構學界的廣泛關注并獲得了一些應用:倫敦大學國王學院利用變胞原理開發(fā)研制出變胞手，其結構和自由度在運行中變化，由此向三指手提供了額外的自由度，便于控制手指抓持方位和靈巧度；北京航空航天大學丁希侖等開發(fā)了火星變胞探測車，該車利用變胞原理，采用桿件變換，使其變形并變換不同的行走方式以適應不同的需求和不同的環(huán)境；新加坡南洋理工大學Y.M.Chen等開發(fā)了變胞水下車，利用變胞概念，變換車形來完成所需的工作任務。
(三)
【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0007]本發(fā)明是將變胞機構的原理應用于工程機械【技術領域】，提出了一種混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械，以滿足不同工作階段中復雜軌跡輸出和頻繁負載變化的要求。[0008]本發(fā)明通過以下技術方案滿足上述要求:
[0009]本發(fā)明混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械的技術方案，包括變胞挖掘機構、鏟斗調(diào)整機構以及正鏟式鏟斗，所不同的是所述變胞挖掘機構為由重載挖掘驅(qū)動桿和軌跡輸出驅(qū)動桿、中部向上拱起的折狀挖掘臂和挖掘連桿以及機架構成的二自由度五連桿機構，所述重載挖掘驅(qū)動桿和軌跡輸出驅(qū)動桿分別于機架上鉸裝并分別由設于機架上的重載挖掘電機和軌跡輸出伺服電機驅(qū)動，所述軌跡輸出伺服電機自帶有大扭矩電磁制動器，所述挖掘臂的尾端鉸連重載挖掘驅(qū)動桿，所述挖掘連桿鉸連于挖掘臂中部和軌跡輸出驅(qū)動桿，挖掘臂前端臂體上開設有滑動槽；所述鏟斗鉸連于挖掘臂前端；所述鏟斗調(diào)整機構設于挖掘臂前段臂體與鏟斗之間，包括調(diào)整驅(qū)動桿、臂體連桿和鏟斗連桿，所述調(diào)整驅(qū)動桿鉸裝于挖掘臂前段臂體上并由設于機架上的鏟斗調(diào)整伺服電機驅(qū)動，所述鏟斗調(diào)整伺服電機自帶有大扭矩電磁制動器，所述臂體連桿與調(diào)整驅(qū)動桿鉸連，所述鏟斗連桿鉸裝于鏟斗，其鉸連點低于伊斗與挖掘臂前端的鉸連點，臂體連桿與伊斗連桿通過傳動銷形成復合鉸鏈，所述傳動銷滑動置于所述滑動槽內(nèi)。
[0010]所述變胞挖掘機構采用重載挖掘電機和軌跡輸出伺服電機的混合驅(qū)動:重載挖掘時，所述軌跡輸出驅(qū)動桿由大扭矩電磁制動器鎖死，所述二自由度五連桿機構變胞為單自由度四桿機構；在工作載荷不大、需實現(xiàn)復雜軌跡作業(yè)時，大扭矩電磁制動器放松軌跡輸出驅(qū)動桿，軌跡輸出伺服電機控制軌跡輸出驅(qū)動桿并配合重載挖掘驅(qū)動桿運動，單自由度四連桿機構恢復為平面二自由度五連桿機構；挖掘過程中大部分的挖掘力由重載挖掘驅(qū)動桿提供，并在重載挖掘時承載全部挖掘力；所述鏟斗調(diào)整伺服電機負責控制各種挖掘工況中鏟斗的姿態(tài)以及挖掘完成后的卸料工作，并在挖掘過程中由其自帶的大扭矩電磁制動器鎖死調(diào)整驅(qū)動桿以固定鏟斗位置。
[0011]根據(jù)功能的不同，所述重載挖掘電機的功率大于軌跡輸出伺服電機的功率。
[0012]為平衡鏟斗運動，所述鏟斗連桿為于挖掘臂前段臂體兩側設置的雙桿組件。
[0013]本發(fā)明用于輪胎式或履帶式挖掘機，則所述機架為輪胎式或履帶式挖掘機的回轉平臺，從而實現(xiàn)挖掘、回轉、卸料等挖掘工作和整機的定位與行走。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015]1、本發(fā)明混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械具有變胞功能，在工作載荷不大、需實現(xiàn)復雜軌跡時，為二自由度五連桿機構，而在大載荷工況時，變胞成為單自由度四連桿機構，可較好滿足不同挖掘任務中復雜軌跡輸出和頻繁負載變化等要求。
[0016]2、本發(fā)明所提出的混合驅(qū)動變胞機構采用大功率常規(guī)電機和較小功率伺服電機混合驅(qū)動的策略，與全伺服電機驅(qū)動的挖掘機構相比具有更大的挖掘力和更高的可靠性。
[0017]3、本發(fā)明所提出的混合驅(qū)動變胞機構采用外轉動副驅(qū)動，承受挖掘力的驅(qū)動電機均安裝在機架上，能有效降低手臂重量，提高挖掘速度。
[0018]4、本發(fā)明所提出的混合驅(qū)動變胞機構，既能解決傳統(tǒng)單自由度機械式挖掘機構動作簡單，挖掘速度難控制，不能實現(xiàn)復雜動作等問題，又能解決液壓式挖掘機構對零部件要求高、壽命不長、易漏油、可靠度難保證等問題，并且整機結構簡單緊湊，零部件制造加工要求低。
(四)【專利附圖】

【附圖說明】:[0019]圖1為本發(fā)明一種實施方式的結構示意圖。
[0020]圖2為圖1實施方式中鏟斗調(diào)整機構的后視圖。
[0021]圖3為圖1實施方式中鏟斗調(diào)整機構的俯視圖。
[0022]圖4為圖1實施方式安裝在履帶式挖掘機的回轉平臺上的結構示意圖。
[0023]圖5 (a)為圖1實施方式實現(xiàn)某給定軌跡輕載挖掘前姿態(tài)。
[0024]圖5 (b)為圖1實施方式實現(xiàn)某給定軌跡輕載挖掘后姿態(tài)。
[0025]圖5 (C)為圖1實施方式實現(xiàn)某給定軌跡輕載挖掘后卸料姿態(tài)。
[0026]圖6 Ca)為圖1實施方式實現(xiàn)遠距離重載挖掘前姿態(tài)。
[0027]圖6 (b)為圖1實施方式實現(xiàn)遠距離重載挖掘后姿態(tài)。
[0028]圖6 (c)為圖1實施方式實現(xiàn)遠距離重載挖掘后卸料姿態(tài)。
[0029]圖7 Ca)為圖1實施方式實現(xiàn)近距離重載挖掘前姿態(tài)。
[0030]圖7 (b)為圖1實施方式實現(xiàn)近距離重載挖掘后姿態(tài)。
[0031]圖7 (c)為圖1實施方式實現(xiàn)近距離重載挖掘后卸料姿態(tài)。
[0032]圖8 (a)為圖1實施方式實現(xiàn)深溝重載挖掘前姿態(tài)。
[0033]圖8 (b)為圖1實施方式實現(xiàn)深溝重載挖掘后姿態(tài)。
[0034]圖8 (C)為圖1實施方式實現(xiàn)深溝重載挖掘后卸料姿態(tài)。
[0035]圖9 (a)為圖1實施方式實現(xiàn)高處重載挖掘前姿態(tài)。
[0036]圖9 (b)為圖1實施方式實現(xiàn)高處重載挖掘后姿態(tài)。
[0037]圖9 (c)為圖1實施方式實現(xiàn)高處重載挖掘后卸料姿態(tài)。
[0038]圖號標識:1、鏟斗；2、重載挖掘驅(qū)動桿；3、軌跡輸出驅(qū)動桿；4、挖掘臂；5、挖掘連桿；6、機架；7、滑動槽；8、調(diào)整驅(qū)動桿；9、臂體連桿；10、鏟斗連桿；11、傳動銷；12、軌跡輸出伺服電機；13、鏟斗調(diào)整伺服電機；14、重載挖掘電機。
(五)【具體實施方式】:
[0039]下面結合附圖所示實施方式對本發(fā)明的技術方案作進一步說明。
[0040]本發(fā)明混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械主要由變胞挖掘機構、鏟斗調(diào)整機構以及正鏟式鏟斗I構成。
[0041]所述變胞挖掘機構為二自由度五連桿機構，主要由重載挖掘驅(qū)動桿2和軌跡輸出驅(qū)動桿3、折狀挖掘臂4和挖掘連桿5以及機架6構成，常規(guī)運用中所述機架6為輪胎式或履帶式挖掘機的回轉平臺，從而實現(xiàn)挖掘、回轉、卸料等挖掘工作和整機的定位與行走。所述重載挖掘驅(qū)動桿2和軌跡輸出驅(qū)動桿3左、右設置，兩者的下端分別鉸連于所述回轉平臺上，所述挖掘臂4的尾部下端鉸連重載挖掘驅(qū)動桿2的上端，中部向上拱起的挖掘臂4中部鉸連挖掘連桿5的上端(挖掘臂4以中間拱起部位分界形成前、后兩段臂)，所述挖掘連桿5的下端鉸連軌跡輸出驅(qū)動桿3的上端，所述挖掘臂4的前部下端伸出回轉平臺外；所述回轉平臺上安裝分別驅(qū)動重載挖掘驅(qū)動桿2和軌跡輸出驅(qū)動桿3的重載挖掘電機14和軌跡輸出伺服電機12，所述軌跡輸出伺服電機12自帶有大扭矩電磁制動器，當該電磁制動器鎖緊電機轉子時則軌跡輸出驅(qū)動桿3固定位置，所述變胞挖掘機構變胞為單自由度的四連桿機構，如圖1、圖4所示。
[0042]所述重載挖掘電機14的功率大于軌跡輸出伺服電機12的功率。[0043]所述軌跡輸出驅(qū)動桿3由較小功率的軌跡輸出伺服電機12控制，通過編程控制以配合重載挖掘驅(qū)動桿2實現(xiàn)二自由度五連桿機構復雜挖掘軌跡的輸出，并在重載挖掘時由軌跡輸出伺服電機12自帶的大扭矩電磁制動器完全鎖死軌跡輸出驅(qū)動桿3，二自由度五連桿機構變胞為單自由度四連桿機構；所述重載挖掘驅(qū)動桿2由大功率常規(guī)重載挖掘電機14控制，提供挖掘過程中大部分的挖掘力，并在重載挖掘時承載全部挖掘力。
[0044]所述鏟斗I對應于挖掘臂4前端設置，所述鏟斗I背部上方位置鉸連于挖掘臂4前端，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。
[0045]所述鏟斗調(diào)整機構設于挖掘臂4的前臂與鏟斗I之間，包括調(diào)整驅(qū)動桿8、臂體連桿9和鏟斗連桿10，所述調(diào)整驅(qū)動桿8和臂體連桿9設于挖掘臂4前臂的一側，調(diào)整驅(qū)動桿8的下端通過設于挖掘臂4前臂上的鏟斗調(diào)整伺服電機13與挖掘臂4前臂鉸連，所述鏟斗調(diào)整伺服電機13自帶有大扭矩電磁制動器，所述臂體連桿9的后端與調(diào)整驅(qū)動桿8的上端鉸連，所述鏟斗連桿10為平行的雙桿組件，分別設于挖掘臂4前臂前段的兩側，鏟斗連桿10的前端鉸連于鏟斗I背部下方位置，臂體連桿9的前端與鏟斗連桿10的后端通過傳動銷11形成復合鉸鏈，所述傳動銷11滑動置于滑動槽7中，所述滑動槽7開設于挖掘臂4前臂的前段，滑動槽7的方向與挖掘臂4前臂的伸展方向一致，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。
[0046]所述鏟斗調(diào)整機構負責控制各種挖掘工況中鏟斗I的姿態(tài)以及挖掘完成后的卸料工作，并在挖掘過程中由鏟斗調(diào)整伺服電機13自帶的大扭矩電磁制動器完全鎖死鏟斗調(diào)整機構。
[0047]如圖5 (a)、圖5 (b)、圖5 (C)所示為輕載挖掘狀態(tài):所述變胞挖掘機構為平面二自由度五桿機構，重載挖掘驅(qū)動桿2和軌跡輸出驅(qū)動桿3分別在大功率重載挖掘電機14和較小功率軌跡輸出伺服電機12的聯(lián)合驅(qū)動下運動，通過計算機編程控制可實現(xiàn)鏟斗I斗尖在工作空間內(nèi)較復雜挖掘軌跡的輸出；挖掘任務完成后，調(diào)整驅(qū)動桿8回轉，鏟斗I翻轉卸料，卸料完成后，通過控制鏟斗調(diào)整伺服電機13調(diào)整鏟斗I的姿態(tài)以適應下一次挖掘任務的要求。
[0048]如圖6 (a)、圖6 (b)、圖6 (C)所示為遠距離重載挖掘狀態(tài):首先通過控制重載挖掘驅(qū)動桿2和軌跡輸出驅(qū)動桿3的轉角讓二自由度五連桿機構處于適合遠距離挖掘的起始位置，此時軌跡輸出伺服電機12斷電，其自帶的大扭矩電磁制動器將電機轉子鎖死，軌跡輸出驅(qū)動桿3不再轉動，挖掘機構變胞成為單自由度四連桿機構，由大功率重載挖掘電機14單獨驅(qū)動，完成較簡單軌跡的遠距離重載挖掘任務；挖掘任務完成后，調(diào)整驅(qū)動桿8回轉，鏟斗I翻轉卸料；卸料完成后，通過控制鏟斗調(diào)整伺服電機13調(diào)整鏟斗I的姿態(tài)以適應下一次挖掘任務的要求。
[0049]如圖7 (a)、圖7 (b)、圖7 (C)所示為近距離重載挖掘狀態(tài):首先通過控制重載挖掘驅(qū)動桿2和軌跡輸出驅(qū)動桿3的轉角讓二自由度五連桿機構處于適合近距離挖掘的起始位置，此時軌跡輸出伺服電機12斷電，其自帶的大扭矩電磁制動器將電機轉子鎖死，軌跡輸出驅(qū)動桿3不再轉動，挖掘機構變胞成為單自由度四連桿機構，由大功率重載挖掘電機14單獨驅(qū)動，完成較簡單軌跡的近距離重載挖掘任務；挖掘任務完成后，調(diào)整驅(qū)動桿8回轉，鏟斗I翻轉卸料；卸料完成后，通過控制鏟斗調(diào)整伺服電機13調(diào)整鏟斗I的姿態(tài)以適應下一次挖掘任務的要求。
[0050]如圖8 (a)、圖8 (b)、圖8 (C)為深溝重載挖掘狀態(tài):首先通過控制重載挖掘驅(qū)動桿2和軌跡輸出驅(qū)動桿3的轉角讓二自由度五連桿機構處于適合深溝挖掘的起始位置，此時軌跡輸出伺服電機12斷電，其自帶的大扭矩電磁制動器將電機轉子鎖死，軌跡輸出驅(qū)動桿3不再轉動，挖掘機構變胞成為單自由度四連桿機構，由大功率重載挖掘電機14單獨驅(qū)動，完成較簡單軌跡的深溝重載挖掘任務；挖掘任務完成后，調(diào)整驅(qū)動桿8回轉，鏟斗I翻轉卸料；卸料完成后，通過控制鏟斗調(diào)整伺服電機13調(diào)整鏟斗I的姿態(tài)以適應下一次挖掘任務的要求。
[0051] 如圖9 (a)、圖9 (b)、圖9 (C)為高處重載挖掘狀態(tài):首先通過控制重載挖掘驅(qū)動桿2和軌跡輸出驅(qū)動桿3的轉角讓二自由度五連桿機構處于適合高處挖掘的起始位置，此時軌跡輸出伺服電機12斷電，其自帶的大扭矩電磁制動器將電機轉子鎖死，軌跡輸出驅(qū)動桿3不再轉動，挖掘機構變胞成為單自由度四連桿機構，由大功率重載挖掘電機14單獨驅(qū)動，完成較簡單軌跡的高處重載挖掘任務；挖掘任務完成后，調(diào)整驅(qū)動桿8回轉，鏟斗I翻轉卸料；卸料完成后，通過控制鏟斗調(diào)整伺服電機13調(diào)整鏟斗I的姿態(tài)以適應下一次挖掘任務的要求。
【權利要求】
1.混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械，包括變胞挖掘機構、鏟斗調(diào)整機構以及正鏟式鏟斗(1)，其特征在于:所述變胞挖掘機構為由重載挖掘驅(qū)動桿(2)和軌跡輸出驅(qū)動桿(3)、中部向上拱起的折狀挖掘臂(4)和挖掘連桿(5)以及機架(6)構成的二自由度五連桿機構，所述重載挖掘驅(qū)動桿(2)和軌跡輸出驅(qū)動桿(3)分別于機架(6)上鉸裝并分別由設于機架(6)上的重載挖掘電機(14)和軌跡輸出伺服電機(12)驅(qū)動，所述軌跡輸出伺服電機(12)自帶有大扭矩電磁制動器，所述挖掘臂(4)的尾端鉸連重載挖掘驅(qū)動桿(2)，所述挖掘連桿(5)鉸連于挖掘臂(4)中部和軌跡輸出驅(qū)動桿(3)，所述挖掘臂(4)前段臂體上開設有滑動槽(7);所述鏟斗(I)鉸連于挖掘臂(4)前端；所述鏟斗調(diào)整機構設于挖掘臂(4)前段臂體與鏟斗(I)之間，包括調(diào)整驅(qū)動桿(8 )、臂體連桿(9 )和鏟斗連桿(10 )，所述調(diào)整驅(qū)動桿(8 )鉸裝于挖掘臂(4)前段臂體上并由設于機架(6)上的鏟斗調(diào)整伺服電機(13)驅(qū)動，所述鏟斗調(diào)整伺服電機(13)自帶有大扭矩電磁制動器，所述臂體連桿(9)與調(diào)整驅(qū)動桿(8)鉸連，所述鏟斗連桿(10)鉸裝于纟產(chǎn)斗(I),其鉸連點低于纟產(chǎn)斗(I)與挖掘臂(4)前端的鉸連點,臂體連桿(9)與鏟斗連桿(10)通過傳動銷(11)形成復合鉸鏈，所述傳動銷(11)滑動置于所述滑動槽(7)內(nèi)。
2.根據(jù)權利要求1所述的混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械，其特征在于:重載挖掘時，所述軌跡輸出驅(qū)動桿(3)由軌跡輸出伺服電機(12)的大扭矩電磁制動器鎖死，所述二自由度五連桿機構變胞為單自由度四桿機構。
3.根據(jù)權利要求2所述的混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械，其特征在于:所述重載挖掘電機(14)的功率大于軌跡輸出伺服電機(12)的功率。
4.根據(jù)權利要求1?3中任意一項所述的混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械，其特征在于:所述鏟斗連桿(10)為于挖掘臂(4)前段臂體兩側設置的雙桿組件。
5.根據(jù)權利要求1?3中任意一項所述的混合驅(qū)動變胞機構挖掘機械，其特征在于:所述機架(6)為輪胎式或履帶式挖掘機的回轉平臺。
【文檔編號】E02F3/34GK103790191SQ201410068664
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權日:2014年2月27日
【發(fā)明者】潘宇晨 申請人:欽州學院