一种电动挖掘机工作装置驱动系统及其控制方法

本发明涉及工程机械，具体而言，涉及一种电动挖掘机工作装置驱动系统及其控制方法。

背景技术：

1、在工程机械领域中，工程机械的要求不断提高，电动化、智能化、无人化、信息化等技术不断被应用于起重机械、挖掘机、装载机、农业机械等。在这些工程机械中，挖掘机作为工程机械领域中广泛应用的重要设备之一，是未来研究发展的热点方向。

2、传统的挖掘机工作装置通常使用液压驱动，液压驱动器作为核心元件，具有高功率密度、高频响应等优势。然而，液压驱动器能量效率偏低、控制精度低、成为制约其发展的重要因素。因此，电驱动的研究逐渐越来越受到欢迎。电驱动器结构极为紧凑，控制性能更好，最重要的是其能效远高于液压驱动器，其次，针对一些特殊工况，驱动设备需要具备自动化的功能，以方便控制工作。

3、目前在挖掘机领域的创新主要有通过改进液压系统，如优化阀门控制或增加节能装置，以提高挖掘机工作装置的响应速度和效率，同时减少能耗。改进挖掘机工作装置结构设计，如使用轻量化材料或优化动臂的机械传动系统，以提升整体性能和耐久性。或引入电气驱动技术，如直线驱动器替代传统液压系统部分，以实现更精确的控制和更高的能效。

4、目前对于挖掘机工作装置电驱动系统的技术难题是一、如何实现多个直线驱动器的协调控制，二、是否具有更方便快捷的挖掘机工作装置轨迹设计方法，三、控制方法是否能够缓解挖掘操作对专业性人才依赖的限制，如专利号为cn 103213142a公开了多个直线驱动器驱动的机械臂，通过四根电动直线驱动器推拉力臂将直线运动转换为旋转运动。所设计的机械臂基本符合人的手臂结构，通过改变电动直线驱动器的安装位置改造成了省力杠杆结构，增大了支撑力，但是该发明没有提出多直线驱动器的控制方法，也没有提出机械臂工作轨迹设计方法，专利号为cn 113589809 b公开了可避障的挖掘机工作装置作业轨迹规划方法及装置，其控制方法基于最优路径,控制挖掘机工作装置的运动，缓解了挖掘操作对专业性人才依赖的限制，但是对于挖掘机工作装置轨迹设计过于复杂，不够快捷。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为解决在使用电驱动挖掘机工作装置时如何更简单有效的进行动作控制的问题，同时为满足一些特殊工况或环境下的工作要求，本发明提出了一种电动挖掘机工作装置驱动系统及其控制方法，旨在实现电动挖掘机工作装置在各种场景下的自动挖掘动作，以更精确地满足设计需求，同时提供更便捷和精准的挖掘操作。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明的技术方案为：

3、1.一种电动挖掘机工作装置驱动系统，包括：工作装置和驱动系统；

4、所述工作装置包括：基座、动臂、斗杆、铲斗、动臂直线驱动器、斗杆直线驱动器以及铲斗直线驱动器；

5、所述基座用于支撑和固定整个挖掘机工作装置；

6、所述动臂与基座通过销轴连接，利用动臂直线驱动器进行支撑；

7、所述斗杆与动臂通过双头螺栓连接，采用斗杆直线驱动器推拉；

8、所述铲斗与斗杆之间通过双头螺栓和摇杆连接，使用铲斗直线驱动器进行铲斗开合；

9、所述动臂直线驱动器、斗杆直线驱动器以及铲斗直线驱动器是一种用于线性运动的电动工作装置；

10、所述动臂直线驱动器，采用负载能力最大的直线驱动器用于动臂和基座支撑，此处所受负载最大；

11、所述双头螺栓两边装有橡胶弹簧垫圈，呈对称布置，实现压力缓冲以及减震；

12、所述摇杆为弧形杆，防止工作过程中产生干涉；

13、所述驱动系统，包括：matlab上位机、动臂控制器、斗杆控制器、铲斗控制器、动臂直线驱动器传感器、斗杆直线驱动器传感器、铲斗直线驱动器传感器、总线转换模块pcan以及动力源；

14、所述动臂控制器控制动臂直线驱动器工作，动臂直线驱动器传感器检测动臂直线驱动器位移，斗杆控制器控制斗杆直线驱动器工作，斗杆直线驱动器传感器检测斗杆直线驱动器位移，铲斗控制器控制铲斗直线驱动器工作，铲斗直线驱动器传感器检测铲斗直线驱动器位移；

15、所述matlab上位机通过总线转换模块pcan将位移数据传输到can总线，下位机动臂控制器、斗杆控制器以及铲斗控制器接收指定报文，通过控制动臂直线驱动器、斗杆直线驱动器以及铲斗直线驱动器控制挖掘机工作装置运动；

16、所述动力源为直流电源，为动臂直线驱动器、斗杆直线驱动器以及铲斗直线驱动器提供24v电压，确保动臂直线驱动器、斗杆直线驱动器以及铲斗直线驱动器正常运行；

17、2.一种电动挖掘机工作装置驱动系统的控制方法，包括所述电动挖掘机工作装置驱动系统；

18、所述控制方法的控制过程具体包括以下步骤：

19、(1)建立挖掘机工作装置挖掘动作工作坐标系，铲斗末端的运动范围为二维平面(xoy)；

20、(2)选择所需要的控制精度m按照从上到下的动作依次构建条铲斗末端规划直线轨迹，所规划直线轨迹长度由挖掘机工作装置从上至下最大行程z决定，每条规划直线轨迹共由个点组成，将所有点坐标组成矩形点阵表；

21、(3)铲斗齿尖到坐标原点o1的距离由齿尖世界坐标系坐标计算：

22、

23、px为铲斗末端到x轴投影，py为铲斗末端到y轴投影，动臂工作坐标原点o1到铲斗工作坐标原点o3的直线距离r13：

24、

25、动臂关节角α1为r13与x轴的夹角加上∠○2○1○3：

26、

27、斗杆关节角度α2为角∠○1○2○3的补角:

28、

29、由a1、a2、a3、r13构成的四边形内角和结合铲斗的绝对角度计算铲斗的关节角度：

30、α3＝α*-α2-α1+π

31、利用上述公式反解出每一条铲斗末端规划直线轨迹上动臂、斗杆以及铲斗的关节角度α1、α2、α3、α*数据，通过几何法将关节角度α1、α2、α3、α*数据转换为动臂直线驱动器、斗杆直线驱动器以及铲斗直线驱动器位移数据；

32、(4)统计出矩形点阵表上每一个坐标点对应的动臂直线驱动器、斗杆直线驱动器以及铲斗直线驱动器位移并将点阵表以及动臂直线驱动器位移数据、斗杆直线驱动器位移数据以及铲斗直线驱动器位移数据组成数据库；

33、(5)选择所需要任意铲斗末端轨迹，利用查表法以及最近邻点法从数据库中得到动臂直线驱动器、斗杆直线驱动器以及铲斗直线驱动器位移数据点；

34、(6)利用上位机发送铲斗末端轨迹位移数据工作信号完成自动控制过程；

35、采用上述设计方案的一种电动挖掘机工作装置驱动系统及其控制方法，与现有技术相比，本发明提出了一种电动挖掘机工作装置驱动系统，实现了自动化控制，解决了多个直线驱动器的协调控制问题，构建了挖掘机工作装置挖掘动作工作坐标系和位移数据矩形点阵表数据库，为设计挖掘机工作装置挖掘工作轨迹提供了便利。本发明提供了一种电动挖掘机工作装置驱动系统控制方法的详细流程，将结合位移数据矩形点阵表数据库的查表法应用于挖掘机工作装置轨迹控制方法，操作简单，缓解了挖掘操作对专业性人才依赖的限制。