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摘 要在设计与制造挖掘装载机物理样机过程中，如果反复制造、试验物理样机，不仅会需要大量时间，也会造成资源、人力的浪费。而随着计算机 技术的迅猛发展，虚拟样机技术日益成熟，在挖掘装载机 物理样机 试验过程中采用“虚拟样机、仿真实验”的设计方法，可以在物理样机制造出来之前通过反复修改系统动力学模型进行预测、比较、直至获得最优设计方案，省去反复制造试验物理样机所需
的时间。
关键词挖掘装载机；虚拟样机；技术
中图分类号TH243文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)081-0171-01
虚拟样机技术是科学技术的重大研究成果，特别是在挖掘机的设计和制造中，它可以结合各种不同的设计方案模拟各种挖掘的工作情况，从而做出最正确和符合实际的方案选择。其中，ADAMS虚拟样机技术在挖掘装载机 设计和制造的全过程都可发挥重要作用，在其开发投入期采用该技术能缩短设计周期、节约设计经费；产品制成之后仍可进行虚拟样机 仿真实验，代替物理样机实验进行子系统及参数的优化。
1挖掘装载机挖掘装置虚拟样机的参数设计
挖掘装载机虚拟样机的建立基于ADAMS软件，可以方便快捷地建立挖掘装置的虚拟样机，估算统计出系统共需24个开关量I/O口，其中输入16个，输出8个。根据系统要求的I/O点数再加上20%-30％的备用量，确定PLC点数。综合考虑I/O口配置、以后注塑機功能扩展的需要及性能价格比等因素，综上所述，本文选用选用德国西门子公司的SIMATICS7-300系列PLC作为该系统的下位机，具体的型号为CPU315。样机模型建成以后，可用模型检验工具来检查错误，结果显示此模型没有多余约束，模型检验正确。
如果处理开关量、模拟量，进行回路调节，并能用简易的语言进行编程，具备大型机的分析运算能力，很适宜被工程技术人员所掌握并能编写复杂的程序进行精密的运动控制。
上位机和下位机（PLC）之间选用MPI通信方式，由于CPU315有一个MPI可以利用，在中小型控制系统中，上位机数据传输量不会很大，对实时性要求也不是特别高，故用MPI方式能完全满足控制系统的要求。
信号模块是连接PLC和外部设备的接口模块，这个模块主要是对输入或输出信号进行相应的转换。从而实现样机的参数化建模。
2挖掘装置虚拟样机的优化及其结果
2.1挖掘装置虚拟样机的优化
挖掘装置在转斗挖掘过程中，一般设有RC滤波电路，系统选用的数字输入模块为SM321具体型号为6ES7321-1BL00-OAA0。它额定输入电压为DC24V，每个模块有32个输入点数，输入电流为7mA。
挖掘装置进行转斗挖掘时，数字输出信号用于驱动电磁阀及其控制元件和负载。本系统选用的数字输出模块（DO）为SM322，型号为6ES7322-1BL00-OAA0，其额定输出电压为DC24V，每个模块有32个输出点，输出电流为5mA-0 5A，感性负载最大输出频率为100Hz，阻性负载最大输出频率为0 5Hz。
通过ADAMS软件的设计研究工具（DesignStudy）：控制对象（工作台）的指令位置由人机界面按绝对或相对位置设定，PC机将此指令位置通过通信接口（RS232）传送给 PLC，PLC根据当前的加速度和速度设置进行运动轨迹计算，给出每一时刻应达到的理想位置，和控制对象的实际位置比较后，位置控制器（由PLC的控制程序产生）输出一个速度指令信号，通过通信接口（RS485）传送到伺服驱动器中，伺服驱动器调节伺服电机的转速，电机轴的转动通过丝杆转化为工作台的直线往返运动，安装在工作台的光栅尺将实际位置反馈到PLC中，PLC中的位置控制器根据指令值和位置值的偏差值，通过控制算法产生速度控制指令，再次传送到伺服驱动器上驱动伺服电机旋转，这一调节过程持续进行，直至工作台的实际位置与指令位置的偏差处于允许的误差范围内。速度调节器和电流调节器在伺服驱动器中，只需设定相应的参数便可进行相应的速度调节，而位置调节器算法则由PLC控制软件完成。 改变它们的参数，可以改变铲斗连杆机构的传动比。综合考虑I/O口配置、以后注塑机功能扩展的需要及性能价格比等因素，综上所述，本文选用选用德国西门子公司的SIMATICS7-300系列PLC作为该系统的下位机。 可从优化结果看出：设计变量“DV_1~DV_8”的值分别为4 100 1、1 000#0、
4 450#0、950#0、4 500#0、650#0、4 700#0、600#05时，传力比（i）最大为0#547036。
2.2关于优化结果的分析
首先对挖掘装置的铲斗连杆机构进行分析，可得到最大挖掘半径工作时的传力比i随铲斗油缸行程的变化曲线。
传力比已成为电气控制系统应用最为广泛的核心装置。它不仅可以实现复杂的逻辑控制，还能够完成各种顺序控制或定时的闭环控制功能，具有多方面的优势，抗干扰能力强、可靠性高、稳定性强，体积小，能在恶劣环境下长时间不间断的运行工作，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块，可实现各种级别的连接。优化后的imax=0#547，而优化前的imax=0#511。
按照理论及前人研究结果，最大挖掘力应在铲斗转角为30°附近。本系统选用的模拟输出（AO）模块为SM332，型号为6ES7332-5HD01-OABO模块输出点数为4，工程选择的输出信号为4-20mA，最大负载阻抗为0.5kΩ。可见，最大挖掘力出现在铲斗转角为30°附近，工艺流程控制层主要是接受来自系统需求的具体指示，完成注塑工艺的选择和组合，对各种复合供应进行解释和I/0 输出控制。同时通过检测各传感器信号是否正常来维护系统和机器的安全运转。
伺服控制软件主要承担伺服系统的位置控制、速度控制和电流控制。伺服控制软件和工艺流程控制软件关系密切，它们之间的协调使用，能达到自由度很高的工艺程序控制。
进行仿真还可得到优化前后铲斗油缸行程的变化曲线和铲斗转角的变化曲线， 优化前后铲斗油缸行程和铲斗转角变化不大；即在保证油缸行程和铲斗转角不发生很大变化的前提下，通过改变相应铰点位置，提高了传力比、增加了挖掘力。
3结束语
本文从分析虚拟样机 技术的特点和优势出发，将虚拟样机技术引入挖掘装载机的设计开发领域。主要应用虚拟样机技术及支撑软件ADAMS，针对挖掘装置进行运动仿真及优化分析。
参考文献
[1]孙强,刘传军,曹拓.虚拟样机技术在掘进机设计中的应用[J].煤矿现代化,2011,2.
[2]李新,周志鸿.基于ADAMS的挖掘机虚拟样机最大挖掘力仿真测试[J].建筑机械,2011,7.
的时间。
关键词挖掘装载机；虚拟样机；技术
中图分类号TH243文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)081-0171-01
虚拟样机技术是科学技术的重大研究成果，特别是在挖掘机的设计和制造中，它可以结合各种不同的设计方案模拟各种挖掘的工作情况，从而做出最正确和符合实际的方案选择。其中，ADAMS虚拟样机技术在挖掘装载机 设计和制造的全过程都可发挥重要作用，在其开发投入期采用该技术能缩短设计周期、节约设计经费；产品制成之后仍可进行虚拟样机 仿真实验，代替物理样机实验进行子系统及参数的优化。
1挖掘装载机挖掘装置虚拟样机的参数设计
挖掘装载机虚拟样机的建立基于ADAMS软件，可以方便快捷地建立挖掘装置的虚拟样机，估算统计出系统共需24个开关量I/O口，其中输入16个，输出8个。根据系统要求的I/O点数再加上20%-30％的备用量，确定PLC点数。综合考虑I/O口配置、以后注塑機功能扩展的需要及性能价格比等因素，综上所述，本文选用选用德国西门子公司的SIMATICS7-300系列PLC作为该系统的下位机，具体的型号为CPU315。样机模型建成以后，可用模型检验工具来检查错误，结果显示此模型没有多余约束，模型检验正确。
如果处理开关量、模拟量，进行回路调节，并能用简易的语言进行编程，具备大型机的分析运算能力，很适宜被工程技术人员所掌握并能编写复杂的程序进行精密的运动控制。
上位机和下位机（PLC）之间选用MPI通信方式，由于CPU315有一个MPI可以利用，在中小型控制系统中，上位机数据传输量不会很大，对实时性要求也不是特别高，故用MPI方式能完全满足控制系统的要求。
信号模块是连接PLC和外部设备的接口模块，这个模块主要是对输入或输出信号进行相应的转换。从而实现样机的参数化建模。
2挖掘装置虚拟样机的优化及其结果
2.1挖掘装置虚拟样机的优化
挖掘装置在转斗挖掘过程中，一般设有RC滤波电路，系统选用的数字输入模块为SM321具体型号为6ES7321-1BL00-OAA0。它额定输入电压为DC24V，每个模块有32个输入点数，输入电流为7mA。
挖掘装置进行转斗挖掘时，数字输出信号用于驱动电磁阀及其控制元件和负载。本系统选用的数字输出模块（DO）为SM322，型号为6ES7322-1BL00-OAA0，其额定输出电压为DC24V，每个模块有32个输出点，输出电流为5mA-0 5A，感性负载最大输出频率为100Hz，阻性负载最大输出频率为0 5Hz。
通过ADAMS软件的设计研究工具（DesignStudy）：控制对象（工作台）的指令位置由人机界面按绝对或相对位置设定，PC机将此指令位置通过通信接口（RS232）传送给 PLC，PLC根据当前的加速度和速度设置进行运动轨迹计算，给出每一时刻应达到的理想位置，和控制对象的实际位置比较后，位置控制器（由PLC的控制程序产生）输出一个速度指令信号，通过通信接口（RS485）传送到伺服驱动器中，伺服驱动器调节伺服电机的转速，电机轴的转动通过丝杆转化为工作台的直线往返运动，安装在工作台的光栅尺将实际位置反馈到PLC中，PLC中的位置控制器根据指令值和位置值的偏差值，通过控制算法产生速度控制指令，再次传送到伺服驱动器上驱动伺服电机旋转，这一调节过程持续进行，直至工作台的实际位置与指令位置的偏差处于允许的误差范围内。速度调节器和电流调节器在伺服驱动器中，只需设定相应的参数便可进行相应的速度调节，而位置调节器算法则由PLC控制软件完成。 改变它们的参数，可以改变铲斗连杆机构的传动比。综合考虑I/O口配置、以后注塑机功能扩展的需要及性能价格比等因素，综上所述，本文选用选用德国西门子公司的SIMATICS7-300系列PLC作为该系统的下位机。 可从优化结果看出：设计变量“DV_1~DV_8”的值分别为4 100 1、1 000#0、
4 450#0、950#0、4 500#0、650#0、4 700#0、600#05时，传力比（i）最大为0#547036。
2.2关于优化结果的分析
首先对挖掘装置的铲斗连杆机构进行分析，可得到最大挖掘半径工作时的传力比i随铲斗油缸行程的变化曲线。
传力比已成为电气控制系统应用最为广泛的核心装置。它不仅可以实现复杂的逻辑控制，还能够完成各种顺序控制或定时的闭环控制功能，具有多方面的优势，抗干扰能力强、可靠性高、稳定性强，体积小，能在恶劣环境下长时间不间断的运行工作，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块，可实现各种级别的连接。优化后的imax=0#547，而优化前的imax=0#511。
按照理论及前人研究结果，最大挖掘力应在铲斗转角为30°附近。本系统选用的模拟输出（AO）模块为SM332，型号为6ES7332-5HD01-OABO模块输出点数为4，工程选择的输出信号为4-20mA，最大负载阻抗为0.5kΩ。可见，最大挖掘力出现在铲斗转角为30°附近，工艺流程控制层主要是接受来自系统需求的具体指示，完成注塑工艺的选择和组合，对各种复合供应进行解释和I/0 输出控制。同时通过检测各传感器信号是否正常来维护系统和机器的安全运转。
伺服控制软件主要承担伺服系统的位置控制、速度控制和电流控制。伺服控制软件和工艺流程控制软件关系密切，它们之间的协调使用，能达到自由度很高的工艺程序控制。
进行仿真还可得到优化前后铲斗油缸行程的变化曲线和铲斗转角的变化曲线， 优化前后铲斗油缸行程和铲斗转角变化不大；即在保证油缸行程和铲斗转角不发生很大变化的前提下，通过改变相应铰点位置，提高了传力比、增加了挖掘力。
3结束语
本文从分析虚拟样机 技术的特点和优势出发，将虚拟样机技术引入挖掘装载机的设计开发领域。主要应用虚拟样机技术及支撑软件ADAMS，针对挖掘装置进行运动仿真及优化分析。
参考文献
[1]孙强,刘传军,曹拓.虚拟样机技术在掘进机设计中的应用[J].煤矿现代化,2011,2.
[2]李新,周志鸿.基于ADAMS的挖掘机虚拟样机最大挖掘力仿真测试[J].建筑机械,2011,7.