混合驱动变胞机构挖掘机械制造技术

本发明专利技术公开了一种混合驱动变胞机构挖掘机械，包括变胞挖掘机构、铲斗调整机构和铲斗，变胞挖掘机构为由重载挖掘驱动杆和轨迹输出驱动杆、挖掘臂和挖掘连杆以及机架构成的二自由度五连杆机构，采用电机和伺服电机混合驱动的策略，根据不同挖掘工况要求变化自身拓扑结构，满足不同挖掘任务中复杂轨迹输出和频繁负载变化要求；正铲式铲斗铰连于挖掘臂前端；铲斗调整机构设于挖掘臂前端臂体与铲斗之间，由单独的伺服电机控制，负责调整铲斗在各个挖掘工况中的姿态。本发明专利技术具有多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特点，根据工况变化自我重构，解决了传统机械式挖掘机构实现动作简单、液压式挖掘机构易出现漏油等问题。

【技术实现步骤摘要】
（一）
：本专利技术涉及工程机械技术，特别是一种混合驱动变胞机构挖掘机械。（二）
技术介绍
：挖掘机是一种重要的工程机械，广泛应用于工业、交通、能源、农田改造、水利、民用建筑、矿山采掘以及现代化军事工程等机械化施工方面。挖掘机主要有液压式和机械式两种类型。液压式挖掘机具有结构简单、重量轻、可实现很多复杂动作等优点，被广泛采用。但是液压式挖掘机是以液压油为传递动力的介质，其起动性较差，容易因内部元件磨损后产生泄漏，而且涉及的元件较多，泄漏的液压油会造成环境的污染。同时出现过热，工作无力等现象。随着挖掘机功能要求的增加，其液压系统越来越复杂，会造成其故障出现更具有突发性、隐蔽性。正因为液压系统有如此缺陷和局限性，液压式挖掘机多为中、小型挖掘机，许多大型挖掘机还不得不采用电力驱动的机械式挖掘机。机械式挖掘机已经有近百年历史，是利用机械传动件带动挖掘动作，其具有作业效率高，使用寿命长，能适应恶劣的矿山工作环境等特点。但是，传统的单自由度机械式挖掘机自身结构庞大复杂且不能完成灵活多变的挖掘动作，即使仅用于采矿，也常常遇到困难，如：在挖掘较高台面时斗齿上不能产生更大的切削力；对于倾斜矿层的清理根底，向装载车中卸载高度偏小等等。当前，工程机械领域已形成这样的共识：机械式挖掘机所能完成的动作简单、难以变化，许多动作不能实现；液压式挖掘机可以灵活地执行各种工程动作，但又存在液压系统零部件要求高、寿命不长、漏油等缺陷。这是工程机械领域一个十分棘手的问题，也是长期未能取得突破的难题。变胞机构是上世纪90年代，英国伦敦大学国王学院戴建生教授等人在研究可折叠式纸盒和工艺品机构时发现的一类新型机构，具有多工作阶段的变功能和变拓扑结构特性。变胞机构由于其适应性和可重构性，尤其适应于在不同工作阶段完成不同工作任务等要求。该发现获得了1998年在亚特兰大召开的ASME第25界机构学双年度最佳论文奖，并列入20世纪90年代获奖的四篇论文之一。这类新型机构提出后，引起了国际机构学界的广泛关注并获得了一些应用：伦敦大学国王学院利用变胞原理开发研制出变胞手，其结构和自由度在运行中变化，由此向三指手提供了额外的自由度，便于控制手指抓持方位和灵巧度；北京航空航天大学丁希仑等开发了火星变胞探测车，该车利用变胞原理，采用杆件变换，使其变形并变换不同的行走方式以适应不同的需求和不同的环境；新加坡南洋理工大学Y.M.Chen等开发了变胞水下车，利用变胞概念，变换车形来完成所需的工作任务。（三）
技术实现思路
：本专利技术是将变胞机构的原理应用于工程机械
，提出了一种混合驱动变胞机构挖掘机械，以满足不同工作阶段中复杂轨迹输出和频繁负载变化的要求。本专利技术通过以下技术方案满足上述要求：本专利技术混合驱动变胞机构挖掘机械的技术方案，包括变胞挖掘机构、铲斗调整机构以及正铲式铲斗，所不同的是所述变胞挖掘机构为由重载挖掘驱动杆和轨迹输出驱动杆、中部向上拱起的折状挖掘臂和挖掘连杆以及机架构成的二自由度五连杆机构，所述重载挖掘驱动杆和轨迹输出驱动杆分别于机架上铰装并分别由设于机架上的重载挖掘电机和轨迹输出伺服电机驱动，所述轨迹输出伺服电机自带有大扭矩电磁制动器，所述挖掘臂的尾端铰连重载挖掘驱动杆，所述挖掘连杆铰连于挖掘臂中部和轨迹输出驱动杆，挖掘臂前端臂体上开设有滑动槽；所述铲斗铰连于挖掘臂前端；所述铲斗调整机构设于挖掘臂前段臂体与铲斗之间，包括调整驱动杆、臂体连杆和铲斗连杆，所述调整驱动杆铰装于挖掘臂前段臂体上并由设于机架上的铲斗调整伺服电机驱动，所述铲斗调整伺服电机自带有大扭矩电磁制动器，所述臂体连杆与调整驱动杆铰连，所述铲斗连杆铰装于铲斗，其铰连点低于铲斗与挖掘臂前端的铰连点，臂体连杆与铲斗连杆通过传动销形成复合铰链，所述传动销滑动置于所述滑动槽内。所述变胞挖掘机构采用重载挖掘电机和轨迹输出伺服电机的混合驱动：重载挖掘时，所述轨迹输出驱动杆由大扭矩电磁制动器锁死，所述二自由度五连杆机构变胞为单自由度四杆机构；在工作载荷不大、需实现复杂轨迹作业时，大扭矩电磁制动器放松轨迹输出驱动杆，轨迹输出伺服电机控制轨迹输出驱动杆并配合重载挖掘驱动杆运动，单自由度四连杆机构恢复为平面二自由度五连杆机构；挖掘过程中大部分的挖掘力由重载挖掘驱动杆提供，并在重载挖掘时承载全部挖掘力；所述铲斗调整伺服电机负责控制各种挖掘工况中铲斗的姿态以及挖掘完成后的卸料工作，并在挖掘过程中由其自带的大扭矩电磁制动器锁死调整驱动杆以固定铲斗位置。根据功能的不同，所述重载挖掘电机的功率大于轨迹输出伺服电机的功率。为平衡铲斗运动，所述铲斗连杆为于挖掘臂前段臂体两侧设置的双杆组件。本专利技术用于轮胎式或履带式挖掘机，则所述机架为轮胎式或履带式挖掘机的回转平台，从而实现挖掘、回转、卸料等挖掘工作和整机的定位与行走。本专利技术的有益效果：1、本专利技术混合驱动变胞机构挖掘机械具有变胞功能，在工作载荷不大、需实现复杂轨迹时，为二自由度五连杆机构，而在大载荷工况时，变胞成为单自由度四连杆机构，可较好满足不同挖掘任务中复杂轨迹输出和频繁负载变化等要求。2、本专利技术所提出的混合驱动变胞机构采用大功率常规电机和较小功率伺服电机混合驱动的策略，与全伺服电机驱动的挖掘机构相比具有更大的挖掘力和更高的可靠性。3、本专利技术所提出的混合驱动变胞机构采用外转动副驱动，承受挖掘力的驱动电机均安装在机架上，能有效降低手臂重量，提高挖掘速度。4、本专利技术所提出的混合驱动变胞机构，既能解决传统单自由度机械式挖掘机构动作简单，挖掘速度难控制，不能实现复杂动作等问题，又能解决液压式挖掘机构对零部件要求高、寿命不长、易漏油、可靠度难保证等问题，并且整机结构简单紧凑，零部件制造加工要求低。（四）附图说明：图1为本专利技术一种实施方式的结构示意图。图2为图1实施方式中铲斗调整机构的后视图。图3为图1实施方式中铲斗调整机构的俯视图。图4为图1实施方式安装在履带式挖掘机的回转平台上的结构示意图。图5（a）为图1实施方式实现某给定轨迹轻载挖掘前姿态。图5（b）为图1实施方式实现某给定轨迹轻载挖掘后姿态。图5（c）为图1实施方式实现某给定轨迹轻载挖掘后卸料姿态。图6（a）为图1实施方式实现远距离重载挖掘前姿态。图6（b）为图1实施方式实现远距离重载挖掘后姿态。图6（c）为图1实施方式实现远距离重载挖掘后卸料姿态。图7（a）为图1实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
混合驱动变胞机构挖掘机械，包括变胞挖掘机构、铲斗调整机构以及正铲式铲斗（1），其特征在于：所述变胞挖掘机构为由重载挖掘驱动杆（2）和轨迹输出驱动杆（3）、中部向上拱起的折状挖掘臂（4）和挖掘连杆（5）以及机架（6）构成的二自由度五连杆机构，所述重载挖掘驱动杆（2）和轨迹输出驱动杆（3）分别于机架（6）上铰装并分别由设于机架（6）上的重载挖掘电机（14）和轨迹输出伺服电机（12）驱动，所述轨迹输出伺服电机（12）自带有大扭矩电磁制动器，所述挖掘臂（4）的尾端铰连重载挖掘驱动杆（2），所述挖掘连杆（5）铰连于挖掘臂（4）中部和轨迹输出驱动杆（3），所述挖掘臂（4）前段臂体上开设有滑动槽（7）；所述铲斗（1）铰连于挖掘臂（4）前端；所述铲斗调整机构设于挖掘臂（4）前段臂体与铲斗（1）之间，包括调整驱动杆（8）、臂体连杆（9）和铲斗连杆（10），所述调整驱动杆（8）铰装于挖掘臂（4）前段臂体上并由设于机架（6）上的铲斗调整伺服电机（13）驱动，所述铲斗调整伺服电机（13）自带有大扭矩电磁制动器，所述臂体连杆（9）与调整驱动杆（8）铰连，所述铲斗连杆（10）铰装于铲斗（1），其铰连点低于铲斗（1）与挖掘臂（4）前端的铰连点，臂体连杆（9）与铲斗连杆（10）通过传动销（11）形成复合铰链，所述传动销（11）滑动置于所述滑动槽（7）内。...

【技术特征摘要】
1.混合驱动变胞机构挖掘机械，包括变胞挖掘机构、铲斗调整机构
以及正铲式铲斗（1），其特征在于：所述变胞挖掘机构为由重载挖掘驱动
杆（2）和轨迹输出驱动杆（3）、中部向上拱起的折状挖掘臂（4）和挖掘
连杆（5）以及机架（6）构成的二自由度五连杆机构，所述重载挖掘驱动
杆（2）和轨迹输出驱动杆（3）分别于机架（6）上铰装并分别由设于机
架（6）上的重载挖掘电机（14）和轨迹输出伺服电机（12）驱动，所述
轨迹输出伺服电机（12）自带有大扭矩电磁制动器，所述挖掘臂（4）的
尾端铰连重载挖掘驱动杆（2），所述挖掘连杆（5）铰连于挖掘臂（4）中
部和轨迹输出驱动杆（3），所述挖掘臂（4）前段臂体上开设有滑动槽（7）；
所述铲斗（1）铰连于挖掘臂（4）前端；所述铲斗调整机构设于挖掘臂（4）
前段臂体与铲斗（1）之间，包括调整驱动杆（8）、臂体连杆（9）和铲斗
连杆（10），所述调整驱动杆（8）铰装于挖掘臂（4）前段臂体上并由设
于机架（6）上的铲斗调整伺服电机（13）驱动，所述铲斗调整伺服电机
...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘宇晨，
申请(专利权)人：钦州学院，
类型：发明
国别省市：广西;45