基于VB的挖掘机工作装置挖掘包络图快速绘制
摘要：挖掘机工作装置挖掘姿态是由动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸组合动作进行决定。以挖掘机工作装置工作油缸行程为变量，通过数学关系推导，得出工作装置各铰点在整机坐标系下的三维坐标值，借助VisualBasic编程软件进行可视化界面设计及计算分析，实现挖掘机工作装置工作姿态及挖掘包络曲线的自动快速绘制，大幅提升设计人员挖掘机工作装置的设计效率。
关键词：VisualBasic挖掘机工作装置工作姿态包络曲线
挖掘机的工作装置由动臂、斗杆、连杆机构、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸以及铲斗油缸等部分构成，如图1所示，各构件之间采用铰接的方式连接，以此确保装置在作业过程中能够灵活运转[1]。挖掘范围是衡量挖掘机性能的一项关键指标，其直观体现便是挖掘包络图。在过往的设计流程里，绘制挖掘机挖掘包络图多依赖三维模型运动学仿真分析方法[2-4]。这种方式前期建模需投入大量时间与精力，每对构件的尺寸、形状、连接位置等进行一次修改，都必须重新完整地运行仿真分析，过程繁琐且效率低下。鉴于此，本文借助VisualBasic编程软件，将复杂的运动学计算逻辑转化为简洁高效的程序代码，用户通过可视化界面中输入关键参数，如各构件的尺寸规格、油缸的行程范围等，程序便能迅速依据预设算法完成运算，快速生成准确的挖掘包络图，大幅提升设计效率与工作质量。
1工作装置计算的基本方法
挖掘机工作装置的工作姿态，会随着挖掘机动臂油缸、斗杆油缸以及铲斗油缸的伸缩量改变而相应变化。在挖掘机图形绘制过程中，工作装置各铰点于不同姿态下的整机坐标值计算，堪称关键环节。借助坐标系的转换方法，则能够快速且准确地得出各铰点的整机坐标值。[5]
1.1坐标系的转换关系
如图2所示，设P点在局部坐标系中的坐标为，通过数学关系推导，我们容易得出P点在整机坐标系中的坐标值如下：
从上式可以看出，整机坐标值的获得需确定局部坐标值以及局部坐标系在整机坐标系中的转角值。
1.2工作装置各铰点局部坐标值
在挖掘机工作装置绘制好后，动臂、斗杆、铲斗各铰点在各自局部坐标中的值通过简单的三角函数关系便能获得。例如图3中铰点B点在动臂局部坐标下的坐标值为
工作装置其他铰点局部坐标值在此不作计算。
1.3连杆机构随油缸行程的摆角关系
如图3所示，动臂、斗杆、铲斗局部坐标系分别随动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸伸缩而进行摆转。
1.3.1液压缸摇杆机构分析
从图4液压缸摇杆机构参数中可得出
连杆机构随油缸行程变化的计算流程VB编程码如下：
PublicFunctionclndrrodfy2（lcAsDouble，LbAsDouble，lrAsDouble）
Dimfy2AsDouble
fy2=3.1415926-arccos（（lr*lr+Lb*Lb-lc*lc）/（2*lr*Lb））
clndrrodfy2=fy2
EndFunction
1.3.2四连杆机构的转角分析
在图5所示的四连杆的机构简图中，a为主动杆、b为连杆、c为从动杆、d为连杆架。
（1）由四连杆的主动转角计算从动转角，有
VB编程码程序如下：
PublicFunctionFourlinkdt（fyAsDouble）
DimpAsDouble，qAsDouble，rAsDouble，dtAsDouble
p=-Sin（fy）
q=d/a-Cos（fy）
r=（d*d+c*c+a*a-b*b）/（2*a*c）-d*Cos（fy）/c
dt=2*Atn（（p+Sqr（p*p+q*q-r*r））/（q-r））
Fourlinkdt=dt
EndFunction
1.3.3液压缸摇杆机构与四连杆机构的串联
液压缸摇杆机构与四连杆机构的串联的摆角关系为：
其中角度有方向，逆时针为正顺时针为负。
在得到后，根据前面四连杆机构推导公式我们能够得到，VB编程码程序如下：
PublicFunctionSixLinkfy（lcAsDouble，aAsDouble）
DimfyAsDouble
fy=clndrrodfy2（lc，lbc，lrc）+a
SixLinkfy=fy
EndFunction
PublicFunctionSixLinkdt（lcAsDouble，aAsDouble）
DimfyAsDouble，dtAsDouble
fy=SixLinkfy（lc，a）
dt=Fourlinkdt（fy）
Six