负载能力与自重之比是衡量机构效率的重要指标,通过降低自重的结构设计与改变驱动方式来提升快速挖掘、移动运输速率等功能是现代挖掘机构研究的新方向。随着绿色循环经济的提出,城镇化建设的不断发展,小型挖掘机构由于其操作简单,移动灵活以及绿色低碳等特点使得其在城镇化建设中的作用越来越大。而传统的液压挖掘机构是以柴油作为原料,利用液压系统传递动力,会出现原料燃烧不充分,尾气排放不达标等情况,液压系统同时存在维护成本高,易出现漏油、不适用于极寒气候等问题,而且制造成本高,关键部件依赖进口,工作时产生的噪音大,都不利于传统液压挖掘机构更大面积的推广。针对上述液压挖掘机构存在的不足,本文以挖掘机构为研究对象,确定了一种可控挖掘机构,用驱动电机作为驱动源,可以有效避免柴油机尾气排放不达标的问题,将连杆作为传动杆件,可以有效避免使用液压挖掘机构其结构复杂且维修困难的液压管路系统,以及其出现的漏油,装配精度高,维修成本高等问题。本文具体工作内容包括以下几个方面:(1)提出两种三自由度可控挖掘机构方案,择优选择了以低自重为原则的可控挖掘机构方案,确定了由三个驱动电机驱动的驱动方式。(2)基于闭环矢量法建立了该机构的运动学数学模型,得到该机构的位姿、速度等的正逆解;对铲斗结构进行设计;通过Matlab计算的运动学方程的数值计算结果与利用三维软件Solidworks得到的仿真测量结果进行对比,验证了机构运动模型的正确性;对可控挖掘机构进行奇异性分析,得到可控挖掘机构的奇异位置;对可控挖掘机构进行工作空间分析,根据隐函数存在定理求得可控挖掘机构的工作空间边界条件;利用Matlab编程得到可控挖掘机构的工作空间。(3)基于动静法,对该机构处于挖掘工况时进行刚体动力学分析,得到驱动力矩的计算表达式,根据经验公式求解出该可控挖掘机构的最大挖掘阻力,并基于ADAMS,对该可控挖掘机构进行动力学仿真分析,得到各主动杆件的驱动力矩曲线,为驱动电机的选型提供依据。(4)考虑挖掘机在挖掘作业时会出现突然挖到坚硬物的情况,在ADAMS软件仿真的基础上,利用LS-DYNA软件模拟挖掘机空载在动能最大的情况下从不同角度与障碍物碰撞,分析了不同碰撞角度对接触力和最大动应力的影响,以及在外激励作用下的应力分布情况。