挖掘机工作装置轨迹控制.pdf

专题综述挖掘机工作装置轨迹控制同济大学 黄宗益 王 康 杨劲松1 概述液压挖掘机是通用性机械,具有很多自由度,完 成多种作业:掘削、 装载、 整地、 起重和搬运等 这些 作业往往需要复合操作,要求对工作装置的运动进 行控制,使铲斗按要求的轨迹进行作业 例如:倾斜面切削加工、 土坡夯实、 压实摊平、 地面平整、 垂直面 修正、 掘沟槽和基坑等 要高效率和高质量地完成这 些作业,司机需要有很高超的技巧 例如水平面和垂 直面的精整作业,要求司机对动臂、 斗柄和铲斗三个 操纵手柄联动操作,进行巧妙配合才能完成 对司机来说,不仅要有高度操作技术,而且要注意力高度集 中,因此司机的生理和心理负担都很重,很容易产生 疲劳,为了解决这些问题,必须对工作装置的运动进 行电子控制 目前在挖掘机上采用以下工作装置运动控制:(1)直线自动掘削1)平整土地、 修坡 一般由斗柄和动臂同时动 作来进行直线切削,如图1(a)所示2)坡道压实摊平 一般由动臂、 斗柄和铲斗三 者同时动作来实现,如图1(b)所示 其平面切削的角度范围可以±90°,作业精度以 掘削精度长度比(即掘削偏差与掘削长度之比)来衡 量,大约±014%左右,即5m掘削长度时掘削偏差 为±20mm ,如图1(c)所示。

(2)装载作业控制在铲装过程中需保持铲斗合适的切削轨迹,动 臂举升过程中要保持斗倾角一定,以防铲斗中土撒 落,卸土后要自动复归到新掘削的适当位置 这些都 需通过电子控制,对动臂、 斗柄和铲斗进行连动控 制3)作业空间设定近年来城市的市政工程建设在不断增加,为了 使司机在狭窄的场所能安心作业,提高作业效率,保 证工地现场的人身安全,避免因碰撞损坏房屋、 电线 杆、 电线以及管道等,在挖掘机上采用了作业空间设图1 直线自动掘削 (a)直线掘削 (b)压实摊平(c)加工精度 (d)倾斜修正定控制,控制挖掘深度和举升高度、 铲斗倾角和斗尖 坐标位置等 这些参数都可以预先设定,当到达设定 极限位置时,蜂鸣器响,同时自动限位,停止超越作业空间设定范围的运动 在有些挖掘机上还有数字 显示装置,将挖掘深度、 斗倾角和斗尖坐标等数值表 示出来,让司机了解掌握 简单的深度控制只考虑动臂升降运动而不考虑 斗杆运动所引起切削深度的变化,是不精确的;近年来,切削深度控制已把斗杆运动等对切深的影响考 虑进去了,如图2(b)所示深度控制设定有两种方式:绝对深度设定是以82《建筑机械》1998年第2期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图2 作业空间设定控制 (a)高度和深度控制(b)两种深度控制(c)绝对深度和相对深度控制机体(支承地面)作为基准来设定的;相对深度设定 是以某一基准面来设定切削深度的,如图2 (c)所 示。

铲斗倾角设定可以采用以下两种方法:1)保持当前倾角控制:以铲斗操纵手柄中位时 铲斗倾角为准,通过微机控制、 使得动臂和斗柄动作过程中铲斗始终保持此倾角不变 这种倾角保持控 制方式是由司机随意操纵设定的,不受机体倾斜的 影响、 铲斗切削角是通过实际对刀来确定的2)铲斗倾角设定控制:通过设定开关来设定斗 倾角值,在工作装置操纵的过程中,通过微机控制保持此倾角值不变 除此以外,还有防止工作装置和机体驾驶室碰 撞干涉控制,挖掘机回转角度限定控制等等 采用了 工作装置运动控制后,可以节省辅助工作人员,减少 辅助工作量,使操作简便,大大地提高了作业效率例如:过去挖沟时需要辅助人员来帮助测量切削深 度,现只需司机一人就行了 又例如:过去斜坡切削 加工,需要一段一段地在坡地上打桩拉线作为司机操纵加工的标志基准,以保证坡地加工精度,采用自 动掘削控制后可由电子控制来保证加工精度4)示教重演运动控制由司机示范操纵工作装置,控制器中的微机把工作装置运动过程中各传感器的信息都记忆下来然后只需按一下按钮,挖掘机按司机的操作动作重演5)防碰撞控制在建设工程中,液压挖掘机碰撞周围工作的辅助人员的人身事故经常发生,为此采用了防碰撞控制,当挖掘机工作装置和机体靠近作业人员时,会自动停止或发出警报。

其工作原理如图3所示 在挖掘机的机体上装有八个超声波发收器,周围工作的作业人员身上有超声波传感装置,挖掘机和人采用应答机方式相互感知,判断作业人员位置和机械移动情况,从而进行控制图3 防碰撞挖掘机工作原理2 挖掘机自动掘削控制方法为了实现铲斗按规定轨迹进行自动掘削,要求动臂油缸、 斗杆油缸和铲斗油缸三者协调动作,有以下两种工作装置运动位置检出方法:1)用位移传感器检出油缸行程(长度)来进行控制 其优点是传感器布置方便,不易碰撞损坏2)用转角传感器检出构件相对转角来进行控制 精度较低,铲斗转角传感器在斗杆下铰点处易碰撞损坏自动掘削有以下几种操纵方式:(1)人工操纵动臂和斗杆,对铲斗进行自动控制 这种控制方式的特点是掘削过程铲斗相对地面 (切削面)的倾角保持不变,但切削轨迹靠人工控制来实现 该系统组成如图4所示,由铲斗对地倾角传92《建筑机械》1998年第2期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.感器、 斗杆操纵先导油压传感器(检出斗杆操纵量)、 铲斗人工操纵压力开关、 电液比例减压阀和电液方 向阀、 铲斗目标角度设定开关、 铲斗角度显示器和控制器等组成。

操纵动臂和斗杆时,通过铲斗对地倾斜角传感 器检出铲斗倾角值输入控制器,由微机将其与设定 的铲斗倾角进行比较后,发出控制电流,使电液比例 减压阀产生相应先导油压,又通过电液方向阀,使主阀向相应方向移动,向铲斗油缸提供所需方向相适 应的液流 通过P I反馈控制,使铲斗倾角追随设定的目标值 如果仅仅是反馈控制,则在动作开始时的 控制精度不高,所以根据斗杆操纵信号,附加上预测 铲斗控制量及其方向的前反馈控制,以提高控制精度 该控制系统采用手动操纵优先,当司机手动操纵 铲斗时,通过铲斗人工操纵压力开关检出,输入控制 器,控制器便将自动控制输出电流切断,电液方向阀 回中位,挖掘变为普通的人工操纵 一旦半自动掘削 控制系统失效,也不影响挖掘机工作2)人工操纵铲斗和斗杆,对动臂进行自动控制 这种控制方法可用来实现按一定切削轨迹进行 半自动掘削 该控制系统由动臂油缸、 斗杆油缸和铲 斗油缸三个行程传感器1、2、3、机体倾斜角传感器图4 保持铲斗倾角不变半自动掘削系统4、 激光基准(激光发射器5和接收器6)或桩标基准7、 和控制器8等组成 如图5所示图5 铲斗倾角变化的自动掘削控制系统这种控制方法的特点是对斗齿尖进行坐标位置 自动控制。

检出动臂油缸长度、 斗杆油缸长度和铲斗 油缸长度输入控制器;通过查表(预先制定,存入微 机内存)分别求得构件夹角 Β1、 Β2、 Β3;通过机体倾斜 角传感器检出 Α角,通过微机简单运算,即可求得动 臂、 斗杆和铲斗三个构件与水平线的夹角(见图6)Χ1=Β1+Α Χ2=Χ1+Β2- 180°Χ3=Χ2+Β3- 180°由 Χ1、 Χ2和 Χ3,通过查表(预先制定,存入微机内存)分别求得三构件在X-Y坐标系中X轴和Y轴的投影;H1、H2、H3和S1、S2、S3(如图6所示) 然后通过简单计算,即可求得斗尖坐标:X=S1+S2+S3Y=H1+H2+H3图6 斗齿坐标计算在进行水平挖掘时,以Y值与额定深度值y的差值 ∃Y=ßY-yß作为控制目标;在进行倾斜面挖 掘时,以Y值与根据斗尖X坐标值由斜坡面求得的y值来进行比较,作为控制目标 由于工作时挖掘机停机面有高度偏差,用机体 作为基准存在误差,当精度要求较高,需要采用经标定的外界基准,一般采用激光基准或桩标基准 下面以激光基准为例来说明如何测定和进行控 制 当进行水平面挖掘时,首先将基准点P对准激03《建筑机械》1998年第2期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.光基准面,测定各油缸长度,通过计算或查表求得H1、H4和H6。

则机体坐标原点离基准面的垂直高度可按下式求得:YL=H1+H6+H4 以激光基准面为基准设定目标深度值h,斗齿离基准面的深度值为H=YL-Y,以偏差值 ∃H=ßH-hß作为控制目标 (3)单操纵杆自动掘削人工仅操纵斗杆,对动臂和铲斗进行自动控制, 实现按一定切削轨迹(直线),并保持铲斗一定切削 角进行自动掘削该系统由传感器部分、 人机接口部分,控制器部 分和液压控制元件等组成图7 单操纵杆自动掘削控制系统传感器部分包括:动臂、 斗杆和铲斗转角传感 器,检出斗杆手操纵杆动作的压力开关 人机接口部分包括:控制目标设定开关和工作装置姿态显示器 液压控制元件包括:电液比例减压阀、 三位四通 电液方向阀和二位四通电液方向阀 控制器部分包括:微机和接口电路通过设定开关设定坡度角和切削角 斗杆转角 传感器检出斗杆转角,根据此转角按切削轨迹要求 求得动臂目标转角;按设定切削角求得铲斗目标转角 分别与动臂转角传感器和铲斗转角传感器检出 的动臂实际转角和铲斗实际转角作比较,进行自动 控制 通过控制斗杆操纵杆的操纵量,可以改变自动 掘削控制的切削速度 其工作过程是这样的:1)改变斗杆操纵量,产生不同的斗杆油缸运动 速度,得到不同的斗杆转动角速度。

2)根据切削轨迹要求由斗杆转动角速度可求 得动臂转动角速度;根据切削角要求由斗杆转动角 速度可求得铲斗转动角速度3)由动臂转动角速度可求得动臂油缸速度;由 铲斗转动角速度可求得铲斗油缸速度4)由动臂油缸和铲斗油缸的速度要求,根据已 知的控制阀特性,通过微机处理分别向各自的电液 比例减压阀发出相应的电流信号图8 将来半自动掘削设想图在自动掘削控制中,保持手动操纵优先功能,只 要手操纵杆一操纵,压力开关就检出手操纵信号,输 入控制器,控制器发出电流信号给二位四通电液方向阀,此阀就转换至手动操纵位置,可进行人工操 纵,操纵动臂可任意改变斗铰点位置,操纵铲斗可任 意改变切削角4)将来半自动掘削系统的设想图8为将来半自动掘削的设想图,在机体上设坐标系x oy,通过控制可以任意设定铲斗运动的限止 空间,人工操纵只能在限止空间内进行切削作业 在 地面上设定坐标系X OY,对此坐标系确定要求加工 成的地形,用数学方式表达出来 用GPS(GlobalPositioning System全球定位系统)或激光测定挖掘 机在地面坐标系中的位置 输入挖掘机内设置的计 (下转47页)13《建筑机械》1998年第2期 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.一缸:进、 排气门。

五、 七、 二、 缸:排气门 六缸:不可调 三、 四、 八、 缸:进气门 吉尔130V发动机:一缸:进、 排气门 五、 四、 二、 缸:排气门 六缸:不可调 三、 七、 八、 缸:进气门 待上述调整完毕后,转动曲轴360°,可调余下气 门212 可调气门的简单记忆方法右 “排” 左 “进”“压缩全调” 将待调整的发动机的某缸(如A缸)置于压缩 上止点时,按作功顺序排列成如图3所示的环形图(箭头所指为作功顺序),并使处于中间作功的某缸 (如B缸)与A缸上下对正,并使A-B左右两列气缸数均等 “压缩全调” 指A缸处于压缩上止点时,进排气 门均可调 “左进” 指当 “A缸” 处于压缩上止点时,排 列在A-B缸左侧的各缸可调进气门,同理 “右排” 指右侧各缸可调排气门B缸此时为排气上止点,气门叠开,进排气门均不可调 例如: OM 402V型发动机,作功顺序为1—5—7—2—6—3—4—8,当一。