基于PC210LCi-10/PC200i-10控制的礦用挖掘機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 楊

（撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 撫順 113122）

利用GNSS測量技術(shù)的工程機(jī)械通過取消人工操作修整標(biāo)樁，大大減小了操作者的工作。對于諸如推土機(jī)和自動平地機(jī)之類的進(jìn)行最終平整土地為主的機(jī)械設(shè)備，進(jìn)行控制以使作業(yè)設(shè)備沿著設(shè)計(jì)面自動移動。機(jī)器控制（以下稱為MC）的系統(tǒng)已經(jīng)商業(yè)化。近年來，除了一系列推土機(jī)外，它還擴(kuò)展了作業(yè)設(shè)備自動控制的應(yīng)用范圍，并贏得了良好的聲譽(yù)。然而，就礦用挖掘機(jī)而言，控制功能僅限于機(jī)器引導(dǎo)（MG）功能，因此操作員應(yīng)在觀看指導(dǎo)監(jiān)視器的同時(shí)，根據(jù)指導(dǎo)在礦山開采區(qū)地上進(jìn)行工作而無需完成修整標(biāo)樁。因此，最終的施工精度不再嚴(yán)重依賴操作員的技能。

本文創(chuàng)新的開發(fā)了一種礦用挖掘機(jī)，將小松集團(tuán)具有獨(dú)特液壓控制技術(shù)的組件與GNSS測量技術(shù)相結(jié)合。該種控制方式通過集成在機(jī)體中的各種組件，實(shí)現(xiàn)了從粗挖到精挖的作業(yè)的自動控制，并提高了施工效率，而且?guī)в凶詣油Ｖ箍刂乒δ芸梢允箼C(jī)器停止工作。

1 礦用挖掘機(jī)的電子設(shè)備及作用

1.1 GNSS測量儀器

在常規(guī)的具有機(jī)器引導(dǎo)功能液壓挖掘機(jī)中，將GNSS天線豎直安裝重安裝在配重上。在本機(jī)器中，將其安裝在駕駛室后部的扶手上，從而降低了由于與樹木接觸而造成的損壞風(fēng)險(xiǎn)，并提高了安裝/拆卸過程中的安全性。

1.2 行程感應(yīng)缸

為了高精度地控制作業(yè)設(shè)備，需要精確地檢測作業(yè)設(shè)備的位置和速度。本機(jī)采用小松集團(tuán)制造的行程傳感器，用于工作設(shè)備的液壓缸（動臂缸，斗桿缸和鏟斗缸）。這些傳感器可以精確地檢測每個(gè)氣缸的行程（長度）和速度，用于工作設(shè)備控制和工作設(shè)備位置的計(jì)算。通過氣缸桿的伸長和收縮，并結(jié)合糾正由于輥筒滑動而產(chǎn)生的誤差功能，行程感應(yīng)缸可以通過旋轉(zhuǎn)滾軸來檢測沖程。與使用傾斜儀檢測工作設(shè)備狀態(tài)的其他產(chǎn)品相比，該傳感器具有出色的動態(tài)響應(yīng)能力，并且不會引起邊緣晃動。

1.3 慣性測量單元

為了計(jì)算精確的工作設(shè)備狀態(tài)，需要檢測機(jī)體的傾斜角。在機(jī)體框架上安裝慣性測量單元(IMU)，可以高精度檢測機(jī)體姿態(tài)角，即使在斜坡上工作也可以實(shí)現(xiàn)對工作設(shè)備的精密控制。

操作人員的操作信號被傳輸?shù)揭簤嚎刂崎y，通過液壓先導(dǎo)閥控制油缸的動作，操作感覺與基礎(chǔ)機(jī)的操作相同。與基礎(chǔ)機(jī)不同的是，先導(dǎo)閥和控制閥之間有電氣壓力控制閥(EPC)，用于對工作設(shè)備進(jìn)行電控先導(dǎo)壓力控制。每個(gè)控制閥都安裝有一個(gè)傳感器。傳感器精確地檢測閥芯的位置，從而確定流量，從而提高控制性能。

1.4 電控工作設(shè)備閥門

操作員對操縱桿操作將通過液壓先導(dǎo)閥傳遞到控制液壓缸動作的液壓控制閥，并保持與主機(jī)相同的操作體驗(yàn)。與主機(jī)的不同之處在于，在先導(dǎo)閥和控制閥之間設(shè)置了動壓力控制閥（EPC）（圖1），以電子方式控制先導(dǎo)壓力，以進(jìn)行工作設(shè)備控制。每個(gè)控制閥均安裝有傳感器。傳感器精確檢測閥芯的位置，確定流量以改善控制性能。

圖1 電子控制器

1.5 電子控制器

將每個(gè)部件的電信號連接到控制器，控制器輸出控制工作設(shè)備的命令。該控制器使用的硬件是經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證的大型工程機(jī)械，它通過通信網(wǎng)絡(luò)與其他控制器連接，以從其他控制器獲取必要的信息。

1.6 大屏幕控制箱

雖然顯示設(shè)計(jì)圖紙信息、執(zhí)行所需的邊緣位置、距離和機(jī)器狀況的顯示器一般以6英寸～7英寸為主要尺寸，但考慮到界面直觀性和使用功能，這里安裝了大尺寸12.1英寸觸摸屏式顯示器(圖2)。在使用工作燈時(shí)，還包括啟動/終止、機(jī)器按鍵開/關(guān)和LCD屏幕自動調(diào)光等功能。

圖2 大屏幕控制箱

設(shè)計(jì)了3D俯視顯示和顯示文字的位置以便于查看，并配備了便于理解的燈條和聲音引導(dǎo)功能，提供了方便使用的功能鍵和各種定制功能。因此，不僅操作符的可視性得到了提高，而且作為界面的功能也得到了改進(jìn)。該監(jiān)視器安裝有一個(gè)球接頭，無論操作者的座位位置如何，都可以調(diào)節(jié)到可以保證可試性的位置。

2 工作設(shè)備控制與智能

在傳統(tǒng)的機(jī)器導(dǎo)引液壓挖掘機(jī)中，操作員在檢查設(shè)計(jì)面和屏幕上顯示的邊緣之間的位置關(guān)系時(shí)手動操作。在此機(jī)器中，由于工作設(shè)備的控制，操作人員可以進(jìn)行操作而不必?fù)?dān)心挖入設(shè)計(jì)平面，這是這臺機(jī)器的最大特點(diǎn)。

對于操作本身，當(dāng)使用機(jī)器導(dǎo)引礦用掘機(jī)進(jìn)行挖掘時(shí)，如吊桿、鏟斗挖掘或翻斗邊緣到達(dá)設(shè)計(jì)面，工作設(shè)備自動停止(自動停止控制)。在機(jī)械臂操作中,如果控制器判斷出挖到設(shè)計(jì)圖面基于工作設(shè)備和設(shè)計(jì)面之間的位置關(guān)系,快速抬起的命令會自動控制輸出和工作設(shè)備,以便沿著邊緣設(shè)計(jì)表面(自動分級協(xié)助)，這臺挖掘機(jī)的工作設(shè)備控制的特點(diǎn)介紹如下。

2.1 自動停機(jī)控制

控制器不斷計(jì)算設(shè)計(jì)面與邊緣的距離、邊緣速度和方向。根據(jù)檢測到的駕駛員操作引起的先導(dǎo)壓力計(jì)算出邊緣速度，并計(jì)算出允許速度與到設(shè)計(jì)面距離的關(guān)系。當(dāng)判斷有必要進(jìn)行控制干預(yù)時(shí)，將目標(biāo)轉(zhuǎn)速幾何化轉(zhuǎn)換為各缸的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并通過改變EPC閥的電流來控制氣缸先導(dǎo)壓力，將邊緣轉(zhuǎn)速降低到允許轉(zhuǎn)速。最后它在設(shè)計(jì)面邊緣上停止。在開始挖掘或用于測量時(shí)，邊與設(shè)計(jì)面對齊時(shí)，自動停止控制是一種非常有效的功能。

2.2 自動分級輔助

與自動停機(jī)控制一樣，如果控制器根據(jù)設(shè)計(jì)面與邊的距離、邊的速度和方向判斷挖掘邊將通過操作臂進(jìn)入設(shè)計(jì)面，會自動輸出吊桿抬升指令，并激活控制干預(yù)，使邊緣沿設(shè)計(jì)面移動，同時(shí)降低手臂移動的速度。自動分級輔助會根據(jù)設(shè)計(jì)面控制區(qū)進(jìn)行自動停止控制(示例)沿設(shè)計(jì)面方向的邊緣速度，從檢測到的操作量計(jì)算。PC210LCi-10/PC200i-10機(jī)控液壓挖掘機(jī)的包括對執(zhí)行精度要求不高的粗挖作業(yè)和爬行速度要求精度的作業(yè)。

2.3 其它

礦用挖掘機(jī)根據(jù)執(zhí)行內(nèi)容將其鏟斗更換為合適的鏟斗。當(dāng)使用具有傾斜操作能力的鏟斗時(shí)，只需在鏟斗上增加傾斜傳感器即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器控制。盡管鏟斗的重量取決于安裝的鏟斗，但通過改變機(jī)體監(jiān)視器上的鏟斗重量設(shè)置，可以確保從重的鏟斗到輕的鏟斗的控制精度。機(jī)器控制功能可以輕松切換到機(jī)器導(dǎo)引功能，進(jìn)行單按鈕操作。

3 機(jī)械控制的效果分析

與傳統(tǒng)的精加工樁和MG液壓挖掘機(jī)相比，上述工作設(shè)備控制和大屏幕上的信息將內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)化模型工作時(shí)間縮短了約20%～63%。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了從挖掘面到設(shè)計(jì)面到的一系列執(zhí)行操作，根據(jù)工作時(shí)間視工作內(nèi)容和條件不同，工作時(shí)間都有效縮短。

4 結(jié)論

本文介紹了礦用挖掘機(jī)的PC210LCi-10,PC200i-10”集成，智能和創(chuàng)新的特點(diǎn)。該挖掘機(jī)機(jī)械控制的功能和技術(shù)將降低操作人員的疲勞程度，使有經(jīng)驗(yàn)的操作人員能夠更有效地進(jìn)行工作，并減少經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員與沒有經(jīng)驗(yàn)的操作人員之間的技能差異。有效提升礦山開采效率。