一種高空作業車工作斗的調平方法

摘 要：由于機械結構的特性，單個機械部件的動作精度一般是很難保證的，運動過程中往往會出現擾動。通過對高空作業車工作斗的動力學分析，針對高空作業車領域的需求，下面，設計了一套基于PLC控制的工作斗的調平方法。該方法通過傳感器采集、分析部件的運動方向，沖量，彈性勢能、振動方向和幅度等參數，由程序依據分析出的參數，按預先設定的規則從邏輯上抑制系統擾動的產生。同時，用程序控制的方法，使高空作業車的各運動部件，可以按設定的運動規律自動協同作業。并且利用高空作業車各運動部件的運動慣性，互相抵消各部件間慣性和液壓的沖擊影響，使工作斗整體保持平穩。

關鍵詞：工作斗調平 PLC 受迫振動 擾動抑制 運動控制

中圖分類號：TU607 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（a）-0074-02

近年來，隨著國內制造業的發展，高空作業車類產品的需求量在逐年增加，用戶對其性能的要求也越來越高。高空作業車的工作斗，作為載人裝置，在設備工作時，工作斗的平穩性，越來越被用戶關注。

工作斗調平裝置有采用機械連桿機構的，即通過齒輪和鏈條保證工作臂變幅時工作斗的聯動，以此保持工作斗的水平。機械連杠式調平機構增加了高空車工作臂的設計難度，隨著高空作業車工作高度的增加，要設計一套隨著工作臂聯動的機械調平機構幾乎成為了不可能。同時，因為沒有可視或可聽的安全反饋裝置，機械結構出問題時，可能無法保證斗內作業人員的安全。也有依賴PID算法來調節的電液比例調節裝置，這種方法系統簡單，比較容易實現。但是，當設備使用一段時間后，設備的機械和液壓特性可能發生了改變，這時候需要重新整定PID參數才能保證調平裝置工作的正確性。同時，當到了一定高度后，工作臂已相對較柔，因為機械慣性和液壓系統沖擊的原因會產生許多未知的擾動，這時斗內工作人員會有不適的感覺。

本系統使用電液比例閥，增加工作斗水平傾角傳感器、工作臂傾角傳感器，同時采集機手的操縱信號，采用可編程PLC控制器編寫程序，對工作斗的運動按設定的規律進行控制，從而實現各種情況下高空作業車工作斗的自動調平。

1 系統組成

電控系統由PLC可編程控制器、兩個傾角傳感器、操縱手柄和電比例閥組成。

工作斗水平傾角傳感器，將工作斗的傾斜角度變化傳給可編程序控制器。工作臂傾角傳感器，將工作臂的變化情況傳給可編程序控制器。控制器將接收的傳感器信號和人的操縱信號，按設定的算法運算后，控制各電磁閥的工作狀態，按電液比例算法精確計算和控制調平油缸的動作量和動作方向，從而實現工作斗的調平運動控制（如圖1）。

2 工作原理

（1）該方法依據工作臂傾角傳感器來判斷臂架的工作情況，計算出臂架相對于水平面的夾角變化量，計算出臂架的變幅方向、振動幅度和瞬間的振動方向，得到臂架變幅運動時的慣性指標。（2）依據工作斗水平傾角傳感器來判斷工作斗的工作情況，計算出工作斗相對于水平面的夾角變化量，需要調整的方向和得到調整運動時的慣性指標。在臂架動作和調平系統動作時，實現系統間協同作業，對各系統的慣性影響和液壓系統的沖擊進行相互抵消，還有抑制系統可能產生的擾動，從而提高高空作業車工作時工作斗的平穩性（如圖2）。

3 調平系統擾動原因動力學分析

以臂架臂頭鉸點作為分析點，為了簡化，單分析一種工況情況，也就是先考慮臂架往上從勻速變幅運動狀態到停止狀態這段時間。這一瞬間，臂頭鉸點將受到臂架引起的垂直于鉸點方向向上的慣性力（f慣臂）。假設工作斗此時的調平運動向上（調平油缸伸），臂頭鉸點將同時受到工作斗引起的作用于鉸點方向向上的慣性力（f慣斗）。此時f慣臂和f慣斗的分力f慣斗A方向一致，兩力疊加，將對臂頭鉸點產生比較大的作用力（如圖3）。

當臂架伸出到一定長度后，臂架已變得相對較柔。臂頭受力變形后，形成彈性勢能，產生反方向的彈性力f彈臂。工作斗因為已向上運動超過水平位置，會有向下的調平運動（調平油缸縮）。此時，調平運動慣性力f慣斗的分力f慣斗A與臂架的彈力f彈臂方向一致（方向向下），兩力疊加，臂架將往下振動（如圖4）。

臂架往下振動到最大振幅后，此時，工作斗已向下超過水平位置，會有向上的調平運動（調平油缸伸）。這時，調平運動慣性力f慣斗的分力f慣斗A與臂架的彈力f彈臂方向一致（方向向上），臂架將改變方向，向上振動（如圖5）。

這種周期性力的驅動，將使臂頭和工作斗一起形成受迫振動，引起整個系統的擾動，從而使工作斗無法保持水平。

4 PLC控制程序原理

程序依據采集的傳感器信號，分析臂架的運動情況、工作斗的運動情況和機手的操縱情況，合理的控制調平油缸的動作量和動作方向，從邏輯上抑制擾動情況的產生，也就是設定基本的調平規則（當工作斗不水平，只允許臂架上變幅時，工作斗可以往下調平；臂架下變幅時，工作斗可以往上調平）。同時利用f慣臂和f慣斗A方向相反，以及f彈臂和f慣斗A方向相反時可以較好的平衡臂頭鉸點的受力，起到抑制臂頭的慣性運動和盡量減少臂頭的彈性勢能的效果。

為了捕獲瞬間臂架臂頭的運動情況，同時減少元器件的成本，本系統使用普通的傾角傳感器作為傳感器件。依據程序中設定的時間因素為基礎，由程序實時分析臂架臂頭運動的方向，估算臂頭受到的沖量，估算臂頭的彈性勢能。這部分程序，還同時實時分析臂頭可能會產生振動的方向和振幅，將這些分析結果傳給主程序，由主程序同時考慮機手的操縱信號和工作斗的情況后對系統可能會產生的擾動進行抑制。

工作斗判斷程序依據工作斗傾角傳感器的信號，實時分析工作斗相對水平面的夾角和方向，估算工作斗的慣性指標，并且將這些量傳給主程序，再由主程序綜合分析后，控制調平油缸的伸縮來保證工作斗的水平。

5 結論

以上，用簡單適用的方法解決了高空作業車工作斗的調平問題。對因系統擾動的原因引起工作斗調平效果不好，引起斗內工作人員感覺不適的問題，提出了解決方法，提高了高空作業車類產品工作的平穩性。該方法對高空作業車的結構沒有做任何改變，方便高空作業車的升級改造，升級成本低。

該方法的目的，是用程序控制來使高空作業車的各運動部件可以按設定的運動規律自動協同作業，利用高空作業車各運動部件的運動慣性，互相抵消慣性和液壓沖擊影響，使高空作業車工作的平穩性可以控制。

參考文獻

[1]宋伯生.PLC編程理論、算法及技巧[M].北京，機械工業出版社，2009.

[2]董景新，趙長德.控制工程基礎[M].北京，清華大學出版社，2009.

[3]王永巖.工程力學[M].北京.科學出版社，2010.

[4]左鍵民.液壓與氣壓傳動[M].北京.機械工業出版社，2007.5.

[5]（美）克林伯格（Kleinberg，J.），塔多斯（Tardos，E.），著.算法設計[M].張立昂，屈婉玲，譯.北京：清華大學出版社，2007.3.

[6]宋曉光.高空作業車電液比例調平系統仿真研究[D].大連理工大學，2007.

[7]黃桂芳，陳銘年.我國高空作業車研究進展綜述[J].機電技術，2012（1）.

[8]王飛，高空作業車電液控制系統研究[D].長安大學，2009.