液壓傳動機構位姿檢測方法研究

李海虹,解晶琳,鄒久禮,張學良

(太原科技大學機械工程學院,山西太原 030024)

實驗技術與方法

液壓傳動機構位姿檢測方法研究

李海虹,解晶琳,鄒久禮,張學良

(太原科技大學機械工程學院,山西太原 030024)

為了準確測取液壓傳動機構的位姿數據用以跟蹤控制,該文通過分析轉角測量方法的優缺點,根據機構的運動學分析,轉換測試思路,提出以液壓缸行程的線位移測量取代關節轉角測量。以挖掘機工作裝置分析為例,在建立液壓缸行程與各關節轉角的轉換模型基礎上,利用單片機和Lab VIEW聯合開發數據采集及后處理系統,實現各關節轉角的實時顯示和保存,為自主挖掘的伺服控制系統提供了可靠的位姿數據。

液壓傳動機構;軌跡跟蹤;位姿檢測;液壓缸行程檢測;數據采集

由于液壓裝置比同體積的電氣裝置具有更強的動力輸出,且液壓傳動具有無級調速等諸多優點,所以液壓傳動機構得到了廣泛使用。但是,隨著傳動精度要求的逐步提高,液壓伺服控制系統的性能已經成為目前液壓技術的重要研究內容,而如何迅速且可靠地獲得檢測信號是伺服控制系統前端技術研發的關鍵之一[1],因為沒有檢測信號或信號不準確時,再完備的伺服系統也無法實現有效控制。

以液壓挖掘機實現自主挖掘的研究為例,伺服控制系統需要對挖掘機工作裝置的實時位姿進行檢測,并用于實現軌跡跟蹤、糾偏、軌跡重新規劃,以及路徑規劃更新等[2-9]。依據運動學分析可知,鏟斗軌跡由各工作裝置的關節轉角計算得出,所以最直接的位姿檢測方法就是測量各關節鉸的角位移[10]。

目前,關節轉角數據主要由編碼器進行相對式角度測量或由傾角傳感器進行絕對式角度測量。采用編碼器測量各關節的相對轉角存在以下問題[11-12]:(1)工作裝置關節采用銷軸連接,不便安裝傳感器;(2)編碼器屬于高精密傳感器,而銷軸連接均采用間隙配合,因此軸向與徑向位移比較大,導致編碼器無法準確測量挖掘機各裝置的關節轉角;(3)挖掘機工作環境惡劣,常伴隨有較大沖擊載荷,不僅造成銷軸連接處的磨損與變形,而且進一步會影響測量數據的準確性,更有損壞傳感器的可能。

而用傾角傳感器測量時,需要根據特定轉換算法,通過桿件與重力方向夾角計算得出絕對角度,不同機構間的算法通用性較差,而且振動沖擊對傾角傳感器的影響很大,導致輸出信號不穩定,不利于實時控制。

本文綜合考慮了工作可靠性、精度和成本等因素,根據挖掘機幾何裝置模型分析及其運動學分析,轉換思路,重新設計測試方案。新測試系統采用線位移傳感器,并配套以AD轉換電路、串行通信電路、上位機軟件等組件,實現鏟斗的軌跡跟蹤。

1 理論建模

本設計首先需要建立液壓缸線性位移與轉角的轉換模型。挖掘機工作裝置如圖1所示,3個線位移傳感器分別安裝在鏟斗油缸、斗桿油缸和動臂油缸處。

圖1 挖掘機工作裝置及傳感器安裝簡圖

忽略挖掘機工裝裝置關節轉角連接處的銷軸大小,建立挖掘機工作裝置中的動臂及斗桿關節幾何模型簡圖如圖2所示。其中∠ACO′1和∠BCF為結構設計尺寸,不同機型的設計選值不同,在同一分析對象中為固定值,可以從挖掘機設計圖紙上直接量取。

1.1 動臂關節轉角轉換

由圖2中可得:

動臂關節轉角q1有

1.2 斗桿關節轉角轉換

由圖2可知,斗桿關節轉角q2有:

圖2 動臂與斗桿機構幾何模型

其中∠CFD、∠EFG、∠GFQ為固定值,可以從設計圖紙上直接量取。∠DFE為

1.3 鏟斗關節轉角計算

鏟斗油缸行程發生變化時,會帶動四連桿機構NQKH,鏟斗固結連桿機構的其中一根桿上,因此鏟斗關節轉角的計算比較復雜。鏟斗油缸關節模型簡圖如圖3所示。

圖3 鏟斗關節局部機構幾何模型簡圖

鏟斗油缸行程變化聯動四連桿機構,造成鏟斗固結連桿機構的KQ桿發生運動,鏟斗關節轉角的計算如下:

其中∠NQF、∠KQV、∠GNF、lGN、lFN、lGF、lFQ、lHN、lQN、lHK、lKQ為設計常量值,鏟斗油缸長度為變量lGH, lNK和lHQ為聯動變量。

2 檢測系統設計

根據以上的理論建模,結合現有實驗條件,設計的位姿檢測系統包含以下3個環節:

(1)采用線性位移傳感器直接測量液壓缸行程;

(2)利用單片機完成數據采集;

(3)利用Lab VIEW完成數據處理、保存及回放等。

2.1 傳感器選擇和模擬

在實際測量中,傳感器可以采用滑塊位移傳感器。通過緊固裝置將其分別安裝在動臂油缸、斗桿油缸、鏟斗油缸上。具體安裝時,將傳感器采用固定裝置分別安裝在液壓缸殼體上,拉桿安裝在液壓缸光桿上,實現液壓缸光桿與傳感器拉桿的同步位移,進而完成液壓缸行程的測量。滑塊位移傳感器將線位移數據轉換成0～5 V模擬電壓,并輸入測量系統。

在實驗室設計與調試時,輸入信號是由單片機提供的0～5 V可調電壓代替線性位移傳感器的輸入電壓來完成數據采集與處理程序的編寫與調試。

2.2 數據采集及處理系統設計

數據采集系統主要完成數據的采集與上傳。采用兩級控制并分別完成數據的采集和上傳。下位機有單片機PCF8591組成的數據采集系統,負責數據的采集;上位機是由Lab VIEW開發,負責數據的接收和顯示。整套數據采集系統實物圖見圖4。

圖4 數據采集系統實物圖

2.2.1 下位機設計

下位機負責數據的采集任務。線性位移傳感器輸出0～5 V的模擬電壓,采用4路8位逐次逼近式AD轉換器PCF8591對此模擬電壓進行模數轉換。其中3路進行3個液壓缸數據采集,預留出第4通道作為挖掘機回轉機構的轉角測量。

PCF8591采集到的數據采用I2C總線串行輸入/輸出,但是所選用的單片機并沒有預留的I2C接口,因此要完成單片機與PCF8591的通信,需要編寫I2C協議。設計時將單片機2個管腳P1.2、P1.3分別作為模擬SCL、SDA接口連接在PCF8591的SCL、SDA端口上,采用I2C協議呼叫應答機制循環讀取PCF8591的轉換結果。

2.2.2 上位機設計

利用單片機和Lab VIEW聯合開發平臺完成數據處理、保存及回放等功能的設計,實現挖掘工作裝置的各關節轉角數據的實時顯示,并以Excel格式文件保存在由Lab VIEW編寫的上位機軟件中。

具體設計:模數轉換后,單片機讀取PCF8591的轉換結果,得到一個8位二進制數據,并將該數據通過串行口傳輸到上位機中,由上位機完成二進制到十進制轉換,用于對液壓缸行程的具體計算。因為傳感器輸出為0～5V的模擬電壓,PCF8591AD轉換器輸出0～255的二進制數據,而被測液壓缸實際行程是0～1 250 mm,所以在Lab VIEW中編寫相關程序將轉換得來的8位的二進制的數據轉換成0～255的十進制數據,再由0～255所對應的0～1 250 mm行程計算液壓缸的行程。

3 檢測系統仿真

系統仿真時,數據采集指令由Lab VIEW向單片機發出,并對單片機所采集到的數據進行顯示和保存。單片機通過串口與Lab VIEW通信。串口的具體設置:波特率57 600,8位數據位,1位停止位,0個校驗位。上位機每隔612 ms向單片機發送數據采集指令,單片機循環讀取PCF8591轉換結果,將轉換結果通過串口發送到上位機。上位機讀取緩沖區的數據字節數m,將m賦給VISA READ,通過VISA READ讀出緩沖區中數據,輸出為字符型數據。采用Lab VIEW中String To Byte Array Function將這m字節的字符轉換為十進制的0～255數據,利用Decimate 1D array將混雜在1 000個4個通道的數據分別送到4個數組中,進而實現四通道數據分離。將分離出的數據送到Wave Form Chart中用以實時顯示挖掘機關節轉角的變化過程。完成相關參數設置后,點擊運行,得到的液壓缸驅動的挖掘機工作裝置的關節轉角見圖5。

需要說明的是:由于在實驗室環境下采用的傳感器輸入為單片機模擬的,模擬電壓是由人工單次調整的,而單次調整后每一個模擬值為一固定值,所以造成圖5中的各個關節及其鏟斗位姿是單一值,且顯示為一條直線。若真實傳感器提供變化的0～5 V連續變化的模擬電壓時,則圖中將顯示連續的變化曲線。

圖5 關節轉角測量結果顯示界面

4 結束語

由于硬件條件限制,本次設計的位姿檢測系統暫時采用了串口通信,如果實驗條件允許采用高性能的數據采集系統,則可以顯著提高通信速率,進而提高數據采集的實時性。本設計主要是針對采用液壓傳動輔助位姿變換的各種機構,提出一種軌跡跟蹤的實現方法,該方法轉變了直接進行關節轉角檢測的思路,轉換成更為可靠且可行性更高的線位移測試方法。這種設計思路的轉換,對諸多液壓傳動機構的位姿檢測系統的設計具有借鑒意義。

References)

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[12]呂憲勇.挖掘機工裝軌跡控制系統設計及實驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2011.

Study on position and orientation measurement for a hydraulic transmission mechanism

Li Haihong,Xie Jinglin,Zou Jiuli,Zhang Xueliang
(College of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)

Trajectory tracking is necessary to servo control for many mechanisms which shift pose by hydraulic transmission mechanism.The aim of this research is to find how to detect the pose accurately for trajectory tracking.Based on the kinematic analysis,a novel method is presented to measure hydraulic cylinder displacement but angular displacement of joints by analyzing the shortcoming of measuring angular displacement directly.Taking an excavator’s working device as the example,a transformation model from the angular displacement of joints to journey of hydraulic cylinder is built.A prototype is developed for data acquisition and processing by using the SCM and Lab VIEW,which could show and save the real-time angular displacement of joints.

hydraulic transmission mechanism;trajectory tracking;position and orientation measurement; journey detection of hydraulic cylinder;data acquisition

TH137.3

A

1002-4956(2015)4-0033-03

2014-09-17修改日期：2014-11-20

山西省青年科技研究基金項目(2010021021-2);太原科技大學教育教學改革研究項目(2014-13)

李海虹(1978—),女,山西太原,博士,副教授,碩士研究生導師,研究方向為機械制造及其自動化專業、機構動力學及測控技術.

E-mail:lihaihongty＠sina.com