簡(jiǎn)述液壓挖掘機(jī)智能化設(shè)計(jì)探究

曹右可

山重建機(jī)有限公司

簡(jiǎn)述液壓挖掘機(jī)智能化設(shè)計(jì)探究

曹右可

山重建機(jī)有限公司

挖掘機(jī)作為各種土木工程不可或缺的機(jī)械工具，其智能化方面的探究不但可以提升挖掘機(jī)的工作效率，從很大程度上也能保障操作人員的人身安全，具有重大的科研意義。

液壓挖掘機(jī)；智能化設(shè)計(jì)；矩陣系統(tǒng)

前言

液壓挖掘機(jī)是用來(lái)挖掘巖石工程的主要機(jī)械。它是用鏟斗上的斗齒切屑土石，將其裝進(jìn)斗里面，提升鏟斗，接著旋轉(zhuǎn)工作臂至卸土點(diǎn)卸土，再回轉(zhuǎn)至挖掘點(diǎn)進(jìn)行下一次挖掘的。最為核心的是需要操作員對(duì)其進(jìn)行手柄和行走操縱桿來(lái)實(shí)現(xiàn)挖掘動(dòng)作。然而，操作效率的有效提升和操作人員的有著密切的關(guān)系，這需要強(qiáng)度巨大的工作力度和控制精準(zhǔn)度。

1 液壓挖掘機(jī)的組成

如圖1所示，液壓挖掘機(jī)主要由工作裝置、液壓系統(tǒng)、行走裝置、控制系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)裝置、回轉(zhuǎn)平臺(tái)、動(dòng)力裝置和電氣系統(tǒng)。根據(jù)不同的工作設(shè)備，液壓挖掘機(jī)可以配備起重、裝載、鉆孔、正鏟、反鏟以及其他不同的裝置，依次完成起重、裝載、鉆探、開(kāi)挖等工作。

如圖2所示，整個(gè)手臂反鏟工作裝置，用于挖掘停機(jī)面下面的各種砂石，主要由鏟斗、連桿、搖桿， 鏟斗油缸、斗桿、斗桿油缸、動(dòng)臂和動(dòng)臂油缸等部工況等其他類似裝置，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕。反鏟鏟斗的形狀和大小與工作相關(guān)的對(duì)象，一個(gè)挖掘機(jī)鏟斗可配備各種結(jié)構(gòu)。

圖2 整體動(dòng)臂反鏟式工作裝置的組成

2 液壓挖掘機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

構(gòu)建的智能挖掘機(jī)主要有4種模式：

(1)常規(guī)模式常規(guī)模式下操作人員可以通過(guò)操作電手柄、電腳踏板來(lái)控制挖掘機(jī)；

(2)遙控模式遙控模式下操作人員可通過(guò)遙控裝置進(jìn)行遙控操作，且可利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作；

(3)智能控制，以減少智能控制在實(shí)際操作的復(fù)雜性程度為目標(biāo)。首先，考慮操作模型應(yīng)是圖形輸入模型，依照系統(tǒng)的工作要求，進(jìn)入預(yù)期的作業(yè)模式。智能挖掘機(jī)基于需求模型、智能路徑規(guī)劃工作。在工作的過(guò)程中，實(shí)際的工作路徑不斷與規(guī)劃路徑和修改的需求，然后根據(jù)需求模型挖掘。

首先，操作員可以使用電手柄，通過(guò)專用電動(dòng)油門(mén)PLC控制器，電液比例閥組和繼電器發(fā)出指令。電動(dòng)油門(mén)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率調(diào)整泵和電機(jī)。根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性曲線我們可以知道，柴油機(jī)接近恒扭矩調(diào)節(jié)，其輸出功率與轉(zhuǎn)速的發(fā)生了改變了。油門(mén)開(kāi)度增減，柴油機(jī)輸出功率隨之增加或減少。由于輸出轉(zhuǎn)矩基本不變，柴油機(jī)速度也相應(yīng)的增加或減少，也就是說(shuō)，不同的油門(mén)開(kāi)度對(duì)應(yīng)不同的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。因此，系統(tǒng)增加了速度傳感器監(jiān)測(cè)柴油機(jī)的油門(mén)和力量變化。液壓系統(tǒng)可分為定量系統(tǒng)和變量系統(tǒng)。定量系統(tǒng)是指系統(tǒng)與負(fù)載流不會(huì)改變，這取決于節(jié)流調(diào)速。

其次，操作員也可以實(shí)施遠(yuǎn)程遙控。遙控操作主要是利用攝像機(jī)把相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)圖像傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)上，根據(jù)計(jì)算機(jī)操作員反映情況，使用遠(yuǎn)程控制手柄PLC控制挖掘機(jī)操作命令。挖掘機(jī)工作環(huán)境通常是臟亂差，夏季的陽(yáng)光照射猛烈，加上操作環(huán)境伴隨危險(xiǎn)，在挖拆除建筑物時(shí)被廢墟掩埋的情況時(shí)有發(fā)生下。通過(guò)遠(yuǎn)程控制操作，操作者可以坐在舒適的辦公室工作，在危險(xiǎn)的工作環(huán)境下可以保證操作員的人身安全。

第三，操作員可以輸入的預(yù)期提前挖掘模型，和液壓挖掘機(jī)。在這個(gè)過(guò)程中，關(guān)鍵是液壓挖掘機(jī)智能定位和測(cè)距。定位技術(shù)方面，目前主要的定位技術(shù)有GPS、AFLT、A—GPS等，定位精度高的為GPS、A—GPS技術(shù)，但其定位精度最高也在10 m左右，完全不能滿足智能挖掘機(jī)作業(yè)需要。

3 壓挖掘機(jī)三維立體智能視覺(jué)矩陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

首先假定一個(gè)測(cè)距傳感器組是由A5×5。共有25個(gè)傳感器探頭，水平方向和垂直方向探測(cè)器間距是1米，面積范圍距離傳感器探測(cè)距離總共4米長(zhǎng)和4米寬，區(qū)域?yàn)?6平方米。在這個(gè)范圍內(nèi)每一個(gè)距離傳感器可以測(cè)量對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的距離和距離傳感器，使測(cè)量距離矩陣是B5×5。除了紅外傳感器可以測(cè)量每點(diǎn)溫度，溫度矩陣設(shè)置C5×5，每一點(diǎn)有兩種類型的識(shí)別特征距離和溫度， 此時(shí)每個(gè)點(diǎn)有兩種標(biāo)識(shí)特征——距離和溫度，設(shè)標(biāo)識(shí)特征的種類數(shù)為N，則可見(jiàn)N越大，越能更清楚地標(biāo)識(shí)該點(diǎn)。

4 液壓挖掘機(jī)智能裝載設(shè)計(jì)

反鏟鵝頸型液壓挖掘機(jī)主要用于建筑行業(yè)， 在挖掘后，考慮的問(wèn)題是怎么樣讓材料運(yùn)輸?shù)街匦涂ㄜ?chē)上。液壓挖掘機(jī)一般會(huì)旋轉(zhuǎn)約90。材料將被發(fā)送到重型卡車(chē)，因?yàn)榍懊娴膫鞲衅鹘M直接到前面，在挖掘機(jī)的過(guò)程中旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)更大的視角。距離測(cè)量傳感器組添加到4組， 且固定于回轉(zhuǎn)裝置與行走部固定位置，這樣的距離測(cè)量傳感器組不旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和工作設(shè)備一齊轉(zhuǎn)動(dòng)，且具有4個(gè)方向的視野。

液壓挖掘機(jī)在從前方轉(zhuǎn)到卡車(chē)裝料側(cè)時(shí)，測(cè)距傳感器組1和測(cè)距傳感器組2或3會(huì)進(jìn)行信息交流對(duì)接，實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤。智能液壓挖掘機(jī)在卸料前必須先確定重型卡車(chē)的位置，首先，在重型卡車(chē)車(chē)廂邊緣安裝一條標(biāo)識(shí)帶。在水平方向卡車(chē)標(biāo)識(shí)帶若未進(jìn)入智能挖掘機(jī)工作范圍，可通過(guò)液壓挖掘機(jī)自動(dòng)調(diào)整位置使其進(jìn)入視覺(jué)范圍，當(dāng)然調(diào)整距離是有限的，若需遠(yuǎn)距離調(diào)整則需要調(diào)整重型卡車(chē)位置。

液壓挖掘機(jī)在從前面轉(zhuǎn)到卡車(chē)裝料側(cè)的時(shí)候，測(cè)距傳感器組1、組2或組3實(shí)現(xiàn)信息的交流對(duì)接，以此實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤的工作狀態(tài)。智能液壓挖掘機(jī)必須首先確定卸貨前重型卡車(chē)的位置。在水平方向上，如果卡車(chē)的標(biāo)記不能進(jìn)入智能挖掘機(jī)相關(guān)的工作范圍，液壓挖掘機(jī)可以自動(dòng)調(diào)整位置的可視距離，當(dāng)然，調(diào)整的距離具有局限性。

5 液壓挖掘機(jī)智能防傾覆設(shè)計(jì)

液壓挖掘機(jī)和公路行駛汽車(chē)相比，行駛狀況會(huì)更加麻煩且繁雜 ，上坡和下坡的角度后會(huì)更加大，從而大大增加側(cè)翻的概率。有必要研究如何防止液壓挖掘機(jī)在工作過(guò)程中側(cè)翻。智能液壓挖掘機(jī)有常規(guī)模式、遙控模式、智能控制3種模式，利用常規(guī)模式和遠(yuǎn)程模式，操作人員將根據(jù)前面的路況，簡(jiǎn)單的確定出液壓挖掘機(jī)有沒(méi)有發(fā)生側(cè)翻，并且通常不帶液壓挖掘機(jī)極限位置發(fā)生側(cè)翻的可能性，但是不同的智能控制模式，在人沒(méi)有參與的控制之下，這時(shí)液壓挖掘機(jī)是否會(huì)發(fā)生傾覆只能靠液壓挖掘機(jī)自身智能判斷控制。

通過(guò)科學(xué)的分析和研究，液壓挖掘機(jī)的側(cè)翻條件已有了相關(guān)結(jié)論。當(dāng)液壓挖掘機(jī)工作裝置的工作方向平行于液壓挖掘機(jī)履帶架，液壓挖掘機(jī)的最大下坡角是450(斜率45，已是很大)。如果在這個(gè)時(shí)候和地面摩擦可以確保液壓挖掘機(jī)在坡面靜止， 整機(jī)重心G只要在L長(zhǎng)度范圍內(nèi)，只要液壓挖掘機(jī)的L長(zhǎng)度范圍內(nèi)不會(huì)翻轉(zhuǎn)，如圖10所示，這是最大的坡度，而重心在L和G的區(qū)域內(nèi) ，并且遠(yuǎn)離邊界，只要摩擦力度夠大發(fā)生側(cè)翻的幾率微乎其微。