動(dòng)臂智能矯正系統(tǒng)可行性試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

王俊梁 徐武彬 李冰 花慶寶

摘 要：為降低裝載機(jī)動(dòng)臂手動(dòng)矯正的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高矯正精度、生產(chǎn)效率等，現(xiàn)以LabVIEW為平臺(tái)開發(fā)出一套動(dòng)臂智能矯正系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對(duì)動(dòng)臂板位置的數(shù)據(jù)采集，并將其與專家經(jīng)驗(yàn)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析后給板卡發(fā)出相應(yīng)指令達(dá)到自動(dòng)控制油缸的目的，從而實(shí)現(xiàn)矯正過程的智能化，最終完成矯正.試驗(yàn)表明動(dòng)臂智能矯正系統(tǒng)能高效、精確地實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂鏟斗孔一側(cè)的矯正，并顯示每次矯正時(shí)動(dòng)臂的推出量與變形量，提高了矯正效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度及人工成本，達(dá)到了設(shè)計(jì)的初期目標(biāo)，為后期動(dòng)臂矯正系統(tǒng)的智能化提供有力的依據(jù).

關(guān)鍵詞：動(dòng)臂；自動(dòng)化；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)： TH243.065 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

輪式裝載機(jī)是一種作業(yè)效率高且廣泛運(yùn)用的工程機(jī)械，它能對(duì)散裝物料進(jìn)行鏟裝、搬運(yùn)、卸載、平整等作業(yè)，也能對(duì)硬土、巖石進(jìn)行輕度鏟掘工作[1].動(dòng)臂是裝載機(jī)工作裝置的主要承力構(gòu)件，其強(qiáng)度狀況對(duì)工作裝置的性能和壽命有直接的影響[2].動(dòng)臂屬于典型的箱體結(jié)構(gòu)焊接件，外形尺寸大、重量大，焊接成型后，鉸接孔的尺寸位置會(huì)有所偏移，需要矯正后才可進(jìn)行下一步工序[3].

傳統(tǒng)的動(dòng)臂矯正方式主要是手動(dòng)矯正.首先工人用長直尺靠在動(dòng)臂一外側(cè)毛坯面，用肉眼確認(rèn)該側(cè)是否偏移，再用手動(dòng)控制油缸將該側(cè)矯正至大概位置；然后，再用卷尺測(cè)量動(dòng)臂板之間總長度，通過油缸調(diào)節(jié)另一側(cè)而確保動(dòng)臂板的外開檔尺寸.若第一次工人判斷出錯(cuò)，則矯正完動(dòng)臂會(huì)不對(duì)稱.傳統(tǒng)的矯正方式對(duì)矯正人員的經(jīng)驗(yàn)要求比較高，且勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工成本高、矯正精度與生產(chǎn)效率低.若通過傳感器記錄動(dòng)臂板位置，然后通過LabVIEW中的軟件設(shè)計(jì)將其與專家數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)庫比較，大量使用圖形化控件使LabVIEW不但操作簡單、成本低廉，而且還保證了與傳統(tǒng)儀器基本相同的人機(jī)交互性、可操作性和真實(shí)感[4-5].經(jīng)過程序處理向電磁閥發(fā)出指令，控制油缸的推出量，最終達(dá)到矯正要求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂矯正的自動(dòng)化.

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡與拉線傳感器獲取動(dòng)臂板位置，對(duì)比經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后對(duì)繼電器發(fā)出指令，達(dá)到自動(dòng)控制油缸并實(shí)時(shí)監(jiān)控矯正量的目的，從而驗(yàn)證動(dòng)臂自動(dòng)化矯正的可行性.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

所有的 LabVIEW 應(yīng)用程序，即虛擬儀器（VI），包括前面板（Front Panel）、流程圖（Block Diagram）以及圖標(biāo)/連結(jié)器（Icon/Connector）3部分[6-7].基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般構(gòu)成如圖1所示.

試驗(yàn)采用了數(shù)據(jù)采集卡、電磁閥和 LabVIEW 軟件，完成了動(dòng)臂位置的數(shù)據(jù)采集與記錄，對(duì)比分析專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫，并通過程序向油缸發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)動(dòng)臂的自動(dòng)化矯正.

理論支持所使用的傳感器是Evernew WS-1500-D40-11A0拉線位移傳感器.拉線位移傳感器由鋼絲繩和旋轉(zhuǎn)編碼器組成，測(cè)量被測(cè)物直線位移的.鋼絲通過彈簧被繞于滾筒之上，滾筒與多級(jí)電位器同軸連接，從而使位移量被轉(zhuǎn)變成電阻信號(hào)，并且拉繩收放的長度與輸出的電壓信號(hào)成線性的正比[8-10].

理論支持所使用的控制器是中泰研創(chuàng)PCI-8348BJ數(shù)據(jù)采集卡. PCI-8348BJ數(shù)據(jù)采集卡是一款16 bit，8CH同時(shí)AD最快轉(zhuǎn)換100 k/CH的多功能數(shù)據(jù)采集卡，它擁有14路可編程輸入輸出[11].

理論支持所使用的液壓元件是派克DIVW1CNTW電磁方向控制閥.DIVW1CNTW電磁方向控制閥是一種三油腔型的4/3（三位四通）滑閥式方向控制閥，采用帶有擰入式銜鐵管的濕式電磁鐵直動(dòng)控制.

2 軟件設(shè)置

2.1 系統(tǒng)整體流程圖

動(dòng)臂矯正前首先是對(duì)動(dòng)臂板位置的確認(rèn)，并與標(biāo)準(zhǔn)位置進(jìn)行比較.如果與標(biāo)準(zhǔn)位置相差超過誤差值，則觸發(fā)相應(yīng)程序，對(duì)應(yīng)位置的油缸就會(huì)受到指令而對(duì)動(dòng)臂板進(jìn)行矯正，直至符合要求.動(dòng)臂板位置由拉線位移傳感器進(jìn)行收集，并在操作界面上時(shí)刻顯示著動(dòng)臂板位置.系統(tǒng)流程圖如圖2所示.

2.2 主模塊介紹

2.2.1 動(dòng)臂位置監(jiān)控模塊

試驗(yàn)的目的是完成動(dòng)臂的矯正變形，通過對(duì)動(dòng)臂板位置的監(jiān)控與數(shù)據(jù)的輸入，從而對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，獲取所需矯正量與推出量，可以說是整個(gè)程序的眼睛.通過拉線傳感器的定位，與輸入的標(biāo)準(zhǔn)值比較，從而確定是否需要矯正，并進(jìn)行下面的程序運(yùn)行.具體程序框圖如圖3（a）所示.

2.2.2 拉線傳感器矯正模塊

由于使用的拉線位移傳感器設(shè)備老舊，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際距離有所偏差，因此在使用拉線傳感器前需先對(duì)傳感器的拉出距離與顯示距離進(jìn)行矯正.程序框圖如圖3（b）所示.

2.2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊需要在數(shù)據(jù)采集卡平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，只有經(jīng)過數(shù)據(jù)的采集與分析，才可對(duì)動(dòng)臂現(xiàn)狀了解，從而得知所需矯正程度.程序框圖如圖3（c）所示.

2.2.4 油缸執(zhí)行模塊

該模塊為主體模塊，用以控制油缸輸入輸出，不僅要將動(dòng)臂板推到所需位置，而且在進(jìn)行下步操作前必須將油缸完全退回，避免影響下次推出，最終還要在最短時(shí)間內(nèi)完成矯正；因此，油缸執(zhí)行模塊是本程序的關(guān)鍵部分，是提高動(dòng)臂矯正效率的重中之重.由于實(shí)驗(yàn)為可行性實(shí)驗(yàn)，在油缸退回部分，沒有添加限位開關(guān)來獲取油缸是否完全退回，只是測(cè)量了油缸從推滿到完全退回所需的時(shí)間（5 s），在向油缸發(fā)出退回指令后等待5 s再進(jìn)行下一次操作.程序框圖如圖3（d）所示.

2.3 系統(tǒng)主程序框圖

除以上各主要模塊，還有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)單元和安全監(jiān)控部分.數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)能進(jìn)行矯正數(shù)據(jù)的顯示與記錄；安全監(jiān)控則是對(duì)程序運(yùn)行防錯(cuò)監(jiān)控，確保實(shí)驗(yàn)的安全性.圖4為系統(tǒng)的整體程序框圖.

2.4 系統(tǒng)操作與功能簡介

試驗(yàn)?zāi)康脑谟趯?duì)裝載機(jī)動(dòng)臂進(jìn)行矯正，主要是通過傳感器獲取動(dòng)臂板位置，對(duì)比該位置該型號(hào)動(dòng)臂的標(biāo)準(zhǔn)值，分析出是否需要矯正，若需要?jiǎng)t通過發(fā)出指令控制油缸運(yùn)行，從而完成動(dòng)臂矯正.由于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的是液壓油缸，若出錯(cuò)，會(huì)損壞矯正平臺(tái)甚至對(duì)周圍操作人員有人生危害.為此設(shè)計(jì)了雙系統(tǒng)模式：一是矯正實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是主程序，用以控制油缸推出退回，從而完成對(duì)動(dòng)臂的矯正；二是監(jiān)控系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)控矯正實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的每一步驟，一旦運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤或油缸推出時(shí)間過長，則立即啟動(dòng)緊停功能，停止所有油缸動(dòng)作，并終止程序運(yùn)行.

動(dòng)臂智能矯正系統(tǒng)主要解決當(dāng)前動(dòng)臂焊接后不規(guī)律變形矯正的問題，系統(tǒng)采用模糊控制算法，針對(duì)動(dòng)臂焊后離散型變形進(jìn)行智能決策矯正.系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)有的專家經(jīng)驗(yàn)庫進(jìn)行自動(dòng)決策矯正動(dòng)臂板至合格位置，亦可以對(duì)陌生的離散變形進(jìn)行模擬學(xué)習(xí)，生成新的專家經(jīng)驗(yàn)庫，具有自成長屬性.

矯正試驗(yàn)系統(tǒng)又分為學(xué)習(xí)模式與矯正模式：學(xué)習(xí)模式即人工操作模式，主要功能是可以讓動(dòng)臂板推出實(shí)驗(yàn)所需要的距離，用以試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)可行性與收集動(dòng)臂推出距離與矯正量的數(shù)據(jù)；矯正模式下系統(tǒng)將利用當(dāng)前的專家經(jīng)驗(yàn)庫進(jìn)行自主完成動(dòng)臂矯正工作.系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫動(dòng)臂板矯正標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，并實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)臂板的位置及動(dòng)作過程，具備自防錯(cuò)功能.該系統(tǒng)還包括多個(gè)子VI，用以減少控件與數(shù)據(jù)連線個(gè)數(shù)，使程序框圖簡潔明了.

3 試驗(yàn)與研究

動(dòng)臂矯正平臺(tái)經(jīng)改造后平臺(tái)一側(cè)可控油缸及整機(jī)實(shí)物如圖5（a）、圖5（b）所示.經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行.圖5（c）、圖5（d）是某次動(dòng)臂矯正過程中系統(tǒng)界面的顯示圖.

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，動(dòng)臂板鏟斗孔一側(cè)平均需矯正2.5次才可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，每側(cè)耗時(shí)約45 s，一共有4處需進(jìn)行矯正，結(jié)合動(dòng)臂吊裝與吊運(yùn)，大概每臺(tái)動(dòng)臂矯正所耗時(shí)間在5 min左右.表1是動(dòng)臂手動(dòng)矯正與自動(dòng)矯正的對(duì)比，可知改進(jìn)后矯正效率約提高50%，約減少50%人力，提高了矯正質(zhì)量，減少耗能.

4 結(jié)論

先對(duì)裝載機(jī)動(dòng)臂的制造過程進(jìn)行了解，并熟悉動(dòng)臂板的焊后人工矯正流程，了解LabVIEW軟件的設(shè)計(jì)理念，再結(jié)合軟件各模塊、子VI、流程圖等設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合收集的矯正經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的對(duì)比，形成了動(dòng)臂可行性實(shí)驗(yàn)的智能矯正系統(tǒng)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，完成了動(dòng)臂車架孔一側(cè)的智能矯正，達(dá)到了預(yù)期的效果.該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的延展性與可移植性，不僅為后續(xù)動(dòng)臂的全自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供了有力的參考意義，同時(shí)也驗(yàn)證了在計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械制造的可行性利用電腦軟件與相關(guān)電子技術(shù)的前提下，對(duì)機(jī)械零部件的矯正工藝可以進(jìn)行自動(dòng)化改造，從而提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度及人工成本.

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Abstract：To reduce the labor intensity of the correction of boom of loader， improve the correction accuracy and increase productivity， a boom intelligent correction system was developed based on LabVIEW platform. The data acquisition of the boom position was carried out using this system and then the acquisition data was compared with the database of the experience of experts. After the analysis， the corresponding instructions are issued to the board to automatically control the oil cylinder so as to realize the intelligence of the correction process， and finally complete the correction. Experiments show that the correction of one side of the boom can be effectively and accurately realized using the boom intelligent correction system， and the pushing amount and the deformation amount of the boom can be displayed at each time of correction， thus the correction efficiency is improved and the labor intensity and cost are reduced. The initial target of the design is achieved， and the basis for the later intelligence of the boom correction system is provided.

Key words： boom； automation； LabVIEW； data collection

（學(xué)科編輯：黎 婭）