銑刨機(jī)支腿運(yùn)動(dòng)軌跡智能化學(xué)習(xí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳海濤

摘要：

本技術(shù)方案采用液壓油缸內(nèi)置的磁性伸縮位移傳感器，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)相關(guān)理論，通過搭建適用的硬件和軟件平臺(tái)，將人為操作的三個(gè)油缸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系及軌跡記憶，達(dá)到機(jī)器的自主學(xué)習(xí)及尋跡運(yùn)動(dòng)功能。

關(guān)鍵詞：工程機(jī)械;機(jī)器學(xué)習(xí);智能化;運(yùn)動(dòng)控制;

1、引言：

目前，路面銑刨機(jī)作為公路與城市道路養(yǎng)護(hù)作業(yè)的專用機(jī)械設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用于公路、機(jī)場(chǎng)、碼頭、停車場(chǎng)等瀝青混凝土面層的開挖翻修及路面病害的清除等。如圖一所示，通常情況下右后支腿處于車身外側(cè)，即位置1，但因?yàn)槁费朗日系K物的存在，又需要將右后的支腿擺動(dòng)至車身內(nèi)側(cè)位置，即位置3，以實(shí)現(xiàn)貼著路牙石進(jìn)行銑刨作業(yè)的目的，還有一些更特殊的工況可能會(huì)用到位置1和位置3的中間位置，即位置2.市場(chǎng)上現(xiàn)有銑刨機(jī)的支腿擺動(dòng)控制系統(tǒng)多采用普通銷軸固定連接支腿與車架，手動(dòng)拔出銷軸后靠人力擺動(dòng)支腿換向，同時(shí)用手動(dòng)換向球閥切換馬達(dá)的油液流向，這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且若忘記切換手動(dòng)換向球閥，會(huì)導(dǎo)致行走異常，對(duì)馬達(dá)、減速機(jī)、輪胎或履帶等造成損害。本文闡述一種支腿自動(dòng)擺動(dòng)并定位至需求位置的控制系統(tǒng)，設(shè)置為學(xué)習(xí)模式后，人工擺動(dòng)一次支腿的擺進(jìn)擺出運(yùn)動(dòng)過程，機(jī)器便可記憶學(xué)習(xí)該次軌跡，此后在自動(dòng)模式下即可依據(jù)此軌跡一鍵進(jìn)行擺動(dòng)及定位。

2、系統(tǒng)組成

如圖1所示，銑刨機(jī)支腿智能化運(yùn)動(dòng)軌跡學(xué)習(xí)系統(tǒng)是一個(gè)電液控制系統(tǒng)，主要涉及的組件包括3個(gè)不同位置的定位操作開關(guān)、控制器、顯示器、右后支腿擺動(dòng)油缸、右后支腿擺動(dòng)油缸位移傳感器、右后支腿擺動(dòng)電比例換向電磁閥、右后履帶轉(zhuǎn)向油缸、右后履帶轉(zhuǎn)向電比例換向電磁閥，右后履帶轉(zhuǎn)向油缸位移傳感器，插銷缸電磁換向閥、插銷油缸、插銷油缸位置接近開關(guān)等組成。該系統(tǒng)包括三種模式，即全自動(dòng)模式，學(xué)習(xí)模式、全手動(dòng)模式，三種模式可在顯示器上進(jìn)行切換選擇，其中全自動(dòng)模式是機(jī)器常規(guī)使用操作模式，學(xué)習(xí)模式為調(diào)試專用模式，全手動(dòng)模式為備選模式，旨在當(dāng)傳感器或者線路等故障自動(dòng)模式失效時(shí)應(yīng)急所需。

3、硬件方案設(shè)計(jì)

如圖二所示，三個(gè)定位操作開關(guān)和一個(gè)轉(zhuǎn)向操作開關(guān)，分別為擺進(jìn)位置定位開關(guān)S1、擺中位置定位開關(guān)S2、擺出位置定位開關(guān)S3和后右履帶轉(zhuǎn)向開關(guān)S4。S1與S3分別接入PLC的DI_1和DI_2開關(guān)量輸入針腳，S2通過兩個(gè)防反向的二極管V0、V1同時(shí)接入DI_1和DI_2腳，S4開關(guān)左向和右向操作觸點(diǎn)信號(hào)分別接入PLC的DO_4、DO_5。當(dāng)按下S1即僅DI_1有信號(hào)輸入時(shí)，在全自動(dòng)模式下代表擺進(jìn)位置請(qǐng)求信號(hào)，同時(shí)在學(xué)習(xí)模式或者全手動(dòng)模式下為擺進(jìn)動(dòng)作請(qǐng)求信號(hào);當(dāng)按下S3即僅DI_2有信號(hào)輸入時(shí)，在全自動(dòng)模式下代表擺出位置請(qǐng)求信號(hào)，同時(shí)在學(xué)習(xí)模式或者全手動(dòng)模式下為擺出動(dòng)作請(qǐng)求信號(hào);當(dāng)按下S2即DI_1和DI_2同時(shí)有信號(hào)輸入時(shí)，代表擺中位置請(qǐng)求，同時(shí)在全手動(dòng)模式下為插銷油缸插入請(qǐng)求信號(hào)。S4左向操作代表后右履帶左轉(zhuǎn)請(qǐng)求信號(hào)，右向操作代表右轉(zhuǎn)請(qǐng)求信號(hào)。

兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電流型的位置傳感器分別內(nèi)置于右后支腿擺動(dòng)油缸和右后履帶轉(zhuǎn)向油缸，將兩個(gè)油缸的伸縮位置轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)接入PLC的AI_1和AI_2模擬量輸入針腳，該電流型信號(hào)的設(shè)計(jì)范圍值為4000-20000μA，因此該信號(hào)可進(jìn)行油缸位置的精確定位。在行車轉(zhuǎn)向過程中為防止支腿因轉(zhuǎn)向力的影響而偏離定位位置，在支腿擺動(dòng)臂與車架子之間設(shè)計(jì)一個(gè)插銷孔，控制插銷油缸伸縮的電磁換向閥接入PLC的DO_1針腳，該輸出控制針腳可只能判斷銷軸的插入和拔出。

右后支腿的擺動(dòng)通過PWM_1和PWM_2兩個(gè)脈沖調(diào)制信號(hào)接入擺進(jìn)和擺出兩個(gè)方向的控制比例電磁閥上，借此控制支腿的擺動(dòng)方向、速度和啟停，同樣的道理通過PWM_3和PWM_4控制右后履帶的左右轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)向速度和啟停。

PLC與顯示器DISPLAY之間通過CAN總線進(jìn)行通訊連接，顯示器可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)三種操作模式的切換選擇，并可以對(duì)三個(gè)定位位置進(jìn)行標(biāo)定，將位置信號(hào)寫入PLC。

4、控制方案設(shè)計(jì)

出于安全及系統(tǒng)可實(shí)施性的考慮，PLC在檢測(cè)到車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，銑刨鼓撐住地面，右后支腿懸空狀態(tài)且插銷缸處于拔出狀態(tài)等使能條件時(shí)方可進(jìn)行右后支腿擺進(jìn)擺出的各種模式操作。

手動(dòng)模式：該模式主要應(yīng)用于油缸位移傳感器出現(xiàn)線路或者器件故障時(shí)候，無法進(jìn)行自動(dòng)擺動(dòng)及定位時(shí)，應(yīng)急操作使用。當(dāng)處于該模式時(shí)候，在滿足使能條件情況下，按下S1開關(guān)，插銷油缸自動(dòng)拔出并通過位置接近開關(guān)檢測(cè)無誤后，支腿將往內(nèi)側(cè)擺動(dòng)，松開即停止擺動(dòng)，當(dāng)車架與支腿擺動(dòng)支架的插銷定位孔對(duì)齊后，按住S2開關(guān)，則插銷油缸插入并鎖住，按下S2開關(guān)，插銷油缸自動(dòng)拔出并通過位置接近開關(guān)檢測(cè)無誤后，支腿將往外側(cè)擺動(dòng)，松開即停止擺動(dòng)，當(dāng)車架與支腿擺動(dòng)支架的插銷定位孔對(duì)齊后，按住S2開關(guān)，則插銷油缸插入并鎖住。擺動(dòng)過程中為避免結(jié)構(gòu)件與履帶的干涉，可通過操作S4開關(guān)左轉(zhuǎn)動(dòng)和右轉(zhuǎn)動(dòng)履帶避障。通常支腿擺動(dòng)電磁閥驅(qū)動(dòng)電流較小且變化速率較快以保證支腿位置在手動(dòng)狀態(tài)下的快速準(zhǔn)確的定位。

學(xué)習(xí)模式：該模式主要應(yīng)用于廠內(nèi)下線調(diào)試及在市場(chǎng)上更換部分備件之后需要重新調(diào)試時(shí)使用。當(dāng)處于該模式時(shí)，首先通過顯示器將右后支腿擺動(dòng)油缸的P1、P2、P3三個(gè)位置信號(hào)寫入PLC，PLC將在P1至P2之間、P2至P3之間分別平均截取20個(gè)點(diǎn)，即40個(gè)位置點(diǎn)X[40]。當(dāng)按下S1開關(guān)時(shí)，學(xué)習(xí)軌跡方向標(biāo)記為進(jìn)向，插銷油缸自動(dòng)拔出并通過位置接近開關(guān)檢測(cè)無誤后，支腿將往內(nèi)擺動(dòng)，支腿擺動(dòng)油缸信號(hào)將在P1到P2到P3之間變化，擺進(jìn)過程中，右后履帶會(huì)根據(jù)需要左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)規(guī)避結(jié)構(gòu)干涉物。PLC將對(duì)40個(gè)點(diǎn)X[40]對(duì)應(yīng)的右后履帶轉(zhuǎn)向油缸位置信號(hào)Y[40]一一存儲(chǔ)至PLC的FLASHROM區(qū)域并建立如表一的對(duì)應(yīng)關(guān)系^[1];當(dāng)按下S3開關(guān)時(shí)，學(xué)習(xí)軌跡方向標(biāo)記為出向，插銷油缸自動(dòng)拔出并通過位置接近開關(guān)檢測(cè)無誤后，支腿將往外擺動(dòng)，支腿擺動(dòng)油缸信號(hào)將在P3到P2到P1之間變化，擺進(jìn)過程中，右后履帶會(huì)根據(jù)需要左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)規(guī)避結(jié)構(gòu)干涉物。PLC將對(duì)40個(gè)點(diǎn)X[40]對(duì)應(yīng)的右后履帶轉(zhuǎn)向油缸位置信號(hào)Z[40]一一存儲(chǔ)至PLC的FLASHROM區(qū)域并建立如表一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這兩組對(duì)應(yīng)關(guān)系在控制系統(tǒng)的建立即完成了運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的過程。

自動(dòng)模式：該模式為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)備的常規(guī)使用中以該模式為主。當(dāng)任意點(diǎn)擊S1、S2或者S3開關(guān)后，PLC將判斷當(dāng)前位置與目標(biāo)位置P1、P2或者P3的位置關(guān)系，若為偏外側(cè)的位置則擺進(jìn)電磁閥電流控制信號(hào)PWM_1輸出，若偏內(nèi)側(cè)位置則擺出電磁閥電流控制信號(hào)PWM_2輸出，該控制信號(hào)大小取決于當(dāng)前位置信號(hào)與目標(biāo)位置的信號(hào)ΔP輸出，其關(guān)系符合圖三所示，當(dāng)ΔP處于飽和區(qū)S_Band的值則以Imax輸出保證擺動(dòng)的速度，當(dāng)處于比例區(qū)P_Band時(shí)，則以Imin+（Imax-Imin）*（（ΔP-D_Band）/（P_Band-DBand））輸出，當(dāng)ΔP處于死區(qū)D_Band，則不輸出，此時(shí)已經(jīng)調(diào)整定位完成（其中Imin為支腿擺動(dòng)電磁閥的開啟電流值，Imax為支腿擺動(dòng)電磁閥的全開電流值）^[2]。而在此過程中，每當(dāng)支腿油缸到達(dá)截取點(diǎn)位后，右后履帶轉(zhuǎn)向油缸將以學(xué)習(xí)模式下存儲(chǔ)記憶的與支腿擺動(dòng)油缸位置對(duì)應(yīng)的位置點(diǎn)為目標(biāo)調(diào)整，若當(dāng)前履帶轉(zhuǎn)向油缸位置與目標(biāo)值的差值大于設(shè)定的死區(qū)，則認(rèn)為需要調(diào)整履帶的轉(zhuǎn)向，否則可能發(fā)生結(jié)構(gòu)件干涉，此時(shí)支腿擺動(dòng)動(dòng)作停止，直至履帶轉(zhuǎn)向調(diào)整到對(duì)應(yīng)的目標(biāo)值后方可再次開始擺動(dòng)。當(dāng)支腿擺動(dòng)到指定位置后，插銷油缸自動(dòng)插入銷軸孔，鎖住支腿。為了避免插銷不到位造成行走時(shí)支腿及履帶位置拖拽移位的現(xiàn)象，通過位置接近開關(guān)檢測(cè)插銷缸真正處于插入狀態(tài)后方可進(jìn)行機(jī)器的行走。

5、結(jié)束語

該智能化運(yùn)動(dòng)軌跡學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，解決了復(fù)合性復(fù)雜運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)手動(dòng)操作的繁瑣易錯(cuò)問題，同時(shí)為工廠內(nèi)的下線調(diào)試提供了便捷的途徑，只需要在學(xué)習(xí)模式下經(jīng)過一次手動(dòng)的操作即可在后續(xù)設(shè)備使用中實(shí)現(xiàn)該操作過程的一鍵自動(dòng)化，一勞永逸。該功能推出一年有余，在具體的施工過程中的應(yīng)用總能讓人眼前一亮，給緊張枯燥的工地平添了一份樂趣，受到了客戶的一致好評(píng)。