基于LabVIEW的伸縮臂越野叉車參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖超海，程志群，張軍，何承元，洪啟升，葉敏

（1.安徽好運(yùn)機(jī)械有限公司技術(shù)中心 安徽 合肥 230601；2.西安卓士博液壓工程有限責(zé)任公司技術(shù)中心，陜西 西安 710119；3.長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，陜西 西安 710064）

叉車是用于堆垛、裝卸貨物使用頻率最高、需求數(shù)量最多的工程機(jī)械車輛，在短途貨物運(yùn)輸中得到廣泛應(yīng)用。越野叉車是兼具高空作業(yè)和叉車功能的伸縮臂越野叉車，具有全輪驅(qū)動(dòng)、爬坡能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在建筑工地、山林果園、油田開發(fā)、管道鋪設(shè)以及在工廠倉(cāng)庫(kù)、港口碼頭貨物提升或搬運(yùn)等作業(yè)環(huán)境惡劣的地方應(yīng)用廣泛，具有良好的市場(chǎng)前景。目前我國(guó)在越野叉車的研究和應(yīng)用上還處于起步階段，市場(chǎng)份額被國(guó)外品牌占據(jù)。因此，迫切需要開展伸縮臂式越野叉車的基礎(chǔ)研究，特別是掌握越野叉車的作業(yè)工況和性能，對(duì)提升產(chǎn)品品質(zhì)有重要意義。

現(xiàn)有的研究集中在越野叉車的液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)2方面，重點(diǎn)關(guān)注越野性能。越野叉車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用變量泵和變量馬達(dá)的雙變量方案，有效分配泵馬達(dá)排量是難點(diǎn)。為解決行駛系統(tǒng)中無(wú)級(jí)變速和負(fù)載自適應(yīng)的功能要求，王勇等［1-2］從電控角度對(duì)泵和馬達(dá)的功率匹配、發(fā)動(dòng)機(jī)的極限功率保護(hù)功能進(jìn)行了分析，但未對(duì)兩者如何適應(yīng)變復(fù)雜工況做深入探討。針對(duì)相同問題，姚凱等［3］從液壓系統(tǒng)著手，采用力士樂的DA泵來滿足負(fù)載自適應(yīng)要求，借助液壓系統(tǒng)的壓力反饋進(jìn)行變速，可實(shí)現(xiàn)行駛系統(tǒng)的無(wú)極變速，但犧牲了快速響應(yīng)性。王勇等［4］對(duì)行走液壓系統(tǒng)工作參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，康劉陽(yáng)［5］采用仿真方法對(duì)越野叉車的復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，為行走系統(tǒng)中的泵和馬達(dá)的參數(shù)選擇提供了依據(jù)。此外，針對(duì)伸縮臂式越野叉車工作臂，羅艷蕾等［6］采用Matlab分析了舉升裝置的工作參數(shù)，為研究伸縮臂式越野叉車提供參考。關(guān)于越野叉車行駛系統(tǒng)的負(fù)載自適應(yīng)以及伸縮臂式越野叉車的工作性能，還是缺乏深入研究。

為解決伸縮臂越野叉車在開發(fā)中遇到的技術(shù)難題和提升車輛的作業(yè)性能，本文以自行研制的4 t伸縮臂越野叉車為對(duì)象，采用全電比例控制方式設(shè)計(jì)了叉車的行駛和工作裝置的控制系統(tǒng)；并依據(jù)課題組前期在工程機(jī)械裝備控制系統(tǒng)和參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)積累［7-13］，設(shè)計(jì)了越野叉車的參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，為優(yōu)化越野叉車控制系統(tǒng)性能提供可視化評(píng)價(jià)方法。

1 監(jiān)控系統(tǒng)功能分析

1.1 越野叉車工作原理

4 t伸縮臂越野叉車可實(shí)現(xiàn)45°爬坡，可配置3節(jié)和4節(jié)伸縮臂，主要區(qū)別是伸縮臂結(jié)構(gòu)不同，前伸距離和最大起升高度不同，如4節(jié)伸縮臂最大起升高度可達(dá)18 m。4 t伸縮臂越野叉車的結(jié)構(gòu)如圖1所示，可分成伸縮臂工作裝置和底盤行駛系統(tǒng)兩大部分。工作裝置包括變幅、伸縮、貨叉調(diào)平和貨叉移動(dòng)等4部分，與高空作業(yè)車一樣需要進(jìn)行力矩安全限制。相比起重機(jī)聯(lián)合伸縮臂配的位移和舉升缸油壓的聯(lián)合判斷法，4 t叉車是通過測(cè)量后橋受力變化來判斷車輛安全狀態(tài)。底盤包括駕駛室、支腿、發(fā)動(dòng)機(jī)、行駛系統(tǒng)、液壓主閥和配重等。其中，變量泵和變量馬達(dá)組成的行駛系統(tǒng)是越野叉車的關(guān)鍵點(diǎn)，有效分配泵馬達(dá)排量，關(guān)系到車輛的越野性能。

圖1 4 t越野叉車結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure composition of 4 t telehandler

1.2 控制系統(tǒng)組成

越野叉車的控制系統(tǒng)由伸縮臂工作裝置、行駛系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)和儀表4部分構(gòu)成，通過CAN總線交互數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 越野叉車控制系統(tǒng)Fig.2 Schematic of telehandler control system

工作裝置是通過電液操作手柄操控，在力矩傳感器的保護(hù)下讓工作臂在安全范圍內(nèi)作業(yè)，其力矩限制原理是確保重心落在4個(gè)車輪內(nèi)。行駛系統(tǒng)的輸入主要是油門和剎車踏板，并且設(shè)有1擋低速（0～12 km/h）和2擋高速（0～37 km/h），以滿足作業(yè)和轉(zhuǎn)場(chǎng)要求。工作裝置、行駛系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)均通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而通過CAN總線可有效了解越野叉車作業(yè)狀態(tài)和工況。

1.3 監(jiān)控方案

在新產(chǎn)品開發(fā)中，須進(jìn)行產(chǎn)品的性能測(cè)試，完善所必需的設(shè)計(jì)和調(diào)試。盡管伸縮臂越野叉車有顯示系統(tǒng)，但其主要目的是標(biāo)定和顯示力矩傳感器，以及顯示整機(jī)的基本工作參數(shù)，難以為整機(jī)的故障診斷、系統(tǒng)優(yōu)化等提供完整參數(shù)。

鑒于工作裝置和行駛系統(tǒng)均采用PEAK CAN模塊進(jìn)行程序下載，若能將下載工具與參數(shù)監(jiān)控結(jié)合，將該系統(tǒng)調(diào)試和優(yōu)化更為方便。為此，采用LabVIEW作為開發(fā)平臺(tái)，個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）通過CAN卡與車輛CAN網(wǎng)絡(luò)通信，系統(tǒng)方案如圖3所示。其中通信線纜符合CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)的監(jiān)控系統(tǒng)在PC端運(yùn)行，通過對(duì)特定報(bào)文數(shù)據(jù)的解析，實(shí)現(xiàn)越野叉車整車工作參數(shù)的狀態(tài)監(jiān)控和性能分析，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)方案Fig.3 Monitoring system composition

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)

為滿足越野叉車的狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控和功能擴(kuò)展要求，本次設(shè)計(jì)延續(xù)了前期柔性化測(cè)控系統(tǒng)的理念［9］，借助隊(duì)列、全局變量和多線程的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)報(bào)文數(shù)據(jù)的采集、解析和曲線顯示，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和參數(shù)報(bào)警等功能。隊(duì)列是確保數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)解析、曲線顯示處理分開，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性，避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁堵；全局變量可以將解析的數(shù)據(jù)在曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和參數(shù)報(bào)警模塊中進(jìn)行共享；運(yùn)用多線程可滿足多個(gè)任務(wù)分時(shí)運(yùn)行，確保系統(tǒng)的靈活性。

為說明隊(duì)列和多線程在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的作用，圖4給出了系統(tǒng)中原始報(bào)文到終端的數(shù)據(jù)流。當(dāng)PEAK CAN收到報(bào)文后，隊(duì)列模塊會(huì)將所有報(bào)文壓入隊(duì)列，然后在報(bào)文解析模塊中對(duì)緩沖數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并釋放緩沖區(qū)。數(shù)據(jù)解析是按照已經(jīng)定義好的參數(shù)來逐個(gè)對(duì)報(bào)文進(jìn)行比對(duì)和解析，然后將參數(shù)定義中的參數(shù)內(nèi)容按照順序存入AI_Data數(shù)組。而后續(xù)的參數(shù)顯示、曲線顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則按照通知形式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)更新。圖4中各個(gè)模塊均在不同的循環(huán)內(nèi)，即各自線程中運(yùn)行，通過全局變量進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，如Stop來實(shí)現(xiàn)停止，AI_Data來實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互。

圖4 數(shù)據(jù)傳遞流程Fig.4 Data transferring process

2.2 隊(duì)列模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)中采用了隊(duì)列的異步處理和消息通信2大功能，異步處理是將報(bào)文采集與報(bào)文解析分開，實(shí)現(xiàn)異步處理；消息通信用于參數(shù)顯示、曲線顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和報(bào)警等功能模塊，實(shí)現(xiàn)定時(shí)更新。隊(duì)列主要包括隊(duì)列初始化、出入隊(duì)列和注銷隊(duì)列等3大模塊，隊(duì)列初始化是為各個(gè)隊(duì)列變量定義其匹配的數(shù)據(jù)類型和隊(duì)列形式；入隊(duì)和出隊(duì)，則分別是向隊(duì)列（或隊(duì)列通知）變量寫入數(shù)據(jù)以及讀隊(duì)列（或隊(duì)列通知）中變量的數(shù)據(jù)；而注銷隊(duì)列是在系統(tǒng)結(jié)束時(shí)將初始化隊(duì)列中所有變量注銷。

以隊(duì)列初始化為例，如圖5所示，前3個(gè)模塊是Obtain Queque函數(shù)，用于報(bào)文解析、曲線顯示和保存模塊的隊(duì)列。報(bào)文采集的隊(duì)列名為CAN Frame que，其變量格式與CAN報(bào)文一致，但由于需要存儲(chǔ)多個(gè)報(bào)文，因此這是一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組變量。后面的Notifier變量是通知信息，通過Obtain Notifier進(jìn)行消息通知，實(shí)現(xiàn)曲線數(shù)據(jù)更新等定時(shí)操作功能。

圖5 隊(duì)列初始化后面板Fig.5 Queue initialization function

2.3 報(bào)文解析

報(bào)文解析是按照物理參數(shù)所在報(bào)文的位置逐步解析，接收的報(bào)文CAN_MSG變量包括ID和幀數(shù)據(jù)Data_array，如圖6所示。如果解析的參數(shù)已定義，則根據(jù)其數(shù)據(jù)起始位Start_bit、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度number_of_bit、數(shù) 據(jù) 類 型data_type、數(shù) 據(jù) 模 式Byte_order（大端或者小端模式）、數(shù)據(jù)比例系數(shù)a和b，解析參數(shù)后獲得參數(shù)數(shù)據(jù)值value。以泵比例閥電流為例，該參數(shù)位于16#101報(bào)文的第1和2字節(jié)，為此判斷接收的CAN_MSG報(bào)文是否存在101報(bào)文；若有，則取出該報(bào)文中的第1和2字節(jié)，計(jì)B1和B2，按照小端模式方式進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，獲得比例閥電流為B1+B2×256。按照這個(gè)規(guī)則將所有物理參數(shù)進(jìn)行解析。

圖6 報(bào)文解析流程Fig.6 CAN frame parsing flow chart

參數(shù)顯示則是通過隊(duì)列通知來實(shí)現(xiàn)，如圖7所示，參數(shù)顯示分配到一個(gè)while循環(huán)中，并通過全局變量stop來控制參數(shù)顯示模塊的啟停。如果接收到通知，則更新通知里的數(shù)據(jù)變量AI_Data，相關(guān)的參數(shù)定義則根據(jù)參數(shù)序號(hào)進(jìn)行一一解析。如發(fā)動(dòng)機(jī)的故障碼SPN和FMI分別位于參數(shù)定義的78和79號(hào)，則直接通過索引即可獲得它們的參數(shù)。

圖7 參數(shù)解析Fig.7 Parameters parsing from queue

3 監(jiān)控系統(tǒng)功能試驗(yàn)

將設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)部署在個(gè)人計(jì)算機(jī)上，通過USB PEAK CAN卡與4 t伸縮臂越野叉車連接，分別在正常和故障越野叉車上進(jìn)行功能試驗(yàn)，從而確定故障源。

3.1 參數(shù)監(jiān)控功能試驗(yàn)

越野叉車涉及行駛系統(tǒng)、工作裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)等3大裝置，僅發(fā)動(dòng)機(jī)的J1939協(xié)議就包含很多報(bào)文，因此總線上的數(shù)據(jù)量比較大。按照車輛運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控和故障診斷的思路，系統(tǒng)選擇了17個(gè)報(bào)文，共110個(gè)參數(shù)，部分參數(shù)定義見表1，所有解析的報(bào)文均為標(biāo)準(zhǔn)幀，數(shù)據(jù)模式是小端模式。

表1 部分報(bào)文參數(shù)定義表Tab.1 CAN frame parameters define table

通過CAN總線與叉車連接后，啟動(dòng)越野叉車，發(fā)動(dòng)機(jī)擴(kuò)展幀報(bào)文與行駛控制器和工作控制器的標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文合并后，報(bào)文總數(shù)量超過50個(gè)ID，數(shù)據(jù)量大。

設(shè)置行駛擋位為1，方向?yàn)榍斑M(jìn)，進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。從圖中可知：目前支腿已經(jīng)收起，符合行駛條件；系統(tǒng)檢測(cè)到了前進(jìn)和1擋的行駛條件，但車速仍為0，其原因是當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速僅為999 r/min，處于低帶速狀態(tài)，行駛系統(tǒng)不能工作。從以上信息可知，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)能正確的解析報(bào)文，實(shí)現(xiàn)了越野叉車的參數(shù)監(jiān)控功能。

圖8 參數(shù)監(jiān)控結(jié)果Fig.8 Monitor result of telehandler

3.2 故障診斷功能

參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)主要功能是故障排查。某樣機(jī)車速不平穩(wěn)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速行駛，且阻力較大，行駛有頓挫感。為此，分別對(duì)比了正常機(jī)型故障機(jī)型的行駛系統(tǒng)壓力曲線。

叉車的原地轉(zhuǎn)向阻力較大，采用該工況進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。圖9為性能良好的叉車在原地轉(zhuǎn)向時(shí)進(jìn)行后退和前進(jìn)的壓力曲線，行駛系統(tǒng)壓力在8～10 MPa，變化平穩(wěn)。圖10為故障車行駛系統(tǒng)的壓力曲線，系統(tǒng)壓力波動(dòng)大，并存在溢流狀態(tài)，表明泵和馬達(dá)是正常工作，但存在大的行駛阻力，初步懷疑是行走系統(tǒng)被鎖住，導(dǎo)致車速無(wú)法提升，壓力波動(dòng)。

圖9 正常設(shè)備原地轉(zhuǎn)向的測(cè)試結(jié)果Fig.9 Travel pressure for normal telehandler insitu steering

圖10 故障車行駛壓力變化曲線Fig.10 Travel pressure for faulty telehandler insitu steering

經(jīng)過對(duì)液壓系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助判斷，懷疑是剎車油路存在空氣，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)油溫高后因氣體膨脹而觸發(fā)制動(dòng)，導(dǎo)致行駛時(shí)阻力太大，出現(xiàn)系統(tǒng)溢流和較大的壓力波動(dòng)。為此，去掉制動(dòng)系統(tǒng)的油路并進(jìn)行行駛測(cè)量，故障車的車速正常，表明制動(dòng)阻力已經(jīng)釋放，說明參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)為叉車的故障診斷提供了科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)伸縮臂越野叉車的運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷等功能要求，采用LabVIEW為軟件平臺(tái)，PEAK USB/CAN為硬件平臺(tái)，通過隊(duì)列、全局變量和多線程等技術(shù)完成了越野叉車的參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，系統(tǒng)功能良好。將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用于故障車輛監(jiān)控，快速發(fā)現(xiàn)了越野叉車的故障源，為叉車工作過程中的故障診斷提供了可視化的判斷方法。采用CAN總線監(jiān)控方式有效實(shí)現(xiàn)了車輛狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷，但仍依賴于個(gè)人電腦，后期可以考慮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過藍(lán)牙/WIFI來獲得車輛信息，為改進(jìn)越野叉車性能奠定基礎(chǔ)。