（机械设计及理论专业论文）液压挖掘机工作装置负载辨识技术研究.pdf

j j 原创性声明 filjllfllf l f l l r l ff l l f llrllfiill1 0 y 1718 9 4 7 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 弓盈 堪日期 上鲥乙年羔月监日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 作者签名 墨苴琏 导师签名 以 1 7 日期 业年 月止日 中南大学硕十学位论文 摘要 摘要 随着我国市场经济的迅速发展和国家对基础建设投入的加大 挖 掘机在房屋建设 矿山采掘 国防工事等各种土石方施工中的应用越 来越广泛 提高挖掘机的智能化程度和工作效率 降低能耗及减轻操 作强度已经迫切需要 智能挖掘机无疑是未来的发展方向 挖掘机负 载的辨识是实现挖掘机智能化的基础 也是探索节能研究的新途径 论文主要研究了根据工作装置位姿和液压缸压力信号辨识负载的方 法和理论 主要工作如下 综述了液压挖掘机机电一体化与节能技术的研究现状及发展趋 势 从提高挖掘机智能性和节能的角度阐述负载辨识研究的必要性 分析了挖掘机的结构组成及性能发挥与操作之间的关系 对目前存在 的负载辨识方法进行分析比较 提出以工作装置位姿和液压缸压力信 号作为负载判断依据的改进方案 建立了液压挖掘机工作装置运动学和动力学模型 得到铲斗末端 的位置和工作装置关节角度与驱动液压缸长度的数学关系式 获得工 作装置绞点转矩和液压缸反向驱动力的转换函数 在建立挖掘机工作 装置的三维实体模型的基础上 对工作装置动力学参数进行估计 得 到液压缸摩擦阻力关于活塞速度的数学函数式 采用遗传算法对动力 学参数进行了再辨识研究 提高了动力学参数的适应能力 通过空载实验验证了动力学模型和辨识后的动力学参数的正确 性 并用特定载荷实验验证了工作装置负载辨识的可靠性 基于工作 装置的负载辨识 建立了挖掘机工作装置有效作业功率的数学表达 式 对挖掘机带负载能力进行分析 关键词液压挖掘机 工作装置 负载识别 遗传算法 参数辨识 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t ab s t r a c t t h em a r k e te c o n o m yp r o m p td e v e l o p m e n ta n dt h et h r o w i n gt ot h e b a s i sb u i l d se n l a r g i n gi no u rc o u n t r y a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te a r t h w o r k i n gc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r ya n de q u i p m e n t h y d r a u l i ce x c a v a t o ri s c o m m o n l yu s e di nh o u s eb u i l d i n g m i n i n ge x p l o r a t i o n n a t i o n a ld e f e n s e c o n s t r u c t i o na n do t h e ri n f r a s t r u c t u r e i t sau r g e n tn e e dt oe n h a n c et h e e f f i c i e n c y i m p r o v e t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c d e c r e a s et h e e n e r g y c o n s u m p t i o na n da b a t es t e e r i n gi n t e n s i o n i ti sn od o u b tt h a tr o b o t i c e x c a v a t o rw i l lb et h e d e v e l o p i n g d i r e c t i o ni nt h ef u t u r e l o a d i d e n t i f i c a t i o no fe x c a v a t o ri st h e k e y t or e a l i z ea u t o m a t i ce x c a v a t i o n a l s ot h en e ww a yt os t u d ye n e r g ys a v i n g t h em e t h o da n d t h e o r yo fl o a di d e n t i f i c a t i o ni sm a i n l ys t u d i e da c c o r d i n gt ot h ew o r k i n g d e v i c ep l a c ep o s t u r ea n dp r e s s u r eo ft h eh y d r a u l i cc y l i n d e rp r e s s u r e s i g n a li nt h ep a p e r t h em a i nr e s e a r c hw o r ka sf o l l o w s t h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt e n d e n c yo ft h ee x c a v a t o ra u t o m a t i c t e c h n o l o g ya n de n e r g ys a v i n gh a v eb e e ns u m m a r i z e d t h en e c e s s i t yo f r e s e a r c ho nt h el o a di d e n t i f i c a t i o ni se x p o u n d e db a s e do nt h ee n e r g y s a v i n ga n di n t e l l i g e n c eo fe x c a v a t o r t h ec h a r a c t e r i s t i co fe x c a v a t o ra n d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c ea n do p e r a t i o na r ea n a l y z e d t h e c u r r e n tm e t h o d so fl o a di d e n t i f i c a t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e da n d c o m p a r e d i m p r o v e ds c h e m ep r o p o s e db yi n t r o d u c i n gt h ew o r k i n gd e v i c ep l a c e p o s t u r ea n dp r e s s u r eo f t h eh y d r a u l i cc y l i n d e ra sm e a s u r e m e n t t h ek i n e m a t ic sa n dd y n a m i c sm o d e lo fe x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c ei s e s t a b l i s h e dw i t h l a g r a n g ee q u a t i o n s e x p r e s s i o n o ft h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nb u c k e tt i pp o s t u r ea n dt h ew o r k i n gd e v i c ea n g l eo rl e n g t ho f c y l i n d e ri sa c q u i r e d a l s o c r e a tt h er e l a t i o n s h i pm o d e lo fr e v o l u t i o n r e g u l a t i o na n dh y d r a u l i c d r i v i n gf o r c e d y n a m i cp a r a m e t e r sh a v eb e e n e s t i m a t e dw i t hs o l i dm o d e lf o rw o r k i n gd e v i c e t h ef r i c t i o no f h y d r a u l i c c y l i n d e ri sg i v e nt h e nr e i d e n t i f i c a t i o n o ft h ed y n a m i cw i t ht h en e w i m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h m t h ed y n a m i cm o d e la n dt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h ea c c u r a c yo ft h e 中南人学硕士学位论文 a b s t r a c t k i n e t i cp a r a m e t e r si fv e r i f i e dt h r o u g ht h en o 1 0 a de x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h er e l i a b i l i t yo ft h ew o r kd e v i c el o a di d e n t i f i c a t i o ni sc h e c k e do n l o a de x p e r i m e n t a lr e s u l t s b a s e do nt h ew o r k i n gd e v i c el o a di d e n t i f i c a t i o n m a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n so ft h ee x c a v a t o rw o r k i n gd e v i c ee f f e c t i v e o p e r a t i o np o w e r i se s t a b l i s h e da n dl o a dc a p a c i t yi sa n a l y z e d k e yw o r d s h y d r a u l i ce x c a v a t o lw o r k i n ge q u i p m e n t l o a d i d e n t i f i c a t i o n g e n e t i ca r i t h m e t i c g a m e t h o d p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n 中南人学硕士学位论文目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i 目录 i v 第一章绪论 1 i 1 课题来源与研究意义 l 1 1 1 课题来源 1 1 1 2 研究目的及意义 1 1 2 液压挖掘机机电液一体化研究现状 2 1 3 液压挖掘机节能技术的研究现状 7 1 4 论文的主要研究内容 l o 第二章挖掘机工作装置负载辨i f 方案分析 1 2 2 1 液压挖掘机的结构组成分析 1 2 2 2 挖掘机系统中负载的概念 1 4 2 3 挖掘机的负载辨识方法 l5 2 3 1 液压泵出口压力估计法 1 5 2 3 2 计算机视觉技术识别法 18 2 4 负载辨识方案对比与改进 2 0 2 5 本章小结 2 l 第三章液压挖掘机工作装置动力学参数辨识 2 2 3 1 工作装置运动学与动力学模型的建立 2 2 3 1 1 工作装置运动学建模 2 2 3 1 2 工作装置动力学建模 2 6 3 2 工作装置动力学参数估计 2 9 3 3 工作装置动力学参数再辨识研究 31 3 3 1 工作装置负载辨以问题分析 3l 3 3 2 工作装置动力学参数辩识的遗传算法改进设计 3 2 3 3 3 液压缸驱动力仿真与实验对比 3 4 3 4 本章小结 3 5 第四章基于动力学参数辨谚 的挖掘机1 二作装置负载辨识 3 6 i v 中南人学硕士学位论文目录 4 1 液压缸摩擦阻力的确定方法研究 3 6 4 2 空载工况负载辨识 3 8 4 3 特定载荷负载辨识 4 4 4 4 挖掘机工作装置有效作业功率和抗负载能力描述 4 8 4 4 1 工作装置有效作业功率模型 4 9 4 4 2 液压挖掘机抗负载能力 5 0 4 5 本章小结 5 1 第五章实验研究 5 2 5 1 实验目的及内容 5 2 5 2 实验平台搭建 5 2 5 2 1 压力传感器的选用 5 2 5 2 2 倾角传感器的选用 5 3 5 2 3 液压测试仪器的选用 5 3 5 3 实验过程与数据处理分析 5 4 5 3 1 实验注意事项 5 4 5 3 2 空载与特定载荷实验 5 4 5 3 3 实验数据处理 5 5 5 4 本章小结 5 9 第六章总结与展望 6 0 6 1 本文小结 6 0 6 2 后续研究展望 6 0 参考文献 6 2 致谢 6 6 攻读学位期间主要的研究成果 6 7 攻读硕士学位期间发表论文情况 6 7 攻读硕士学位期间参加的科研项目 6 7 v 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源与研究意义 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于国家 8 6 3 项目 液压挖掘机机电一体化及制造信息化 课 题编号 2 0 0 3 a a 4 3 0 2 0 0 和山河智能机械股份有限公司博士后流动站博士后课 题 液压挖掘机负载辨识及节能控制技术研究 1 1 2 研究目的及意义 液压挖掘机是功能最典型 结构最复杂 用途最广泛的工程机械之一 在工 业与民用建筑 管道铺设 交通运输 农田水利建设 农林开发 矿山开采以及 军事工程等施工中起着极为重要的作用 对劳动生产率和工程质量的提高以及体 力劳动的减轻有着重大的现实意义 据统计 目前全世界各种施工场所6 5 至 7 0 的土石方工作量是由挖掘机辅助完成的 中国挖掘机市场十年来几乎平均每 年以3 0 速度递增 从1 9 9 5 年2 5 0 3 台到2 0 0 4 年4 8 9 2 1 台 净增1 9 5 4 倍 中 国挖掘机械网c e m a 中国市场挖掘机实销量数计库统计 2 0 0 8 年国内主要的2 3 家挖掘机企业销售挖掘机总量为7 7 1 7 0 台 同比增长了1 5 9 0 2 0 0 9 年国内主 要的2 3 家主要挖掘机制造公司挖掘机市场总计销售各级别挖掘机约9 5 0 0 0 台 同比2 0 0 8 年大幅增长2 3 2 0 1 0 年3 月 挖掘机销量突破3 0 0 0 0 台大关 整个 工程机械市场为之疯狂 国内市场贡献了绝对力量 占到了总销量的9 9 以上 预计今后5 到1 0 年 我困将成为世界上最大的挖掘机市场和产地 然而随着挖 掘机需求量不断增大 人类的活动领域不断的拓宽 这些领域存在的一些问题越 来越不容忽视 从工作环境来看 挖掘机工作环境有时很恶劣 常常伴随有强烈的振动 噪 音和尘埃 有时甚至面临塌方 辐射 爆炸以及化学物等威胁 更有些工作环境 人类不便直接进入 例如太空丌发 水下作业 毒气作业和未爆弹探测等瞄1 这 时就对于无人参与的自主挖掘性能或者远程遥控性能提出了要求 从作业强度来看 在进行挖掘操作时 操作者需要在视觉和听觉的基础上 依靠经验知识进行推理以对挖掘过程进行监视和控制 操作手的脑力和体力消耗 极大 具有一定智能辨谚 能力的挖掘机能显著减轻操作者的劳动强度 从旌工要求来看 机器对操作者的技术依赖较大 缺乏训练有素的操作者难 以完成高质量作 i k 如甲整作 i 业或者丌沟作业 往往对整个施工过程的精度要求 很高 在通常操作水乎下 具有自动挖掘或挖掘过程自动跟踪的挖掘机就能显著 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 提高工作效率哺1 综合上面的结论可以推出 开发智能性挖掘机 实现挖掘机的机器人化 是 挖掘机发展的必然趋势 而真正实现挖掘机机器人化 首先解决的一个重要问题 便是如何识别负载和工况 对于一个具体的工况来说 工作介质即使是确定的 依然有挖掘多少之分 所以解决负载大小的判断问题更具有实际意义 随着挖掘机远程监控系统g p s g p r s 的广泛应用 再加上3 g 时代的到来 使 海量的挖掘机挖掘作业数据库的构建成为了可能 而具备了海量的挖掘机挖掘作 业数据 才能更加详尽的分析和优化挖掘机 才能更进一步讨论各阀压力流量分 配策略及优化结构h 1 从节能环保的角度考虑 随着工程机械品种和数量的不断增加 大量工程机 械所消耗的资源 排放的污染物质对环境产生了难以估计的影响 国内外对工程 机械的坏保性已提出了更高的要求 西方发达国家在上个世纪末陆续制定了一系 列政策 就工程机械工作时的噪声 排放 振动等指标进行限制 随着人们环保 意识的r 益增强 开发研制环保节能型产品已成为工程机械发展的趋势瞄1 在工程机械的使用过程中 燃油成本约占 机器寿命范围 内使用成本的 2 5 液压挖掘机的燃油能量利用率仅为2 0 左右晒1 即有近8 0 的能量由于各 种原因流失 其数量之大 让研究者不得不穷尽思虑把它找回来 挖掘机通过发动机把燃油化学能转换成机械能 然后液压系统由液压泵将发 动机的机械能转换成液压能 然后再由各种控制阀和管路将液压能传递给液压执 行机构 最后通过液压执行元件 液压缸和液压马达 把液压能转换为机械能 驱 动执行机构实现往复直线运动或网转运动 弄清楚能量传递过程中各种形式的能 量的转换情况 是研究节能的重要依据 做为能量传递的最顶层 工作装置做功 更需要重点研究 所以有必要定量的辨识出负载 而且负载辨识也是混合动力技 术和双阀芯技术更好的应用于节能研究的关键一步 随着工程机械机器人化的研究发展 液压挖掘机的自动化和节能降耗渐渐成 为各国研究的重点 国外的挖掘机制造商都推出了相应的新型产品 并继续竞相 投入大量资金 人力和物力 进行有关挖掘机高新技术的研究和丌发 尤其在挖 掘机运动控制和匹配节能方面 因而大大推动了相关技术的迅速发展口 8 国家 工程机械 十一五 发展规划 中把智能挖掘机作为科技投资开发的重点产品 之一旧1 竭尽全力跟随全球发展和环保的步伐 努力提高国产工程装备的整体水 平己成为我国装备制造业发展的重要目标之一 1 2 液压挖掘机机电液一体化研究现状 液压挖掘机上的机电液一体化技术主要是利用微电子技术实现机电液一体 2 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 化 以挖掘机为主体 传感检测 信息处理 执行机构和接口部分组成在一起 用微机和检测装置进行检测 优选和显示液压挖掘机系统的主要功能参数 自动 调节功率分配 不断提高劳动生产率 节省燃料 降低能耗 减少磨损 提高效 率和作业质量 机电液一体化技术作为一种高新技术 它并不是机械 电子技术 液压技术 计算机技术的简单叠加 而是这些学科的有机结合 渗透和综合而实 现最佳化的一个系统n 引 从而使挖掘机综合性能发生质的飞跃 也为挖掘机的发 展带来新的变革 传统的机电液一体化比较简单 指定信号通过一个放大器把一个电压信号变 为电流信号控制一个比例电磁铁 比例电磁铁控制滑阀行程或油泵排量 大部分 都是这种开环系统 使用微处理器后逐渐出现了一些闭环系统 机电液一体化技 术成为一种使得挖掘机能充分发挥工作能力的手段 例如 液压泵控制系统解决 了柴油机与液压泵的匹配和液压泵的各种变量方式的调节问题 原来液压系统的 恒功率控制阀 恒压控制阀和行程控制阀都需要单独的操作 使用机电液一体化 技术后一个阀就可解决了 机电液一体化应用于挖掘机始于2 0 世纪8 0 年代 比较成功的是液压泵控制系 统 包括压力感应控制和电子控制 电子监视系统 作业过程控制 电子载荷 传感挖掘系统 转速感应控制系统 节能控制器和自动挖掘系统 1 引 在国外液 压挖掘机中的主要有以下成果 1 卡耐基 梅隆大学的自主装载系统 a u t o n o m o u sl o a d i n gs y s t e m a l s a l s 3 1 是c m u 机器人研究所历时4 年的机器人项目 于1 9 9 8 年完成 其 目的是利用机器学习理论来研究自动化大型挖掘和装载过程的关键技术 包括传 感器技术和软件实施算法 运动规划算法 控制系统以及仿真和可视化支持技术 试验挖掘机是卡待彼勒公司 c a t 生产的2 5 吨斗容1 5 立方米机器 每次装 载完成一个工作循环 测控硬件包括角度 压力传感器 p d 控制器 所有计算 都在装有v x w o r k s 操作系统的嵌入式计算机上进行 并通过无线互联网将相关 数据传送到工作站 a l s 系统使用两个激光扫描测距仪 用来对卡车进行确认和准确定位 观 测土壤表面情况 识别障碍物等 该系统将挖掘机熟练操作员的知识编码成专家 库中的模板 结合动力学和运动学的准则 提出一种用于实时轨迹规划和执行复 杂挖掘机器人运动的参数化控制方法 这些控制过程以参数的形式接收外部环境 参数 并结合模板中的变量来处理当前的任务 使用这种方法可以很容易处理挖 掘机环境中的变化 而且还可用子过程的方式为挖掘机添加新任务 从而可以处 理挖掘机的异常工况 a l s 还具备经验知识数据库搜寻与更新功能 其大规模 自动挖掘装载路径及现场如图1 1 和1 2 所示 试验结果表明使用该系统 相同 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的情况下装满 卡车需要1 5 到2 0 秒 而熟练的操作手需要2 分钟 因此 系统 适合于连续重复挖掘装载的工况 a l s 的软件实现架构如图1 3 所示 图1 1a l s 装载工作循环过程 图1 2a l s 大规模挖掘装载现场 s u n u i a t e d 弛3 l e x c m o f 砒 图卜3a l s 系统软件架构 2 澳大利亚机器人技术中 i 二 a u s t r a l i a nc e n t e ro f f i e l dr o b o t i c s a c f r 的自 主挖掘机 ooo o h i g h l e v e lc o n t r o l 图卜5a c f r 自主挖掘机二级控制结构 行改造 4 晒 6 1 利用电液伺服阀替代原有 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的主阀 并在机器上安装了编码器 负载传感器和激光测量系统 采用m 2 0 0 0 伺服控制器和工业p c 机以实现对挖掘机的控制 其系统结构如图1 4 所示 该中心针对挖掘机提出了两级控制结构 如图1 5 所示 这种控制结构适 合大部分挖掘机的运动控制 在实际控制中 高级控制 由上位机执行 进行工 作规划 完成规划后 上位机向下位机发出计算机指令 低级控制 由下位机实 现 则执行高级控制的指令 驱动电液伺服阀 对挖掘机工作装置进行运动控制 a c f r 建立了挖掘机工作装置的动力学模型 将挖掘机连杆的运动与关节力矩和 外力联系起来 并建立了液压伺服系统的模型 在研究中给出多种控制策略 从 传统的p i d 控制 到反馈线性控制 再到滑模控制 模糊滑模控制 最后给出力 阻抗控制 对于每种控制方法 都给出仿真结果和试验结果 最后通过对试验 结果的分析得出 传统的p i d 控制不能满足实际挖掘过程中轨迹跟踪控制的精度 要求 而模糊滑模控制和力 阻抗控制均有较好的控制精度 对于液压系统的非 线性 及系统的不确定性有较好的鲁棒性 跟踪精度在2 0 0 m m 以内 3 美i 雪g e o r g i a 技术学院智能机械动力学实验室 i n t e l l i g e n tm a c h i n e d y n a m i c sl a b g e o r g i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 以下简称i m d l 挖掘机器人样机 图1 6 主机械手 p h a n t o m l o j 的示意图 图1 7j o h nd e e r e 反铲挖掘机示意图 图1 8h e n r e 的系统控制结构 中南大学硕士学位论文第一章绪论 i m d l 实验室2 0 0 4 年对带有反铲的j o h nd e e r e4 4 1 0 系列拖拉机进行了改装 增加了电液比例阀 位置和压力传感器以及p h a n t o m l 0 触觉人机接口 研制 了一种触觉增强型的挖掘机器人样机n 7 3 h a p t i c a u ye n h a n c e dr o b o t i ce x c a v a t o r 以下简称h e n r e 用以开发和验证触觉控制算法在移动装备上的应用 它属于 主从式机械手结构 如图1 6 1 7 所示 h e n r e 的新颖之处在于它可以直接在触觉人机接口上即可操作挖掘机 计 算机通过解运动学逆解和接受从机械手末端的力反馈来实现自动挖掘 另外由于 用电液比例阀代替了昂贵的伺服阀 因此成本相对较低 h e n r e 的系统控制结 构如图1 8 所示 4 日本加腾公司研制的a p c a u t o m a t i cp o w e rc o n t r 0 1 系统 日本加腾公司生产的h d 系列挖掘机采用a p c n 踟 a u t o m a t i cp o w e rc o n t r 0 1 系 统 其主要性能为 能根据作业内容和现场状况利用传感器将工作装置各个工 作状态变量产生的模拟量通过转换成数字量传蛩j a p c 用计算机控制液压泵的供 油量 保持发动机输出功率的最佳匹配 可以任意选择挖掘作业方式一h 高 m 中 l 低 提高作业效率 5 日本小松公司的c a o s 系统 日本小松公司生产的p c i 5 0 0 系列挖掘机采用c a o s c o m p u t e ra i d e do p t i m u m s a v i n g se n e r g y 即计算机辅助最佳节能系统n 引 其主要特点是 利用传感器得 到的挖掘机工作状态的各种参数一铲斗 斗杆和动臂的转角 发动机的转速 液 压系统的压力和各个器控制阀杆的行程等电信号 对数据进行分析 按照预定程 序加以控制 计算机还通过电磁阀控制操纵阀的行程 6 1o k 公司生产的f u l u r e 挖掘机 美国德雷克斯 o k 公司生产的f u l u r e 挖掘机n 引 其电子系统由三个子系统 构成 分别是 p m s 系统器 p u m pm a n a g i n gs y s t e m s 即油泵管理系统 该 系统的作用是调整和控制发动机及油泵 b c s 系统 b o a r dc o n t r o ls y s t e m h i 状 态监视系统 该系统是用于显示主要的机器参数 比较参考点和实际状态并存储 和传递它们 系统还可以对挖掘机进行预防性维修和保养 以及消除工作过程中 异常的信息显示 e h s c 系统 e l e c t r o n i ch y d r a u l i cs e r v ec o m r 0 1 h l j 电液操纵系统 该系统用电子控制的方法把挖掘机所有的命令传送给相应的阀门 从而取代了水 压的方法 另外在挖掘机的十多个部位设置了检测点 信号传人计算机中 只要 按下按钮 微机立刻将某一瞬间所有信息中最为主要的显示给司机 并提出排除 故障的方案 相较而言困内在挖掘机机器人化方面的研究相对较迟 主要有以下成果 7 浙江大学冯培恩教授从上世纪8 0 年代开始率先着手研究挖掘机机电一 6 中南大学硕十学位论文第一章绪论 体化技术 首先实现挖掘机器人作业过程的分级规划和局部自主控制n 1 但是他 们在任务规划层面上只停留在仿真阶段 还没有提出显著的实现方案 8 2 0 世纪末由戴炬负责的8 6 3 计划项目 挖掘机器人工作装置控制系统研 究与开发 以挖掘臂轨迹和工作循环的自动 半自动控制为目标 开发研制相应 的控制装置 安装在挖掘机上形成挖掘机器人产品 研制出一台挖掘机器人功能 样机 主要是运动学领域的控制 o 一 规 咖 斜啪 0 一 m m 一 一 图卜9s w e 一8 5 e 电控挖掘机工作状态图 9 湖南山河智能机械股份有限公司研究的机电一体化挖掘机 具有激光高 程定位 图形导引 自动轨迹控制啪 2 1 1 水平挖掘 坡度挖掘 挖掘深度控制 等功能 将挖掘机的自动化研究推向实用化 如图1 9 是该机器人工作状态图 同 时 在无线遥控 g p s g p r s 无线网络远程监控等方面与中南大学进行了研究 目前的无线遥控半径为1 0 0m 左右 挖掘机智能化的重要途径之一 就是要解决作业对象的辨识问题 所以 有 必要对挖液压掘机负载辨识开展研究工作 1 3 液压挖掘机节能技术的研究现状 在液压挖掘机领域 节能控制的目的不仅仅是提高燃油利用率 更重要的意 义在于能够取得一系列降低使用成本的效果 资料显示 工程机械将近4 0 的故 障来自液压系统 1 5 左右的故障来自发动机阳3 采用节能技术后 可以提高发 动机功率的利用率 减少液压系统功率损失 使动力系统与负载所需功率更壹f 地 匹配 降低了发动机和液压元件的工作强度 提高了设备在使用中的可靠性 盟 从国内外发展状况末看 主要在以下方面对液压挖掘机的节能技术做了大量的研 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 究工作 1 电液比例控制智能化 电液比例控制在8 0 年代初就开始应用于工程机械 用于工程机械 可以省去 复杂 庞大的液压信号传递管路 用电信号传递液压参数 不但能加快系统响应 而且使整个挖掘机动力系统控制更方便 灵活 电液比例技术进入9 0 年代后 随 着计算机技术的发展 电液比例控制更进一步 智能化 电液比例泵和比例阀 的应用日益增多 从而出现了 智能化液压挖掘机 这种智能化主要体现在以 下几个方面 首先 计算机能够自动监测液压系统和柴油机的运行参数 如压力 柴油机转速等 并能根据这些参数自动控制整个挖掘机动力系统运行在高效节能 状态 其次 能够完成一些半自动操作 如平地 斜坡的修整等 对司机的熟练 程度要求降低 但工作质量却能够得到大幅度提高 3 第三 能够根据监测到 的运行参数进行故障诊断 便于挖掘机的维护 这些功能的出现 使挖掘机性能 得以大幅度提高 2 柴油机电喷控制 在传统的机械调速柴油机上 喷油泵的循环供油量 喷油提l 角等都受到转 速影响 使柴油机性能难以进 步提高陋引 在柴油机上应用电喷控制后 可以使 喷油泵的循环供油量和喷油提前角不再受转速的影响 从而使挖掘机能够一直工 作在最佳状态 而且加快了响应速度 开发柴油机电喷控制器是提高挖掘机节能 性的一个重要环节 3 负荷传感控制将继续发展 负荷传感控制从2 0 世纪7 0 年代丌始兴起 各工程机械液压件生产厂商纷纷推 出了一系列有关产品 这种系统具有良好的节能性和操纵性 即使不熟练的司机 也能很快适应 比例流量分配阀的出现进一步推动了负荷传感技术在挖掘机上 的应用 使挖掘机操纵性进一步提高 解决了西方国家由于熟练司机的缺乏而带 来的问题 因此 负荷传感控制挖掘机在发达国家的需求将会进一步上升 4 双阀芯独立控制技术 挖掘机在作业过程中压力和流量 都是变化的 而且各个工作装置对压力 和流量的需求不同 因此英国e t o n 公司 推出了双阀芯系统 独立控制每一个工 作装置的进油和回油压力和流量 根据 图1 1 0 双阀芯的控制方式 这种方法可以柔性的实现负流 为1 使液压系统对负载的适应能 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 力得到显著提高 h u s c o 公司也推出了类似的系统及控制方式 并指出该系统可 以节能1 5 以上啪1 双阀芯控制执行机构的方式如图1 1 0 所示 它本质就是一种负载口独立控制 方式 系统压力油只经节流窗口1 流入执行机构的工作油腔 然后执行机构回油 腔中的油液经节流窗口3 流回油箱 设阀芯l 的位移为墨 阀芯2 的位移为 则 节流窗口1 3 的过流面积 4 h 卜1 4 厂 2 卜2 由式 1 1 式 1 2 可知 过流面积4 是墨 的函数 过流面积4 是 的 函数 这样进出油口的过流面积分别由两个独立的变量瓦 氓 来决定 相比于 传统的多路阀中每片阀只有一根阀芯 此种基于双阀芯控制的电液比例多路阀其 每片阀内有两根阀芯 分别对应执行机构的进油口和出油口 可以通过分别控制 阀芯1 和阀芯2 的位移量茂 来控制各个液压回路 两个阀芯既可单独控制 也可根据控制逻辑进行成对控制 并且两个工作油口都有压力传感器 每一个阀 芯都有位置传感器 通过对传感信号的闭环控制可以分别对两路液压油的压力或 流量进行控制 具有很高的控制精度 通过不同的组合可以得到不同的控制方案 以满足液压系统的工作需要乜7 矧 5 多功能组合 为提高挖掘机性能 各种节能措施的结合将更加广泛 实现多种节能方法的 最佳组合 如电子控制的c l s s 系统就是综合泵 负载的匹配控制 泵 发动机的 匹配控制及自动减速控制于一体的节能控制系统汹3 通过负载传感阀检测负载压 力并控制液压泵的流量 实现泵一负载的匹配控制 通过检测先导阀的压力 实 现工作装置流量的分配和动作的协调 通过设置多种作业方式并检测发动机的实 际速度和设定速度 控制泵的扭矩使发动机以较佳的状态运行 另外 在以往的 系统中 液压泵上已经集成有多种功能 但由于各种条件的限制 一般不超过三 种 如液压泵中 就集成有压力切断 正流量控制和功率限制功能 目前市场上 比较流行的各种液压泵原理图中 也都集成有多种功能 随着液压技术的发展 有可能在泵上集成更多的功能 6 泵一发动机匹配控制进一步 智能化 借助计算机控制技术 泵与发动机的匹配控制将进一步实现 智能化 两 者之间的结合将更密切 实现一体化控制 在这种控制中 控制器能根据工作状 况的变化 自动对液压泵和发动机进行调整m 1 在保证输出功率满足工作需要的 同时 使燃油消耗量最低 7 混合动力技术 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 混合动力系统 h y b r i d 发明于十九世纪末 已经被成功地应用于电动汽车 领域 有效的提高了发动机的能量利用率 对降低排放发挥了重要作用啪一 日 立 神钢 小松 新卡特三菱等工程机械制造商为了提高产品的竞争力和市场占 有率 纷纷开展了混合动力系统在工程机械上的应用研究工作 2 0 0 3 年 日立建 机推出了世界上第一台混合动力驱动的轮式装载机 这是混合动力系统在工程机 械上的首次应用 2 0 0 4 年5 月 小松公司研制出了世界上第一台混合动力液压挖 掘机的试验机型 在2 0 0 6 年4 月法国i m e r m a t 展会上 纽荷兰与神钢公司联合研 制推出了7 t 混合动力挖掘机样机 资料显示 混合动力系统可以降低装机功率 平均节能4 0 以上 引 上世纪9 0 年代初 国内开始了工程机械的节能理论技术的研究 并取得了 一定成果 主要集中在高校院所t 浙江大学的王庆丰教授提出了混合动力挖掘机控制系统 将传统的由发动机 驱动 转变为发动机与电动机共同驱动的控制方式 提高了能量的利用率 吉林 大学在赵丁选教授的带领下 首次将发动机 变量泵和负载作为一个整体进行了 研究 采用模糊控制技术实现了发动机与变量泵的全功率匹配 克服了国内外挖 掘机节能控制中普遍应用的单纯转速控制或压力控制的不足 并且成功地实现二 级溢流控制 通过台架试验取得了良好的节能效果 3 3 中南大学与山河智能合作 提出一种挖掘机节能控制策略 恒功率与变功率协调控制 对发动机和泵分别 进行调节 使发动机和泵达到良好匹配 从而液压泵能充分吸收和利用发动机发 出的功率 并维持发动机转速的基本恒定 提高发动机燃油利用率和整机效率阻1 论文以分析挖掘机整个流量传递系统的能量分布云图为节能研究手段 寻找 能量流失的重要环节和探索如何减少或者避免这些环节的能量流失为目的 实现 挖掘机的高效性和实用性 提高产品的竞争力 工作装置的做功分析作为传递系 统的最顶层 是论文节能分析的关键一环 而实现工作装置的负载辨识是计算工 作装置有效作业功率首要条件 所以 对挖掘机工作装置负载辨识进行研究是必 要的 1 4 论文的主要研究内容 本文基于目前国内智能挖掘机工作装置负载辨识研究方面的欠缺 特针对湖 南省山河智能机械股份有限公司生产的s w e 8 5 e 型电控挖掘机 利用机器人运动 学与动力学在挖掘机上的应用模型 并结合目前工程机械智能化发展现状 确定 本课题的研究内容如下 1 在查阅国内外大量相关文献的基础上 综述液压挖掘机机电一体化与节 能技术的研究现状及趋势 从提高挖掘机智能性和节能的角度阐述了负载辨识研 1 0 中南大学硕 学位论文 第一章绪论 究的必要性 2 分析液压挖掘机的结构组成及性能发挥和操作之间的关系 对目前存在 的负载辨识方法进行分析比较 提出改进方案 3 对挖掘机工作装置进行运动学与动力学分析 建立合理实用的动力学模 型 通过i n v e n t o r 建立挖掘机工作装置的三维实体模型 对挖掘机工作装置负 载辨识模型中的相关动力学参数进行估计 为提高负载辨识精度 采用先进的算 法对动力学参数辅以系统再辨识 建立液压缸摩擦阻力关于速度的数学表达式 4 通过空载实验验证动力学模型和辨识后的动力学参数的准确性 并用特 定载荷验证工作装置负载辨识的可靠性 基于工作装置负载辨识 对挖掘机工作 装置有效作业功率进行分析 5 以s w e 8 5 e 电控挖掘机为实验平台 通过实验所得到的数据与模型计 算值进行比较分析 验证论文所建立的模型正确性 中南大学硕士学位论文第二章挖掘机工作装置负载辨识方案分析 第二章挖掘机工作装置负载辨识方案分析 通常挖掘机操作手会根据不同的被开挖对象 调整挖掘机的工作模式 以做 到作业经济性 作业生产率和作业稳定性等多者兼顾 那么对于智能挖掘机来说 如何识别工作装置内的负载 以调整系统中的各项匹配满足作业要求 本章主要 对挖掘机的结构组成及性能发挥和操作之间的关系进行分析 通过对已存在的挖 掘机负载辨识方法进行比较 提出一种且实可行的工作装置负载辨识方案 2 1 液压挖掘机的结构组成分析 液压挖掘机是一种采用液压传动并配备工作装置恤1 标准配置为铲斗 进行 作业的机械 液压挖掘机的类型有许多种 根据不同的分类原则也有许多不同的 分类方式 根据工作装置 分正铲 反铲 刨铲 拉铲 抓铲 也称抓斗 等形 式 采掘或矿用挖掘机一般只配备一种工作装置 进行单一作业 故又称专用挖 掘机 按照铲斗数 可分为单斗挖掘机和多斗挖掘机 单斗反铲液压挖掘机是一 种采用液压传动并配以一个铲斗进行挖掘作业的机械 是目前挖掘机械中的重要 品种汹1 单斗反铲液压挖掘机主要包括动力系统 工作装置 上车回转机构 行 走机构 操纵机构 传动系统和其它辅助设备等 如图2 1 所示 1 动臂液压缸 2 动臂 3 斗杆液压缸 4 斗杆 5 铲斗液压缸 6 铲斗 7 导向轮 8 行走马达 9 回转平台 10 操作手柄 1 1 发动机 1 2 液压泵 13 主阀 图2 1液压挖掘机结构示意图 液压挖掘机的作业过程足通过各执行机构单独动作或复合动作来实现 反铲 作业时 动臂放f 作为支承 通过斗杆液压缸或铲斗液压缸改变铲斗的位姿和 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章挖掘机工作装置负载辨识方案分析 运动轨迹并使铲斗的斗齿切入开挖面作弧线运动 使开挖物剥离后进入铲斗内 进行挖掘和装土 然后提起动臂 利用回转马达转向卸土点 翻转铲斗卸土达到 改变开挖物位置的目的 从而实现挖掘 装载 平整等多种作业 当选择刨铲 拉铲 破碎锤 平坡斗 抓斗 麻花钻 振捣器 电磁吸盘 高空作业架等其它 工作装置时 通过对它们的驱动及控制就能实现各自的功能m 3 液压挖掘机的液压系统主要由液压泵 液压马达 液压缸和主阀等液压元件 组成 采用各种控制阀控制执行机构的运动 液压系统首先由液压泵将发动机的 机械能转换成液压能 然后再由各种控制阀和管路将液压能传递给液压执行元 件 最后通过液压执行元件 液压缸和液压马达 把液压能转换为机械能 驱动执 行机构实现往复直线运动或回转运动 单斗反铲液压挖掘机一般分为上车 回转 动臂 斗杆和铲斗 和下车 行 走系统 在液压挖掘机的驾驶室内通常配有两个操作手柄和两个操纵杆 操作 手柄用于控制上车部分动作 操纵杆则用于控制下车行走 每个操作手柄具有两 个自由度 前后和左右 分别对应左右回转和液压缸的伸缩 操纵杆只有一个自 由度 向前或向后 分别对应行走系统的前进和后退 操作手控制操作手柄和操 纵杆的角度可以控制液压缸和液压马达的运行速度 现有绝大多数的液压挖掘机 都具有复合操作的功能 即同时实现行走 回转和工作装置的运动 图2 2 操作手与挖掘机各个环节信息传递流程图 一名熟练的操作手会根据施工工况和挖掘机的性能 对挖掘机的作业范围和 作业速度进行控制 使挖掘机以较好的状态运行口引 操作手与挖掘机各个环节之 间的关系如图2 2 所示 由于操作手可以控制挖掘机的作业空间和作业速度 液 压挖掘机性能的发挥与动力系统配置和操作手的动作有很大的关系 通过控制操 作手柄和操纵杆可改变先导阀的出f 压力 先导阀的出口压力决定了主阀的节流 口大小 或由机械手柄直接控制t 阀的节流口 主阀的多个节流口组成液压全 桥或半桥控制液压缸或马达的流量 液压系统的结构和执行机构负载建j 迂的压力 中南大学硕士学位论文 第二章挖掘机工作装置负载辨识方案分析 决定了液压泵的负载和工作点 液压泵影响了发动机的输出扭矩和工作点 由此 引起发动机转速的变化 操作手根据发动机转速的变化 工作装置的速度以及负 载的变化对发动机油门和操作手柄进行控制 最终形成如图2 2 所示的信息传 递 反馈及控制流程 因此操作手除了用手