伸臂式焊接变位机设计-液压系统设计

青岛理工大学本科毕业设计（论文）说明书PAGE46摘要焊接作为一种工艺手段，已经成为很重要的热处理加工技术。焊接技术是随着金属的应用出现的，金属焊接的方法有很多种，各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。焊接产品质量的好坏不仅取决于焊接工艺质量，与备料、装配等工序也有密切联系。因此，在整个焊接生产过程中，不论产品的质量要求和批量的大小，均应考虑采用生产工艺装备。焊接质量与生产装备工业密不可分，其中装载工件的工作台是在焊接过程中利用自身的各部分完成焊接变位的机械。本次设计的主要内容是：已知工作台的装载能力，焊接时要求的工作台的变位各种参数，设计出利用液压系统传动的0.5t液压焊接变位机械，其中包括液压系统的设计，对液压元件的选用，和工作台中回转机构的计算设计。再根据总体上对轴、轴承、联轴器等的刚度、寿命要求、综合位移要求等等，确定其余零部件。关键词：液压；变位；焊接；传动AbstractWiththehighlevelofmodernindustrialdevelopmentandthecontinuousadvancementofweldingtechnology,weldingmetalasawaytoconnectthetechnologyintheproductionofmetalstructureshasbasicallyreplacedtherivetsconnectingprocess.Thequalityofweldingqualitydependsnotonlyonthequalityofweldingtechnology,butalsoonthepreparationandassemblyprocessesarecloselylinked.Hence,throughouttheweldingprocess,regardlessofthequalityoftheproductrequirementsandbatchsize,weshouldconsidertheuseofproductiontechnologyandequipment.Amongthem,thewheelframeisweldingdrivingwheelwiththeworkpiecebymeansoffrictionbetweenthecylindricalworkpiecedrivenweldingpositionerrotatingmachinery,mainlyusedinthecylindricalworkpieceandweldingassembly.Thispaperstudysthefollowing:

Cylindricalworkpieceinaknownweightandrotationspeedunderthepremiseoftheprocessoftakingintoaccountthetransmissionefficiencyoftheexistenceoffrictionand,ultimately,theoutputpowertodeterminethemotortype.Thenselectedbasedonspeed,calculatedthetransmissiongearratio,soastofurtherdeterminetheselectionofthedrivereducerform,quantity,andsoon.Thequalityofweldingqualitydependsnotonlyonthequalityofweldingtechnology,butalsoonthepreparationandassemblyprocessesarecloselylinked.Onthebasisofthewholeshaft,bearings,couplings,suchasstiffness,longevityrequirements,integrateddisplacementrequirements.wecoulddeterminetheremainingcomponents.Keywords:hydradulic；pressure,；jointing,；changing,；drive目录TOC\o"1-2"\h\z摘要 IAbstract II目录 IV第1章绪论 11.1液压传动系统的发展概况 11.2焊接结构生产现状及发展方向 1第2章液压系统的设计计算 22.1液压缸负载分析……………………22.2初选系统工作压力…………………62.3计算液压缸的主要结构尺寸和液压马达排量……72.4计算液压元件实际工作压力………102.5计算液压元件实际所需流量………102.6制定系统方案和拟订液压系统图图………………112.7液压元件的选择…………………..16.第3章传动部分设计计算 183.1齿轮的设计计算 183.2轴的设计计算 21结论 26参考文献 27后记 28附件1 29附件2 第1章绪论1.1液压传动系统的发展概况液压传动相对机械传动来说，是一门新的传动技术。如果从世界上第一台水压机问世算起，至今已有200余年的历史。然而，直到20世纪30年代液压传动才真正得到推广应用。在第二次世界大战期间，由于军事工业需要反应快、精度高、功率大的液压传动装置而推动了液压技术的发展。战后，液压技术迅速转向民用，在机床、工程机械、农业机械、汽车等行业中逐步得到推广。20世纪60年代后，随着原子能、空间技术、计算机技术的发展，液压技术也得到了很大发展，并渗透到各个工业领域。当前液压技术正向着高压、液压传动高速、大功率、高效率、低噪声、长寿命、高度集成化、复合化、小型化以及轻量化等方向发展。同时，新型液压元件和液压系统的计算机辅助测试(CAT)、计算机直接控制(CDC)、机电一体化技术、计算机仿真和优化设计技术、可靠性技术以及污染控制方面，这也是当前液压技术发展和研究的方向。1.2焊接结构生产现状及发展方向随着现代工业的高速发展和焊接技术的不断进步，焊接作为一种金属连接的工艺方法，在金属结构生产中已基本取代了铆接连接工艺。焊接与锻造，锻压，切削加工，热处理等金属加工工艺方法的组合，成为机械制造业的主要加工工艺方法。由于焊接焊接结构的多样化及生产过程的复杂性，目前焊接生产过程的机械化，自动化的程度还是比较低，手工操作在某些产品，甚至某些行业中仍占有相当的比例。焊接结构生产地整个过程同其他任何一种生产过程一样，除了基本的生产工序外，还包括大量的辅助工序，其主要是焊接零件的制备，装配，工序间的传送和制品的变位与清理等。另外，制品工序间的检验和成品的检验也占有相当大的工作量。因此，要提高焊接结构的生产率和产品质量，应考虑整个焊接结构生产过程的机械化和自动化，焊接工件的工作台的适时变位是这次课题研究的主要内容。第2章液压系统的设计计算2.1负载分析2.1.1技术要求工件的质量定为500kg，工作台最大回转力矩100N.M，工作台回转速度0—1r/min,工作台倾斜速度0.7r/min工作台回转角度360工作台倾斜角度1302.1.2液压缸负载分析受力示意图（如下）取工作台和工件总重G=1300kg，L=24001.主臂液压缸载荷分析,当主臂水平时受载荷最大GL=285FFy=127.7(KN)Fx=12.77(KN)F=128.3(KN)所以液压系统主缸的外载荷F=64.2(KN)惯性载荷F=式中g重力加速度；g=9.8M/S速度变化量M/S起动或制动时间。行走机械一般取=0.5—1.5m/s在此取=1m/sF===1300(N)在当工作台静止时液压缸受载荷F=64.2(KN)当工作台和主臂向上抬时，液压缸此时受载荷F=F+F=65.5(KN)图2—1受力示意图2.副臂液压缸载荷分析受力示意图（如下）因为除去主臂的重量所以副臂，工作台和工件重量估算为1t，除去主臂的长度，估算液压缸到工件的重心距离为2100mm副臂液压缸的动作要使的副臂与工作台能倾斜一定角度，因此F=10F===1000(N)在当工作台静止时液压缸受载荷F=114.5(KN)当工作台和副臂向上抬时，液压缸此时受载荷F=F+F=115.5(KN)图2—2受力示意图3.倾斜液压缸的载荷分析受力分析示意图（如下）除去主臂和副臂的一段距离则估算液压缸到工件重心的距离为1000 mm，工件的重量估算为800kg2F=0.8F=33.3(KN)F==0.8(KN)图2—3受力示意图在当工作台静止时液压缸受载荷F=33.3(KN)当工作台发生倾斜时，液压缸此时受载荷F=F+F=34.1(KN)估算液压缸机械效率为=90，液压缸的实际载荷为F=eq\o\ac(○,1)主臂液压缸实际载荷在当工作台静止时液压缸受载荷F==当工作台和主臂向上抬时，液压缸此时受载荷F===72.8（KN）eq\o\ac(○,2)副臂液压缸实际载荷在当工作台静止时液压缸受载荷F==当工作台和副臂向上抬时，液压缸此时受载荷F==（KN）eq\o\ac(○,3)倾斜液压缸实际载荷分析在当工作台静止时液压缸受载荷F==(KN)当工作台发生倾斜时，液压缸此时受载荷F==(KN)3，液压马达载荷力矩的计算工作台的回转功率PP=T2=100=65.73W液压马达的载荷力矩TT==0.25N.m取齿轮传动效率为0.95，涡轮蜗杆减速器效率为0.4，液压马达的机械效率为0.9T===0.73N.m2.2初选系统工作压力压力的选择要根据载荷大小和设备类型而定。还要考虑执行元件的装配空间，经济条件及元件供应情况等限制。在载荷一定得情况下，工作压力低，势必要加大执行元件的结构尺寸，对某些设备来说，尺寸要受到限制，从材料消耗角度看也不经济；反之，压力选的太高，对泵，缸，阀等元件的材质，密封，制造精度也要求较高，必然要提高设备的成本。一般来说，对于固定的尺寸不太受限的设备，压力选的低一些，行走机械重载设备压力选的高一些。表2—1各种机械常用的系统工作压力机械类型机床小型工程机械，农业机械，建筑机械，液压机重型机械，大中型挖掘机磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力MP0.8—23—52—88—1010—1820—32表2—2系统按载荷选择工作压力载荷KN<55—1010—2020—3030—50>50工作压力MP<0.8—11.5—22.5—33—44—5>5根据载荷和机械类型（小型工程机械）初选系统工作压力为10—18MP2.3计算液压缸的主要结构尺寸和液压马达的排量2.3.1液压缸的有关设计参数见下图图2—4受力示意图活塞杆受压时F==PA—PA（2—1）活塞杆手拉时F==PA—PA（2—2）式中A=——无杆腔活塞有效作用面积（m）A=——有杆腔活塞有效作用面积（m）P——液压缸工作腔压力（P）P——液压缸回油腔压力，即背压力。其值根据回路的具体情况而定，初算时可参照下表。D——活塞直径（m）d——活塞杆直径（m）表2—3执行元件背压力系统类型背压力MP简单系统或轻载节流调速系统0.2——0.5回油路带调速阀的系统0.4——0.6回油路设置有背压阀的系统0.5——1.5用补油泵的闭式回路0.8——1.5回油路较复杂的工程机械1.2——3回油路较短，直接回油箱可忽略不计一般液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为A=（2—3）须先确定A和A的关系，或是活塞杆径d与活塞直径D的关系，杆径比,其比值可按下表选取表2—4按工作压力选取工作压力MP<5.05.0—7.0>7.0d/D0.5—0.550.62—0.700.7表2—5按速比要求确定V31.461.612d/D0.550.620.71取d/D=0.55活塞直径或缸径D=（2—4）液压缸直径D和活塞杆直径d的计算值要按国标规定的液压缸的有关标准进行圆整。如与标准液压缸参数相近，最好选用国产标准液压缸，免于自行设计加工。以下是常用液压缸内径及活塞杆直径表2—6常用液压缸内径D4050638090100110125140160180200220250表2—7活塞杆直径速比缸径40506380901001101.463222835454550506055706380eq\o\ac(○,1)主臂液压缸的缸径D,取P=12MP，背压力P=0.3MPD===96.28（mm）取标准缸径100mm活塞杆直径d==100=55mmeq\o\ac(○,2)副臂液压缸的缸径D,取P=12MP，背压力P=0.3MPD===127.97（mm）取标准缸径150mm活塞杆直径d==150=82.5mm，取标准活塞杆直径85mmeq\o\ac(○,3)倾斜液压缸的缸径D,取P=12MP，背压力P=0.3MPD===69.68（mm）取标准缸径80mm活塞杆直径d==80=44mm，取标准活塞杆直径45mm2.3.2计算液压马达的排量取液压马达的机械效率为0.9液压马达的排量为q=式中T——液压马达的载荷转矩（N.m）——液压马达的进出口压差（P）取P=12MP，P=0.3MPq===0.44m/r2.4计算液压执行元件实际工作压力按最后确定的液压缸结构尺寸和液压马达排量，计算出工况时液压执行元件实际工作压力，见下表表2—8液压元件的系统压力工况执行元件载荷背压力P工作压力P计算公式主臂副臂工作台转动主臂液压缸72.8KN0.3MP10MPP=副臂和工作台转动副臂液压缸128.3KN0.3MP8MP工作台倾斜倾斜液压缸37.8KN0.3MP8MP工作台回转液压马达0.73N.m0MP11MPP2.5计算液压执行元件实际所需流量根据最后确定的液压缸结构尺寸或液压马达的排量及其运动速度或转速，计算出各液压执行元件实际所需流量，见下表表2—9液压元件实际所需流量工况执行元件运动速度结构参数流量（L/S）计算公式主臂副臂工作台转动主臂液压缸0.02m/sA=0.00785m0.157Q=AV副臂和工作台转动副臂液压缸0.02m/sA=0.01766m0.353Q=AV工作台倾斜倾斜液压缸0.02m/sA=0.00502m0.1004Q=AV工作台回转液压马达400r/minq=0.08L/r0.533Q=qn2.6制定系统方案和拟订液压系统图2.6.1执行机构的确定本机动作机构除工作台回转外，其他机构均为直线往复运动。各直线运动机构均采用单活塞杆双作用液压缸驱动，回转机构则用液压马达驱动。2.6.2液压源的选择为满足压力稳定的要求，在焊接工件时，保持工作台静止，液压缸保持一定得压力，除采用锁紧回路外，液压源采用远程调压回路，控制整个液压系统或局部支路油液压力，使之保持恒定或限制其最高值。液压系统中的压力调定必须与载荷相适应，才能既满足主机要求又减少动力耗损。将溢流阀的控制口上可再接一个压力较小的远程调压阀，满足稳定系统不同的工作压力的要求。图2—5调压回路2.6.3主臂液压缸和副臂液压缸采用相同的工作回路当执行机构质量较大运动速度较高时，若突然换向或停止时，会产生很大的冲击和振动。为了减少或消除冲击，除了对执行机构本身采取一些措施外，也可以在液压系统上采取一些办法实现缓冲，这种回路也称为缓冲回路。在系统进油加上单向节流阀，调节单向节流阀开口量，限制流入液压缸的流量，达到缓冲的目的，和控制液压缸活塞移动的速度，达到控制工作台倾斜的速度。图2—6缓冲回路在液压缸的进油口加上液控单向阀，作为液压缸的支撑阀，有保压的作用，防止回油，保持系统的压力，在焊接工件时保持工作台的静止。图2—7单向锁紧回路另外在此加上锁紧回路，当换向阀处于中位时，使液控单向阀进油及控制油口与油箱相通，液控单向阀迅速封闭，液压缸活塞向左方向的运动被液控单向阀锁紧，向右方向则可以运动，故仅能实现单向锁紧。2.6.4倾斜液压缸的工作回路倾斜液压缸的回路只有锁紧回路与主臂液压缸不同，其余相同。在进油和出油口都加上液控单向阀。在工程机械液压系统中常使用此类锁紧回路。当三位四通电磁换向阀处于中位时，两个液控单向阀进油及控制油口都与油箱相通，使两个液控单向阀迅速关闭，可实现对液压图2—8双向锁紧回路的双向锁紧。2.6.5液压马达的工作回路在液压马达与电磁换向阀之间加入安全补油回路，可保证液压马达的流量稳定，从而使工作台以均匀的速度的回转。2.6.6拟订液压系统图和动作循环表表2—10电磁铁动作循环表电磁铁动作2DT3DT4DT5DT6DT7DT8DT9DT10DT主臂倾斜+主臂恢复+副臂倾斜+副臂恢复+工作台倾斜+工作台恢复+工作台回转++工作台锁紧++图2—5液压系统2.7液压元件的选择2.7.1液压泵的选择eq\o\ac(○,1)液压泵工作压力的确定PPP是液压执行元件的最高工作压力，对于本系统，最高工作压力是液压马达的工作压力。P=11MP是泵到执行元件间总的管路损失，在此取=0.5MP液压泵的工作压力为P=11+0.5=11.5MPeq\o\ac(○,2)液压泵的流量确定q取泄露系数K=1.2，Q发生在工作台发生倾斜和回转时，Q=0.690L/S(36.66L/min)q=1.2=43.99L/min选用CBF—E18齿轮泵，工作压力级别为E，16MP，流量为18ml/r，额定转速为2500r/min。2.7.2电动机功率的确定取泵的总效率为0.8P==15KW2.7.3液压阀的选择选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量表2—10液压阀明细表名称数量选用规格二位电磁换向阀14WE5B6D/W220—50NZ4溢流阀1DB10—3—30/315U三位电磁换向阀34WE10J10/W220—50NZ4单向节流阀3Z2FS10—20/S2液控单向阀3SV10P20双向液控单向阀1F42直角单向阀4DF—B10K1直动式溢流阀2DBDA6910/200电磁换向阀14EW10E10/AW220—50NZ4调速阀1QA—F6/10D—A2.7.4液压马达的选择根据以上算出的排量选用BYM—80型摆线液压马达，排量80ml/r，转速为10—400r/min,最大工作压力为12MP，最大转矩为105N/m。第三章传动部分设计计算3.1齿轮的设计计算eq\o\ac(○,1)选用直齿圆柱齿轮，工作台的回转速度不高，选用7级精度，eq\o\ac(○,2)材料选择。由表（机械设计）选择小齿轮材料为20C,渗碳后淬火，硬度为60HRC；大齿轮材料为40C调质后表面淬火，硬度为50HRC。eq\o\ac(○,3)选择小齿轮的齿数为20，大齿轮100，传动比为i=5eq\o\ac(○,4)按齿面接触强度设计由设计计算公式d（3—1）1)选载荷系数K=1.32）计算小齿轮传递的转矩T=12.56N.mm（3—2）3）由文献1表10—7查的选择齿宽系数=14）由文献1表10—6查的材料的弹性影响系数Z=189.8MP由文献1图10—21d查的按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限5）由式计算应力循环次数N=60=60216（3—3）N=（3—4）6)由文献1图10—19取接触疲劳寿命系数K=0.90,K=0.957)计算接触疲劳许用应力取失效效率为1%，安全系数S=1，由式得（3—5）=540MP=522.5MP计算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值d=mm（3—6）8）计算齿宽b==1=79.97mm（3—7）模数m===3.9985mm（3—8）9）按齿根弯曲强度设计eq\o\ac(○,1)设计公式：m（3—9）确定公式内的各计算数由文献1图10—20C查的小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限；由文献1图10—18取弯曲疲劳寿命系数K，K；计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由得（3—10）计算载荷系数K。K=（3—11）查取齿形系数由文献1的表10—5查的Y；Y查取应力校正系数由文献1的表10—5查的Y；Y10)计算大小齿轮的并加以比较==0.0142965（3—12）==0.017813大齿轮的数值大eq\o\ac(○,2)设计计算m3.974mm对于此结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算的的模数3.974并圆整为标准值4mm，按接触强度算得的分度圆直径d，算出小齿轮的齿数Z（3—13）大齿轮齿数Z这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑，避免浪费。11）几何尺寸计算eq\o\ac(○,1)计算分度圆直径d=80mmd100=400mm（3—14）eq\o\ac(○,2)计算中心距a=240mm（3—15）eq\o\ac(○,3)计算齿轮宽度b=（3—16）取B；B3.2轴的设计计算3.2.1计算轴的直径选用材料45钢，经调质处理，由表查的材料力学性能数据为：E=2.1510MP工作台和工件的估计重量1.3t，G=13009.8=12740N偏心距e=20mm，高度h=150+400=550mm=61.1MP直径d85.8mm取d=86mm3.2.2轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构的尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型，尺寸，数量以及和轴连接的方法；载荷的性质，大小，方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构因素多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以没有标准的结构形式。设计时必须针对不同情况进行具体分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于拆装和调整；轴应具有良好的制造工艺性。下图是回转机构的主轴的结构图轴上零件的定位：为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴桑零件除了有游动或空转的要求外，都必须进行轴向或周向定位，以保证其准确的工作位置。图3—1轴的结构示意图3.2.3轴的强度校核计算按弯扭合成强度条件计算通过轴的结构设计，轴的主要尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。步骤如下：eq\o\ac(○,1)做出轴的计算简图（力学模型）Freq\o\ac(○,2)做出弯矩图FrFtFtFnFnv1Fnh1Fnv2Fnh2L1L2L3FrFhv1Fnh2Mv1Mv1FnFnv1Fnv2TMv1Mv2Mv1Mv2M1M2TT图3.2eq\o\ac(○,3)校核轴的强度F（3—17）F（3—18）F（3—19）式中T——小齿轮传递的转矩，N.m；d——小齿轮的节圆直径，对标准齿轮即为分度圆的直径，mm；——啮合角，20度F==3140NF=3140NF17656N危险截面的转矩与扭矩：T3531N.mM4185N.m已知轴的弯矩和扭矩，可针对危险截面做弯扭组合的强度校核计算。按第三强度理论，计算应力（式3—20）通常由弯矩产生额的弯曲应力是对称循环应力，而由扭矩产生的扭转切应力则常不是对称循环应力。为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数，则计算应力为=187MP270MP轴满足强度要求结论本论文结合0.5t液压伸臂式焊接变位机的基本要求和特点，对液压系统进行了设计以及计算，所做的工作主要有以下几个方面：（1）液压系统的分析（2）液压伸臂式焊接变位机的组成（3）液压伸臂式焊接变位机的工作原理（4）液压系统、回转机构中的传动部分的设计计算（5）回转机构装配图的绘制（6）液压伸臂式焊接变位机装配图的绘制（7）回转机构箱体零件的绘制参考文献[1]浦良贵纪名刚.机械设计第八版.[M]北京：高等教育出版社,2006.[2]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册焊接机构.[J]北京：机械工业出版社,1992.1[3]机械设计手册编委会机械设计手册4（液压分册）M北京：机械工业出版社2004[4]王积伟章鸿甲黄谊.液压传动[M]第二版北京：机械工业出版社2006[5]沈世瑶.焊接方法及设备.[J]北京：机械工业出版社,1982.[6]上海船舶工业设计研究院机械工业部第五设计研究院北京船舶工程第五设计研究所.焊接设备选用手册.[M]北京：机械工业出版社,1984.[7]机械设计手册新版3.[M]北京：机械工业出版社.[8]机械设计手册第二版.[M]北京：机械工业出版社.[9]周寿森.焊接机构生产及装备.[M]北京：机械工业出版社,1999.[10]刘鸿文.材料力学.[M]北京：高等教育出版社,2006.[11]张海根.机电传动控制.[M]北京：高等教育出版社,2001.[12]陈于萍周兆元.互换性与测量技术基础.[M]北京：机械工业出版社,2007.[13]李庆芬朱世范陈其廉.机电工程专业英语.[M]哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.[14]HirokazuAraya,MasayukiKagoshima,Semi-automaticcontrolsystemforhydraulicshovel[J]KobeSteel,Ltd.,Nishi-ku,KobeHyogo,2007后记大学生活即将结束，毕业设计是对大学四年学过的知识的总结，是对各科专业课的运用的检验。毕业设计的制作培养我们灵活运用知识，独立思考的能力，这些在以后的工作中至关重要。回首设计的这段时间，感到收获很多。首先毕业设计给了我们把四年学到知识进行一次系统复习，综合运用的机会。在此次设计中，设计步骤上有时确实有很大的困难，不过通过积极地讨论和互相帮助学习解决了不少，真正感受到团队协作的重要性。这些都为即将踏上工作岗位的我们有很大的帮助。在设计中我始终都受到刘老师的精心指导。通过不断地努力，改进自己方案中的错误，按时的完成了设计任务。在即将离开校园的时候向老师们道声：谢谢！附件1外文资料翻译液压挖掘机的半自动控制系统

HirokazuAraya,MasayukiKagoshima日本机械工程研究实验室KobeSteel,Ltd.,Nishi-ku,KobeHyogo6512271,2000年7月27日摘要开发出了一种应用于液压挖掘机的半自动控制系统。采用该系统，即使是不熟练的操作者也能容易和精确地操控液压挖掘机。构造出了具有控制器的液压挖掘机的精确数学控制模型，同时通过模拟实验研发出了其控制算法，并将其应用在液压挖掘机上，由此可以估算出它的工作效率。依照此法，可通过正反馈及前馈控制、非线性补偿、状态反馈和增益调度等各种手段获得较高的控制精度和稳定性能。自然杂志2001版权所有关键词：施工机械；液压挖掘机；前馈；状态反馈；操作1．引言液压挖掘机，被称为大型铰接式机器人，是一种施工机械。采用这种机器进行挖掘和装载操作，要求司机要具备高水平的操作技能，即便是熟练的司机也会产生相当大的疲劳。另一方面，随着操作者年龄增大，熟练司机的数量因而也将会减少。开发出一种让任何人都能容易操控的液压挖掘机就非常必要了[1-5]。液压挖掘机之所以要求较高的操作技能，其理由如下。1.液压挖掘机的操作，至少有两个操作手柄必须同时操作并且要协调好。2.操作手柄的动作方向与其所控的臂杆组件的运动方向不同。例如，液压挖掘机的反铲水平动作，必须同时操控三个操作手柄（动臂，斗柄，铲斗）使铲斗的顶部沿着水平面（图1）运动。在这种情况下，操作手柄的操作表明了执行元件的动作方向，但是这种方向与工作方向不同。如果司机只要操控一个操作杆，而其它自由杆臂自动的随动动作，操作就变得非常简单。这就是所谓的半自动控制系统。开发这种半自动控制系统，必须解决以下两个技术难题。1.自动控制系统必须采用普通的控制阀。2.液压挖掘机必须补偿其动态特性以提高其控制精度。现已经研发一种控制算法系统来解决这些技术问题，通过在实际的液压挖掘机上试验证实了该控制算法的作用。而且我们已采用这种控制算法，设计出了液压挖掘机的半自动控制系统。具体阐述如下。2．液压挖掘机的模型为了研究液压挖掘机的控制算法,必须分析液压挖掘机的数学模型。液压挖掘机的动臂、斗柄、铲斗都是由液压力驱动，其模型如图2所示。模型的具体描述如下。2.1动态模型[6]假定每一臂杆组件都是刚体，由拉格朗日运动方程可得以下表达式：其中g是重力加速度；θi铰接点角度；τi是提供的扭矩；li组件的长度；lgi转轴中心到重心之距；mi组件的质量；Ii是重心处的转动惯量(下标i=1-3;依次表示动臂，斗柄，铲斗)。2.2挖掘机模型每一臂杆组件都是由液压缸驱动，液压缸的流量是滑阀控制的，如图3所示。可作如下假设：1.液压阀的开度与阀芯的位移成比例。2.系统无液压油泄漏。3.液压油流经液压管道时无压力损失。4.液压缸的顶部与杆的两侧同样都是有效区域。在这个问题上，对于每一臂杆组件，从液压缸的压力流量特性可得出以下方程：当时；其中，Ai是液压缸的有效横截面积;hi是液压缸的长度;Xi是滑芯的位置；Psi是供给压力;P1i是液压缸的顶边压力；P2i是液压缸的杆边压力；Vi是在液压缸和管道的油量；Bi是滑阀的宽度；γ是油的密度；K是油分子的黏度；c是流量系数。

2.3连杆关系在图1所示模型中，液压缸长度改变率与杆臂的旋转角速度的关系如下：(1)动臂(2)斗柄(3)铲斗当时，2.4扭矩关系从2.3节的连杆关系可知，考虑到液压缸的摩擦力，提供的扭矩τi如下

其中，Cci是粘滞摩擦系数;Fi是液压缸的动摩擦力。2.5滑阀的反应特性滑阀动作对液压挖掘机的控制特性产生会很大的影响。因而，假定滑阀相对参考输入有以下的一阶延迟。其中，是滑芯位移的参考输入；是时间常数。3角度控制系统如图4所示，θ角基本上由随动参考输入角θγ通过位置反馈来控制。为了获得更精确的控制，非线性补偿和状态反馈均加入位置反馈中。以下详细讨论其控制算法。3.1非线性补偿在普通的自动控制系统中，常使用如伺服阀这一类新的控制装置。在半自动控制系统中，为了实现自控与手控的协调，必须使用手动的主控阀。这一类阀中，阀芯的位移与阀的开度是非线性的关系。因此，自动控制操作中，利用这种关系，阀芯位移可由所要求的阀的开度反推出来。同时，非线性是可以补偿的（图5）。3.2状态反馈建立在第2节所讨论的模型的基础上，若动臂角度控制动态特性以一定的标准位置逼近而线性化（滑芯位移X10，液压缸压力差P110，动臂夹角θ10），则该闭环传递函数为其中，Kp是位置反馈增益系数；由于系统有较小的系数a1,所以反应是不稳定的。例如，大型液压挖掘机SK-16中。X10是0，给出的系数a0=2.710,a1=6.010,a2=1.210.加上加速度反馈放大系数Ka，因而闭环（图4的上环）的传递函数就是加入这个因素,系数S就变大，系统趋于稳定。可见，利用加速度反馈来提高反应特性效果明显。但是，一般很难精确的测出加速度。为了避免这个问题，改用液压缸力反馈取代加速度反馈（图4的下环）。于是，液压缸力由测出的缸内的压力计算而滤掉其低频部分[7，8]。这就是所谓的压力反馈。4伺服控制系统当一联轴器是手动操控，而其它的联轴器是因此而被随动作控制时，这必须使用伺服控制系统。例如，如图6所示，在反铲水平动作控制中，动臂的控制是通过保持斗柄底部Z（由θ1与θ2计算所得）与Zr的高度。为了获得更精确的控制引入以下控制系统。4.1前馈控制由图1计算Z，可以得到将方程（8）两边对时间求导，得到以下关系式，右边第一个式子看作是表达式（反馈部分）将替换成1，右边第二个式子是表达式（前馈部分）计算当θ2手动地改变时，θ1的改变量。实际上，用不同的△θ2值可确定1。通过调整改变前馈增益Kff，可实现最佳的前馈率。采用测量斗柄操作手柄的位置（如角度）取代测斗柄的角速度，因为驱动斗柄的角速度与操作手柄的位置近似成比例。4.2根据位置自适应增益调度类似液压挖掘机的铰接式机器人，其动态特性对位置非常敏感。因此，要在所有位置以恒定的增益稳定的控制机器是困难的。为了解决这个难题，根据位置的自适应增益调度并入反馈环中（图6）。如图7所示，自适应放大系数（KZ或Kθ）作为函数的两个变量，2和Z、2表示斗柄的伸长量，Z是表示铲斗的高度。5模拟实验结论反铲水平动作控制的模拟实验是将本文第4节所描述的控制算法用在本文第2节所讨论的液压挖掘机的模型上。（在SK-16大型液压挖掘机进行模拟实验。）图8表示其中一组结果。控制系统启动5秒以后，逐步加载扰动。图9表示使用前馈控制能减少控制错误的产生.6半自动控制系统建立在模拟实验的基础上，半自动控制系统已制造出来，应用在SK-16型挖掘机上试验。通过现场试验可验证其操作性。这一节将讨论该控制系统的结构与功能。6.1结构图10的例子中，控制系统由控制器、传感器、人机接口和液压系统组成。控制器是采用16位的微处理器，能接收来自动臂、斗柄、铲斗传感器的角度输入信号，控制每一操作手柄的位置，选择相应的控制模式和计算其实际改变量，将来自放大器的信号以电信号形式输出结果。液压控制系统控制产生的液压力与电磁比例阀的电信号成比例，主控阀的滑芯的位置控制流入液压缸液压油的流量。为获得高速度、高精度控制，在控制器上采用数字处理芯片，传感器上使用高分辨率的磁编码器。除此之外，在每一液压缸上安装压力传感器以便获得压力反馈信号。以上处理后的数据都存在存储器上，可以从通信端口中读出。6.2控制功能控制系统有三种控制模式，能根据操作杆和选择开关自动切换。其具体功能如下。（1）反铲水平动作模式：用水平反铲切换开关，在手控斗柄推动操作中，系统自动的控制斗柄以及保持斗柄底部的水平运动。在这种情况下，当斗柄操作杆开始操控时，其参考位置是从地面到斗柄底部的高度。对动臂操作杆的手控操作能暂时中断自动控制，因为手控操作的优先级高于自动控制。（2）铲斗水平举升模式：用铲斗水平举升切换开关，在手控动臂举升操作中，系统自动控制铲斗。保持铲斗角度等于其刚开始举升时角度以阻止原材料从铲斗中泄漏。（3）手控操作模式：当既没有选择反铲水平动作模式，也没有选择铲斗水平举升模式时，动臂，斗柄，铲斗都只能通过手动操作。系统主要采用C语言编程来实现这些功能，以构建稳定模组提高系统的运行稳定性。7现场试验结果与分析通过对系统进行现场试验，证实该系统能准确工作。核实本文第3、4节所阐述的控制算法的作用，如下所述。7.1单个组件的自动控制测试对于动臂、斗柄、铲斗每一组件，以±5º的梯度从最初始值开始改变其参考角度值，测量其反应，从而确定第3节所描述的控制算法的作用。7.1.1非线性补偿的作用图11表明动臂下降时的测试结果。因为电液系统存在不灵敏区，当只有简单的位置反馈而无补偿时（图11中的关）稳态错误仍然存在。加入非线性补偿后（图11中的开）能减少这种错误的产生。7.1.2状态反馈控制的作用对于斗柄和铲斗，只需位置反馈就可获得稳定响应，但是增加加速度或压力反馈能提高响应速度。以动臂为例，仅只有位置反馈时，响应趋向不稳定。加入加速度或压力反馈后，响应的稳定性得到改进。例如，图12表示动臂下降时，采用压力反馈补偿时的测试结果。7.2反铲水平控制测试在不同的控制和操作位置下进行控制测验，观察其控制特性，同时确定最优控制参数（如图6所示的控制放大系数）。7.2.1前馈控制作用在只有位置反馈的情况下，增大放大系数Kp，减少△Z错误，引起系统不稳定，导致系统延时，例如图13所示的“关”，也就是Kp不能减小。采用第4.1节所描述的斗柄臂杆前馈控制能减少错误而不致于增大Kp。如图示的“开”。7.2.2位置的补偿作用当反铲处在上升位置或者反铲动作完成时，反铲水平动作趋于不稳定。不稳定振荡可根据其位置改变放大系数Kp来消除，如第4.2节所讨论的。图14表示其作用，表明反铲在离地大约2米时水平动作结果。与不装补偿装置的情况相比较，图中的关表示不装时，开的情况具有补偿提供稳定响应。7.2.3控制间隔的作用关于控制操作的控制间隔的作用，研究结果如下：1.当控制间隔设置在超过100ms时，不稳定振荡因运动的惯性随位置而加剧。2.当控制间隔低于50ms时，其控制操作不能作如此大提高。因此，考虑到计算精度，控制系统选定控制间隔为50ms。7.2.4受载作用利用控制系统，使液压挖掘机执行实际挖掘动作，以研究其受载时的影响。在控制精度方面没有发现与不加载荷时有很大的不同。8结论本文表明状态反馈与前馈控制组合，使精确控制液压挖掘机成为可能。同时也证实了非线性补偿能使普通控制阀应用在自动控制系统中。因而应用这些控制技术，允许即使是不熟练的司机也能容易和精确地操控液压挖掘机。将这些控制技术应用在其它结构的机器上，如履带式起重机，能使普通结构的机器改进成为可让任何人容易操控的机器。附件2外文资料基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研