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畢業(yè)設(shè)計（論文）外文資料翻譯
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智能化液壓挖掘機的研究與應(yīng)用
戴群亮 章二平 蔡登生
摘要 為了提高液壓挖掘機的操作效率，降低能量消耗，減輕液壓挖掘機駕駛者的工作強度，加強故障診斷，加強液壓挖掘機的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)配件的最佳化配置，滿足現(xiàn)代建設(shè)的需要，智能化液壓挖掘機應(yīng)運而生并且得到了很快的發(fā)展。這篇文章介紹了智能化液壓挖掘機的構(gòu)成，并且調(diào)查了液壓挖掘機工作設(shè)備的軌道操縱裝置以及液壓挖掘機泵和發(fā)動機之間功率匹配操縱裝置。遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷方面的系統(tǒng)已經(jīng)很發(fā)達(dá)了。實際的應(yīng)用程序揭示智能化液壓挖掘機是高度自動化的智能化的并且信息化的，而且享有例如相當(dāng)強大的性能相當(dāng)高的操作效率和經(jīng)濟(jì)效率這樣的優(yōu)勢。
關(guān)鍵字：液壓挖掘機 智能控制 立基于全球定位系統(tǒng)/通用分組無線業(yè)務(wù) 故障診斷
1介紹
作為建造機械裝置的一種主流產(chǎn)品，液壓挖掘機在工業(yè)和公民的建筑、交通設(shè)施、水利設(shè)施、水力發(fā)電設(shè)施和軍事設(shè)施建設(shè)中起到了重要的作用。在國家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中，對于挖掘機的需求將會逐年地增長很大的利潤。在2004年，我國的挖掘機產(chǎn)量達(dá)到了27500臺，占世界產(chǎn)量的27.8﹪?，F(xiàn)在關(guān)系到環(huán)境保護(hù)和能量保護(hù)的問題已經(jīng)引起了廣大公眾的關(guān)注。結(jié)果，對于液壓挖掘機的可靠性、經(jīng)濟(jì)效率、功能和自動化提出了更高的要求。但是目前市場上可利用的液壓挖掘機有以下缺點：
（1）自動化程度低；當(dāng)使用液壓挖掘機平整場地或挖掘溝渠時，由于駕駛員不得不同時控制吊桿、動臂和鏟斗，工作強度是相當(dāng)高的，并且他還被要求技術(shù)熟練。
（2）當(dāng)液壓挖掘機正在運行中時，如果液壓系統(tǒng)消耗的功率超過發(fā)動機的額定功率，發(fā)動機就會停轉(zhuǎn)甚至燒毀。在這種情況下挖掘機的操作性能不能達(dá)到最佳狀態(tài)，燃料消耗就會增加。
（3）由于它復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和極端的操作環(huán)境，液壓挖掘機有一個相當(dāng)高的故障率。無論何時發(fā)生故障，維修人員不得不盡最大努力確定引起故障的原因，那就意味著挖掘機將停止服務(wù)很長時間，因此使使用者蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
（4）因為挖掘機不能被遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，挖掘機的合理分配就不能實現(xiàn)并且不能滿足現(xiàn)代建設(shè)的需求。由于電腦技術(shù)和智能控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，建造機械裝置已經(jīng)從液壓控制類型發(fā)展為數(shù)字化類型，它簡化了結(jié)構(gòu)易于控制并且更加智能。舉個例子，由日本小松制造的PC300液壓挖掘機在安裝在吊桿、動臂和鏟斗的傾斜角傳感器的幫助下可獲得三維軌道控制能力，其它的由沃爾沃、卡特、小松和日立制造的液壓挖掘機由于安裝了全球定位系統(tǒng)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能化液壓挖掘機是高度智能的、自動化的和信息化的。它的智能主要體現(xiàn)在以下方面：它實現(xiàn)了自動化實現(xiàn)了工作設(shè)備的軌道控制，實現(xiàn)了發(fā)動機和液壓泵之間的自適應(yīng)功率匹配控制，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理，還實現(xiàn)了故障診斷和維修。
2智能化液壓挖掘機系統(tǒng)的構(gòu)成
圖1智能化液壓挖掘機的系統(tǒng)組成
如圖1所示，智能化液壓挖掘機系統(tǒng)由控制器、全球定位系統(tǒng)、通用分組無線業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程伺服器、監(jiān)控器和便攜式故障診斷系統(tǒng)等等組成。
2.1控制器
圖2控制器原理圖
如圖2所示，控制器由信號獲得模塊、功率驅(qū)動器模塊、監(jiān)控模塊和GPS/GPRS模塊組成，并且以一個數(shù)字化信號處理器作為其核心控制單元。信號獲得模塊通過外圍的傳感器測量傾斜角、壓力、速度和溫度，這些信號通過模擬數(shù)字記錄器后被發(fā)送到控制器，通過這種方式，挖掘機的實時信息就獲得了。監(jiān)控器用來展示主要運行參數(shù)例如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機油溫油壓和冷卻水溫度，展示故障編碼并在挖掘機運行條件的基礎(chǔ)上發(fā)出警報，以數(shù)字或圖形的形式展示鏟斗位置和姿勢的實時信息。
由于控制器與控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的其它部分相通編碼，大量的電報就被分配了，因此提高了信號控制可靠性和抗干擾能力。與液壓挖掘機運行環(huán)境相適應(yīng)的CAN總線保證了控制可以在一個實際的時間里，以靈活的可膨脹的方式實現(xiàn)，使控制器和其它外圍設(shè)備容易的構(gòu)造一個多控制器網(wǎng)絡(luò)。由于CAN總線采取基于信息的編碼方式和基于優(yōu)先級的非破壞性總線仲裁技術(shù)，它抗干擾能力強可靠性高，它有相當(dāng)高的實時能力。觀察到的通信協(xié)議符合SAE J1939 CAN總線，總線的物理層上可以滿足SAE J1939，CAN總線通信速率是250Kbit/s,CAN總線的終端電阻是120Ω。
為了符合舒適的操作要求，智能化液壓挖掘機裝備了和人類工程學(xué)設(shè)計原理一致的手柄。
圖3依據(jù)人體工程學(xué)原理設(shè)計的控制手柄
如圖3所示，一個光學(xué)類型的非接觸式轉(zhuǎn)換器安裝在了控制手柄上。通過CAN總線信號與控制手柄的位置聯(lián)系起來，光學(xué)轉(zhuǎn)換器的信號被發(fā)送到控制器。控制手柄上的按鈕用來選擇操作方式。如果選擇手工操作方式，控制手柄的操作方式和普通挖掘機一樣。如果選擇自動操作方式，操作者通過監(jiān)控器將操作參數(shù)輸入電腦，然后挖掘機將按照以操作參數(shù)為基礎(chǔ)的控制器決定的軌道運作，因此挖掘機的自動控制就實現(xiàn)了。
2.2遠(yuǎn)程信息傳遞
GPRS是一種可在廣闊的區(qū)域內(nèi)提供端對端無線IP連接的無線數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換技術(shù)，并靠此技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)包。智能化液壓挖掘機的遠(yuǎn)程信息傳遞模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4遠(yuǎn)程信息傳輸結(jié)構(gòu)
通過RS232端口安裝在挖掘機上的GPRS IP 調(diào)制解調(diào)器與控制器聯(lián)系，并且通過因特網(wǎng)與遠(yuǎn)程服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，控制器將得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以被GPRS IP 調(diào)制解調(diào)器傳遞的形式，然后數(shù)據(jù)通過因特網(wǎng)被GPRS IP 調(diào)制解調(diào)器發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。智能化液壓挖掘機的遠(yuǎn)程監(jiān)控就以這種方式實現(xiàn)了。在GPRS IP 調(diào)制解調(diào)器和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間是一個C/S結(jié)構(gòu)，通過它一些調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r就可以連接到服務(wù)器。
2.3GPS的應(yīng)用
GPS是一個由24個人造衛(wèi)星和地球站組成的全球無線航行和定位系統(tǒng)。在GPS和GPRS的幫助下，智能挖掘機就實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控維修和管理。
除了挖掘機位置信息外，裝備了GPS/GPRS模塊的控制器也會向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送例如挖掘機溫度、壓力和工作時間等操作參數(shù)。
挖掘機的位置坐標(biāo)由電子地圖系統(tǒng)反映到地圖上，這樣挖掘機基于衛(wèi)星的定位和追蹤就實現(xiàn)了，通過因特網(wǎng)獲得遠(yuǎn)程服務(wù)，操作者可以在一個實際的時間監(jiān)控操作條件得到挖掘機的位置信息。
表1顯示了挖掘機的邊坡修整操作軌跡規(guī)劃與實際測量值
3智能控制和故障診斷
3.1工作設(shè)備的軌道控制
挖掘機自動化控制意味著自動的控制挖掘機的工作設(shè)備，以使挖掘機的鏟斗沿特定的軌道運動。如果挖掘機在場平整或邊坡修正過程中是自動控制的，駕駛員的工作強度就會減輕，操作效率就會提高，建設(shè)就會加快。
液壓挖掘機的工作設(shè)備是由吊桿、動臂和鏟斗組成的聯(lián)動機械裝置，每個部分的運動是在液壓缸收縮和伸展的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。
圖5挖掘機工作裝置的空間坐標(biāo)系
如圖5所示，把工作設(shè)備看成具有三個自由度的機械手，把吊桿、動臂和鏟斗分別看成鏈環(huán)1、2、3，把吊桿與旋轉(zhuǎn)平臺之間的鉸接式連接看成關(guān)節(jié)1，把動臂與吊桿前面末端之間的鉸接式連接看成關(guān)節(jié)2，把鏟斗和動臂前面末端之間的鉸接式連接看成關(guān)節(jié)3。
在油缸的驅(qū)動下，鏈環(huán)123分別使工作設(shè)備繞關(guān)節(jié)123旋轉(zhuǎn)。
和機器人原理一樣，這有很多種方法用來建立一個鏈環(huán)坐標(biāo)系統(tǒng)，用來學(xué)習(xí)這些鏈環(huán)之間的位移關(guān)系。在這些方法中，應(yīng)用最廣泛的就是丹納維特-哈頓貝格法（D-H法），憑借4行4列齊次轉(zhuǎn)換矩陣用來描述2個臨近鏈環(huán)之間的空間關(guān)系，然后用一個等價的齊次轉(zhuǎn)換矩陣導(dǎo)出鏟斗尖所在參考坐標(biāo)系。鏈環(huán)i和鏈環(huán)i-1之間的相對位置關(guān)系，可以用一個4×4齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣Ai表示如下:
在這個等式中，θi表示2個鏈環(huán)之間的夾角，ai表示鏈環(huán)i的長度（稱為普通的標(biāo)準(zhǔn)長度），αi表示垂直ai面的2個關(guān)節(jié)之間的夾角，di表示鏈環(huán)i的軸線的2個垂線之間的距離，n,o,a和p表示鏟斗的位置向量。
轉(zhuǎn)換矩陣0T4表示了鏟斗尖坐標(biāo)系{4}相對其參考坐標(biāo)系{0}的姿勢，稱為鏟斗運動學(xué)等式。
對挖掘機實施軌道設(shè)計和控制就是控制吊桿、動臂和鏟斗的相對角度。鏟斗尖的運動軌跡預(yù)制好之后，那么各個鏈環(huán)的初始位置角θ0和停止位置角θf都可以通過倒轉(zhuǎn)工作設(shè)備的運動學(xué)等式得到解決，因此可以用一個平滑的插補函數(shù)曲線來表示運動軌跡。
在實時控制的過程中，傳感器會測量工作設(shè)備中每個鏈環(huán)的角位移，控制器會將角位移與要求的預(yù)置目標(biāo)值作比較，然后在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上決定駕駛量。因此，工作設(shè)備將沿預(yù)置的軌道移動。舉一個挖掘機修整斜坡的例子，鏟斗離開地面的傾斜角是300，斜坡角度α=600，操作高度H=3000mm，在斜坡修整這個操作中軌道期望值與最終測量值列入表1。測試結(jié)果揭示軌道的最大誤差是30~50mm，符合操作性能要求。
3.2液壓泵和發(fā)動機之間的功率匹配控制
發(fā)動機在額定功率下運作的前提下，智能化液壓挖掘機中的功率匹配控制器將采取發(fā)動機液壓泵相互協(xié)調(diào)的控制模式，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上控制液壓泵的位移以使發(fā)動機和液壓泵合理的匹配。這樣，發(fā)動機的功率就達(dá)到了最佳狀態(tài)，所以提高了操作效率降低了燃料消耗。功率匹配控制模型如圖6所示。
圖6挖掘機的功率匹配控制
在不同操作條件下測試，發(fā)動機總是工作在最佳運作點周圍，就是說一方面發(fā)動機功率達(dá)到了最佳狀態(tài)，另一方面發(fā)動機停轉(zhuǎn)得到了有效地避免。液壓泵和發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制測試結(jié)果如圖7所示。
圖7液壓泵和發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制測試曲線
因此，節(jié)約能量的目的就實現(xiàn)了，因為發(fā)動機的速度調(diào)整設(shè)備是在實際的操作條件下被控制的，以使發(fā)動機在一個燃料消耗低的情況下運行。當(dāng)挖掘機不工作時，它可以自動的降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速。控制手柄撥到中間位置4~6s后，發(fā)動機將自動進(jìn)入空轉(zhuǎn)狀態(tài)，以阻止液壓系統(tǒng)的能量損失和發(fā)動機磨損，也減少燃料損失和發(fā)動機噪音。只要挖掘機再次工作，發(fā)動機會在1~2s內(nèi)回到正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，以保證工作的正常進(jìn)行。
3.3故障診斷
由于許多額外的電子控制系統(tǒng)被引進(jìn)了液壓挖掘機，故障原因的判定變得更加困難。所以監(jiān)控運行條件和實施故障診斷對挖掘機來說就很有必要了?？紤]液壓挖掘機的特征，故障診斷包含了發(fā)動機管理系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)診斷的故障。采取以診斷運算為基礎(chǔ)的故障樹法則，故障診斷系統(tǒng)可以迅速而準(zhǔn)確的判定引起故障的原因，在專業(yè)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上評定挖掘機運行條件，幫助維修人員解除故障。
故障診斷系統(tǒng)和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計語言、微軟結(jié)構(gòu)化查詢語言2000或微軟評定數(shù)據(jù)庫使它的應(yīng)用軟件程序化，它功能的結(jié)構(gòu)如圖8所示。
圖8故障診斷功能的結(jié)構(gòu)
便攜式故障診斷系統(tǒng)改正了控制器單元的參數(shù)直到挖掘機工作在最佳狀態(tài)，實時監(jiān)控液壓挖掘機的運行狀態(tài)，讀取被控制器實時測量的數(shù)據(jù)，并且以圖形或數(shù)字的形式展示挖掘機的運行條件例如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、燃料水平、發(fā)動機油壓和冷卻水溫度。同時，故障診斷系統(tǒng)可以測試每個系統(tǒng)和部分，維修和管理信息，儲存和分析實時信息，以幫助維修人員準(zhǔn)確并迅速的解除故障。
4應(yīng)用舉例
CLG920C型和CLG925C型智能化液壓挖掘機已經(jīng)進(jìn)入了大量生產(chǎn)的階段。
圖9智能化液壓挖掘機的場地平整操作
圖9展示了智能化液壓挖掘機的場平整操作，實際應(yīng)用揭示：智能化液壓挖掘機有相當(dāng)強大的性能，相當(dāng)高的操作效率，由發(fā)動機停轉(zhuǎn)引起的挖掘機罷工就有效的避免了，燃料消耗明顯降低，診斷和排除故障的能力大大提高，因此由維修引起的停止服務(wù)時間縮短了，挖掘機遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理也實現(xiàn)了。
5總結(jié)
由于智能化液壓挖掘機實現(xiàn)了自動化，降低了燃料消耗，可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，故障診斷和維修，滿足了現(xiàn)代建設(shè)的要求，增長了企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)含量和國際競爭力，把企業(yè)產(chǎn)品的自動化程度和智能程度推向了一個新階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)自動化技術(shù)和人造智能技術(shù)將被更廣泛的應(yīng)用到建造機械裝置中，并且智能化建造機械裝置將無疑成為發(fā)展方向。
感謝
謝謝廣西柳工機械股份有限公司技術(shù)研究院和桂林大學(xué)電子科技，感謝國際863項目工程補貼（批準(zhǔn)編號：2003AA430490）。