大型自动化液压挖掘机

大型自动化液压挖掘机

的复杂的轨迹控制实验

摘要

文章主要介绍液压伺服机器人的路径轨迹控制，液压挖掘机重4500千克，有高装载能力。三个工作臂在液压缸控制下完成转动动作，液压缸配有提升装置，由液压阀控制。然而，非线性机械提升装置，大的组成块和低频率工作的工作臂，像三个工作臂的多用户系统之间相互影响一样，使工作臂难以实现精确的轨迹控制。模型的控制方法采用那些算法简单并有自我调协能力的方法。复杂的轨迹由三个工作臂的轨迹控制联合来完成。从而，实现了多功大型能液压挖掘机在高装载和高精度的应用。

关键词：路径控制，自动液压挖掘机，液压伺服机器人。

1. 前言

液压挖掘机的提升装置是专为高装载工作时设计的。近年来，液压挖掘机的使用趋向电气化液压控制的发展，整体电气化是自动化工作的基本设施。挖掘机从机械液压到人工智能的发展，是明显的[1.2.3.4.5]。取代挖土机，液压机挖掘机的多功能伺服机器人将在高装载和高精度方面大规模使用。

一些制造商已经展示了挖掘机的数控功能。它发展到能挖掘直线，甚至局部的自动化，这对工作臂的轨迹控制是十分重要的。但是，今天的液压挖掘机的工作速度和工作精度仍存在一些问题。因为，液压挖掘机的中央处理器没有浮点计算功能，控制方法受到PID 的限制。

液压挖掘机的轨迹控制探究是第一次制造，[1.2.3.4.5]期刊在过去五年里就被提出，液压挖掘机的伺服控制趋势由生产 [5]提出。位置控制和液压缸的压力控制在[3.4]实现，其问题集中在挖掘机的挖土问题和和工作臂工作过程中液压缸的方向和压力的控制。在更深远的应用中，液压挖掘机被要求更高的精度和装载能力。这些的操作条件是直线和斜面。由于，三个工作臂的轨迹控制必须同时执行，它需要考虑到位置，速度和进程的同时，因此在液压系统中实现十分困难。

这种研究是[1.2]更深层的开发，液压挖掘机PC450有4500千克的操作系

统和三个总长5米的工作臂。这样的液压轨迹控制比组成块大，多，工作频率低和高机械连接的多功能体系更能执行。研究的目的是发展适当的液压系统和控制设想，控制三个机械臂的轨迹，完成复杂的运动轨迹。如：直线，斜面，高装载和精度的伺服机器人的应用。在液压挖掘机中，新的液压伺服系统最先完成，模型参考方法（MRAC ），有简单的算法和自我调协能力，用在工作臂的轨迹控制研究中。液压挖掘机作为大型伺服机器人完成应用于许多不同的领域。

2. 实验的液压挖掘机

测试的液压挖掘机重4500千克，工作臂的提升装置，铲斗和臂的尺寸见图1。测试的挖掘机由三个循环的电力系统驱动。提升装置，铲斗和左边的转动装置由一个泵驱动。臂，摇摆上面的滑块和右边的转动装置由另一个泵驱动。主要阀由机械阀控制，这种机械的促进液压系统去执行自动化挖掘机不适合研究的目的。因此，系统需要重建。用电磁压力控制阀（EPC ）取代机械促进液

阀，新的液压系统见图2

为了改善阀的功能，位置传感器粘在主要阀的转轴上和数字PID 阀控制器P 上控制内部封闭的环行转轴的位置。

图3显示了新阀系统PID 转轴位移控制的转轴功能的测试结果。

图3a 表示频率功能，3d 频率带在新系统中表示20Hz ，滞后作用的测试和结果在图3B 中，它证明了新阀系统有20Hz 的频宽和好的线性关系。新阀系统在轨迹控制起导通作用。

为了执行液压挖掘机的工作装置，提升装置，臂和铲斗的轨迹必须同时控制。因此，挖掘机适合三位六通阀的工作。三个传感器测量控制提升装置，臂和铲斗的轨迹，八个压力传感器测量泵和液压缸的压力 。PID 的三位传感器是为了改善阀的系统功能，A/D和D/A转换器是系统的基本装置。

图4表示挖掘机的控制系统的流程图。用三个MRAC 和三个PID 阀控制。每个工作臂设置都经过精确的计算和设计。

3. 路径的形成

关于液压挖掘机的路径的形成的讨论，在提升装置，臂和铲斗转角设计中，图1中提到的运动学特征必须考虑。假设滑块不摇摆，则T 坐标和V 坐标是平行的。铲斗的终点Q 的运动关系，用下列公式计算：

铲斗的终点Q 在Xu （t ）和Zu 的位置用X Q （t ）和Z Q （t ）表示。传感器紧能测量臂

和提升装置，臂和铲斗的转角。由于工作臂在二维平面内运动，并受三个接点约束，为了达到铲斗的终点X Q（t ）和Z Q（t ），设置了多种可能的接点

，完成铲斗的最佳位置。

W ，Wj ，Wf 和Td 是位移，起点，终点和时间，铲斗的接点β

点X t （t ）和Z t （t ）。提升装置Q 1（t ）和臂β2（t ）能依据（1）计算。 3（t ）和铲斗的终和

4. 轨迹控制实验

测试挖掘机的伺服系统如图4。轨迹的形成和控制方法，如使用SSC 和MRAC 控制提升装置，臂和液压缸的轨迹，从而实现三个工作臂和铲斗的路径控制

。

图6表示了铲斗Q 的水平轨迹控制测试结果，在15秒内从[XQ （0），Z Q （0）]=[520cm ，15cm ]到[XQ （15sec ），Z Q （15sec ）]。

假定液压挖掘机的工作精度在±5cm ，测试结果表明，铲斗的轨迹精度能控制在±1cm 在MRAC 中和±2cm 在SSC 中。铲斗的终点Q 由Z 轴方向Z Q =15cm （t ）和X 轴的坐标[XQ （0，Z Q （sec ）]=[520cm ，350cm ]表示。

如图7中所示。铲斗轨迹依照式3预先设置，如[β，β3（15sec ）]=[303（0）0，520]。由此，臂和提升装置的轨迹计算出。图8表明三个工作臂由三条路径控制的结果。为了证明MRAC 的控制参数，图9表明了MRAC 和SSC 的六个参数K f0（t ）之一的变化。并且，为确保翼型工作臂的轨迹控制，一个150千克的载荷介

入图6的轨迹过程中。图10表示两方法在精确的控制在混乱的路径过程中。从而证明了大型挖掘机路径控制的可行性。

5. 结论

1. 为满足实验的要求，新的液压系统正逐步完善。导向阀由EPC 阀，粘有位置传感器的卷轴阀和PID 阀取代的控制正在完善。

2. 展示的测试结果包含了SSC 和MRAC 关于挖掘机工作臂的轨迹控制。

铲斗的终点轨迹控制能精确到MRAC ±1厘米和SSC 的±2厘米。两者都能完成所需的精度，证明了大型挖掘机实验的可行性。

3. 此外，控制错误的减少通过工作臂的连接和卷轴阀的重叠的减少来实现。