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作為建造機(jī)械裝置的一種主流產(chǎn)品，液壓挖掘機(jī)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(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中，對(duì)于挖掘機(jī)的需求將會(huì)逐年地增長(zhǎng)很大的利潤(rùn)。在2004年，我國(guó)的挖掘機(jī)產(chǎn)量達(dá)到了27500臺(tái)，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(wèn)題已經(jīng)引起了廣大公眾的關(guān)注。結(jié)果，對(duì)于液壓挖掘機(jī)的可靠性、經(jīng)濟(jì)效率、功能和自動(dòng)化提出了更高的要求。但是目前市場(chǎng)上可利用的液壓挖掘機(jī)有以下缺點(diǎn)： （1）自動(dòng)化程度低；當(dāng)使用液壓挖掘機(jī)平整場(chǎng)地或挖掘溝渠時(shí)，由于駕駛員不得不同時(shí)控制吊桿、動(dòng)臂和鏟斗，工作強(qiáng)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(jī)正在運(yùn)行中時(shí)，如果液壓系統(tǒng)消耗的功率超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)停轉(zhuǎn)甚至燒毀。在這種情況下挖掘機(jī)的操作性能不能達(dá)到最佳狀態(tài)，燃料消耗就會(huì)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(jī)有一個(gè)相當(dāng)高的故障率。無(wú)論何時(shí)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(jī)將停止服務(wù)很長(zhǎng)時(shí)間，因此使使用者蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 （4）因?yàn)橥诰驒C(jī)不能被遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，挖掘機(jī)的合理分配就不能實(shí)現(xiàn)并且不能滿(mǎn)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(jī)械裝置已經(jīng)從液壓控制類(lèi)型發(fā)展為數(shù)字化類(lèi)型，它簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)易于控制并且更加智能。舉個(gè)例子，由日本小松制造的PC300液壓挖掘機(jī)在安裝在吊桿、動(dòng)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(jī)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(jī)是高度智能的、自動(dòng)化的和信息化的。它的智能主要體現(xiàn)在以下方面：它實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)了工作設(shè)備的軌道控制，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵之間的自適應(yīng)功率匹配控制，實(shí)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(shí)現(xiàn)了故障診斷和維修。 2智能化液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成 圖1智能化液壓挖掘機(jī)的系統(tǒng)組成 如圖1所示，智能化液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)由控制器、全球定位系統(tǒng)、通用分組無(wú)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(hào)獲得模塊、功率驅(qū)動(dòng)器模塊、監(jiān)控模塊和GPS/GPRS模塊組成，并且以一個(gè)數(shù)字化信號(hào)處理器作為其核心控制單元。信號(hào)獲得模塊通過(guò)外圍的傳感器測(cè)量?jī)A斜角、壓力、速度和溫度，這些信號(hào)通過(guò)模擬數(shù)字記錄器后被發(fā)送到控制器，通過(guò)這種方式，挖掘機(jī)的實(shí)時(shí)信息就獲得了。監(jiān)控器用來(lái)展示主要運(yùn)行參數(shù)例如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)油溫油壓和冷卻水溫度，展示故障編碼并在挖掘機(jī)運(yùn)行條件的基礎(chǔ)上發(fā)出警報(bào)，以數(shù)字或圖形的形式展示鏟斗位置和姿勢(shì)的實(shí)時(shí)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(bào)就被分配了，因此提高了信號(hào)控制可靠性和抗干擾能力。與液壓挖掘機(jī)運(yùn)行環(huán)境相適應(yīng)的CAN總線保證了控制可以在一個(gè)實(shí)際的時(shí)間里，以靈活的可膨脹的方式實(shí)現(xiàn)，使控制器和其它外圍設(shè)備容易的構(gòu)造一個(gè)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(jí)的非破壞性總線仲裁技術(shù)，它抗干擾能力強(qiáng)可靠性高，它有相當(dāng)高的實(shí)時(shí)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(mǎn)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(jī)裝備了和人類(lèi)工程學(xué)設(shè)計(jì)原理一致的手柄。 圖3依據(jù)人體工程學(xué)原理設(shè)計(jì)的控制手柄 如圖3所示，一個(gè)光學(xué)類(lèi)型的非接觸式轉(zhuǎn)換器安裝在了控制手柄上。通過(guò)CAN總線信號(hào)與控制手柄的位置聯(lián)系起來(lái)，光學(xué)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)被發(fā)送到控制器?？刂剖直系陌粹o用來(lái)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(jī)一樣。如果選擇自動(dòng)操作方式，操作者通過(guò)監(jiān)控器將操作參數(shù)輸入電腦，然后挖掘機(jī)將按照以操作參數(shù)為基礎(chǔ)的控制器決定的軌道運(yùn)作，因此挖掘機(jī)的自動(dòng)控制就實(shí)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(duì)端無(wú)線IP連接的無(wú)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(jī)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(guò)RS232端口安裝在挖掘機(jī)上的GPRS IP 調(diào)制解調(diào)器與控制器聯(lián)系，并且通過(guò)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(guò)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(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控就以這種方式實(shí)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(gè)C/S結(jié)構(gòu)，通過(guò)它一些調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)就可以連接到服務(wù)器。 2.3GPS的應(yīng)用 GPS是一個(gè)由24個(gè)人造衛(wèi)星和地球站組成的全球無(wú)線航行和定位系統(tǒng)。在GPS和GPRS的幫助下，智能挖掘機(jī)就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控維修和管理。 除了挖掘機(jī)位置信息外，裝備了GPS/GPRS模塊的控制器也會(huì)向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送例如挖掘機(jī)溫度、壓力和工作時(shí)間等操作參數(shù)。 挖掘機(jī)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(jī)基于衛(wèi)星的定位和追蹤就實(shí)現(xiàn)了，通過(guò)因特網(wǎng)獲得遠(yuǎn)程服務(wù)，操作者可以在一個(gè)實(shí)際的時(shí)間監(jiān)控操作條件得到挖掘機(jī)的位置信息。 表1顯示了挖掘機(jī)的邊坡修整操作軌跡規(guī)劃與實(shí)際測(cè)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(jī)自動(dòng)化控制意味著自動(dòng)的控制挖掘機(jī)的工作設(shè)備，以使挖掘機(jī)的鏟斗沿特定的軌道運(yùn)動(dòng)。如果挖掘機(jī)在場(chǎng)平整或邊坡修正過(guò)程中是自動(dòng)控制的，駕駛員的工作強(qiáng)度就會(huì)減輕，操作效率就會(huì)提高，建設(shè)就會(huì)加快。 液壓挖掘機(jī)的工作設(shè)備是由吊桿、動(dòng)臂和鏟斗組成的聯(lián)動(dòng)機(jī)械裝置，每個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)是在液壓缸收縮和伸展的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。 圖5挖掘機(jī)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(gè)自由度的機(jī)械手，把吊桿、動(dòng)臂和鏟斗分別看成鏈環(huán)1、2、3，把吊桿與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)之間的鉸接式連接看成關(guān)節(jié)1，把動(dòng)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(dòng)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(dòng)下，鏈環(huán)123分別使工作設(shè)備繞關(guān)節(jié)123旋轉(zhuǎn)。 和機(jī)器人原理一樣，這有很多種方法用來(lái)建立一個(gè)鏈環(huán)坐標(biāo)系統(tǒng)，用來(lái)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(lái)描述2個(gè)臨近鏈環(huán)之間的空間關(guān)系，然后用一個(gè)等價(jià)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(duì)位置關(guān)系，可以用一個(gè)4×4齊次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣Ai表示如下: 在這個(gè)等式中，θi表示2個(gè)鏈環(huán)之間的夾角，ai表示鏈環(huán)i的長(zhǎng)度（稱(chēng)為普通的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度），αi表示垂直ai面的2個(gè)關(guān)節(jié)之間的夾角，di表示鏈環(huán)i的軸線的2個(gè)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(duì)其參考坐標(biāo)系{0}的姿勢(shì)，稱(chēng)為鏟斗運(yùn)動(dòng)學(xué)等式。 對(duì)挖掘機(jī)實(shí)施軌道設(shè)計(jì)和控制就是控制吊桿、動(dòng)臂和鏟斗的相對(duì)角度。鏟斗尖的運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)制好之后，那么各個(gè)鏈環(huán)的初始位置角θ0和停止位置角θf(wàn)都可以通過(guò)倒轉(zhuǎn)工作設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)等式得到解決，因此可以用一個(gè)平滑的插補(bǔ)函數(shù)曲線來(lái)表示運(yùn)動(dòng)軌跡。 在實(shí)時(shí)控制的過(guò)程中，傳感器會(huì)測(cè)量工作設(shè)備中每個(gè)鏈環(huán)的角位移，控制器會(huì)將角位移與要求的預(yù)置目標(biāo)值作比較，然后在計(jì)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(dòng)。舉一個(gè)挖掘機(jī)修整斜坡的例子，鏟斗離開(kāi)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(gè)操作中軌道期望值與最終測(cè)量值列入表1。測(cè)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(dòng)機(jī)之間的功率匹配控制 發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率下運(yùn)作的前提下，智能化液壓挖掘機(jī)中的功率匹配控制器將采取發(fā)動(dòng)機(jī)液壓泵相互協(xié)調(diào)的控制模式，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上控制液壓泵的位移以使發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵合理的匹配。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的功率匹配控制 在不同操作條件下測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)總是工作在最佳運(yùn)作點(diǎn)周?chē)?，就是說(shuō)一方面發(fā)動(dòng)機(jī)功率達(dá)到了最佳狀態(tài)，另一方面發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)得到了有效地避免。液壓泵和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制測(cè)試結(jié)果如圖7所示。 圖7液壓泵和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制測(cè)試曲線 因此，節(jié)約能量的目的就實(shí)現(xiàn)了，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的速度調(diào)整設(shè)備是在實(shí)際的操作條件下被控制的，以使發(fā)動(dòng)機(jī)在一個(gè)燃料消耗低的情況下運(yùn)行。當(dāng)挖掘機(jī)不工作時(shí)，它可以自動(dòng)的降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?？刂剖直鷵艿街虚g位置4~6s后，發(fā)動(dòng)機(jī)將自動(dòng)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(dòng)機(jī)磨損，也減少燃料損失和發(fā)動(dòng)機(jī)噪音。只要挖掘機(jī)再次工作，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在1~2s內(nèi)回到正常運(yùn)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(jī)，故障原因的判定變得更加困難。所以監(jiān)控運(yùn)行條件和實(shí)施故障診斷對(duì)挖掘機(jī)來(lái)說(shuō)就很有必要了?？紤]液壓挖掘機(jī)的特征，故障診斷包含了發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)算為基礎(chǔ)的故障樹(shù)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(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上評(píng)定挖掘機(jī)運(yùn)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(jì)語(yǔ)言、微軟結(jié)構(gòu)化查詢(xún)語(yǔ)言2000或微軟評(píng)定數(shù)據(jù)庫(kù)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(jī)工作在最佳狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓挖掘機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，讀取被控制器實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)，并且以圖形或數(shù)字的形式展示挖掘機(jī)的運(yùn)行條件例如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃料水平、發(fā)動(dòng)機(jī)油壓和冷卻水溫度。同時(shí)，故障診斷系統(tǒng)可以測(cè)試每個(gè)系統(tǒng)和部分，維修和管理信息，儲(chǔ)存和分析實(shí)時(shí)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(jī)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(jī)的場(chǎng)地平整操作 圖9展示了智能化液壓挖掘機(jī)的場(chǎng)平整操作，實(shí)際應(yīng)用揭示：智能化液壓挖掘機(jī)有相當(dāng)強(qiáng)大的性能，相當(dāng)高的操作效率，由發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)引起的挖掘機(jī)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(shí)間縮短了，挖掘機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理也實(shí)現(xiàn)了。 5總結(jié) 由于智能化液壓挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)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(mǎn)足了現(xiàn)代建設(shè)的要求，增長(zhǎng)了企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)含量和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，把企業(yè)產(chǎn)品的自動(dòng)化程度和智能程度推向了一個(gè)新階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息技術(shù)自動(dòng)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(jī)械裝置中，并且智能化建造機(jī)械裝置將無(wú)疑成為發(fā)展方向。 感謝 謝謝廣西柳工機(jī)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(guó)際863項(xiàng)目工程補(bǔ)貼（批準(zhǔn)編號(hào)：2003AA430490）。