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數(shù)控系統(tǒng)輔助液壓挖掘機(jī)的概念
摘要
數(shù)控系統(tǒng)輔助液壓挖掘機(jī)操作者的概念被提出和討論。然后，基于描述概念性的控制系統(tǒng)被安裝在專門的數(shù)控平臺(tái)上，平臺(tái)上配備D/A和A/D轉(zhuǎn)換器，已經(jīng)在小型液壓拉鏟挖掘機(jī)K-111的工裝上應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它能滿足所有描述的需求，并且能用于輔助機(jī)器操作員工作。它能為精密工具做引導(dǎo)，了解的運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)重復(fù)和特定工具軌道 (包括最佳的路徑)，還有自動(dòng)改進(jìn)或優(yōu)化路徑。工具軌道也能被規(guī)定使用設(shè)定模型，使挖掘機(jī)成為遙控操縱類別的機(jī)器。現(xiàn)行的系統(tǒng)能基本用于真機(jī)控制系統(tǒng)。1998 Elsevier 科學(xué) B.V. 版權(quán)所有。
關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；液壓挖掘機(jī)；工具軌道
1 介紹
重型機(jī)械的自動(dòng)化，包括液壓挖掘機(jī)在內(nèi)，始于20世紀(jì)七十年代中期并成為可能。這主要由于時(shí)實(shí)控制系統(tǒng)和高動(dòng)力性能的液壓元件的發(fā)明。第一臺(tái)配備若干機(jī)械電子系統(tǒng)的挖掘機(jī)被當(dāng)作模型展示，這是Orenstein 和 Koppel為BAUMA'83 展覽會(huì)準(zhǔn)備的未來(lái)的液壓挖掘機(jī)。自從那次以后，許多配備了自動(dòng)控制系統(tǒng)的器被展現(xiàn)和要求 如引擎操作，泵操作，機(jī)器工裝，機(jī)器診斷等等。這種系統(tǒng)帶來(lái)了真正的幫助和明顯的利潤(rùn)。舉例來(lái)說(shuō), 被裝備 LITRONIC 系統(tǒng)的 LIEBHERR R902挖掘機(jī)（對(duì)于挖溝機(jī)），對(duì)比沒(méi)有配備這種自動(dòng)控制系統(tǒng)的相同機(jī)型來(lái)說(shuō)，效率提高達(dá)40％成本降低30％。雖然一些機(jī)器的自動(dòng)系統(tǒng)（在一些情況下的優(yōu)化）發(fā)展的相當(dāng)快，但是直到現(xiàn)在主要的機(jī)器程序－推處理-沒(méi)有適當(dāng)?shù)睦斫夂兔枋?。它的自?dòng)化相當(dāng)?shù)挠邢蓿ㄈ缰貜?fù)運(yùn)動(dòng)和激光平行系統(tǒng)等等），并且優(yōu)化處理系統(tǒng)還沒(méi)有發(fā)展。比較新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果清晰地表明，優(yōu)化的工裝軌跡在連續(xù)材料情況下，工具的尖端不得不沿著前一個(gè)推擠過(guò)程形成的滑道運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上了解這樣的軌跡和真機(jī)，為工具的運(yùn)動(dòng)建立了一個(gè)特別的控制系統(tǒng)是必要的，這使得實(shí)現(xiàn)這樣的軌跡像實(shí)現(xiàn)其它幫助操作員實(shí)現(xiàn)其它任務(wù)一樣。考慮到日益加重的機(jī)器的發(fā)展，這種系統(tǒng)必須適應(yīng)數(shù)控電—液驅(qū)動(dòng)。經(jīng)核實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，這種控制系統(tǒng)的概念在這篇文章中提出。
2 工具軌跡的優(yōu)化
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[1，2]由于重型機(jī)械工裝的作用，在土壤運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，沿著滑線方向形成了剛性區(qū)域（清楚科技昂的裂紋）。沿著滑線方向，材料的參數(shù)改變了（初始的內(nèi)聚力C減小到殘余值接近Cr=0）。在簡(jiǎn)單工具推擠垂直墻的過(guò)程中，力轉(zhuǎn)移關(guān)系表明水平力隨著推擠垂直墻過(guò)程而增長(zhǎng)，但處在一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)。在力減弱的同時(shí)，一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)制在工具作用結(jié)束而產(chǎn)生。這種機(jī)制周期的產(chǎn)生，而且能用塑性理論的可容學(xué)機(jī)制來(lái)描述[4－8]（如圖1）。
圖 1 年行土壤在水平工具向前推擠過(guò)程中的典型變形（在理論上）
下了很大的功夫作了描述土壤切削過(guò)程的塑性變形理論, 那里的問(wèn)題,積極施壓剛性壁對(duì)顆粒介質(zhì)(下平面應(yīng)變作出反應(yīng)) 被假設(shè)為簡(jiǎn)化模型土壤搡. 在這種情況下, 該方法的特點(diǎn)是采用〔3,9〕和若干理論方法(靜力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)) ,得下 假設(shè)剛性塑性土壤中的行為. 雖然一些邊值問(wèn)題解決這個(gè)方式 存在若干局限在獲取完整的解決方案,甚至運(yùn)動(dòng)學(xué)-根據(jù)十大受理的[9] 尤其是對(duì)于更先進(jìn)的地球切削過(guò)程. 另一種方法,基于動(dòng)準(zhǔn)予三方機(jī)制 建議后來(lái)[5]和應(yīng)用的描述更先進(jìn)地球搡鎢十大流程[ 6,7,10-12 ]。
讓我們討論推擠平面應(yīng)變剛性墻問(wèn)題，如圖1所呈現(xiàn)的。假設(shè)材料使剛塑性的并且服從庫(kù)倫－莫爾屈服準(zhǔn)則：
在這里，C----材料凝聚力，φ----內(nèi)部摩擦力。
流規(guī)則的形式：
在這里，G(σij)代表塑性潛力。
在發(fā)生時(shí)可能是描述的屈服準(zhǔn)則（如公式（1）），關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則是假設(shè),當(dāng)另一項(xiàng)功能被采用時(shí),流動(dòng)規(guī)律是不相關(guān)。
利用這種方法,并假定改變材料參數(shù)的滑移線[6，7], 不同動(dòng)受理解剛性壁搡過(guò)程中,才能提出和解決預(yù)測(cè)最小能量搜查。
對(duì)于形狀如“L”形的剛性墻的動(dòng)力學(xué)允許的解在圖1中體現(xiàn)，主要展示經(jīng)驗(yàn)觀察的結(jié)果。隨著進(jìn)程的進(jìn)展，橫向力愈來(lái)愈來(lái)不穩(wěn)定，并且當(dāng)這種力減少的時(shí)候，在工具的末端同時(shí)產(chǎn)生了動(dòng)力學(xué)機(jī)制，這種機(jī)制周期的產(chǎn)生。這種理論描述的預(yù)計(jì)情況和實(shí)驗(yàn)的主要結(jié)果比較吻合[ 6,7,10-12 ]。
考慮到實(shí)驗(yàn)觀察和理論的方法，試驗(yàn)的表示是可能的，一旦滑線在前后連續(xù)的材料里面產(chǎn)生，那么工具的尖端很可能沿著先前的產(chǎn)生的滑線運(yùn)動(dòng)[12]。實(shí)驗(yàn)在基于平面應(yīng)變的情況下的特殊實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成[1,12],應(yīng)用人工合成的材料，這種材料模仿粘土和其相應(yīng)的參數(shù)，這種材料由50％的水泥，20％的斑脫土，18％的砂子和白色的凡士林混合構(gòu)成。白色的凡士林的使用是為了得到粘性土壤，是土壤的參數(shù)不受空氣的溫度和液體流的影響，并且確保這些參數(shù)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持穩(wěn)定。
典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[12]，在圖2和圖4中展示出來(lái)，以相同的方法挖出相同等的材料（約60N）?！癓”形的工具以58的角模擬傾斜了現(xiàn)實(shí)過(guò)程（LA=180mm），是首先推入到一個(gè)特定的位置斜度（如圖2－b）。當(dāng)工具以45向前時(shí)，工具的尖端作用于材料的自由邊界，滑線就周期的被產(chǎn)生了。在下一個(gè)階段（縮回階段）工具的尖端沿著三個(gè)垂直的線運(yùn)動(dòng)（如圖2－c），伴隨著工具的旋轉(zhuǎn)，工具被挖起的材料填滿（如圖2－d）。那些直線傾斜的角度α＝30，40和50。α角的值是40和50的更接近工具的水平推擠過(guò)程形成的滑線的傾斜度（如圖2－c）。在如此的情況下，它的意思是工具的末端幾乎沿著滑線移動(dòng)，在滑動(dòng)過(guò)程中，材料的內(nèi)聚力c由于材料的軟化而急劇下降。
這些過(guò)程的具體能量適合不同的初步水平位移，在每次測(cè)試中選擇確定的相似的挖出量（600N）。如圖3所示，可以看出在α＝30的情況下，具體的能量單元比在α＝40和α＝50時(shí)都高（甚至高出100％）。然而，在進(jìn)行刀尖沿線傾斜的角度，類似的角度滑線的傾向，填土過(guò)程的具體的能量可以大大減少。
圖 2 斜坡樣本的實(shí)驗(yàn)過(guò)程：（a）工具和斜坡模型；（b）過(guò)程的第一階段－水平移動(dòng)；
（c）軌跡變化和水平移動(dòng)發(fā)展階段；（d）過(guò)程的最后階段
圖 3 在兩相分明的軌跡情況下‘撤回線’在不同斜度下的具體工作值
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)生在粘性土推土過(guò)程中：（1）沿著滑線材料形成剛性區(qū)域，這里的材料參數(shù)極大的改變（內(nèi)聚力）；（2）機(jī)器的工具沿著先前產(chǎn)生的滑線移動(dòng)，推土過(guò)程極大的節(jié)省能量（填土工具）。這個(gè)觀察可能是填充過(guò)程的基礎(chǔ)。
3 算機(jī)輔助控制系統(tǒng)的基本
據(jù)之前顯示，在推土過(guò)程中分析土體變形的力學(xué)機(jī)理，可能決定刀具軌跡的優(yōu)化。然而，在連續(xù)的材料中產(chǎn)生了工具沿著滑線的自動(dòng)移動(dòng)，這必須成為被提倡的系統(tǒng)的一個(gè)重要選項(xiàng)。這也應(yīng)該成為精密工具的向?qū)?，自?dòng)重復(fù)已經(jīng)確認(rèn)的運(yùn)動(dòng)（例如“討論會(huì)”），實(shí)現(xiàn)一些手工不能實(shí)現(xiàn)的工具動(dòng)作等等。
考慮到對(duì)重型機(jī)器自動(dòng)化的經(jīng)驗(yàn)少，這樣的系統(tǒng)應(yīng)該被裝配在機(jī)器上來(lái)協(xié)助操作員，并且扮演決定性和控制性的角色。因此，在控制系統(tǒng)和操作員之間的適當(dāng)?shù)姆蛛x是必要的。
這種用于挖掘機(jī)上的控制系統(tǒng)是建立在實(shí)驗(yàn)室范圍上的，其基本假設(shè)可以闡述如下[13]，（1）控制中心的操作系統(tǒng)是基于兩個(gè)數(shù)字系統(tǒng)的協(xié)作下的。第一個(gè)通過(guò)控制液壓缸的位置來(lái)控制機(jī)械夾具的運(yùn)動(dòng)。第二個(gè)為第一個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生控制信號(hào)。（2）在標(biāo)準(zhǔn)工況下，夾具液壓缸的比例液壓閥通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制。直接的操作員控制僅在出現(xiàn)緊急情況下才能用。（3）機(jī)器環(huán)境和控制系統(tǒng)之間的反饋是通過(guò)操作員來(lái)實(shí)現(xiàn)的。他連續(xù)的參加機(jī)器夾具運(yùn)動(dòng)控制的過(guò)程中。（4）為了了解這種人工控制不能實(shí)現(xiàn)的工具運(yùn)動(dòng)，操作員有可能通過(guò)硬件或軟件來(lái)調(diào)整單個(gè)液壓缸的位移。（5）操作員有可能轉(zhuǎn)換夾具運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制來(lái)認(rèn)識(shí)特殊的工具軌跡。在這里，工具的尖端沿著滑線或特定的已經(jīng)確認(rèn)的或是事先存在的軌跡移動(dòng)。（6）優(yōu)化的工具軌跡也可以被認(rèn)為是操作員給定的軌跡的修正。（7）系統(tǒng)可以在考慮某些限制的基礎(chǔ)上來(lái)修正操作員說(shuō)給定的軌跡，如：幾何關(guān)系限制，泵的最大能力限制，泵的最大輸出限制和泵的最大功率限制等等。
現(xiàn)行的概念是基于操作員和控制系統(tǒng)之間的協(xié)作，這就是說(shuō)夾具的移動(dòng)是在控制系統(tǒng)修正下的操作員的控制或是在操作員的命下控制系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。
4 控制系統(tǒng)功能實(shí)例
控制系統(tǒng)基于上述理念被安裝在一個(gè)特殊的數(shù)控場(chǎng)合，配備有PC和C/A、A/C轉(zhuǎn)換器。在小型液壓挖掘機(jī)K-111的設(shè)備中有所應(yīng)用[14-17]。夾具利用液壓缸的位置控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾具的位移控制。夾具液壓缸位移是靠變量柱塞泵反饋的成比例液壓值來(lái)控制的。夾具液壓缸控制系統(tǒng)基于三個(gè)液壓控制系統(tǒng)，每個(gè)控制系統(tǒng)應(yīng)用PID或是狀態(tài)控制器，控制不同的液壓缸的位移[14]。
它可以用 工具軌跡計(jì)劃編制，測(cè)量作用力和位移，以及其它于夾具位移有關(guān)的量來(lái)控制夾具的位移。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)的獲得也是可行的。
當(dāng)建立控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該考慮的相當(dāng)重要的問(wèn)題之一是工具軌跡計(jì)劃編制的方法。這種方法（通常）從兩步來(lái)認(rèn)識(shí)[15],在第一步中，計(jì)劃和決定軌跡的形狀。在第二步中，軌跡曲線已決定性的方法按時(shí)間進(jìn)行參數(shù)化，這種決定性的方法把軌跡定義在廣義坐標(biāo)內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，推廣到廣義坐標(biāo)的時(shí)間描述機(jī)器構(gòu)造空間被決定。挖掘機(jī)在這種情況下，液壓缸的長(zhǎng)度都是相匹配的。然后，它們作為控制系統(tǒng)信號(hào)被用于重復(fù)計(jì)劃好的軌跡。有些系統(tǒng)能力描述如下。
4..1 工具沿著指定好的路線移動(dòng)
為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建立的控制系統(tǒng)，在挖掘機(jī)工作空間或是在其構(gòu)造空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)應(yīng)用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”技術(shù)用這種方法，坐標(biāo)的最初和最終的點(diǎn)以及足夠數(shù)量的特有的節(jié)點(diǎn)被定義。然后描述這個(gè)點(diǎn)的值被導(dǎo)入系統(tǒng)，而其余各點(diǎn)的軌跡的計(jì)算采用內(nèi)差值法。線性的或是三次多項(xiàng)式差值法被應(yīng)用。軌跡的時(shí)間參數(shù)化才能通過(guò)確定的軌跡運(yùn)行時(shí)間，以及其劃分個(gè)別路徑環(huán)節(jié)而被認(rèn)識(shí)。考慮到系統(tǒng)計(jì)算液壓缸的速度的一些限制，測(cè)定兩個(gè)相鄰點(diǎn)之間的運(yùn)行時(shí)間（或者在最優(yōu)化的情況下）。
在這樣的標(biāo)準(zhǔn)挖掘施工情況下，很難精確實(shí)現(xiàn)軌跡，在這里同時(shí)移動(dòng)兩三個(gè)液壓缸是必要的。
4.2 工具運(yùn)動(dòng)建模
另一種控制裝置運(yùn)動(dòng)的方法控制建模，它有些象機(jī)器人上的控制單元，這種控制依靠幻影執(zhí)行。理解為運(yùn)動(dòng)學(xué)的重復(fù)或是機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)的模型[18]，配備有系統(tǒng)測(cè)量的移動(dòng)參數(shù)。以這種方式控制的挖掘機(jī)成了要控機(jī)器[19]。
設(shè)定模型是按K-111挖掘機(jī)裝置的1/10建立的模型，位于該板塊。三個(gè)電位計(jì)位于旋轉(zhuǎn)軸的模型單元里。來(lái)自這些電位計(jì)的信號(hào)允許我們決定裝置的構(gòu)造。機(jī)械底部提供的模型，限制了個(gè)別裝置元件，來(lái)自K-111挖掘機(jī)的轉(zhuǎn)角值。特別開(kāi)關(guān)啟動(dòng)系統(tǒng)。
設(shè)定模型是只能用于規(guī)劃中刀具的路徑，以及在其運(yùn)動(dòng)的刀具軌跡并用點(diǎn)的方法把它們記錄下來(lái)，當(dāng)以2下兩種情況下軌跡點(diǎn)被記錄：較以前的位置相比，液壓缸的總長(zhǎng)度增加到高于假設(shè)時(shí)；與前面的記錄時(shí)間相比時(shí)記錄的數(shù)據(jù)更晚時(shí)。
路徑的點(diǎn)在不包括斷點(diǎn)的定時(shí)間隔下被記錄。路徑的節(jié)點(diǎn)以相應(yīng)的裝置液壓缸的長(zhǎng)度來(lái)定義。其它的軌跡點(diǎn)的計(jì)算由計(jì)算機(jī)在構(gòu)造空間內(nèi)以插值法配置。不在軌跡上的點(diǎn)的計(jì)算依靠建模標(biāo)記。并可以忽視在區(qū)間的節(jié)點(diǎn)這相當(dāng)于若干采樣周期。這種軌跡的參數(shù)的實(shí)現(xiàn)是基于假設(shè)的液壓反饋輸出上的。因此，系統(tǒng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)的記錄和為裝置液壓缸位置控制系統(tǒng)而設(shè)定的決定點(diǎn)進(jìn)行操作（基于已經(jīng)描述的節(jié)點(diǎn)和假設(shè)輸出反饋）。
如果建模的裝置移動(dòng)變慢，對(duì)于適當(dāng)?shù)募僭O(shè)反饋輸出而言，真正的挖掘機(jī)裝置的移動(dòng)象模型移動(dòng)一樣。對(duì)于快速移動(dòng)來(lái)說(shuō)，路徑規(guī)劃的進(jìn)展的實(shí)現(xiàn)依靠真正的挖掘機(jī)的裝置。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于依靠建模來(lái)控制的裝置移動(dòng)在圖4中展示出來(lái)，在這里用建模來(lái)表示挖掘機(jī)裝置軌跡的階段被展現(xiàn)出來(lái)。虛線表示的是建模，實(shí)線表示真正的挖掘機(jī)裝置和涉及的節(jié)點(diǎn)路徑點(diǎn)。在那種情況下，按照假設(shè)反饋輸出，設(shè)置液壓缸位置控制系統(tǒng)的軌跡節(jié)點(diǎn)在圖4也有展示。建模的軌跡也就是機(jī)械裝置的軌跡，于可重復(fù)利用的值在圖5中展示。標(biāo)記成Jlw、Jlr和Jll的值是在移動(dòng)中意味著液壓缸位置（計(jì)劃的和確定的位置）是錯(cuò)誤的。
JxMax和JyMax表示水平方向和垂直方向的最大的不同。圖6表示的是液壓缸長(zhǎng)度建模（基本心好來(lái)源于固定線）的改變，并且計(jì)算K-111的裝置（虛線）液壓缸的改變控制系統(tǒng)，以及在移動(dòng)中的錯(cuò)誤響應(yīng)（點(diǎn)線）。并于隆隆聲的運(yùn)轉(zhuǎn)用指標(biāo)（w），臂（r）和鏟斗（l）標(biāo)記。
圖4 應(yīng)用建模描述挖掘機(jī)裝置軌跡的連續(xù)階段
建模信號(hào)的運(yùn)行和真實(shí)裝置設(shè)置點(diǎn)之間的不同源于基于假設(shè)反饋輸出的時(shí)間參數(shù)化的方法（建模的移動(dòng)超過(guò)真實(shí)裝置的可能的移動(dòng)）。
4.3 沿著直線的工具移動(dòng)
在當(dāng)前的情況下，裝置的液壓缸的同時(shí)移動(dòng)通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，這意思就是通過(guò)建模實(shí)現(xiàn)。它也可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這意思是通過(guò)機(jī)器操作者實(shí)現(xiàn)（用專門的按鈕）。機(jī)器在任意工作空間內(nèi)，工具水平或垂直切削角度保持為常數(shù)。在構(gòu)造空間內(nèi)，以點(diǎn)的方法描述工具路徑。此外，機(jī)器操作者可以決定移動(dòng)速度。速度靠控制系統(tǒng)考慮輸出反饋的情況下保證正確。水平運(yùn)動(dòng)的控制結(jié)果在圖7和圖8中表示出來(lái)。切削工具的軌跡在圖7中表示出來(lái)。他們假設(shè)反饋的計(jì)算長(zhǎng)度以點(diǎn)線表示出來(lái)。工具軌跡的時(shí)間參數(shù)化方法于建模相似，看起來(lái)操作者給的速度太高，并且系統(tǒng)修正的液壓缸移動(dòng)適時(shí)的與假設(shè)輸出反饋相保持。工具沿著斜線移動(dòng)的例子在圖9和圖10中展示出來(lái)。在圖中工具軌跡和相應(yīng)液壓缸被畫出來(lái)，這樣的移動(dòng)以水平和垂直運(yùn)動(dòng)之和來(lái)實(shí)現(xiàn)（斜線以水平和垂直速度來(lái)合成）。例如，沿著斜線的軌跡可以在推擠過(guò)程的退回階段沿著滑線或自動(dòng)形成，使得土壤陡坎。
圖5 建模的路徑（Xu，Yu）和機(jī)器裝置路徑（X，Y）描述的軌跡
圖6 建模中液壓缸的長(zhǎng)度變化（實(shí)線），控制系統(tǒng)計(jì)算的液壓缸的長(zhǎng)度（虛線），在裝置移動(dòng)中的錯(cuò)誤的響應(yīng)（點(diǎn)線）。
圖7 水平運(yùn)動(dòng)的切削工具軌跡
圖8 指示速度的裝置液壓缸的計(jì)算長(zhǎng)度（實(shí)線）和反饋輸出的假設(shè)計(jì)算長(zhǎng)度（點(diǎn)線）
圖9 傾斜移動(dòng)的切削工具軌跡
圖10指示速度的裝置液壓缸的計(jì)算長(zhǎng)度（實(shí)線）和反饋輸出的假設(shè)計(jì)算長(zhǎng)度（點(diǎn)線）
4.4 沿著滑線的工具的自動(dòng)移動(dòng)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的土壤搡過(guò)程顯示，預(yù)計(jì)理論滑線的位置合周期的優(yōu)化工具軌跡是可能的?？梢栽隍?yàn)室情況下的均勻材料中實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)實(shí)情況下，當(dāng)材料不是均勻的或是不好定義的時(shí)，材料的滑線必須自動(dòng)的被探測(cè)。滑線探測(cè)的自動(dòng)化過(guò)程是基于觀察的，當(dāng)工具開(kāi)始穿透稠密的材料時(shí)，作用在工具上的水平力的增加時(shí)可以觀察的。這種情況也發(fā)生在當(dāng)工具尖端從沿著滑線（這里的物質(zhì)密度相當(dāng)?。┫驔](méi)有動(dòng)過(guò)的材料（滑線上下沒(méi)有改變的材料）移動(dòng)時(shí)。然而，推力增加的觀察能被用于滑線的探測(cè)。這個(gè)過(guò)程在下面簡(jiǎn)要介紹和實(shí)現(xiàn)。
切削工具的移動(dòng)時(shí)水平、垂直合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成，并且的水平反作用力被測(cè)量和跟蹤。首先，當(dāng)水平力下降時(shí)，工具水平向前移動(dòng)，同時(shí)伴隨滑線系統(tǒng)從末端產(chǎn)生，一個(gè)特別的過(guò)程（以旋轉(zhuǎn)工具為例）被實(shí)現(xiàn)。然后，當(dāng)水平力增加并且超過(guò)定義值時(shí)。工具按照指定的位移值垂直運(yùn)動(dòng)，并且再進(jìn)行水平移動(dòng)（工具的旋轉(zhuǎn)被增加）。如果這樣，工具再一次垂直運(yùn)動(dòng)（按照所描述的位移），并且然后水平運(yùn)動(dòng)等等，這樣工具的尖端自動(dòng)沿著滑線移動(dòng)（以步進(jìn)方式）。
初步測(cè)試的結(jié)果在圖11和圖12中展示出來(lái)。作為一個(gè)簡(jiǎn)化的模型，工具沿著土壤陡坡傾斜0.61rad的可能被調(diào)查。為了定義水平力的最大值和定義垂直位移，控制系統(tǒng)自動(dòng)沿著陡坡跟隨工具。橫向力于橫向位移和工具軌跡進(jìn)行滑線偵察在圖11中展示。圖11的部分放大在圖12中展示，圖12展示了控制系統(tǒng)的作用。
圖11橫向力與橫向位移和刀具軌跡進(jìn)行滑移線偵查
圖12 圖11的部分放大圖
5 總結(jié)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,提出的控制系統(tǒng)能夠滿足上述所有要求的描述,可以用來(lái)作為機(jī)床操作協(xié)助。自動(dòng)重復(fù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，專用工具（包括高度優(yōu)化路徑）軌跡的實(shí)現(xiàn)和自動(dòng)改進(jìn)或?qū)崿F(xiàn)路徑的優(yōu)化。工具軌跡也可以用建模來(lái)規(guī)定，使挖掘機(jī)成為遙控機(jī)器。現(xiàn)行的系統(tǒng)能作為真實(shí)機(jī)器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
致謝
這個(gè)研究得到了KBN7T07C00412工程‘用于挖掘機(jī)這類重型機(jī)械的土壤搡過(guò)程的優(yōu)化’的贊助，并在基爾科技大學(xué)實(shí)現(xiàn)。
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