小型液压挖掘机单杆操作系统的研究.pdf

-69零 业学报2 0 0 8 ， 1 7 1 3 0 4 - 3 0 6 A c t a Ag r i c u l t u r a e B o r e a l i - o c c i d e n t a l i s S i n i c a 小型液压挖掘机单杆操作系统的研究 陈晓琳， 吕新民’ ， 郭贵生 西北农林科技大学机械与电子工程学院， 陕西杨凌7 1 2 1 0 0 摘要 针对小型液压挖掘机复杂的操作系统， 从人机工程学的角度出发， 设计了小型液压挖掘机单杆操作 系统。该设计采用传感器采集控制所需信息， 配以电液控制阀和单片机控制， 利用单杆操作方式简便省力地 完成挖掘工作。 关键词 液压挖掘机; 单杆操作 中图分类号 T D 4 2 2 . 2文献标识码 A文章编号 1 0 0 4 - 1 3 8 9 2 0 0 8 0 1 - 0 3 0 4 - 0 3 R e s e a r c h o f t h e S i n g l e P o l e O p e r a t i n g S y s t e m o f t h e S ma l l - S c a l e d H y d r a u l i c E x c a v a t o r C HE N X i a o - fi n ， L U X i n - mi n * a n d G UO G u i- s h e n g C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g , N o r t h w e s t A S i n g l e - p o l e o p e r a t i o n s y s t e m. s i mp l e I t c a n a n d ma t c h e s e l e c - c o mp l e t e o p e r a t i n g a n d l a b o r s a v i n g f o r e x c a v a - 目前， 国内小型液压挖掘机的生产呈上升趋 势， 但是其产品结构单一， 基本类型相同， 缺乏市 场竞争力。对于小型液压挖掘机的控制系统， 主 要完成两方面的任务一节能和操纵性。传统型的 小型液压挖掘机的作业过程是多机构协调动作的 过程， 需要进行动臂、 斗杆、 铲斗的多杆复合操作， 要求驾驶员有较丰富的操作经验[ I ] 。 为了提高机 器的操纵性， 降低驾驶员的劳动强度， 使操作简 便、 省力， 更好地完成工作的需要， 针对小型液压 挖掘机复杂的操作系统， 从人机工程学的角度出 发， 设计了小型液压挖掘机单杆操作系统。 1 系统的组成 此系统由液压系统、 传感器部分、 控制器部分 等组成。 1 . 1 液压系统 对液压挖掘机的传统液压系统进行了改进， 控制斗杆的控制阀仍采用原来的液压阀。控制动 臂、 铲斗的液压阀采用了电液比例控制阀以达到 对液压系统的准确、 快速的控制。根据经控制器 处理所输出的电信号产生对应的压力来控制对应 的电液比例控制阀的流量及各电磁换向阀的通断 或切换， 从而实现对动臂、 斗杆、 铲斗液压缸的压 力油流向及油量的控制， 从而实现了只需操纵斗 杆操作杆就可进行挖掘作业。 电液比例控制阀是一种按输人电信号连续 地、 按比例地控制液压系统中的流量、 压力和方向 的阀体; 对电磁换向阀的要求是完成通断和换向。 收稿日期 2 0 0 7 - 0 9 - 2 5修回日期 2 0 0 7 - 1 0 - 2 0 基金项目 陕西省科技攻关资助项目 2 0 0 3 K 0 3 - G 9 - 0 1 , 作者简介 陈晓琳 1 9 8 1 - ， 女， 陕西咸阳 人二 硕士研究生， 研究方向 机械设计及理论。 E - m a i l ; c h e n x i a o l i n _ 2 0 0 5 j i y a h o o . c o m . c n . ， 通讯作者 吕新民。 万方数据 1 期 陈晓琳等 小型液压挖掘机单杆操作系统的研究 这两种阀的应用实现了控制器对液压系统参数的 控制， 对提高系统的响应速度有重要作用[} 2 , 3 } 1 . 2 传感器部分 该部分主要的功能就是采集系统运行中所需 的各种信息， 由能检测出动臂、 斗杆、 铲斗动作位 置的角度传感器及压力传感器来组成。所采用的 角度传感器属于电容式传感器中的变面积角位移 式电容传感器。角位移电容传感器原理见图t o 当动片有一角位移时， 两极板间覆盖面积 S 发生 变化， 从而改变了两极板间的电容量; 当0 0 时， C o E S / d ; 当0 A 。 时， c o 仁 E S 1 一0 / 二 ] / d Q 1 -0 / n ; 则有,A C CA -G -G 0 / - o 极板 极板 1 . 3 控制器部分 微电子技术的发展已渗透到科学技术的各个 领域， 单片机已被广泛应用于工业控制。单片机 具有很强的运算功能和抗干扰能力强， 需要和相 应的软件及外部硬件设备相结合， 成为单片机控 制系统。 该系统采用T I 公司生产的MS P 4 3 0 系列单 片机。MS P 4 3 0 全系列产品均为工业级， 其工作 温度范围为 -4 0 “C 8 5 0 0C， 具备内置看门狗 功能和E S D保护， 抗干扰能力很强， 适应于挖掘 机工作时的恶劣环境。MS P 4 3 0系列是一种特低 功耗的 F L A S H微控制器， 功耗仅为其他 F l a s h MC U的五分之一。MS P 4 3 0系列微处理器具有 高效的 1 6位精减 R I S C 指令集、 2 7条指令、 1 2 5 n s 指令周期， 绝大多数指令在一个时钟周期 内完成， 供电电压为1 . 8 3 . 6 Vo MS P 4 3 0 X 1 4 X 系列配合外部器件可构成单斜边 A / D转换器， 而 且自身带有采样保持， 这有利于简化外围设计。 选用此系列器件中的M S P 4 3 0 F 1 4 9 图3 [ 6 1 亏， 急 摺} a s } } } s 鬓 星 y 一一﹃︸︸︸︸﹃︸一 M“ 神 峪娜晚‘ 扣 口书 幼 日 护 .翻 N吟 . 嘴 目 r心 ‘ ， 日 跳r 甲 c . . 润 暇 翔0口, ‘ C 以 邢电肠卜 卜 Y .. 沪柑月， ‘ 户. 夕 翻r该 户 卜 T 泛 孚 民 . 柳之 户 伪臼 积 念叹 曲 臼 口 少司 百口 ..， 、 州 协卜 创. 翔 ，解 名 纬 鱿 . 今自 日月 护 ，，，踢护.‘铸悯钻”仙悯 图1 角传感器原理图 F i g . 1 P r i n c i p l e d r a w i n g o f a n g l e s e n s o r ，通 由 . 。 ‘ p I - . ， ， 。 ，。 。 孙， 肠翻， 舒 月月贾口之 级甘轰梁 一愁盆轰公 暇写肠已长 .曲艇价叮 牡︸七犷 心昆居一公蟹忍七 哈笼会 盛t石梦盆 卜芝理盆世 匆鉴吕哥甘戒宝 时峨娜若r.‘厄 甘钱汀跳登 奋里盆 哥瓜盆 目心写兮一 图 3MS P 4 3 0 F 1 4 9引脚图 图2 运算放大器测量电路 F i g . 2 Me a s u r i n g c i r c u i t o f o p e r a t i o n a l a m p l i f i e r 角度传感器产生的电容信号不能直接利用， 而需要先经过放大和整形， 变成标准的方波后方 可传送到微控制器处理， 输人信号处理电路见图 2 。图中 C x 为传感器电容，u 2为放大后的电 压C 4 , s 1 。 角度传感器选用WY H - 3 系列， 工作电压3 . 3 - 8 V， 典型D C 5 V， 线形量程士4 5 0 , 0 -9 0 ， 机械 转角3 6 0 0 ， 应用于一般的工业场合的转角控制。 F i g . 3 P i n s p i c t u r e o f MS P 4 3 0 F 1 4 9 控制器主要任务是处理数据， 单片机先将传 感器输人的模拟信号转换成数字信号后进行处理 再将数字信号通过D / A转换器转换成模拟信号。 利用模拟信号实现对动臂的运动轨迹及铲斗与地 夹角的控制。 2 工作原理 主要是通过控制器将传感器所采集的动臂、 斗杆、 铲斗的数据进行处理再输出给液压阀体从 而控制动臂、 斗杆、 铲斗的动作， 控制关系见图 4 0 通过角度传感器将动臂处所采集的数据经控制器 处理后输出给电液控制阀， 实现动臂按照一定的 曲线作等角速度运动。斗杆的动作通过斗杆操纵 杆来控制。角度传感器所采集的铲斗位置信息经 万方数据 西北农业学报1 7 卷 控制器处理后输出给电液控制阀控制铲斗油缸实 现铲斗的运动， 若铲斗接触地面则压力传感器将 会发出信号。将控制回转马达的电液控制阀的电 源控制线引人斗杆操纵杆手柄处， 通过设置两个 按键来控制斗的回转。 通过控制对铲斗的倾角以及动臂的运动完成 挖掘工作。 就可以实现 整个挖掘过程只需要操作斗杆操纵杆 角度传感器 嘟夜 控制阔 铲斗 电液控制阁 角度传感器I r州动臂 压力传感器f “ “ “ 1斗杆操纵杆 斗 样尸门斗杆油缸 回转马达图电液控制阀 图4 单杆操作控制系统框图 F i g . 4 C o n t r o l s y s t e m f r a n e p i c t u r e o f s i n g l e - p o l e o p e r a t i o n ‘ 二 ， 、。， ， 一 、 、K, E n Kn F E n 一2 E n 一1 E n -2 1 } u ‘ ” 衍 、’ 一 行/ ‘’ 一 n 一1 P , P ， 十P D 采用P I D控制法， 其控制原理是先求出实测 角度对设定目标值的偏差值， 然后对偏差值进行 处理而获得控制电信号来调节电液控制阀的阀前 压 力， 以 实 现 对 角 度的 控 制 [[7 ,8 1 从控制论得知控制的理想微分方程为 执行机构不带积分部件， 其位置和控制器输 出的数字量是一一对应的则采用位置式P I D控 制。K P 加大使系统速度加快， 稳态误差减小， 偏 大则振荡次数加多， 不利系统稳定。 。 一 K P r e 才 、 忿 1 1 n e t d t T n d e t 刁 一1i - -一at 一 式中 e t r t -y t 称为偏差值， 作为控制器 的输人信号， 其中r t 为给定值; y t 为被测值; k ， 为比例系数; T ， 为微积分时间常数; T D为微 分时间常数; U t 为控制器的输出电压信号。 因为单片机只处理数字信号， 故上述数学方 程必须加以变换。若设角度的采样周期为 T ， 第 n 次采样得到的输人偏差为‘ ， ， 控制器输出为 u n , 则有 4 结束语 传统液压挖掘机需要进行动臂、 斗杆、 铲斗的 多杆复合操作， 操作复杂。该系统综合利用了液 压技术、 传感技术和单片机技术， 改进了传统的液 压操作系统。单杆操作使操作更为简单、 快捷， 减 少劳动强度。 d e t , e n - e n- ,d - T 微 分 用 差 分 代 替 ’ 1 o e t d t ti Ze k T 积分用求和代替 则式 3 - 1 为 ， 一 K ， 〔 ， 去 nK p [ en T rkE ek “ T T D e n T n- I 〕 。 二 、 ‘。 ， 二.， ，。.T 与 议 通 淮 水 八 u n “ ” 一 1 十 八。 L e ， 一e n - 1 十 ;F - I I . Tn_.、， e 一节‘ “ 一“ e n - ， 十 ‘ 一 ， J 即u n u u 一1 K , { E n 一E n 一1 参考文献 [ 1 〕 陈正利. 我国液压挖掘机发展的几个重要阶段及其前景展 望[ J ] . 建筑机械， 1 9 9 9 , 1 1 7 - 2 3 . [ 2 」 李芳民， 梁军， 胡天明. 工程机械液压与液力传动「 M] . 北 京 人民交通出版社， 2 0 0 0 . [ 3 〕 唐银启. 工程机械液压与液力技术[ M] . 北京 人民交通出 版社， 2 0 0 3 . [ 4 〕 何道清. 传感器与传感技术「 M] . 北京 科学出版社， 2 0 0 4 . [ 5 〕 张丽君 可调百叶窗式风机工况调节装置的研究设计〔 J ] . 西北农业学报， 2 0 0 7 , 1 6 3 2 8 5 - 2 8 8 . [ 6 〕 魏小龙 M S P 4 3 0系列单片机接口技术及系统设计实例 [ M] . 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 2 . [ 7 」 胡汉才. 单片机原理及系统设计[ M] . 北京 清华大学出版 社， 2 0 0 2 . [ 8 ] 赖寿宏. 微型计算机控制技术〔 M] .北京 机械工业出版 社， 2 0 0 4 . 万方数据