自适应液压工程夹持器控制系统的设计.pdf

、l 匐 化 自适应液压工程夹持器控制系统的设计 Desi gn f or adapt i v e hy dr aul i c engi neer i ng gr i pper cont r ol s y st em 王恒冲，王守城，石晓慧 V V ANG He n g ． c h on g，WANG Sh o u c h en g，SHl Xia o h u i 青岛科技大学 机电学院，青岛 2 6 6 0 6 1 摘 要在夹持器的设计中引入了基于滑移信号的自适应压力控制。控制系统根据反馈信号 ，以一定的 分辨率调整夹持回路压力大小，从而实现了对夹持器的精准控制。通过V i s u a l B a s i c 程序的事 件响应机制对滑移信号进行响应。在硬件连接方面，采用O P C 技术 ，通过K E P S e r v e r E X 软件 连接V B 程序与P L C 控制系统，简化了硬件驱动的设计，提高了连接的可靠性。 关键词夹持器 ；自适应控制；滑移检测；O P C技术 中图分类号T P2 7 文献标识码B 文章编号 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 4 1 0 下 - O l 0 5 - 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 4 ． 1 0 下 ． 2 7 0 引言 液压挖掘机 在施 工过 程 中遇到大质量 装卸、 安装、转移等 问题时多采用带 吊钩 的铲斗进行 吊 装 。但这种 方式对所 吊装物体 的形状和位置有一 定的要求 ，为此设计 了自适应液压工程夹持器 。 夹持器上 滑移检测系统的安装使得夹持器 自动调 节夹 紧力得 以实现 ，最终以合适的力对物体快速 精 准夹持 。 自动化技术在液压方面正变得无处不 在 ，两者的结合正逐步趋于完善。 自适 应液压工程夹持器 的控制 系统 负责采集 系统数据 ，进行数 据处理 ，并输出控制量以驱动 各种 元件动 作，从 而完成夹持器的不同功能 。其 中控制 系统 的主要控制对 象是 自适 应夹紧力 。控 制系统通过 比例调压阀进行压力控制，P L C将相应 的控制指令 发送给 比例调 压阀 ，通过 电液 比例控 制技术将 电信号转化成调压 阀的调定压力 ，从 而 完成对夹持回路压力的实时控制 。 1 液压系统设计 自适应液压工程 夹持器通过其液压 系统驱动 机械结构运动 ，控制夹持力 的大小 ，从而实现对 不同物体的 自适应夹持 。液压马达可 以方便地控 制腕部转动机构转动的角度和快慢 ，且能够提供 较大的转矩 ，转动平稳 ，能够方便地实现锁定 ， 保证 夹持 的稳定 。通过液压缸活塞杆的伸缩 ，带 动弯杆绕销 轴进行转动 ，实现对物体的夹紧 。在 供 油压 力一 定的情况下，若需要调节夹持器的夹 紧力 ，则需要 相应 的调节 夹持机 构液压 回路的压 力 ，采用 的基本 回路为减压 回路 。自适应液压工 程夹持器要实现 的设计功能是在工作过程 中， 自 动根据物体的表面状况和质量 ，调节夹 紧力。当 夹持过程 出现滑移时 ，夹持机 构的液压 回路能够 自动增大系统压力 ，这个过 程是连续 的，采用 电 液 比例减压阀作为主要控制 阀，用它对夹持机构 液压回路 进行压 力的无级调定 。 自适应液压工程 夹持 器腕部转 动机构 的执行 元件为液压 马达 ，通 过具有0型 中位机能的三位 四通 电磁换向阀控制其 正反转动。机 构的转动速度分为快慢速两种 ，通 过二位二通电磁 换向阀进行转换 。利用挖掘机液 压管路进行供油的液压系统原理图如图1 所示 。 1 ．油箱 ；2 ．单 向阀；3 ． 电液比例减压阀4 ． 1 2 一压力表开关 ；5 、l 3 ．耐 震压 力 表；6 ． 可调节流阀；7 ．三位 四通 电磁换 向阀8 ． 液压 缸；9 ． 蓄能器l 0 ． 压力 继 电器；l 1 ． 先导式减 压阀；l 4 二 位三通电磁 阀；t 5 ． 调速阀l 6 ． 三位四通 电磁换 向阀；l 7 ．双 向定量液压马达 图 l 夹持器液压 系统 原理 收稿日期2 0 1 4 - 0 5 -0 4 作者简介王恒冲 1 9 8 8一 ，男，硕士研究生，研究方向为液压传动与控制技术。 第3 6 卷第1 O 期2 0 1 4 -1 0 下 [ 1 0 5 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 化 2 夹持机构控制过程 要 实现 自适 应液 压工 程 夹持 器 的 自适 应控 制 ，需 要确 定 自适应 机 制 ，选 择 合理 的反 馈信 号 ，并 进行 自适 应判 断 ， 同时能够 根据 判 断信 号 ，按照一定的规则进行 自适 应调整 。其 中夹持 机构控制系统的主要功 能就是 自适应调整 。该控 制 系统的类型属于压 力控制 ，通过 电液 比例控制 技术调节液压回路的压 力，在 自适应液压工程夹 持器的夹持阶段 ，控制 系统根据反馈信号 ，以一 定的分辨率调整夹持 回路压力 的大小 ，保证所夹 持的物体 不滑落，夹持机构 自适应控制流程图如 图3 所示，其控制过程为 1 快速阶段，液压回路 的压力较低 ，此时减 压 阀阀 口处于 完全打开状态 ，油液全部流入液压 缸 ，夹持平板快速运动。 2 预加载阶段 ，夹持平板接触被夹持物体， 回路压力开始升高 ，当回路压力达到设 定的预加 载压 力时 ，减压 阀的 阀芯处于关闭状态，油液不 进 入液 压缸 。 3 自适应 阶段 ，控 制 系统 根据设 定的分辨 率 ，在夹持过程 出现滑移时 ，增加 夹持机构液压 回路 的调定压 力。P L C对 电液 比例调压 阀进行控 制 ，调整其输 出压力 。其压力增加的幅度需要根 据 系统的响应速度和材料的抗压程度 来定，既要 保证 自适应调整次数相对较少，又要避免夹持力 过大超 出所需值 ，造成被夹持物体 的损坏 ，压力 上限 由操作人员根据夹持作业 的具体情况 ，进行 人 工设 置 。 4 夹持阶段 ，执行液压 缸处于静止状态，减 压阀的阀 口完全关 闭，卸荷 阀打开 ，液压泵处于 空载状态 。此时换 向阀的阀 口封 闭，执行液压缸 的工作压 力维持在设定压 力附近 ，当回路压力因 为泄露或因被加持物体姿 态改变而下降时 ，蓄能 器释放 储存的压力能 ，以维持 回路压力 。当压力 持 续下降 ，压差达到设定值时 ，换向 阀打开 ，卸 荷阀关 闭，调压 阀重新给调压 回路进行补油 ，其 压力变化过程如 图2 所示。 5 卸载阶段 ，P L C发出数字控制指令 ，操作 换向阀进行换向，液压缸反向运动，松开被夹持物 体。张开到合适角度后，操作人 员控制P L C 发出指 令，使得换向阀进入 中位工作，液压缸被锁定 。同 时，卸荷阀打开，液压泵处于卸荷待命状态。 [ 1 0 6 1 第3 6 卷第1 0 期2 0 1 4 - 1 0 下 0 t s 图2 夹持 阶段压 力变化 图3 夹持机构 自适应控制流程 图 3 滑移检测系统 液压 工程夹持器的 自适应控制是以被加持物 体是否发生滑移 为判断依据 的，是建立在滑移量 检测的基础之上 。滑移检测 系统的功能是检测夹 持器在夹持过程 中，被 加持物体是否发生滑移 ， 并将 检测信号经上位机传递 到P LC 里 ，作为P L C 进行 自适应控制 的依据 。根据夹持器在工作过程 中与被夹持物体接触力大 、磨损严重 ，作业环境 恶劣 的特点 ，提 出了利用光电位移传感器的非接 触式滑移检 测方法 。这种滑移检测系统利用光电 传感器作为 测量元件 ，工作时传感器发 出光电信 号 ，经被加持物体表面的反射 ，返回到传感器的 接收窗 口，接收窗 口通过解码 ，从而判断夹持平 板和被加持物体是否有相对滑动。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、I 注 ．I5 3 ． 1 信号的传递过程 滑移检 测系统 由光学传感器芯片 、上位机程 序 和OP C] 务器三部 分组成 。如图4 所 示 ，光学 传感器芯片检测被 夹持物体的滑移量 ，然 后对信 号进行处理 。处理之后的信号按照一定 的通信格 式 ，将数据包传递给上位机 。上位机程序对检 测 信号进行处理 ，利用相应的编程语 句，将传感器 的位移数据转化为布尔数字开关量 ，并通过通 用 接 口，将布尔型数据赋值Nop cl l a 务器 中的相 应 变量上 。最终通过OP C技术 ，OP CI I 务器将变量 值传递 1] P L C上相应的存储器中，完成滑移检测信 号的传递。 图4滑移 信号的传递 3 ． 2 滑移检测系统的硬件连接 根据滑移信号的传递过程 ，绘制如图5 所示的 硬件连接示意图，其中光学传感器通过R S 一 2 3 2 C串 口与上位机进行连接 ，上位 机则通过R S 一 4 8 5 接 口 利 用P P I 协议 进 行通 信 。 图 5 滑 移 系 统 硬 件 连 接 3 ． 3 OP CJ l 务器设置 利用KE P S e r v e r E x软件可 以建立OP CI] 务器与 P L C之间的通信连接 ，在软件 中添加通道和新设 备 ，选择通信驱动为S 7 2 0 0 。之 后在新添加 的设 备 中定 义滑移信号的传递变量 ，并设置 其在P L C 中的存储地址为M0 ． 0 ，数据类型为布尔逻辑 型， 其值对应于 中间继 电器 的通断 。变量设 置完成之 后 ，可以用KE P wa r e 中的Qu i c k Cl i e n t 程序进行通 信的检测和连接。 3 ． 4 滑移检测程序设计 滑移检 测程 序是上位机程序的一部分 ，其功 能是按照设定的语 句，对位置传感器传入 的数 据 进 行响 应 ，使 得 当滑移 量 产生 时 ，触 发程 序事 件 ，从而改变相应变量的布尔逻辑值 。自适应液 压工程 夹持器 的上位机程 序采用Vi s u a l Ba s i c 进 行编程 。要 想利用上位机程序改变OP CI ll 务器中 变量 的值 ，首 先必 须建立二者之 间的通信连 接 。 利 用OP C技 术所 提供的数 据接 口，VB程序能 够 通过 代码 建立与Op Er a务器软件 的连接 ，进而 完 成数据 的读写和写 入。利用Vi s u a l B a s i c 的事件 驱动编程机制 ，对Mo u s e Mo v e 事件进行编程 ，就 可以方便的实现滑移检测的这一功能 。当位移传 感器检测到滑移信号后，触发Mo u s e Mo v e 事件 ， 程序执行该事件中的代码。同时 为了防止 鼠标点 移动 到窗 口外影 响事 件触 发 ，需要 设置 代码 在 Mo u s e Mo v e 事件触发后，将 鼠标点移回原位 。滑 移检测程序的编制如图6 所示 ，首先要在通用段定 义F u n c t i o n 过程 ，以及鼠标点的坐标变量x和Y。 之后在窗 口的Mo u s e Mo v e 事件 中编写代码，使得 事件触发后，对布尔变量m进行赋值，之后将鼠标 点移 回 3 0 0 ， 5 0 0 点上 。 图6 滑移检测程序段 4 结束语 控制系统 是 自适应液压工程 夹持器的大脑 ， 通过 电液比例控制技 术完成对 系统的压力控制 ， 通过P L C技 术实现 顺序动 作、逻辑和计算。经 调 试 表 明 ，该 控 制 系统 实 现 了 自适 应 液 压 工程 夹 持 器 的控制功能 ，最终使夹持器的执行部件 有序地 完成相应 的功能 。滑移检测 系统克服了机器人技 术 中膜 片压 电传感器 易磨损 、信号处理 复杂的缺 点 。滑移信号是通过光 电位移传感器直接检 测到 的 ，并通过VB 程序的事件响应机制进行响应。滑 移检测系统与P L C 之间通过O P Ct l g 务器进行连接， 这种 方式大大 简化 了设备与上位机程序之 间的连 接过程 ，提高 了设计效率 。另外 ，采用OP C 技 术 进行连接 ，使得滑移检测 系统相对独立，可以与 不同P L C系统进行连接 ，提高了程序的兼容性。 参考文献 【 l 】王守城 ， 容 一鸣． 液压 与气压传 动I MI ． 北京 北 京大学 出 版社， 2 0 0 8 ． 4 ． 【 2 】刘炳文． Vi s u a l B a s i c 程序设计教程[ MI ． 北京 清 华大 学出 版， 2 0 0 4 ． 3 ． 第3 6 卷第1 O 期2 0 1 4 1 0 下 [ 1 0 7 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 化 【 3 】王 牛， 田强， 丘柳东， 等． 基于 力反馈的夹持器 系统模型 [ J ] ． 机器 人， 2 0 1 l ， 3 3 4 4 7 5 4 8 1 ． 【 4 】L． P l o n e c k i ， W ． T r a mp c z y n s k i ，J ．C e n d r o wi c z ，A Con c e pt o f Di gi t a l Co n t r o l Sy s t e m t o A s s i s t t he Oper a t or of Hydr aul i c e xca vat or s．Aut om a t i on i n Co ns t r u c t i on， 1 99 8， 7 4 01 41 1 ． 【 5 】刘恒大， 忽满利， 单鹏． 基于l a b V I E W的鼠标位移测量技术 研究[ J 】 _ 计算机测量与控制， 2 0 1 0 ， 1 8 1 2 2 7 2 4 2 7 2 6 ． 【 6 】蒋健． 基于O P C数据通讯技术的实时监控系统研究与应 用【 D】 ． 东南大学， 2 0 0 6 ． f 7 1 D． Os s wa l d ，H． W o r n ． M e c h a n i c a l S y s t e m a n d Co n t r o l S y s t e m o f a De x t e r o u s Ro b o t Ha n d [ A1 ． P r o c e e d i n g s o f t he I EEE RAS I nt e r na t i O nal Con f e r e nc e on Hu m a no i d Ro b o t s [ C] ． T o k y o ， J a p a n ． 2 0 0 1 4 0 7 ． 41 4 ． 盘‘ 岛‘ 矗‘ 盘● 蠡● 重● {童‘ 矗‘ ． {盘‘ {重‘ 出‘ 蠡● 岛● {鑫● j蠡● {蠡‘ 蠡‘ {重‘ {盎● 量‘ 矗‘ {重‘ {矗‘ 【 上接第1 0 4 页】 取舍误差造成的，通过改善基准时钟的精确性和提 高运算速度能够改善该频率精度和稳定度。 采 用 示 波器 对正 弦 波输 出幅度 进行 定 量 测 试 ，实测数据如表3 所示 。 表3正弦波输出幅度数据 频率 1 0 Hz 1 KH z 5 K Hz 1 0 K Hz 5 0 KH z 1 0 0 K H z 幅度4 ． 9 7 V 5 ． 0 2 V 5 ． 0 9 V 5 ． 1 2 V 5 ． 1 8 V 5 ． 1 5 V 频率5 0 0 K H z 1 MHz 5 MHz 1 0 MH z 1 5 MH z 2 0 MH z 幅 度 5 ． 2 0 V 5 ． 1 6 V 4 ． 5 5 V 4 ． 1 8 V 3 ． 7 4 V 3 ． 2 5 V 从表3 测试数据 可知 ，l O Hz - 1 MHz 的正弦波 输 出信号幅度与满值5 V输出相 比，其最大偏差为 0 ． 2 V，最小偏差0 ． 0 2 V，能够满足实际需要 ，且 比 较稳定 。当输 出频率大于 1 MHz 时 ，幅度下降较 大，输出2 0 MH z 时偏差最大。其主要原因是D ／ A转 换精度不高和放大滤波电路增益衰减造成 的，通 过采用高精度D， A转换芯片和提高滤波器带宽及增 益能够改善这个问题 。 4 结束语 本文采用MAT L AB ／ S i mu l i n k 、DS P Bu i l d e r 对 基波、A M调制波和数字调制波的DDS 系统模型进 行设计 、仿真和建模，利用DS P B u i l d e r 中的S i g n a l Co mp i l l e r ] 2 具将图形化建立的DDS 模 型转化为可 在Qu a r t u s l I 软件 中使用的VHDL 文件 ，在Q u a r t u s l I | 1 0 8 1 第3 6 卷第1 O 期2 0 1 4 - 1 0 下 环境 中生成硬件符号 ，并将其添 加到工程 中，然 后再把各模块连接好的顶层实体 下载到 目标器件 中，最终实现多功能信号发生器 的设计 。与传统 的频率合成方法相比不仅避免 了DDS 模块编程 的 复杂性、节约 了F P GA的逻辑资源，而且具有频率 切换时 间短 、频率分辨率高、相位变化连 续，功 能扩充容易 、成本较低、稳定度较高、抗干扰 能 力强 、参数修改灵活和开发周期短等优 点，能够 满足实验室的基本需要，具有广阔的应用前景。 参考文献 【 1 】朱凤武， 邹丽娜， 等． 基于F P GA和D DS 的数字调制信号发 生器设计与实现【 J 1 ． 电子设计 工程 ， 2 0 1 3 ， 6 2 1 9 0 9 3 ． [ 2 】韩旭， 郑磊 ． 基于F P G A的任意 波形 发生器 的设计与 实现 f J 1 ． 电子测量技术， 2 0 1 3 ， 7 3 2 6 2 6 6 ． 【 3 】万志江 ． 基于F P GA的DDS I P 核的研究与设计 【 J 】 ． 微电子 学与计算机， 2 0 1 3 ， 8 3 0 9 8 1 0 2 ． 【 4 】张 浪． DDS I P 核设计及其在信号发 生器 中的应用 【 J 】 ． 信息 化研 究， 2 0 1 0 ， 1 0 3 6 4 6 4 8 ． 【 5 】王 康佳， 刘诗伟， 孙番典． 基于Ma t l a b ／ DS P Bu i l d e r 任 意 波 形 信 号 发 生 器 的 两 种 设 计 ． 现 代 电 子 技 术， 2 0 1 l ， 3 3 4 1 7 9 1 8 4 ． 【 6 】刘楠． 基于F P G A的D DS 信号发生器 的实现【 D】 ． 哈尔滨 哈 尔滨理工大学， 2 0 1 1 ． [ 7 】 肖炎根 ．基 于S O P C的D DS 函数 信号发生器的设计 【 D】 ． 长 沙 中南大学， 2 0 1 1 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m