混凝土泵车臂架末端直线运动轨迹控制.pdf

学校代号10536 分类号TU646 学号17103010411 密级公开 λ刁3乞3大骂 硕士学位论文 混凝土泵军营架未端直线运动轨迹控制 学位申请人姓名 所在学院 指导教师 学科专业 币开究方向 论文提交日期 1.-. _- 1.1，λ，. 、，.，也 汽于IJ机械工样院 吉宏庆、黄毅 扣L械工手呈 机械设l-li 1T 它 2020 {T 4 -.1 30 I I 万方数据 学校代号10536 学号17103010411 密级z公开 长沙理工大学硕士学位论文 混凝土泵车臂架末端直线运动轨迹控制 学位申请人姓名 指导教师 所在学院 专业名称 论文提交日期 论文答辩日期 答辩委员会主席 重鑫 唐宏宾、黄毅 汽车与机械工程学院 机械工程 2020年4月30日 2020勾王5月31日 去应盛 万方数据 Linear Tr骂jectoryControl of the End of Boom of Concrete Pump Truck By Huang xin B .E. Changsha University of Science and Technology 2014 A thesis ted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering m Mechanical Engineering m Changsha University ofScience 运动学分析运动学反解联合仿真随动控制 万方数据 ABSTRACT Concrete pump truck is widely usedωa typical engineering machine in industrial and civil construction. At present, the operation ofthe concrete pump truck is to control the angle change ofthe turntable and the single也mboom through the remote control as to control the end ofthe distribution pipe to由epouring position for pouring. This traditional manual control not only requires high technical level of the operator, but also requires high labor intensity. Therefore, in order to further improve the working efficiency of concrete p山nptruck while reducing the labor intensity of worker, automatic distribution technology has become a research hotspot in the industry. Since the boom system of the concrete pump truck is a group of open chain struc阳res with multiple redundancy, how to find a suitable for trajectory planning ofthe boom system to achieve high-precision control of the end of boom becomes a major difficulty . This paper firstly take the boom system ofthe concrete pump truck as the research object and analyzes the kinematics ofthe boom system to obtain the forward kinematic model ofthe boom system. ased on this, combined with the principles ofrobotics, an improved gradient projection inverse algorithm is proposed, which takes the minimum change in the weight ofthe boom angle as the quadratic optimization objective function. And according to the actual par田netersofthe pump truck, the model is modeled on the matlab plat, and由ealgorithm is applied to the model for simulation analysis, which verifies the feasibility ofthe algorithm. A three-dimensional model ofthe pwηp truck boom was established on Solidworks and a co-simulation model of mechanical system and control system was established by using the co-simulation technology of ADAMS and Simulink, verifies the effectiveness of the proposed algorithm and the established control system in a way closer to practical applications. The overall design goals ofthe electronic control system ofintelligent boom were proposed. The selection and perance testing of various hardware devices were completed according to the 11 万方数据 and output requirements of the electronic control system,and the electrical schematic diagram w臼designed.The so仕warefor the intelligent boom of the concrete pump truck based on由eCodesys. On由isplatfonn, the improved gradient projection algorithm was success虱dlytransplanted into the platfonn缸ldthe overall control progr创nwas written. An experimental plat was built to test the follow-up control effect of the end of boom of the concrete pump truck under typical working condition and the experimental results show由at由econtrol can achieve high-precision control ofthe linear trajectory ofthe end ofboom and has strong engineering practicability. Key words concrete pump truck; ldnematic analysis; inverse kinematics;co-simulation; foIlow-up control; I I I 万方数据 目录 摘要.................................. ...... ..... ........ ...... ......................... 1 ABSTRACT......................... ........ ..... .. .... ............................ 11 第一章绪论...............................................................‘..1 1.1研究背景与意义..........................................................................................1 1.2国内外相关研究概况与发展趋势.......................................................................6 1.3研究的技术路线与主要研究内容........................................................10 1.3.1研究的目的...........................................................................10 1.3.2研究对象的特点...............................................-_.................................10 1.3.3技术路线.....................................................................................................11 1.3.3主要研究内容......................................11 第二章混凝土泵车臂架的运动学分析及反解算法的研究..............13 2.1运动学控制对象分析..............................................................13 2.2混凝土泵车臂架的正向运动学分析..........................................................14 2.3混凝土泵车臂架的逆解算法研究.....................................................................17 2.3.1雅克比矩阵..........“.................................................................18 2.3.2梯度投影法.....................................................................................19 2.3.3改进梯度投影法求解臂架逆运动学................................H...........20 2.4试验仿真.....................................................................................................22 2.5本章小结..............................................................................................24 第三章混凝土泵车臂架的建模与联合仿真...............‘...............................25 3.1建立模型与联合仿真的方法及意义............................................................25 3.2泵车臂架的三维模型...................................................................................26 3.3泵车臂架的动力学模型.....................................................................29 3.3.1定义约束..............................29 3.3.2导出控制参数.....................30 M建立控制方案..........................................................................................34 3.4.1 PID算法简介...................................................................34 3.4.2搭建联合仿真平台..............................H.........................36 万方数据 3.5本章小结...........................................................................“.....40 第四章混凝土泵车智能臂架控制系统设计.......................41 4.1智能臂架控制系统的总体设计目标......................................................41 4.2泵车智能臂架控制系统要求分析.......................................................42 4.2.1遥控器输入要求分析...................................................................42 4.2.2控制器输出要求分析......................................................................43 4.2.3控制系统容量要求分析....................................................................43 4.2.4控制系统性能要求分析...........................................‘............45 4.3电气系统硬件设计..................................................................................45 4.3.1控制器...................................................................................46 4.3.2末端软管随动控制.................................................................................49 4.3.3丹弗斯多路阀...............................................................................50 4.4电气系统软件设计.....................................................................................51 4.4.1控制程序语言介绍.............................................................................51 4.4.2控制程序设计..................................................................................52 4.5本章小结........................................................................................................55 第五章实验研究........................................................................................56 5.1实验准备....................................................................................................................56 5.2实验步骤..............................................................................................................57 5.3实验结果分析.........................................................................................58 5.4本章小结...................................................................................................................59 结论与展望...........................................................61 结论.................................... ...........................61 展望................... ...............................62 参考文献.................... .........64 致谢.................................................................67 附录A攻读学位期间取得研究成果...............................68 附录B攻读学位期间参与的课题项目..............................69 万方数据 第一章绪论 第一章绪论 混凝土泵车是集输送混凝土和摊铺浇筑工序于一体的建筑机械。在建筑施 工作业中，混凝土泵车与混凝土输送车相互配合，完成混凝土输送与挠筑任 务，这样既能节省时间和劳动力，减少劳动强度，又能保证施工质量、减少成 品混凝土的消耗。因此，混凝土泵送技术广泛应用于交通运输、能源工业、原 材料工业、市政建设、农林水利、国防等基本建设工程中，是现代建筑不可缺 少的工程机械[1J。 工程机械的智能化、自动化是机械产品的一个重要发展方向。随着混凝土 泵车的广泛应用，其浇筑环境与施工工况也愈加复杂，对混凝土泵车的要求也 越来越高，混凝土泵车智能化与无人化是混凝土行业中一个必然的发展趋势。 因此，对混凝土泵车的智能臂架进行研究开发具有重大意义。 1.1研究背景与意义 混凝土泵车是集混凝土泵送系统、臂架系统、汽车底盘系统于一体的大型 工程机械设备。混凝土泵车因其移动灵活、浇筑可达面积大等独特的优势，在 现代的施工中被广泛地应用。在混凝土泵车兴起之前，传统的输送混凝土的方 法主要包括使用升降机或者卷扬机两种方式，跟传统的输送方式相比较，混凝 土泵车的使用大幅度地提高了浇筑施工的效率，并且混凝土泵车使用遥控器控 制臂架系统与泵送系统的操作方式，降低了操作者的劳动强度，提高了操作者 的安全性，从而保证了整体的施工进度得到了大幅提升。由于混凝土泵车所具 备的这些传统机械所不具备的优点，使得在近年来混凝土泵车逐渐取代了传统 的混凝土输送设备，越来越广泛地用于国防、市政、民用设施和水利设施等基 础建设领域，具有巨大的市场空间[2]。 传统的泵车浇筑方式为手持式遥控器单独控制每一节臂的液压油缸伸缩来 控制末端软管的运动，这种操作方式要求工人具在娴熟的操作技术与经验，并 且具有控制误差大、施工效率低的缺点。如果混凝土泵车的浇筑方向可以由遥 控器发出的指令确定，然后控制器接收指令并智能规划每节臂的协同动作，则 万方数据 硕士学位论文 可以大大提升浇筑效率。图1.1是某品牌的泵车臂架展开的姿态图，该泵车为 展收方式R-Z型的六节臂泵车。图1.2是该品牌泵车配套的遥控器，于柄控制 支腿及臂架动作，按钮控制泵送速度与排量。随着机器人技术的发展应用，人 们开始对混凝土泵车的智能化提出了更高的要求，近年来，越来越多的公司致 力于研究臂架运动的自动化，如何有效实现混凝土泵车的自动浇筑成为了行业 内的一大研究热点。 图1.1混凝土泵幸臂架姿态 图1.2手持式泵车遥控器 德国的大象Putzmeister公司、中国的三一Sany集团、中联重科 2 万方数据 第一章绪论 Zoomlion股份有限公司先后研制出了智能泵车技术。其中最具代表性的“随动 控制“技术也就是最早由大象公司所研发的““FolIowme“技术，该技术的核心思 想是通过安装在末端软管上的信号发射装置发出期望的末端运动速度信号至控 制器，由控制器接收信号并根据及时检测到的臂架当前姿态智能规划每节臂架 泊缸的动作参数，从而控制各臂节的展开与收缩运动，使臂架末端沿着规划好 的路径运动。 混凝土泵车的自动浇筑有很多种实现方式，其中一种方法为代数法，由于 混凝土泵车的臂架系统是一组多冗余度机构，其运动学逆解在理论上有无穷多 组。代数法的核心思想就是根据期望的末端运动信号，在逆运动学的求解中人 为地选择能实现期望的末端运动的两节臂，固定其余冗余臂，在每个规划步长 内只控制转台及选定的两节臂的运动，这样子就相当于将一个冗余度机构简化 成了一个非冗余度机构，使得逆解可以唯一确定。 另外一种方法是通过在转台上安装转角编码器，在臂架上安装倾角传感 器，通过控制器实时读取臂架各个角度并进行正运动学计算获得臂架的实时位 置坐标。规划末端移动路径时，如果预规划的路径为一条水平直线，则只需要 将末端移动到指定路径的起始点，控制器记录下此标记点为初始点，然后使用 遥控器将臂架末端移动到路径的终点，控制器记录下此标记点为终点，控制器 将该段路径离散化，即可得到每一个离散点的位置坐标，控制器就可以通过这 些坐标经过逆动力学结算得到每一个离散点对应的臂架姿态，从而完成一条连 续的直线浇筑。 如果选定的浇筑路径为“口“子型，则需要将臂架分别移动至起点、转折 点、终点，在控制器中分别进行标记，此时需要首先将轨迹离散化成单独的四 段直线轨迹，再将每条直线浇筑轨迹离散化，控制器就可以得到一系列的离散 点坐标再经过臂架逆动力学结算得到每一个离散点对应的臂架姿态，从而完成 浇筑。 其他复杂路径都可通过类似方法将其离散化成几段独立的路径。其中泵车 控制器的接线图如下图1.3，使用PLC编程控制。 3 万方数据 硕士学位论文 IL丁革乌 . 1 主主f一」 F苦 图1.3泵车雹能臂架控制系统原理图 近年来，智能泵车已经成为该行业内的一大研究热点，许多专家学者和国 内外的工程机械龙头企业都对其展开了相关研究，但是截止至目前，还是没有 真正成熟的产品能够应用。要能实现该功能的泵车必须实现多臂协同动作，对 多个液压泊缸同时供油时不会出现抢油现象，能有效减轻浇筑过程中的振动冲 击，减小误差，可延长泵车的使用寿命并提高泵车的浇筑精度[3]。 混凝土泵车最典型的两种浇筑工况为水平面浇筑和柱面浇筑。要控制末端 软管的移动需要通过多次调节不同的臂架，这种控制方式误差大，通常会造成 过多的混凝土浪费。另外，在一些大臂架的应用场合，遥控器操作人员与臂架 末端距离过大，造成视线障碍，这就需要再安排二个哨音。这对泵车的操作人 员提出了较高的要求，且每个人的操作效率都不一样。若能使用智能泵车的自 动浇筑功能，则能以最快、最优的方式实现布料工作，可以大大提高工作效 率，所以混凝土泵车的智能化是一个大的发展方向与趋势。 1.2国内外相关研究概况及发展趋势 混凝土泵车起源于20世纪初期的欧洲，其诞生的标志是一位德国科学家发 明出了泵送结构，但是该结构简单、效泵送率低，并没有实际的应用价值。直 到荷兰科学家库依曼制造的卧式单缸泵问世，才宣告混凝土泵车正式应用于市 场[2]。混凝土泵车的发展历史如下 1907年，德国科学家制造出泵送结构，标志着第一台混凝土泵诞生。 4 万方数据 第一章绪论 1927年，Feitz HeU研制出第一台混凝土泵车，并将其应用在工程实际上。 1930年，德国工程师发明了一种立式单缸球阀活塞，虽然其结构形式没有 发生大的改变，但由于应用了曲柄摇杆结构，提升了泵送性能。 1932年，德国科学家J.C.Kooyman发明的卧式单缸泵，通过使用连杆控制 旋转阀，从根本上解决了混凝土泵车的结构原理问题，为现代混凝土泵侧奠定 了基础3]。 第二次世界大战给欧国各国造成了巨大的经济损失，但在第二次世界大战 结束后的欧洲各国的经济开始复苏，此时大量基础设施建设的刚需彻底打开了 混凝土泵车的市场，并且推动了混凝土泵车技术的不断完善，在此期间，一批 性能更优的液压混凝土泵车被设计生产出来。 首先，以水为工作介质的液压混凝土泵被发明出来，这是现代液压混凝土 泵的雏形;Schwing公司随后以该泵为原型，设计出了第一台全液压使混凝土 泵，至此，混凝土泵的性能得到了一大步提升40 为了进一步改善混凝土泵的灵活性，在20世纪中期，第一台将混凝土泵与 汽车底盘相结合的混凝土泵车问世了，该产品大大提升了混凝土泵的机动性， 为现代泵车的发展奠定了基础。 随着现代建筑的施工越来越依赖混凝土泵车，世界上的其他国家也开始生 产混凝土泵车。其中，德国是最早研究混凝土泵车的，也在这个行业处于领先 地位，其中的德国大象也是最早研制出具有“Fol1owme“功能的智能泵车的公 司。亚洲比较知名的泵车生产公司为韩国的现代公司以及日本的川岛播磨公司 。 l gJ I 我国混凝土泵车的发展落后于西方发达国家，由于缺乏泵车的核心技术， 最早均是直接进口，到后来开始进口泵车散件再在国内进行组装形成产品。 随着改革开放政策的执行，生产力得到大幅度提高，越来越多的基础设施 需要被建设，混凝土泵车在中国市场的潜力被彻底解放出来，此时国内越来越 多的工程机械厂商开始转变生产方式，由之前的纯进口组装到逐渐实现自主设 计生产制造。目前，国内的混凝土泵车制造商在世界范围内的影响力越来越 大，国产泵车也开始进军欧美市场。l。 近年来，以三一重工、中联重科、徐工集团为代表的三家国产泵车生产公 5 万方数据 硕士学位论文 司都得到了快速发展，其生产的臂架长度一次次刷新了世界纪录。在20世纪 90年代中期以前，中国的建筑市场一直被德国的大象公司所占领，随着国内泵 车企业的快速发展，德国大象在中国建筑市场的占有率越来越低，直至其与三 一重工合并，使得三一成为了世界上混凝土泵车生产制造厂的顶端。 随着混凝土泵车被越来越多地应用于建筑施工中，人们开始对混凝土泵车 提出了更高的要求。良性的竞争使得国内的各个泵车生产厂家都致力于提升质 量、积极创新，促进了国内混凝土泵车行业的快速发展。 1自主生产汽车底盘。虽然国内的混凝土泵车技术在世界上处于领先地 位，但国产泵车的底盘大部采用的是日本的五十铃以及日野品牌。采用进口底盘 加重了泵车的生产成本，降低了利润，不利于应对竞争激烈的泵车市场，因此， 要想在市场上具有一定竞争力，就必须降低成本，而降低成本最好的方法就是自 主研发生产汽车底盘，可以根据客户的不同需要设计生产不同的底盘，在国际市 场上形成自己的核心竞争力。直至2012年，徐工集团研制出的第一批混凝土泵 车专用底盘正式上市，该泵车底盘搭载了420匹马力的发动机，匹配10速变速 箱，在此底盘上应用了多项自主研发的智能技术，极大程度地提高了国产泵车的 生产水平。 2提升泵送系统。早期因为混凝土泵车尺寸较小，其液压油缸缸径及活 塞杆径也小。随着臂架尺寸越来越大，液压油缸的缸径以及杆径也越拉越大，使 得泵送的排量也越来越大，泵送压力越来越高，最大的泵送压力目前已经可以到 达22MPA，并且还将继续提高。 3改善液压装置。目前在混凝土泵车上应用的大都是液压控制，因此混 凝土泵车的性能好坏从根本上取决于其液压系统的先进程度，液压系统分为开式 液压系统与闭式液压系统。两种不同的系统各有优缺点，开式系统结构简单，维 护方便，但是受环境影响大，易受污染，并且运动不平稳;闭式系统管路较紧凑， 采用液压泵的形式使得换向更加平稳，但是维修不便。在这两种液压系统的基础 上通过计算机加以控制的全液压系统也被越来越多地应用。 4改进电控系统。混凝土泵车的电控系统集成控制了整车的臂架系统、 泵送系统以及辅助系统，随着泵车的不断发展，泵车的电控系统也在不断完善，目 前，大多的泵车企业均采用PLC控制的方式封装在电控柜。电控柜上均会安装 6 万方数据 第一章绪论 显示屏，可以将泵车的工作状态信息如各臂架倾角与臂架电流实时反馈显示，同 时也可以在显示屏的信息进行清零与其他参数的设置，采用显示屏的方式有利于 工作人员实时监控泵车的工作状态，特别地，当泵车的某个子系统出现问题时不 能正常工作时，会出现报警提示，便于及时解决故障。 5升级臂架系统。以前泵车以四、五节臂为主，总长度在32米至43米 之间，现在泵车臂架逐渐开发出六节臂、七节臂，长度也超过了50米，目前泵 车市场的需求也逐渐向长臂架方向发展。中联重科生产的101米泵车是世界上臂 架长度最长的泵车臂架，长臂架泵车在工作时不可避免地产生更大的冲击与振动， 会导致泵车工作的剧烈抖动，因此大臂架的推广生产对臂架的平稳性控制技术提 出了更高的要求。与此同时，臂架的自动化也是一个发展趋势，目前各个企业与 高校均开始研究泵车臂架的自动化，此项技术将是泵车发展史上的一个新纪元， 将大大提高布料浇筑效率问。 混凝土泵车具有许多独特的优势，从而得到了广泛地应用，例如它能适应 各种不同施工环境与不同工况，作业面积广，浇筑效率高[7]。混凝土泵车大体 由一下几个部分组成泵车专用汽车底盘系统、臂架系统、泵送系统、液压系 统、电控系统以及辅助系统[8]。泵送系统通过安装在臂架系统上的管道进行泵 送，通过调节臂架的姿态，即可改变浇筑位置范围。由于泵车是一组大型空间 冗余度机构，对其进行智能化将涉及到多学科知识的融合，因此具有较大的难 度。 在国内对泵车智能臂架控制研究的方面，已经得到了一定的进展。吴智勇 博士提出了一种有效的臂架轨迹规划方案，即基于梯度投影的遗传算法[9.10。该 种方法是借用了机械臂的理论，并使用仿真软件进行了相关的仿真分析，对泵 车臂架运动控制过程的角度变化进行优化，使之路径最短、耗能少。黄大伟对 臂架在运动过程中的稳定性进行了研究，在臂架进行布料时，使其重心在小范 围内移动的最优规划方法[11，12]。即通过多种仿真软件，对泵车臂架末端在沿着 指定浇注路径的过程进行联合仿真优化，对泵车臂架稳定性的控制作出了贡 献。夏继军为精确地控制臂架运动轨迹，借用专家库对臂架在运动过程中发生 变形进行补偿13]0其基本原理就是根据泵车臂架在实际应用过程中产生的变形 量，用仿真软件进行优化。通过利用多种算法，邱艳峰对臂架运动轨迹进行控 7 万方数据 硕士学位论文 制[14]。为实现泵车的自动布料，利用多种理论及电液比例控制系统进行控制。 唐修俊实现了臂架的智能控制功能[15]。基于应用计算机的仿真平台，将臂架的 运动过程进行虚拟现实，并开发了相关的应用。朱云峰提出一种快速简便的泵 车控制系统算法[16]。戴丽对臂架系统的各项动力学特征进行了准确地描述[17]。 为了得到臂架系统的数学模型，运用动力学方程进行推导，并求得控制臂架各 关节运动的驱动力矩，能够保证臂架沿着期望轨迹运动。杜冰晖为解决臂架运 动过程中合理的运动姿态，采用机械式的设计方法来进行优化[18]。沈明星借用 了合理的硬件设备，比如控制器和显示屏，达到对臂架运动的控制及显示[1月。 郭立新对泵车布料国内过程中的臂架各关节角优化控制，对臂架问题的运动分 析作了相应的研究POlo黄里运用带有反馈的控制策略，优化了臂架的控制系统 [21]。其原理为对泵车臂架末端点的位置进行推导，并借用传感器对液压缸的伸 出量进行实时监测反馈。张思奇减小了臂架系统在运动过程中的冲击力，到达 对臂架结构保护的目的[2210运用动力学分析方法对泵车臂架联合仿真优化，能 使其合理地轨迹运动。周淑文为使泵车臂架的出料口能沿着给定的浇注路径进 行运动，基于插补算法对臂架智能化的控制[23品]。并运用相关的硬件设备，编 写相应的控制程序，很好地实现了上述要求。王珊为实现泵车臂架的自动打开 和收回功能，为臂架的运动轨迹进行合理地控制问。将臂架的活动范围进行划 分，并分别利用分层法和旋转角度法对其规划控制。赵若楠研究了臂架系统的 动