一種智能公路養(yǎng)護車和控制系統(tǒng)的設計

謝英俊　權(quán)少帥　王玉龍　王寧　李冕　王濤

【摘 要】針對現(xiàn)有公路養(yǎng)護車在自動化程度不高、設備集成度低和施工效率差等問題，本文提出設計一種自動化程度較高的智能公路養(yǎng)護車，通過設計一種養(yǎng)護車機械手，在機械手末端設計集成切割、銑刨和灌縫等功能的可轉(zhuǎn)位養(yǎng)護機具，切割和銑刨等功能采用同一個動力源，通過機械手可以操作末端連接的可轉(zhuǎn)位養(yǎng)護機具，利用PLC控制器整個養(yǎng)護過程控制。

【關鍵詞】公路養(yǎng)護車;功能原理;機械手

中圖分類號： U418.4+3文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）17-0178-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.084

Design of Intelligent Highway Maintenance Vehicle and Control System

XIE Ying-jun QUAN Shao-shuai WANG Yu-long WANG Ning LI Mian WANG Tao

（Institute of Mechanical Engineering ， Baoji Shaanxi 721016， China）

【Abstract】Aiming at the problems of low automation， low integration of equipment and poor construction efficiency of existing highway maintenance vehicles， this paper proposes to design an intelligent highway maintenance vehicle with high automation. Through designing a maintenance vehicle manipulator， an indexable maintenance machine integrating cutting， milling and seam filling functions is designed at the end of the manipulator. The cutting and milling functions use the same power source. The indexable maintenance machine connected at the end can be operated by the manipulator， and the whole maintenance process is controlled by PLC controller.

【Key words】Road maintenance vehicle; Functional principle; Manipulator

0 前言

2013年國務院批準了《國家公路網(wǎng)規(guī)劃（2013年―2030年）》，到2018年，我國公路總里程達到477.35萬公里，是1984年末的5.2倍，里程規(guī)模居世界第一，其中，高速公路里程13.65萬公里，依然位居世界第一位，比美國的高速公路里程多近3萬公里。隨著這些已經(jīng)修筑公路通車年限的增加，大批量公路即將進入養(yǎng)護階段，據(jù)有關數(shù)字統(tǒng)計，我國每年有12%的公路需要翻修和養(yǎng)護，舊瀝青廢棄量高達每年240萬噸之巨，而且這個數(shù)字以每年15%的速度增長。為了減少養(yǎng)護過程中的環(huán)境污染，2018年交通部和省交通廳印發(fā)《關于進一步加強公路養(yǎng)護工程項目環(huán)境保護工作的通知》陜交函〔2018〕1102號，通知明確要求采用機械化設備提高養(yǎng)護效率，養(yǎng)護過程嚴格按照“綠色、循環(huán)、低碳”的原則，在此背景下，開發(fā)一種可視化可轉(zhuǎn)位多功能公路養(yǎng)護車機器人，能適應我國養(yǎng)護需求，同時，對降低工人勞動強度、改善作業(yè)條件、減少環(huán)境污染都具有一定實際意義。

1 公路養(yǎng)護車控制系統(tǒng)總體設計

圖1為所設計公路養(yǎng)護車總體功能示意圖。廢料粉碎回收裝置是由“廢料收集斗”“廢料輸送帶”和“上料裝置”和“廢料粉碎桶”四部分組成。切割和銑刨產(chǎn)生的廢料通過“水平廢料輸送帶”和“上料裝置”送給“粉碎裝置”，在“粉碎裝置”中進行粉碎，粉碎之后的廢料進入圖中的“混合料加熱攪拌系統(tǒng)”，在“混合料加熱攪拌系統(tǒng)”中加入瀝青、加熱、充分拌合，重新利用。當需要養(yǎng)護坑槽時，圖中的機械手帶動可轉(zhuǎn)位養(yǎng)護設備旋轉(zhuǎn)，使切割刀片與地面垂直，切割刀片沿著坑槽切出銑刨范圍，然后PLC控制器控制可轉(zhuǎn)位養(yǎng)護設備旋轉(zhuǎn)，使銑刨工作面與地面平行，沿著切割的區(qū)域銑刨出坑槽，PLC控制器再次控制可轉(zhuǎn)位養(yǎng)護設備旋轉(zhuǎn)，通過吹風和灌縫功能，清理坑槽并向坑槽表面噴灑瀝青，通過“車尾混合料出料槽”將拌合好的混合料輸送到坑槽，利用“車尾壓實滾輪”對填入的混合料來回壓實即可[1-3]。

當需要養(yǎng)護裂縫時，圖1中的機械手帶動可轉(zhuǎn)位養(yǎng)護設備旋轉(zhuǎn)，使吹風工作面與地面平行，啟動高壓空氣清理裂縫雜物，然后通過可轉(zhuǎn)位養(yǎng)護設備上的灌縫工作面，灌縫即可。對于寬度較大的裂縫，通過可轉(zhuǎn)位養(yǎng)護設備上的切割工作面，擴縫后再灌縫，達到最好的養(yǎng)護效果。

1.車頭駕駛倉 2.攪拌裝置 3.上料裝置 4.粉碎裝置 5.瀝青加熱箱 6.轉(zhuǎn)臺 7.操作室 8.一節(jié)機械臂 9.二節(jié)臂液壓缸 10.二節(jié)機械臂 11.三節(jié)臂液壓缸 12.三節(jié)機械臂 13.切割工作面 14.銑刨工作面 15.灌縫工作面 16.可轉(zhuǎn)位集成養(yǎng)護機具17.一節(jié)臂液壓缸 ?18.廢料收集斗 19.車尾混合料出料槽 20.壓實裝置 21.混合料輸送帶 22.車架 23.公路 24.空氣升溫加壓裝置 25.發(fā)電機 26.儲料箱 27.廢料輸送帶28.常溫瀝青箱 29.回轉(zhuǎn)箱體 30.固定箱體 31.電機 32.混合料送料槽進料斗

此外，在圖中“可轉(zhuǎn)位養(yǎng)護設備”的每個工作面上，都設有圖像傳感器和位置傳感器等監(jiān)測元件，通過圖中的“顯示器”、“PLC工業(yè)控制器”和“操縱鍵盤”，可以對當前養(yǎng)護區(qū)域的工作情況，進行現(xiàn)場監(jiān)測和現(xiàn)場控制，顯示器可以對關鍵參數(shù)和信息進行顯示。圖中附屬功能和設備主要包括發(fā)電機組和照明等。最終得到養(yǎng)護車總體布局簡圖2所示。

2 公路養(yǎng)護車控制系統(tǒng)設計

圖3為控制系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖，本文設計的公路養(yǎng)護車要求實現(xiàn)自動養(yǎng)護功能，故被控信號較多，硬件方面采用專門為工程機械設計的EPEC3G+CAN模塊，其中EPEC2023控制器和EPEC2025顯示器都是芬蘭EPECOY公司開發(fā)的第三代CAN控制系統(tǒng)模塊，能夠長期正常工作在惡劣的環(huán)境下，保證作業(yè)的安全性和可靠性。受EPEC2023控制器I/O端口數(shù)量限制，因此項目在CAN總線上擴展I/O端口以滿足控制系統(tǒng)需要，具體是采用三個電壓輸出型E1044 I/O端口擴展卡。EPEC2023控制器的基本工作原理與普通的可編程PLC控制器的工作原理是相同，它還具有將比例放大器、輸入輸出模塊、可編程邏輯控制器等功能集合在一起的優(yōu)點，是工程機械的專用控制器。EPEC2025顯示器有著較高的安全可靠性，它將目前先進的總線、計算機和嵌入技術融合在一起，這也就相當于一臺微型電腦，通過CAN總線與其他的模塊進行數(shù)據(jù)的交換。CAN總線I/O擴展卡有兩種型號，分別是電壓輸出型E1044和繼電器輸出型E1044-RELAY，而本文中選用前者。擴展卡支持CAN2.0協(xié)議，通訊速率1Mbps，數(shù)據(jù)位16位，標準幀傳輸[4-6]。

3 小結(jié)

本文在可轉(zhuǎn)位養(yǎng)護機具上集成銑刨、切割、灌縫等多種功能，相比于傳統(tǒng)在養(yǎng)護車上配置小型銑刨機、切割機和灌縫機的辦法，本文設計采用一個的動力源，同時給銑刨和切割裝置提供動力的方案，不但節(jié)約了冗余動力源的成本，而且集成后設備體積更小，通過機械手對其操作更加簡易，同時施工過程中最大限度的降低了起吊養(yǎng)護設備時存在的安全隱患，施工過程更加安全快捷，施工過程自動化程度更高，也使工人遠離了惡劣的施工環(huán)境。

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