銑刨機支腿運動軌跡智能化學習系統設計

吳海濤

摘要：

本技術方案采用液壓油缸內置的磁性伸縮位移傳感器，運用運動控制技術相關理論，通過搭建適用的硬件和軟件平臺，將人為操作的三個油缸的運動關系及軌跡記憶，達到機器的自主學習及尋跡運動功能。

關鍵詞：工程機械;機器學習;智能化;運動控制;

1、引言：

目前，路面銑刨機作為公路與城市道路養護作業的專用機械設備，已被廣泛應用于公路、機場、碼頭、停車場等瀝青混凝土面層的開挖翻修及路面病害的清除等。如圖一所示，通常情況下右后支腿處于車身外側，即位置1，但因為路牙石等障礙物的存在，又需要將右后的支腿擺動至車身內側位置，即位置3，以實現貼著路牙石進行銑刨作業的目的，還有一些更特殊的工況可能會用到位置1和位置3的中間位置，即位置2.市場上現有銑刨機的支腿擺動控制系統多采用普通銷軸固定連接支腿與車架，手動拔出銷軸后靠人力擺動支腿換向，同時用手動換向球閥切換馬達的油液流向，這種方式費時費力，且若忘記切換手動換向球閥，會導致行走異常，對馬達、減速機、輪胎或履帶等造成損害。本文闡述一種支腿自動擺動并定位至需求位置的控制系統，設置為學習模式后，人工擺動一次支腿的擺進擺出運動過程，機器便可記憶學習該次軌跡，此后在自動模式下即可依據此軌跡一鍵進行擺動及定位。

2、系統組成

如圖1所示，銑刨機支腿智能化運動軌跡學習系統是一個電液控制系統，主要涉及的組件包括3個不同位置的定位操作開關、控制器、顯示器、右后支腿擺動油缸、右后支腿擺動油缸位移傳感器、右后支腿擺動電比例換向電磁閥、右后履帶轉向油缸、右后履帶轉向電比例換向電磁閥，右后履帶轉向油缸位移傳感器，插銷缸電磁換向閥、插銷油缸、插銷油缸位置接近開關等組成。該系統包括三種模式，即全自動模式，學習模式、全手動模式，三種模式可在顯示器上進行切換選擇，其中全自動模式是機器常規使用操作模式，學習模式為調試專用模式，全手動模式為備選模式，旨在當傳感器或者線路等故障自動模式失效時應急所需。

3、硬件方案設計

如圖二所示，三個定位操作開關和一個轉向操作開關，分別為擺進位置定位開關S1、擺中位置定位開關S2、擺出位置定位開關S3和后右履帶轉向開關S4。S1與S3分別接入PLC的DI_1和DI_2開關量輸入針腳，S2通過兩個防反向的二極管V0、V1同時接入DI_1和DI_2腳，S4開關左向和右向操作觸點信號分別接入PLC的DO_4、DO_5。當按下S1即僅DI_1有信號輸入時，在全自動模式下代表擺進位置請求信號，同時在學習模式或者全手動模式下為擺進動作請求信號;當按下S3即僅DI_2有信號輸入時，在全自動模式下代表擺出位置請求信號，同時在學習模式或者全手動模式下為擺出動作請求信號;當按下S2即DI_1和DI_2同時有信號輸入時，代表擺中位置請求，同時在全手動模式下為插銷油缸插入請求信號。S4左向操作代表后右履帶左轉請求信號，右向操作代表右轉請求信號。

兩個標準電流型的位置傳感器分別內置于右后支腿擺動油缸和右后履帶轉向油缸，將兩個油缸的伸縮位置轉換成電流信號接入PLC的AI_1和AI_2模擬量輸入針腳，該電流型信號的設計范圍值為4000-20000μA，因此該信號可進行油缸位置的精確定位。在行車轉向過程中為防止支腿因轉向力的影響而偏離定位位置，在支腿擺動臂與車架子之間設計一個插銷孔，控制插銷油缸伸縮的電磁換向閥接入PLC的DO_1針腳，該輸出控制針腳可只能判斷銷軸的插入和拔出。

右后支腿的擺動通過PWM_1和PWM_2兩個脈沖調制信號接入擺進和擺出兩個方向的控制比例電磁閥上，借此控制支腿的擺動方向、速度和啟停，同樣的道理通過PWM_3和PWM_4控制右后履帶的左右轉向、轉向速度和啟停。

PLC與顯示器DISPLAY之間通過CAN總線進行通訊連接，顯示器可實現系統三種操作模式的切換選擇，并可以對三個定位位置進行標定，將位置信號寫入PLC。

4、控制方案設計

出于安全及系統可實施性的考慮，PLC在檢測到車輛處于靜止狀態，銑刨鼓撐住地面，右后支腿懸空狀態且插銷缸處于拔出狀態等使能條件時方可進行右后支腿擺進擺出的各種模式操作。

手動模式：該模式主要應用于油缸位移傳感器出現線路或者器件故障時候，無法進行自動擺動及定位時，應急操作使用。當處于該模式時候，在滿足使能條件情況下，按下S1開關，插銷油缸自動拔出并通過位置接近開關檢測無誤后，支腿將往內側擺動，松開即停止擺動，當車架與支腿擺動支架的插銷定位孔對齊后，按住S2開關，則插銷油缸插入并鎖住，按下S2開關，插銷油缸自動拔出并通過位置接近開關檢測無誤后，支腿將往外側擺動，松開即停止擺動，當車架與支腿擺動支架的插銷定位孔對齊后，按住S2開關，則插銷油缸插入并鎖住。擺動過程中為避免結構件與履帶的干涉，可通過操作S4開關左轉動和右轉動履帶避障。通常支腿擺動電磁閥驅動電流較小且變化速率較快以保證支腿位置在手動狀態下的快速準確的定位。

學習模式：該模式主要應用于廠內下線調試及在市場上更換部分備件之后需要重新調試時使用。當處于該模式時，首先通過顯示器將右后支腿擺動油缸的P1、P2、P3三個位置信號寫入PLC，PLC將在P1至P2之間、P2至P3之間分別平均截取20個點，即40個位置點X[40]。當按下S1開關時，學習軌跡方向標記為進向，插銷油缸自動拔出并通過位置接近開關檢測無誤后，支腿將往內擺動，支腿擺動油缸信號將在P1到P2到P3之間變化，擺進過程中，右后履帶會根據需要左轉右轉規避結構干涉物。PLC將對40個點X[40]對應的右后履帶轉向油缸位置信號Y[40]一一存儲至PLC的FLASHROM區域并建立如表一的對應關系^[1];當按下S3開關時，學習軌跡方向標記為出向，插銷油缸自動拔出并通過位置接近開關檢測無誤后，支腿將往外擺動，支腿擺動油缸信號將在P3到P2到P1之間變化，擺進過程中，右后履帶會根據需要左轉右轉規避結構干涉物。PLC將對40個點X[40]對應的右后履帶轉向油缸位置信號Z[40]一一存儲至PLC的FLASHROM區域并建立如表一的對應關系，這兩組對應關系在控制系統的建立即完成了運動學習的過程。

自動模式：該模式為標準應用場景，設備的常規使用中以該模式為主。當任意點擊S1、S2或者S3開關后，PLC將判斷當前位置與目標位置P1、P2或者P3的位置關系，若為偏外側的位置則擺進電磁閥電流控制信號PWM_1輸出，若偏內側位置則擺出電磁閥電流控制信號PWM_2輸出，該控制信號大小取決于當前位置信號與目標位置的信號ΔP輸出，其關系符合圖三所示，當ΔP處于飽和區S_Band的值則以Imax輸出保證擺動的速度，當處于比例區P_Band時，則以Imin+（Imax-Imin）*（（ΔP-D_Band）/（P_Band-DBand））輸出，當ΔP處于死區D_Band，則不輸出，此時已經調整定位完成（其中Imin為支腿擺動電磁閥的開啟電流值，Imax為支腿擺動電磁閥的全開電流值）^[2]。而在此過程中，每當支腿油缸到達截取點位后，右后履帶轉向油缸將以學習模式下存儲記憶的與支腿擺動油缸位置對應的位置點為目標調整，若當前履帶轉向油缸位置與目標值的差值大于設定的死區，則認為需要調整履帶的轉向，否則可能發生結構件干涉，此時支腿擺動動作停止，直至履帶轉向調整到對應的目標值后方可再次開始擺動。當支腿擺動到指定位置后，插銷油缸自動插入銷軸孔，鎖住支腿。為了避免插銷不到位造成行走時支腿及履帶位置拖拽移位的現象，通過位置接近開關檢測插銷缸真正處于插入狀態后方可進行機器的行走。

5、結束語

該智能化運動軌跡學習系統的設計與實施，解決了復合性復雜運動系統手動操作的繁瑣易錯問題，同時為工廠內的下線調試提供了便捷的途徑，只需要在學習模式下經過一次手動的操作即可在后續設備使用中實現該操作過程的一鍵自動化，一勞永逸。該功能推出一年有余，在具體的施工過程中的應用總能讓人眼前一亮，給緊張枯燥的工地平添了一份樂趣，受到了客戶的一致好評。