基于Automation Studio的濕噴機(jī)機(jī)電液聯(lián)合仿真模型構(gòu)建方法

何軍，陽星，張軍，王樹民，申小軍，杜雨，李崇

(1.中交一公局集團(tuán)，陜西西安 710608； 2.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院,陜西西安 710064)

0 前言

混凝土濕噴臺車是一種用于隧道建設(shè)中的專用設(shè)備，該設(shè)備將預(yù)拌好的混凝土高速噴射到受噴面,快速凝結(jié)形成混凝土支護(hù)層，適用于中小隧道全斷面開挖以及臺階法開挖的混凝土噴射支護(hù)作業(yè)，同時也廣泛應(yīng)用于隧道、煤炭、鐵路以及水利等多個領(lǐng)域?，F(xiàn)有濕噴機(jī)均采用人工操作，高速高壓噴射的水凝混凝土產(chǎn)生大量塵埃，嚴(yán)重影響人身健康；同時濕噴機(jī)的施工質(zhì)量受人為經(jīng)驗(yàn)影響。因此，迫切需要開展?jié)駠娕_車的智能化控制研究，建立標(biāo)準(zhǔn)化施工方法，以確保施工質(zhì)量、提高施工效率及安全性。

為實(shí)現(xiàn)隧道施工的機(jī)械化，已有大量研究集中于改善濕噴機(jī)的性能。楊波和王順提出在主油缸活塞端增加感應(yīng)套，根據(jù)感應(yīng)套位移控制泵的排量來降低液壓沖擊，并通過AMESim建模與仿真分析驗(yàn)證了這種主動控制方法的可行性，為泵送液壓系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。胡仕成等利用Gambit軟件對濕噴機(jī)噴嘴內(nèi)流體進(jìn)行三維建模,對濕噴機(jī)噴嘴流場進(jìn)行仿真分析,通過混凝土噴射試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真計算的正確性與合理性，為噴嘴結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化提供依據(jù)。劉亞東等利用ADAMS分別對機(jī)械臂的剛性模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行了動力學(xué)分析,對濕噴機(jī)機(jī)械臂噴槍振動特性進(jìn)行了研究,研究結(jié)果對濕噴機(jī)機(jī)械臂的設(shè)計有積極作用，同時為機(jī)械臂末端的軌跡規(guī)劃和機(jī)械臂的疲勞分析提供了參考。楊道龍等通過Fluent軟件對影響噴射性能的因素進(jìn)行仿真分析，并進(jìn)行了井下文丘里濕噴機(jī)噴嘴位置的仿真模擬及試驗(yàn)，得到文丘里噴射器噴嘴位置是影響噴射性能的關(guān)鍵因素；通過試驗(yàn)得到符合濕噴機(jī)生產(chǎn)能力要求的噴射器距離壁面位置及流量。李魁等人以混凝土濕噴臺車臂架系統(tǒng)中的小臂系統(tǒng)為研究對象,通過ANSYS Workbench對其小臂系統(tǒng)進(jìn)行有限元分析,得出在危險工況下小臂系統(tǒng)受力情況和應(yīng)力集中區(qū)域，并根據(jù)結(jié)果給出優(yōu)化改進(jìn)方案。現(xiàn)有的研究集中在對其結(jié)構(gòu)、振動特性及噴嘴工作效果等方面進(jìn)行分析及優(yōu)化，缺少針對濕噴機(jī)智能化控制實(shí)現(xiàn)及仿真建模的研究。

蘭天安提出了智能環(huán)境感知的濕噴機(jī)控制系統(tǒng)的方法，利用環(huán)境感知傳感器獲得隧道外形狀態(tài)，從而進(jìn)行精確噴涂，然而并未針對環(huán)境感知、濕噴機(jī)機(jī)構(gòu)控制等進(jìn)行詳細(xì)分析。Automation Studio軟件可有效將機(jī)械、液壓和電氣進(jìn)行聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化控制。梁偉和崔貴生通過Automation Studio軟件建立飛機(jī)旋翼折疊系統(tǒng)液壓電氣仿真模型，實(shí)現(xiàn)了對該系統(tǒng)工作原理及運(yùn)行情況的動態(tài)展示。王松巖等通過Automation Studio軟件建立履帶牽引式換帶裝置液壓系統(tǒng)模型，以對其液壓系統(tǒng)動態(tài)特性進(jìn)行研究，驗(yàn)證該系統(tǒng)動力及安全性是否滿足需求。劉春生等建立了電液比例方向閥與電磁閥調(diào)高系統(tǒng)的控制器模型,采用MATLAB/Simulink與Automation Studio軟件聯(lián)合仿真的方法,分析其系統(tǒng)工作動態(tài)特性，為采煤滾筒調(diào)高控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。現(xiàn)有Automation Studio軟件仿真研究集中在液壓系統(tǒng)的建模分析以及優(yōu)化方面，與對象機(jī)械模型結(jié)合建立機(jī)電液一體化仿真模型的研究較少。

為實(shí)現(xiàn)濕噴機(jī)的智能化控制，本文作者以機(jī)械臂為對象，構(gòu)建機(jī)械臂的3D模型、液壓模型和控制系統(tǒng)，利用Automation Studio軟件平臺進(jìn)行機(jī)電液聯(lián)合仿真模型構(gòu)建，并進(jìn)行電氣、液壓、機(jī)械聯(lián)合仿真，為后續(xù)濕噴機(jī)的智能化設(shè)計提供參考。

1 濕噴機(jī)工作原理

1.1 濕噴機(jī)的組成

濕噴機(jī)工作時能將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能帶動活塞桿運(yùn)動,通過臂架裝置的液壓缸動作調(diào)整噴嘴方向與位置，同時將混凝土從料斗輸送至噴嘴處后噴出到指定作業(yè)位置處。

濕噴機(jī)主要組成部分包括泵送裝置、底盤及動力系統(tǒng)、臂架噴頭裝置、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等。其臂架裝置主要由支座、大臂、中臂、小臂及噴頭組成。由液壓缸伸縮來控制大臂俯仰與伸縮，中臂俯仰、小臂擺動與伸縮及噴頭的回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對臂架裝置姿態(tài)及朝向的控制。濕噴機(jī)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 濕噴機(jī)整體結(jié)構(gòu)

濕噴機(jī)液壓系統(tǒng)分為臂架回路和支腿回路。其中,臂架回路由九聯(lián)多路閥控制多個雙向液壓缸和回轉(zhuǎn)馬達(dá)組成，使它能控制機(jī)械臂完成大臂伸縮、臂架回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂伸縮、小臂俯仰、小臂擺動以及機(jī)械臂噴頭360°回轉(zhuǎn)等動作。在部分油缸上加入緩沖補(bǔ)油回路，以減少突然變向帶來的沖擊。液壓原理如圖2所示。

圖2 臂架液壓原理

1.2 濕噴機(jī)噴涂要求

以前隧道開挖時常采用爆破法開拓隧道，隨后采用混凝土濕噴機(jī)對爆破后隧道的實(shí)際壁面進(jìn)行混凝土噴灑，使爆破后不規(guī)則的隧道壁面達(dá)到預(yù)期設(shè)計要求，為后續(xù)襯砌施工提供基礎(chǔ)面?；炷羾娡砍Ｓ萌斯し椒ㄟM(jìn)行施工，如圖3所示。

圖3 濕噴機(jī)工作現(xiàn)場

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，隧道噴涂量可通過傳感器感知獲得。圖4所示為文中提出的隧道噴涂面感知和判斷方法。將3D lidar安裝在濕噴機(jī)上，可實(shí)時感知隧道實(shí)際壁面，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后處理可以與隧道設(shè)計壁面建立聯(lián)系，獲得隧道壁每處的實(shí)際噴涂料量。

圖4 智能化濕噴工作示意

2 聯(lián)合仿真模型建模方法

2.1 濕噴機(jī)機(jī)械臂液壓模型的構(gòu)建

根據(jù)濕噴機(jī)機(jī)械臂液壓原理，在Automation Studio中建立其液壓仿真模型。在臂架液壓回路仿真模型中，承擔(dān)控制功能的是九聯(lián)多路閥，但Automation Studio自帶資源庫中沒有該元件。因此，需要啟用Automation Studio的自定義功能，以完成九聯(lián)多路閥的構(gòu)建。參考九聯(lián)多路閥，將標(biāo)準(zhǔn)圖中的三位四通閥修改為三位十三通的電液比例閥，以此閥組成九聯(lián)多路閥，作為臂架液壓回路的控制元件。

由于教育版Automation Studio軟件對仿真元件的數(shù)目有所限制，在保證臂架液壓回路基本功能的前提下對它進(jìn)行簡化，將元件縮減到可以進(jìn)行熱仿真的數(shù)目。臂架需要完成的功能有：大臂伸縮、大臂俯仰、小臂伸縮、小臂俯仰、小臂擺動以及噴頭回轉(zhuǎn)和噴嘴擺動這七大動作，即在液壓回路上需要5個液壓缸以及2個回轉(zhuǎn)馬達(dá)來完成相應(yīng)的動作。作為控制元件的九聯(lián)多路閥可以替換為數(shù)個三位四通閥，以實(shí)現(xiàn)對液壓缸與液壓馬達(dá)的控制?；谝陨戏治觯瑢σ簤涸韴D進(jìn)行簡化，簡化后的液壓模型如圖5所示。

圖5 簡化后的液壓仿真模型

2.2 機(jī)械臂的3D建模

作為機(jī)電液聯(lián)合仿真中最基礎(chǔ)最重要的一部分，3D模型必須完備地建立各個組件，以保證其功能的完整性，并且應(yīng)該在各個組件之間設(shè)定合理的約束，為控制各組件的運(yùn)動提供便利。在建立3D模型之后，進(jìn)行3D組件與液壓模型的關(guān)聯(lián)，以期實(shí)現(xiàn)機(jī)液聯(lián)合運(yùn)動。完成3D仿真模型的設(shè)計并成功與液壓模型關(guān)聯(lián)對保證仿真試驗(yàn)的成功起著至關(guān)重要的作用。

本文作者采用在Creo中預(yù)先創(chuàng)建3D模型，之后將它導(dǎo)入Automation Studio的3D編輯器中進(jìn)行后續(xù)操作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的機(jī)械模型構(gòu)建。

根據(jù)濕噴機(jī)機(jī)械臂裝置的實(shí)際材料尺寸及連接方式對其零構(gòu)件進(jìn)行三維建模再組裝成裝配件。

將Creo的三維模型保存為IGES文件，并在后續(xù)的IGES文件導(dǎo)出時選“曲面”和“所有零件”，然后導(dǎo)入到Automation Studio軟件中。

在Creo中預(yù)先建立的3D模型共有209個零件，分別導(dǎo)入會極大地增加不必要的工作量。因此，以運(yùn)動的不同約束為分界，將3D模型分拆為支座、大臂俯仰油缸、大臂伸縮機(jī)構(gòu)、中臂俯仰油缸、中臂折疊油缸、折疊四桿機(jī)構(gòu)、小臂伸縮機(jī)構(gòu)、噴頭回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、噴嘴擺動機(jī)構(gòu)這九大子模型。將子模型分別導(dǎo)入到Automation Studio軟件中，并需對模型的約束條件進(jìn)行設(shè)置。先分別設(shè)定子模型內(nèi)約束，如表1所示；然后，設(shè)定各子模型之間的約束，如表2所示；完成3D模型的拆分建立。當(dāng)整體約束設(shè)置完成后，在Automation Studio軟件中呈現(xiàn)如圖6所示的3D模型。

表1 子模型內(nèi)部約束

表2 子模型之間的約束

圖6 Automation Studio軟件中的機(jī)械臂3D模型

2.3 3D模型與液壓模型的關(guān)聯(lián)

在完成3D模型自身的約束設(shè)置后，將3D模型中相應(yīng)組件的運(yùn)動與先前創(chuàng)建的液壓模型中液壓缸或閥的運(yùn)動相關(guān)聯(lián)，是仿真中至關(guān)重要的步驟。在Automation Studio軟件中，對與液壓原理圖相對應(yīng)的三維零部件的“組件屬性”進(jìn)行設(shè)置，使它與相對應(yīng)的液壓元器件相關(guān)聯(lián)。

在完成基礎(chǔ)的液壓仿真原理圖和3D模型建立之后，為保證仿真的真實(shí)性，需要參照實(shí)際對各液壓元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，以使仿真結(jié)果更加真實(shí)有效。具體參數(shù)如表3所示。

表3 液壓元件參數(shù)設(shè)置

2.4 電控系統(tǒng)模型

為控制臂架完成各種動作，需要電氣控制元件控制各液壓缸和液壓馬達(dá)，即控制液壓系統(tǒng)中的換向閥。在已構(gòu)建的臂架液壓模型中，有7個控制液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三位四通換向閥，因此控制系統(tǒng)的任務(wù)就是對7個三位四通換向閥進(jìn)行控制。在Automation Studio中JIC標(biāo)準(zhǔn)電氣控制元件庫選擇元件，構(gòu)建電氣控制回路仿真模型。電氣原理圖以大臂俯仰部分為例，如圖7所示。

圖7 部分電氣原理

3 濕噴機(jī)臂架聯(lián)合仿真試驗(yàn)

3.1 機(jī)液聯(lián)合仿真功能試驗(yàn)

在完成臂架的液壓回路建模和臂架3D模型導(dǎo)入，并將兩者相關(guān)聯(lián)后，為檢驗(yàn)液壓仿真模型、臂架3D模型兩者的關(guān)聯(lián)是否能達(dá)到預(yù)期效果，進(jìn)行臂架的機(jī)液聯(lián)合仿真動作。

在已建立的液壓模型中，液壓缸和馬達(dá)的動作由三位四通電液比例換向閥控制，此試驗(yàn)中設(shè)置7個操縱桿來控制7個電液比例換向閥，以完成臂架的機(jī)液聯(lián)合仿真功能驗(yàn)證。試驗(yàn)操作界面如圖8所示。

圖8 機(jī)液聯(lián)合仿真試驗(yàn)操作界面

試驗(yàn)過程中，通過依次控制各油缸對應(yīng)的液壓元件，實(shí)現(xiàn)模擬機(jī)械臂在正常工作中的伸出動作過程。通過觀察電液比例換向閥以及相應(yīng)3D模型的聯(lián)動，驗(yàn)證液壓控制效果及模型動作的正確性。機(jī)械臂動作如圖9所示。

圖9 機(jī)液聯(lián)合仿真模型動作過程

3.2 機(jī)電液聯(lián)合仿真試驗(yàn)

在完成電氣控制原理圖的繪制以及導(dǎo)入后，進(jìn)行機(jī)電液聯(lián)合仿真。為方便驗(yàn)證機(jī)電液聯(lián)合仿真模型的功能，設(shè)計簡單的人機(jī)界面，將電氣原理圖中的常開開關(guān)和常閉開關(guān)與人機(jī)界面按鈕相關(guān)聯(lián)。

通過操縱人機(jī)界面，觀察機(jī)電液聯(lián)合仿真模型是否有相應(yīng)動作，從而驗(yàn)證機(jī)電液聯(lián)合仿真模型的真實(shí)性。

操作人機(jī)界面，按照正常工作情況使機(jī)械臂完全伸出，依次執(zhí)行大臂揚(yáng)起并伸出、小臂擺動、小臂伸出及噴頭回轉(zhuǎn)等動作，機(jī)電液聯(lián)合仿真動作如圖10所示。

圖10 機(jī)電液聯(lián)合仿真模型動作過程圖

4 結(jié)論

(1)在Creo中構(gòu)建了濕噴機(jī)臂架模型，通過模型簡化與設(shè)置各部件模型約束，采用IGES模型文件在Automation Studio軟件中建立了臂架的3D模型；

(2)利用Automation Studio軟件的液壓和控制功能，構(gòu)建了濕噴機(jī)的液壓模型與控制模型，并分別進(jìn)行了機(jī)液仿真、機(jī)電液聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)了濕噴臺車既定軌跡的功能控制；

(3)提出了濕噴機(jī)的智能化噴涂控制方法，并采用Automation Studio軟件構(gòu)建了濕噴機(jī)臂架的機(jī)電液聯(lián)合仿真模型，驗(yàn)證了濕噴臺車智能控制方法的正確性。后續(xù)將研究如何與3D lidar結(jié)合，實(shí)現(xiàn)隧道施工面的環(huán)境感知與濕噴機(jī)的軌跡智能控制，提升隧道施工的施工質(zhì)量。