TH4518伸縮臂叉裝車電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：根據(jù)TH4518伸縮臂叉裝車的控制需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)方案，并對控制系統(tǒng)的硬件及軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)證表明，該控制系統(tǒng)可滿足控制需求，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，對同類型的工程車輛電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考意義。

關(guān)鍵詞：伸縮臂叉裝車；CAN總線；運(yùn)動控制器

中圖分類號：U462" 收稿日期：2023-12-12

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.03.016

1 前言

伸縮臂叉裝車是一種多功能物料搬運(yùn)設(shè)備，配合屬具更換，可以完成建筑物料搬運(yùn)、農(nóng)牧草料堆垛、電力行業(yè)檢修等功能。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，伸縮臂叉裝車近年來正逐步被人所熟知，正在開拓越來越多的應(yīng)用場景。終端客戶對其運(yùn)行的穩(wěn)定性和操作精確性提出越來越高的要求：在液壓方面，多使用基于CAN總線的多路閥精確控制閥門開度；在電氣方面，多使用運(yùn)動控制器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)。

2 電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與硬件組成

TH4518是一種額定載重量4.5 t、最大舉升高度18 m的固定式伸縮臂叉裝車［1］。該機(jī)型使用74 kW柴油發(fā)動機(jī)，是一種機(jī)械液壓電氣一體化的系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)主要包括發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、底盤與行走系統(tǒng)、臂架系統(tǒng)、司機(jī)室等。液壓系統(tǒng)包含液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓油缸，液壓閥門等。機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)是被控對象，電控系統(tǒng)包括對機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的控制，同時能夠?qū)囕v的異常情況進(jìn)行監(jiān)控和顯示，及時提醒操作人員避免發(fā)生危險。

根據(jù)叉裝車的整車功能，該車電控系統(tǒng)包括車輛的行走、轉(zhuǎn)向、制動等基本功能，臂架的伸縮、變幅等動作控制，對發(fā)動機(jī)的控制及異常狀況檢測，對超出額定載重的限制，對故障進(jìn)行報警等。根據(jù)上述的控制需求，所設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)框圖如圖1所示，其中主要組成如下：

a.電源。選用12 V-110 A·h鉛酸電池，和發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的14 V發(fā)電機(jī)相匹配。

b.控制器。控制器是電氣系統(tǒng)的核心部件，本次控制系統(tǒng)選用力士樂公司的RC28-14/30控制器，該型號控制器專為移動設(shè)備而開發(fā)，滿足了環(huán)境溫度、水和塵土侵入、沖擊和振動以及電磁兼容等方面的防護(hù)要求，已經(jīng)在多種工程機(jī)械得到應(yīng)用，性能強(qiáng)大，可靠性高，并擁有高達(dá)75個輸入通道，28個比例輸出，和14個開關(guān)輸出通道，以及4路CAN通信通道。該控制器使用IEC61131-3編程語言，使用BODAS-design編程軟件，可以靈活、方便地開發(fā)出全面而復(fù)雜的應(yīng)用程序。

c.檢測裝置。檢測裝置包括各油缸的壓力傳感器、臂架長度角度傳感器、底盤水平傾角傳感器、發(fā)動機(jī)水溫傳感器、發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力傳感器、發(fā)動機(jī)預(yù)熱傳感器，以及各種接近開關(guān)、行程開關(guān)等。其中，長度角度傳感器涉及操作的安全性和操作穩(wěn)定性，采用基于CAN總線的雙通道冗余型傳感器。

d.照明指示與附屬裝置。該裝置包括駕駛室前照燈、駕駛室尾照燈、示寬燈、霧燈、臂架照明燈、轉(zhuǎn)向指示燈、駐車指示燈。附屬裝置包括喇叭以及前后窗雨刮等。

e.顯示與報警裝置。該裝置包括7寸觸摸顯示屏，以及用于危險提示的旋轉(zhuǎn)報警指示燈。此處用顯示屏代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀表盤和力矩顯示裝置，既提高了顯示信息的集中化程度，方便信息顯示和查詢，又提高了司機(jī)室的美觀性。

f.操作裝置。該裝置包括操作手柄和按鍵面板，油門踏板、剎車踏板、方向盤等。

在上述電控系統(tǒng)中，電源負(fù)責(zé)給整個電控系統(tǒng)供電。手柄和按鍵面板是信號產(chǎn)生裝置，都通過CAN總線和主控制器通信。各種傳感器通過電流或電壓信號與主控制器相連接。所有動作皆由主控制器控制，各種信息通過計(jì)算和邏輯判斷后，輸出給發(fā)動機(jī)系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)。遇到異常情況或動作有危險時，通過聲光報警裝置發(fā)出報警信號，文字提示信息會通過顯示屏顯示。當(dāng)叉裝車工作時，當(dāng)前額定載荷和實(shí)際載荷，會通過顯示屏顯示。

3 載荷圖應(yīng)用與穩(wěn)定性控制

叉裝車在不同的臂架長度和角度時，其額定負(fù)載是不一樣的，經(jīng)過計(jì)算的額定負(fù)載分布，如圖2、圖3所示。其中臂架伸出長度信息由長度傳感器獲得，角度信息由角度傳感器獲得［2］。在圖2、圖3中，橫坐標(biāo)為重物中心和叉裝車輪胎前邊沿之間的水平投影距離，稱之為前伸距。縱坐標(biāo)為重物中心和水平地面之間的高度，稱之為負(fù)載高度。

根據(jù)載荷圖，可以觀察到叉裝車的作業(yè)方范圍是一個扇形區(qū)域，不同的前伸距和不同的載荷高度，對應(yīng)不同額定載荷。為了保證不超載，首先要根據(jù)長度和角度計(jì)算出前伸距和載荷高度，再根據(jù)表格查詢當(dāng)前位置所能承載的額定載荷，再對比額定載荷和實(shí)際載荷之間的大小關(guān)系。如果實(shí)際載荷小于額定載荷，那么可以做變幅向上、變幅向下、伸出、縮回等動作。如果實(shí)際載荷大于額定載荷，那么只能做臂架縮回動作，也就是只能往額定負(fù)載變大的方向走，這樣才能避免重心失穩(wěn)造成車輛傾翻。

為了保證移動重物時的穩(wěn)定性，當(dāng)重物質(zhì)量超過額定載荷的70%時，臂架運(yùn)動速度會降低到最大速度的70%，此時可以保持整車穩(wěn)定性。為了提前提醒操作人員防止超載，當(dāng)叉裝車叉起的重物超過額定載荷的90%時，此時顯示屏?xí)崾疚淖志拘畔ⅲ暪鈭缶療魰l(fā)出報警信息。報警信息提示操作人員此時已經(jīng)接近額定負(fù)載，需要謹(jǐn)慎操作以防止傾翻。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)叉裝車的操作特點(diǎn)和使用需求，設(shè)計(jì)了基于Codesys語言的控制程序，該電控程序有5個子程序組成，分別為行走控制子程序、臂架運(yùn)動子程序、底盤調(diào)平及支腿控制子程序、照明及附屬裝置控制子程序、報警處理子程序［3］。其程序流程如圖4所示。

在程序執(zhí)行過程中，各類操作指令皆由操作裝置發(fā)出控制信號，信號傳送給控制器，控制器根據(jù)程序進(jìn)行處理后輸出相應(yīng)的動作指令，再控制整車運(yùn)動或輸出相應(yīng)的信號。

程序執(zhí)行過程是：程序執(zhí)行開始先檢查線路是否有錯誤報警，包括急停按鈕是否按下等，如果沒有錯誤則進(jìn)入各子程序，如果有錯誤則進(jìn)入報警處理子程序。如果檢測到急停按鈕按下，則發(fā)動機(jī)工作會立即停止。

行走控制子程序的執(zhí)行過程是：如果滿足以下條件則車子會向前行走：

a.發(fā)動機(jī)處于啟動狀態(tài)；b.變速箱檔位處于非空檔狀態(tài)；c.前進(jìn)后退按鈕處于前進(jìn)狀態(tài)；d.駐車制動處于非駐車狀態(tài)；e.剎車踏板沒有被踩下；f.油門踏板被踩下且發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于900 r/min（900 r/min為發(fā)動機(jī)怠速）；g.臂架角度不超過50°。如果需要向后行走，則只需要改變第③項(xiàng)條件即可。

臂架運(yùn)動子程序的執(zhí)行過程是：如果滿足以下條件則整車可以做臂架變幅上升運(yùn)動：

a.發(fā)動機(jī)處于啟動狀態(tài)；b.底盤水平傾角在XY軸方向都不超過2度的傾角；c.整車處于停止?fàn)顟B(tài)即行走速度為零；d.推動操作手柄指向臂架變幅上升方向；e.當(dāng)前實(shí)際載荷不大于額定載荷。當(dāng)需要操作其他動作時，只需要改變第④項(xiàng)條件即可。

底盤調(diào)平及支腿控制子程序的過程是：如果滿足以下條件則可以操作底盤調(diào)平動作或支腿收放動作：

a.發(fā)動機(jī)處于啟動狀態(tài)；b.整車處于停止?fàn)顟B(tài)；c.臂架角度不大于20°。滿足前面三個條件時，按下按鍵面板的底盤左右傾斜按鈕，就可以調(diào)節(jié)底盤左右角度。如果滿足前述條件時，按下支腿收放按鈕，則可以控制支腿的收放動作。

照明及附屬裝置控制子程序的過程是：撥動方向盤上面的轉(zhuǎn)向燈或雨刮手柄，則會打開相應(yīng)的轉(zhuǎn)向燈或啟動雨刮工作。按下喇叭按鈕會觸動喇叭發(fā)出響聲，按下按鍵面板上的駕駛室照明燈，或臂架照明燈，則會打開相應(yīng)的燈光。

5 結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的叉裝車電控系統(tǒng)，包含主控制器及信號輸入輸出裝置，包括對整車行走的控制，臂架動作的控制，底盤調(diào)平及支腿的控制，照明及附屬裝置的控制。采用了力士樂高性能運(yùn)動控制器，具有可靠性高、性能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，對同類型產(chǎn)品的電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作具有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

陳磊，男，1986年生，工程師，研究方向?yàn)殡娍叵到y(tǒng)。