一種高空作業(yè)車工作斗的調(diào)平方法

摘 要：由于機械結(jié)構(gòu)的特性，單個機械部件的動作精度一般是很難保證的，運動過程中往往會出現(xiàn)擾動。通過對高空作業(yè)車工作斗的動力學分析，針對高空作業(yè)車領(lǐng)域的需求，下面，設計了一套基于PLC控制的工作斗的調(diào)平方法。該方法通過傳感器采集、分析部件的運動方向，沖量，彈性勢能、振動方向和幅度等參數(shù)，由程序依據(jù)分析出的參數(shù)，按預先設定的規(guī)則從邏輯上抑制系統(tǒng)擾動的產(chǎn)生。同時，用程序控制的方法，使高空作業(yè)車的各運動部件，可以按設定的運動規(guī)律自動協(xié)同作業(yè)。并且利用高空作業(yè)車各運動部件的運動慣性，互相抵消各部件間慣性和液壓的沖擊影響，使工作斗整體保持平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：工作斗調(diào)平 PLC 受迫振動 擾動抑制 運動控制

中圖分類號：TU607 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）05（a）-0074-02

近年來，隨著國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，高空作業(yè)車類產(chǎn)品的需求量在逐年增加，用戶對其性能的要求也越來越高。高空作業(yè)車的工作斗，作為載人裝置，在設備工作時，工作斗的平穩(wěn)性，越來越被用戶關(guān)注。

工作斗調(diào)平裝置有采用機械連桿機構(gòu)的，即通過齒輪和鏈條保證工作臂變幅時工作斗的聯(lián)動，以此保持工作斗的水平。機械連杠式調(diào)平機構(gòu)增加了高空車工作臂的設計難度，隨著高空作業(yè)車工作高度的增加，要設計一套隨著工作臂聯(lián)動的機械調(diào)平機構(gòu)幾乎成為了不可能。同時，因為沒有可視或可聽的安全反饋裝置，機械結(jié)構(gòu)出問題時，可能無法保證斗內(nèi)作業(yè)人員的安全。也有依賴PID算法來調(diào)節(jié)的電液比例調(diào)節(jié)裝置，這種方法系統(tǒng)簡單，比較容易實現(xiàn)。但是，當設備使用一段時間后，設備的機械和液壓特性可能發(fā)生了改變，這時候需要重新整定PID參數(shù)才能保證調(diào)平裝置工作的正確性。同時，當?shù)搅艘欢ǜ叨群?，工作臂已相對較柔，因為機械慣性和液壓系統(tǒng)沖擊的原因會產(chǎn)生許多未知的擾動，這時斗內(nèi)工作人員會有不適的感覺。

本系統(tǒng)使用電液比例閥，增加工作斗水平傾角傳感器、工作臂傾角傳感器，同時采集機手的操縱信號，采用可編程PLC控制器編寫程序，對工作斗的運動按設定的規(guī)律進行控制，從而實現(xiàn)各種情況下高空作業(yè)車工作斗的自動調(diào)平。

1 系統(tǒng)組成

電控系統(tǒng)由PLC可編程控制器、兩個傾角傳感器、操縱手柄和電比例閥組成。

工作斗水平傾角傳感器，將工作斗的傾斜角度變化傳給可編程序控制器。工作臂傾角傳感器，將工作臂的變化情況傳給可編程序控制器?？刂破鲗⒔邮盏膫鞲衅餍盘柡腿说牟倏v信號，按設定的算法運算后，控制各電磁閥的工作狀態(tài)，按電液比例算法精確計算和控制調(diào)平油缸的動作量和動作方向，從而實現(xiàn)工作斗的調(diào)平運動控制（如圖1）。

2 工作原理

（1）該方法依據(jù)工作臂傾角傳感器來判斷臂架的工作情況，計算出臂架相對于水平面的夾角變化量，計算出臂架的變幅方向、振動幅度和瞬間的振動方向，得到臂架變幅運動時的慣性指標。（2）依據(jù)工作斗水平傾角傳感器來判斷工作斗的工作情況，計算出工作斗相對于水平面的夾角變化量，需要調(diào)整的方向和得到調(diào)整運動時的慣性指標。在臂架動作和調(diào)平系統(tǒng)動作時，實現(xiàn)系統(tǒng)間協(xié)同作業(yè)，對各系統(tǒng)的慣性影響和液壓系統(tǒng)的沖擊進行相互抵消，還有抑制系統(tǒng)可能產(chǎn)生的擾動，從而提高高空作業(yè)車工作時工作斗的平穩(wěn)性（如圖2）。

3 調(diào)平系統(tǒng)擾動原因動力學分析

以臂架臂頭鉸點作為分析點，為了簡化，單分析一種工況情況，也就是先考慮臂架往上從勻速變幅運動狀態(tài)到停止狀態(tài)這段時間。這一瞬間，臂頭鉸點將受到臂架引起的垂直于鉸點方向向上的慣性力（f慣臂）。假設工作斗此時的調(diào)平運動向上（調(diào)平油缸伸），臂頭鉸點將同時受到工作斗引起的作用于鉸點方向向上的慣性力（f慣斗）。此時f慣臂和f慣斗的分力f慣斗A方向一致，兩力疊加，將對臂頭鉸點產(chǎn)生比較大的作用力（如圖3）。

當臂架伸出到一定長度后，臂架已變得相對較柔。臂頭受力變形后，形成彈性勢能，產(chǎn)生反方向的彈性力f彈臂。工作斗因為已向上運動超過水平位置，會有向下的調(diào)平運動（調(diào)平油缸縮）。此時，調(diào)平運動慣性力f慣斗的分力f慣斗A與臂架的彈力f彈臂方向一致（方向向下），兩力疊加，臂架將往下振動（如圖4）。

臂架往下振動到最大振幅后，此時，工作斗已向下超過水平位置，會有向上的調(diào)平運動（調(diào)平油缸伸）。這時，調(diào)平運動慣性力f慣斗的分力f慣斗A與臂架的彈力f彈臂方向一致（方向向上），臂架將改變方向，向上振動（如圖5）。

這種周期性力的驅(qū)動，將使臂頭和工作斗一起形成受迫振動，引起整個系統(tǒng)的擾動，從而使工作斗無法保持水平。

4 PLC控制程序原理

程序依據(jù)采集的傳感器信號，分析臂架的運動情況、工作斗的運動情況和機手的操縱情況，合理的控制調(diào)平油缸的動作量和動作方向，從邏輯上抑制擾動情況的產(chǎn)生，也就是設定基本的調(diào)平規(guī)則（當工作斗不水平，只允許臂架上變幅時，工作斗可以往下調(diào)平；臂架下變幅時，工作斗可以往上調(diào)平）。同時利用f慣臂和f慣斗A方向相反，以及f彈臂和f慣斗A方向相反時可以較好的平衡臂頭鉸點的受力，起到抑制臂頭的慣性運動和盡量減少臂頭的彈性勢能的效果。

為了捕獲瞬間臂架臂頭的運動情況，同時減少元器件的成本，本系統(tǒng)使用普通的傾角傳感器作為傳感器件。依據(jù)程序中設定的時間因素為基礎，由程序?qū)崟r分析臂架臂頭運動的方向，估算臂頭受到的沖量，估算臂頭的彈性勢能。這部分程序，還同時實時分析臂頭可能會產(chǎn)生振動的方向和振幅，將這些分析結(jié)果傳給主程序，由主程序同時考慮機手的操縱信號和工作斗的情況后對系統(tǒng)可能會產(chǎn)生的擾動進行抑制。

工作斗判斷程序依據(jù)工作斗傾角傳感器的信號，實時分析工作斗相對水平面的夾角和方向，估算工作斗的慣性指標，并且將這些量傳給主程序，再由主程序綜合分析后，控制調(diào)平油缸的伸縮來保證工作斗的水平。

5 結(jié)論

以上，用簡單適用的方法解決了高空作業(yè)車工作斗的調(diào)平問題。對因系統(tǒng)擾動的原因引起工作斗調(diào)平效果不好，引起斗內(nèi)工作人員感覺不適的問題，提出了解決方法，提高了高空作業(yè)車類產(chǎn)品工作的平穩(wěn)性。該方法對高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)沒有做任何改變，方便高空作業(yè)車的升級改造，升級成本低。

該方法的目的，是用程序控制來使高空作業(yè)車的各運動部件可以按設定的運動規(guī)律自動協(xié)同作業(yè)，利用高空作業(yè)車各運動部件的運動慣性，互相抵消慣性和液壓沖擊影響，使高空作業(yè)車工作的平穩(wěn)性可以控制。

參考文獻

[1]宋伯生.PLC編程理論、算法及技巧[M].北京，機械工業(yè)出版社，2009.

[2]董景新，趙長德.控制工程基礎[M].北京，清華大學出版社，2009.

[3]王永巖.工程力學[M].北京.科學出版社，2010.

[4]左鍵民.液壓與氣壓傳動[M].北京.機械工業(yè)出版社，2007.5.

[5]（美）克林伯格（Kleinberg，J.），塔多斯（Tardos，E.），著.算法設計[M].張立昂，屈婉玲，譯.北京：清華大學出版社，2007.3.

[6]宋曉光.高空作業(yè)車電液比例調(diào)平系統(tǒng)仿真研究[D].大連理工大學，2007.

[7]黃桂芳，陳銘年.我國高空作業(yè)車研究進展綜述[J].機電技術(shù)，2012（1）.

[8]王飛，高空作業(yè)車電液控制系統(tǒng)研究[D].長安大學，2009.