自適應(yīng)液壓工程夾持器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王恒沖，王守城，石曉慧

（青島科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，青島 266061）

0 引言

液壓挖掘機(jī)在施工過(guò)程中遇到大質(zhì)量裝卸、安裝、轉(zhuǎn)移等問(wèn)題時(shí)多采用帶吊鉤的鏟斗進(jìn)行吊裝。但這種方式對(duì)所吊裝物體的形狀和位置有一定的要求，為此設(shè)計(jì)了自適應(yīng)液壓工程夾持器。夾持器上滑移檢測(cè)系統(tǒng)的安裝使得夾持器自動(dòng)調(diào)節(jié)夾緊力得以實(shí)現(xiàn)，最終以合適的力對(duì)物體快速精準(zhǔn)夾持。自動(dòng)化技術(shù)在液壓方面正變得無(wú)處不在，兩者的結(jié)合正逐步趨于完善。

自適應(yīng)液壓工程夾持器的控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并輸出控制量以驅(qū)動(dòng)各種元件動(dòng)作，從而完成夾持器的不同功能。其中控制系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是自適應(yīng)夾緊力?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)比例調(diào)壓閥進(jìn)行壓力控制，PLC將相應(yīng)的控制指令發(fā)送給比例調(diào)壓閥，通過(guò)電液比例控制技術(shù)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化成調(diào)壓閥的調(diào)定壓力，從而完成對(duì)夾持回路壓力的實(shí)時(shí)控制。

1 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自適應(yīng)液壓工程夾持器通過(guò)其液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，控制夾持力的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物體的自適應(yīng)夾持。液壓馬達(dá)可以方便地控制腕部轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和快慢，且能夠提供較大的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，能夠方便地實(shí)現(xiàn)鎖定，保證夾持的穩(wěn)定。通過(guò)液壓缸活塞桿的伸縮，帶動(dòng)彎桿繞銷軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的夾緊。在供油壓力一定的情況下，若需要調(diào)節(jié)夾持器的夾緊力，則需要相應(yīng)的調(diào)節(jié)夾持機(jī)構(gòu)液壓回路的壓力，采用的基本回路為減壓回路。自適應(yīng)液壓工程夾持器要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)功能是在工作過(guò)程中，自動(dòng)根據(jù)物體的表面狀況和質(zhì)量，調(diào)節(jié)夾緊力。當(dāng)夾持過(guò)程出現(xiàn)滑移時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)的液壓回路能夠自動(dòng)增大系統(tǒng)壓力，這個(gè)過(guò)程是連續(xù)的，采用電液比例減壓閥作為主要控制閥，用它對(duì)夾持機(jī)構(gòu)液壓回路進(jìn)行壓力的無(wú)級(jí)調(diào)定。自適應(yīng)液壓工程夾持器腕部轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件為液壓馬達(dá)，通過(guò)具有O型中位機(jī)能的三位四通電磁換向閥控制其正反轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度分為快慢速兩種，通過(guò)二位二通電磁換向閥進(jìn)行轉(zhuǎn)換。利用挖掘機(jī)液壓管路進(jìn)行供油的液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 夾持器液壓系統(tǒng)原理

2 夾持機(jī)構(gòu)控制過(guò)程

要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)液壓工程夾持器的自適應(yīng)控制，需要確定自適應(yīng)機(jī)制，選擇合理的反饋信號(hào)，并進(jìn)行自適應(yīng)判斷，同時(shí)能夠根據(jù)判斷信號(hào)，按照一定的規(guī)則進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。其中夾持機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的主要功能就是自適應(yīng)調(diào)整。該控制系統(tǒng)的類型屬于壓力控制，通過(guò)電液比例控制技術(shù)調(diào)節(jié)液壓回路的壓力，在自適應(yīng)液壓工程夾持器的夾持階段，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋信號(hào)，以一定的分辨率調(diào)整夾持回路壓力的大小，保證所夾持的物體不滑落，夾持機(jī)構(gòu)自適應(yīng)控制流程圖如圖3所示，其控制過(guò)程為：

1）快速階段，液壓回路的壓力較低，此時(shí)減壓閥閥口處于完全打開狀態(tài)，油液全部流入液壓缸，夾持平板快速運(yùn)動(dòng)。

2）預(yù)加載階段，夾持平板接觸被夾持物體，回路壓力開始升高，當(dāng)回路壓力達(dá)到設(shè)定的預(yù)加載壓力時(shí)，減壓閥的閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)，油液不進(jìn)入液壓缸。

3）自適應(yīng)階段，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的分辨率，在夾持過(guò)程出現(xiàn)滑移時(shí)，增加夾持機(jī)構(gòu)液壓回路的調(diào)定壓力。PLC對(duì)電液比例調(diào)壓閥進(jìn)行控制，調(diào)整其輸出壓力。其壓力增加的幅度需要根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和材料的抗壓程度來(lái)定，既要保證自適應(yīng)調(diào)整次數(shù)相對(duì)較少，又要避免夾持力過(guò)大超出所需值，造成被夾持物體的損壞，壓力上限由操作人員根據(jù)夾持作業(yè)的具體情況，進(jìn)行人工設(shè)置。

4）夾持階段，執(zhí)行液壓缸處于靜止?fàn)顟B(tài)，減壓閥的閥口完全關(guān)閉，卸荷閥打開，液壓泵處于空載狀態(tài)。此時(shí)換向閥的閥口封閉，執(zhí)行液壓缸的工作壓力維持在設(shè)定壓力附近，當(dāng)回路壓力因?yàn)樾孤痘蛞虮患映治矬w姿態(tài)改變而下降時(shí)，蓄能器釋放儲(chǔ)存的壓力能，以維持回路壓力。當(dāng)壓力持續(xù)下降，壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，換向閥打開，卸荷閥關(guān)閉，調(diào)壓閥重新給調(diào)壓回路進(jìn)行補(bǔ)油，其壓力變化過(guò)程如圖2所示。

5）卸載階段，PLC發(fā)出數(shù)字控制指令，操作換向閥進(jìn)行換向，液壓缸反向運(yùn)動(dòng)，松開被夾持物體。張開到合適角度后，操作人員控制PLC發(fā)出指令，使得換向閥進(jìn)入中位工作，液壓缸被鎖定。同時(shí)，卸荷閥打開，液壓泵處于卸荷待命狀態(tài)。

圖2 夾持階段壓力變化

圖3 夾持機(jī)構(gòu)自適應(yīng)控制流程圖

3 滑移檢測(cè)系統(tǒng)

液壓工程夾持器的自適應(yīng)控制是以被加持物體是否發(fā)生滑移為判斷依據(jù)的，是建立在滑移量檢測(cè)的基礎(chǔ)之上?；茩z測(cè)系統(tǒng)的功能是檢測(cè)夾持器在夾持過(guò)程中，被加持物體是否發(fā)生滑移，并將檢測(cè)信號(hào)經(jīng)上位機(jī)傳遞到PLC里，作為PLC進(jìn)行自適應(yīng)控制的依據(jù)。根據(jù)夾持器在工作過(guò)程中與被夾持物體接觸力大、磨損嚴(yán)重，作業(yè)環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，提出了利用光電位移傳感器的非接觸式滑移檢測(cè)方法。這種滑移檢測(cè)系統(tǒng)利用光電傳感器作為測(cè)量元件，工作時(shí)傳感器發(fā)出光電信號(hào)，經(jīng)被加持物體表面的反射，返回到傳感器的接收窗口，接收窗口通過(guò)解碼，從而判斷夾持平板和被加持物體是否有相對(duì)滑動(dòng)。

3.1 信號(hào)的傳遞過(guò)程

滑移檢測(cè)系統(tǒng)由光學(xué)傳感器芯片、上位機(jī)程序和OPC服務(wù)器三部分組成。如圖4所示，光學(xué)傳感器芯片檢測(cè)被夾持物體的滑移量，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。處理之后的信號(hào)按照一定的通信格式，將數(shù)據(jù)包傳遞給上位機(jī)。上位機(jī)程序?qū)z測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，利用相應(yīng)的編程語(yǔ)句，將傳感器的位移數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為布爾數(shù)字開關(guān)量，并通過(guò)通用接口，將布爾型數(shù)據(jù)賦值到OPC服務(wù)器中的相應(yīng)變量上。最終通過(guò)OPC技術(shù)，OPC服務(wù)器將變量值傳遞到PLC上相應(yīng)的存儲(chǔ)器中，完成滑移檢測(cè)信號(hào)的傳遞。

圖4 滑移信號(hào)的傳遞

3.2 滑移檢測(cè)系統(tǒng)的硬件連接

根據(jù)滑移信號(hào)的傳遞過(guò)程，繪制如圖5所示的硬件連接示意圖，其中光學(xué)傳感器通過(guò)RS-232C串口與上位機(jī)進(jìn)行連接，上位機(jī)則通過(guò)RS-485接口利用PPI協(xié)議進(jìn)行通信。

圖5 滑移系統(tǒng)硬件連接

3.3 OPC服務(wù)器設(shè)置

利用KEPServerEX軟件可以建立OPC服務(wù)器與PLC之間的通信連接，在軟件中添加通道和新設(shè)備，選擇通信驅(qū)動(dòng)為S7-200。之后在新添加的設(shè)備中定義滑移信號(hào)的傳遞變量，并設(shè)置其在PLC中的存儲(chǔ)地址為M0.0，數(shù)據(jù)類型為布爾邏輯型，其值對(duì)應(yīng)于中間繼電器的通斷。變量設(shè)置完成之后，可以用KEPware中的Quick Client程序進(jìn)行通信的檢測(cè)和連接。

3.4 滑移檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

滑移檢測(cè)程序是上位機(jī)程序的一部分，其功能是按照設(shè)定的語(yǔ)句，對(duì)位置傳感器傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)，使得當(dāng)滑移量產(chǎn)生時(shí)，觸發(fā)程序事件，從而改變相應(yīng)變量的布爾邏輯值。自適應(yīng)液壓工程夾持器的上位機(jī)程序采用Visual Basic進(jìn)行編程。要想利用上位機(jī)程序改變OPC服務(wù)器中變量的值，首先必須建立二者之間的通信連接。利用OPC技術(shù)所提供的數(shù)據(jù)接口，VB程序能夠通過(guò)代碼建立與OPC服務(wù)器軟件的連接，進(jìn)而完成數(shù)據(jù)的讀寫和寫入。利用Visual Basic的事件驅(qū)動(dòng)編程機(jī)制，對(duì)MouseMove事件進(jìn)行編程，就可以方便的實(shí)現(xiàn)滑移檢測(cè)的這一功能。當(dāng)位移傳感器檢測(cè)到滑移信號(hào)后，觸發(fā)MouseMove事件，程序執(zhí)行該事件中的代碼。同時(shí)為了防止鼠標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)到窗口外影響事件觸發(fā)，需要設(shè)置代碼在MouseMove事件觸發(fā)后，將鼠標(biāo)點(diǎn)移回原位?；茩z測(cè)程序的編制如圖6所示，首先要在通用段定義Function過(guò)程，以及鼠標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)變量X和Y。之后在窗口的MouseMove事件中編寫代碼，使得事件觸發(fā)后，對(duì)布爾變量m進(jìn)行賦值，之后將鼠標(biāo)點(diǎn)移回（300,500）點(diǎn)上。

圖6 滑移檢測(cè)程序段

4 結(jié)束語(yǔ)

控制系統(tǒng)是自適應(yīng)液壓工程夾持器的大腦，通過(guò)電液比例控制技術(shù)完成對(duì)系統(tǒng)的壓力控制，通過(guò)PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)順序動(dòng)作、邏輯和計(jì)算。經(jīng)調(diào)試表明，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)液壓工程夾持器的控制功能，最終使夾持器的執(zhí)行部件有序地完成相應(yīng)的功能?；茩z測(cè)系統(tǒng)克服了機(jī)器人技術(shù)中膜片壓電傳感器易磨損、信號(hào)處理復(fù)雜的缺點(diǎn)?；菩盘?hào)是通過(guò)光電位移傳感器直接檢測(cè)到的，并通過(guò)VB程序的事件響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行響應(yīng)。滑移檢測(cè)系統(tǒng)與PLC之間通過(guò)OPC服務(wù)器進(jìn)行連接，這種方式大大簡(jiǎn)化了設(shè)備與上位機(jī)程序之間的連接過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)效率。另外，采用OPC技術(shù)進(jìn)行連接，使得滑移檢測(cè)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，可以與不同PLC系統(tǒng)進(jìn)行連接，提高了程序的兼容性。

[1]王守城,容一鳴.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2008.4.

[2]劉炳文.Visual Basic程序設(shè)計(jì)教程[M].北京:清華大學(xué)出版,2004.3.

[3]王牛,田強(qiáng),丘柳東,等.基于力反饋的夾持器系統(tǒng)模型[J].機(jī)器人,2011,33(4):475-481.

[4]L.Plonecki,W.Trampczynski,J.Cendrowicz,A Concept of Digital Control System to Assist the Operator of Hydraulic excavators.Automation in Construction,1998,7:401-411.

[5]劉恒大,忽滿利,單鵬.基于labVIEW的鼠標(biāo)位移測(cè)量技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2010,18(12):2724-2726.

[6]蔣健.基于OPC數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)研究與應(yīng)用[D].東南大學(xué),2006.

[7]D.Osswald,H.Worn.Mechanical System and Control System of a Dexterous Robot Hand[A].Proceedings of the IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots[C].Tokyo,Japan.2001:407-414.