超長邊坡渠道削坡開槽機(jī)的自適應(yīng)切削設(shè)計(jì)

郝用興，馬少丹，滿達(dá)，張明慧

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

邊坡構(gòu)筑在工程施工中具有重要的地位，其中，坡面平整和坡面開槽是施工中的重要任務(wù)．據(jù)統(tǒng)計(jì)，在歐美，大型開槽機(jī)的工作效率是挖掘機(jī)的數(shù)倍，開槽深度大，對地表破壞?。?但該種機(jī)器的功能單一，只具備開槽功能．在國內(nèi)，黃河三角洲地區(qū)麻灣灌區(qū)節(jié)水改造工程中使用的HHLJG2 －1 型削坡器和洛陽麗銘機(jī)器設(shè)備有限公司研制的自動削坡機(jī)可用于渠道削坡施工，其功能也比較單一，只具備削坡功能，且削坡的坡面長度短［1］． 菏澤黃河二期標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)中研制的旋耕式多齒開槽機(jī)和長江大堤牛屯河段防滲墻施工中運(yùn)用的鏈斗式開槽機(jī)僅具備開槽功能，其開槽的渠道長度較?。?－3］．按照南水北調(diào)工程的技術(shù)要求，筆者研制了超長邊坡渠道削坡開槽機(jī)及其新型施工工藝． 該機(jī)器不僅能進(jìn)行削坡作業(yè)還能進(jìn)行開槽作業(yè)，滿足了一機(jī)兩用的削坡、開槽要求，實(shí)現(xiàn)了削坡、開槽快速高效的機(jī)械化施工．

在南水北調(diào)中線一期潮河段六標(biāo)工程中，渠道內(nèi)側(cè)采用4%的水泥改性土換填，經(jīng)換填后的水泥改性土坡面土質(zhì)強(qiáng)度較高，坡面局部土體的擾動和剝落會影響坡面的平整度［4］，超長邊坡渠道削坡開槽機(jī)采用自適應(yīng)切削技術(shù)，根據(jù)工況變化自動調(diào)整切削速度，適應(yīng)坡面局部土體硬度變化，減少了坡面局部土體擾動和剝落，實(shí)現(xiàn)了勻速切削，提高了坡面、溝槽成型后的平整性與順直性及機(jī)器的作業(yè)效率．

1 切削裝置的組成

超長邊坡渠道削坡開槽機(jī)的切削裝置主要由機(jī)座、回轉(zhuǎn)盤、電動機(jī)、減速器、切削刀具等組成．

為適應(yīng)削坡開槽一體化作業(yè)要求，以及水泥改性土坡面材料的特殊需求，刀頭裝置可以根據(jù)實(shí)際切削需要隨時更換，并采用密齒銑刨刀具，加裝可更換的合金刀頭．這樣可以及時方便地?fù)Q下已經(jīng)損傷的刀頭，保證切削的質(zhì)量和效率，有效地延長了刀具的使用壽命．將渠道削坡機(jī)和渠道開槽機(jī)合二為一，保證了坡面、溝槽成型后的平整順直．系統(tǒng)切削裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示．

由圖1 可知:切削裝置的刀頭由電動機(jī)1，通過減速器2 進(jìn)行驅(qū)動;機(jī)座(3、4)與回轉(zhuǎn)盤(6、7、8)是切削裝置的支撐機(jī)構(gòu)． 機(jī)座是電動機(jī)與減速器的支撐平臺，作為桁架與切削裝置的連接部分、回轉(zhuǎn)盤可以與切削刀頭與電動機(jī)1、減速器2、回轉(zhuǎn)盤前板6一起繞回轉(zhuǎn)盤中心旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀頭切削與削坡位置的切換．通過行走滾輪9 沿著桁架運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)整個切削裝置的直線移動，保證了削坡與溝槽切削的平整順直．

圖1 切削裝置的結(jié)構(gòu)示意

2 自適應(yīng)切削控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2．1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)自適應(yīng)切削控制的需要，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的自適應(yīng)切削控制閉環(huán)系統(tǒng)［5］． 該自適應(yīng)切削系統(tǒng)以單片機(jī)為核心控制部件，還包括變頻裝置、動力裝置、減速器、切削刀頭、傳感裝置等部件．用傳感裝置獲取數(shù)字脈沖信號，完成速度測量．給定速度通過外部輸入設(shè)置在單片機(jī)內(nèi)部． 單片機(jī)輸出速度控制信號通過D/A 轉(zhuǎn)換至變頻裝置［6］，實(shí)現(xiàn)對動力裝置的變頻控制，達(dá)到勻速切削開槽的目的．其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示．

圖2 自適應(yīng)切削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2．2 元器件選型

該自適應(yīng)切削系統(tǒng)中主控制器采用單片機(jī)AT89C52，它是控制器的核心部件，這種單片機(jī)共有4 類8 位并行I/O 口(P0、P1、P2、P3);擁有內(nèi)部定時計(jì)數(shù)中斷系統(tǒng)，可將霍爾傳感器送來的數(shù)字量進(jìn)行閾值判斷，通過預(yù)先設(shè)定的控制算法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的．

DAC0832 是數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，也為電流輸出型D/A 轉(zhuǎn)換器，可以將單片機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量．在控制系統(tǒng)中，控制量經(jīng)D/A 轉(zhuǎn)換后輸出至變頻器，變頻器根據(jù)接收到的信號產(chǎn)生變壓、變頻的電源信號，以控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)．

霍爾傳感器是測速傳感裝置，通過該傳感器檢測刀具轉(zhuǎn)速，及時對刀具進(jìn)行調(diào)節(jié)．霍爾傳感器安裝在擋板上，磁片安裝在刀具上．當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)動時帶動磁片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生脈沖信號，經(jīng)過信號處理即變?yōu)橄鄳?yīng)的轉(zhuǎn)速．單片機(jī)接收脈沖信號的頻率和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，測出脈沖的周期或頻率即可計(jì)算出刀具的轉(zhuǎn)速．

變頻器是一種驅(qū)動系統(tǒng)的可調(diào)速變頻裝置，從易于控制和調(diào)試角度等方面選擇西門子MM440 變頻器．它利用變頻驅(qū)動技術(shù)對交流電動機(jī)進(jìn)行幅度和頻率的改變，使交流電動機(jī)速度及轉(zhuǎn)矩得到平滑控制．在切削系統(tǒng)中，其作用是在單片機(jī)系統(tǒng)的控制下，通過改變模擬給定輸入電流，調(diào)節(jié)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使切削刀具達(dá)到勻速切削的目的．

切削系統(tǒng)的動力裝置主要是由減速箱和電動機(jī)2 部分組成．二級圓柱齒輪減速器，工作平穩(wěn)，瞬時傳動比恒定，傳動準(zhǔn)確可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，徑向尺寸小，重量輕．連接減速器的是專為變頻器設(shè)計(jì)的變頻專用電機(jī)，該變頻電機(jī)可以在變頻器的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速與扭矩，以適應(yīng)負(fù)載的需求變化．

2．3 系統(tǒng)的控制策略

該控制系統(tǒng)的控制策略如圖3 所示．

圖3 系統(tǒng)控制策略圖

基本控制策略是，利用單片機(jī)為主控制器來控制變頻器對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速． 為使刀具轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定狀態(tài)，需要切削控制系統(tǒng)及時控制刀具轉(zhuǎn)速的變化．環(huán)境變化使系統(tǒng)產(chǎn)生反饋控制，刀具轉(zhuǎn)動時帶動磁片轉(zhuǎn)動導(dǎo)致脈沖信號產(chǎn)生，霍爾傳感器將脈沖信號反饋至單片機(jī)，經(jīng)過控制算法轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速信號，根據(jù)傳感器的采樣值與設(shè)定值的比較結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的信號作為變頻器的輸入給定，控制變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而形成閉環(huán)反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制，以此達(dá)到勻速削坡開槽的目的．

3 自適應(yīng)切削系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

一個好的控制過程需要有好的控制器，PID 控制通過調(diào)整比例、積分和微分3 項(xiàng)參數(shù)，使得大多數(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能［7］． 其輸入e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為:

將公式(1)離散化后得到離散PID 表達(dá)式為:

式中:e(t)為給定值與實(shí)際值構(gòu)成的偏差;KP為比例系數(shù);TI為積分時間常數(shù);TD為微分時間常數(shù);e(n)為第n 次采樣給定值與實(shí)際值的偏差;T 為采樣周期．由于計(jì)算機(jī)只能識別數(shù)字量，所以必須對控制規(guī)律進(jìn)行離散化．

當(dāng)控制系統(tǒng)中被控制的對象得不到精確的數(shù)學(xué)模型，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)的參數(shù)時，可采用PID 控制［8］． 文中采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法對PID 參數(shù)進(jìn)行整定，選擇KP= 30，TI= 2，TD= 2，T = 0．5，將控制系統(tǒng)模擬運(yùn)行，做閉環(huán)調(diào)試． 圖4為系統(tǒng)PID 校正控制的階躍響應(yīng)曲線．

圖4 PID 校正控制階躍響應(yīng)曲線

由圖4 可見，將PID 算法應(yīng)用于自適應(yīng)切削系統(tǒng)中不僅可以提高控制精度，使其動態(tài)響應(yīng)和調(diào)整更加快速穩(wěn)定，還可節(jié)約成本．

4 控制流程

控制器的主程序包括初始化、控制模塊和中斷的調(diào)用等．鍵盤中斷是通過鍵盤控制開關(guān)量輸出，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的啟動和停止． 定時中斷程序用于定時采樣速度反饋信號的輸入．而速度信號的采集、控制算法等功能可由子程序完成．軟件的主要流程是:當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)將定時啟動中斷，通過速度采集信號模塊得到速度的反饋信號，將采集到的速度反饋信號與給定的速度信號進(jìn)行比較，然后根據(jù)PID 控制算法，求出控制變量． 程序流程如圖5所示．

圖5 系統(tǒng)流程圖

5 結(jié) 語

文中設(shè)計(jì)的自適應(yīng)切削系統(tǒng)，能根據(jù)環(huán)境變化，通過對刀頭轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制自動調(diào)節(jié)切削速度，實(shí)現(xiàn)勻速切削，增加了自適應(yīng)回路;采用了PID 控制算法，在系統(tǒng)和參數(shù)發(fā)生變化時，能迅速和準(zhǔn)確地跟蹤給定值變化，超調(diào)量小，控制穩(wěn)定，簡單易行．

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