基于LabVIEW的裝載機(jī)實(shí)驗臺控制系統(tǒng)設(shè)計

邵來，徐武彬，李冰，席亞麗

（廣西科技大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 引言

裝載機(jī)作為一種常用工程機(jī)械，前端由連桿機(jī)構(gòu)搭載鏟斗可實(shí)現(xiàn)對物料的鏟裝作業(yè)，通過前進(jìn)與前端連桿機(jī)構(gòu)的復(fù)合運(yùn)動完成物料的鏟裝與裝載等工作。裝載機(jī)具有作業(yè)效率高、機(jī)動性優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)等復(fù)雜作業(yè)環(huán)境[1]。通過構(gòu)建裝載機(jī)實(shí)驗臺與控制系統(tǒng)的設(shè)計，便于科研人員在實(shí)驗室相對狹小的工作場地，順利開展裝載機(jī)鏟裝作業(yè)試驗研究。裝載機(jī)工作裝置動力源：采用直流電推桿代替裝載機(jī)舉升油缸、轉(zhuǎn)斗油缸的直線運(yùn)動，采用伺服電機(jī)作為裝載機(jī)行進(jìn)運(yùn)動。采用位移傳感器檢測動力源運(yùn)動狀態(tài)，可以通過反饋控制提高控制精度。

裝載機(jī)實(shí)驗臺控制系統(tǒng)利用Labview軟件對裝載機(jī)鏟裝作業(yè)軌跡逆向求解獲取動力源運(yùn)動信息，將運(yùn)動信息作為控制系統(tǒng)的目標(biāo)值對裝載機(jī)實(shí)驗臺自動控制[2]。本研究控制系統(tǒng)中硬件部分是采用NI myRIO-1900設(shè)備、L298N雙路直流電機(jī)驅(qū)動板驅(qū)動、位移傳感器、位移變送器與伺服電機(jī)驅(qū)動器，最后采用試驗驗證了控制方案的可行性。

1 裝載機(jī)實(shí)驗臺結(jié)構(gòu)與工作原理

裝載機(jī)實(shí)驗臺機(jī)構(gòu)主要由工作裝置、臺車裝置、行進(jìn)導(dǎo)軌組成，如圖1所示。工作裝置是將某型號裝載機(jī)工作裝置縮放4.5倍設(shè)計安裝，其中工作裝置中組成部分為舉升缸、拉桿、動臂、鏟斗、搖臂、轉(zhuǎn)斗缸組成。舉升缸與轉(zhuǎn)斗缸是采用兩組直流電推桿作為工作裝置的動力源，用于控制工作裝置中鏟斗的舉升、下降與轉(zhuǎn)斗。臺車裝置可用于實(shí)現(xiàn)工作裝置的行進(jìn)運(yùn)動，其動力源是采用伺服電機(jī)搭載變速器來驅(qū)動臺車裝置。行進(jìn)導(dǎo)軌用于承載臺車裝置與工作裝置，保證實(shí)驗測試過程中實(shí)驗臺的安全與穩(wěn)定。

圖1 裝載機(jī)實(shí)驗臺機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2 裝載機(jī)實(shí)驗臺控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

裝載機(jī)實(shí)驗臺控制系統(tǒng)由電子控制模塊、執(zhí)行模塊、運(yùn)動測量模塊組成。電子控制模塊根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動信息發(fā)送控制指令，用于控制執(zhí)行模塊動作。由運(yùn)動測量模塊將動力源位移量轉(zhuǎn)化為電信號傳輸至電子控制模塊，反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)以提高系統(tǒng)的控制精度。

實(shí)驗所用的電子控制模塊是采用NI myRIO-1900設(shè)備作為控制器，如圖2（a）所示。NI myRIO-1900提供模擬輸入（AI）、模擬輸出（AO）、數(shù)字輸入和輸出（DIO）、電源輸出，可以通過USB和無線連接至上位機(jī)。NI myRIO-1900中擴(kuò)展端口MXP排座共有8路AI（標(biāo)稱范圍0～5 V，總采樣率500 kS/s）、4路AO（范圍0～5 V，累計最大更新速率345 kS/s）、16路DIO（PWM的最大頻率100 kHz），并提供+5 V電源輸出；擴(kuò)展端口MSP排座共有2路AI（標(biāo)稱范圍±10 V，總采樣率500 kS/s）、2路AO（范圍±10 V，累計最大更新速率345 kS/s）、8路DIO（PWM的最大頻率100 kHz）。NI myRIO-1900設(shè)備適用于數(shù)據(jù)采集與控制信號輸出，該設(shè)備性能參數(shù)滿足裝載機(jī)實(shí)驗臺控制系統(tǒng)下位機(jī)的工作要求。

圖2 電子控制模塊硬件設(shè)備

裝載機(jī)實(shí)驗臺采用L298N雙路直流電機(jī)驅(qū)動板驅(qū)動直流電推桿，如圖2（b）所示。該驅(qū)動模塊是采用雙H橋，能夠?qū)崿F(xiàn)兩組直流電機(jī)同時驅(qū)動，單路可承載最大電流7 A與最大功率160 W，寬電壓輸入為6.5～27 V。信號端ENA為電機(jī)使能端用于接入PWM調(diào)節(jié)電機(jī)速度，IN1、IN2用于控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)、剎車與制動[3]。電機(jī)接口控制信號邏輯見表1。用于驅(qū)動伺服電機(jī)運(yùn)動的交流伺服電機(jī)驅(qū)動器，是采用速度模式控制伺服電機(jī)的運(yùn)動?？刂菩盘柺遣捎媚M量輸入，用于接收速度或力矩指令，其模擬量輸入電壓范圍是±10 V。

表1 L298N雙路直流電機(jī)驅(qū)動板控制信號邏輯

執(zhí)行模塊硬件是由直流電推桿與伺服電機(jī)兩部分組成。直流電推桿是采用24 V額定電壓、5 mm/s的最大運(yùn)行速度、1500 N的最大負(fù)載、行程為95 mm。伺服電機(jī)采用額定轉(zhuǎn)速為2500 r/min、額定扭矩為4 N·m、額定功率為1 kW。

運(yùn)動測量模塊是采用24 V工作電壓與0～5 V模擬量輸出電壓的位移傳感器，將位移傳感器安裝至圖1所示位置，用于實(shí)時監(jiān)測裝載機(jī)動力源運(yùn)動信息，并反饋于控制系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

3 裝載機(jī)實(shí)驗臺控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 裝載機(jī)動力源運(yùn)動分析程序設(shè)計

裝載機(jī)動力源運(yùn)動分析程序軟件是在電腦主機(jī)端運(yùn)行工作，該程序分為四個模塊，分別是坐標(biāo)點(diǎn)與數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)輸入模塊、語言提示模塊、裝載機(jī)工作裝置簡圖顯示模塊、位移與伸長量顯示模塊，對應(yīng)于圖3程序前面板界面中1、2、3、4四個位置。

3.1.1 坐標(biāo)點(diǎn)與數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)輸入模塊

此模塊是屬于本系統(tǒng)的輸入端，如圖4所示。共有三個坐標(biāo)點(diǎn)輸入與一個運(yùn)動軌跡平均離散點(diǎn)的數(shù)目輸入值。nx代表圖5中的坐標(biāo)點(diǎn)N（nx，0）；px、py分別代表圖5中的坐標(biāo)點(diǎn)P（px，py）的x軸坐標(biāo)與y軸坐標(biāo)；qx、qy分別代表圖5中的坐標(biāo)點(diǎn)Q（qx，qy）的x軸坐標(biāo)與y軸坐標(biāo)；數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)是代表裝載機(jī)鏟裝軌跡O-N-P-Q平均分布點(diǎn)數(shù)。線段QO代表料堆的表面。

圖4 坐標(biāo)點(diǎn)與數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)輸入端

3.1.2 語言提示模塊

在XY圖中簡化裝載機(jī)前端的鏟斗、動臂、轉(zhuǎn)臂、連桿、舉升缸、轉(zhuǎn)斗缸等機(jī)構(gòu)，語言提示模塊是對于裝載機(jī)機(jī)構(gòu)在工作運(yùn)行中，檢測裝載機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的舉升缸與轉(zhuǎn)斗缸的伸長量是否符合要求。舉升缸與轉(zhuǎn)斗缸伸長量的區(qū)間范圍設(shè)定在0～90。該功能能夠使軟件操作者觀察裝載機(jī)在進(jìn)行鏟裝動作時，對缸體伸長量是否滿足裝載機(jī)機(jī)構(gòu)實(shí)際工作情況進(jìn)行提示。

3.1.3 裝載機(jī)工作裝置簡圖顯示模塊

通過點(diǎn)線連接裝載機(jī)前端工作裝置、鏟斗等部分的鉸接點(diǎn)簡化裝載機(jī)前端機(jī)構(gòu)，以簡單形象的方式描繪裝載機(jī)前端機(jī)構(gòu)。其中裝載機(jī)工作裝置各個構(gòu)件的簡化如圖5所示。

圖5中線段ac、de分別是舉升缸、轉(zhuǎn)斗缸，線段bj、cf分別是動臂、支撐板，折線efg是搖臂，線段gh是拉桿，線段ik是斗底面，多邊形imhjk是鏟斗。點(diǎn)a是舉升油缸與裝載機(jī)車架鉸接點(diǎn)，點(diǎn)b是動臂與裝載機(jī)車架鉸接點(diǎn)，點(diǎn)d是轉(zhuǎn)斗油缸與裝載機(jī)車架鉸接點(diǎn)，點(diǎn)c是動臂與舉升油缸的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)e是轉(zhuǎn)斗油缸與搖臂的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)f是搖臂與支撐板的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)g是搖臂與拉桿的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)h是拉桿與鏟斗的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)j是動臂與鏟斗的鉸接點(diǎn)，點(diǎn)i是鏟斗斗尖。通過運(yùn)行程序可以觀察裝載機(jī)工作裝置與鏟斗的運(yùn)動軌跡變化，以及各個部分在XY圖中坐標(biāo)點(diǎn)的位置。

圖5 裝載機(jī)鏟裝軌跡

3.1.4 位移與伸長量顯示模塊

此模塊是由三個部分組成如圖7所示，在該模塊是用于觀測裝載機(jī)工作裝置在運(yùn)行狀態(tài)下，缸體伸長量的變化是否出現(xiàn)異常。其中圖6的a是描述裝載機(jī)整車沿水平方向在某一個時刻行駛距離的位移圖；b是描述裝載機(jī)工作裝置在工作狀態(tài)下，舉升缸伸長量隨時間的變化值，c是描述裝載機(jī)工作裝置在工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)斗缸伸長量隨時間的變化值。

圖6 位移與伸長量顯示

通過對坐標(biāo)點(diǎn)值的輸入實(shí)現(xiàn)操作者對裝載機(jī)鏟斗運(yùn)動軌跡的預(yù)先設(shè)定，以及對裝載機(jī)鏟裝的物料堆表面斜度的設(shè)定。設(shè)定的本程序是在實(shí)現(xiàn)裝載機(jī)對物料進(jìn)行鏟裝時，通過改變裝載機(jī)工作裝置的運(yùn)動姿態(tài)，使裝載機(jī)在鏟裝物料過程中克服最小的鏟裝阻力。裝載機(jī)工作裝置鏟裝物料產(chǎn)生的姿態(tài)變化，可以通過觀察位移與伸長量顯示模塊的舉升缸、轉(zhuǎn)斗缸的伸長量，對裝載機(jī)缸體伸長量的變化趨勢以及缸體的工作狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.2 裝載機(jī)實(shí)驗臺運(yùn)動控制程序設(shè)計

裝載機(jī)實(shí)驗臺運(yùn)動控制程序是在NI myRIO-1900設(shè)備中運(yùn)行，如圖7所示。通過接收主機(jī)端程序發(fā)出的動力源運(yùn)動目標(biāo)指令信息，用于驅(qū)動執(zhí)行模塊進(jìn)行運(yùn)動控制。

圖7 實(shí)驗臺運(yùn)動控制程序前面板與程序

運(yùn)動控制程序運(yùn)動目標(biāo)指令是通過共享變量引擎，與主機(jī)端運(yùn)動分析程序輸出結(jié)果實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的訪問。通過模擬量輸入實(shí)現(xiàn)傳感器電壓信號的實(shí)時讀取，并轉(zhuǎn)化相應(yīng)的位移信號[4]。將目標(biāo)信息與實(shí)際值之間的差值作為PID控制程序的輸入[5]，并調(diào)整合適的PID比例系數(shù)，將對其輸出端進(jìn)行濾波處理，以得到較為穩(wěn)定的動力源控制效果。

4 裝載機(jī)實(shí)驗臺動力源控制實(shí)驗

通過運(yùn)行主機(jī)上裝載機(jī)動力源運(yùn)動分析程序，獲取實(shí)驗臺三組動力源的預(yù)設(shè)運(yùn)動狀態(tài)，并作為裝載機(jī)實(shí)驗臺運(yùn)動控制程序的輸入條件。在裝載機(jī)實(shí)驗臺控制過程中，電機(jī)的響應(yīng)速度和控制精度將影響裝載機(jī)實(shí)驗臺鏟裝作業(yè)的控制效果。觀測裝載機(jī)實(shí)驗臺控制系統(tǒng)對動力源控制的實(shí)驗數(shù)據(jù)，如圖8所示。實(shí)驗臺行進(jìn)過程響應(yīng)速度與控制精度處于較高水平，其跟蹤誤差不超過4 mm。舉升缸運(yùn)動響應(yīng)速度存在短暫的延時現(xiàn)象，控制精度可保持在4 mm以內(nèi)。轉(zhuǎn)斗缸在運(yùn)動前期階段響應(yīng)速度有短暫延時現(xiàn)象，在運(yùn)動后期階段具有較快的響應(yīng)速度。轉(zhuǎn)斗缸跟蹤誤差最大值6.8 mm是處于運(yùn)動前期階段，運(yùn)動后期階段能夠保持較高的控制精度。根據(jù)上述實(shí)驗臺動力源結(jié)果綜合分析表明，該控制系統(tǒng)滿足裝載機(jī)實(shí)驗臺的控制精度要求。

圖8 動力源控制實(shí)驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文基于LabVIEW設(shè)計的裝載機(jī)實(shí)驗臺控制系統(tǒng)，可根據(jù)預(yù)設(shè)裝載機(jī)鏟裝作業(yè)軌跡，獲取動力源的運(yùn)動狀態(tài)信息。通過共享變量引擎實(shí)現(xiàn)主機(jī)程序與NI myRIO-1900設(shè)備程序之間的數(shù)據(jù)訪問，并應(yīng)用PID控制技術(shù)提高裝載機(jī)實(shí)驗臺控制精度。結(jié)果表明控制效果滿足實(shí)驗臺控制精度要求。