管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)精準(zhǔn)操控技術(shù)研究

李太運(yùn)，趙 石

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000）

目前，隨著全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大都市內(nèi)部、城市群、地區(qū)中心城市也逐步相互聯(lián)通。盾構(gòu)是隧道機(jī)械化的施工裝備，其施工在自動(dòng)化作業(yè)、環(huán)境保護(hù)、地表沉降控制、效率和安全性等方面有著獨(dú)特的優(yōu)越性，同時(shí)也是“中國制造2025”這一計(jì)劃中著重于高端智能化設(shè)備。

推盾機(jī)是隧道建設(shè)的重要工程機(jī)械，它的效率對(duì)工程進(jìn)度有很大的影響。推盾機(jī)的拼裝機(jī)是其核心元件，其穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、控制性是其性能指標(biāo)的重要指標(biāo)。由于管片拼裝機(jī)自身的重量和管片的重量都很大，所以其旋轉(zhuǎn)慣性是最主要的因素。管片拼裝機(jī)液壓系統(tǒng)對(duì)管片拼裝機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性起到了決定性的作用，從而影響到整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作特性，所以對(duì)管片拼裝機(jī)液壓系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)一直是一個(gè)十分重要的課題。

1 拼裝機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

推盾機(jī)管片拼裝機(jī)是主要用來拼裝襯砌管片的機(jī)械，其機(jī)械機(jī)構(gòu)主要由液壓驅(qū)動(dòng)的環(huán)式結(jié)構(gòu)、行走梁、平移機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、舉重鉗、管路支架、工作平臺(tái)等組成，如圖1 所示。管片拼裝機(jī)主要實(shí)現(xiàn)功能有：管片的鎖緊、升降、平移、回轉(zhuǎn)、仰俯、橫搖和偏轉(zhuǎn)7 種動(dòng)作，各種動(dòng)作進(jìn)行專門的調(diào)節(jié)以使管片能精確就位。本文以推盾機(jī)的管片拼裝機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)精準(zhǔn)操控性為例進(jìn)行研究，通過電液符合控制的研究，提升管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)操控體驗(yàn)，為推盾機(jī)的管片拼裝提供保證。

圖1 推盾機(jī)管片拼裝機(jī)

2 拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)

推盾機(jī)管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由旋轉(zhuǎn)環(huán)形機(jī)構(gòu)、齒輪、液壓馬達(dá)、比例多路閥、平衡閥等組成，通過拼裝機(jī)遙控器控制液壓比例多路閥驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，從而帶動(dòng)管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)主要由球閥、單向閥、比例多路閥、平衡閥和液壓馬達(dá)等組成，如圖2 所示。當(dāng)管片拼裝人員操作管片拼裝遙控器的操作桿向PLC 發(fā)出旋轉(zhuǎn)信號(hào)，PLC 輸出0～10V 的信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大器，使放大器輸出對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)比例多路閥工作，進(jìn)而帶動(dòng)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)管片拼裝機(jī)旋轉(zhuǎn)。理論上管片拼裝機(jī)的操作桿的操作角度與管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度為線性關(guān)系，操作桿的角度越大，管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度越快。

圖2 旋轉(zhuǎn)液壓原理圖

但在實(shí)際的工程應(yīng)用過程中，由于液壓比例多路閥和電氣控制的特性往往不能達(dá)到使用者良好的操作體驗(yàn)感受，比如作為操作者希望管片拼裝機(jī)在低速段的操作精度更加精準(zhǔn)，這樣便于管片的旋轉(zhuǎn)微動(dòng)；在高速段的加速較快一些，這樣可以將管片快速旋轉(zhuǎn)到位，如圖3 所示。

圖3 拼裝機(jī)理想控制曲線

本項(xiàng)目采用國產(chǎn)某廠家的比例多路閥，其實(shí)現(xiàn)的控制曲線如圖4 所示。在低轉(zhuǎn)速時(shí)閥口的開度較大，低轉(zhuǎn)速的操控性不強(qiáng)，操控分辨率低。在實(shí)際的操控中感覺拼裝機(jī)的遙感稍微搬動(dòng)，拼裝機(jī)的速度變化很大，因此低速的操控難度較大，很難實(shí)現(xiàn)低速的精準(zhǔn)操控。為解決拼裝機(jī)低速操控體驗(yàn)感不強(qiáng)的問題，我們引入電控的控制曲線，用于彌補(bǔ)液壓比例多路閥特性的不足。

圖4 拼裝機(jī)實(shí)際控制曲線

3 電器控制

管片機(jī)旋轉(zhuǎn)采用比例多路閥控制實(shí)現(xiàn)管片拼裝機(jī)的無級(jí)調(diào)速。比例多路閥通過放大板電流驅(qū)動(dòng)，放大板的輸入信號(hào)采用±10V，接線方式如圖5 所示。拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)限位采用接近開關(guān)限位和旋轉(zhuǎn)編碼器限位雙重保護(hù)，旋轉(zhuǎn)限位角度為±200°，接近開關(guān)限位角度±205°。

圖5 放大板控制流程

該放大器通過輸入模擬信號(hào)進(jìn)行控制，如果未探測(cè)到內(nèi)部或外部錯(cuò)誤，使能信號(hào)有效后放大器啟動(dòng)，READY 信號(hào)指示出模塊就緒。通過不同的參數(shù)對(duì)內(nèi)部集成的各標(biāo)準(zhǔn)功能組件進(jìn)行配置。輸出電流受內(nèi)部控制，因此可獲得極高的精度和良好的動(dòng)態(tài)特性。該放大器還具備CC 線性化特性函數(shù)，通過該參數(shù)可以自定義信號(hào)的線性化特性，線性化曲線是通過插值補(bǔ)償算法Y=（x-x1）（y1-y0）/（x1-x0）+y1計(jì)算得到的。設(shè)置界面如圖6 所示。

圖6 線性化特性函數(shù)設(shè)置界面

4 控制參數(shù)優(yōu)化

通過上述的電控放大器的功能，結(jié)合比例多路閥特性以及現(xiàn)場(chǎng)的管片操作手的使用體驗(yàn)，將特定的特性曲線嵌入到管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)中，以改善管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)操作體驗(yàn)，達(dá)到低速好操控，高速響應(yīng)快的目的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)得出如下數(shù)據(jù)的體驗(yàn)感最好，如表1 所示。

表1 線性化特性函數(shù)設(shè)置參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，為方便后續(xù)產(chǎn)品使用該參數(shù)，通過函數(shù)擬合相似曲線，獲得最佳的控制曲線和和函數(shù)，如圖7 所示。

5 結(jié)論

本文通過電液耦合控制、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)擬合等方法對(duì)管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制進(jìn)行優(yōu)化和改善，提升管片拼裝機(jī)的旋轉(zhuǎn)操控體驗(yàn)感，實(shí)現(xiàn)了管片拼裝機(jī)在低速段的操作精度更加精準(zhǔn)，在高速段的響應(yīng)迅速，大大提升管片拼裝機(jī)的效率。并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合最佳控制曲線，為拼裝機(jī)的電液耦合控制提供一定的參考意義。