外文翻译--智能化液压挖掘机的研究与应用 中文版

河北建筑工程学院 毕业设计（论文）外文资料翻译 系别： 机械工程系 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 姓名： 学号： 外文出处： Cutting tool applications 附 件： 1、外文原文； 2、外文 资料翻译译文。 指导教师评语： 签字： 年 月 日 注：请将该封面与附件装订成册。 2、外文资料翻译译文 智能化液压挖掘机的研究与应用 戴群亮 章二平 蔡登生 摘要 为了提高液压挖掘机的操作效率，降低能量消耗，减轻液压挖掘机驾驶者的工作强度，加强故障诊断，加强液压挖掘机的远程监控，实现配件的最佳化配置，满足现代建设的需要，智能化液压挖掘机应运而生并且得到了很快的发展。这篇文章介绍了智能化液压挖掘机的构成，并且调查了液压 挖掘机工作设备的轨道操纵装置以及液压挖掘机泵和发动机之间功率匹配操纵装置。远程监控和故障诊断方面的系统已经很发达了。实际的应用程序揭示智能化液压挖掘机是高度自动化的智能化的并且信息化的，而且享有例如相当强大的性能相当高的操作效率和经济效率这样的优势。 关键字：液压挖掘机 智能控制 立基于全球定位系统 /通用分组无线业务 故障诊断 1 介绍 作为建造机械装置的一种主流产品，液压挖掘机在工业和公民的建筑、交通设施、水利设施、水力发电设施和军事设施建设中起到了重要的作用。在国家经济可持续发展中，对于挖掘机的需求将会逐 年地增长很大的利润。在 2004 年，我国的挖掘机产量达到了 27500 台，占世界产量的 27.8。现在关系到环境保护和能量保护的问题已经引起了广大公众的关注。结果，对于液压挖掘机的可靠性、经济效率、功能和自动化提出了更高的要求。但是目前市场上可利用的液压挖掘机有以下缺点： （ 1）自动化程度低；当使用液压挖掘机平整场地或挖掘沟渠时，由于驾驶员不得不同时控制吊杆、动臂和铲斗，工作强度是相当高的，并且他还被要求技术熟练。 （ 2）当液压挖掘机正在运行中时，如果液压系统消耗的功率超过发动机的额定功率，发动机就会停转甚至烧 毁。在这种情况下挖掘机的操作性能不能达到最佳状态，燃料消耗就会增加。 （ 3）由于它复杂的结构和极端的操作环境，液压挖掘机有一个相当高的故障率。无论何时发生故障，维修人员不得不尽最大努力确定引起故障的原因，那就意味着挖掘机将停止服务很长时间，因此使使用者蒙受巨大的经济损失。 （ 4）因为挖掘机不能被远程监控和管理，挖掘机的合理分配就不能实现并且不能满足现代建设的需求。由于电脑技术和智能控制技术的广泛应用，建造机械装置已经从液压控制类型发展为数字化类型，它简化了结构易于控制并且更加智能。举个例子，由日本小松制造的 PC300 液压挖掘机在安装在吊杆、动臂和铲斗的倾斜角传感器的帮助下可获得三维轨道控制能力，其它的由沃尔沃、卡特、小松和日立制造的液压挖掘机由于安装了全球定位系统可以进行远程监控。智能化液压挖掘机是高度智能的、自动化的和信息化的。它的智能主要体现在以下方面：它实现了自动化实现了工作设备的轨道控制，实现了发动机和液压泵之间的自适应功率匹配控制，实现了远程数据传输远程监控和远程管理，还实现了故障诊断和维修。 2 智能化液压挖掘机系统的构成 图 1智能化液压挖掘机的系统组成 如图 1 所示，智能化液压挖掘机系统由控制器 、全球定位系统、通用分组无线业务、远程伺服器、监控器和便携式故障诊断系统等等组成。 2.1 控制器 图 2 控制器原理图 如图 2 所示，控制器由信号获得模块、功率驱动器模块、监控模块和 GPS/GPRS 模块组成，并且以一个数字化信号处理器作为其核心控制单元。信号获得模块通过外围的传感器测量倾斜角、压力、速度和温度，这些信号通过模拟数字记录器后被发送到控制器，通过这种方式，挖掘机的实时信息就获得了。监控器用来展示主要运行参数例如发动机转速、发动机油温油压和冷却水温度，展示故障编码并在挖掘机运行条件的基础上发出警报 ，以数字或图形的形式展示铲斗位置和姿势的实时信息。 由于控制器与控制区域网络中的其它部分相通编码，大量的电报就被分配了，因此提高了信号控制可靠性和抗干扰能力。与液压挖掘机运行环境相适应的 CAN 总线保证了控制可以在一个实际的时间里，以灵活的可膨胀的方式实现，使控制器和其它外围设备容易的构造一个多控制器网络。由于 CAN 总线采取基于信息的编码方式和基于优先级的非破坏性总线仲裁技术，它抗干扰能力强可靠性高，它有相当高的实时能力。观察到的通信协议符合 SAE J1939 CAN 总线，总线的物理层上可以满足 SAE J1939， CAN 总线通信速率是 250Kbit/s,CAN 总线的终端电阻是 120。 为了符合舒适的操作要求，智能化液压挖掘机装备了和人类工程学设计原理一致的手柄。 图 3 依据人体工程学原理设计的控制手柄 如图 3 所示，一个光学类型的非接触式转换器安装在了控制手柄上。通过 CAN 总线信号与控制手柄的位置联系起来，光学转换器的信号被发送到控制器。控制手柄上的按钮用来选择操作方式。如果选择手工操作方式，控制手柄的操作方式和普通挖掘机一样。如果选择自动操作方式，操作者通过监控器将操作参数输入电脑，然后挖掘机将按照以操作参 数为基础的控制器决定的轨道运作，因此挖掘机的自动控制就实现了。 2.2 远程信息传递 GPRS 是一种可在广阔的区域内提供端对端无线 IP连接的无线数据包转换技术，并靠此技术将数据传输到数据包。智能化液压挖掘机的远程信息传递模块的结构如图 4所示。 图 4 远程信息传输结构 通过 RS232 端口安装在挖掘机上的 GPRS IP 调制解调器与控制器联系，并且通过因特网与远程服务器交换数据，控制器将得到的数据转换成可以被 GPRS IP 调制解调器传递的形式，然后数据通过因特网被 GPRS IP 调制解调器发送到远程服务器。智能化液压挖掘机的远程监控就以这种方式实现了。在 GPRS IP 调制解调器和远程服务器之间是一个 C/S 结构，通过它一些调制解调器进行数据传输的同时就可以连接到服务器。 2.3GPS 的应用 GPS 是一个由 24个人造卫星和地球站组成的全 球无线航行和定位系统。在 GPS 和 GPRS的帮助下，智能挖掘机就实现了远程监控维修和管理。 除了挖掘机位置信息外，装备了 GPS/GPRS 模块的控制器也会向远程服务器发送例如挖掘机温度、压力和工作时间等操作参数。 挖掘机的位置坐标由电子地图系统反映到地图上，这样挖掘机基于卫星的定位和追踪就实现了，通过因特网获得远程服务，操作者可以在一个实际的时间监控操作条件得到挖掘机的位置信息。 表 1 显示了 挖掘机 的 边坡修整操作轨迹规划与实际测量值 3 智能控制和故障诊断 3.1 工作设备的轨道控制 挖掘机自动化控制意味着自动的控制挖掘机的工作设备，以使挖掘机的铲斗沿特定的轨道运动。如果挖掘机在场平整或边坡修正过程中是自动控制的，驾驶员的工作强度就会减轻，操作效率就会提高，建设就会加快。 液压挖掘机的工作设备是由吊杆、动臂和铲斗组成的联动机械装置，每个部分的 运动是在液压缸收缩和伸展的基础上实现的。 图 5 挖掘机工作装置的空间坐标系 如图 5 所示，把工作设备看成具有三个自由度的机械手，把吊杆、动臂和铲斗分别看成链环 1、 2、 3，把吊杆与旋转平台之间的铰接式连接看成关节 1，把动 臂与吊杆前面末端之间的铰接式连接看成关节 2，把铲斗和动臂前面末端之间的铰接式连接看成关节 3。 在油缸的驱动下，链环 123 分别使工作设备绕关节 123 旋转。 和机器人原理一样，这有很多种方法用来建立一个链环坐标系统，用来学习这些链环之间的位移关系。在这些方法中，应用最广泛的就是丹纳维特 -哈顿贝格法（ D-H 法），凭借 4行 4列齐次转换矩阵用来描述 2个临近链环之间的空间关系，然后用一个等价的齐次转换矩阵导出铲斗尖所在参考坐标系。链环 i 和链环 i-1 之间的相对位置关系，可以用一个 4 4齐次坐标转换矩阵 Ai表示如下 : 在这个等式中， i表示 2 个链环之间的夹角， ai表示链环 i 的长度（称为普通的标准长度）， i表示垂直 ai面的 2 个关节之间的夹角， di表示链环 i 的轴线的 2 个垂线之间的距离， n,o,a 和 p表示铲斗的位置向量。 转换矩阵 0T4 表示了铲斗尖坐标系 4相对其参考坐标系 0的姿势，称为铲斗运动学等式。 对挖掘机实施轨道设计和控制就是控制吊杆、动臂和铲斗的相对角度。铲斗尖的运动轨迹预制好之后，那么各个链环的初始位置角 0和停止位置角 f都可以通过倒转工作设备的运动学等式得 到解决，因此可以用一个平滑的插补函数曲线来表示运动轨迹。 在实时控制的过程中，传感器会测量工作设备中每个链环的角位移，控制器会将角位移与要求的预置目标值作比较，然后在计算结果的基础上决定驾驶量。因此，工作设备将沿预置的轨道移动。举一个挖掘机修整斜坡的例子，铲斗离开地面的倾斜角是 300，斜坡角度=600，操作高度 H=3000mm，在斜坡修整这个操作中轨道期望值与最终测量值列入表 1。测试结果揭示轨道的最大误差是 3050mm，符合操作性能要求。 3.2 液压泵和发动机之间的功率匹配控制 发动机在额定功率下运作的 前提下，智能化液压挖掘机中的功率匹配控制器将采取发动机液压泵相互协调的控制模式，在发动机转速的基础上控制液压泵的位移以使发动机和液压泵合理的匹配。这样，发动机的功率就达到了最佳状态，所以提高了操作效率降低了燃料消耗。功率匹配控制模型如图 6 所示。 图 6 挖掘机 的 功率匹配控制 在不同操作条件下测试，发动机总是工作在最佳运作点周围，就是说一方面发动机功率达到了最佳状态，另一方面发动机停转得到了有效地避免。液压泵和发动机转速控制测试结果如图 7所示。 图 7液压泵 和 发动机转速控制测试曲线 因此，节约能量的目的就实现了，因为发动机的速度调整设备是在实际的操作条件下被控制的，以使发动机在一个燃料消耗低的情况下运行。当挖掘机不工作时，它可以自动的降低发动机转速。控制手柄拨到中间位置 46s 后，发动机将自动进入空转状态，以阻止液压系统的能量损失和 发动机磨损，也减少燃料损失和发动机噪音。只要挖掘机再次工作，发动机会在 12s 内回到正常运转状态，以保证工作的正常进行。 3.3 故障诊断 由于许多额外的电子控制系统被引进了液压挖掘机，故障原因的判定变得更加困难。所以监控运行条件和实施故障诊断对挖掘机来说就很有必要了。考虑液压挖掘机的特征，故障诊断包含了发动机管理系统、液压系统和电子控制系统诊断的故障。采取以诊断运算为基础的故障树法则，故障诊断系统可以迅速而准确的判定引起故障的原因，在专业数据库的基础上评定挖掘机运行条件，帮助维修人员解除故障。 故障诊断系统 和面向对象的设计语言、微软结构化查询语言 2000 或微软评定数据库使它的应用软件程序化，它功能的结构如图 8所示。 图 8故障诊断功能 的 结构 便携式故障诊断系统改正了控制器单元的参数直到挖掘机工作在最佳状态，实时监控液压挖掘机的运行状态，读取被控制器实时测量的数据，并且以图形或数字的形式展示挖掘机的运行条件例如发动机转速、燃料水平、发动机油压和冷却水温度。同时，故障诊断系统可以测试每个系统和部分，维修和管理信息，储存和分析实时信息，以帮助维修人员准确并迅速的解除故障。 4 应用举例 CLG920C 型和 CLG925C 型智能化液压挖掘机已经进入了大量生产的阶段。 图 9 智能化液压挖掘机 的 场地平整 操作 图 9展示了智能化液压挖掘机的场平整操作，实际应用揭示：智能化液压挖掘机有相当强大的性能，相当高的操作效率，由发动机停转引起的挖掘机罢工就有效的避免了，燃料消耗明显降低，诊断和排除故障的能力大大提高，因此由维修引起的停止服务