工程机械智能化技术.ppt

工程机械智能化,电子技术在工程机械上的应用:电子技术和传感器与机械装置的结合，实现了工程机械的自动监测和自动控制,装载机线控转向,1。机电一体化；机电信一体化-即工程机械的机液电与信息技术的结合.2工程机械的IT现代的自动控制理论、人工智能理论及信息处理技术、传感检测技术、网络通信技术等与工程机械结合。3。智能化：自学习技术和自适应技术的运用。4。从局部自动化过渡到整机自动化；向着远距离操纵和无人驾驶的趋势发展；逐步过渡到完全智能化的作业机器人目标。5工程机械智能化的一些具体目标：具有检测和识别工作对象与工作条件的功能；具有根据工作目标自行作出决策的功能；具有响应决策、执行动作的伺服功能；具有自动监测工作过程与自我修正的功能；具有自身安全保护和故障排除功能。,6。中外工程机械产品技术已从一个传统成熟期走到了现代化时期.工程机械产品的综合技术水平跃上了一个新的台阶。其中之一是:IT改造了传统的工程机械产品，计算机辅助设计,辅助制造及辅助管理装备了工程机械制造业，IT网络技术也装备了工程机械的销售与信息传递系统.从而让人们看到了一个全新的工程机械行业。目的：提高工作效率、作业质量、工作可靠性节能环境保护、操作性能及自动化程度等诸多方面.并且在向着进一步的智能化和机器人化方向迈进。,电子技术在工程机械上的应用:1自动选择（控制技术）机器的作业模式，例如挖掘机的3种作业模式动臂优先、回转优先和微调整。串联振动和双轮全振动等。2发现和排除（电子监测）机器系统的故障，例如发动机润滑油失压、风扇传动带断裂、液压油污染或过热和滤油器堵塞等，均能及时发出声响或灯光报警。3自动检测质量（称重，自重）（电子传感器和微电脑结合）。随机检测振动压路机的压实度。自动检测与调整沥青混合料的级配比例与出料温度等。,4电子消音器（工程机械驾驶室内噪声可以降低到70d（A）以下）:通过电子仪器分析发动机排气噪声的波形结构，并产生一种与之相位差180的干扰声波，这种“抗噪声”与发动机排气的噪声相抵消，从而过到消声的目的。这种电了消音器还可用于消除发动机的基本噪声和驾驶室内的噪声。5工程起重机的快速循环伸缩自动控制；6路面铣刨机转子工作与驱动行走的动力分配自动控制；7振动压路机的自动变幅控制；8摊铺机的输分料自动控制与慰平板自动找平控制；9还有机器故障报警电子控制与辅助操纵电子控制等等,电子技术在工程机械上的应用:装载机等轮式工程机械动力：发动机的电子控制传动系：主离合器电控双离合器液力变矩器？变速箱电子控制系统驱动桥智能差速器转向系统的线控技术制动系统的线控技术；ABS；悬挂系统的线控技术液压系统的电控技术工作装置控制技术整机控制,装载机,发动机电子控制自动控制其功率输出及实现与液压系统的最佳匹配。从而获得最高的生产效率和最低的燃油消耗。应用在装载机上，可以使燃油消耗量降低20%，发动机的非工作磨损及技术保养工作量减少，并且能够净化废气排放。,装载机,发动机的电子控制,1.N=MnM：恒扭矩调节发动机控制系统控制油门开度的大小，实现发动机转速输出的调节,装载机,发动机的电子控制,装载机,发动机的电子控制,装载机,发动机的电子控制forwheelloader,装载机,2。变速箱电子控制系统,装载机变速箱自动换档，首先分析换档规律，确定自动换档曲线及自动换档控制方法，最终采用硬件和软件的方法实现自动换档。,装载机,工程车辆电控自动变速系统原理,自动变速控制系统主要由三大部分组成：车辆参数测量系统车辆是按照驾驶员的意图行驶和工作的，驾驶员意图的识别是通过传感器对车辆控制机构的变化的测试，经过分析获得的。车辆行驶状态参数反映车辆的工作状态，可以反映车辆系统的工作是否处于最佳状态，自动变速控制系统依此改变控制参数实现车辆的最优性能控制。自动变速电子控制单元（ECU）系统参数的采集、处理；接受各种控制信息；执行控制程序，完成各种控制功能；输出驱动功能；具备系统自诊断功能；与监控系统进行及时通信的功能。换档执行机构执行机构是实现变速的操纵部件，电控自动变速系统的控制信号通过换档执行机构实现自动变速系统传动比或工作状态的改变，保证对车辆性能的控制。同时执行机构还要保证换档品质的控制。,自动变速,装载机,工程车辆电控自动变速系统原理图,自动变速,装载机,自动变速,装载机,半自动变速,装载机,图4.4控制系统电路结构框图,半自动变速,装载机,图4.7硬件电路图,半自动变速,装载机,图4.8变速箱控制电路板,半自动变速,装载机,图4.9电控换档程序流程图,半自动变速,装载机,装车试验通过对换档手柄的操作，检验其实际控制性能。与现用其它型号变速箱电控系统相比，经多人驾驶分别安装了两种控制系统的装载机，实际操作上没有感觉到差别，证明该电子控制系统设计的原理正确，运行稳定、可靠，系统功能满足该型装载机的实际操作要求。功能试验按照装载机操作流程，发动装载机，在启动连锁无效、或换档手柄的档位不在空档位置时，车辆不能启动，否则可以正常发动。车辆启动后首先进行行驶状态中的换档试验。在行驶过程中，驾驶员操纵换档手柄在不同档位之间切换，经多次反复启动、换档操作，装载机能进行正常的换档操作，行驶平稳。,半自动变速,装载机,4。（挖掘机）液压系统,液压挖掘机控制系统：对发动机、液压泵、多路换向阀和执行元件(液压缸、液压马达)等进行控制的系统。使液压挖掘机向高性能、自动化和智能化发展。挖掘机研究重点-智能化机电液控制系统。,1）液压泵的控制系统对液压泵的控制是通过调节泵的摆角来实现的。根据控制形式的不同，可分为功率控制系统、流量控制系统和组合控制系统。液压挖掘机上常用的为组合式控制，如双泵总功率控制、双泵分功率控制。泵控系统又称容积式系统，是以液压伺服泵(变量泵)为功率放大元件的系统，通过改变泵的排量来控制进入执行元件的流量，从而改变输出速度。,2）液压阀的控制系统换向阀控制系统的功能是实现多路换向和比例流量的控制，可以改变挖掘机执行动作种类、控制执行响应速度、规划挖掘机工作路径。常用的有:先导型控制系统、负荷传感控制系统和由负荷传感控制阀与负荷传感控制变量泵组成的完全负荷传感系统阀控系统又称节流式系统，是以伺服阀(包括电液伺服阀、电液比例阀)为功率放大元件的。,3）.执行元件的控制系统（机械手）液压挖掘机有六个自由度，对应六个执行元件左右行走液压马达、回转液压马达、动臂液压缸、斗杆液压缸和铲斗液压缸。行走和回转运动相对简单，其控制系统也简单。行走控制主要是根据需要或外界环境(如上下坡)控制行走速度。回转控制系统主要是防止上车回转摇晃。较复杂的是工作装置挖掘、卸载等运动的控制。（机械手）为了提高生产率和节能，在挖掘装载过程中，需要液压马达和三种液压缸(动臂、斗杆、铲斗)协调工作。所以工作装置控制系统应具备挖掘控制功能，如铲斗沿水平面或与水平面成一定角度的直线运动、圆弧运动或任意轨迹运动:装载控制功能，要求铲斗始终相对地面保持一定角度，保证土方不会在提升时溢出;复位控制功能，即卸载后通过动臂、斗杆、铲斗和回转四个动作联动，恢复到开始挖掘的位置。现有的控制方式有:采用机液控制，采用计算机控制，具有相应杆件转角位置传感器的反馈控制系统。,4）.挖掘机整机控制系统整机控制系统是指对发动机、液压泵、换向阀、执行元件及故障诊断同时进行综合管理的控制系统。其特点是:采用电子控制压力补偿的负荷传感液压系统，由负荷传感控制阀和负荷传感控制变量泵组成，其特点是泵的输出流量始终等于执行元件所需的流量。采用电子控制动力调节系统，通过计算机对发动机和液压泵进行功率设定，确定发动机油门开度和液压排量，根据不同负载作业工况，选用合理的发动机特性曲线。采用人工与电子联合控制的操纵系统。采用终端故障诊断系统。,5。电控差速器,装载机,装载机,6。调平机构（电控，液控或电液控）液压伸缩臂式叉车是一种新型多功能物料搬运设备，在伸缩臂俯仰过程中，其前端货叉的水平角度随之改变，发生货物滑落事故。电子调平方法，是在伸缩臂销轴和货叉架销轴处设计安装若干个角位移传感器，并与控制器和液压系统组成一个闭环控制系统，当伸缩臂变幅时，传感器采集角位移信息并传送至控制器，控制器根据该信息指令液压系统对货叉架翻转液压缸的有杆腔或无杆腔进行补油，控制货叉架进行相应的姿态调整，调整信息由货叉架销轴处的传感器采集并反馈到控制器，控制器计算比较个销轴处的角位移信息，自动调整对翻转液压缸的补油流速，从而在伸缩臂变幅过程中使货叉始终保持水平或预先调定的角度。该方法的优点是调平精度高,液控,滑移专用调平阀,液控,旋挖钻机是工程机械行业中机电液一体化的施工设备，用于完成深基础桩的钻孔作业，孔深可达数十米。1。上车回转是在作业中使用很频繁的动作，而其回转定位精度关系到钻孔作业成桩质量;上车回转由启动、回转、制动三个阶段构成，回转负荷变化大，系统参数调节与动作控制设计关系到系统节能与工作效率的提高定位精度控制2。吊臂垂直度3。深度定位,钻杆,立柱,回转,主卷扬,7。作业机构,旋挖钻机机电一体化功能的设计A、发动机与负载相匹配(降低油耗、减少噪音)的电子控制系统;B、手动和自动切换，监控立柱垂直度(保证柱孔垂直度)的自动纠偏系统:C、高精度钻孔倒土回转定位(防止桩孔变形)控制技术:D、钻孔深度(防止过放钢绳和确认孔深)测量及显示系统;E、故障(带负载起动，卷扬过卷)检测、报警及信息显示系统;F、整机工作状态(启动前先自动预检)动画及虚拟仪表显示系统;G、GPS定位与移动电话数据(快速联络、及时到位)传输系统:H、成柱过程(提高成桩质量)的反馈显示、记录、打印系统;,(1)液压系统设计:主要考虑三方面的因素，减少能耗、提高工作精度且不使工作效率很低，这是整个回转液压系统设计的总思想。在系统中，减少能耗的设计由两部分实现，一部分是通过功率匹配系统，另一部分是通过蓄能器的能量回收和释放;回转精度控制通过电液比例技术实现。(2)控制方法的研究:由于液压系统中用到比例电磁阀和电液换向阀，它们的动作要根据负载、马达转速和马达角度的变化而变化，所以要通过传感器进行闭环控制。要编制合理的控制算法，并对控制算法的一些参数要进行合理配置。,旋挖钻机,8。整机作业控制,轮式铰接转向装载机线控转向系统,博士生学位论文：1装载机线控转向技术研究王同建指导教师：张子达2装载机线控转向控制系统研究罗士军指导教师：张子达3装载机容错线控转向系统研究胡静波指导教师：张子达,线控转向问题的提出,装载机线控转向,装载机线控转向控制系统设计线控转向控制系统路感控制线控转向控制系统电液位置伺服控制控制系统硬件设计控制系统软件设计线控转向控制系统试验研究,国内外轮式装载机液压转向系统,国内轮式装载机转向系统,1.液压助力转向系统,其特点是操纵轻便，是轮式装载机最早使用的转向系统。稳定性差、负载刚性差、机械反馈机构复杂、易磨损、间隙大、调整困难,国内外轮式装载机转向系统,2.全液压转向系统,其优点是操纵轻便，不用复杂的随动连杆机构。缺点：转向器体积大，仍然不如带流量放大阀的系统优越，同时该系统一般中位压力损失较大，系统发热大。,国内外轮式装载机转向系统,3.同轴流量放大,优点是减少了一个流量放大阀，性能优越，结构简单，成本低。适合于需要较大转向流量的大吨位工程机械。缺点：试制阶段，与其配套使用的优先阀国产产品的质量也不过关，稳定性较差,国内外轮式装载机转向系统,4.流量放大转向系统,优点是以全液压转向器只作为先导，操纵轻便。缺点是油液粘度发生变化时，流量放大阀输出流量会发生变化,5.负荷传感转向系统优点是通过优先阀可保证转向系统液压油的流量需求，然后将多余的流量送入工作装置的液压系统，使得转向泵多余的流量得到利用。缺点是没有路感。,6.命令控制转向系统Cat988其特点是方向盘转半圈即可实现全转向，可提供更快的响应和更精确的控制。缺点：当装载机处于高速行驶工况时，由于其转向灵敏度很高，导致其行驶稳定性下降。,7.转向变速集成控制系统该系统取消了常规的方向盘，转向、换档及前进、后退合用一个操纵杆控制。这种全新的操纵控制系统使司机的劳动强度大大降低。由于取消了方向盘，国家的相关法规不允许，因此其实际应用依赖于相关法规的修改。,装载机线控转向系统方案设计路感，转向角度,（电子）方向盘模块路感1-方向盘2-力矩传感器3-减速机构4-方向盘转角传感器5-电动机驱动单元11-电动机角度传感器12-直流伺服电动机。6-主控制器。转向执行模块（电液比例方向阀）：7-转向油缸位移传感器8-转向油缸9-压力传感器10-电液比例方向阀及流量放大阀组,线控转向系统技术概述,线控技术(X-By-Wire)最初是在航空航天领域中发展起来的由于其显著的优点，近几年开始在车辆行业成为研究热点之一。线控技术在车辆上的应用可分为四类：线控转向(Steer-By-Wire)、线控制动(Brake-By-Wire)和线控油门(Throttle-By-Wire)线控悬挂系统。线控转向系统指通过微电子技术连接并控制转向系统的各个元件来代替传统的机械或液压连接。,世界各大汽车厂家、研发机构包括奔驰、宝马、本田、通用、Daimler-Chrysler、DELPHI、TRW等先后对汽车线控转向系统做了深入研究。目前许多汽车公司开发了自己的线控转向系统，一些国际著名汽车生产商已在其概念车上安装了该系统。2004年同济大学在工博会上展出的家用微型电动车“春晖三号-嘉乐”，运用了线控转向技术。,在工程机械领域瑞典的卡尔马工业公司率先在集装箱货物转运车上成功地应用该技术。美国的伊利诺斯州大学（UniversityofIllinois）在卡特彼勒（Caterpillar）公司的资助下正在着手线控转向方面的研究工作。Sauer-Danfoss公司开发出一套可以应用于线控转向系统的装置。国内中科院合肥智能机械研究所在国家863计划的资助下正在开发智能转向控制器，并应用到叉车上。,装载机采用线控转向系统的主要优点,提高车辆的操纵性能提高车辆的稳定性能转向灵敏度可调优化路感简化装配为无人驾驶提供解决方法,装载机线控转向系统的关键技术,由于方向盘和转向轮之间无机械连接，提供给驾驶员的“路感”必须模拟生成。如何生成让驾驶员能够感知装载机实际行驶状态和路面状况的路感，是实现线控转向系统必须解决的问题之一。轮式铰接转向装载机线控转向系统的转向是通过转向油缸行程的改变来推动前后车架相对位置以铰接点为基准发生偏转，从而实现车辆的转向角度发生变化，如何实现转向随动是线控转向系统必须解决的另一关键问题。电子部件如何保证线控转向系统的稳定、安全、可靠，也是线控转向系统应解决的重要问题。,路感控制子系统在路感模拟设计中不计系统的干摩擦，常用基于经验的车辆转向系统回正力矩算法模型，通过驾驶员主观评价方法确定经验模型的参数。以车速、侧向加速度和方向盘输入角度划分为不同的运动工况，建立方向盘力矩特性曲线。以力反馈电机的输入电流作为控制目标，实现对电机输出扭矩的控制。,转向角度控制子系统典型的电液伺服系统。电液比例方向阀PID控制。自适应控制（AC），鲁棒控制，非连续系统控制及智能控制。,装载机线控转向系统方案设计路感，转向角度,（电子）方向盘模块路感1-方向盘2-力矩传感器3-减速机构4-方向盘转角传感器5-电动机驱动单元11-电动机角度传感器12-直流伺服电动机。6-主控制器。转向执行模块（电液比例方向阀）：7-转向油缸位移传感器8-转向油缸9-压力传感器10-电液比例方向阀及流量放大阀组,（电子）方向盘模块路感,电子方向盘总体结构1、2-档位指示灯；3-转向手柄；4-换档开关；5-旋转电位器；6-光电编码器；7-扭矩传感器,方向盘子系统,电子方向盘内部结构1-力反馈电机；2-换档电机；3-换档限位机构；4-小齿轮；5-行程开关；6-齿条；7-减速齿轮,转向执行模块（电液比例方向阀）：,大通径比例阀控制方案线控转向系统组成原理,电液比例方向阀,电控单元,电控单元,图3-4描述了用大通径比例换向阀直接控制转向油缸组成的线控转向系统方案原理图。在本系统中采用北京华德液压工业集团责任有限公司的4WRE10E64-10B型比例方向阀取代原系统中的流量放大阀，由该阀实现对转向油缸的运动方向和运动速度控制。用具有力反馈特性的电子方向盘取代原系统中的转向器，实现对转向系统指令的输入以及为驾驶员提供合适的路感。,大通径比例阀控制半实物仿真,从实验结果中可以看出，在控制算法采用常规的PID控制，在参数调整合理的情况下，该系统可以较好的对输入信号进行跟踪，基本可以满足转向系统的要求。但是，在实验过程中发现，该系统的能量损失比较严重，其表现为液压系统的油温升高较快。其原因为：该系统采用的是定量泵供油，比例换向阀控制油缸，在速度调节过程中必然存在溢流损失和节流损失，这种情况在转向速度慢时更为严重。,大通径比例阀控制半实物仿真结果：,大通径比例阀控制国外线控转向系统原理图变量泵（国外）,电液比例方向阀控制流量放大阀系统定量泵,1-流量放大阀2-转向泵3-卸载阀4-控制泵5-位移传感器6-压力传感器7-电液比例方向阀8-转向油缸9-转角传感器10-电子方向盘11-力反馈电机,线控转向系统组成原理,本文所设计的比例方向阀控制流量放大阀系统原理如图所示，在本系统中，取消了原有的方向盘和全液压转向器，取而代之的是具有力反馈特性的电子方向盘和比例方向阀。(电液比例方向流量阀)其工作过程为：驾驶员转动方向盘带动旋转电位器转动，电控单元（ECU）检测油缸位移传感器的输出值与方向盘旋转电位器的输入值是否相同，如果相同，保持现在的转向位置不动；如果不相同，则根据差值的大小及符号产生不同的控制电流去控制相应的比例电磁铁使比例方向阀输出相应的控制流量，控制流量放大阀主阀芯的位移，从而使车辆实现转向，当二者的差值为零时，ECU输出给比例方向阀的电流变为零,，此时控制流量也变为零，流量放大阀主阀芯回到中位，车辆停止转向。同时，ECU还检测压力传感器的数值，在转向过程中，由于转向油缸压力升高，压力传感器输出电压也随之升高，ECU根据两个压力传感器反馈电压值的大小输出相应的控制电流控制力反馈电机转动的方向和输出力矩的大小，当停止转向后，转向油缸中的压力降到接近为零，此时力反馈电机的控制电流也变为零；如果在正常行驶过程中，驾驶员没有转动方向盘，轮胎遇到障碍物时会导致转向油缸相应的腔中压力发生变化，使压力传感器的输出电压发生变化，最终导致力反馈电机的控制电流也发生变化，从而使驾驶员能够有合适的路感。,线控转向系统组成原理,北京华德的4WRE10E64-10B型电液比例方向阀,电液比例方向阀工作原理,带位置反馈的直动式电液比例方向阀1-位移传感器；2、7-力控制型比例电磁铁；3、6-对中复位弹簧；4-阀芯；5-阀体,北京华德的4WRE10E64-10B型电液比例方向阀,电控单元总体结构：ECU完成以下功能：接受各种控制信息。系统参数的采集、处理。执行控制程序，完成各种控制功能。输出驱动功能。具备系统自校正功能,电控单元,电控单元总体结构,电控单元硬件设计,软件设计方案,1-控制泵2-转向器3、4-左右转向限位阀5-转向油缸；6-流量放大阀7-转向泵,存在的主要问题（5点）,原转向系统（带流量放大阀）,存在的主要问题（5点）,1。由于该系统结构设计时考虑实际使用工况不周，以至造成非转向状态下液压泵高压溢流，导致液压系统发热及掘起力、牵引力不稳定的问题。产生以上现象的根本原因就在于压力匹配调整回路中的分流阀弹簧腔信号油的通断未与装载机工况相关联，从而导致转向液压系统高压溢流，造成功耗。,存在的主要缺点,存在的主要缺点,与工况相关联的流量放大阀,存在的主要缺点,2。转向器输出的压力油不是直接控制转向油缸，而是通过控制流量放大阀去控制转向油缸，因此装载机的转向阻力，也就是道路情况完全不能在方向盘上体现出来。（无路感）,存在的主要缺点,3。流量放大阀主阀芯的位移是靠转向器输出的压力油流过主阀芯两端的节流孔产生的压力损失而造成的，而主阀芯两端的节流孔不只是一个，而是六个，且这六个节流孔所在的轴向位置也各不相同，因此在加工过程当中势必存在形状与位置公差，造成左右转向的不对称。4。主阀芯的位移力是通过节流损失造成的，因此，油液的温度对转向过程也将产生影响。,存在的主要缺点,5。转向速度与方向盘的转速有关，但是在最快的方向盘转速下，驾驶员也需要转动方向盘3圈左右才能使装载机从一个极限位置转到另一个极限位置，因此驾驶员的劳动强度较大。,线控转向控制系统试验研究,线控转向系统台架实验,线控转向电控系统试验台布置示意图,线控转向系统台架实验,实验现场图片,线控转向系统样车试验,实验样车,方向盘安装,压力传感器安装,比例方向阀及流量放大阀安装,位移传感器安装,谢谢！,发表的学术论文：1.王同建，刘昕晖，张子达，装载机线控转向系统PID控制参数模糊自整定研究，吉林大学学报（工学版）2.王同建，罗士军，胡静波，张子达，装载机线控转向系统硬件在线回路仿真，农业机械学报3.王同建，刘昕晖，王祥玉，流量放大阀特性实验研究，工程机械，已录用4.王同建，张子达，罗士军，徐进永，线控转向技术在装载机上的应用，机床与液压，2005.65.王同建，徐进永，瞿爱琴，张子达，线控转向技术在工程机械上应用前景与展望，吉林大学学报（工学版），2004.7第34卷增刊：17-216.王同建，高建明，罗士军，张子达，装载机线控转向技术半实物仿真系统设计.吉林大学学报（工学版），2