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一个帮助液压挖掘机操作员的数字控制系统摘要一个帮助液压挖掘机操作员的数字系统被提出并讨论。然而，基于描述思想的控制系统被安装在一个装备有D/A和A/D转换器的特殊数字控制平台上，这个控制系统被用于K-111型小型液压反铲挖掘机的装备上。实验结果表明它满足所有的要求并且可以当作机械操作人员的帮助系统。它使精密工具指导,自动重复实现的动作,实现特定的工具（包括大力优化路径轨迹）和自动改进或优化途径的实现。工具的轨迹也可以规定使用设置模型,使遥控操作器类的挖掘机更好地分类。所给出的系统可以用作基础实机控制系统。1998爱思维尔科学B.V.保留所有权利。关键词：数字控制系统；液压挖掘机；工具轨迹1. 简介 重型机器的自动化,包括液压挖掘机,开始于1970年,，是可能由于实时控制器和发明具有良好动态性能水力要素。第一个挖掘机配备几个机电一体化系统,它是显示为一个工作模型,是挖掘机的未来准备的奥伦斯坦和科博尔第83届博览会为宝马展。从那时起,机器配备系统自动化引擎操作、泵的操作,机器设备,机诊断等。这样的系统带来真正的帮助操作者和清晰的经济利润。例如,利勃海尔LITRONIC R902挖掘机装备系统(一个战壕挖掘机)比类似没有这样的自动系统的机器有效率高40%，单位成本低30%。虽然自动化在某些情况下,优化。几个机系统发展的速度很快,主要的机械过程推搡过程没有正确理解和描述直到现在。它的自动化是很限于系统重复已经执行了运动、激光整平等。和系统优化这些过程不发达然而。很新的实验结果显示清晰的想法为大力优化工具轨迹中粘性材料。工具提示必须引导沿滑移线,产生的提示工具在前阶段的推搡过程。意识到这样的轨迹为实用目的和真正的机器,有必要构建一个特殊的刀具运动控制系统,使自动实现这样的轨迹以及认识其他的任务,帮助运营商。考虑到获悉这笨重的机器,开发,这样的系统必须适合数控电动液压驱动。在本文提出这样的概念控制系统,验证了实验结果。2轨迹的优化工具它是通过实验发现1，2,在此案挖土过程中由于重型机床,粘性材料变形产生刚性区滑动沿着滑移线可见裂缝。沿着这大大改变其材料-参数(初始凝聚力c下降到残余值接近c r=0).对于简单的工具推动过程垂直墙,力-位移关系表明,水平力随着工艺的进步,但在一个不稳定的方式。减少的时刻的力量一致与创建一个运动学机制始发从工具结束。这样的机制是定期创建,可以从理论上描述动可使用的机制塑性理论48(图片1)大量的努力,以描述土壤切削过程中的塑性理论,在那里的积极压力施加于一个刚性墙在颗粒介质在平面应变。赖斯-优化可以被假定为一个简化的推土模型。在这种情况下,该方法的特点是使用3,9和几个理论解决方案静力学和运动学。,获得了在这个假设土壤行为的理想刚性。虽然一个数量的边值问题以这种方式解决,存在一些局限性在获得完整的解决方案,甚至动9容许的,特别是在案件的更先进的地球切削过程。另一种方法,基于可动机制,提出了后5和应用的描述更先进的地球推搡流程播放6，7,10-12。让我们讨论这个问题的平面应变刚性墙如图1示意。假设这个材料是塑料和刚性完美遵守库仑莫尔屈服准则:流动法则采用这种形式的:在这个情况下,当潜在的描述屈服准则（图1）,相关的流程规则假设,当另一个功能是,流了规则是不相关的。使用这种方法和假设的变化材料参数在滑线6，7，不同的动可解刚性墙推搡过程可以提出和解决方案预测最低能量的快速搜索。图1 运动可解决刚性墙的形状就像字母L呈现在图1。它显示了主要实验观察到的影响。随着过程进步,水平力生长在不稳定态度和力矩下降的力恰逢创建运动学机制来自工具结束。这样的机制是定期创建。这是显示2,6、7、10,这样的理论预测描述相当好了主要实验观察到的影响。考虑到实验的观察和理论的解决方案,它可以显示实验一旦创建了滑移线内聚合材料,大力有效工具的方式填充遵循以前创建的滑线的工具的尖端。实验在一个特殊的实验室进行站在平面应变条件下,使用一个人造材料,模仿一个粘土及其参数。它包括:水泥- 50%,膨润土-砂- 18%和20%白凡士林- 12%。白凡士林线的应用,作为一个组件,导致了获取一个粘性土壤,参数没有影响通过空气湿度和液体流动。它还确保了这些参数是稳定在所有实验程序。典型的实验结果12所示在图2、4中，等量的挖出物料大约600 N.在以下方式。L型曲线,倾斜角度是模拟真实的。过程中,LA=180 mm首次推向坡到一定位置图2 b 。当该工具是前进,滑移线的定期创建从工具提示的材料自由边界的角a=45度。 在下一阶段的撤回阶段。工具提示是沿着三个不同的直线路图2 c。同时旋转的工具图2 d。它充满了材料。那些直线是倾斜角度a=30度,40度和50度。 A等于40度和50度时的值接近滑移线的倾斜中创建工具横推搡过程图2 c 。这意味着在这样的情况下,最终的工具几乎运动沿滑移线,材料的凝聚力c大大下降由于材料软化在滑动过程。特定的能量的过程不同初步的水平位移,选择确保类似数量的挖出物料在每一个测试（600 N）显示在图3。可以看出,在a等于30度的案例,具体单位能量是多少高于a等于40度和a等于50度（甚至超过100% ） 。 因此,进行工具提示沿线倾斜角度滑移线倾向,具体能源的填土处理过程可以显著降低。实验结果显示,在案件的粘性土运土的过程:（1）材料变形作为刚性区滑动沿着滑移线大大改变其参数资料吗凝聚力；（2）移动机器工具沿着以前创建了滑移线,可以大大节省能源用于挖土过程。图2图33. 计算机辅助控制系统的基本概念这在之前所分析的力学土壤变形在推搡过程,它可以确定最优切削能量刀具轨迹。因此,工具自动运动沿滑移线生成聚合材料有一个很重要的选择提出的系统。它还应该使精密工具指导,自动重复已经意识到运动例如“座谈会”。实现的一些工具运动不可能实现手动等。考虑到今天的经验与自动化重型机器,这样的系统应该构造辅助机器操作员,他仍然扮演一个主要的决定性控制作用。因此,适当分离的任务,在控制系统和运营商,这是必要的。这种控制系统是建立在对挖掘机实验室规模。其基本假设可以被声明如下:（1） 操作的中央控制系统是基于合作的两个数字系统。第一个直接控制的运这台机器夹具使用的控制系统液压缸位置。第二个作品出控制信号的第一个。（2）在标准工作条件、作用的比例液压阀控制气缸的夹具，通过计算机直接操作符控制可能只有在紧急情况下条件。（3）机器之间的反馈环境和控制系统是通过运营商实现。他参与的过程中不断行骗-控制机器的夹具运动。（4）为实现这个工具是不可能手动运动控制,操作者有可能协调位移的独立气缸通过硬-器皿或软件。（5）这个操作符有一个可能性切换到自动控制的夹具运动意识到一个特殊的工具轨迹。例如,它可以大力优化工具轨迹在哪里工具提示沿着滑移线或特定的轨迹意识到并存储之前。（6）最优切削工具的轨迹也可以意识到作为校正鉴于操作员的轨迹。这样的校正主要完成在时间parametriza -刀具轨迹的优化。（7）给出的运动轨迹操作员可以纠正系统送进这样的限制是几何的,最大水泵的功率,最大的输出泵,最大泵效率,等等。提出了概念是基于这样的合作操作员和控制系统之间的夹具动作控制的操作符而控制系统纠正他,或者当接受命令时,可以自行运动。4控制系统功能的例子 控制系统根据上面所描述的想法是安装在一个特殊的数站,配备电脑的电脑有C/A和A/C电弧转换器,小型液压反铲挖掘机k - 111配件使用。控制系统的夹具动作运用控制系统的气缸位置。夹具位移控制的比例液压阀的变量输出多活塞泵。 控制系统是基于固定气缸在三个控制系统,各控制不同位移使用PID或状态控制器。 它使控制装置动作使用不同的方法工具的轨迹规划,测量的表演力和位移和确定其他震级与夹具运动。实验数据采集是也可能的。一个非常重要的问题,它应该是考虑当构建控制系统,是该工具的轨迹规划方法。这是实现通常。通常在两个步骤中实现。第一，轨迹规划和确定形状。第二，轨迹曲线参数化在时间在一个确定的方式，定义了在广义坐标空间轨迹。在此基础上,广义坐标的时间运行描述配置的决心。对于一个挖掘机,液压缸的长度是那些坐标然后他们被用作信号控制系统繁殖计划的轨迹。一些系统的能力如下所述。4.1 该工具沿规定路线运动控制系统构建实验站编程了工作在挖掘机工作空间运动,或在它配置空间,使用“点对点”技术。在该方法中,初始的和最终的坐标点,和足够数量的特点节点,定义。值描述这点是,引入系统,在那里剩余的点的轨迹都是计算使用插值方法。线性或第三个学位使用多项式插值。轨迹可以实现参数化在时间通过:确定总轨迹运行时并把它分成单独部分的路径。确定运行时后，之间节点,考虑到一些限制或条件优化。对于标准挖掘机施工,它是很难精确实现轨迹,在同步运动的两个或三个气缸是必要的。4.2 该工具运动使用设置模型另一种方法控制夹具运动是控制使用设置模型。它是某种类似于机器人机械手装置。控制实施通过幻影，理解为运动复制或模型这台机器运动学,配备系统测量运动参数。挖掘机控制以这种方式成为机的遥控机器人类。设置模型是k - 111挖掘机夹具的模型,位于板,按1:10的比例制造。 三个电位器位于旋转轴的模型元素。信号从这些电位器使我们能够确定配置的夹具。机械提供到模型中,以限制的旋转角度个人夹具元素值中获得k - 111挖掘机夹具。特殊开关激活该系统。设置模型仅用于规划的工具路径和在其运动轨迹的工具登记使用点的方法。轨迹注册时间:长度增量之和,比较与前位置,高于假定。时间数据登记后相比前注册的时间。轨迹上的点的路径,在相等的时间内注册间隔,不包括夹具停工。路径节点定义为相应的夹具缸的长度。其他路径点计算了计算机应用线性插值在配置空间。偏差的路径计算这样从样的设置模式可以忽视的节点间隔相应的几个采样周期。参数化路径基础上实现的假定输出液压馈线。因此,该系统可以通过节点注册和决心的基础上已经描述节点和假定的输出给料机。设置点的控制系统夹具缸位置。如果设定的运动模型是缓慢的,因为正确假定馈线输出,真正的挖掘机夹具动作像它模型。更快的动作,路径规划的进步实现真正的挖掘机夹具。实验结果为夹具运动控制通过设定模型是呈现在图4,在以下阶段的挖掘机夹具轨迹规定的使用设定模型显示。虚线是指设定模型,实线指的是真正的挖掘机夹具和分指节点的路径。在这种情况下,假定馈电输出,运动的设置模型是太快的挖掘机移动同步。节点的路径,用于控制系统的夹具气缸的位置,是还提出了在图4。设置模型路径、机夹具路径和价值观使数量评估计划的再现性轨迹是呈现在图5。图6显示变化的缸长度的设置模型的基础上推导信号来自positionometers-solid线。 和计算控制系统缸长度变化的k - 111夹具虚线。,误差响应在夹具（运动虚线）。运行的繁荣的标志是指数（w）、手臂（r）和斗（l）。运行之间的差异的信号设置模型和设置点真正的夹具结果从方法上的时间参数化假定的基础上输出（运动的支线设置模型超过真正的夹具可能性）。图44.3 该工具沿着直线运动在介绍情况下,协调的夹具气缸运动是由硬件实现,意味着使用设置模型。它也可以被意识到通过软件。机器操作员（使用特殊的按钮）,可以生成水平或垂直工具运动保持恒定值的图5图7图9图8工具切削角在每一点的机器工作空间。规定的工具路径存储使用在配置空间点的方法。更多的,机器操作员决定运动速度这是纠正了控制系统结合考虑馈线输出。在图7和8中，这样的控制水平运动的工具显示了结果。刀具轨迹显示在图7中。在图8中，夹具长度计算得出规定速度与固体线。他们的计算长度假设馈线输出与虚线绘制的方式工具路径时间参数化法相似使用设置模型。这是看到,速度给出的运营商过高和系统修正气缸运动时机继续假定馈线输出。刀具运动的例子显示了斜行在图9和10中刀具轨的倾斜运动。该工具轨迹和相应长被影响。这种运动是实现一个水平和垂直的线倾斜运动（工具取决于之间的比例和水平垂直速度）。例如,工具轨迹沿着倾斜线可以实现在“撤回”阶段的推搡过程（图2）到遵循滑线或自动化,使土壤陡坡。4.4 自动工具沿滑移线运动实验结果分析土壤推搡过程显示,理论上是可能的预测滑移线的位置和能量优化工具轨迹。这在实验室条件下是可以做到均匀材料的。在现实情况下,当材料不均匀而没有明确定义的,材料必须自动检测到。图11程序自动滑线检测基于这样的观察:当切削工具开始穿透更致密的材料,那么增加的水平力是可以观察到的。这种情况也发生在工具提示动作滑线材料密度是相当小的与原始的物质材料不变形的滑移线背后之前。因此,观察到的增加推力可以用于滑线检测。这样如下描述的简化的版本程序,是可以通过如下方式实现的。刀具运动被当作一个水平,垂直和旋转运动和水平反应土壤测量和跟随。首先,该工具水平移动的那一刻当水平力下降,正值创建滑移线系统源自这个工具（图1）。如果这样的滑移线不能被创建为一个平推的结果,一个特殊的程序示例工具旋转可以应用。然后,工具是垂直移动的位移值规定然后再移动横向旋转的工具可以被添加。那一刻当水平力增加,超过定义值。如果是这样,工具是按一次垂直的描述位移，然后水平等等。这种方式,该工具的自行运动是沿（在一个步骤的方式）滑线运动的。这样的结果在图11和12中给出了初步测试结果。作为一个简化的模型,这种可能