【基于plc遥控自卸车模型的遥控器设计9100字（论文）】

基于plc遥控自卸车模型的遥控器设计摘要本次课程设计的对象是遥控自卸车模型，我们根据设计需要可以对自卸车进行相应的遥控控制。遥控自卸车模型是工程车仿真模型中的一种，这种模型基本是按1：30的比例制作而成的，以自卸车为例，它可以前进—后退，左转—右转，料斗上升—下降，并且模型具有减震器，后桥差速器等，它只是提供给逻辑控制试验的一个试验模型，只要是逻辑控制器件都可以实现对其控制，本次设计采用可编程控制器(PLC)对它进行控制。本课程设计以三菱FX2为例对它进行控制设计。实验过程中如果要求小车按某种要求完成某种动作，可按要求对PLC进行编程，将PLC的输出点按要求进行连接，再经过必要的程序调试，当执行该程序时，小车即可通过PLC的控制完成预定动作。关键词：PLC；自卸车模型；遥控器目录TOC\o"1-3"\h\u316621绪论 172071.1研究背景及研究意义 176931.2自卸车作业相关研究现状 152081.3研究内容 329912自卸车简述 3277662.1自卸车整车概述 3136762.2举升机构型式 465512.3自卸车倾卸稳定性分析 5279352.4自卸车的物料卸载机理 6314552.5自卸车的稳定性分析 8243853遥控自卸车模型的PLC控制 11217973.1遥控自卸车简介 11262533.2小车动作过程 1111613.3实验面板引用及说明 12290973.4运行时序图 12235473.5自卸车样机导入模型的仿真试验 13130904结束语 1610693参考文献 161绪论1.1研究背景及研究意义近年来，国内各种基础建设日益深入、施工规模和范围不断扩大，带动工程建筑机械以及相关遥控自卸车飞速发展。另外，由于政策不允许亲自操作自卸车，这也推动了遥控自卸车市场的扩大，也为遥控自卸车的发展开辟了广大的空间。随着遥控自卸车市场的逐步扩大，对其产品质量、安全性能和规格档次要求越来越高，一些新技术也逐步应用于遥控自卸车的开发中。在遥控自卸车结构中，臂架系统是最为关键的部位之一。臂架系统通常由转台、五节臂架以及液压缸组成，有十几米长。遥控车主要通过臂架系统将需要卸载的货物送到期望的放置位置。臂架系统的性能和构造直接影响浇筑效果。在移动过程中，五节臂架和转台通过协调运转，将货物均匀、连续、准确地运送到放置位置。而臂架泵送性能的好坏、输送准确性和平稳性对于泵车的整体性能有着重大影响。遥控自卸车的臂架系统是一个多冗余度、强非线性和刚柔祸合的多自由度系统，传统的遥控自卸车臂架的控制多采用开环控制单节臂架的收展，对臂架的操作全凭操作者的目测和手感，通过多次调节，使得臂架末端运动到浇筑位置。传统控制方式一方面对操作人员的技术水平要求较高，需要多人协调配合完成;另一方面也很难保证臂架运行的稳定性和柔和性，臂架末端难以平稳地移动。传统控制方式自动化和智能化程度比较低，这也限制了遥控车优势的发挥。因此，实现臂架系统的自动化、智能化控制显得尤为重要。现代科技的发展使得自卸臂架的智能化、自动化控制成为可能。臂架系统的智能化控制是通过控制系统实现转台和五节臂架的闭环控制。在闭环运动协调控制中，利用多功能集成遥控装置，给出臂架末端的运动方向和速度，再由控制器按照控制策略对各节臂架和转台进行轨迹规划，控制输出，使得臂架按照既定的末端轨迹协调、平稳地运动。利用自卸车臂架的智能化控制，不仅能够使得臂架更加平稳、准确、稳定地运行到浇筑位置，按照期望的轨迹实现移动作业，同时在降低人力、物力的消耗、降低施工难度、提高施工效率和保证施工安全等方面也具有重要意义。1.2自卸车作业相关研究现状国外学者对自卸车作业的侧翻稳定性以及相关方面的性能研究做了大量的科研工作。如某专家在综合考虑轮胎、悬架等因素的前提下建立了一种非线性模型，对大型矿用自卸汽车的侧翻稳定性进行了研究。还有其他学者和研究团体就引起自卸汽车失稳的原因和计算方法进行了广泛而深刻的探讨。国内学者对自卸车侧翻稳定性以及自卸车作业稳定性也做了很多研究工作。邓楚南等介绍了机动车侧倾稳定性的评价指标，理论计算方法的不足，以及采用侧翻试验台进行侧倾稳定角测试的必要性，并介绍了一种侧翻试验台的组成、工作原理、性能与结构参数以及测试功能。张宏伟提出了改善自卸汽车作业稳定性的几种方法，例如:合理选择举升机构的形式;尽量增大后支点之间的距离;增强副车架和车厢底架的扭转刚度等。胡超与张世杰就自卸车的静态侧翻进行计算，分析侧翻的原因，找出了解决的办法。吴森等人通过运用虚拟样机技术，利用ADAMS软件建立了自卸汽车举升机构的虚拟样机模型，实现了对举升机构设计参数的合理优化。在国外，有不少世界上汽车工业发达国家的汽车生产厂商不惜花费高成本来以建立试验场(室)和汽车试验研究中心，开展大量的试验研究工作，进而提高汽车的品质和推出新颖的产品。如法国雷诺汽车公司采用美国MTSSystems公司专门提供的悬架和转向型试验系统。其监控悬架寿命试验台除了能够保证模拟转向机构动作的扭矩、垂直、侧向和纵向移动外，还可以进行车身的耐振性、测量噪声等特性的研究。在国内，也有不少运营商建设了自己的汽车试验台（场），如中国定远实验场。可以用专门设计的试验台模拟很多汽车零部件的工况，尤其是测试关键零部件的结构及其性能。在模拟的试验台上用飞轮代表汽车行驶时的惯性力，用以试验制动器的性能；用水力或电力测功机代表汽车行驶时的各种阻力，以试验发动机的功率和扭矩等。在汽车试验的形式中，试验台试验的费用不算很高，试验所需的时间也比较短，试验条件较容易控制，应用范围呈日益扩大之趋势。但这种试验一般多用于单项性能或耐久性试验，或少数相关项目的综合性试验，不能较全面地考核综合性能。2007年东风汽车有限公司专门针对重型自卸车试验的问题，就重型车厂“自卸车上装性能试验台”进行设计、制造、安装、和调试。试验台主台架承重100吨，是东风汽车有限公司2007年重点项目，在技术上国内没有参考样件。制造完成后，能对重型自卸车进行油压、泄漏快速检测，对举升机构进行有限元分析，并对不同倾斜状态、不同质量、不同种类载荷下的上装性能进行试验等。此设备的研制将彻底解决重型自卸车设计制造中检测无依据问题，并为重型自卸车设计标准的制定提供依据。上述提及的试验效果虽好，但是以建设真实试验台来测试汽车性能的传统做法成本高，对企业实力要求相对也高；并且试验周期长，效率低，再加上自卸车车辆批量少、品种多、价格高且载荷重（尤其是重型矿用自卸车），对道路有一定要求。国际上对其结构的动态分析计算和稳定性分析无法像公路车辆一样通过实验室试验装置，如道路振动试验台，来模拟车辆运动。实际上，在汽车试验方面世界上只有极少数先进的汽车制造厂商，如美国的小松德莱赛，通过建立专用的试验场来获得实验数据，通过试验分析验证产品性能。而国内自卸车的制造厂则主要是通过模仿设计或通过技术转让进行生产，无自主创新能力和手段；自卸车试验方面也主要靠建设行业或矿山工业试验运行来检验设计和统计分析，成本高，时间长，风险大。1.3研究内容本课题针对自卸汽车在作业卸载时容易失稳的问题，通过采用多体动力学方法，应用以CAD/CAE技术为核心的计算机辅助技术，建立自卸汽车整车虚拟样机模型，综合考虑影响自卸汽车作业稳定性的各种主要因素，对自卸汽车的作业稳定性进行仿真分析，深入研究和优化分析，找出自卸汽车侧翻的临界值。对自卸汽车的侧翻机理及影响其作业稳定性的因素进行分析；在综合考虑影响自卸汽车作业稳定性的主要因素的基础上，建立简化的自卸汽车整车虚拟样机模型。2自卸车简述2.1自卸车整车概述普通自卸车一般结构形式为：发动机前置后轮驱动、柴油发动机、五档或六档变速器、前转向桥、后驱动桥、边梁框式车架、长头或平头驾驶室、前后均为纵置钢板弹簧式非独立悬架。副车架与主车架之间加装垫木，用主副车架连接座、U型螺栓紧固在一起，连接座位于副车架与货箱连接支座处。油缸下部销轴通过油缸支座铰接固定于副梁油缸支座横梁上，油缸可绕油缸下销轴线在油缸支座内摆动，油缸下销轴位于副车架对称平面并平行于副梁的对称中心线;油缸最上一节伸缩套焊有耳孔，耳孔轴线与油缸下销轴线平行，货箱与油缸通过销轴铰接在一起;货箱与副车架通过销轴铰接起来。总质量小于19000kg一般采用4x2驱动形式；总成质量超过19000kg，采用6x2或者6x4的驱动形式。自卸车主要性能参数①主要尺寸参数：轴距、轮距、外廓尺寸、前悬、后悬、接近角、离去角等；②主要质量参数：最大装载质量、整备质量、最大总质量、质量利用系数、容积利用系数、重心位置等；③其他性能参数：货厢最大举升角、举升时间、降落时间；行驶与卸货时的稳定性能其中，行驶稳定性的计算应包括的工况有：满载上坡不产生后翻的核算；b、满载下坡制动时不产生前翻的核算；c、满载侧坡直线行驶不产生侧翻的核算；而卸货稳定性的计算应包括：a、在水平路面上倾卸不后翻的核算；b、在自卸车最大爬坡度道路上倾卸时，不产生后翻的核算。2.2举升机构型式举升机构是自卸车的关键装置，是判别自卸车优劣的首要指标。举升机构布置应遵循的原则：在放平时举升机构不能与车身底盘上安装的零部件发生干涉。b、在可能的情况下，举升机构尽量朝前靠，以减小液压系统的压力。c、为减少配套件数量和加工件数量，在可能的情况下，尽量选用通用件。目前在自卸车行业中广泛采用液压举升机构。常用的举升机构根据油缸与车厢底板的连接方式,可以分为直接推动式和连杆组合式两大类。其中，中、大型自卸车多采用油压特性曲线较好的举升机构，如马勒里举升机构（T式），即油缸前推连杆放大式举升机构，如图2.1。它是目前国内使用最多的一种举升方式，适用载重量8~40吨，车厢长度4.4~6米。图2.1(马勒里-T式)自卸车举升卸载状态为了简化模型，可将自卸车前推连杆放大式举升机构抽象成图2.2所表示的连杆机构等效模型，通常由车厢（横线及以上机构部分代替）、三角形连杆ABC、拉杆BD、举升油缸EC和副车架组成。图2.2(马勒里-T式)举升机构示意图在图2.2中以车厢与副车架的铰支点O为原点建立坐标系，三角臂在A点与车厢底板铰接，在B点与拉杆铰接，在C点与油缸铰接；在D点处是拉杆与副车架铰接，在E点处是油缸与副车架铰接。工作时，油缸充油，使油缸EC伸长，三角臂ABC和拉杆BD随着转动并升高，举升车厢使其绕支点O倾翻。货物卸载完毕后，车厢靠自重复位。2.3自卸车倾卸稳定性分析稳定性是自卸车的一个重要性能指标，存在于静态、运行、作业3种工况中。在作业中，自卸车应具有可靠的稳定性，要求在上述任一工况下，都能克服外界干扰，正确地执行操作人员的指令。失稳的主要表现形式为滑移和侧翻在传统的产品设计与开发中，一般是在完成概念设计、方案论证和产品设计（多采用解析法、作图法、试验法、试凑法）后，还要进行样机试制及验证，类似的自卸车性能试验物理样机试验台模型如图2.3所示。根据《自卸汽车性能试验方法》规定，自卸车应该做专用性能试验、泄漏试验、倾卸作业可靠性试验、倾卸稳定性试验等。图2.3自卸车性能试验的物理样机试验台模型2.4自卸车的物料卸载机理安息角是影响物料卸载的重要参数。安息角是指松散物料自然散落形成堆状后堆面的斜坡角，即物料自身之间的摩擦角。货物静止时的安息角为静安息角，货物处于运动状态时的安息角为动安息角。如果将货物看作一个整体，可以认为举升角与车厢所载货物的安息角有着直接关系。如图2.4所示，α为举升角，μ为货物与车厢的摩擦系数，G为货物重力，流动力F1为：摩擦阻力F3为：图2.4货物受力分析当α角度值在0～90°范围内逐渐增加时，F1随着增大，F3随着减小。当F1=F3，即μ=tgα时，货物处于临界流动状态。一般运载物料与车厢的摩擦系数为0.5～0.8，所以当车厢举升角α在10°～20°时，自卸车所运载物料一般是不会流动的；当α在27°～38°时，物料处于安息角的临界流动状态，可卸货。物料的自然堆角如图2.5所示，车厢在绕翻转轴O点旋转以倾卸物料的过程中，车厢内物料的坡角γ和车厢的倾卸角δ之和是一个常数，即有γ+δ=Ø1，这个常数Ø1就是土料的自然堆角。图2.5物料的安息角表2.1所示为各种常见散装物料的密度和安息角。如前所述，货物的安息角是影响卸货状态的重要参数。例如，货厢最大举升角与安息角紧密相关。统计资料表明，多数货物的静安息角在40°～45°的范围，因此，为了保证卸货干净，一般自卸车最大举升角常取为50°～60°。此外，还需要注意在最大举升角时，货厢后板下垂最低点与地面保持一定卸货高度。表2.1散装物料的密度和安息角停于水平地面上的自卸车在卸料时，散装货料运动轨迹总是在车厢最大的铅垂面内，最后卸出物料，该轨迹线与水平面的交角等于物料安息角。这部分物料的质心位于自卸车纵向对称面内，对自卸车不构成横向侧翻力矩。当地面出现横向坡度倾角α使车厢底板横向倾斜时，车厢在举升位置上而厢内未卸的余料分布并不对称，质心位置将不在自卸车纵向对称面，而是偏于下坡一侧。此时自卸车上将出现附加偏心力矩，偏载一侧物料先于另一侧卸下，随着车厢的举升，车厢内残留物料的质心愈来愈偏离自卸车的侧倾轴线，加大了左右悬架的变形差，严重时甚至会使自卸车失去横向稳定性导致倾翻。2.5自卸车的稳定性分析具体说来，自卸车与一般载货车相比，由于其底盘车架、副车架、车厢副纵梁、中间垫块、车厢等结构累积高度尺寸参数决定了自卸车较高的重心，因而失稳的危险性也较高。其中副车架、车厢副纵梁、中间垫块的累加高度一般为480～550mm,再加上高栏板货箱内高一般为1400～1800mm,这样整车的重心高度一般在2000～2200mm之间。下面结合自卸车的货载状态、作业环境，举升工况、举升机构受力影响等方面，从理论上分析其在卸载作业中造成侧倾的机理,为考虑虚拟样机建模和进行稳定性分析的方案设计奠定基础：静止状态下，“刚性”整车的自卸车稳定性分析在不考虑悬架及轮胎弹性变形的影响下,把自卸车整车视为“刚性汽车”的模型。图2.6为自卸车静止于具有一定横向坡度倾角α地面上的示意图。图2.6不考虑悬架和轮胎变形静止状态下自卸车稳定性分析根据有关资料可知,一般自卸车在侧翻时尚未发生侧滑,此时计算较为简单,将有关参数代入相关公式即可算出整车质心高度H。公式为:式中，H1为底盘质心高度；H2为车厢和货物质心高度；W1为底盘质量；W2为车厢和货物质量；H为整车的瞬时质心高度。而自卸车不发生侧翻时的横向坡度倾角α的计算公式为:式中，α为横向坡度倾角；B为轮胎平均着地宽度。物料偏载时的自卸车作业稳定性分析客观上造成偏载的程度受自卸车所装载货物的性质不同以及装载方式、使用的工程辅助机械不同等因素影响。当出现货物偏载情况时，自卸车整车质心将相对车体纵向对称面产生一个偏移，设偏移初始值为Xx；货物的偏载也使自卸车左右钢板弹簧因承载状况不同而出现不同程度的变形，使车架左右产生高度差，设高度差值为(hy-hz)，如图2.7所示。这样，车厢和货物就会跟随车架平面相对于自卸车的车桥轴线产生一个角位移，设角位移值为β。当自卸车举升机构工作时，车厢及货物的整体质心会不断增高，同时质心也会不断偏移，进一步增加了自卸车左右钢板弹簧的变形量，使相对角位移β也相应增加。下式可近似地表示偏转角角位移β的变化：，式中，b为钢板弹簧中心宽度。图2.7货物偏载时自卸汽车作业稳定性分析3.整车为刚性时的自卸车作业稳定性分析自卸车作为工程车辆，其整车性能的发挥经常容易受到工作场地条件的限制。如图2.8所示，当自卸车停在横向坡度倾角为α的地况下工作时，其重力方向与车体垂直中轴线之间形成一个夹角α。假设依然不考虑自卸车悬架和轮胎变形的影响，在举升机构将整车质心升至高度H时，重力W所指方向的延长线与地面的交点不断偏离自卸车垂直中轴线与地面的交点。当倾角α一定时，自卸车的侧翻稳定性随整车的质心C（Xc，Yc)升高而变化。因此自卸车不发生侧翻的必要条件是：图2.9不考虑悬架和轮胎变形状态下自卸汽车作业稳定性分析3遥控自卸车模型的PLC控制3.1遥控自卸车简介遥控自卸车模型是工程车仿真模型中的一种，这种模型基本是按1：30的比例制作而成的，以自卸车为例，它可以前进—后退，左转—右转，料斗上升—下降，并且模型具有减震器，后桥并速器等，它只是提.史给逻辑拧制试验的一个试验模型，只要是逻辑控制器件都可以实现对其控制，这里我们采用可编程控制器(PLC)对它进行控制。这里以三菱FX2为例对它进行控制设计，其I/O按线图如下图所示。如果要求小车按某种要求完成某种动作，可以按要求对PLC进行编程，将PLC的输出点按要求进行连接，再经过必要的程序调试，当执行该程序时，小车即可通过PLC的控制完成预定动作。3.2小车动作过程小车一个周期要完成一组动作为:小车前进、调头、倒车到位、翻斗卸料后、调头回到出发时的原位，行驶路线如下。如果将小车的动作顺序细分则工步为:小车启动——前进2s——前进左转转90。1s——短直进1s短停1s短直后退1s——后退右转90。1s——直退2s——停车及翻斗抬升卸料和翻斗下降复位3s——直进2s——前进右转90“1s——短直进林一短停1s——短直后退ls——后退左转90，1s——直退回原位一结束。小车大概动作路线如下:图2-1小车动作路线图3.3实验面板引用及说明实验面板引用:3-2实验面板说明:上图中下面两排接线孔，通过防转叠插锁紧线与PLC的卞机相应的输入输出插孔相接。Xi为输入点，Yi为输出点。当小车在一个周期内前进时YO有输出，即LEDO亮;左转弯时Y1有输出，即LED1亮;前进左转弯时Y0，Yl都有输出，,即LED0,LED1同时亮;后退时Y2有输出，即LED2亮弯时Y3有输出，即LED3亮;后退右转弯时Y2、Y3都有输出，即LED2、LED3同时亮。编程后，根据显示灯的显示效果判定小车运行状态。3.4运行时序图遥控自卸车运行的时序图如下所示:X000为初始输入量，当给其加一个初始量时，则从开始到结束的整个过程，其一直处于常闭状态。此时Y000有输出，遥控车前进，3s之后，Y001输出一个1.5右转信号，右转状态结束后，小车继续短前行1s，然后过来一个短暂停信号，时间约为1s。在这段时间内，小车完成了前行和右转调头。接下来的一段时间小车运行路线大致如下:倒车1s——左转1.5s——倒行3s——翻斗卸料8s，至此，小车第一阶段工作完成。下面的这个过程是小车的返回过程，在上图虚线3右半部代表小车返回时的时序图，其动作路线与以下大致相似，但是在返回以后，其左转和右转的次序发生了变化，在返回过程中，小车先左转，后右转，这个过程完成以后，再前进一段距离，小车整个动作步骤基本完成，经过循环程序，其过程将不问断进行，直到人为中断。3.5自卸车样机导入模型的仿真试验模型导入之后，就可以使用ADAMS的驱动工具进行仿真设置，如给油缸和活塞的移动副添加移动驱动Motion，则可以驱动上装机构进行卸货和回复的动作。在ADAMS里添加的驱动可是常数值，也可使用函数编辑器编辑函数表达式，从而使机构产生比较复杂动作。在此介绍本论文设计过程用的函数：step函数。step函数是阶跃函数，有设计过程（design-time）函数和运行过程（run-time）函数两种格式。其中后者格式为Step（x，x0，h0，x1，h1）。各个参数意义为：x为变量，x0和x1为阶跃变量x的初始和终止值，h0和h1为对应阶跃起点x0和阶跃终点x1的函数值。Step函数利用三次多项式逼近海赛（Heaviside）阶跃函数，定义为：式中，h为由step函数自动拟合给出的值。在ADAMS/View中，通常自变量选为时间time，而函数值则可作为位移、力、转矩、转速等的输入量。通过STEP函数的嵌套使用，或者是相加的形式构造函数，可以产生其他类型的函数。例如：给某物体质心添加作用力SFORCE_1，其函数表达式为：2+STEP（time，1，0，1.01，1）+STEP（time，2，0，2.01，1）+STEP（time，3，0，3.01，1）+STEP（time，4，0，4.01，1）+STEP（time，5，0，5.01，1），则物体质心处的受力曲线为图3.4：图3.4相加形式的step构造函数曲线注意：应用相加的形式构造函数时，应当注意后面相加的STEP函数表达式中，其起点、终点的函数值是与前一STEP函数终点值的相对值，也就是增量值。在本阶段设计里即尝试采用STEP函数表达式进行仿真控制。把已经添加在自卸车上装机构液压缸活塞上的驱动motion（30m/s）修改为以下函数式：STEP(time,0,0,15,-0.75)+STEP(time,20,0,35,0.75)。然后也在车厢上添加函数式为STEP(time,0,10000,15,500)的作用力，以模拟货物卸载过程中货物载荷的变化。设定仿真时间为35s，步数为500的条件下，进行自卸车倾卸运动仿真，得到举升动作和相关曲线如图3.5、图3.6和图3.7所示（一个完整作业周期）：图3.5举升动作仿真图图3.6载荷随时间的变化曲线以及拉杆上某标记点的行程随时间的变化曲线图3.7车厢举升角随时间的变化曲线以及驱动受力随时间变化的曲线将所得的仿真测试结果与某重型自卸车物理样机的举升性能试验数据进行比较（如表3.2所示）；图3.8是把举升力随时间变化的试验测试数据通过导入ADAMS后处理模块的方法得到（虚线表示）。表4.2某重型自卸车物理样机的举升性能试验数据图3.8举升力随时间变化的测试数据和仿真数据比较曲线图由上图可见，尽管车型规格和载荷不同，但是仿真结果与试验结果曲线趋势基本一致，说明在Pro/E中设计的样机模型导入到ADAMS/View环境下进行仿真结果基本真实可靠，而且生动形象。4结束语通过这次设计实践，我学会了PLC的基本编程.方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。在对理论的运用中，我们的T程索质得到了捉高，在没有做实践设计以前，我们对课本知识的掌握比较模糊，全部都是理论知识。在实践过程中出现了不少问题，比如输入程序不能运行，机子出现了死机等问题。通过课程设计，我们平时解决不了的问题都得到了解决，从根本上掌握了理论知识。另外，我们的动手能力也得到了提高，以前不懂的课程设计现在也学会了方一法。