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目前大面积厂房混凝土超平地面施工进度和质量要求越来越高,激光整平机已成为必备施工装备。现行的激光整平机的机身调平大多采用手动调节的方式,即驾驶员通过单独控制各个支腿液压缸的升降,不断调整各个液压缸的高度,最终大致实现机身水平。此方法不但费时费力,而且最终机身的水平由驾驶员主观评定,缺乏客观性。目前一些其他类型的工程机械采用自动调平方式,但是其调平是一次性的,即从不平状态自动调节到水平状态就结束,无法应对在调平过程中或者调平结束后机器受到外界干扰时,出现机身不平或者支腿悬空的状况。 本文设计的系统可实现激光整平机机身一键自动调平升降。控制按钮只有两个: 升和降。按“升”按钮时,机身的上升分为 4 个过程: 支腿充分着地、机身自动调平、水平上升和位置保持。同理,下降的过程也分为 4 个阶段: 检查支腿是否充分着地、自动调平、水平下降和位置保持。同时系统具有应对外界干扰的能力。该系统已完成自主开发,对于其他工程机械机身调平升降也具有重要参考意义。 1 系统组成 如图 1 所示,系统主要由操纵部分、液压执行回路、传感器、控制器四部分组成。其中操纵部分只有两个按钮,分别控制上升和下降。液压执行回路主要由电磁阀、压力继电器和液压缸组成。自主开发的控制器以飞思卡尔 16 位单片机为主控芯片,由单片机最小系统、电源模块、倾角传感器模块、开关量输入输出模块、模拟量输入模块和指示灯、接插件等组成。系统由操纵按钮给出操纵信号,由压力继电器来判断液压支腿的状态并将信号传送给主控芯片,由倾角传感器实时测量机身姿态并将信号传送给主控芯片,最终由主控芯片根据输入的信号经过确定的算法得到输出信号并输出至电磁阀,由电磁阀控制液流方向,进而控制液压缸动作以实现机身的自动调平升降。 2 液压执行回路设计 激光整平机在工作状态时需要保持机身的稳定与水平,故采用工程机械中常用的液压支腿的方式实现这一功能[3]。通常情况,会采用 4 个支腿。相较于 3 个,4 个支腿的支撑使得机身的稳定性更好,不会发生侧翻。但是采用 4 个支腿的方式对于自动调平时控制支腿动作增加了很多困难,三点确定一个平面,4 个支腿会增加一个冗余自由度,当 3 个支腿确定了机身的位置之后,第 4 个支腿的动作就会对机身结构造成危害。 系统采用 4 个支腿的结构,采取将其中两个支腿并联,从而降低一个自由度,发挥了 4 个支腿稳定性更好的优势,又降低了控制难度。具体形式如图 2 所示。 其中 4 个液压缸安装于 a、b、c、d 四点处。左侧支腿液压缸单独控制,分别控制 1 和 2 两个自由度; 右侧支腿液压缸并联,共同决定了 c、d 两点中点的自由度,即 3 自由度。 液压执行回路由 4 个液压缸、3 个压力继电器、3 个双向液压锁和 3 个电磁换向阀组成。其中压力继电器又用来检测支腿状态,当油压达到压力继电器设定值后会给控制器传送开关信号。双向液压锁用来保持支腿伸出后的位置。电磁换向阀用来控制液流流动方向从而控制液压缸的动作。具体液压执行回路如图 3 所示。 3 倾角传感器模块设计 倾角传感器用来测量相对于水平的倾角变化量,理论基础是牛顿第二定律。在一个系统内部,可以测量其加速度,如果初速度已知,就可以通过积分计算出线速度,进而可以计算出直线位移。其本质是运用惯性原理的一种加速度传感器。 该系统的传感单元由飞思卡尔公司 MMA7361 型三轴小量程微机械传感器和外围元件组成。 MMA7361 内部集成了重力 G 感测单元、电容-电压转换器、积分放大电路、低通滤波器、时钟振荡器、温度补偿电路和微调电路,其量程和灵敏度可选,选择±1.5 g 量程时,灵敏度高达 800 mV/g; 选择±6 g 量程时,灵敏度自动调整为 206 mV/g。其 XY 方向和 Z 方向的带宽响应频率分别为 400 Hz 和 300 Hz。该传感器采用 3.3 V、400 uA 低功耗设计,3 mm×5 mm×1.0 mm LGA-14 微小封装。MMA7361 根据物体运动和方向改变输出信号的电压值,当物体沿某一方向运动,输出电压就会根据运动方向和设定的灵敏度而改变输出电压,从而检测倾角状况。 MMA7361 传感器工作电压为 3.3 V,在电源管理模块中增加 3.3 V 电压输出,在系统设计中增加芯片 MIC5205-3.3BM5 为 MMA7361 传感器提供 3.3 V 电压。MIC5205-3.3BM5 是一种有效的噪声输出线性稳压器,工作电压范围为 2.5 ~ 16 V,输出电压 3.3 V,具有高输出电压精度。 选取 MMA7361 传感器产生倾角信号,选取 MIC5205-3.3BM5 稳压芯片为传感器提供合适的工作电压,再辅以去耦、减噪等电容,最终倾角传感器模块电路设计如图 4 所示。 4 控制器硬件电路设计 4.1 主控芯片选型 机身自动调平升降过程中机身倾角信号实时传送给主控芯片,需要完成复杂而精密的运算,因而需要选取一款高性能 CPU 作为控制器主控芯片。设计的控制器选用飞思卡尔 MC9S12XS 系列 16 位单片机,它片内资源丰富,集成了通用输入 输 出 ( GPIO) 、计 数 器 ( IOC) 、模 数 转 换 ( ATD) 、脉宽调制( PWM) 、串行外设接口( SPI) 、 CAN 通信、串行通信( SCI) 等模块。 4.2 电源模块设计 控制器采用激光整平机随车电瓶供电,供电电压 Vin = 12 V,考虑到供电过程中可能会出现的极端情况,选用 MAX16126 电源管理芯片。 MAX16126 具有: ● 30~90 V 较宽的输入电压保护范围; ● 故障条件下快速关断,与负载完全隔离; ● 可调整欠压/过压门限; ● 热关断保护、低电源电流、低关断电流等优等优势,能够在极端输入电压情况下有效保护电源。 设计了 5 V 电路及 4.5 V 精准稳压电路。控制器硬件电路中其他集成芯片工作电压配置为 Vin 和 5 V,选用 LM2596S-5.0 稳压集成芯片进行输入电压转化,LM2596S-5.0 稳压集成芯片最大输入电压可达 37 V,固定输出 5 V 电压。5 V 电压经过低压精密分流器后得到 4.5 V 精准电压,4. 5 V 精准电压用于单片机内部模数转换器的参考电压。设计 5 V 转 3.3 V 电路,为倾角传感器提供供电电压。电源模块如图 5 所示。 4.3 信号输入电路设计 系统输入信号包括两种: 开关量输入与模拟量输入。其中开关量输入共有 5 路,分别是上升按钮信号、下降按钮信号和 3 个压力继电器信号; 模拟量输入共有两路,即两个倾角信号的输入。 5 软件设计 5.1 软件功能 对系统工作过程进行详细分析,自动调平上升和下降包括: 检查支腿是否充分着地状态、自动调平状态、平动上升或下降状态、位置保持状态。系统工作过程中会遇到诸多未知状况,如在平动上升状态或者保持位置状态时因为地基出现松软等原因导致支腿未充分着地,上述过程并非按顺序执行一次之后就结束,需要能够进行状态间的迁移。 经分析确定软件设计需实现自动调平、平动上升、平动下降、位置保持等功能,还能应对一些极端状况。 5.2 程序实现 系统程序实现采用基于状态机的编程方法[4]。状态机是用来描述对象在其生命周期内所经历的各种状态,以及在这些状态之间的转移和行为动作的模型。状态机包含有限个状态,在某个时刻,状态机只能处于一个状态,当迁移事件或者条件被触发,状态机从当前状态迁移到下一个状态,并执行相应的动作。利用状态机这一特性能够清晰地分析系统控制逻辑,保证出现极端情况时,系统仍然能够实现自动调平。 系统输入信号包括: 上升按钮信号( Up) 、下降按钮信号( Down) 、3 个压力继电器信号( P1、 P2、P3 ) 、倾 角 信 号 ( α 和 β ) 。系 统 设 定 P = P1&P2&P3,倾斜误差范围 δ。 系统处于上升调平状态内部的任何一个状态时,有支腿压力继电器无信号输出时( 即 P = 0) ,系统则优先返回检查支腿充分着地状态,只有 3 个油压继电器均有信号( 即 P= 1) ,则会重新迁移至上升调平状态。系统在平动上升状态时,出现机身倾斜超出误差范围( 即 U = 1& | α | +| β | > δ) ,则会迁移回至自动调平状态进行相应动作。系统在位置保持状态时,出现机身倾斜超出误差范围( 即 U= 0& | α | +| β | > δ) ,会迁移至动作状态进行相应动作。 每个状态内部有各自状态下相应执行的算法,其中以自动调平状态内部算法较为复杂,是系统实现机身自动调平升降功能的关键一步。以上升过程自动调平状态为例,介绍其内部执行算法。算法流程如图 8 所示。 进入自动调平状态后,系统首先判断 | α | 和 | β |的大小且此判断一直在进行,以确定哪个方向倾斜程度更大,优先调节倾斜程度更大的方向; 再通过判断角度的正负确定不同支腿的高低,保持位置较高支腿不动,调整位置较低支腿上升。当倾斜程度在误差范围内,触发状态迁移,退出此状态,进入其他状态。 6 结束语 设计了一套激光整平机机身自动调平升降系统。设计液压执行回路发挥了四支腿结构稳定性好的优势,又降低了控制难度。自主设计了控制器硬件电路,开发了基于状态机的控制软件。开发的自动调平升降系统能提高激光整平机机身调平精度,且具有抗干扰能力,降低了驾驶员操作强度,提高了激光整平机自动化水平,具有很好的推广价值,对于其他采用支腿支撑结构的工程机械也具有重要的参考价值。 购线网www.gooxian.com 专业定制各类测试线(同轴线、香蕉头测试线,低噪线等)。 |
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