【正文】 南昌航空大學科技學院學士學位論文 1 引言 1． 1 選題的依據 ： 車載 是一種以刮土鏟刀為主，并配有其他多種輔助作業(yè)裝置，進行土壤的切削、刮送和整平等作業(yè)的土方工程建設機械，其效率高、作業(yè)精度高、功用多，可進行路基、路面的整形；礫石或砂石路的維修；挖溝、草皮或表層土的剝離；修刮邊坡等切削平整作業(yè)，被廣泛用于公路、鐵路、機場、停車場等大面積場地的整平，也被用于進行農田整地、路堤整形及林區(qū)道路的整修等。近幾年，隨著交通建設的迅速發(fā)展，各施工單位在公路技術質量上的競爭越加激烈，尤其對路面平整度的要求越來越高，為了保證施工質量，這就要求一方面工程技術 人員以及操作手必須精心施工，并在施工工藝上不斷鉆研總結；另一方面在 車載 上使用先進的整平技術，運用 自動調平 系統(tǒng)。前者由于人工操作平整精度有限，并且勞動強度大，實施起來困難，所以國內外一般都致力于后者的改進和完善。 微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展，數字控制系統(tǒng)在工程機械中得到更為廣泛的應用，基于微處理器或單片機的控制系統(tǒng)以及嵌入式控制系統(tǒng)在現代工程機械中正在逐漸普及，并成為施工質量的保證。國外一些公司己經研制出基于微處理器的數字式自動 調 平控制器，并已成功應用到產品中去，取得了比較滿意的效果；國內也有采用數字式 自動 調 平控制器的，數字化自動 調 平系統(tǒng)的應用，不僅提高了系統(tǒng)的控制精度，而且也提高了系統(tǒng)的綜合技術性能?，F場總線技術的不斷發(fā)展，使分布式控制系統(tǒng)得到廣泛的應用，對于自動 調 平系統(tǒng)也產生了一定的影響。目前，非接觸式自動 調平系統(tǒng)已經成為自動 調 平技術的主流，在這方面主要有兩種技術，超聲波自動 調 平技術和激光自動 調 平技術?；谝陨系挠懻摚菊撐闹饕芯苛顺暡ㄗ詣?調 平技術。 （含文獻綜述）： 手動調平系統(tǒng) 20世紀 50年代末期，美國 AKNSAS州高速公路委員會的一名工程師發(fā)明了 第一套 自動調平 裝置。它結構簡單，靠手動操作完成縱坡和橫坡的調節(jié)?？v坡是靠基準線和一個指示器來標志；橫坡是靠安裝在橫梁上的角度傳感器和一個指示器來指明?？v坡調節(jié) 工作原理：基準線掛在 車載 N，指示器裝在牽引梁樞鉸點附近并作為參考點搭在基準線上。當 車載 行走在高低不平的基層上時，指示器隨著上下移動，此時，操作人員通過旋轉手動厚度調節(jié)螺釘即可保證較平整的面層。橫坡調節(jié)工作原理與縱坡調節(jié)原理類似。 自動調平系統(tǒng) 以下填寫內容各專業(yè)可根據具體情況 進行修改，但每個專業(yè)應保持一致。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 2 20世紀 70年代初期，研究人員在手動 調 平系統(tǒng)的基礎上研發(fā)出早期的自動 調 平系統(tǒng)。它是靠移動牽引架 來改變平地鏟刀的升降。由于這段時期工作寬度較小，所以都采用縱坡和橫坡控制器來進行 調 平作業(yè)。早期是半自 調 平系統(tǒng)，該系統(tǒng)橫坡采用自動調節(jié)，縱坡采用原來的手調裝置來控制；后期手動橫坡調節(jié)機構也被自動裝置取代，出現了全自動 調 平控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作特性相對較完善，且找平效果好。 工作原理：該自動 調 平控制系統(tǒng)由傳感器、控制箱、操作面板、執(zhí)行機構 (液壓馬達或液壓缸 )等部件組成。在整平之前，首先設定所需要的整平高度，工作時，控制面板、縱坡和橫坡傳感器產生電脈沖信號并傳給控制箱，控制箱發(fā)出電信號使油缸做出相應的動作來改變鏟刀 的位置，這樣即可保證鏟刀始終保持在某一固定高度，達到整平目的。 傳感器：這段時期 自動調平 系統(tǒng)所采用的調節(jié)方式分兩個階段：初期，多數采用開關控制方式，其傳感器多為液壓隨動器 (即轉閥 )，以開、關和死區(qū)三種工作方式響應路面的不平整度信號；中后期，隨著電子傳感技術的發(fā)展和廣泛應用，逐漸出現了電位器式、應變片式、霍爾元件等類型的傳感器，同時配合相應的脈沖調節(jié)方式實現了比例脈沖控制方式。如 VOGEEL的脈頻調制式， AGB的脈寬調制方式，提高了 調 平精度。 基準線式 調 平效果較好，但容易受外界影響 (如本身撓度及重力影響等 )； 當基準路面比較軟時，多采用滑靴式隨動裝置；輪式隨動裝置常用于比較硬的地面為基準時的作業(yè)，如瀝青路面等。 近年來，隨著電子技術、計算機控制技術等的發(fā)展， 車載 在性能上得到了進一步的完善，具體涉及到自動 調 平系統(tǒng)、行走驅動系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)等方面的改進。 其中自動 調 平系統(tǒng)的改變如下： 調 平基準：在原有基準線、滑靴式和輪式 調 平基準的基礎上， 20世紀 70年代中期出現了 調 平效果更好的平均梁 調 平基準，完全可以滿足各種路面情況。 調 平傳感器： 20世紀 90年代的自動找 調 平裝置中，非接觸式超聲波傳感器得到了應用，增加了抗干擾能力， 調 平效果更趨于良好，如 ECADARPIDS公司較早地采用了超聲波傳感器。激光傳感器出現在 20世紀 70年代，由于其本身的復雜性以及受外界影響較大，沒有得到發(fā)展。 20世紀 90年代，美國一些公司正致力于激光傳感器的研究，有望成為將來使用的重點。 控制器： 20世紀 70年代，脈沖調制式的比例脈沖控制方式取代了前期的開關控制方式，在控制精度上得到很大的改善，但與機液、電液伺服控制方式相比，仍存在不南昌航空大學科技學院學士學位論文 3 足。 20世紀 90年代，隨著計算機控制技術和液壓技術的發(fā)展，出現了數字控制器自動調 平裝置，它是微處理器與高速開關閥相結合的產物， 如以 BMW— KNOX公司最近生產的“ LBA平 NKOX自動 調 平系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用微處理器來自動控制縱坡和橫坡。與此同時，還提供一個自身故障診斷系統(tǒng)。 目前，國外的自動 調 平控制系統(tǒng)生產廠商主要有德國的 MOBA、美國的 AGI公司、丹麥的腫 Trdaing公司咀及日本的 TOCPNO公司等，這些公司的產品代表著國際上自動調 平控制器的先進產品；國內自動 調 平控制系統(tǒng)的研發(fā)和生產廠家有江蘇寶應縣創(chuàng)新工程電器廠、常州樹華電子有限公司以及孫祖望路橋技術研究有限公司研制的多點超聲波自動 調 平控制器等為數不多的幾個廠商。 德國的 MOBA公司生產的一系列自動 調 平控制器在國內的自動 調 平控制器市場占有相當的份額，其主要的產品為 MOBAlatic數字控制系統(tǒng)。 MOBA— matic數字控制器采用數字化控制技術，控制精度高，安裝方便，操作簡單方便。它具有通用性強的特點，可以和多種傳感器配合使用； SonicSki超聲波傳感器是世界上第一部并聯(lián)式多超聲波束裝置，共有 6個超聲波傳感器，其中 5個超聲波傳感器組成一個滑動靴，以確保較大范圍地測量寬度和工作精度，第 6只傳感器則起著溫度和其他因素補償的作用，它能不斷的補償和消除由于溫度變化對超聲波傳感器的影 響，從而提高控制精度；數字式旋轉傳感器是利用鋼絲、路肩等基準，通過檢測旋轉角度變化的數據，與MOBAmatic數字控制器一起使用起到控制自動 調 平的作用，配套設備包括傳感器臂、傳感器桿、傳感器靴。 為了提高系統(tǒng)的控制精度，丹麥的 TF— nadj“ g公司推出了高性能、高精度 自動調平 系統(tǒng) MiniLine非接觸找平控制器，該系統(tǒng)町以大幅度提高路面平整度指標。 南昌航空大學科技學院學士學位論文 4 自動調平系統(tǒng)的分析 平整路面的平整度主要取決于安裝在機械上的自動 調 平控制系統(tǒng)，自動 調 平控制系統(tǒng)通過控制油缸來調節(jié)工作裝置，從而有效 提高路面的整平質量。因此，分析研究自動 調 平系統(tǒng)的工作原理，將有助于我們對自動 調 平控制系統(tǒng)有更深刻的理解。 自動調平系統(tǒng)的基本構造 自動 調 平系統(tǒng)一般由檢測裝置、執(zhí)行裝置和工作裝置等幾部分組成。圖為美國Sundstrand— Sauer公司生產的 ABSl000自動 調 平系統(tǒng)。 ABS1000 自動調平系統(tǒng) 檢測裝置：檢測裝置主要有以下幾個部件構成。 縱向傳感器安裝在牽引臂上，當路面不平引起牽引點上下移動從而使刮刀位置發(fā)生變化時，與基準線接觸的縱向傳感器就會感知這一變化，并將這一變化量經過處理變成變幅寬的脈沖電信號進入電磁閥，控制其開關時間的長短，在液壓系統(tǒng)的作用下變成牽引臂的機械動作，從而消除這種偏差，使刮刀始終處于預先設定的位置。 橫向傳感器安裝在刮土鏟刀前端的橫梁上，用來檢測路面橫向坡度的變化，工作原理同縱向傳感器。 調節(jié)器將傳感器檢測到的偏 差信號與給定信號進行差動放大后，輸出一個根據偏差信號變化的直流控制信號，將該信號與鋸齒波脈沖信號送入比較器比較輸出寬度不同的調節(jié)脈沖信號。 執(zhí)行裝置：執(zhí)行裝置主要包括電磁換向閥、調平液壓缸和調平大臂。工作時油泵輸出壓力經過 2個流量閥排出定量的油液，在電磁閥的控制下經液控單向閥進入油缸，油缸活塞桿的伸縮控制牽引架的降低與抬高，保持刮刀的位置不變，達到路面的平整度標準。 工作裝置：工作裝置即鏟刀。它位于機器的前后橋之間，用來完成剝離、轉移土南昌航空大學科技學院學士學位論文 5 壤和平整等工作。 自動調平 系統(tǒng)的分類 自動調平裝置是高性能 車載 的 關鍵部件，安裝自動調平裝置的 車載 能明顯提高作業(yè)效率和平整精度。國內外從 20世紀 70年代開始，先后研制出了多種找平系統(tǒng)，根據檢測裝置可分為： 1)“機一電 式以機械杠桿和電子元件作為檢測裝置； 2)“機一液 式以機械電子和液壓元件作為檢測和執(zhí)行機構； 3)“激光 式以激光束參照平面作為參考基準，控制液壓系統(tǒng)鏟刀的升降高度，達到精確整平的效果； 4)“超聲波”式以超聲波及其感應元件作為檢測裝置，后 2種屬于非接觸式的自動 調 平系統(tǒng)。； 按照控制方式的不同，自動 調 平系統(tǒng)又可分為以下三種類型： (1) 開關式 開關式控制形式是 以“開關”的方式進行調節(jié)，不管檢測到的偏差大小，均以恒速進行斷續(xù)控制。這種系統(tǒng)存在反應誤差，因此必須設置一個調節(jié)“死區(qū) (或稱為起阻尼作用的“零區(qū) )，傳感器越過死區(qū)后才有信號輸出。為了提高系統(tǒng)的反應精確性，“死區(qū) 應盡量減小但是系統(tǒng)是恒速調節(jié)的，如果“死區(qū) 范圍過窄，調節(jié)容易沖出“死區(qū) 而出現誤差，即產生所謂的超調。超調需要反方向的修正，這樣在不斷的超調和修正之間，系統(tǒng)就在“死區(qū)’’附近來回的搜索零點，使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，由此而影響到路面的平整度。為了消除振蕩所引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定的缺陷，“死區(qū) 要足夠寬，讓系統(tǒng) 在反向修正時可由最高值趨向于零速，不會再沖向一邊，但是“死區(qū) 過寬又降低了系統(tǒng)的精確度。所以要想在這種系統(tǒng)上獲得理想的找平效果，必須合理的確定“死區(qū)”的大小，正確解決“死區(qū)”大小和控制精度之間的矛盾，才能保證精確的找平特性。此調平方式不理想，但其結構簡單、價格低廉、使用方便。 (2)比例式 這種系統(tǒng)是以液壓比例控制閥取代電磁換向閥演化而來的，他根據偏差信號的大小以相應的快慢速度進行連續(xù)的調節(jié)。當系統(tǒng)偏差為零時，相應的調節(jié)速度也趨于零，因此在這種調節(jié)方式下，基本上消除了系統(tǒng)因為超調而引起的振蕩現象。該系統(tǒng)可使得平整出來的路面十分平整，但是它對系統(tǒng)結構精度的要求高、造價也相對較高。 (3)比例脈沖式 比例脈沖式自動控制系統(tǒng)是在開關式自控系統(tǒng)的“恒速調節(jié)區(qū) 和“死區(qū) 之間設南昌航空大學科技學院學士學位論文 6 置一個“脈沖區(qū)’’。脈沖信號根據偏差的大小成正比例變化，其變化方式主要有改變脈沖寬度 (PWM)和脈沖頻率 (PFW)。傳感器檢測出偏差信號進入脈沖區(qū)后，調節(jié)器根據信號的大小，以不同寬度或頻率的脈沖信號推動電磁閥動作，使得油缸工作。這種系統(tǒng)兼?zhèn)淞饲皟煞N系統(tǒng)的優(yōu)點，大大縮小了“死區(qū) ?的范圍，可以使系統(tǒng)的精度達到很高的標準，而且價格低廉、經久耐用，是目前 主要使用的 自動調平 控制方式。 自動調平 系統(tǒng)的控制原理分析 自動 調 平控制系統(tǒng)就是以補償路面系統(tǒng)誤差為目的的控制系統(tǒng)。工業(yè)上用的控制系統(tǒng)，根據有無反饋作用可分為兩類：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。 (1)開環(huán)控制系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)系統(tǒng)中，動作信號是預先確定、不變化的。開環(huán)控制系統(tǒng)比較容易構造，結構也比較簡單。 (2)閉環(huán)控制系統(tǒng)?？刂蒲b置的輸入受到輸出的反饋作用時，該系統(tǒng)就稱為閉環(huán)系統(tǒng)。為了提高控制質量，系統(tǒng)常采用閉 環(huán)負反饋結構，這種反饋控制系統(tǒng)的組成框圖如圖所示 典型閉環(huán)控制系統(tǒng) 自動 調 平控制系統(tǒng)本身就是一個典型的閉環(huán)系統(tǒng)。自動 調 平控制系統(tǒng)見圖所示。 自動調平控制系統(tǒng) 其中： w一設定的基準高度； E一偏差信號； H．一檢測的實際高度。 車載 在進行平整工作時，由于路面的不平，引起鏟刀上下移動，傳感器檢測到路面的高度 H，與設定的基準高度 W就有偏差，產生偏差信號 E，然后通過調節(jié)器對誤差信號做出相應的處理再給執(zhí)行機構發(fā)出控制信號，控制油缸升降，從而達到施工高程南昌航空大學科技學院學士學位論文 7 和設計高程的一致，保證路面的平 整度?，F在一般已經使用的比較成熟的控制系統(tǒng)都是基于這個思想而設計的。 非接觸式 自動調平 控制系統(tǒng)的分析與比較 近年來隨著我國經濟建設的發(fā)展，交通基礎設施投入增大，對高等級公路建設的質量要求也越來越高， 自動調平 系統(tǒng)是現代 車載 的重要標志之一，對 車載 的性能及路面的平整質量起著至關重要的作用。非接觸式 自動調平 系統(tǒng)在 20世紀 90年代就被用于工程機械的找平控制中，它的許多優(yōu)點使 車載 的質量和效益得到了極大的提高，為施工企業(yè)帶來了顯著的經濟效益