【正文】 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 1 引言 1． 1 選題的依據(jù) ： 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(jìn)行土壤的切削、刮送和整平等作業(yè)的土方工程建設(shè)機(jī)械，其效率高、作業(yè)精度高、功用多，可進(jìn)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(jī)場(chǎng)、停車場(chǎng)等大面積場(chǎng)地的整平，也被用于進(jìn)行農(nóng)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(shè)的迅速發(fā)展，各施工單位在公路技術(shù)質(zhì)量上的競(jìng)爭(zhēng)越加激烈，尤其對(duì)路面平整度的要求越來(lái)越高，為了保證施工質(zhì)量，這就要求一方面工程技術(shù) 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(jié)；另一方面在 車載 上使用先進(jìn)的整平技術(shù)，運(yùn)用 自動(dòng)調(diào)平 系統(tǒng)。前者由于人工操作平整精度有限，并且勞動(dòng)強(qiáng)度大，實(shí)施起來(lái)困難，所以國(guó)內(nèi)外一般都致力于后者的改進(jìn)和完善。 微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)在工程機(jī)械中得到更為廣泛的應(yīng)用，基于微處理器或單片機(jī)的控制系統(tǒng)以及嵌入式控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工程機(jī)械中正在逐漸普及，并成為施工質(zhì)量的保證。國(guó)外一些公司己經(jīng)研制出基于微處理器的數(shù)字式自動(dòng) 調(diào) 平控制器，并已成功應(yīng)用到產(chǎn)品中去，取得了比較滿意的效果；國(guó)內(nèi)也有采用數(shù)字式 自動(dòng) 調(diào) 平控制器的，數(shù)字化自動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)的應(yīng)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(shù)性能?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展，使分布式控制系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用，對(duì)于自動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)也產(chǎn)生了一定的影響。目前，非接觸式自動(dòng) 調(diào)平系統(tǒng)已經(jīng)成為自動(dòng) 調(diào) 平技術(shù)的主流，在這方面主要有兩種技術(shù)，超聲波自動(dòng) 調(diào) 平技術(shù)和激光自動(dòng) 調(diào) 平技術(shù)。基于以上的討論，本論文主要研究了超聲波自動(dòng) 調(diào) 平技術(shù)。 （含文獻(xiàn)綜述）： 手動(dòng)調(diào)平系統(tǒng) 20世紀(jì) 50年代末期，美國(guó) AKNSAS州高速公路委員會(huì)的一名工程師發(fā)明了 第一套 自動(dòng)調(diào)平 裝置。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靠手動(dòng)操作完成縱坡和橫坡的調(diào)節(jié)?？v坡是靠基準(zhǔn)線和一個(gè)指示器來(lái)標(biāo)志；橫坡是靠安裝在橫梁上的角度傳感器和一個(gè)指示器來(lái)指明?？v坡調(diào)節(jié) 工作原理：基準(zhǔn)線掛在 車載 N，指示器裝在牽引梁樞鉸點(diǎn)附近并作為參考點(diǎn)搭在基準(zhǔn)線上。當(dāng) 車載 行走在高低不平的基層上時(shí)，指示器隨著上下移動(dòng)，此時(shí)，操作人員通過(guò)旋轉(zhuǎn)手動(dòng)厚度調(diào)節(jié)螺釘即可保證較平整的面層。橫坡調(diào)節(jié)工作原理與縱坡調(diào)節(jié)原理類似。 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng) 以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況 進(jìn)行修改，但每個(gè)專業(yè)應(yīng)保持一致。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 20世紀(jì) 70年代初期，研究人員在手動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)出早期的自動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)。它是靠移動(dòng)牽引架 來(lái)改變平地鏟刀的升降。由于這段時(shí)期工作寬度較小，所以都采用縱坡和橫坡控制器來(lái)進(jìn)行 調(diào) 平作業(yè)。早期是半自 調(diào) 平系統(tǒng)，該系統(tǒng)橫坡采用自動(dòng)調(diào)節(jié)，縱坡采用原來(lái)的手調(diào)裝置來(lái)控制；后期手動(dòng)橫坡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也被自動(dòng)裝置取代，出現(xiàn)了全自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作特性相對(duì)較完善，且找平效果好。 工作原理：該自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)由傳感器、控制箱、操作面板、執(zhí)行機(jī)構(gòu) (液壓馬達(dá)或液壓缸 )等部件組成。在整平之前，首先設(shè)定所需要的整平高度，工作時(shí)，控制面板、縱坡和橫坡傳感器產(chǎn)生電脈沖信號(hào)并傳給控制箱，控制箱發(fā)出電信號(hào)使油缸做出相應(yīng)的動(dòng)作來(lái)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(dá)到整平目的。 傳感器：這段時(shí)期 自動(dòng)調(diào)平 系統(tǒng)所采用的調(diào)節(jié)方式分兩個(gè)階段：初期，多數(shù)采用開(kāi)關(guān)控制方式，其傳感器多為液壓隨動(dòng)器 (即轉(zhuǎn)閥 )，以開(kāi)、關(guān)和死區(qū)三種工作方式響應(yīng)路面的不平整度信號(hào)；中后期，隨著電子傳感技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，逐漸出現(xiàn)了電位器式、應(yīng)變片式、霍爾元件等類型的傳感器，同時(shí)配合相應(yīng)的脈沖調(diào)節(jié)方式實(shí)現(xiàn)了比例脈沖控制方式。如 VOGEEL的脈頻調(diào)制式， AGB的脈寬調(diào)制方式，提高了 調(diào) 平精度。 基準(zhǔn)線式 調(diào) 平效果較好，但容易受外界影響 (如本身?yè)隙燃爸亓τ绊懙?)； 當(dāng)基準(zhǔn)路面比較軟時(shí)，多采用滑靴式隨動(dòng)裝置；輪式隨動(dòng)裝置常用于比較硬的地面為基準(zhǔn)時(shí)的作業(yè)，如瀝青路面等。 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等的發(fā)展， 車載 在性能上得到了進(jìn)一步的完善，具體涉及到自動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)、行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等方面的改進(jìn)。 其中自動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)的改變?nèi)缦拢? 調(diào) 平基準(zhǔn)：在原有基準(zhǔn)線、滑靴式和輪式 調(diào) 平基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上， 20世紀(jì) 70年代中期出現(xiàn)了 調(diào) 平效果更好的平均梁 調(diào) 平基準(zhǔn)，完全可以滿足各種路面情況。 調(diào) 平傳感器： 20世紀(jì) 90年代的自動(dòng)找 調(diào) 平裝置中，非接觸式超聲波傳感器得到了應(yīng)用，增加了抗干擾能力， 調(diào) 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(xiàn)在 20世紀(jì) 70年代，由于其本身的復(fù)雜性以及受外界影響較大，沒(méi)有得到發(fā)展。 20世紀(jì) 90年代，美國(guó)一些公司正致力于激光傳感器的研究，有望成為將來(lái)使用的重點(diǎn)。 控制器： 20世紀(jì) 70年代，脈沖調(diào)制式的比例脈沖控制方式取代了前期的開(kāi)關(guān)控制方式，在控制精度上得到很大的改善，但與機(jī)液、電液伺服控制方式相比，仍存在不南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 足。 20世紀(jì) 90年代，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和液壓技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字控制器自動(dòng)調(diào) 平裝置，它是微處理器與高速開(kāi)關(guān)閥相結(jié)合的產(chǎn)物， 如以 BMW— KNOX公司最近生產(chǎn)的“ LBA平 NKOX自動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用微處理器來(lái)自動(dòng)控制縱坡和橫坡。與此同時(shí)，還提供一個(gè)自身故障診斷系統(tǒng)。 目前，國(guó)外的自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠商主要有德國(guó)的 MOBA、美國(guó)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(chǎn)品代表著國(guó)際上自動(dòng)調(diào) 平控制器的先進(jìn)產(chǎn)品；國(guó)內(nèi)自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)廠家有江蘇寶應(yīng)縣創(chuàng)新工程電器廠、常州樹(shù)華電子有限公司以及孫祖望路橋技術(shù)研究有限公司研制的多點(diǎn)超聲波自動(dòng) 調(diào) 平控制器等為數(shù)不多的幾個(gè)廠商。 德國(guó)的 MOBA公司生產(chǎn)的一系列自動(dòng) 調(diào) 平控制器在國(guó)內(nèi)的自動(dòng) 調(diào) 平控制器市場(chǎng)占有相當(dāng)?shù)姆蓊~，其主要的產(chǎn)品為 MOBAlatic數(shù)字控制系統(tǒng)。 MOBA— matic數(shù)字控制器采用數(shù)字化控制技術(shù)，控制精度高，安裝方便，操作簡(jiǎn)單方便。它具有通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，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(gè)超聲波傳感器，其中 5個(gè)超聲波傳感器組成一個(gè)滑動(dòng)靴，以確保較大范圍地測(cè)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(bǔ)償?shù)淖饔?，它能不斷的補(bǔ)償和消除由于溫度變化對(duì)超聲波傳感器的影 響，從而提高控制精度；數(shù)字式旋轉(zhuǎn)傳感器是利用鋼絲、路肩等基準(zhǔn)，通過(guò)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度變化的數(shù)據(jù)，與MOBAmatic數(shù)字控制器一起使用起到控制自動(dòng) 調(diào) 平的作用，配套設(shè)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(dòng)調(diào)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(biāo)。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的分析 平整路面的平整度主要取決于安裝在機(jī)械上的自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)，自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)通過(guò)控制油缸來(lái)調(diào)節(jié)工作裝置，從而有效 提高路面的整平質(zhì)量。因此，分析研究自動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)的工作原理，將有助于我們對(duì)自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)有更深刻的理解。 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的基本構(gòu)造 自動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)一般由檢測(cè)裝置、執(zhí)行裝置和工作裝置等幾部分組成。圖為美國(guó)Sundstrand— Sauer公司生產(chǎn)的 ABSl000自動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)。 ABS1000 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng) 檢測(cè)裝置：檢測(cè)裝置主要有以下幾個(gè)部件構(gòu)成。 縱向傳感器安裝在牽引臂上，當(dāng)路面不平引起牽引點(diǎn)上下移動(dòng)從而使刮刀位置發(fā)生變化時(shí)，與基準(zhǔn)線接觸的縱向傳感器就會(huì)感知這一變化，并將這一變化量經(jīng)過(guò)處理變成變幅寬的脈沖電信號(hào)進(jìn)入電磁閥，控制其開(kāi)關(guān)時(shí)間的長(zhǎng)短，在液壓系統(tǒng)的作用下變成牽引臂的機(jī)械動(dòng)作，從而消除這種偏差，使刮刀始終處于預(yù)先設(shè)定的位置。 橫向傳感器安裝在刮土鏟刀前端的橫梁上，用來(lái)檢測(cè)路面橫向坡度的變化，工作原理同縱向傳感器。 調(diào)節(jié)器將傳感器檢測(cè)到的偏 差信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大后，輸出一個(gè)根據(jù)偏差信號(hào)變化的直流控制信號(hào)，將該信號(hào)與鋸齒波脈沖信號(hào)送入比較器比較輸出寬度不同的調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)。 執(zhí)行裝置：執(zhí)行裝置主要包括電磁換向閥、調(diào)平液壓缸和調(diào)平大臂。工作時(shí)油泵輸出壓力經(jīng)過(guò) 2個(gè)流量閥排出定量的油液，在電磁閥的控制下經(jīng)液控單向閥進(jìn)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(dá)到路面的平整度標(biāo)準(zhǔn)。 工作裝置：工作裝置即鏟刀。它位于機(jī)器的前后橋之間，用來(lái)完成剝離、轉(zhuǎn)移土南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 5 壤和平整等工作。 自動(dòng)調(diào)平 系統(tǒng)的分類 自動(dòng)調(diào)平裝置是高性能 車載 的 關(guān)鍵部件，安裝自動(dòng)調(diào)平裝置的 車載 能明顯提高作業(yè)效率和平整精度。國(guó)內(nèi)外從 20世紀(jì) 70年代開(kāi)始，先后研制出了多種找平系統(tǒng)，根據(jù)檢測(cè)裝置可分為： 1)“機(jī)一電 式以機(jī)械杠桿和電子元件作為檢測(cè)裝置； 2)“機(jī)一液 式以機(jī)械電子和液壓元件作為檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)； 3)“激光 式以激光束參照平面作為參考基準(zhǔn)，控制液壓系統(tǒng)鏟刀的升降高度，達(dá)到精確整平的效果； 4)“超聲波”式以超聲波及其感應(yīng)元件作為檢測(cè)裝置，后 2種屬于非接觸式的自動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)。； 按照控制方式的不同，自動(dòng) 調(diào) 平系統(tǒng)又可分為以下三種類型： (1) 開(kāi)關(guān)式 開(kāi)關(guān)式控制形式是 以“開(kāi)關(guān)”的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，不管檢測(cè)到的偏差大小，均以恒速進(jìn)行斷續(xù)控制。這種系統(tǒng)存在反應(yīng)誤差，因此必須設(shè)置一個(gè)調(diào)節(jié)“死區(qū) (或稱為起阻尼作用的“零區(qū) )，傳感器越過(guò)死區(qū)后才有信號(hào)輸出。為了提高系統(tǒng)的反應(yīng)精確性，“死區(qū) 應(yīng)盡量減小但是系統(tǒng)是恒速調(diào)節(jié)的，如果“死區(qū) 范圍過(guò)窄，調(diào)節(jié)容易沖出“死區(qū) 而出現(xiàn)誤差，即產(chǎn)生所謂的超調(diào)。超調(diào)需要反方向的修正，這樣在不斷的超調(diào)和修正之間，系統(tǒng)就在“死區(qū)’’附近來(lái)回的搜索零點(diǎn)，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?qū)?，讓系統(tǒng) 在反向修正時(shí)可由最高值趨向于零速，不會(huì)再?zèng)_向一邊，但是“死區(qū) 過(guò)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(diào)平方式不理想，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)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(lái)的，他根據(jù)偏差信號(hào)的大小以相應(yīng)的快慢速度進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)偏差為零時(shí)，相應(yīng)的調(diào)節(jié)速度也趨于零，因此在這種調(diào)節(jié)方式下，基本上消除了系統(tǒng)因?yàn)槌{(diào)而引起的振蕩現(xiàn)象。該系統(tǒng)可使得平整出來(lái)的路面十分平整，但是它對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精度的要求高、造價(jià)也相對(duì)較高。 (3)比例脈沖式 比例脈沖式自動(dòng)控制系統(tǒng)是在開(kāi)關(guān)式自控系統(tǒng)的“恒速調(diào)節(jié)區(qū) 和“死區(qū) 之間設(shè)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 置一個(gè)“脈沖區(qū)’’。脈沖信號(hào)根據(jù)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(cè)出偏差信號(hào)進(jìn)入脈沖區(qū)后，調(diào)節(jié)器根據(jù)信號(hào)的大小，以不同寬度或頻率的脈沖信號(hào)推動(dòng)電磁閥動(dòng)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(diǎn)，大大縮小了“死區(qū) ?的范圍，可以使系統(tǒng)的精度達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)，而且價(jià)格低廉、經(jīng)久耐用，是目前 主要使用的 自動(dòng)調(diào)平 控制方式。 自動(dòng)調(diào)平 系統(tǒng)的控制原理分析 自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)就是以補(bǔ)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(jù)有無(wú)反饋?zhàn)饔每煞譃閮深悾洪_(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制。 (1)開(kāi)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(duì)系統(tǒng)的控制作用沒(méi)有影響，這樣的系統(tǒng)稱為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，動(dòng)作信號(hào)是預(yù)先確定、不變化的。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較容易構(gòu)造，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。 (2)閉環(huán)控制系統(tǒng)。控制裝置的輸入受到輸出的反饋?zhàn)饔脮r(shí)，該系統(tǒng)就稱為閉環(huán)系統(tǒng)。為了提高控制質(zhì)量，系統(tǒng)常采用閉 環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，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(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)本身就是一個(gè)典型的閉環(huán)系統(tǒng)。自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)見(jiàn)圖所示。 自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng) 其中： w一設(shè)定的基準(zhǔn)高度； E一偏差信號(hào)； H．一檢測(cè)的實(shí)際高度。 車載 在進(jìn)行平整工作時(shí)，由于路面的不平，引起鏟刀上下移動(dòng)，傳感器檢測(cè)到路面的高度 H，與設(shè)定的基準(zhǔn)高度 W就有偏差，產(chǎn)生偏差信號(hào) E，然后通過(guò)調(diào)節(jié)器對(duì)誤差信號(hào)做出相應(yīng)的處理再給執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制信號(hào)，控制油缸升降，從而達(dá)到施工高程南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 7 和設(shè)計(jì)高程的一致，保證路面的平 整度?，F(xiàn)在一般已經(jīng)使用的比較成熟的控制系統(tǒng)都是基于這個(gè)思想而設(shè)計(jì)的。 非接觸式 自動(dòng)調(diào)平 控制系統(tǒng)的分析與比較 近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施投入增大，對(duì)高等級(jí)公路建設(shè)的質(zhì)量要求也越來(lái)越高， 自動(dòng)調(diào)平 系統(tǒng)是現(xiàn)代 車載 的重要標(biāo)志之一，對(duì) 車載 的性能及路面的平整質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。非接觸式 自動(dòng)調(diào)平 系統(tǒng)在 20世紀(jì) 90年代就被用于工程機(jī)械的找平控制中，它的許多優(yōu)點(diǎn)使 車載 的質(zhì)量和效益得到了極大的提高，為施工企業(yè)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益