CN103048040B - 臂架末端振动评测装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种臂架末端振动评测装置、系统及方法。所述臂架末端振动评测装置包括：信号采集单元（10），用于采集臂架的其中一节臂节（1）的臂架油缸（2）的有杆腔压力信号和无杆腔压力信号；信号转换单元（20），用于根据所述有杆腔压力信号和无杆腔压力信号得到油缸压力信号，并将该油缸压力信号乘以一压力位移换算系数从而得到臂架末端位移信号。本发明通过检测臂架油缸的压力变化从而可以根据压力信号得到相应的臂架末端位移信号，以该位移信号作为表征臂架末端的振动的信号，从而作为对臂架末端振动的评测。本发明更为简单实用，并且对于低频振动不易发生畸变，换算精度更高。

Description

臂架末端振动评测装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种臂架末端振动评测装置、系统及方法。

背景技术

混凝土泵车是一种用于输送和浇注混凝土的专用机械，可以将混凝土沿管道连续输送到浇注现场，目前混凝土泵车已经逐步成为建筑施工中不可缺少的关键设备。

混凝土泵车在泵送混凝土的过程中，液压冲击和混凝土的流动冲击会导致臂架产生振动，目前已经研发出了多种臂架减振控制的方式。在臂架减振控制过程中，对臂架末端振动幅值大小的评测常常是导致减振效果好坏的关键，也就是说如何评测臂架末端振动是关键技术之一。在振动系统分析评价和振动控制系统设计过程中，臂架结构在使用时的振动位移幅度等振动信息常常是设计者非常关心的重要参数，因此，必须使用有效的方式进行测量或表征。因此，如何准确地测量或表征臂架的振动位移，成为混凝土泵车振动测试或者减振控制中亟待解决的问题。

在混凝土泵车的臂架振动测试中，由于很难测得臂架末端的位移量，一般都是测量臂架末端的加速度量。如CN101221066A，是通过对加速度信号进行积分运算得到位移信号，以用于评测臂架末端的振动。然而，加速度积分转化成位移的这种技术对于处理混凝土泵车臂架等结构的低频振动容易发生畸变，精度不高。

发明内容

本发明针对现有技术中通过对加速度信号积分得到位移信号来评测臂架末端振动所产生的精度不高的问题，提供一种高精度的臂架末端振动评测装置、系统及方法。

本发明的发明人经过大量测试研究发现，臂架油缸的压力与臂架末端的位移呈同步变化，因此如果检测臂架油缸的压力变化也就间接反映了臂架末端的位移变化。本发明就是基于这一发现而提出。

根据本发明的一个方面，提供一种臂架末端振动评测装置，该装置包括：信号采集单元，用于采集臂架的其中一节臂节的臂架油缸的有杆腔压力信号和无杆腔压力信号并根据所述有杆腔压力信号和无杆腔压力信号得到油缸压力信号；信号转换单元，用于将来自信号采集单元的油缸压力信号乘以一压力位移换算系数从而得到臂架末端位移信号。

根据本发明的另一方面，提供一种臂架末端振动评测系统，该系统包括：有杆腔压力传感器和无杆腔压力传感器，分别用于检测臂架的其中一节臂节的臂架油缸的有杆腔压力和无杆腔压力并生成有杆腔压力信号和无杆腔压力信号；以及本发明提供的上述臂架末端振动评测装置，该装置的信号采集单元与所述有杆腔压力传感器、无杆腔压力传感器相连接。

根据本发明的又一方面，还提供一种臂架末端振动评测方法，该方法包括：采集臂架的其中一节臂节的臂架油缸的有杆腔压力信号和无杆腔压力信号；根据所述有杆腔压力信号和无杆腔压力信号得到油缸压力信号；以及将该油缸压力信号乘以一压力位移换算系数从而得到臂架末端位移信号。

本发明通过检测臂架油缸的压力变化从而可以根据压力信号得到相应的臂架末端位移信号，以该位移信号作为表征臂架末端的振动的信号，从而作为对臂架末端振动的评测。本发明所提供的方式相对于现有技术中利用加速度做时域或频域积分换算得到位移信号而言，更为简单实用，并且对于低频振动不易发生畸变，换算精度更高。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为根据本发明提供的臂架末端振动评测装置的框图；

图2为根据本发明的优选实施方式提供的臂架末端振动评测装置的框图；

图3为根据本发明提供的臂架末端振动评测系统的框图；

图4为根据本发明的优选实施方式所涉及的传感器的安装位置图；

图5为未实施减振控制时油缸压力信号和臂架末端位移信号的波形图；

图6为实施减振控制时油缸压力信号和臂架末端位移信号的波形图；

图7为根据本发明的优选实施方式提供的臂架末端振动评测方法的流程图；

图8A、8B和8C分别为未实施减振控制时通过转换得到的位移信号、实测的位移信号、二者对比的波形图；

图9A、9B和9C分别为实施减振控制时通过转换得到的位移信号、实测的位移信号、二者对比的波形图。

附图标记说明 

10     信号采集单元               20    信号转换单元

30     系数获取单元               40    有杆腔压力传感器

50     无杆腔压力传感器           60    姿态传感器

70     遥控器                     1     臂节

2臂架油缸

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明提供的臂架末端振动评测装置包括：信号采集单元10，用于采集臂架的其中一节臂节的臂架油缸的有杆腔压力信号和无杆腔压力信号，并根据所述有杆腔压力信号和无杆腔压力信号得到油缸压力信号；信号转换单元20，用于将来自信号采集单元10的该油缸压力信号乘以一压力位移换算系数从而得到臂架末端位移信号。

其中，所述信号采集单元10包括各种适用的输入电路，用于采集来自压力传感器的压力信号。根据本发明的优选实施方式，如图2所示，信号采集单元10还可以采集臂架的姿态信号和/或泵送档位信号，详细方案在后续说明。

其中信号采集单元10所采集的压力信号可以来自臂架任一节臂节的臂架油缸（见图4中的标号2），优选情况下，采用中间臂节的臂架油缸，例如图4中选用的就是第三臂节的臂节油缸2，这样油缸行程不会达到最大行程，压力信号较为准确。臂架油缸包括有杆腔和无杆腔，所以检测臂架油缸的压力需要分别检测有杆腔和无杆腔的压力，并进而对这两个压力作差可以得到臂架油缸的压力。因此，信号采集单元10还将所采集到的有杆腔压力信号和无杆腔压力信号（实际为压强信号）作差，转化为油缸压力信号（压强信号乘以活塞杆的截面积即可得到压力信号）并发送到信号转换单元20。这部分功能可以通过处理器、DSP等实现，并且检测油缸压力信号是本领域较为常用的手段，在此不再赘述。

然后，所述信号转换单元20基于接收到的油缸压力信号进行从油缸压力到臂架末端位移的转换。

本发明的发明人发现，臂架油缸的油缸压力与臂架末端的位移二者之间具有很好的同步性，因此，可以使用臂架油缸的油缸压力来间接表征臂架末端的位移，二者之间仅在幅值上相差一个系数，这个系数称为“压力位移换算系数”。

所述压力位移换算系数可以为一预设值，该预设值可以根据大量实验测得，例如对一臂架进行多次振动测试，由压力传感器采集油缸压力信号并由例如位移传感器采集臂架末端位移信号，计算两者之间的比例系数为压力位移换算系数，并作为预设值设置在该臂架末端振动评测装置中。然后，当该装置运行时，通过将采集到的油缸压力信号乘以该压力位移换算系数就可以得到臂架末端位移信号，既简便，精度又高。

为了对臂架末端位移进行更为精确地评测，优选情况下，所述压力位移换算系数可以根据臂架姿态和/或泵送档位而改变。因此，如图2所示，本发明提供的臂架末端振动评测装置中的信号采集单元10如前所述还可以采集臂架的姿态信号和/或泵送档位信号，并且该评测装置在该优选情况下还可以包括系数获取单元30，该系数获取单元30包括一存储有压力位移换算系数与姿态和/或档位的对应关系的数据库，该系数获取单元30用于根据姿态信号和/或泵送档位信号获取臂架的当前姿态和/或当前档位所对应的压力位移换算系数，并将该系数输出到信号转换单元20以供进行信号转换。所述数据库的示例见下表1。

表1 压力位移换算系数数据库

系数

档位1

档位2

档位3

档位4

档位5

档位6

档位7

档位8

档位9

档位10

姿态1

A11

A12

A13

A14

A15

A16

A17

A18

A19

A1B

姿态2

A21

A22

A23

A24

A25

A26

A27

A28

A29

A2B

姿态3

A31

A32

A33

A34

A35

A36

A37

A38

A39

A3B

姿态4

A41

A42

A43

A44

A45

A46

A47

A48

A49

A4B

姿态5

A51

A52

A53

A54

A55

A56

A57

A58

A59

A5B

姿态6

A61

A62

A63

A64

A65

A66

A67

A68

A69

A6B

姿态7

A71

A72

A73

A74

A75

A76

A77

A78

A79

A7B

姿态8

A81

A82

A83

A84

A85

A86

A87

A88

A89

A8B

姿态9

A91

A92

A93

A94

A95

A96

A97

A98

A99

A9B

姿态10

AB1

AB2

AB3

AB4

AB5

AB6

AB7

AB8

AB9

ABB

表1中的数据库未给出系数的具体值，仅用字符表示，如A11，这些系数的值可以通过将臂架系统设置成相应的姿态和/或档位，然后对压力信号和位移信号进行实测而得到。

在上述的这种压力位移换算系数可变的情况下，姿态信号和泵送档位信号二者可以择一，也可以两者都有，这取决于计算精度，如表1所示即为二者都有的数据库，当然也可以仅使用姿态信号或者仅使用泵送档位信号。

所谓姿态信号可以为一组倾角信号，代表臂架的各个臂节相对于水平面或竖直面的倾角，也就是臂架姿态，由姿态传感器60测得（见图3和图4），可以分为平伸、弯曲（桥型、V形）等等。

所谓泵送档位信号为来自遥控器70（见图4）的泵送档位信号，由机手操作遥控器70的档位旋钮来选择泵送档位，并由遥控器70经由无线网络发送给信号采集单元10。因此信号采集单元10还可以为能接收无线信号的输入电路。

另外，在臂架运动过程中，臂架的自身运动（非振动）反映为低频分量，混杂在油缸压力信号中。因此，为了更为精确地得到臂架末端位移信号，所述信号转换单元20还对油缸压力信号进行高通滤波处理，以得到滤波后的油缸压力信号，然后再将滤波后的油缸压力信号与压力位移换算系数相乘以得到较为精确的臂架末端位移信号。其中高通滤波处理主要滤去由于操作臂架动作所引起低频分量。

此外，如果对臂架实施了减振控制，则减振控制也可能会影响臂架油缸的压力，进而会对本发明所得到的臂架末端位移信号的精确性有一定影响。下面对开启减振控制所产生的影响进行分析。

当未开启减振控制时，臂架振动时的波形如图5所示，其中曲线A为臂架末端的位移，曲线B为油缸压力信号，此时可以发现二者的同步性较好，仅是幅值相差一个系数，所以将油缸压力信号乘以压力位移换算系数就可以得到较为精确的臂架末端位移信号。

而当开启减振控制时，臂架振动时的波形如图6所示，其中曲线A为臂架末端的位移，曲线B为油缸压力信号，此时由于减振控制时需要对油缸的有杆腔和无杆腔进泄高压油，加上油缸本身因臂架振动导致的压力变化，从而导致油缸压力变化紊乱，因此测得的压力信号会受到进泄高压油的信号影响，从而不能精确地反映臂架末端的位移。因此，在这种情况下，也需要对油缸压力信号进行滤波处理，保留臂架振动所导致的油缸压力的变化，而滤除其他因素的影响。

因此，如果臂架处于减振控制模式，则所述信号转换单元20还对油缸压力信号进行低通滤波处理，以得到滤波后的油缸压力信号，然后再将滤波后的油缸压力信号与压力位移换算系数相乘以得到较为精确的臂架末端位移信号。其中低通滤波处理主要滤去由于进泄高压油所产生的高频分量。

由于信号转换单元20需要知晓是否开启了减振控制，才能判断是否要执行低通滤波处理，所以信号采集单元10还用于接收关于减振控制是否开启的信息（未图示），并输出给信号转换单元20。所述信号转换单元20根据该信息判断臂架是否处于减振控制模式。

上述高通滤波和低通滤波的先后顺序、以及与判断是否处于减振控制模式的先后顺序并不重要，只是需要在乘以压力位移换算系数之前执行即可。

通过上述方式得到的臂架末端位移信号对于低频振动的情况不容易发 生畸变，相对于加速度转位移的技术来说换算精度更高。

如图3所示，为本发明提供的臂架末端振动评测系统，该系统包括：有杆腔压力传感器40和无杆腔压力传感器50，分别用于检测臂架的其中一节臂节1的臂架油缸2的有杆腔压力和无杆腔压力并生成有杆腔压力信号和无杆腔压力信号；以及本发明提供的上述臂架末端振动评测装置，该装置的信号采集单元10与所述有杆腔压力传感器40、无杆腔压力传感器50相连接。

其中有杆腔压力传感器40和无杆腔压力传感器50均为压力传感器，如图4所示，分别设置在其中一节臂节的有杆腔和无杆腔内。

在优选情况下，该系统还可以包括姿态传感器60，用于检测臂架的姿态并生成姿态信号，所述信号采集单元10与该姿态传感器60相连接。该姿态传感器60可以为多个倾角传感器，分别设置在每一节臂节1上，用于检测相应臂节1相对于水平面或竖直面的倾角。所述姿态信号也可以为一组倾角信号。

在优选情况下，该系统还可以包括遥控器70，与所述信号采集单元10通信，该遥控器70用于发送泵送档位信号到所述信号采集单元10。遥控器70通过无线网络与信号采集单元10通信。

如图7所示，本发明提供的臂架末端振动评测方法包括：采集臂架的其中一节臂节的臂架油缸的有杆腔压力信号和无杆腔压力信号；根据所述有杆腔压力信号和无杆腔压力信号得到油缸压力信号；以及将该油缸压力信号乘以一压力位移换算系数从而得到臂架末端位移信号。

其中，所述压力位移换算系数如前所述可以为一预定值，优选情况下，也可以根据臂架姿态和/或泵送档位而改变。

在后者的情况下，该方法还包括：采集臂架的姿态信号和/或泵送档位信号；根据姿态信号和/或泵送档位信号从存储有压力位移换算系数与姿态和/或档位的对应关系的数据库中获取臂架的当前姿态和/或当前档位所对应的 压力位移换算系数。

此外，如前所述，该方法还包括：在得到油缸压力信号之后，先对油缸压力信号进行高通滤波处理，以滤去由于操作臂架动作所引起低频分量。

其次，如果对臂架实施了减振控制，则减振控制可能会影响臂架油缸的压力。因此，优选情况下，该方法还包括：当开启减振控制时，在得到油缸压力信号之后，先对油缸压力信号进行低通滤波处理，以得到滤波后的油缸压力信号，然后再将滤波后的油缸压力信号与压力位移换算系数相乘以得到较为精确的臂架末端位移信号。其中低通滤波处理主要滤去由于进泄高压油所产生的高频分量。

上述高通滤波和低通滤波的先后顺序、以及与判断是否处于减振控制模式的先后顺序并不重要，只是需要在乘以压力位移换算系数之前执行即可。在图7中是先进行了高通滤波处理，然后判断是否处于减振控制模式，然后在进行低通滤波处理，这只是一种实施方式，事实上本领域技术人员可以理解先判断是否处于减振控制模式，然后再分别进行高通滤波处理和低通滤波处理也是可以实施的。

采用本发明所提供的臂架末端振动评测装置、系统或方法能够精确地评测臂架末端的振动，下面通过实例的实测来说明本发明的效果。

图8A、8B和8C分别为未实施减振控制时的波形图，图8A是通过本发明从油缸压力信号转换得到的臂架末端位移信号，图8B是实测的位移信号，图8C是二者对比的波形图。从图8C中可以看出，转换得到的位移信号与实测的位移信号基本相同。

图9A、9B和9C分别为实施减振控制时的波形图，图9A是通过本发明从油缸压力信号转换得到的臂架末端位移信号，图9B是实测的位移信号，图9C是二者对比的波形图。从图9C中可以看出，转换得到的位移信号与实测的位移信号也是基本相同。

从以上实例可以证明，通过本发明所提出的利用油缸压力信号来反映臂架末端振动趋势的这种方式切实可行，精确度高。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (17)

1.一种臂架末端振动评测装置，包括：

信号采集单元(10)，用于采集臂架的其中一节臂节(1)的臂架油缸(2)的有杆腔压力信号和无杆腔压力信号，并根据所述有杆腔压力信号和无杆腔压力信号得到油缸压力信号，其中所述信号采集单元(10)将所采集到的有杆腔压力信号和无杆腔压力信号作差，转化为油缸压力信号；

信号转换单元(20)，用于将来自信号采集单元(10)的油缸压力信号乘以一压力位移换算系数从而得到臂架末端位移信号，其中，所述压力位移换算系数为油缸压力与臂架末端位移之间的比例系数。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述信号采集单元(10)所采集的有杆腔压力信号和无杆腔压力信号来自中间臂节的臂架油缸。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述压力位移换算系数根据臂架姿态和/或泵送档位而改变。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述信号采集单元(10)还采集臂架的姿态信号和/或泵送档位信号，并且该装置还包括系数获取单元(30)，该系数获取单元(30)包括一存储有压力位移换算系数与姿态和/或档位的对应关系的数据库，该系数获取单元(30)用于根据姿态信号和/或泵送档位信号获取臂架的当前姿态和/或当前档位所对应的压力位移换算系数，并将该压力位移换算系数输出到所述信号转换单元(20)。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述姿态信号为一组倾角信号，代表臂架的各个臂节相对于水平面或竖直面的倾角。

6.根据权利要求4所述的装置，其中所述泵送档位信号为来自遥控器(70)的泵送档位信号。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中所述信号转换单元(20)对油缸压力信号进行高通滤波处理，以得到滤波后的油缸压力信号，然后再将滤波后的油缸压力信号与压力位移换算系数相乘以得到臂架末端位移信号。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的装置，其中如果臂架处于减振控制模式，则所述信号转换单元(20)在得到油缸压力信号之后，先对油缸压力信号进行低通滤波处理，以得到滤波后的油缸压力信号，然后再将滤波后的油缸压力信号与压力位移换算系数相乘以得到臂架末端位移信号。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述信号采集单元(10)还用于接收关于减振控制是否开启的信息，并输出给信号转换单元(20)；所述信号转换单元(20)根据该信息判断臂架是否处于减振控制模式。

10.一种臂架末端振动评测系统，该系统包括：

有杆腔压力传感器(40)和无杆腔压力传感器(50)，分别用于检测臂架的其中一节臂节(1)的臂架油缸(2)的有杆腔压力和无杆腔压力并生成有杆腔压力信号和无杆腔压力信号；以及

根据权利要求1-9中任一项所述的臂架末端振动评测装置，该装置的信号采集单元(10)与所述有杆腔压力传感器(40)、无杆腔压力传感器(50)相连接。

11.根据权利要求10所述的系统，其中该系统还包括姿态传感器(60)，用于检测臂架的姿态并生成姿态信号，所述信号采集单元(10)与该姿态传感器(60)相连接。

12.根据权利要求10所述的系统，其中该系统还包括遥控器(70)，与所述信号采集单元(10)通信，该遥控器(70)用于发送泵送档位信号到所述信号采集单元(10)。

13.一种臂架末端振动评测方法，包括：

采集臂架的其中一节臂节的臂架油缸的有杆腔压力信号和无杆腔压力信号；

根据所述有杆腔压力信号和无杆腔压力信号得到油缸压力信号，其中将所采集到的有杆腔压力信号和无杆腔压力信号作差转化为油缸压力信号；以及

将该油缸压力信号乘以一压力位移换算系数从而得到臂架末端位移信号，其中，所述压力位移换算系数为油缸压力与臂架末端位移之间的比例系数。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述压力位移换算系数根据臂架姿态和/或泵送档位而改变。

15.根据权利要求14所述的方法，其中该方法还包括：

采集臂架的姿态信号和/或泵送档位信号；

根据姿态信号和/或泵送档位信号从存储有压力位移换算系数与姿态和/或档位的对应关系的数据库中获取臂架的当前姿态和/或当前档位所对应的压力位移换算系数。

16.根据权利要求13-15中任一项权利要求所述的方法，其中该方法还包括：

在得到油缸压力信号之后，先对油缸压力信号进行高通滤波处理，以得到滤波后的油缸压力信号，然后再将滤波后的油缸压力信号与压力位移换算系数相乘以得到臂架末端位移信号。

17.根据权利要求13-15中任一项权利要求所述的方法，其中该方法还包括：

当开启减振控制时，在得到油缸压力信号之后，先对油缸压力信号进行低通滤波处理，以得到滤波后的油缸压力信号，然后再将滤波后的油缸压力信号与压力位移换算系数相乘以得到臂架末端位移信号。