CN103556832B - 一种臂架状态控制设备、方法、系统及工程机械 - Google Patents

一种臂架状态控制设备、方法、系统及工程机械 Download PDF

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本发明公开了一种臂架状态控制设备、方法、系统及工程机械。该设备包括：接收装置，用于接收臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及臂架上目标点横向抖动角度；控制装置，用于根据所述臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及所述臂架上目标点横向抖动角度计算出所述臂架上目标点横向抖动幅度，并将所述臂架上目标点横向抖动幅度控制在横向抖动幅度预设值以内。本发明能够对工程机械的目标作业位置进行定位，并能够对臂架的抖动进行控制，从而实现臂架在空间平稳运动。

Description

一种臂架状态控制设备、方法、系统及工程机械
技术领域
本发明涉及工程机械领域，具体地，涉及一种臂架状态控制设备、方法、系统及工程机械。
背景技术
在建筑施工领域，多节臂架的工程机械得到了广泛地应用，例如混凝土泵车和混凝土布料机，可以用于连续输送和浇筑混凝土到指定施工位置，尤其是在高层建筑、地下建筑和大混凝土建筑物的施工过程中，以其高质量、高效率、低消耗、低成本、施工周期短、劳动强度低等优点，逐步成为建筑施工中不可缺少的关键设备。
混凝土布料设备主要包括混凝土输送泵、混凝土输送管道和臂架系统三个主要部分。混凝土输送管道悬挂于臂架系统上随臂架系统一同动作，混凝土输送泵的双供料油缸连续交替工作将混凝土推送入混凝土输送管道，并沿管道输送到布料目标位置。臂架系统是由回转台以及各短臂节通过油缸两两铰接而连接构成，一般情况下其臂架的构成包括4节臂、5节臂、6节臂等形式。
五臂节臂架系统为例的臂架系统结构如图1所示，其包括回转台1、一臂节2、二臂节3、三臂节4、四臂节5、五臂节6、一臂节油缸7、二臂节油缸8、三臂节油缸9、四臂节油缸10、五臂节油缸11、软管12等。回转台1和一臂节2通过一臂节油缸7连接，一臂节2和二臂节3通过二臂节油缸8连接，二臂节3和三臂节4通过三臂节油缸9连接，三臂节4和四臂节5通过四臂节油缸10连接，四臂节5和五臂节6通过五臂节油缸11连接，软管12安装于五臂节混凝土输送管道的末端。臂架系统的空间纵向运动通过各臂节之间的油缸通过伸缩实现，臂架系统的空间横向运动通过回转台的左右摆动来实现。
在混凝土布料设备施工过程中，由于臂架需要不停地挪动，在臂架停止后会有惯性而抖动，从而导致臂架无法平稳动作。同时，由于在布料过程中产生的振动，也会影响施工安全同时产生的动应力导致臂架疲劳而减小使用寿命，影响设备整机性能和施工质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种臂架状态控制设备、方法、系统及工程机械，以准确定位作业位置，使工程机械能够平稳动作。
为了实现上述目的，本发明提供一种臂架状态控制设备，该设备包括：接收装置，用于接收臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及臂架上目标点横向抖动角度；控制装置，用于根据所述臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及所述臂架上目标点横向抖动角度计算出所述臂架上目标点横向抖动幅度，并将所述臂架上目标点横向抖动幅度控制在横向抖动幅度预设值以内。
相应地，本发明提供了一种臂架状态控制方法，该方法包括：接收臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及臂架上目标点横向抖动角度；根据所述臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及所述臂架上目标点横向抖动角度计算出所述臂架上目标点横向抖动幅度，并将所述臂架上目标点横向抖动幅度控制在横向抖动幅度预设值以内。
相应地，本发明提供了一种臂架状态控制系统，该系统还包括：水平角度检测装置，用于检测臂节相对于水平面的角度；距离计算装置，用于计算臂架上目标点与臂架回转台中心的距离；以及横向抖动角度检测装置，用于检测臂架上目标点横向抖动角度。
相应地，本发明提供了一种工程机械，该工程机械包括所述的系统。
本发明能够对工程机械的臂架的抖动进行控制，从而实现臂架在空间平稳运动。
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是现有技术中臂架结构示意图；
图2和图3是传感器安装示意图；
图4是本发明提供的臂架状态控制设备示意图；
图5是本发明提供的臂架状态控制方法流程图；
图6是本发明提供的臂架状态控制系统图。
附图标记说明
1  回转台                   2  一臂节
3  二臂节                   4  三臂节
5  四臂节                   6  五臂节
7  一臂节油缸               8  二臂节油缸
9  三臂节油缸               10 四臂节油缸
11 五臂节油缸               12 末端软管
13 一臂节角度传感器         14 二臂节角度传感器
15  三臂节角度传感器         16  四臂节角度传感器
17  五臂节角度传感器         18  横向抖动角度传感器
100 接收装置                 200 控制装置
300 水平角度检测装置         400 距离计算装置
500 横向抖动角度检测装置     600 低通滤波装置
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。
为了准确定位作业位置，本发明提供了一种臂架状态控制设备，该设备通过检测臂架各臂节的角度来确定横向抖动幅度。图2和图3示出了传感器安装示意图，从图中可以看出一臂节角度传感器13安装在一臂节2的末端，二臂节角度传感器14安装在二臂节3的末端，三臂节角度传感器15安装在三臂节4的末端，四臂节角度传感器16安装在四臂节5的末端，五臂节角度传感器17安装在五臂节6的末端；具体而言，各传感器安装在各臂节的端部靠近销轴连接处，安装方向要求与臂架平行，所选用的角度传感器可用于实时反馈臂架相对于水平面的角度。横向抖动角度传感器18也安装在五臂节6的末端。通过以上的角度传感器可以获得各个臂节与水平面的角度以及横向抖动角度。需要说明的是，传感器安装的位置可以根据实际需要进行合理的设置。
本发明可以基于上述角度传感器所检测的角度来实现所提供的控制设备。如图4所示，本发明提供了一种臂架状态控制设备，包括接收装置100，用于接收臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及臂架上目标点横向抖动角度；控制装置200，用于根据所述臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及所述臂架上目标点横向抖动角度计算出所述臂架上目标点横向抖动幅度，并将所述臂架上目标点横向抖动幅度控制在横向抖动幅度预设值以内。优选地，所述控制装置还用于控制所述臂架上目标点与臂架回转台中心的距离在距离预设值以内。为了便于计算，所述臂架上目标点为臂架上任一臂节的末端。需要说明的是，所述臂架上目标点也可以不是臂节末端，例如臂节的中间。臂架上目标点与臂架回转台中心的距离r根据下式计算：其中Li为i臂节的长度，θi为i臂节相对于水平面的角度，n为所述臂架上目标点所在臂节。优选地，所述臂架上目标点所在臂节为最后一个臂节的末端。所述臂架横向抖动幅度θ为所述臂架上目标点横向抖动角度。
如图2所示，以5臂节臂架为例，一臂节角度传感器13反映出一臂节相对于水平面的角度θ1，二臂节角度传感器14反映出二臂节相对于水平面的角度θ2，三臂节角度传感器15反映出三臂节相对于水平面的角度θ3，四臂节角度传感器16反映出四臂节相对于水平面的角度θ4，五臂节角度传感器17反映出五臂节相对于水平面的角度θ5。图3为横向抖动角度传感器18的安装示意图(俯视图)，横向抖动角度传感器18安装于臂架盖板上部分，当臂架在横向动作时能测量出臂架横向转动的角度θ6，根据角度变化可推算出臂架横向抖动的幅度。
如图2所示，设定各臂节长度分别为L1、L2、L3、L4、L5，各角度传感器测得的角度分别为θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6，建立二维坐标轴xoy如所示(以回转台中心为坐标原点)，定义一臂节2末端的空间坐标为(x1,y1),二臂节3末端的空间坐标为(x2,y2),三臂节4末端的空间坐标为(x3,y3),四臂节5末端的空间坐标为(x4,y4),五臂节6末端的空间坐标为(x5,y5)，r表示为坐标原点O到五臂节横向抖动角度传感器18的直线距离。根据各臂架角度跟臂架长度可得出如下公式：
x1＝L1*cos(θ1)，y1＝L1*sin(θ1)；
x2＝L2*cos(θ2)，y2＝L2*sin(θ2)；
x3＝L3*cos(θ3)，y3＝L3*sin(θ3)；
x4＝L4*cos(θ4)，y4＝L4*sin(θ4)；
x5＝L5*cos(θ5)，y5＝L5*sin(θ5)；
由每臂节末端的位置可以得到臂架末端的纵向位置为：y＝y1+y2+y3+y4+y5＝L1*sin(θ1)+L2*sin(θ2)+L3*sin(θ3)+L4*sin(θ4)+L5*sin(θ5)；x＝x1+x2+x3+x4+x5＝L1*cos(θ1)+L2*cos(θ2)+L3*cos(θ3)+L4*cos(θ4)+L5*cos(θ5)；臂架空间运动过程导致每节臂架相对于水平面的角度不断变化，由以上公式根据角度的变化可实时计算出臂架纵向运动状态的变化情况。由五臂节7末端的空间坐标(x5,y5)可计算出坐标原点O到五臂末端的直线距离r，五臂横向抖动角度传感器采集的角度为θ6从而可计算出五臂末端横向抖动幅度s，同样空间运动过程导致安装于五臂末端横向抖动角度传感器的角度不断变化，由以上公式根据角度的变化可实时计算出臂架横向抖动状态的变化情况。
臂架横向抖动控制应当在不影响臂架正常的回转动作情况下进行，在实际运行中，需要监测遥控器是否操作回转动作，若操作回转动作则不进行横向抖动控制，若遥控器停止操作回转动作，则可进行臂架横向抖动控制。臂架在停止操作后由于惯性会使得臂架在遥控器操作停止的位置附近抖动，需通过实时反馈的臂架横向抖动幅度s来进行横向抖动控制。臂架横向抖动控制采用闭环反馈控制，例如可以设定一个控制目标K1，其可由触摸屏进行设置，然后实时地将臂架末端横向抖动幅度s与设定的控制目标K1进行比较，若s值变化幅度超过了控制目标则进行控制并计算输出控制信号，从而实现臂架横向的抖动幅度控制在设定值K1以内。同样，臂架纵向运动控制需不影响臂架正常的动作，也需监测遥控器是否操作臂架油缸动作，若操作臂架油缸动作则不进行控制，若遥控器停止操作动作，则可进行臂架纵向运动状态控制。臂架包括若干臂架油缸，因此存在多种操作臂架油缸动作的信号，以5节臂架为例，则臂架有5个臂架油缸。下面以3臂架油缸为例进行说明。在判断遥控是否操作臂架油缸动作时，若存在遥控操作3臂油缸动作的信号，则不能进行臂架纵向运动状态控制，若遥控器停止操作3臂油缸动作，则可进行臂架纵向运动状态控制。而遥控器操作其他臂架油缸动作时不影响3臂油缸运动控制执行。同样，臂架纵向运动控制采用闭环反馈控制，可以设定控制目标K2，其可由触摸屏进行设置，然后实时监测臂架末端纵向抖动幅度y与设定的控制目标K2进行比较，若y值变化幅度超过了控制目标值则进行控制并计算输出控制信号，从而实现臂架纵向的抖动幅度控制在设定值K2以内。
抖动为臂架上目标点停止后因惯性产生的抖动或冲击抖动，其中冲击抖动可以为例如泵送打料产品产生的冲击抖动。对于控制的具体方案，现有技术中已经存在相应的控制方案，例如运用减振控制算法来控制液压马达来实现，该减振控制算法为本领域技术人员所公知，且于多篇专利中均有披露(诸如CN 102071809A)，故于此不再赘述。
相应地，本发明提供了一种臂架状态控制方法，如图5所示，该方法包括：接收臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及臂架上目标点横向抖动角度(步骤501)；根据所述臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及所述臂架上目标点横向抖动角度计算出所述臂架上目标点横向抖动幅度，并将所述臂架上目标点横向抖动幅度控制在横向抖动幅度预设值以内(步骤503)。
本发明提供了一种臂架状态控制系统，如图6所示，该系统接收装置100、控制装置200、水平角度检测装置300、距离计算装置400、以及横向抖动角度检测装置500，还可以包括低通滤波装置600。水平角度检测装置300，用于检测臂节相对于水平面的角度；距离计算装置400，用于计算臂架上目标点与臂架回转台中心的距离；横向抖动角度检测装置500，用于检测臂架上目标点横向抖动角度。低通滤波装置600用于对臂节相对于水平面的角度以及臂架上目标点横向抖动角度进行低通滤波。低通滤波装置600可以为巴特沃斯低通滤波器。
相应地，本发明提供了一种工程机械，该工程机械包括上述的系统。
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)

1.一种臂架状态控制设备，其特征在于，该设备包括：
接收装置，用于接收臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及臂架上目标点横向抖动角度；
控制装置，用于根据所述臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及所述臂架上目标点横向抖动角度计算出所述臂架上目标点横向抖动幅度，并将所述臂架上目标点横向抖动幅度控制在横向抖动幅度预设值以内。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述臂架上目标点为臂架上任一臂节的末端。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，臂架上目标点与臂架回转台中心的距离r根据下式计算：
其中Li为i臂节的长度，θi为i臂节相对于水平面的角度，n为所述臂架上目标点所在臂节。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述臂架横向抖动幅度为所述臂架上目标点横向抖动角度。
5.根据权利要求3或4所述的设备，其特征在于，所述n为4、5或6。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的设备，其特征在于，所述控制装置还用于控制所述臂架上目标点与臂架回转台中心的距离在距离预设值以内。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的设备，其特征在于，所述抖动为所述臂架上目标点停止后因惯性产生的抖动或冲击抖动。
8.一种臂架状态控制方法，其特征在于，该方法包括：
接收臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及臂架上目标点横向抖动角度；
根据所述臂架上目标点与臂架回转台中心的距离以及所述臂架上目标点横向抖动角度计算出所述臂架上目标点横向抖动幅度，并将所述臂架上目标点横向抖动幅度控制在横向抖动幅度预设值以内。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述臂架上目标点为臂架上任一臂节的末端。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，臂架上目标点与臂架回转台中心的距离r根据下式计算：
其中Li为i臂节的长度，θi为i臂节相对于水平面的角度，n为所述臂架上目标点所在臂节。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述臂架横向抖动幅度为所述臂架上目标点横向抖动角度。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述n为4、5或6。
13.根据权利要求8-11任意一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括控制所述臂架上目标点与臂架回转台中心的距离在距离预设值以内。
14.根据权利要求8-11任意一项所述的方法，其特征在于，所述抖动为所述臂架上目标点停止后因惯性产生的抖动或冲击抖动。
15.一种臂架状态控制系统，其特征在于，该系统包括根据权利要求1-7任意一项所述的设备；该系统还包括：
水平角度检测装置，用于检测臂节相对于水平面的角度；
距离计算装置，用于计算臂架上目标点与臂架回转台中心的距离；以及
横向抖动角度检测装置，用于检测臂架上目标点横向抖动角度。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，该系统还包括低通滤波装置，用于对所述臂节相对于水平面的角度以及臂架上目标点横向抖动角度进行低通滤波。
17.一种工程机械，其特征在于，该工程机械包括根据权利要求15或16所述的系统。
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