CN111075200B - 一种基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法，该方法包括以下步骤：(1)构建负载口独立系统，该系统包括液压驱动模块、信号发送及处理模块、传感反馈模块。所述液压驱动模块包括有液压油缸和电液比例阀；所述传感反馈模块包括多个压力传感器。(2)测量泵送作业之前液压油缸承载腔的压力值。(3)调整电液比例阀使液压油缸的承载腔封闭，保持一定的高压。(4)测量泵送作业后液压油缸承载腔内的压力，进行布料机泵送作业前后液压油缸承载腔内压力差值的计算。(5)根据差值利用PID算法调节承载腔内的压力恢复至泵送作业之前，实现对混凝土布料机的臂架抑振。

Description

一种基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法
技术领域
本发明涉及工程机械领域，特别是涉及一种基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法，尤其适用于混凝土布料机的快速抑振。
背景技术
混凝土布料机是利用车载混凝土泵将混凝土通过管道运送到所需位置的特种工程设备。混凝土泵车多采用液压驱动的双缸往复式活塞混凝土泵，依靠液压油缸的快速连续换向带动输送活塞交替往复运动，从而在臂架末端得到近似连续的混凝土流量，输送管内的混凝土压力和流量不能维持恒定值，造成压力脉动，产生周期性的冲击力。再加上混凝土布料机施工现场环境恶劣，容易受到外界激励的扰动，容易造成臂架的振动。由于布料机械臂通常具有3个或3个以上关节，臂展在十米甚至数十米以上，臂架的微小振动都会引起臂架末端的较大振动，产生末端软管的甩动，从而影响施工效率，增加施工难度，且由于臂架的长时间振动容易造成臂架的疲劳损坏甚至发生断裂，影响设备寿命甚至威胁人安全。针对上述背景，迫切需要一种可以快速有效抑制混凝土布料机臂架振动的方法
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法。负载口独立系统是指利用多个阀芯分别控制执行元件的进出口，解除了进出口的联动，增加了系统的控制自由度，使得机械臂的操控性能进一步提高。由于双缸泵送以及外界激励的原因，布料机械臂臂架会产生振动，导致控制油缸内压力的波动，故通过控制油缸内压力波动可抑制臂架的振动。通过对布料机臂架上的液压油缸承载腔和非承载腔的分别控制，可以使封闭在腔内的油液形成液压弹簧，抑制活塞杆的位移，通过在臂架上加装压力传感器，实时感知压力，使用PID控制策略对电液比例阀的开度进行调整，进而调整液压弹簧刚度及活塞杆位移，实现臂架振动的主动控制。该抑振方法具有结构简单、控制方便、成本较低的优点，且可有效抑振臂架在布料过程中的振动。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法，该方法包括以下步骤：
(1)构建负载口独立系统，该系统包括液压驱动模块、信号发送及处理模块、传感反馈模块。所述液压驱动模块包括有液压油缸和电液比例阀，所述液压油缸的承载腔和非承载腔分别连接一个单独的电液比例阀；所述信号发送及处理模块包括中央处理器，用于接收压力传感器的压力信息并处理；所述传感反馈模块包括多个压力传感器，安装在混凝土布料机臂架的液压油缸的承载腔处。
(2)根据预定义的布料机臂架位置要求，通过液压驱动模块将臂架调整至所需位置，使用传感反馈模块测量未进行混凝土泵送作业时液压油缸承载腔的压力值，并传递到信号发送及处理模块进行记录。
(3)调整电液比例阀使臂架液压驱动模块中的液压油缸的承载腔封闭，保持一定的高压。
(4)当混凝土布料机进行泵送作业时，布料机臂架的振动会产生液压油缸两个腔内压力的波动，通过传感反馈模块测量液压油缸承载腔内的压力并传递给信号发送及处理模块，进行布料机泵送作业前后液压油缸承载腔内压力差值的计算。
(5)信号发送及处理模块将步骤(4)计算得到的差值信号传递给液压驱动模块，利用PID算法调节承载腔内的压力恢复至泵送作业之前，实现对混凝土布料机的臂架抑振。
进一步地，液压驱动模块还包括平衡阀，用于限制液压油缸承载腔的压力上限。
进一步地，所述步骤(3)中，承载腔的压力为使得臂架处于受力平衡状态时的压力。
进一步地，所述步骤(5)具体为，信号发送及处理模块将步骤(4)计算得到的差值信号传递给液压驱动模块，利用PID算法调节控制液压油缸非承载腔的电液比例阀开度，使得承载腔内的压力恢复至泵送作业之前，进而保持承载腔的相对体积变化为零，使得活塞杆的位移保持不变，实现对混凝土布料机的臂架抑振。
本发明的有益结果是：本发明提出一种基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法。该方法基于负载口独立系统通过PID算法来调整电液比例阀的开度，进而调整液压油缸承载腔的压力，通过承载腔和非承载的共同作用实现活塞杆的位置保持不变，可以快速有效的抑制混凝土布料机臂架的振动。
附图说明
图1为某型号混凝土布料机臂架结构示意图；
图2为某型号混凝土布料机关节结构示意图；
图3为某型号混凝土布料机臂架负载口独立系统液压原理图；
图4为PID控制原理图；
图5为抑振方法控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图以四自由度混凝土布料机臂架对本发明进行进一步的描述，本发明的目的和效果将更加明显。
本发明首先构建了负载口独立系统，该负载口独立系统在混凝土布料机臂架的液压油缸的两端分别装有电液比例阀，具体抑振方法为液压缸的承载腔通过平衡阀和电液比例阀实现腔体的封闭，使腔内油液形成液压弹簧，非承载腔的油路通过另一个电液比例阀进行压力控制，目标是保持承载腔内的压力值恒定。根据液压弹簧原理，当承载腔的压力保持不变时，承载腔的相对体积变化几乎为零，进一步的，活塞杆的位移几乎保持不变。从而使得作用在液压缸活塞杆的外界干扰通过承载腔和非承载腔的压力共同作用得以平衡，保持活塞杆位移固定。之后对负载口独立系统的PID控制模块进行了构建，使用压力传感器感知油缸内的压力，并将压力信号传递到中央处理器进行运算处理，中央处理器使用PID控制方法，将当前承载腔的压力值与设定值进行对比求差，利用该差值通过相应的比例环节、积分环节、微分环节的处理输出信号对控制非承载腔的电液比例阀进行调控，进而调节承载腔的油缸压力，通过承载腔与非承载腔内油液的共同保持活塞杆的位移不变，进而保持臂架的稳定，实现对臂架的抑振作用。本发明通过负载口独立系统来控制液压缸两腔压力，使活塞杆位移几乎保持不变，通过连杆使得臂架关节的位移几乎保持不变，进而达到对混凝土布料机臂架的抑振目的。下面将对本发明基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法的具体实施步骤进行说明：
(1)构建负载口独立系统，该系统包括液压驱动模块、信号发送及处理模块、传感反馈模块，为实现布料机臂架的抑振提供物理基础。各个模块所包含的元器件及作用如下：
所述液压驱动模块主要包括有液压油缸、平衡阀、电液比例阀其中电液比例阀可以接收来自中央处理器的信号后调整阀口开度，控制液压油缸两腔压力保持不变，进而保持活塞杆位移不变，进而实现臂架的抑振。
所述信号发送及处理模块主要包括中央处理器，用于接收压力传感器的角度信息并实时进行计算，按照PID算法转换成相应的信号输出至电液比例阀调节开度以控制液压油缸腔内压力。
所述传感反馈模块主要包括多个压力传感器，分别安装在混凝土布料机臂架的液压油缸处，用于检测液压油缸的压力变化并反馈给中央处理器。
(2)根据预定义的布料机臂架位置要求，通过控制液压回路中的电液比例阀实现液压缸活塞杆的伸出或收缩，将布料机臂架展开或折叠，进而实现臂架姿态的调节将臂架调整至所需位置，使用压力传感器测量未进行混凝土泵送作业时液压油缸承载腔的压力值，并传递到中央处理器进行记录。
(3)当布料机臂架调整到合适位置后，调整电液比例阀使臂架液压油缸的承载腔封闭，形成一定的高压，使得臂架处于受力平衡状态。
(4)当混凝土布料机进行泵送作业时，双缸往复式活塞混凝土泵液压油缸的往复运动对臂架产生周期性的冲击，臂架的振动会产生油缸腔内压力的波动，通过压力传感器记录液压油缸承载腔内的压力并传递给中央处理器。
(5)中央处理器经过PID算法运算后将信号传递给控制液压油缸非承载腔的电液比例阀开度，进而保持承载腔内的压力保持恒定，进而保持承载腔的相对体积变化几乎为零，进而使得活塞杆的位移几乎保持不变。从而使得作用在液压缸活塞杆的外界干扰通过承载腔和非承载腔的压力共同作用得以平衡，保持活塞杆位移不变，实现对混凝土布料机的抑振。
实施例
本发明以某四自由度布料机械臂为例，该布料机械臂的结构示意图如图1所示，主要组成部分为回转台1，一号关节2，一号臂3，二号关节4，二号臂5，三号关节6，三号臂7，末端出料口8，末端软管9。因末端软管仅起导向作用，在工作过程中基本保持竖直向下的朝向，故可忽略其自由度，将该布料机械臂视为回转台加三节臂所组成的四自由度系统。
布料机械臂关节模型如图2所示，结合图2对臂架的振动进行详细说明。布料机械臂进行布料操作的过程中，由于双缸往复式活塞混凝土泵液压油缸的往复运动对臂架产生周期性的冲击，加之布料机械臂工作环境中的其他外界激励，将导致臂架振动，如图所示将导致机械臂末端的振动，而末端的振动将导致布料机三节臂的振动，进而导致与关节连接的液压油缸的活塞杆的位置移动，产生油缸腔内压力的波动。如图2所示，机械臂末端向左或向右振动时，第一关节将斜向下或斜向上振动，第二关节将斜向上或斜向下振动。
本发明通过控制油缸腔内的压力波动来对臂架的振动进行抑制。该布料机械臂实现抑振的方法具体如下：
(1)构建负载口独立系统，该系统包括液压驱动模块、信号发送及处理模块、传感反馈模块。
该负载口独立系统液压原理图如图3所示。主要组成部分为油箱1，过滤器2，电动机3，液压泵4，溢流阀5，第一减压阀6、第二减压阀7、第三减压阀8、第四减压阀9、第五减压阀10、第六减压阀11，第一电液比例阀12、第二电液比例阀13、第三电液比例阀14、第四电液比例阀15、第五电液比例阀16、第六电液比例阀17，第一平衡阀18、第二平衡阀19、第三平衡阀20，第一阻尼孔21、第二阻尼孔22、第三阻尼孔23，第一液压油缸24、第二液压油缸25、第三液压油缸26，第七电液比例阀27，第一溢流阀28、第二溢流阀29和液压马达30。
所述液压驱动模块包括有第一液压油缸24、第二液压油缸25、第三液压油缸26、第一电液比例阀12、第二电液比例阀13、第三电液比例阀14、第四电液比例阀15、第五电液比例阀16和第六电液比例阀17，所述第一液压油缸24、第二液压油缸25和第三液压油缸26的承载腔和非承载腔分别连接一个单独的电液比例阀；所述信号发送及处理模块包括中央处理器，用于接收压力传感器的压力信息并处理；所述传感反馈模块包括多个压力传感器，安装在混凝土布料机臂架的液压油缸的承载腔处。
(2)建立等效弹簧刚度模型。将液压系统中活塞缸因油液压缩回弹产生的振动视为和弹簧阻尼系统等效。依据弹簧变形,活塞缸液压刚度K可由下式计算
Figure BDA0002363043280000061
F：压力；
h：油液压缩量；
F＝PA
A：活塞面积；
P：压强。
液体的体积弹性模量(E)为增加压强P,原体积V与体积减小量dV之比。常作为油液压缩性的度量,其值越低代表液压油可压缩性强，容易被压缩。
Figure BDA0002363043280000062
可得：
Figure BDA0002363043280000063
液压弹簧所形成的的液压阻尼可对布料机械臂起到缓冲作用，可抑制布料机械臂的振动，液压弹簧的刚度与活塞面积、油液原体积和液体的体积弹性模量有关，刚度越小，系统的稳定性越好。
(3)如图4所示为PID控制原理图，输入信号r(t)与负反馈回来的压力信号p经比例环节、积分环节、微分环节调节处理后形成信号u(t)控制非承载腔电液比例阀阀芯开度，在外界扰动信号的作用下影响承载腔压力p，作为输出信号y(t)。
(4)如图5所示为抑振方法控制流程图，接下来结合图(5)对抑振方法进行阐述，首先根据预定义的布料机臂架位置要求，将臂架姿态的调节将臂架调整至所需位置，此时使用压力传感器测量未进行混凝土泵送作业时液压油缸承载腔的压力值，并传递到中央处理器进行记录。
(5)当布料机臂架调整到合适位置后，调整控制臂架液压油缸的承载腔一侧的电液比例阀使承载腔封闭，形成一定的高压，使得臂架处于受力平衡状态。
(6)当混凝土布料机进行泵送作业时，双缸往复式活塞混凝土泵液压油缸的往复运动对臂架产生周期性的冲击，臂架的振动会产生油缸腔内压力的波动，通过压力传感器记录液压油缸承载腔内的压力并传递给中央处理器。
(7)中央处理器对压力传感器采集到的压力值与未进行混凝土泵送作业时液压油缸承载腔的压力值进行对比求差，利用该差值通过相应的比例环节、积分环节、微分环节的处理，输出信号传递给控制液压油缸非承载腔的电液比例阀开度，对承载腔内的压力进行调控。最终目的是保持承载腔内的压力恢复至泵送作业之前，且保持恒定，进而保持承载腔的相对体积变化几乎为零，进一步的，活塞杆的位移几乎保持不变。从而使得作用在液压缸活塞杆的外界干扰通过承载腔和非承载腔的压力共同作用得以平衡，保持活塞杆位移不变，实现对混凝土布料机的抑振。
通过以上步骤，本发明实现了该布料机械臂基于负载口独立系统的抑振方法。上述基于某四自由度布料机械臂的例子用于具体解释本发明的实现步骤，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利能力要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)构建负载口独立系统，该系统包括液压驱动模块、信号发送及处理模块、传感反馈模块；所述液压驱动模块包括有液压油缸和电液比例阀，所述液压油缸的承载腔和非承载腔分别连接一个单独的电液比例阀；所述信号发送及处理模块包括中央处理器，用于接收压力传感器的压力信息并处理；所述传感反馈模块包括多个压力传感器，安装在混凝土布料机臂架的液压油缸的承载腔处；
(2)根据预定义的布料机臂架位置要求，通过液压驱动模块将臂架调整至所需位置，使用传感反馈模块测量未进行混凝土泵送作业时液压油缸承载腔的压力值，并传递到信号发送及处理模块进行记录；
(3)调整电液比例阀使臂架液压驱动模块中的液压油缸的承载腔封闭，保持高压；
(4)当混凝土布料机进行泵送作业时，布料机臂架的振动会产生液压油缸两个腔内压力的波动，通过传感反馈模块测量液压油缸承载腔内的压力并传递给信号发送及处理模块，进行布料机泵送作业前后液压油缸承载腔内压力差值的计算；
(5)信号发送及处理模块将步骤(4)计算得到的差值信号传递给液压驱动模块，利用PID算法调节承载腔内的压力恢复至泵送作业之前，实现对混凝土布料机的臂架抑振。
2.根据权利要求1所述的一种基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法，其特征在于，液压驱动模块还包括平衡阀，用于限制液压油缸承载腔的压力上限。
3.根据权利要求1所述的一种基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法，其特征在于，所述步骤(3)中，在承载腔施加的压力使得臂架处于受力平衡状态。
4.根据权利要求1所述的一种基于负载口独立系统的混凝土布料机臂架抑振方法，其特征在于，所述步骤(5)具体为，信号发送及处理模块将步骤(4)计算得到的差值信号传递给液压驱动模块，利用PID算法调节控制液压油缸非承载腔的电液比例阀开度，使得承载腔内的压力恢复至泵送作业之前，进而保持承载腔的相对体积变化为零，使得活塞杆的位移保持不变，实现对混凝土布料机的臂架抑振。
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