CN111302227A - 一种多自由度举升平台装置及自动调平方法 - Google Patents

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贺占瑞
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Abstract

本发明公开了一种多自由度举升平台装置及自动调平方法，本发明通过在工作台上设置工作台角度传感器和倾角传感器，并通过下臂变幅液压缸、上臂变幅液压缸、飞臂变幅油缸和调平油缸分别控制下臂、上臂和飞臂的转动角度，以及工作台的水平角度。本发明采用液压驱动，采用多个臂架，具有多个自由度，可以实现大范围作业；在高空作业过程中，减小工作台的抖动，避免方向切换等动态冲击；与单独使用电液比例主动或从动调平的高空作业平台相比，主从复合控制可以提高响应速度，减小因控制阀与执行元件距离较长，执行元件不能迅速反应，引起调平滞后的现象，操作简单，以及承载能力较强。

Description

一种多自由度举升平台装置及自动调平方法
技术领域
本发明属于工程机械技术领域，具体涉及一种多自由度举升平台装置及自动调平方法。
背景技术
随着船舶、建筑、港口等行业的发展，高空作业车的应用越来越广泛，而工作台调平技术方案，是高空作业车的关键技术之一。国外发达国家先后研制出一批作业高度大、安全性能可靠的高空作业车，而我国高空作业机械技术水平低，高空作业调平技术亟待提升。
高空作业平台按其调平结构在调平系统中所采用的原理不同，将其分为：自重调平、平行四连杆调平、静液压调平、电液调平机构。(1)自重调平机构，运用臂杆变幅、摆动时工作台中的负载和自身的重力始终竖直向下的原理，使得工作台水平。其结构简单、维修方便、成本低，但易晃动，影响作业人员的人身安全，在工作台达到指定位置后锁紧，在作业高度较低和性能较低的高空作业车上使用。(2)平行四连杆调平，主要运用平行四边形的几何原理。但该平行四连杆机构主要用于折叠臂高空作业车，由于其结构不紧凑，臂架变幅受到限制，变幅角度小于180°。(3)静液压调平机构，主要采用两个尺寸完全相同液压缸保持工作台的水平，其结构简单、成本低、精度高，但存在油液的泄露，影响系统压力，需要安装补油装置，且该机构适用于伸缩臂高空作业车，随着作业高度的增加，滞后现象越明显，影响调平系统的性能。(4)电液调平的基本原理为，在工作台下面安装角度传感器，角度传感器将检测到的信号传递给控制系统，控制系统将误差信号放大处理，然后控制系统作出指令，使得调平油缸伸出或缩短，实时调整工作台的角度，使得工作台保持水平。电液调平有电液自动、电液比例调平。
现有的调平方案大多适用于低空作业，作业空间受限，随着作业高度的增加，调平系统的抗干扰能力低，调平系统的稳定性、快速性和精确性不能满足工作要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多自由度举升平台装置，解决了现有技术中的问题，能够快速精准的进行调平。
为了达到上述目的，一种多自由度举升平台装置包括底盘，底盘上设置有转台，转台上铰接有下臂，下臂上铰接有上臂，上臂上铰接有飞臂，飞臂上铰接有工作台，工作台上设置有工作台角度传感器，上臂、下臂分别设置有下臂倾角传感器、上臂倾角传感器；
转台和下臂间设置有下臂变幅液压缸，下臂和上臂间设置有上臂变幅液压缸，上臂与飞臂间设置有飞臂变幅油缸，飞臂与工作台间设置有调平油缸，下臂变幅液压缸、上臂变幅液压缸、飞臂变幅油缸和调平油缸均连接主控制器，主控制器连接工作台角度传感器；
主控制器用于采集下臂倾角传感器、上臂倾角传感器和工作平台倾角传感器的数据，并将下臂倾角传感器和上臂倾角传感器数据，控制飞臂变幅油缸，形成主动调平机构，主控制器根据工作台角度传感器与内置阈值进行对比，控制工作台，形成从动调平机构，下臂倾角传感器、上臂倾角传感器和工作平台倾角传感器的信号构成主从复合控制系统的输入信号，复合控制系统的输出信号用于飞臂和工作台进行调平。
下臂变幅液压缸、上臂变幅液压缸、飞臂变幅油缸和调平油缸分别通过对应的油缸控制系统控制，下臂变幅液压缸、上臂变幅液压缸和飞臂变幅油缸的油缸控制系统均通过变量泵驱动，调平油缸的油缸控制系统通过定量泵驱动，所有油缸控制系统均通过主控制器控制。
油缸控制系统包括电液比例换向阀，电液比例换向阀控制两个平衡阀，两个平衡阀分别驱动下臂变幅液压缸、上臂变幅液压缸、飞臂变幅油缸或调平油缸的两个缸体，两个平衡阀间设置有梭阀，电液比例换向阀连接主控制器。
上臂变幅液压缸驱动第一单缸驱动四连杆机构，第一单缸驱动四连杆机构的连架杆连接上臂变幅液压缸，第一单缸驱动四连杆机构的连杆分别铰接上臂和下臂。
飞臂变幅油缸驱动第二单缸驱动四连杆机构，第二单缸驱动四连杆机构的连架杆连接飞臂变幅油缸，第二单缸驱动四连杆机构的连杆分别铰接上臂和飞臂。
调平油缸驱动第三单缸驱动四连杆机构，第三单缸驱动四连杆机构的连架杆连接调平油缸，第三单缸驱动四连杆机构的连杆分别铰接飞臂和工作台。
一种多自由度举升平台装置的自动调平方法，包括以下步骤：
步骤一，通过主控制器设置上臂的旋转角度β和下臂的旋转角度α，主控制器控制下臂变幅液压缸和上臂变幅液压缸进行对应动作；
步骤二，下臂倾角传感器、上臂倾角传感器分别采集下臂、上臂的旋转角度，并反馈至主控制器，控制飞臂变幅油缸对飞臂的转动角度进行调整；
步骤三，工作平台倾角传感器采集工作台的水平角度ψ，主控制器判断工作台的水平角度是否小于阈值；若否，则控制调平油缸对工作台的水平位置进行调整；若是，则停止控制调平油缸。
下臂变幅液压缸、上臂变幅液压缸、飞臂变幅油缸和调平油缸分别通过对应的油缸控制系统控制；
主控制器发送控制指令到油缸控制系统中的电液比例换向阀，电液比例换向阀中的比例电磁铁，产生相应的阀芯位移XV0，压力油经过电液比例换向阀推动对应的油缸进行伸长或缩短。
与现有技术相比，本发明的调平系统通过在工作台上设置工作台角度传感器，并通过下臂变幅液压缸、上臂变幅液压缸、飞臂变幅油缸和调平油缸分别控制下臂、上臂和飞臂的转动角度，以及工作台的水平角度。本发明采用液压驱动，采用多个臂架，具有多个自由度，可以实现大范围作业；在高空作业过程中，减小工作台的抖动，避免方向切换等动态冲击；与单独使用电液比例主动或从动调平的高空作业平台相比，主从复合控制可以提高响应速度，减小因控制阀与执行元件距离较长，执行元件不能迅速反应，引起调平滞后的现象，操作简单，以及承载能力较强。本发明的工作平台倾角传感器将工作台的调节角度传递到主控器，形成负反馈，整体构成一个从动的闭环动力传递机构，提高从动调节精度，使工作平台的倾角小于3°。
进一步的，本发明相邻的调节臂间通过由液压缸组成的四连杆机构连接，能够大大提高工作空间、承载能力以及调节范围。
进一步的，本发明的第二单缸驱动四连杆机构与上臂和飞臂构成一个主动的开环动力传递机构，能够缩短调节时间。
本发明的方法通过设置上臂的旋转角度和下臂的旋转角度，在调整过程中，将飞臂的倾角以及工作台的水平角度与阈值进行对比，从而控制飞臂变幅油缸和调平油缸对工作台进行调整。本发明的主控制器综合平台倾角传感器反馈信号和三种转角信号，对飞臂、工作台发出控制指令，实现平台倾角的实时动态调整，提高调平系统的精度。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为本发明总体结构动力输入图；
图3为本发明工作台调平控制系统图；
图4为本发明的控制框图；
图5为本发明的工作流程图；
其中，1-1底盘，1-2转台，1-3下臂，1-4上臂，1-5飞臂，1-6工作台，1-7支腿，2-1定量泵，2-2活塞缸，2-3变量泵，2-4负载敏感控制阀，2-5溢流阀，2-6减压阀，2-10电液比例换向阀，2-14梭阀，2-18平衡阀，2-23上臂变幅油缸，2-24飞臂变幅油缸，2-25下臂变幅液压缸，2-26调平油缸，3-6第一单缸驱动四连杆机构,3-9第二单缸驱动四连杆机构,3-12倾角传感器，3-13第三单缸驱动四连杆机构，3-16主控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1，一种多自由度举升平台装置，包括底盘1-1，底盘1-1上设置有转台1-2，转台1-2上铰接有下臂1-3，下臂1-3上铰接有上臂1-4，上臂1-4上铰接有飞臂1-5，飞臂1-5上铰接有工作台1-6，工作台1-6上设置有工作台角度传感器，上臂1-4和下臂1-3分别设置有下臂倾角传感器和上臂倾角传感器；
参见图2和图3，转台1-2和下臂1-3间设置有下臂变幅液压缸2-25，转台1-2和下臂1-3为铰接，可以自由转动，下臂变幅液压缸2-25的两端分别与转台1-2和下臂1-3铰接，形成三铰点变幅机构，三铰点的位置和液压缸的伸缩量会影响变幅范围。
下臂1-3和上臂1-4间设置有上臂变幅液压缸2-23，上臂1-4与飞臂1-5间设置有飞臂变幅油缸2-24，飞臂1-5与工作台1-6间设置有调平油缸2-26，下臂变幅液压缸2-25、上臂变幅液压缸2-23、飞臂变幅油缸2-24和调平油缸2-26均连接主控制器3-16，主控制器3-16连接工作台角度传感器和倾角传感器3-12；
主控制器3-16用于采集下臂倾角传感器、上臂倾角传感器和工作平台倾角传感器的数据，并将下臂倾角传感器和上臂倾角传感器数据，控制飞臂变幅油缸2-24，形成主动调平机构，主控制器3-16根据工作台角度传感器与内置阈值进行对比，控制工作台1-6，形成从动调平机构，下臂倾角传感器、上臂倾角传感器和工作平台倾角传感器的信号构成主从复合控制系统的输入信号，复合控制系统的输出信号用于飞臂1-5和工作台1-6进行调平。
下臂变幅液压缸2-25、上臂变幅液压缸2-23、飞臂变幅油缸2-24和调平油缸2-26分别通过对应的油缸控制系统控制，下臂变幅液压缸2-25、上臂变幅液压缸2-23和飞臂变幅油缸2-24的油缸控制系统均通过变量泵2-3驱动，调平油缸2-26的油缸控制系统通过定量泵2-1驱动，所有油缸控制系统均通过主控制器3-16控制。
油缸控制系统包括电液比例换向阀2-10，电液比例换向阀2-10控制两个平衡阀2-18，两个平衡阀2-18分别驱动下臂变幅液压缸2-25、上臂变幅液压缸2-23、飞臂变幅油缸2-24或调平油缸2-26的两个缸体，两个平衡阀2-18间设置有梭阀2-14，电液比例换向阀2-10连接主控制器3-16。
油缸控制系统连接减压阀2-6，减压阀2-6连接负载敏感控制阀2-4，负载敏感控制阀2-4连接活塞缸2-2和溢流阀2-5。
上臂变幅液压缸2-23驱动第一单缸驱动四连杆机构3-6，第一单缸驱动四连杆机构3-6的连架杆连接上臂变幅液压缸2-23，第一单缸驱动四连杆机构3-6的连杆分别铰接上臂1-4和下臂1-3。
飞臂变幅油缸2-24驱动第二单缸驱动四连杆机构3-9，第二单缸驱动四连杆机构3-9的连架杆连接飞臂变幅油缸2-24，第二单缸驱动四连杆机构3-9的连杆分别铰接上臂1-4和飞臂1-5。调平油缸2-26驱动第三单缸驱动四连杆机构3-13，第三单缸驱动四连杆机构3-13的连架杆连接调平油缸2-26，第三单缸驱动四连杆机构3-13的连杆分别铰接飞臂1-5和工作台1-6。
飞臂变幅机构采用单缸驱动四连杆机构，飞臂的液压控制回路工作过程如下：工作台1-6和飞臂1-5的旋转方向，与上臂1-4和下臂1-3的旋转方向相反。当工作台1-6与水平面存在夹角时，工作台倾角传感器将测得的角度信号输入给主控制器3-16，主控制器3-16将获得的角度信号，输入给放大器，经放大器放大处理后，产生相应的电流信号输入给飞臂1-5的电液比例换向阀2-10，电液比例换向阀2-10产生相对应的阀芯位移、阀口开度和油液的流向，流过平衡阀2-18的压力油，流入飞臂变幅油缸2-24，使飞臂变幅油缸2-24伸出或缩短，飞臂变幅油缸2-24带动连杆A4B4和连杆B4C4运动，从而使得工作平台1-6产生于原倾斜方向相反的转动，使得工作平台与水平面保持水平。下臂与上臂的铰接处，上臂与飞臂的铰接处也采用单缸驱动四连杆机构。
参见图2，支臂变幅回路采用电机驱动定量泵2-1作为驱动方式，采用负载敏感技术给支臂各变幅油缸供油，通过下臂梭阀，上臂梭阀，飞臂梭阀及梭阀Y1和梭阀Y2将支臂变幅回路中较高的负载压力传递给负载敏感控制阀2-4，定量泵2-1出口的压力油即为支臂变幅回路中负载较高的压力，这样既满足负载较高的油路所需压力油的压力，也满足支臂变幅回路中其它回路所需的压力。定量泵2-1出口的压力油分别经过下臂减压阀、上臂减压阀和飞臂减压阀进入对应的下臂电液比例换向阀，上臂电液比例换向阀，飞臂电液比例换向阀，其中下臂变幅液压缸2-25、上臂变幅油缸2-23和飞臂变幅油缸2-24运动所需的压力经对应的下臂梭阀、上臂梭阀和飞臂梭阀传递给各自对应的下臂减压阀、上臂减压阀和飞臂减压阀的内控油口，由负载敏感技术原理可知：无论下臂变幅液压缸2-25，上臂变幅油缸2-23，飞臂变幅油缸2-24的负载压力在作业过程中如何变化，其变幅油缸的运行速度仅与各自对应的下臂电液比例换向阀、上臂电液比例换向阀和飞臂电液比例换向阀的阀芯开口大小相关且成正比。电液比例换向阀可实现：阀芯位移连续且成比例的变化，从而精准的控制电液比例换向阀的阀口开度和换向，然后压力油经下臂平衡阀、上臂平衡阀和飞臂平衡阀作用给各自的变幅油缸，从而控制变幅油缸中活塞杆伸长或缩短，达到控制各自臂架变幅的效果。由于加入了或门型梭阀，执行元件在伸缩时，液压系统压力取决于负载压力最大的一路。定量泵2-1作为工作平台的供油泵，调平油缸2-26所在的回路中，调平油缸2-26运行所需的负载压力同样经调平梭阀传递给调平减压阀的内控油口，定量泵2-1泵出的压力油经调平减压阀输入给调平电液比例换向阀，调平电液比例换向阀的前后压差保持不变，这样调平油缸2-26的负载压力无论如何变化，其运行速度仅与调平电液比例换向阀2-13的阀口开度相关，且与其阀口开度大小成正比，工作平台调平回路与支臂变幅回路分离，采用单泵供油，可以保证工作平台调平精度和稳定性。
本发明的下臂变幅0-80°，上臂变幅0-180°，飞臂变幅0-180°，工作平台变幅0-180°，上、下臂总的变幅范围为0-260°，超越了工作平台的变幅范围，因此上、下臂在变幅时，飞臂与工作平台的变幅方向与上下臂的变幅方向相反，且同时运动。臂架与变幅液压缸铰接处是危险部位，高空作业台在作业过程中，由于自身结构挠度影响，臂架主要表现为弯曲和扭曲，会影响高空作业台工作的稳定性和安全性，在臂架与变幅液压缸铰接处有较大的局部变形。为了补偿由于混合臂高空作业台自身结构挠度对调平系统性能的影响，设计时应使自身结构的固有频率避开其在使用过程中的外部激振频率，即避开这些共振频率，同时，应适当增加臂架与变幅液压缸铰接处的强度和刚度。
本发明的控制方法如下：
第一步：当上臂1-4和下臂1-3分别旋转β和α角度时，并且经过上臂倾角传感器和下臂倾角传感器传递给主控制器，由发动机驱动变量泵与定量泵，给飞臂变幅回路供油，主控制器综合β和α两个转角信号，向飞臂1-4和工作台1-6的电液比例换向阀发出控制指令，驱动对应的油缸控制系统，使得飞臂的电液比例换向阀中的比例电磁铁，产生相应的阀芯位移XV0，压力油经过飞臂电液比例换向阀，推动对应的飞臂变幅油缸2-24进行伸长或缩短，飞臂变幅油缸2-24带动飞臂变幅机构运动，即对飞臂进行变幅，使得飞臂产生与上臂和下相反的转动，旋转角度大小为ψ0，形成混合臂高空作业台电液调平的主动调平系统。
第二步：工作平台倾角传感器检测此时工作平台的角度为ψ，当|ψ|≤3°，调平结束。当|ψ|≥3°，ψ经A/D转换传递给工作台的油缸控制系统，工作台的油缸控制系统获得输入电流iθ，驱动对应的工作台的电液比例换向阀产生阀芯位移XV，压力油推动对应的调平油缸，调平油缸产生相应的位移XP，调平油缸带动调平机构运动，使得工作台转过角度ψ，形成混合臂高空作业台电液调平的从动调平系统。
主动调平系统与从动调平系统复合作用，即同时采用主动调平系统与从动调平系统，上臂和下臂倾角传感器，以及平台倾角传感器，将检测到的上臂和下臂，以及工作台旋转角度，全部输入给主控制器，主控制器综合平台倾角传感器反馈信号和两种转角信号，根据控制策略，对飞臂、工作台电液比例换向阀发出控制指令，实现平台倾角的实时动态调整，提高调平系统的精度。

Claims (8)

1.一种多自由度举升平台装置，其特征在于，包括底盘(1-1)，底盘(1-1)上设置有转台(1-2)，转台(1-2)上铰接有下臂(1-3)，下臂(1-3)上铰接有上臂(1-4)，上臂(1-4)上铰接有飞臂(1-5)，飞臂(1-5)上铰接有工作台(1-6)，工作台(1-6)上设置有工作台角度传感器，上臂(1-4)和下臂(1-3)上分别设置有上臂倾角传感器和下臂倾角传感器；
转台(1-2)和下臂(1-3)间设置有下臂变幅液压缸(2-25)，下臂(1-3)和上臂(1-4)间设置有上臂变幅液压缸(2-23)，上臂(1-4)与飞臂(1-5)间设置有飞臂变幅油缸(2-24)，飞臂(1-5)与工作台(1-6)间设置有调平油缸(2-26)，下臂变幅液压缸(2-25)、上臂变幅液压缸(2-23)、飞臂变幅油缸(2-24)和调平油缸(2-26)均连接主控制器(3-16)，主控制器(3-16)连接工作台角度传感器；
主控制器(3-16)用于采集下臂倾角传感器、上臂倾角传感器和工作平台倾角传感器的数据，并将下臂倾角传感器和上臂倾角传感器数据，控制飞臂变幅油缸(2-24)，形成主动调平机构，主控制器(3-16)根据工作台角度传感器与内置阈值进行对比，控制工作台(1-6)，形成从动调平机构，下臂倾角传感器、上臂倾角传感器和工作平台倾角传感器的信号构成主从复合控制系统的输入信号，复合控制系统的输出信号用于飞臂(1-5)和工作台(1-6)进行调平。
2.根据权利要求1所述的一种多自由度举升平台装置，其特征在于，下臂变幅液压缸(2-25)、上臂变幅液压缸(2-23)、飞臂变幅油缸(2-24)和调平油缸(2-26)分别通过对应的油缸控制系统控制，下臂变幅液压缸(2-25)、上臂变幅液压缸(2-23)和飞臂变幅油缸(2-24)的油缸控制系统均通过变量泵(2-3)驱动，调平油缸(2-26)的油缸控制系统通过定量泵(2-1)驱动，所有油缸控制系统均通过主控制器(3-16)控制。
3.根据权利要求2所述的一种多自由度举升平台装置，其特征在于，油缸控制系统包括电液比例换向阀(2-10)，电液比例换向阀(2-10)控制两个平衡阀(2-18)，两个平衡阀(2-18)分别驱动下臂变幅液压缸(2-25)、上臂变幅液压缸(2-23)、飞臂变幅油缸(2-24)或调平油缸(2-26)的两个缸体，两个平衡阀(2-18)间设置有梭阀(2-14)，电液比例换向阀(2-10)连接主控制器(3-16)。
4.根据权利要求1所述的一种多自由度举升平台装置，其特征在于，上臂变幅液压缸(2-23)连接第一单缸驱动四连杆机构(3-6)，第一单缸驱动四连杆机构(3-6)的连架杆连接上臂变幅液压缸(2-23)，第一单缸驱动四连杆机构(3-6)的连杆分别铰接上臂(1-4)和下臂(1-3)。
5.根据权利要求1所述的一种多自由度举升平台装置，其特征在于，飞臂变幅油缸(2-24)连接第二单缸驱动四连杆机构(3-9)，第二单缸驱动四连杆机构(3-9)的连架杆连接飞臂变幅油缸(2-24)，第二单缸驱动四连杆机构(3-9)的连杆分别铰接上臂(1-4)和飞臂(1-5)，构成一个主动的开环动力传递机构。
6.根据权利要求1所述的一种多自由度举升平台装置，其特征在于，调平油缸(2-26)连接第三单缸驱动四连杆机构(3-13)，第三单缸驱动四连杆机构(3-13)的连架杆连接调平油缸(2-26)，第三单缸驱动四连杆机构(3-13)的连杆分别铰接飞臂(1-5)和工作台(1-6)。
7.权利要求1所述的一种多自由度举升平台装置的自动调平方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，通过主控制器(3-16)设置上臂(1-3)的旋转角度β和下臂(1-4)的旋转角度α，主控制器(3-16)控制下臂变幅液压缸(2-25)和上臂变幅液压缸(2-23)进行对应动作；
步骤二，下臂倾角传感器和上臂倾角传感器分别采集上臂(1-4)和下臂(1-3)的旋转角度，并反馈至主控制器(3-16)，控制飞臂变幅油缸(2-24)对飞臂(1-5)的转动角度进行调整；
步骤三，工作平台倾角传感器采集工作台(1-6)的水平角度ψ，主控制器(3-16)判断工作台(1-6)的水平角度是否小于阈值；若否，则控制调平油缸(2-26)对工作台(1-6)的水平位置进行调整；若是，则停止控制调平油缸(2-26)。
8.根据权利要求7所述的一种多自由度举升平台装置的自动调平方法，其特征在于，下臂变幅液压缸(2-25)、上臂变幅液压缸(2-23)、飞臂变幅油缸(2-24)和调平油缸(2-26)分别通过对应的油缸控制系统控制。
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