CN1584214A - 铣刨机刀具防干涉铣削控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种铣刨机刀具防干涉铣削控制方法，其特征在于它是通过建立防干涉铣削时铣刨深度与其对应的最大铣刨速度的数学关系式，并由该关系式得到任意一点铣刨深度与最大铣刨速度的对应值并建立数据库，然后将数据库嵌于所设的控制装置中央处理器内，通过传感器检测铣刨时铣刨深度值，由中央处理器调取数据库内相应铣刨行驶速度上限值，经运算处理后，给行驶驱动机构输出控制指令，限制该铣刨深度下铣刨机的最大行驶速度。其控制装置包括与微控制器相连之铣刨深度检测传感器和行驶速度检测传感器，微控制器又与行驶速度控制手柄、行驶驱动机构、行驶驱动变量泵相连。本发明解决了铣刨鼓结构设计所不能彻底解决的刀具干涉铣削现象，延长了刀具的使用寿命。

Description

铣刨机刀具防干涉铣削控制方法及装置

技术领域：

本发明涉及道路建设施工领域，具体涉及道路施工中对沥青混凝土路面进行铣刨作业时路面冷铣刨机刀具防干涉铣削的控制方法及由该方法所设计的装置。

背景技术：

路面冷铣刨机是靠高速旋转的铣刨鼓刀头，在前进中实现切槽、挖沟、水泥路面拉毛、破损沥青路面切削的功能。目前路面冷铣刨机多为滚切式逆铣，具有一次走刀铣刨深、速度快的特点。但容易出现刀具与路面切口的干涉铣削，造成刀具的快速磨损，不仅直接影响路面的施工质量，还减少了机器的有效作业时间。为了缩短刀具磨损引起的待机时间(刀具修复与更换时间)，设计上常常采用快速更换刀座替代固定式刀座，但未能从根本上解决干涉铣削问题。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服目前现有技术的缺陷，提供一种可避免铣刨时刀具与路面切口干涉之路面冷铣刨机刀具防干涉铣削的控制方法及控制装置。

本发明的技术问题是通过下面的技术方案解决的。其特征在于它是通过建立防干涉铣削时铣刨深度与其对应的最大铣刨速度的数学关系式，并由该关系式得到任意一点铣刨深度与最大铣刨速度的对应值并建立数据库，然后将数据库嵌于所设的控制装置中央处理器内，通过传感器检测铣刨时铣刨深度值，由中央处理器调取数据库内相应铣刨行驶速度上限值，经运算处理后，给行驶驱动机构输出控制指令，限制该铣刨深度下铣刨机的最大行驶速度。根据上述方法所设计的控制装置包括微控制器、铣刨深度检测传感器、行驶速度检测传感器，所述铣刨深度检测传感器和行驶速度检测传感器与微控制器相连，微控制器与行驶速度控制手柄、行驶驱动机构、行驶驱动变量泵相连。

本发明通过对铣刨特性的运动分析和求解，得到了铣刨时刀具与路面切口干涉时的铣刨深度与最大铣刨速度之间的相应关系式，解决了铣刨鼓结构设计所不能彻底解决的刀具干涉铣削现象。根据上述方法所设计控制的装置可克服传统铣刨机凭人为经验控制铣刨速度的不足，可自动控制不同铣刨深度时的最大铣刨速度，有效消除了刀具的干涉磨损，延长了刀具的使用寿命，同时可防止因刀具磨损造成的行驶阻力增大、降低能耗现象，实现了铣刨机的“安全速度”施工、提高了施工效率。

附图说明：

图1为铣刨机刀头结构示意图；

图2为铣刨机铣刨特性运动分析图；

图3为铣刨鼓每一工作周期内铣刨面积示意图；

图4为铣刨鼓刀具干涉铣削分析图；

图5为不发生干涉铣削时之铣刨速度与铣削深度关系图；

图6为本发明控制装置连接示意图；

图7为本发明控制装置电路图；

图8为本发明工作过程流程图。

具体实施方式：

铣刨机上铣刨刀具由刀头与刀座组成。如图1所示，铣刨刀头7长度包括刀头长度L和刀尖长度L′。所谓干涉铣削，是指刀具轴线上的铣削厚度大于刀具刀尖(硬质合金头部)的长度L′，使不应该参与铣削的刀头后部或刀座参与铣削，产生干涉磨损，轻则磨刀头，重则磨刀座。过去与现在的铣刨机，俱是通过对铣刨鼓系统参数(如刀具入地角、铣刨刀尖直径、铣刨鼓转数)的合理设计来解决干涉铣削刀座刀头问题，但效果不明显，刀具磨损依然严重。

国内外现有路面冷铣刨机的铣刨行驶速度靠人为控制，铣刨鼓系统参数的设计均已成熟，但尚无对应于一定铣刨深度下的最大铣刨速度自动控制，致使干涉铣削现象非常严重。本发明通过对路面冷铣刨机铣刨特性的运动分析，求出铣刨速度、铣刨深度与刀具在铣刨作业过程中产生直接干涉铣削的关系特性，首先从理论上推导出防干涉铣削时，铣刨深度与最大铣刨速度的数学关系式，并以此为基础，建立专业数据库，设计出防干涉铣削控制装置。

如图2所示，铣刨鼓进行铣刨时，刀尖的速度由旋转速度(切削速度)n与行驶速度(进刀速度)v两部分构成。刀尖的切削轨迹为旋轮线，其方程描述为：

x＝vt+rsinωt

y＝r(1-cosωt)      …………(1)

式中：ω—角速度    ω＝2πn/60

如图3所示，铣刨鼓每旋转一周，刀具铣刨空间在铣刨鼓轴向投影面积为旋轮线与路面构成的区域。在水平方向，旋轮线上任意相邻两点的距离为W＝1000vt₁/60(mm)。刀具由底向上铣削(逆铣)时，铣刨厚度逐渐增大。

一般刀具的干涉铣削为两种：①前刀刃刀头与刀座，这种干涉现象较为严重，是目前路面施工中的一道难题；②后刀刃刀头与刀座。

下面分述这两种形式：

I)前刀刃刀头与刀座干涉磨损的表现形式为该部分参与干涉铣削，即该部分进入如图3所示的半月形待铣削面内，待铣路面与刀头或刀座产生干涉，随着铣刨鼓的旋转和铣刨机的行驶，产生干涉磨损。

如图4所示，避免干涉磨损的前提是在铣刨过程中任意一点i，沿刀具轴线方向的铣削厚度小于或等于刀尖长度。即：

Ai＝L_i≤L′                ……………(2)

在图4之△ABi中：

L_i/sinβ＝W/sin[π-(α+β)]        …(3)

$\mathrm{tg\β}=\frac{2\mathrm{\π}\mathrm{nr}\sin {\mathrm{\θ}}_i}{1000v+2\mathrm{\π}\mathrm{nr}\cos {\mathrm{\θ}}_i}---\left(4\right)$

α＝π/2-(θ_i+λ)          ……………(5)

t₁＝60/n                 ………………(6)

${\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{ar}\cos \left(\frac{r-h_i}{r}\right)---\left(7\right)$

将(3)、(4)、(5)、(6)、(7)式代入(2)式，通过化简得：

$v\≤\frac{2\mathrm{\π}{\mathrm{nrL}}^{\′}\cos \mathrm{\λ}}{1000[2\mathrm{\π}{r\sin \mathrm{\θ}}_i-L^{\′}\cos ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\λ})]}(m/\mathrm{nim})---\left(8\right)$

式中：n--铣刨鼓转数(nim^-1)；

v--铣刨机工作速度(m/nim)；

t₁--铣刨鼓旋转一周的时间(s)；

r--铣刨半径(mm)；

λ--入地角；

h_i--对应于i点的铣刨深度(mm)；

θ_i--对应于i点的铣刨鼓转角；

β--刀尖绝对速度与水平的夹角；

α--刀具轴线与水平的夹角；

由(8)式可知：当铣刨参数设计完毕时，n、r、λ、L′均为常数，因此，实际施工过程中，其铣刨机运行速度v与铣刨深度h两参数的关系特征就可决定是否产生刀具干涉磨损，图5给出了这种关系的特性曲线。若将L替换(8)式中的L′，则可判断刀座是否产生干涉磨损。

2)后刀刃刀头与刀座干涉磨损的表现形式为刀头或刀座底部与待铣路面产生干涉铣削。在铣刨鼓参数设计中可使

        r_座≤r；    ……………………………………………(9)

        r_头≤r；    ……………………………………………(10)

        式中：r_座--刀座最低点距铣刨鼓中心距离；

              r_头--刀头最低点距铣刨鼓中心距离；

上述设计参数可解决后刀刃刀头与刀座之干涉问题。

本发明以上述理论上的推导为基础，分别求出任意铣刨深度下对应的铣刨机最大行驶速度，建立其数据库，然后将数据库内嵌于控制装置之中央处理单元内，通过传感器检测铣刨深度值，调取数据库内相应的铣刨行驶速度上限值，经过运算处理，输出控制指令，限制该铣刨深度下铣刨机的最大行驶速度，以防止铣刨机刀具的干涉磨损。

本发明根据上述方法设计了一控制装置，如图6、图7所示，它包括微控制器2、铣刨深度检测传感器4、行驶速度检测传感器3，所述铣刨深度检测传感器4装于铣刨鼓8前面位置，与微控制器2相连，可将所检测到的铣刨鼓8上铣刨刀头7铣刨深度信号传递给微控制器2；行驶速度检测传感器3装于行走轮9上，亦与微控制器2相连，可检测铣刨机行走速度，并将信号输入给微控制器2。微控制器2同时与行驶速度控制手柄1、行驶驱动机构5上驱动马达控制阀、行驶驱动变量泵6控制阀相连，可通过铣刨深度检测传感器4实时检测当前的铣刨深度值，行驶速度检测传感器3实时检测到当前的实际行驶速度，并将信号传递给微控制器2，微控制器2读取以上信号并调取内嵌的专业数据库参数，经过分析比较与计算，得出修正后的速度输出信号，控制行驶驱动变量泵6上前进控制阀Y1和后退控制阀Y2以控制驱动速度，使之达到防干涉铣削工作状态。

本发明工作过程：

如图8所示，施工时，操作人员通过深度控制仪，将铣刨深度设定为一固定值，如50mm，然后操纵行驶速度控制手柄1，铣刨机加速向前铣削。微处理器2根据铣刨深度传感器4实时检测当前的实际铣刨深度(50mm)，从铣刨深度—速度上限数据库调出防干涉铣削对应的最大铣刨速度(如12m/min)，与行驶速度检测传感器3实时检测当前的实际铣刨速度进行比较。当实际铣刨速度小于或等于“最大铣刨速度”时，即速度上限值减去速度给定值大于或等于零时，机器速度的提升完全由操作人员通过控制手柄1控制；当实际铣刨速度大于“最大铣刨速度”时，即速度上限值减去速度给定值小于零时，机器速度的提升不直接由操作人员通过控制手柄1控制，而是通过微处理器2计算出新的输出量控制行驶驱动泵电液比例阀Y1，使实际铣刨速度回到最大铣刨速度(12m/min)中。这种施工操作可确保铣刨刀具避免干涉磨损的前题下，获得最大施工效率，不仅免除了操作人员凭经验对刀具干涉磨损的判断，还免除了对最大施工效率的判断。

Claims (3)

1、一种铣刨机刀具防干涉铣削控制方法，其特征在于它是通过建立防干涉铣削时铣刨深度与其对应的最大铣刨速度的数学关系式，并由该关系式得到任意一点铣刨深度与最大铣刨速度的对应值并建立数据库，然后将数据库嵌于所设的控制装置中央处理器内，通过传感器检测铣刨时铣刨深度值，由中央处理器调取数据库内相应铣刨行驶速度上限值，经运算处理后，给行驶驱动机构输出控制指令，限制该铣刨深度下铣刨机的最大行驶速度。

2、根据权利要求1所述的铣刨机刀具防干涉铣削控制方法，其特征在于铣刨过程中任意一点i位置之铣刨速度与铣刨深度的对应数学式为：

$v\≤\frac{2\mathrm{\πnr}{L}^{\′}\cos \mathrm{\λ}}{1000[2\mathrm{\π}r\sin ({\mathrm{\θ}}_i-L^{\′}\cos ({\mathrm{\θ}}_i+\mathrm{\λ}))}(m/\mathrm{nim})$

式中： ${\mathrm{\θ}}_i=\mathrm{ar}\cos \left(\frac{r-h_i}{r}\right)$

     L′--刀尖长度；

     n--铣刨鼓转数(nim^-1)；

     v--铣刨机工作速度(m/nim)；

     t₁--铣刨鼓旋转一周的时间(s)；

     r--铣刨半径(mm)；

     λ--入地角；

     h_i--对应于i点的铣刨深度(mm)；

     θ_i--对应于i点的铣刨鼓转角；

     β--刀尖绝对速度与水平的夹角；

     α-刀具轴线与水平的夹角。

3、一种铣刨机刀具防干涉铣削控制装置，其特征在于它包括微控制器、铣刨深度检测传感器、行驶速度检测传感器，所述铣刨深度检测传感器和行驶速度检测传感器与微控制器相连，微控制器与行驶速度控制手柄、行驶驱动机构、行驶驱动变量泵相连。

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