摘 要：由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性，單個(gè)機(jī)械部件的動(dòng)作精度一般是很難保證的，運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)。通過對(duì)高空作業(yè)車工作斗的動(dòng)力學(xué)分析，針對(duì)高空作業(yè)車領(lǐng)域的需求，下面，設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制的工作斗的調(diào)平方法。該方法通過傳感器采集、分析部件的運(yùn)動(dòng)方向，沖量，彈性勢(shì)能、振動(dòng)方向和幅度等參數(shù)，由程序依據(jù)分析出的參數(shù)，按預(yù)先設(shè)定的規(guī)則從邏輯上抑制系統(tǒng)擾動(dòng)的產(chǎn)生。同時(shí)，用程序控制的方法，使高空作業(yè)車的各運(yùn)動(dòng)部件，可以按設(shè)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律自動(dòng)協(xié)同作業(yè)。并且利用高空作業(yè)車各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)慣性，互相抵消各部件間慣性和液壓的沖擊影響，使工作斗整體保持平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：工作斗調(diào)平 PLC 受迫振動(dòng) 擾動(dòng)抑制 運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TU607 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（a）-0074-02

近年來，隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，高空作業(yè)車類產(chǎn)品的需求量在逐年增加，用戶對(duì)其性能的要求也越來越高。高空作業(yè)車的工作斗，作為載人裝置，在設(shè)備工作時(shí)，工作斗的平穩(wěn)性，越來越被用戶關(guān)注。

工作斗調(diào)平裝置有采用機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)的，即通過齒輪和鏈條保證工作臂變幅時(shí)工作斗的聯(lián)動(dòng)，以此保持工作斗的水平。機(jī)械連杠式調(diào)平機(jī)構(gòu)增加了高空車工作臂的設(shè)計(jì)難度，隨著高空作業(yè)車工作高度的增加，要設(shè)計(jì)一套隨著工作臂聯(lián)動(dòng)的機(jī)械調(diào)平機(jī)構(gòu)幾乎成為了不可能。同時(shí)，因?yàn)闆]有可視或可聽的安全反饋裝置，機(jī)械結(jié)構(gòu)出問題時(shí)，可能無法保證斗內(nèi)作業(yè)人員的安全。也有依賴PID算法來調(diào)節(jié)的電液比例調(diào)節(jié)裝置，這種方法系統(tǒng)簡(jiǎn)單，比較容易實(shí)現(xiàn)。但是，當(dāng)設(shè)備使用一段時(shí)間后，設(shè)備的機(jī)械和液壓特性可能發(fā)生了改變，這時(shí)候需要重新整定PID參數(shù)才能保證調(diào)平裝置工作的正確性。同時(shí)，當(dāng)?shù)搅艘欢ǜ叨群?，工作臂已相?duì)較柔，因?yàn)闄C(jī)械慣性和液壓系統(tǒng)沖擊的原因會(huì)產(chǎn)生許多未知的擾動(dòng)，這時(shí)斗內(nèi)工作人員會(huì)有不適的感覺。

本系統(tǒng)使用電液比例閥，增加工作斗水平傾角傳感器、工作臂傾角傳感器，同時(shí)采集機(jī)手的操縱信號(hào)，采用可編程PLC控制器編寫程序，對(duì)工作斗的運(yùn)動(dòng)按設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)各種情況下高空作業(yè)車工作斗的自動(dòng)調(diào)平。

1 系統(tǒng)組成

電控系統(tǒng)由PLC可編程控制器、兩個(gè)傾角傳感器、操縱手柄和電比例閥組成。

工作斗水平傾角傳感器，將工作斗的傾斜角度變化傳給可編程序控制器。工作臂傾角傳感器，將工作臂的變化情況傳給可編程序控制器?？刂破鲗⒔邮盏膫鞲衅餍盘?hào)和人的操縱信號(hào)，按設(shè)定的算法運(yùn)算后，控制各電磁閥的工作狀態(tài)，按電液比例算法精確計(jì)算和控制調(diào)平油缸的動(dòng)作量和動(dòng)作方向，從而實(shí)現(xiàn)工作斗的調(diào)平運(yùn)動(dòng)控制（如圖1）。

2 工作原理

（1）該方法依據(jù)工作臂傾角傳感器來判斷臂架的工作情況，計(jì)算出臂架相對(duì)于水平面的夾角變化量，計(jì)算出臂架的變幅方向、振動(dòng)幅度和瞬間的振動(dòng)方向，得到臂架變幅運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性指標(biāo)。（2）依據(jù)工作斗水平傾角傳感器來判斷工作斗的工作情況，計(jì)算出工作斗相對(duì)于水平面的夾角變化量，需要調(diào)整的方向和得到調(diào)整運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性指標(biāo)。在臂架動(dòng)作和調(diào)平系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間協(xié)同作業(yè)，對(duì)各系統(tǒng)的慣性影響和液壓系統(tǒng)的沖擊進(jìn)行相互抵消，還有抑制系統(tǒng)可能產(chǎn)生的擾動(dòng)，從而提高高空作業(yè)車工作時(shí)工作斗的平穩(wěn)性（如圖2）。

3 調(diào)平系統(tǒng)擾動(dòng)原因動(dòng)力學(xué)分析

以臂架臂頭鉸點(diǎn)作為分析點(diǎn)，為了簡(jiǎn)化，單分析一種工況情況，也就是先考慮臂架往上從勻速變幅運(yùn)動(dòng)狀態(tài)到停止?fàn)顟B(tài)這段時(shí)間。這一瞬間，臂頭鉸點(diǎn)將受到臂架引起的垂直于鉸點(diǎn)方向向上的慣性力（f慣臂）。假設(shè)工作斗此時(shí)的調(diào)平運(yùn)動(dòng)向上（調(diào)平油缸伸），臂頭鉸點(diǎn)將同時(shí)受到工作斗引起的作用于鉸點(diǎn)方向向上的慣性力（f慣斗）。此時(shí)f慣臂和f慣斗的分力f慣斗A方向一致，兩力疊加，將對(duì)臂頭鉸點(diǎn)產(chǎn)生比較大的作用力（如圖3）。

當(dāng)臂架伸出到一定長(zhǎng)度后，臂架已變得相對(duì)較柔。臂頭受力變形后，形成彈性勢(shì)能，產(chǎn)生反方向的彈性力f彈臂。工作斗因?yàn)橐严蛏线\(yùn)動(dòng)超過水平位置，會(huì)有向下的調(diào)平運(yùn)動(dòng)（調(diào)平油缸縮）。此時(shí)，調(diào)平運(yùn)動(dòng)慣性力f慣斗的分力f慣斗A與臂架的彈力f彈臂方向一致（方向向下），兩力疊加，臂架將往下振動(dòng)（如圖4）。

臂架往下振動(dòng)到最大振幅后，此時(shí)，工作斗已向下超過水平位置，會(huì)有向上的調(diào)平運(yùn)動(dòng)（調(diào)平油缸伸）。這時(shí)，調(diào)平運(yùn)動(dòng)慣性力f慣斗的分力f慣斗A與臂架的彈力f彈臂方向一致（方向向上），臂架將改變方向，向上振動(dòng)（如圖5）。

這種周期性力的驅(qū)動(dòng)，將使臂頭和工作斗一起形成受迫振動(dòng)，引起整個(gè)系統(tǒng)的擾動(dòng)，從而使工作斗無法保持水平。

4 PLC控制程序原理

程序依據(jù)采集的傳感器信號(hào)，分析臂架的運(yùn)動(dòng)情況、工作斗的運(yùn)動(dòng)情況和機(jī)手的操縱情況，合理的控制調(diào)平油缸的動(dòng)作量和動(dòng)作方向，從邏輯上抑制擾動(dòng)情況的產(chǎn)生，也就是設(shè)定基本的調(diào)平規(guī)則（當(dāng)工作斗不水平，只允許臂架上變幅時(shí)，工作斗可以往下調(diào)平；臂架下變幅時(shí)，工作斗可以往上調(diào)平）。同時(shí)利用f慣臂和f慣斗A方向相反，以及f彈臂和f慣斗A方向相反時(shí)可以較好的平衡臂頭鉸點(diǎn)的受力，起到抑制臂頭的慣性運(yùn)動(dòng)和盡量減少臂頭的彈性勢(shì)能的效果。

為了捕獲瞬間臂架臂頭的運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)減少元器件的成本，本系統(tǒng)使用普通的傾角傳感器作為傳感器件。依據(jù)程序中設(shè)定的時(shí)間因素為基礎(chǔ)，由程序?qū)崟r(shí)分析臂架臂頭運(yùn)動(dòng)的方向，估算臂頭受到的沖量，估算臂頭的彈性勢(shì)能。這部分程序，還同時(shí)實(shí)時(shí)分析臂頭可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)的方向和振幅，將這些分析結(jié)果傳給主程序，由主程序同時(shí)考慮機(jī)手的操縱信號(hào)和工作斗的情況后對(duì)系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生的擾動(dòng)進(jìn)行抑制。

工作斗判斷程序依據(jù)工作斗傾角傳感器的信號(hào)，實(shí)時(shí)分析工作斗相對(duì)水平面的夾角和方向，估算工作斗的慣性指標(biāo)，并且將這些量傳給主程序，再由主程序綜合分析后，控制調(diào)平油缸的伸縮來保證工作斗的水平。

5 結(jié)論

以上，用簡(jiǎn)單適用的方法解決了高空作業(yè)車工作斗的調(diào)平問題。對(duì)因系統(tǒng)擾動(dòng)的原因引起工作斗調(diào)平效果不好，引起斗內(nèi)工作人員感覺不適的問題，提出了解決方法，提高了高空作業(yè)車類產(chǎn)品工作的平穩(wěn)性。該方法對(duì)高空作業(yè)車的結(jié)構(gòu)沒有做任何改變，方便高空作業(yè)車的升級(jí)改造，升級(jí)成本低。

該方法的目的，是用程序控制來使高空作業(yè)車的各運(yùn)動(dòng)部件可以按設(shè)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律自動(dòng)協(xié)同作業(yè)，利用高空作業(yè)車各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)慣性，互相抵消慣性和液壓沖擊影響，使高空作業(yè)車工作的平穩(wěn)性可以控制。

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