王俊梁 徐武彬 李冰 花慶寶

摘 要：為降低裝載機動臂手動矯正的勞動強度，提高矯正精度、生產(chǎn)效率等，現(xiàn)以LabVIEW為平臺開發(fā)出一套動臂智能矯正系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對動臂板位置的數(shù)據(jù)采集，并將其與專家經(jīng)驗庫數(shù)據(jù)進行對比，分析后給板卡發(fā)出相應指令達到自動控制油缸的目的，從而實現(xiàn)矯正過程的智能化，最終完成矯正.試驗表明動臂智能矯正系統(tǒng)能高效、精確地實現(xiàn)動臂鏟斗孔一側(cè)的矯正，并顯示每次矯正時動臂的推出量與變形量，提高了矯正效率，降低了勞動強度及人工成本，達到了設計的初期目標，為后期動臂矯正系統(tǒng)的智能化提供有力的依據(jù).

關(guān)鍵詞：動臂；自動化；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： TH243.065 文獻標志碼：A

0 引言

輪式裝載機是一種作業(yè)效率高且廣泛運用的工程機械，它能對散裝物料進行鏟裝、搬運、卸載、平整等作業(yè)，也能對硬土、巖石進行輕度鏟掘工作[1].動臂是裝載機工作裝置的主要承力構(gòu)件，其強度狀況對工作裝置的性能和壽命有直接的影響[2].動臂屬于典型的箱體結(jié)構(gòu)焊接件，外形尺寸大、重量大，焊接成型后，鉸接孔的尺寸位置會有所偏移，需要矯正后才可進行下一步工序[3].

傳統(tǒng)的動臂矯正方式主要是手動矯正.首先工人用長直尺靠在動臂一外側(cè)毛坯面，用肉眼確認該側(cè)是否偏移，再用手動控制油缸將該側(cè)矯正至大概位置；然后，再用卷尺測量動臂板之間總長度，通過油缸調(diào)節(jié)另一側(cè)而確保動臂板的外開檔尺寸.若第一次工人判斷出錯，則矯正完動臂會不對稱.傳統(tǒng)的矯正方式對矯正人員的經(jīng)驗要求比較高，且勞動強度大、人工成本高、矯正精度與生產(chǎn)效率低.若通過傳感器記錄動臂板位置，然后通過LabVIEW中的軟件設計將其與專家數(shù)據(jù)經(jīng)驗庫比較，大量使用圖形化控件使LabVIEW不但操作簡單、成本低廉，而且還保證了與傳統(tǒng)儀器基本相同的人機交互性、可操作性和真實感[4-5].經(jīng)過程序處理向電磁閥發(fā)出指令，控制油缸的推出量，最終達到矯正要求，實現(xiàn)動臂矯正的自動化.

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集卡與拉線傳感器獲取動臂板位置，對比經(jīng)驗數(shù)據(jù)后對繼電器發(fā)出指令，達到自動控制油缸并實時監(jiān)控矯正量的目的，從而驗證動臂自動化矯正的可行性.

1 系統(tǒng)構(gòu)成

所有的 LabVIEW 應用程序，即虛擬儀器（VI），包括前面板（Front Panel）、流程圖（Block Diagram）以及圖標/連結(jié)器（Icon/Connector）3部分[6-7].基于 LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般構(gòu)成如圖1所示.

試驗采用了數(shù)據(jù)采集卡、電磁閥和 LabVIEW 軟件，完成了動臂位置的數(shù)據(jù)采集與記錄，對比分析專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，并通過程序向油缸發(fā)出指令，實現(xiàn)動臂的自動化矯正.

理論支持所使用的傳感器是Evernew WS-1500-D40-11A0拉線位移傳感器.拉線位移傳感器由鋼絲繩和旋轉(zhuǎn)編碼器組成，測量被測物直線位移的.鋼絲通過彈簧被繞于滾筒之上，滾筒與多級電位器同軸連接，從而使位移量被轉(zhuǎn)變成電阻信號，并且拉繩收放的長度與輸出的電壓信號成線性的正比[8-10].

理論支持所使用的控制器是中泰研創(chuàng)PCI-8348BJ數(shù)據(jù)采集卡. PCI-8348BJ數(shù)據(jù)采集卡是一款16 bit，8CH同時AD最快轉(zhuǎn)換100 k/CH的多功能數(shù)據(jù)采集卡，它擁有14路可編程輸入輸出[11].

理論支持所使用的液壓元件是派克DIVW1CNTW電磁方向控制閥.DIVW1CNTW電磁方向控制閥是一種三油腔型的4/3（三位四通）滑閥式方向控制閥，采用帶有擰入式銜鐵管的濕式電磁鐵直動控制.

2 軟件設置

2.1 系統(tǒng)整體流程圖

動臂矯正前首先是對動臂板位置的確認，并與標準位置進行比較.如果與標準位置相差超過誤差值，則觸發(fā)相應程序，對應位置的油缸就會受到指令而對動臂板進行矯正，直至符合要求.動臂板位置由拉線位移傳感器進行收集，并在操作界面上時刻顯示著動臂板位置.系統(tǒng)流程圖如圖2所示.

2.2 主模塊介紹

2.2.1 動臂位置監(jiān)控模塊

試驗的目的是完成動臂的矯正變形，通過對動臂板位置的監(jiān)控與數(shù)據(jù)的輸入，從而對數(shù)據(jù)庫進行比較，獲取所需矯正量與推出量，可以說是整個程序的眼睛.通過拉線傳感器的定位，與輸入的標準值比較，從而確定是否需要矯正，并進行下面的程序運行.具體程序框圖如圖3（a）所示.

2.2.2 拉線傳感器矯正模塊

由于使用的拉線位移傳感器設備老舊，測量結(jié)果與實際距離有所偏差，因此在使用拉線傳感器前需先對傳感器的拉出距離與顯示距離進行矯正.程序框圖如圖3（b）所示.

2.2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊需要在數(shù)據(jù)采集卡平臺上進行數(shù)據(jù)采集工作，只有經(jīng)過數(shù)據(jù)的采集與分析，才可對動臂現(xiàn)狀了解，從而得知所需矯正程度.程序框圖如圖3（c）所示.

2.2.4 油缸執(zhí)行模塊

該模塊為主體模塊，用以控制油缸輸入輸出，不僅要將動臂板推到所需位置，而且在進行下步操作前必須將油缸完全退回，避免影響下次推出，最終還要在最短時間內(nèi)完成矯正；因此，油缸執(zhí)行模塊是本程序的關(guān)鍵部分，是提高動臂矯正效率的重中之重.由于實驗為可行性實驗，在油缸退回部分，沒有添加限位開關(guān)來獲取油缸是否完全退回，只是測量了油缸從推滿到完全退回所需的時間（5 s），在向油缸發(fā)出退回指令后等待5 s再進行下一次操作.程序框圖如圖3（d）所示.

2.3 系統(tǒng)主程序框圖

除以上各主要模塊，還有數(shù)據(jù)統(tǒng)計單元和安全監(jiān)控部分.數(shù)據(jù)統(tǒng)計能進行矯正數(shù)據(jù)的顯示與記錄；安全監(jiān)控則是對程序運行防錯監(jiān)控，確保實驗的安全性.圖4為系統(tǒng)的整體程序框圖.

2.4 系統(tǒng)操作與功能簡介

試驗目的在于對裝載機動臂進行矯正，主要是通過傳感器獲取動臂板位置，對比該位置該型號動臂的標準值，分析出是否需要矯正，若需要則通過發(fā)出指令控制油缸運行，從而完成動臂矯正.由于該實驗平臺使用的是液壓油缸，若出錯，會損壞矯正平臺甚至對周圍操作人員有人生危害.為此設計了雙系統(tǒng)模式：一是矯正實驗系統(tǒng)，是主程序，用以控制油缸推出退回，從而完成對動臂的矯正；二是監(jiān)控系統(tǒng)，負責監(jiān)控矯正實驗系統(tǒng)的每一步驟，一旦運行出現(xiàn)錯誤或油缸推出時間過長，則立即啟動緊停功能，停止所有油缸動作，并終止程序運行.

動臂智能矯正系統(tǒng)主要解決當前動臂焊接后不規(guī)律變形矯正的問題，系統(tǒng)采用模糊控制算法，針對動臂焊后離散型變形進行智能決策矯正.系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)有的專家經(jīng)驗庫進行自動決策矯正動臂板至合格位置，亦可以對陌生的離散變形進行模擬學習，生成新的專家經(jīng)驗庫，具有自成長屬性.

矯正試驗系統(tǒng)又分為學習模式與矯正模式：學習模式即人工操作模式，主要功能是可以讓動臂板推出實驗所需要的距離，用以試驗實驗可行性與收集動臂推出距離與矯正量的數(shù)據(jù)；矯正模式下系統(tǒng)將利用當前的專家經(jīng)驗庫進行自主完成動臂矯正工作.系統(tǒng)自動調(diào)用在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫動臂板矯正標準數(shù)值，并實時監(jiān)控動臂板的位置及動作過程，具備自防錯功能.該系統(tǒng)還包括多個子VI，用以減少控件與數(shù)據(jù)連線個數(shù)，使程序框圖簡潔明了.

3 試驗與研究

動臂矯正平臺經(jīng)改造后平臺一側(cè)可控油缸及整機實物如圖5（a）、圖5（b）所示.經(jīng)多次實驗，系統(tǒng)可以正常運行.圖5（c）、圖5（d）是某次動臂矯正過程中系統(tǒng)界面的顯示圖.

經(jīng)多次實驗，動臂板鏟斗孔一側(cè)平均需矯正2.5次才可達到設計要求，每側(cè)耗時約45 s，一共有4處需進行矯正，結(jié)合動臂吊裝與吊運，大概每臺動臂矯正所耗時間在5 min左右.表1是動臂手動矯正與自動矯正的對比，可知改進后矯正效率約提高50%，約減少50%人力，提高了矯正質(zhì)量，減少耗能.

4 結(jié)論

先對裝載機動臂的制造過程進行了解，并熟悉動臂板的焊后人工矯正流程，了解LabVIEW軟件的設計理念，再結(jié)合軟件各模塊、子VI、流程圖等設計方法，并結(jié)合收集的矯正經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫的對比，形成了動臂可行性實驗的智能矯正系統(tǒng)，經(jīng)過多次試驗，完成了動臂車架孔一側(cè)的智能矯正，達到了預期的效果.該系統(tǒng)具有很強的延展性與可移植性，不僅為后續(xù)動臂的全自動化設計提供了有力的參考意義，同時也驗證了在計算機輔助機械制造的可行性利用電腦軟件與相關(guān)電子技術(shù)的前提下，對機械零部件的矯正工藝可以進行自動化改造，從而提高生產(chǎn)效率與質(zhì)量，降低勞動強度及人工成本.

參考文獻

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Abstract：To reduce the labor intensity of the correction of boom of loader， improve the correction accuracy and increase productivity， a boom intelligent correction system was developed based on LabVIEW platform. The data acquisition of the boom position was carried out using this system and then the acquisition data was compared with the database of the experience of experts. After the analysis， the corresponding instructions are issued to the board to automatically control the oil cylinder so as to realize the intelligence of the correction process， and finally complete the correction. Experiments show that the correction of one side of the boom can be effectively and accurately realized using the boom intelligent correction system， and the pushing amount and the deformation amount of the boom can be displayed at each time of correction， thus the correction efficiency is improved and the labor intensity and cost are reduced. The initial target of the design is achieved， and the basis for the later intelligence of the boom correction system is provided.

Key words： boom； automation； LabVIEW； data collection

（學科編輯：黎 婭）