楚 旭，徐莉萍，孫富強(qiáng)，李 健，彭建軍，張宇暉

1河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河南洛陽 471003

2洛陽中重自動(dòng)化工程有限責(zé)任公司 河南洛陽 471039

磨機(jī)主要用于對礦石等物料的高度研磨，工作時(shí)其內(nèi)部需安裝襯板以保護(hù)筒體，因而襯板受到頻繁的沖擊和磨削，是磨機(jī)更換量最大的零件之一。磨機(jī)換襯板機(jī)械臂是更換襯板的專用設(shè)備，代替人力來完成更換襯板的危險(xiǎn)繁重工作[1-2]。近年來，市場對多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的要求已不再是單純地實(shí)現(xiàn)指定動(dòng)作，而是要求在重載工況下具備機(jī)械臂夾持平穩(wěn)、系統(tǒng)功率匹配、定位精度高等核心技術(shù)。不同于電驅(qū)式機(jī)械臂，液驅(qū)式機(jī)械臂具有負(fù)載大、傳動(dòng)穩(wěn)定等顯著優(yōu)勢，能夠大幅度提升機(jī)械臂的負(fù)重比[3-4]，代表著機(jī)械臂的發(fā)展方向。

目前國內(nèi)針對重載液壓機(jī)械臂的研究已取得一些成果：才秦東等人針對機(jī)械臂液壓伺服系統(tǒng)提出一種自適應(yīng)模糊滑膜控制算法，提高了液壓系統(tǒng)的魯棒性[5]；羅天洪等人針對重載液壓機(jī)械臂設(shè)計(jì)出壓電反饋驅(qū)動(dòng)式控制策略，有效抑制了機(jī)械臂末端的振動(dòng)[6]。但目前針對重載液壓機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，各關(guān)節(jié)之間還是相互獨(dú)立的，不能同步協(xié)作，造成關(guān)節(jié)間負(fù)載不均衡，致使動(dòng)作機(jī)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷。故筆者針對液壓重載機(jī)械臂設(shè)計(jì)了一套多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制策略，通過AMESim 與 Simulink 對機(jī)械臂電液比例系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，并對所設(shè)計(jì)聯(lián)動(dòng)控制策略進(jìn)行模擬驗(yàn)證。

1 機(jī)械臂電液比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磨機(jī)換襯板機(jī)械臂包含小臂旋轉(zhuǎn)、小臂俯仰、小臂伸縮、抓具平擺、抓舉滾擺、抓舉俯仰 6 個(gè)自由度，前 3 個(gè)自由度用于軌跡控制，在此僅考慮機(jī)械臂中小臂的軌跡控制。所設(shè)計(jì)的磨機(jī)換襯板機(jī)械臂電液比例控制系統(tǒng)原理如圖 1 所示。

圖1 磨機(jī)換襯板機(jī)械臂電液比例控制系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of electro-hydraulic proportional control system of manipulator of changing mill liner

磨機(jī)換襯板機(jī)械臂電液比例控制系統(tǒng)中，控制活塞 4 以及恒壓控制閥 8 和負(fù)載敏感閥 9 共同組成變量泵 2 斜盤傾角控制機(jī)構(gòu)；冷卻器 7 用于冷卻油箱 3 中的油液；梭閥 13 用于檢測最高負(fù)載壓力并反饋給變量泵；比例換向閥 14 可通過對閥芯開度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對液壓執(zhí)行元件的無極調(diào)速；定差減壓閥 12 用于保持閥14 進(jìn)出口壓差恒定，避免負(fù)載波動(dòng)干擾；過載溢流閥15 用于執(zhí)行元件正反動(dòng)作負(fù)載不同時(shí)充分補(bǔ)油；平衡閥 16 保持背壓，防止負(fù)載引起的失控現(xiàn)象。

磨機(jī)換襯板機(jī)械臂是一種復(fù)雜的工程機(jī)械，在其作業(yè)過程中往往需要幾個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同動(dòng)作，因而采用負(fù)載敏感控制液壓系統(tǒng)，以各回路中最大外負(fù)載作用于變量泵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使得系統(tǒng)壓力總是與最高負(fù)載壓力相適應(yīng)。由控制活塞 4 與恒壓控制閥 8 組成的機(jī)構(gòu)，通過控制活塞桿位移來決定恒壓截止壓力，遏制變量泵輸出壓力的持續(xù)升高，使液壓系統(tǒng)在不超過其最大功率的條件下，最大限度地利用電動(dòng)機(jī)的輸出功率，使液壓系統(tǒng)更加節(jié)能。

2 磨機(jī)換襯板機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

磨機(jī)換襯板機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是通過已知運(yùn)動(dòng)路徑起始點(diǎn)與終止點(diǎn)的位置坐標(biāo)，求解各關(guān)節(jié)變量。根據(jù)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算出各關(guān)節(jié)變量后，為了使機(jī)械臂多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)的仿真能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂末端期望軌跡的控制，需要在路徑基礎(chǔ)上加上時(shí)間序列信息，對機(jī)械臂工作過程中的位移進(jìn)行規(guī)劃，使機(jī)械臂各執(zhí)行元件聯(lián)動(dòng)時(shí)在指定時(shí)刻能夠到達(dá)特定的角度或位移，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂末端的控制目標(biāo)[7-8]。

根據(jù)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，采用幾何法將期望軌跡的未端坐標(biāo)變換為機(jī)械臂各關(guān)節(jié)變量相對應(yīng)的液壓執(zhí)行元件輸出量。將計(jì)算出的執(zhí)行元件輸出量的變化量作為仿真的指令輸入信號(hào)，執(zhí)行元件的仿真輸出量作為檢測反饋信號(hào)，形成閉環(huán)控制，進(jìn)而達(dá)到控制要求。所規(guī)劃的各執(zhí)行元件位移-時(shí)間函數(shù)曲線如圖2 所示。

圖2 各執(zhí)行元件軌跡規(guī)劃曲線Fig.2 Planned trajectory curve of various actuators

3 機(jī)械臂多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制策略

磨機(jī)換襯板機(jī)械臂多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)時(shí)，各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的控制對象，即液壓缸與液壓馬達(dá)要按照一定的速度協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，在相同時(shí)間內(nèi)完成各自的動(dòng)作，由此可知多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制實(shí)質(zhì)上屬于一種同步控制。故筆者選用環(huán)形耦合控制策略對磨機(jī)換襯板機(jī)械臂進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，將模糊 PID 算法作為控制器，構(gòu)建基于環(huán)形耦合控制策略的機(jī)械臂多關(guān)節(jié)同步控制結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 環(huán)形耦合多關(guān)節(jié)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of ring coupling multi-joint synchronous control system

環(huán)形耦合控制策略考慮了系統(tǒng)中各執(zhí)行元件輸出與系統(tǒng)指令間的跟蹤誤差，以及執(zhí)行元件間的同步誤差，當(dāng)任一執(zhí)行元件輸出變動(dòng)時(shí)，鄰近執(zhí)行元件間產(chǎn)生同步誤差并進(jìn)行反饋，致使所有執(zhí)行元件間生成兩兩耦合關(guān)系，形成耦合環(huán)，保證每個(gè)執(zhí)行元件都可獲得信息并進(jìn)行調(diào)節(jié)。誤差補(bǔ)償模塊依照相鄰執(zhí)行元件間的同步誤差進(jìn)行補(bǔ)償，即使機(jī)械臂關(guān)節(jié)數(shù)目增加，補(bǔ)償器仍保持原定結(jié)構(gòu)，可見這是一種合理的控制策略[9]。

4 基于 AMESim 電液比例液壓系統(tǒng)建模

在 AMESim 環(huán)境下，根據(jù)液壓原理與耦合同步控制框圖搭建的電液比例系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型如圖 4 所示。主要仿真參數(shù)設(shè)置如表 1 所列。

圖4 磨機(jī)換襯板機(jī)械臂電液比例系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型Fig.4 Combined simulation model of electro-hydraulic proportional system of manipulator of changing mill liner

表1 AMESim 仿真主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of AMESim simulation

5 系統(tǒng)聯(lián)合仿真及結(jié)果分析

通過 Simulink 中的 S 函數(shù)建立聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)交換接口，搭建并運(yùn)行聯(lián)合仿真控制器模型，運(yùn)行結(jié)束后返回 AMESim 操作界面，查看各個(gè)執(zhí)行元件的速度，并將各執(zhí)行元件的位移-時(shí)間曲線與規(guī)劃的位移-時(shí)間曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖 5～9 所示。

由圖 5～9 可知，馬達(dá)轉(zhuǎn)角最大偏差為 2.4°，小臂俯仰缸位移最大偏差為 1.8 mm，小臂伸縮缸位移最大偏差為 2.9 mm，完全符合礦山設(shè)備的使用需求。由此說明所設(shè)計(jì)的多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制策略的有效性，能夠使機(jī)械臂執(zhí)行元件的輸出符合預(yù)期規(guī)劃，進(jìn)而保證重載機(jī)械臂末端的定位精度，滿足預(yù)期要求。

圖5 小臂旋轉(zhuǎn)馬達(dá)轉(zhuǎn)角曲線Fig.5 Angular curve of jib rotary motor

圖6 小臂俯仰缸 1 位移曲線Fig.6 Displacement curve of jib pitching cylinder 1

圖7 小臂俯仰缸 2 位移曲線Fig.7 Displacement curve of jib pitching cylinder 2

圖8 小臂伸縮缸位移曲線Fig.8 Displacement curve of jib telescopic cylinder

圖9 各執(zhí)行元件輸出與規(guī)劃偏差Fig.9 Output and planned deviation of actuators

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一套控制策略，用于實(shí)現(xiàn)對液壓重載機(jī)械臂的多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制，以解決重載機(jī)械臂多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性低和定位精度差的問題。該控制器結(jié)構(gòu)簡單，易于工程實(shí)現(xiàn)，通過 AMESim 與 Simulink的聯(lián)合仿真，證明該控制策略能夠有效提升液壓重載機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，并且保證較高的定位精度，可為液壓重載機(jī)械臂多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)控制提供參考。