施工机械及其自动化(下)

施工机械及其自动化(下篇)主讲教师：李浩平第九章施工机械自动化概论第一节自动化技术基本概念自动化：机械或设备在无人干预的情况下按规定的程序或指令进行操作或控制的过程。控制器：用来代替人完成控制的设备。被控对象：被控制的机械或设备。自动控制系统：被控对象和控制器组成的系统。自动控制系统的组成：a.测量机构：用来测量被控量b.比较机构：用来比较被控量与给定值，得出误差c.执行机构：按照误差的性质作出控制动作d.指令机构：给出被控量给定值自动控制系统原理：第二节施工机械控制及自动化施工机械的控制：通过机械、电子、电气、液压和信息等方式对施工机械的动力、行走、工作等装置进行有效控制，以提高机械的动力性、经济性。施工机械的自动化程度：a.监控：通过微电子技术控制机械自身或外界状态b.遥控：通过有线或无线电遥控操纵机械c.半自动：部分机构实现自动控制d.全自动：全部实现自动控制施工机械控制分类：1）按被控对象分：a.动力装置控制b.工作装置控制c.行走装置控制2）按采用的控制技术：a.机械控制b.液压控制c.电子控制d.电液控制e.激光控制3）按所控制的自动化程度：a.监控控制b.遥控控制c.半自动控制d.全自动控制第十一章施工机械动力装置控制系统一、挖掘机的发动机电子控制系统1.电子功率优化系统（EPOS）EPOS是一种闭环控制系统，工作中它能根据发动机负荷的变化，自动调节液压泵所吸收的功率，使发动机转速始终保持在额定转速附近，即发动机始终以全功率投入工作。这样既充分利用了发动机的功率，提高了挖掘机的作业效率，又防止了发动机过载熄火。大宇DH280型挖掘机的电子功率优化系统的组成：柱塞泵斜盘角度调节装置、电磁比例减压阀、EPOS控制器、发动机转速传感器及发动机油门位置传感器等。控制过程：当工作模式选择开关处于“H方式(最大供油位置）”位置，1）装有微电脑的EPOS控制器的端子上有电压信号（即油门拉杆处于最大供油位置）时，EPOS控制器便不断地通过转速传感器检测发动机的实际转速，并与控制器内所贮存的发动机额定转速值相比较。2）实际转速若低于设定的额定转速，EPOS控制器便增大驱动电磁比例减压阀的电流，使其输出压力增大，通过油泵斜盘角度调节装置减小斜盘角度，降低泵的排量，使转速提高。重复进行直到实测发动机转速与设定的额定转速相符为止。如果实测的发动机转速高于额定转速，EPOS控制器便减小驱动电流，于是泵的排量增大，最终使发动机也工作在额定转速附近。工作模式控制（1）H模式：即重负荷挖掘模式。发动机油门处于最大供油位置，发动机以全功率投入工作。（2）S模式：即标准作业模式。液压泵输入功率的总和约为发动机最大功率的85％。对于DH280型挖掘机，当选择H模式而油门未处于最大供油位置时，控制器也将自动地使挖掘机处于S模式，并且与转速传感器所测得的转速值无关。（3）F模式：为轻载作业模式。液压泵输入总功率约为发动机最大功率的60％，适合于挖掘机的平整作业。在F模式下EPOS控制器向电磁换向阀提供电流，换向阀的换向接通了安装在发动机高压油泵处小驱动油缸的油路。于是活塞杆伸出，将发动机油门关小，使发动机的转速降至1450r/min左右。自动怠速控制作用：装有自动怠速装置的挖掘机，当操纵杆回中位达数秒时，发动机能自动进入低速运转，从而可减小液压系统的空流损失和发动机的磨损，起到节能和降低噪声的作用。大宇DH280型挖掘机的自动怠速装置：在液压回路中装有两个压力开关，挖掘机工作过程中两开关都处于开启状态。当左右两操纵杆都处于中立位置，即挖掘机停止作业时，两开关闭合。如果此时自动怠速开关是处于接通位置，并且两个压力开关闭合4S以上，EPOS控制器便向自动怠速电磁换向阀（和F模式用同一换向阀）提供电流，接通自动怠速小驱动油缸的油路，油缸活塞杆推动油门拉杆减小发动机的供油量，使发动机自动进入低速运转。扳动操纵杆重新作业时，发动机将自动快速地恢复到原来的转速状态。2.电喷系统的概念柴油机电喷系统（即电子控制柴油喷射系统）是指柴油机供给系，利用各种传感器，将影响发动机性能的全部（或部分）信号转换成电信号，通过控制装置对输入的电信号进行的处理，然后产生新的信号输给执行器，控制柴油机供给系的工作。作用：对喷油系统进行电子控制，实现对喷油量以及喷油定时等运行工况的实时控制。（1）结构电子控制柴油喷射系统由3个部分组成：即传感器、控制器与执行器。传感器将柴油机工作中各种工况的信息，如转速、各种介质的温度、运转工况等，转换成电信号输入到控制器。控制器按预定的程序对各种传感器的输入信号进行处理、计算、判断或决策。然后，产生新的信号输给执行器（输出装置）。执行器将控制器输入的信号转换为机械运动，即通过电能、液压、气压等或它们之间的组合作用，对外作功，推动柴油机的某个装置运动，以完成所需要的控制任务。例如，实现喷油量、喷油定时与排气再循环的控制等。3.挖掘机电子油门控制系统以小松PC200－5挖掘机为例：电子油门控制系统由油门控制器、调速器马达、燃油控制盘、监控仪表盘、蓄电池继电器等组成。该系统的功能有三个：发动机转速的控制、自动升温控制和发动机停车控制。(1)发动机转速的控制发动机的转速通过燃油控制盘来选定。装有微电脑的油门控制器根据电压计算出所选定的发动机转速的大小。继而控制调节调速器马达，达到调节喷油泵的供油量，最终控制发动机转速的目的。整个过程如下：控制器根据所测得的燃油控制盘电位器的输出电压大小，驱动调速器马达使其正转或反转，通过连杆机构驱动供油拉杆，调节供油量（柱塞行程），即调节发动机转速。直到马达转角电位器所反馈回的马达实际转角位置（即实际循环供油量或发动机转速）与燃油控制盘的位置相符为止。(2)自动升温控制如果冷却水的温度低于30℃并且燃油控制盘所选定的发动机转速低于1200r/min，监控仪表盘中的电脑便向发动机油门控制器电脑发出“升温”信号。油门控制器电脑收到此信号后，便驱动调速器马达使发动机转速上升至1200r/min，以便缩短发动机的暖机时间。以下三个条件之一满足时，发动机的自动升温功能被取消：①冷却水温度超过30℃；②燃油控制盘处于满量程的70％以上、发动机高速空转超过3S；③升温时间超过l0min。(3)发动机停车控制当检测到起动开关转至“切断”位置，油门控制器输出电流，驱动蓄电池继电器使其触点保持闭合，以保持主电路的继续接通。同时，控制器驱动调速器马达，将喷油泵的供油拉杆拉向停止供油位置，从而使发动机熄火。供油拉杆处于“停油”位置之后，控制器延时2.5S，然后使蓄电池继电器断电，切断主电路。第十二章施工机械工作装置控制系统§12-1液压挖掘机工作装置控制系统一、工作装置自动挖掘系统原理对挖掘机工作装置的轨迹控制就是对动臂L1、斗杆L2和铲斗L3在液压油缸驱动下绕关节（销轴）转动的相对转角:动臂角θ1、斗杆角θ2、铲斗角θ3进行控制。1二、挖掘轨迹的计算机控制将要求的工作面倾角和铲斗切削角输入计算机输入所希望的速度V算出（1）与目标值一致的斗齿切削速度的水平分量Vx和垂直分量Vy（2）动臂角、斗杆角、铲斗角求得各液压缸的伸缩量及速度计算结果作为液压伺服系统的输入，送进伺服放大器，经过伺服阀和伺服液压缸而启动换向阀工作液压缸作所需的相应伸缩。液压缸的伸缩又被反馈到伺服放大器和计算机，作为后续计算及动作修正依据。三、自动挖掘系统组成及工作原理自动挖掘系统由角度传感器（动臂、斗柄、铲斗和机体倾斜）、电磁比例阀、控制器、角度设定器和自动掘削开关等组成。1.平整精加工：修整斜坡和铲平地面。根据设定的坡角和指定的切削角，由角度传感器测得的θ0、θ1、θ2、θ3角和作业开始时的斗尖位置，将这些信号传给控制器，通过控制器内的微机进行运算，求得目标切削面。在掘削中，根据斗尖位置偏离目标切削面的偏差，计算出动臂应处的位置，由控制器发出信号操纵控制动臂油缸，使斗尖沿着目标切削面运动。2.压实平整：斗底紧贴并且沿着斜坡运动进行压实平整。要求：动臂、斗柄和铲斗三者同时动作。司机只操纵斗柄，要求动臂连动，以保证斗柄端铰沿平行于斜坡面的面运动；同时也要求斗连动，使斗底接地角度保持一定。3.控制斗倾角：动臂举升的过程中斗倾角保持不变，以防斗内物料撒落。要求：电子控制系统在动臂举升时，控制器发出信号，控制斗倾角，随着动臂举升斗跟着相应运动。4.卸土后斗复归控制：当斗卸完土后，应自动回复到新的挖掘位置。要求:动臂、斗柄、斗和机体回转四者配合运动，没有不必要的调整动作。§12-2自动调平控制系统自动调平系统的控制对象：各种工程机械上的工作装置，如沥青摊铺机的熨平板、水泥摊铺机的机架、推土机的推土刀、铣刨机的铣刨滚等等。一、控制原理工作装置由液压缸来控制其升降的位移量，液压缸在电液转换元件的控制下，输出所需的运动和动力。二、类型(1)电－机式。由传感器检测路基的不平度，用伺服电机作为执行机构进行调节。(2)电－液式。与电－机式的主要区别是其用液压元件作为执行机构，调节牵引点的垂直位置。(3)全液压式。其特点是检测装置和执行机构都采用液压元件。(4)激光式。以激光作为参考基准，以光敏元件作为转换器，最后借助于电子与液压元件来实现调节。三、摊铺机自动调平系统电－液式自动调平系统又分为开关式、比例式和比例－脉冲式三种。1）开关式自动调平系统开关式自动调平系统由参考基准、纵坡传感器、横坡传感器、调平油缸及电磁阀等组成。控制阀：普通电磁换向阀工作过程：（1）推铺过程中，当左侧路面不平而使左牵引臂的牵引点产生升降时，安装在左牵引臂上的纵坡传感器也将随之升降，这就改变了传感器的传感臂与基准线之间的初始夹角（一般为45º），从而产生高度偏差信号。（2）纵坡传感器将此高度偏差信号转变为电信号，并经驱动电路推动左侧电磁阀，使调平油缸带动牵引臂的牵引点上升或下降，直到熨平板恢复原来的工作仰角，传感器也回到原位。此时偏差信号消失，油缸停止调节。（3）右侧的调节与左侧相似，不同之处是它用横坡传感器检测横向坡度的变化，只要有坡度偏差，右侧调平油缸便进行调节，直到横向坡度恢复设定值。特点：开关式自动调平系统只有“开”和“关”两种状态，不管所检测到的偏差大小，只要有偏差，调平油缸便以恒速进行调节。由于液压系统的惯性，易产生超调，很难使偏差为零，系统易发生振荡，影响铺设路面的平整度。结构简单，对元器件性能要求不高，价格低。2）比例式自动调平系统控制阀：比例电磁换向阀特点：根据偏差信号的大小以相应的快慢速度进行连续调节，偏差为零时，调节速度也为零，因此不存在因“搜索”和超调引起的振荡，性能较好。2）比例脉冲式自动调平系统控制阀：高频开关型电磁换向阀工作原理：在“恒速调节区”和“死区”之间设立“脉冲区”。当偏差较小，位于“死区”时，系统不调节；当偏差进入“脉冲区”时，控制器以与偏差大小成比例的脉冲信号推动电磁阀工作；当偏差进入“恒速调节区”时，控制器输出连续调节信号以恒速调节液压缸。特点:价格便宜，经济实用，不会“超调”。但存在“死区”，调节精度不如比例式自动调节系统。四、平地机刀板自动调平系统电－液式自动调平系统组成：由手动操纵系统（包括泵、手动操纵阀、左右升降油缸等）和自动控制部分（包括倾斜仪、控制箱、电磁阀和流量调整阀等）组成。工作原理：在刀板上装有倾斜仪，检出刀板的倾角值，与倾角设定器（在控制箱内）设定的倾角值在运算放大器中进行比较，产生纠正信号，驱动电磁阀使油缸升降，从而控制刀板，保持所希望的倾角。五、激光式自动调平系统激光调平系统是利用激光发射机发出的激光束为调平基准，控制刮刀升降油缸自动地调节刮刀位置。激光控制自动找平系统由激光发射器、激光接收器、控制器和执行机构组成。激光发射器是由有源电池驱动的一种激光发生装置，它被安置在作业面适当位置的三角架上。激光接受器的功用是接受激光发射器发来的高程光信号，并根据相对基准参照面的高度变化将光信号转换成变化的电信号，并传输到控制器。控制器将激光接受器传递来的电位信号，经过数据分析处理后转换成控制信号，控制电磁比例换