一种高空作业车工作斗的调平方法

摘 要：由于机械结构的特性，单个机械部件的动作精度一般是很难保证的，运动过程中往往会出现扰动。通过对高空作业车工作斗的动力学分析，针对高空作业车领域的需求，下面，设计了一套基于PLC控制的工作斗的调平方法。该方法通过传感器采集、分析部件的运动方向，冲量，弹性势能、振动方向和幅度等参数，由程序依据分析出的参数，按预先设定的规则从逻辑上抑制系统扰动的产生。同时，用程序控制的方法，使高空作业车的各运动部件，可以按设定的运动规律自动协同作业。并且利用高空作业车各运动部件的运动惯性，互相抵消各部件间惯性和液压的冲击影响，使工作斗整体保持平稳。

关键词：工作斗调平 PLC 受迫振动 扰动抑制 运动控制

中图分类号：TU607 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（a）-0074-02

近年来，随着国内制造业的发展，高空作业车类产品的需求量在逐年增加，用户对其性能的要求也越来越高。高空作业车的工作斗，作为载人装置，在设备工作时，工作斗的平稳性，越来越被用户关注。

工作斗调平装置有采用机械连杆机构的，即通过齿轮和链条保证工作臂变幅时工作斗的联动，以此保持工作斗的水平。机械连杠式调平机构增加了高空车工作臂的设计难度，随着高空作业车工作高度的增加，要设计一套随着工作臂联动的机械调平机构几乎成为了不可能。同时，因为没有可视或可听的安全反馈装置，机械结构出问题时，可能无法保证斗内作业人员的安全。也有依赖PID算法来调节的电液比例调节装置，这种方法系统简单，比较容易实现。但是，当设备使用一段时间后，设备的机械和液压特性可能发生了改变，这时候需要重新整定PID参数才能保证调平装置工作的正确性。同时，当到了一定高度后，工作臂已相对较柔，因为机械惯性和液压系统冲击的原因会产生许多未知的扰动，这时斗内工作人员会有不适的感觉。

本系统使用电液比例阀，增加工作斗水平倾角传感器、工作臂倾角传感器，同时采集机手的操纵信号，采用可编程PLC控制器编写程序，对工作斗的运动按设定的规律进行控制，从而实现各种情况下高空作业车工作斗的自动调平。

1 系统组成

电控系统由PLC可编程控制器、两个倾角传感器、操纵手柄和电比例阀组成。

工作斗水平倾角传感器，将工作斗的倾斜角度变化传给可编程序控制器。工作臂倾角传感器，将工作臂的变化情况传给可编程序控制器。控制器将接收的传感器信号和人的操纵信号，按设定的算法运算后，控制各电磁阀的工作状态，按电液比例算法精确计算和控制调平油缸的动作量和动作方向，从而实现工作斗的调平运动控制（如图1）。

2 工作原理

（1）该方法依据工作臂倾角传感器来判断臂架的工作情况，计算出臂架相对于水平面的夹角变化量，计算出臂架的变幅方向、振动幅度和瞬间的振动方向，得到臂架变幅运动时的惯性指标。（2）依据工作斗水平倾角传感器来判断工作斗的工作情况，计算出工作斗相对于水平面的夹角变化量，需要调整的方向和得到调整运动时的惯性指标。在臂架动作和调平系统动作时，实现系统间协同作业，对各系统的惯性影响和液压系统的冲击进行相互抵消，还有抑制系统可能产生的扰动，从而提高高空作业车工作时工作斗的平稳性（如图2）。

3 调平系统扰动原因动力学分析

以臂架臂头铰点作为分析点，为了简化，单分析一种工况情况，也就是先考虑臂架往上从匀速变幅运动状态到停止状态这段时间。这一瞬间，臂头铰点将受到臂架引起的垂直于铰点方向向上的惯性力（f惯臂）。假设工作斗此时的调平运动向上（调平油缸伸），臂头铰点将同时受到工作斗引起的作用于铰点方向向上的惯性力（f惯斗）。此时f惯臂和f惯斗的分力f惯斗A方向一致，两力叠加，将对臂头铰点产生比较大的作用力（如图3）。

当臂架伸出到一定长度后，臂架已变得相对较柔。臂头受力变形后，形成弹性势能，产生反方向的弹性力f弹臂。工作斗因为已向上运动超过水平位置，会有向下的调平运动（调平油缸缩）。此时，调平运动惯性力f惯斗的分力f惯斗A与臂架的弹力f弹臂方向一致（方向向下），两力叠加，臂架将往下振动（如图4）。

臂架往下振动到最大振幅后，此时，工作斗已向下超过水平位置，会有向上的调平运动（调平油缸伸）。这时，调平运动惯性力f惯斗的分力f惯斗A与臂架的弹力f弹臂方向一致（方向向上），臂架将改变方向，向上振动（如图5）。

这种周期性力的驱动，将使臂头和工作斗一起形成受迫振动，引起整个系统的扰动，从而使工作斗无法保持水平。

4 PLC控制程序原理

程序依据采集的传感器信号，分析臂架的运动情况、工作斗的运动情况和机手的操纵情况，合理的控制调平油缸的动作量和动作方向，从逻辑上抑制扰动情况的产生，也就是设定基本的调平规则（当工作斗不水平，只允许臂架上变幅时，工作斗可以往下调平；臂架下变幅时，工作斗可以往上调平）。同时利用f惯臂和f惯斗A方向相反，以及f弹臂和f惯斗A方向相反时可以较好的平衡臂头铰点的受力，起到抑制臂头的惯性运动和尽量减少臂头的弹性势能的效果。

为了捕获瞬间臂架臂头的运动情况，同时减少元器件的成本，本系统使用普通的倾角传感器作为传感器件。依据程序中设定的时间因素为基础，由程序实时分析臂架臂头运动的方向，估算臂头受到的冲量，估算臂头的弹性势能。这部分程序，还同时实时分析臂头可能会产生振动的方向和振幅，将这些分析结果传给主程序，由主程序同时考虑机手的操纵信号和工作斗的情况后对系统可能会产生的扰动进行抑制。

工作斗判断程序依据工作斗倾角传感器的信号，实时分析工作斗相对水平面的夹角和方向，估算工作斗的惯性指标，并且将这些量传给主程序，再由主程序综合分析后，控制调平油缸的伸缩来保证工作斗的水平。

5 结论

以上，用简单适用的方法解决了高空作业车工作斗的调平问题。对因系统扰动的原因引起工作斗调平效果不好，引起斗内工作人员感觉不适的问题，提出了解决方法，提高了高空作业车类产品工作的平稳性。该方法对高空作业车的结构没有做任何改变，方便高空作业车的升级改造，升级成本低。

该方法的目的，是用程序控制来使高空作业车的各运动部件可以按设定的运动规律自动协同作业，利用高空作业车各运动部件的运动惯性，互相抵消惯性和液压冲击影响，使高空作业车工作的平稳性可以控制。

参考文献

[1] 宋伯生.PLC编程理论、算法及技巧[M].北京，机械工业出版社，2009.

[2] 董景新，赵长德.控制工程基础[M].北京，清华大学出版社，2009.

[3] 王永岩.工程力学[M].北京.科学出版社，2010.

[4] 左键民.液压与气压传动[M].北京.机械工业出版社，2007.5.

[5] （美）克林伯格（Kleinberg，J.），塔多斯（Tardos，E.），著.算法设计[M].张立昂，屈婉玲，译.北京：清华大学出版社，2007.3.

[6] 宋晓光.高空作业车电液比例调平系统仿真研究[D].大连理工大学，2007.

[7] 黄桂芳，陈铭年.我国高空作业车研究进展综述[J].机电技术，2012（1）.

[8] 王飞，高空作业车电液控制系统研究[D].长安大学，2009.