??? 摘? 要: 根據(jù)挖掘機的結(jié)構(gòu)特點,建立了挖掘深度測量的數(shù)學(xué)模型,論述了挖掘機自動測深儀的硬件/軟件結(jié)構(gòu)、工作原理、性能指標(biāo)及可靠性等。?
????關(guān)鍵詞: 自動測量? 儀器? 儀表? 微機? 挖掘機
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??? 挖掘機是重要的工程機械,其作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜,有時屬于惡劣環(huán)境。如遇危險場合或進行水下挖掘時,挖掘的深度難以測量,直接影響了挖掘的質(zhì)量和效率。為了改變這一狀況,我們開發(fā)研制了一種適合挖掘機工作環(huán)境的高穩(wěn)定性和高可靠性的自動測深儀。它能夠自動測量并顯示挖掘深度,可設(shè)定挖掘界限,挖掘時遇限報警,以指導(dǎo)操作人員有效地工作。?
??? 無論是輪式挖掘機還是履帶式挖掘機,其工作裝置主要由動臂、斗桿、鏟斗等部件組成,各部件以轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)鉸接在一起,每個關(guān)節(jié)具有一個自由度,并由相應(yīng)的動力部件(油缸)驅(qū)動。挖掘的深度與各組件的相對空間位置有關(guān)。根據(jù)挖掘機工作裝置的結(jié)構(gòu)特點建立相應(yīng)的深度測量模型,這是自動測量的基礎(chǔ)。?
1 建立數(shù)學(xué)模型?
??? 按以下規(guī)則建立直角坐標(biāo)系:?
??? 基坐標(biāo)系O0X0Y0Z0與挖掘機下車架固聯(lián),坐標(biāo)原點O0在動臂與下車架鉸點處,X0軸為下車架正前方,Z0軸垂直于接地平面,Y0軸按右手規(guī)則確定。?
??? 第i個坐標(biāo)系OiXiYiZi與第i個關(guān)節(jié)固聯(lián),坐標(biāo)原點在第i+1個關(guān)節(jié)的鉸點中心,并遵循以下三個條件:?
??? ①Zi軸與第i+1個關(guān)節(jié)的運動軸方向一致; ?
??? ②Xi軸垂直于Zi-1軸,
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??? ③Yi軸由右手規(guī)則確定。?
??? 兩坐標(biāo)系的聯(lián)系可由四個參數(shù)來確定,四個參數(shù)定義如下:?
??? θi:關(guān)于Zi-1軸,按右手規(guī)則,從Xi-1到Xi的轉(zhuǎn)角;?
??? di:從第i-1個坐標(biāo)系Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1的原點Oi-1沿著Zi-1軸到Xi軸與Xi-1軸相交點的距離;?
??? ai:從Zi-1軸與Xi軸的交點,沿Xi軸到第i個坐標(biāo)系坐標(biāo)原點的偏移距離;?
??? αi:關(guān)于Xi軸,按右手規(guī)則從Zi-1軸到Zi軸的轉(zhuǎn)角。?
??? 四個參數(shù)中,連桿參數(shù)(ai,αi)由連桿的結(jié)構(gòu)決定,是常數(shù);關(guān)節(jié)參數(shù)(θi,di)決定相鄰連桿的相對位置。由于在挖掘機中均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),因此,di是常數(shù),θi是變量。由上述定義可以看出,經(jīng)過以下四步,可以使坐標(biāo)系OiXiYiZi與Oi-1Xi-1Yi-1Zi-1重合:?
??? ①繞Zi-1軸旋轉(zhuǎn)θi角,使Xi-1軸與Xi軸平行;?
??? ②沿Zi-1軸平移距離di,使Xi-1軸與Xi軸位于同一直線上;?
??? ③沿Xi軸平移距離ai,使兩坐標(biāo)系原點重合;?
??? ④繞Xi軸旋轉(zhuǎn)αi角,使兩坐標(biāo)系重合。?
??? 這樣,兩坐標(biāo)系之間的聯(lián)系可由一個4×4齊次變換矩陣
來表示:?
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式中,Si=sinθi,Ci=cosθi,Sαi=sinαi,Cαi=cosαi,Rot表示回轉(zhuǎn)因子,Trans表示平移因子,表示第i個坐標(biāo)系相對于第i-1個坐標(biāo)系的齊次變換矩陣。?
??? 按上述規(guī)則建立的挖掘機工作裝置直角坐標(biāo)系如圖1所示。履帶或輪胎接地平面為M0,點A為動臂與上車架鉸點,點B為動臂與斗桿的鉸點,點C為斗桿與鏟斗的鉸點,點D為斗尖,
鉸點A與平面M0的距離為L0。
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??? 坐標(biāo)系O0X0Y0Z0的原點O0在A點,O1X1Y1Z1的原點O1也在A點,O2X2Y2Z2的原點O2在B點,O3X3Y3Z3的原點O3在C點,O4X4Y4Z4的原點O4在D點。根據(jù)坐標(biāo)系建立規(guī)則可得各坐標(biāo)系參數(shù)如表1所示。?
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??? 由式(1)可得:?
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??? 可進一步求出第i個坐標(biāo)系相對于基坐標(biāo)系的齊次變換矩陣
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??? 矩陣
為挖掘機鏟斗末端相對于基坐標(biāo)系的齊次變換矩陣。
態(tài),
且
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??? 將式(2)、(3)、(4)、(5)代入式(7),可得:?
??? pz=-L3S234-L2S23-L1S2?????????????????????????????????????????????? (8)?
其中,S234=sin(θ2+θ3+θ4),S23=sin(θ2+θ3),S2=sinθ2?
??? pz即為鏟斗末端在基坐標(biāo)系中Z0軸上的坐標(biāo)量。深度測量以挖掘機輪胎或履帶接地平面M0為參考平面,若動臂和上車架鉸點與接地平面之間的距離為L0,可得挖掘深度測量數(shù)學(xué)模型為:?
??? H0=L0+pz=L0-L3S234-L2S23-L1S2????????????????????????????????????? (9)?
??? 從式(9)可看出,除了挖掘機結(jié)構(gòu)參數(shù)L0、L1、L2、L3等常數(shù)以外,挖掘深度只與3個角度有關(guān)。?
2 硬件設(shè)計?
??? 挖掘機自動測深儀的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,由以下幾個部分組成:轉(zhuǎn)角傳感器、A/D轉(zhuǎn)換接口、MCS51主機板、數(shù)碼顯示接口、鍵盤接口、電源等。?
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??? 轉(zhuǎn)角傳感器:用于測量動臂與車體(θ2)、斗桿與動臂(θ3)、鏟斗與斗桿(θ4)等之間的夾角,輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號,輸送到A/D轉(zhuǎn)換接口。?
??? A/D轉(zhuǎn)換接口:由I/V變換電路、高精度參考電源、A/D轉(zhuǎn)換電路及其相應(yīng)接口電路組成。功能是將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓,并由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,經(jīng)接口電路輸入到主機板。?
??? MCS51主機板:是硬件系統(tǒng)的核心,主要由單片機AT89C52、E2PROM存儲器2864A、日歷時鐘12887及I/O接口電路組成。軟件固化在單片機AT89C52中,是系統(tǒng)運行的控制中心。?
??? 數(shù)碼顯示接口:由數(shù)碼管和驅(qū)動電路組成。在工作模式時,顯示深度測量值;在校驗?zāi)Ｊ綍r,顯示各轉(zhuǎn)角傳感器測量值;在輸入模式時,顯示各組件結(jié)構(gòu)尺寸值;在日歷模式時,顯示/修改日期或時間。?
??? 鍵盤接口:定制的薄膜鍵盤,由數(shù)字鍵盤(0～9)和功能鍵盤(包括模式轉(zhuǎn)換鍵、確認(rèn)鍵、返回鍵等)組成,用于模式轉(zhuǎn)換操作及其參數(shù)輸入等。?
??? 電源:供電電源直接使用挖掘機蓄電池組,穩(wěn)壓電源采用開關(guān)型DC/DC電源。?
3 軟件設(shè)計?
??? 設(shè)計自動測深儀軟件時,為達到通用性、靈活性和實用性,設(shè)置了四種模式:工作模式、校驗?zāi)Ｊ?、輸入模式和日歷模式,軟件流程如圖3所示。?
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??? 工作模式是挖掘深度自動測量模式,包括轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、深度計算、越限報警及深度顯示等;校驗?zāi)Ｊ接糜诎惭b調(diào)試時各轉(zhuǎn)角傳感器零點與滿量程的校準(zhǔn);輸入模式因挖掘機型號不同、部件尺寸不同,用于輸入或修改組件結(jié)構(gòu)尺寸值;日歷模式用于輸入或修改日歷與時間。?
??? 軟件由MCS51匯編語言編寫,按自下而上、模塊化設(shè)計思想開發(fā)了如下模塊:初始化、數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換、深度計算、越限判斷、顯示、鍵盤管理、主程序等。為了提高精度,采用三字節(jié)浮點數(shù)運算。?
??? 挖掘機自動測深儀的研制成功,解決了挖掘深度自動測量難的問題,尤其在復(fù)雜作業(yè)場合,如水下、危險環(huán)境等,更體現(xiàn)出了其優(yōu)越性能。在挖掘深度不大于1m時,其絕對誤差不大于0.05m;挖掘深度大于1m時,其相對誤差不大于1%。?
??? 自動測深儀在設(shè)計時,采取了抗電磁干擾、抗振動、防水、耐高低溫等措施,大大提高了儀器的穩(wěn)定性和可靠性以及環(huán)境適應(yīng)性。?
??? 自動測深儀操作簡單、安裝調(diào)試容易、維護十分方便,推廣應(yīng)用效益顯著。?
參考文獻?
1 潘松峰,張鐵柱,藺德軍.挖掘機自動測深模型.青島大學(xué)學(xué)報,1996(3):40～43?
2 Lee C.S.G. Robot Arm Kinematics.DynamicsandControl.Computer,1982(12):62～80