余 峰，陳新元，李 勇，張俊峰，楊海清

(1.武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院，湖北武漢 430081；2.山推楚天工程機械有限公司，湖北武漢 430200)

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泵車布料軟管姿態(tài)檢測傳感器研制

余 峰1，陳新元1，李 勇2，張俊峰2，楊海清2

(1.武漢科技大學(xué)機械自動化學(xué)院，湖北武漢 430081；2.山推楚天工程機械有限公司，湖北武漢 430200)

泵車臂架隨動控制需要檢測布料軟管的方位角，控制器根據(jù)檢測數(shù)據(jù)識別操作工人期望的布料方位，自動協(xié)調(diào)控制驅(qū)動液壓缸，實現(xiàn)臂架隨動跟蹤功能。布料軟管工作環(huán)境惡劣，低頻振動干擾嚴(yán)重，針對其實際工況，設(shè)計了一種應(yīng)變式的姿態(tài)檢測傳感器，簡述了傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，加工傳感器原理樣機，搭建實驗系統(tǒng)，進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)檢測實驗。結(jié)果表明該傳感器的方位角檢測誤差為0.56%，響應(yīng)時間為15 ms，滿足混凝土澆筑時操作工人通過拖拽布料軟管來傳遞期望布料方位的檢測需求。

傳感器；混凝土泵車；臂架智能控制；布料軟管；姿態(tài)檢測

0 引言

隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，為了適應(yīng)激烈的市場競爭，混凝土泵車正朝著智能化方向發(fā)展，臂架隨動控制是焦點之一[1-2]。臂架智能隨動控制，是在布料軟管上安裝姿態(tài)檢測傳感器(圖1所示)，實時檢測布料軟管的方位角，控制器根據(jù)檢測數(shù)據(jù)識別操作工人期望的布料方位，自動協(xié)調(diào)控制驅(qū)動液壓缸，實現(xiàn)臂架隨動跟蹤功能的一種便捷澆筑施工模式。泵車臂架在工作過程中會產(chǎn)生低頻振動，頻率約為0.3～0.5 Hz[3-4]，與操作工人拖拽布料軟管的操作頻率混雜。文獻(xiàn)[5]的研究中也遇到類似頻率混雜工況，選用美國Jewel公司LCF196二軸重力加速度傳感器測鉆柱姿態(tài)，研究表明這類傳感器靈敏度高，對微小的干擾振動信號非常敏感，單純采用濾波技術(shù)，難以分離低頻干擾信號；其次該類傳感器價格昂貴，對智能臂架布料軟管姿態(tài)檢測這種較低精度工況，性價比差。本文針對泵車臂架布料軟管的特殊工況，設(shè)計了一種低成本姿態(tài)檢測傳感器。

圖1 泵車臂架隨動控制

1 姿態(tài)檢測傳感器的結(jié)構(gòu)

姿態(tài)檢測傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由固定環(huán)、彈性片、應(yīng)變片、接觸球等組成。固定環(huán)由2個對開半環(huán)組成，起基座作用，用于固定傳感器的其它組件，并將傳感器安裝在布料軟管上；彈性片是傳感器的敏感元件，共有3片，在固定環(huán)圓周呈120°均勻分布；彈性片的內(nèi)側(cè)和外側(cè)各粘貼一塊應(yīng)變片，用于檢測彈性片的變形量；接觸球能減小工作時彈性片與布料軟管壁之間相對滑移產(chǎn)生的摩擦力，抑制干擾，改善測量效果。

圖2 姿態(tài)檢測傳感器結(jié)構(gòu)

2 姿態(tài)檢測原理

姿態(tài)檢測傳感器安裝于布料軟管指定位置。無外力作用時，布料軟管呈豎直狀態(tài)，傳感器內(nèi)的3個彈性片受力狀態(tài)相同，矢量合成后合力為0，軟管方位角也為0；當(dāng)操作工人拖拽布料軟管時，布料軟管沿外力方向產(chǎn)生一定的彎曲量，通過3個接觸球?qū)ο鄳?yīng)的彈性片產(chǎn)生不同的作用力，彈性片受力產(chǎn)生變形，粘貼其上的應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，通過信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集，可獲取3組應(yīng)變信號，再根據(jù)傳感器的檢測原理進(jìn)行合成計算，即可得到表明布料軟管姿態(tài)的方位角。

由于對姿態(tài)檢測傳感器的3個彈性片施加有初始預(yù)緊力，傳感器工作過程中，彈性片下端的接觸球與布料軟管外壁始終保持緊密相切接觸，布料軟管對彈性片作用力的方向始終沿布料軟管徑向，作用點為接觸切點。將3個切點組成的平面作為測量平面，在測量平面上建立平面直角坐標(biāo)系，規(guī)定方位角坐標(biāo)系與該坐標(biāo)系的x軸和y軸平行，如圖3所示。3個彈性片的安裝方位分別對應(yīng)相對方位角的0°、120°、240°。F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3為布料軟管彎曲變形對3個彈性片接觸球的附加作用力，對3個力進(jìn)行平面矢量合成運算：

(1)

α′=arctan(Fy/Fx)

(2)

式(2)中α為合力F在直角坐標(biāo)系第一象限時與x軸的夾角。

(3)

式(3)為Fx和Fy取不同值時，方位角α與α′的取值關(guān)系。

根據(jù)以上測量原理，通過測量布料軟管對3個彈性片的壓力，進(jìn)而對3個力矢量合成就可求出方位角。

圖3 方位角測量原理

3 彈性片應(yīng)力分析與檢測

3.1 彈性片應(yīng)力分析

彈性片是姿態(tài)檢測傳感器的敏感元件，一端固定，另一端通過接觸球受布料軟管擠壓力作用，如圖2所示。在姿態(tài)傳感器實際工作中，布料軟管彎曲變形時對彈性片接觸球的擠壓力F可分解成垂直于彈性片的正壓力FN和垂直于正壓力FN的切向力FT。設(shè)F作用點距離固定端為l，根據(jù)彈性片材料的線性疊加性，在距離固定端為m處的應(yīng)力，由文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]可知：

(4)

式中：E為彈性片的彈性模量；WN為彈性片的正向抗彎彈性模量；WT為彈性片的切向抗彎彈性模量；εN為彈性片在測量截面處的正向應(yīng)變；εT為彈性片在測量截面處的切向應(yīng)變。

實際上由于產(chǎn)生切向應(yīng)變εT的切向力FT不僅包含有布料軟管對彈性片擠壓力的分量，同時也包含彈性片與布料軟管相對移動時的摩擦力，產(chǎn)生的正應(yīng)變εN只有布料軟管對彈性片的擠壓力F的分量FN。在方位角測量原理中需要測量布料軟管對彈性片的壓力正是FN，因而在測量時通過貼片組橋的方式測得布料軟管對彈性片的壓力FN。

3.2 彈性片應(yīng)力檢測

在測量彈性片應(yīng)力時，為了消除摩擦力對測量結(jié)果的影響，根據(jù)惠斯通電橋和差特性，選用半橋式電路進(jìn)行連接，將2片工作應(yīng)變片RD粘貼在彈性片前后兩側(cè)的對稱位置，這樣粘貼同時還有溫度自補償功能[8-9]。圖4所示為其中1個彈性片應(yīng)變測量電路簡圖。

圖4 一個彈性片應(yīng)變測量電路

圖4中工作應(yīng)變片RD和電橋平衡電阻RF組成半橋電路，儀用放大器AD620對電橋輸出信號放大，設(shè)放大倍數(shù)為A(增益大小可由外接電阻RF調(diào)節(jié)，范圍為1～1 000)。由于應(yīng)變片電阻RD和平衡電阻RF不能絕對相等，因此用電位器RP調(diào)節(jié)電橋平衡零點。當(dāng)橋路電阻與R2相等時，放大器A1為電橋提供恒定驅(qū)動電流，此時電橋輸入電壓為：

U=VCCR2/(R1+R2)

(5)

當(dāng)彈性片受力變形時，設(shè)前后兩側(cè)的工作應(yīng)變片阻值RD在正壓力作用下的變化量為ΔRDN和ΔR′DN，在切向力作用下的變化量為ΔRDT和ΔR′DT，通過溫度補償后電橋輸出電壓為

(6)

式中：

則有

UO=ΔRU/2R=KεU/2

(7)

式中：K為電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)；ε為應(yīng)變值。

由式(4)～式(7)可得

(8)

(9)

式(5)～式(9)表明，利用電橋的和差特性，通過恰當(dāng)?shù)馁N片組橋就可以消除切向力對測量結(jié)果的影響，并由式(9)給出了彈性片受力FN與輸出電壓VOUT之間的比例系數(shù)λ。

4 實驗驗證與效果分析

搭建了如圖5所示的實驗裝置，加工了應(yīng)變式姿態(tài)檢測傳感器樣機，進(jìn)行實驗驗證。

圖5 姿態(tài)檢測傳感器測試實驗裝置

布料軟管上端固定于振動支架，振動試驗臺可以模擬布料軟管在實際工作中產(chǎn)生的低頻振蕩。采用NI DAQPAD 6015數(shù)據(jù)采集卡采集姿態(tài)傳感器彈性片上粘貼的工作應(yīng)變片的應(yīng)變信號，用LabVIEW軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，其中試驗用彈性片的尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 試驗彈性片結(jié)構(gòu)參數(shù)

靜態(tài)實驗驗證方位角的測量：先確定方位角零度，然后以恒定的速度緩慢拖動布料軟管末端，將方位角從0°逐漸改變到360°，試驗中每隔1 s讀取1次測量數(shù)據(jù)，共讀取25次數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖6所示。動態(tài)響應(yīng)驗證測試時，選取階躍響應(yīng)方式，方位角的初始角度為80°，終值為290°的階躍輸入信號；通過測試系統(tǒng)分別采集響應(yīng)輸出曲線，方位角α的階躍響應(yīng)如圖7所示。

圖6 方位角靜態(tài)測量結(jié)果

圖7 方位角階躍響應(yīng)

將實測數(shù)據(jù)與給定值進(jìn)行比較，圖6中實測靜態(tài)方位角最大誤差為0.56%F.S.。在靜態(tài)測量中實測結(jié)果與給定值存在一定誤差，主要是由于彈性片加工精度、安裝位置誤差以及應(yīng)變片粘貼方式等因素所致。

從圖7所示實測方位角的階躍響應(yīng)曲線可以看出：方位角響應(yīng)時間為15 ms，滿足泵車臂架布料軟管方位角動態(tài)測量要求。

5 結(jié)束語

本文針對混凝土泵車臂架末端布料軟管姿態(tài)檢測的特殊工況和要求，提出了采用基于應(yīng)變原理的姿態(tài)檢測傳感器來檢測泵車布料軟管方位角的方法，介紹了傳感器原理結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了靜動態(tài)實驗驗證。結(jié)果表明在誤差允許的范圍內(nèi)，該方法能有效的檢測到布料軟管的方位角，從而為泵車臂架的智能控制提供一種高性價比的姿態(tài)檢測傳感器。

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Design of Hose Attitude Detection Sensor for Concrete Pump Truck

YU Feng1,CHEN Xin-yuan1,LI Yong2,ZHANG Jun-feng2,YANG Hai-qing2

(1.College of Machinery and Automation,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China;2.Shantui Chutian Construction Machinery Co.,Ltd.,Wuhan 430200,China )

The pump truck boom servo control system needs to detect the azimuth angle of hose.According to the inspection data,the controller can recognize the operator’s expected hose position,and can automatically control the drive hydraulic cylinder to achieve the boom tracking function.However,the working environment of the hose is poor and it suffers serious low frequency vibration interference.To overcome these problems,a kind of movement detection of strain sensor was proposed according to the actual working condition.Basic constructs and working principles were introduced.After processing the prototype sensor and building experiment system,the static and dynamic detection experiments were tested.The results show that the errors for azimuth angle detection are 0.56%,and the response time for azimuth angle detection is 15ms.These errors and response time meet the concrete pouring operation detection requirements by dragging the hose to transfer the anticipation of hose angle.

sensor;concrete pump truck;boom intelligent control;hose;attitude detection

武漢市關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)計劃資助項目(2014010202010090)

2015-04-14 收修改稿日期：2015-08-20

TH712

A

1002-1841(2015)12-0001-03

余峰(1989—),碩士研究生，研究方向為泵車臂架智能控制與減振。 E-mail：yiufeng@163.com

陳新元(1972—),博士，教授，研究方向為工業(yè)測控技術(shù)及儀器、機-電-液一體化系統(tǒng)設(shè)計、智能控制。 E-mail：chenxinyuan@wust.edu.cn