基于PC210LCi-10/PC200i-10控制的矿用挖掘机系统设计

刘 杨

（抚顺职业技术学院，辽宁 抚顺 113122）

利用GNSS测量技术的工程机械通过取消人工操作修整标桩，大大减小了操作者的工作。对于诸如推土机和自动平地机之类的进行最终平整土地为主的机械设备，进行控制以使作业设备沿着设计面自动移动。机器控制（以下称为MC）的系统已经商业化。近年来，除了一系列推土机外，它还扩展了作业设备自动控制的应用范围，并赢得了良好的声誉。然而，就矿用挖掘机而言，控制功能仅限于机器引导（MG）功能，因此操作员应在观看指导监视器的同时，根据指导在矿山开采区地上进行工作而无需完成修整标桩。因此，最终的施工精度不再严重依赖操作员的技能。

本文创新的开发了一种矿用挖掘机，将小松集团具有独特液压控制技术的组件与GNSS测量技术相结合。该种控制方式通过集成在机体中的各种组件，实现了从粗挖到精挖的作业的自动控制，并提高了施工效率，而且带有自动停止控制功能可以使机器停止工作。

1 矿用挖掘机的电子设备及作用

1.1 GNSS测量仪器

在常规的具有机器引导功能液压挖掘机中，将GNSS天线竖直安装重安装在配重上。在本机器中，将其安装在驾驶室后部的扶手上，从而降低了由于与树木接触而造成的损坏风险，并提高了安装/拆卸过程中的安全性。

1.2 行程感应缸

为了高精度地控制作业设备，需要精确地检测作业设备的位置和速度。本机采用小松集团制造的行程传感器，用于工作设备的液压缸（动臂缸，斗杆缸和铲斗缸）。这些传感器可以精确地检测每个气缸的行程（长度）和速度，用于工作设备控制和工作设备位置的计算。通过气缸杆的伸长和收缩，并结合纠正由于辊筒滑动而产生的误差功能，行程感应缸可以通过旋转滚轴来检测冲程。与使用倾斜仪检测工作设备状态的其他产品相比，该传感器具有出色的动态响应能力，并且不会引起边缘晃动。

1.3 惯性测量单元

为了计算精确的工作设备状态，需要检测机体的倾斜角。在机体框架上安装惯性测量单元(IMU)，可以高精度检测机体姿态角，即使在斜坡上工作也可以实现对工作设备的精密控制。

操作人员的操作信号被传输到液压控制阀，通过液压先导阀控制油缸的动作，操作感觉与基础机的操作相同。与基础机不同的是，先导阀和控制阀之间有电气压力控制阀(EPC)，用于对工作设备进行电控先导压力控制。每个控制阀都安装有一个传感器。传感器精确地检测阀芯的位置，从而确定流量，从而提高控制性能。

1.4 电控工作设备阀门

操作员对操纵杆操作将通过液压先导阀传递到控制液压缸动作的液压控制阀，并保持与主机相同的操作体验。与主机的不同之处在于，在先导阀和控制阀之间设置了动压力控制阀（EPC）（图1），以电子方式控制先导压力，以进行工作设备控制。每个控制阀均安装有传感器。传感器精确检测阀芯的位置，确定流量以改善控制性能。

图1 电子控制器

1.5 电子控制器

将每个部件的电信号连接到控制器，控制器输出控制工作设备的命令。该控制器使用的硬件是经过现场验证的大型工程机械，它通过通信网络与其他控制器连接，以从其他控制器获取必要的信息。

1.6 大屏幕控制箱

虽然显示设计图纸信息、执行所需的边缘位置、距离和机器状况的显示器一般以6英寸～7英寸为主要尺寸，但考虑到界面直观性和使用功能，这里安装了大尺寸12.1英寸触摸屏式显示器(图2)。在使用工作灯时，还包括启动/终止、机器按键开/关和LCD屏幕自动调光等功能。

图2 大屏幕控制箱

设计了3D俯视显示和显示文字的位置以便于查看，并配备了便于理解的灯条和声音引导功能，提供了方便使用的功能键和各种定制功能。因此，不仅操作符的可视性得到了提高，而且作为界面的功能也得到了改进。该监视器安装有一个球接头，无论操作者的座位位置如何，都可以调节到可以保证可试性的位置。

2 工作设备控制与智能

在传统的机器导引液压挖掘机中，操作员在检查设计面和屏幕上显示的边缘之间的位置关系时手动操作。在此机器中，由于工作设备的控制，操作人员可以进行操作而不必担心挖入设计平面，这是这台机器的最大特点。

对于操作本身，当使用机器导引矿用掘机进行挖掘时，如吊杆、铲斗挖掘或翻斗边缘到达设计面，工作设备自动停止(自动停止控制)。在机械臂操作中,如果控制器判断出挖到设计图面基于工作设备和设计面之间的位置关系,快速抬起的命令会自动控制输出和工作设备,以便沿着边缘设计表面(自动分级协助)，这台挖掘机的工作设备控制的特点介绍如下。

2.1 自动停机控制

控制器不断计算设计面与边缘的距离、边缘速度和方向。根据检测到的驾驶员操作引起的先导压力计算出边缘速度，并计算出允许速度与到设计面距离的关系。当判断有必要进行控制干预时，将目标转速几何化转换为各缸的目标转速，并通过改变EPC阀的电流来控制气缸先导压力，将边缘转速降低到允许转速。最后它在设计面边缘上停止。在开始挖掘或用于测量时，边与设计面对齐时，自动停止控制是一种非常有效的功能。

2.2 自动分级辅助

与自动停机控制一样，如果控制器根据设计面与边的距离、边的速度和方向判断挖掘边将通过操作臂进入设计面，会自动输出吊杆抬升指令，并激活控制干预，使边缘沿设计面移动，同时降低手臂移动的速度。自动分级辅助会根据设计面控制区进行自动停止控制(示例)沿设计面方向的边缘速度，从检测到的操作量计算。PC210LCi-10/PC200i-10机控液压挖掘机的包括对执行精度要求不高的粗挖作业和爬行速度要求精度的作业。

2.3 其它

矿用挖掘机根据执行内容将其铲斗更换为合适的铲斗。当使用具有倾斜操作能力的铲斗时，只需在铲斗上增加倾斜传感器即可实现机器控制。尽管铲斗的重量取决于安装的铲斗，但通过改变机体监视器上的铲斗重量设置，可以确保从重的铲斗到轻的铲斗的控制精度。机器控制功能可以轻松切换到机器导引功能，进行单按钮操作。

3 机械控制的效果分析

与传统的精加工桩和MG液压挖掘机相比，上述工作设备控制和大屏幕上的信息将内部标准化模型工作时间缩短了约20%～63%。本实验进行了从挖掘面到设计面到的一系列执行操作，根据工作时间视工作内容和条件不同，工作时间都有效缩短。

4 结论

本文介绍了矿用挖掘机的PC210LCi-10,PC200i-10”集成，智能和创新的特点。该挖掘机机械控制的功能和技术将降低操作人员的疲劳程度，使有经验的操作人员能够更有效地进行工作，并减少经验丰富的操作人员与没有经验的操作人员之间的技能差异。有效提升矿山开采效率。