破拆機器人液壓控制系統(tǒng)設計

根據目前混凝土破碎工程設備的發(fā)展狀況來看，目前國外的混凝土破碎設備都采用的是液壓驅動技術[74]。與傳統(tǒng)的具有成熟技術的電力驅動相比，液壓驅動具有調速范圍大，較大的功率質量比，抗過載能力強，等諸多優(yōu)點；同時采用液壓作為動力源的工程設備，其動力來源具有多種形式，如發(fā)動機，電機，以及其他形式的動力來源。作為在戶外工作的工程設備，采用液壓驅動具有更好的機動性能。對于少部分采用氣壓驅動技術的工程設備，如氣錘等破拆機械，只是采用了壓縮空氣作為傳動介質來驅動設備進行工作，而壓縮空氣主要特點是質量輕，來源廣泛，可壓縮性強，粘度系數低對溫度變化不明顯，同時對環(huán)境無污染[75,76]。采用壓縮氣體進行驅動的設備主要特點是系統(tǒng)響應速度快，反應靈敏，操控性能高。但是，由于空氣的可壓縮性，負載對系統(tǒng)的傳動性能影響較大，其控制精度無法得到保證[77]；同時氣壓傳動的系統(tǒng)工作壓力一般小于 0.8MPa，因此，采用氣壓驅動技術的設備在系統(tǒng)驅動功率方面也有一定的限制，基于電力驅動、液壓驅動以及氣壓驅動技術的適用性，對于經常處在戶外作業(yè)的混凝土破拆機器人，應優(yōu)先使用液壓驅動技術[78]。

 現代液壓系統(tǒng)設計方法是在實踐的基礎上進行深入研究，逐漸形成的規(guī)范的設計方法。通過結合的設計經驗，概括國內的中小型液壓系統(tǒng)的設計流程，一般液壓系統(tǒng)的設計是在滿足特定的工作性能、可靠性以及穩(wěn)定性等要求的前提下，所設計的液壓系統(tǒng)要滿足結構簡單，成本較低，工作效率高，使用和維護方便，人機友好性高，使用壽命長以及可擴展等多項條件。然而液壓系統(tǒng)的設計流程并沒有固定的順序，不同設計步驟之間需要來回進行修改和完善，這樣才能設計出性能完善，狀態(tài)良好的液壓系統(tǒng)[79]。

  超高壓水射流破拆機器人采用柴油發(fā)動機作為動力來源，驅動液壓泵為系統(tǒng)提供液壓力。其中包括兩個行走液壓馬達、機械臂架旋轉馬達、臂架移動液壓缸、支架回轉馬達、支架翻轉液壓缸、托盤移動液壓馬達、噴槍夾頭擺動馬達以及噴槍擺動馬達。不同的驅動部件工作方式以及驅動壓力不同，根據破拆機器人工作需要對部分重要部件進行詳細設計。根據機械臂架結構以及其采用的驅動部件的執(zhí)行方式，選擇噴槍擺動馬達、托盤移動液壓馬達、以及支架翻轉液壓剛作為三個典型部件進行分析計算，其他驅動部件設計方法類似。

 同機械部件的結構設計一樣，液壓系統(tǒng)的設計一般包括以下步驟[80]：

 1）確定系統(tǒng)設計要求；

 2）確定主要設計參數，如工作壓力，系統(tǒng)總功率等；

 3）系統(tǒng)方案設計及論證，初步擬定系統(tǒng)原理圖；

 4）選擇液壓元器件，如：液壓馬達，換向閥等；

 5）系統(tǒng)性能分析，包括壓力損失、溫升及效率驗算；

 6）完善液壓系統(tǒng)圖，設計液壓裝置，編寫操作說明書等技術文件。

 超高壓水射流破拆機器人的各個運動動作采用液壓進行驅動，包括底盤的移動，機械臂的旋轉、伸展，以及噴槍的破拆移動等多個動作。其中底盤采用液壓馬達進行驅動，履帶式結構，行走平穩(wěn)，越野能力強。機械臂是破拆機器人的手臂，其動作的穩(wěn)定性以及方向靈活性是進行破拆作業(yè)的關鍵所在，對于不同的關節(jié)采用不同的液壓執(zhí)行原件進行驅動。由于破拆機器人主要作業(yè)對象為需要拆除以及修復的混凝土建筑物，而這些不同的建筑物具有不用的建造方式，建造結構以及內部材料并不相通，需要破拆平面、大小、深度均也不盡相同。如混凝土路面處于水平面，橋梁橋墩為豎直平面，而隧道涵洞等建筑物表面為曲面。超高壓水射流破拆機器人需要滿足對于不同建筑物破拆需求，這就要求其執(zhí)行機構具有多個自由度，能夠對不同的作業(yè)對象進行適當的調整，以期達到的實時作業(yè)效率。為使破拆機器人的液壓系統(tǒng)設計更為簡便，通過對破拆機器人運動部件進行分析，液壓系統(tǒng)設計根據功能可以拆分為兩個部分：底盤驅動和機械臂架。而兩者由于工作作用的不同其液壓回路的設計要求也不同。

 （1）底盤驅動設計要求

 底盤的移動準確性和穩(wěn)定性是破拆機器人進行精確破拆的重要保證，液壓驅動的破拆機器人底盤需要能夠進行前進、后退、左右轉彎等一般移動機械所具備的主要功能，其工作時需要保證運動平穩(wěn)性以及其速度的可控性，不會因為系統(tǒng)液壓控制閥死區(qū)的存在而具有控制的滯后性。根據破拆機器人結構圖以及相關運動參數可知，底盤驅動系統(tǒng)采用兩個液壓馬達進行驅動，破拆機器人的移動速度需控制在 0.1~1.4m/s，底盤負載 0.5t。

 （2）機械臂架設計要求

 破拆機器人的機械臂架是機器人的執(zhí)行機構，通過各個部件的聯合動作來達到預定的位置，實現對混凝土的破拆工作。對破拆機器人樣機進行結構設計時已經確定了各個部件的運動參數，在對其進行液壓驅動設計時需按照這些運動參數進行設計。部件的運動參數匯總如表 3-1。

破拆機器人采用履帶底盤作為工作平臺，而履帶底盤的驅動又涉及到多方面的因素。根據對相關驅動形式的研究發(fā)現，對底盤驅動機構進行設計時主要應考慮系統(tǒng)的驅動力、驅動速度和制動力這三個基本要素。采用液壓驅動的履帶底盤，這三個具體參數也是選擇液壓馬達的主要考查依據。驅動功率一定程度上決定馬達的排量，驅動速度又決定著馬達的轉速，底盤結構以及負載重量又間接制約了馬達的驅動力矩。所以對底盤驅動的設計應主要從這三個參數入手。

 驅動力一般指馬達的輸出扭矩，在額定情況下馬達的驅動力必須能夠滿足系統(tǒng)的動作要求，同時設計時還需要具有一定的盈余量，保證破拆機器人在具有一定運動過載時，仍短時間內仍能正常工作。對于移動時底盤還需要考慮到多種運動工況，由于行駛環(huán)境的不同，液壓系統(tǒng)所具有的負載也不盡相同。一般情況下，移動底盤的驅動采用通過模擬爬坡角度進行驅動驅動力的計算。由于所需驅動力的大小與很多因素有關，例如，底盤類型，路面的情況，重心的位置等等。根據對本課題機器人的工作環(huán)境要求，以及相關的設計參考，對底盤的驅動力進行設計計算時，對邊界條件作出以下假設：破拆機器人機械臂連同驅動底盤等同為一個質量塊；重心位置不會導致運動過程中機器人的傾覆；路面選用一般的混凝土路面；滾阻系數取 0.02，設計時速5km h。對驅動功率進行計算時，考慮破拆機器人在斜坡上的行駛狀況，進行受力分析。

噴槍擺動馬達能夠帶動噴槍在破拆入射角方位內進行擺動，不僅可以提高對混凝土的破碎效率，而且能夠打擊更大的范圍，是破拆執(zhí)行機構的一個重要的運動部件。然而其擺動的速度高以及噴槍噴射時會受到水射流的反作用力，這些特點對機械臂架的安全以及可靠性具有較大的影響，在設計時需要對其重點考慮。

 由于不同的混凝土建筑物所采用不同的混凝土型號不同，因而其具有的內部性能也不一致，這就需要破拆機器人在針對不同的混凝土破碎時，采用不同的破碎速度。噴槍的擺動頻率可以作為破碎速度的一個特征量。噴槍擺動頻率由擺動馬達進行控制，對液壓馬達進行轉速的控制即可對噴槍擺動頻率進行控制。