复杂多向耦合液压机械臂电气化优化设计

复杂多向耦合液压机械臂电气化优化设计

王兴伟,段景坡,于志江

青岛荏原环境设备有限公司   山东 青岛    266000

摘要：随着科技的迅速发展，工业制造和运输采用的机械设备越来越具备自动化、电气化以及智能化，在面对越来越高负荷、高精度以及高效率的制造标准，液压机械臂发挥着重要的作用，其能够快速响应超高负荷的抓取任务，高效的实现机械操作。液压机械臂是一种高精度化控制的综合机械设备，在越来越复杂的工业化作业工况下，需要液压机械臂具备完善的多样化自动化功能，针对液压机械臂控制系统的电气化缺陷，在液压机械臂运动学基础上，进一步构建其控制系统的电气化拓扑结构，对电液耦合协调驱动、电气系统故障诊断以及运动控制进行优化设计，最后利用DOE实验设计方法进行验证，通过实验结果可以说明采用的电气化优化设计方法能够满足液压机械臂的电气化目标。

关键词：液压机械臂;工况;自动化;拓扑结构;故障诊断;

液压机械臂不是一个单纯的液压机械设备，其本质是一个多节点耦合的闭环非线性控制系统，具有自身的驱动控制部件、电液伺服系统以及智能化轨迹跟踪系统，但是随着工业化的逐步深入，精密制造和智能制造的高标准要求使得简单的液压机械臂不能够快速的响应复杂工业场景的要求，对液压机械臂的电气化程度要求不断提高。

为了实现复杂工业场景下液压机械臂的电气化和智能化，国内外的专家学者都进行了非常多的探讨和研究，其中，一种新的方法来估计液压驱动刚体机械手最后一个连杆上的有效载荷(包括质量)的动态参数，利用基本动力学参数的线性，将运动方程表示为线性回归模型，利用最小二乘法进行有效载荷的最优估计；针对多关节液压机械臂开环控制精度低的问题，设计了基于51单片机控制的液压机械臂闭环控制系统，设计相应的图形控制界面来实现液压机械臂的通讯控制，从而减小运动误差；以串联式焊接机械臂为研究对象，设计了串联式机械臂柔顺性控制算法，内环采用前馈PID位置控制算法，外环采用常规定阻抗算法来优化串联式机械臂末端接触力突变的问题。上述研究方法在算法上对液压机械臂进行了优化设计，针对液压机械臂的总体电气化没有构建全套的电气系统，拓扑结构较为单一化，为了弥补液压机械臂的电气化缺点，保证其工作的稳定性和便捷性，本文在液压机械臂运动学基础上，重构其电气化拓扑结构，分别对电液联合驱动、电气系统故障诊断以及运动控制进行了优化设计，利用DOE实验设计方法验证设计方法的合理性和可靠性。

1 液压机械臂运动学模型

多节点耦合的多向运动的液压机械臂主要由关节、手抓、臂杆和支撑座构成，本文采用改进比例因子的投影法和位移极限优化法来构建液压机械臂的运动学模型。

改进比例因子梯度投影法能够避免性能函数的反复计算，而加入避关节位移极限优化能够快速的求解液压机械臂的逆运动学求解。

2 电气化拓扑结构

液压机械臂的电气化优化需要有较为完善的电气拓扑结构，电气拓扑结构包含了液压机械臂电气化的模块、通讯方式、标定接口以及故障诊断，其中液压机械臂的电气拓扑结构由人机交互模块、通讯模块、参数设置、内外部标定接口、主控制中心模块、电液驱动模块、运动控制模块以及故障诊断模块。人机交互模块是实现液压机械臂动作自动化执行的重要模块，通过通讯模块可以发送用户的相关指令控制给各个模块，通过界面的参数设置可以实现自定义设置液压机械臂的运动速度、调节角度、基准线等重要参数；通讯方式采用工业CAN总线通讯,提升各个节点的信息交互速率；提供了内外部标定接口，可以通过标定接口对控制模块内部的运行参数进行在线标定；控制中心负责整个液压机械臂的任务调度和周期性管理，是液压机械臂的中央控制器；电液驱动模块负责协调处理电机驱动、液压泵驱动的模式最优选择；运动控制模块负责液压机械臂的运动控制、轨迹跟踪，实现运动的稳定性控制；故障诊断模块通过输入信号的故障检测，分别对控制中心、电液驱动模块、运动控制模块进行电路诊断、系统功能性诊断以及信号合理性诊断，与此同时，通过设定故障等级来执行相应的故障响应。

针对液压机械臂的电气化拓扑结构，设计一套完整的电气化平台，需要对整个控制系统进行影响分析，尤其是部件间的通讯联动、控制单元的资源消耗以及故障诊断的精确性，通过制定H⇔Q规则来进行影响分析，当资源消耗超出控制单元的承载能力时，需要下调响应的节点占比，调整H值的阈值空间，其余的影响分析同样在H⇔Q规则中进行优化.

3 液压机械臂电气化优化设计

液压机械臂的电气化主要集中在电液联合驱动系统、运动稳定性控制、故障诊断模块上，由于不再是单一的液压泵驱动，需要加入电机驱动方式，需要对其驱动模式进行最优化选择，电气设计中加入电液驱动模块，设计选择器来优选最佳的驱动模式，同时输出驱动指令，经过中央控制单元来驱动电机或液压泵，完成液压机械臂的水平运动和垂直抓取等任务。

运动控制是液压机械臂的核心，液压机械臂的运动控制得益于控制算法的合理性和电气化水平，通常采用加载传感器组件，优化采集的角速度、位移、力矩等信号，可以采用滤波算法，与此同时，在电气化平台中加装信号校验传感器对相应的信号进行双向合理性校验，随后将信号输入到运动控制逻辑和算法中进行位置的最优化控制，当检测到运动误差超出了期望，将进行误差的校正，回转到逻辑算法中再次进行运动控制的优化，最终实现液压油机械臂的运动控制。

故障诊断系统是一种通过检测输入信号是否发生异常导致系统出现功能失效或失稳的控制系统，液压机械臂是一个机电液多向耦合的控制系统，需要设计完整的故障诊断系统来检测各个节点是否出现故障，当出现故障时通过读取故障码或观测故障指示灯来进行相应的故障响应，下图详细说明了在初始阶段检测故障诊断使能条件，当输入信号检测到瞬时故障，经过一个故障确认过程后，确认故障，在经过检测，瞬时故障消失，故障会自行恢复。

4 DOE实验验证

DOE(Design of Experiment)试验设计方法是一种数据分析、影响分析以及试验并行的集合测试方法,可以通过设计多向输入多向输出的的测试用例，对耦合性较强的液压机械臂节点测试，可以通过单输入对应多输出简化测试流程。

在传统的液压驱动控制中，由于没有电机驱动的介入，一直依靠液压来完成作业，随着电机驱动的加入，减少了液压泵的做工，整个驱动系统工作更加的协调；从运动控制结果可以看出，机械臂的运动位移曲线较为平滑，没有出现较大的突变和抖动，运动控制较为精确，以上的试验结果充分验证了电气化提升了液压机械臂的稳定性和可靠性。

5 总结

液压机械臂的多向耦合特征非常明显，完善其电气化是提升液压机械臂稳定工作的重要方法。针对液压机械臂的电气化需求，在液压机械臂的运动学模型基础上，重构了电气化拓扑结构，分别从电液联合驱动、 运动控制以及故障诊断三个方面进行了优化设计，通过构建故障诊断系统检测电气系统故障，最后利用DOE实验设计方法设计电气化实验用例来验证优化设计方案的可靠性和合理性，结果表明该电气化优化设计能够提升液压机械臂的工作稳定性和响应速度，满足液压机械臂的电气化需求。

参考文献

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