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湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
題 目：R210LC-7挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)測試系統(tǒng)設(shè)計
學(xué) 院： 興湘學(xué)院
專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號： 2010963136
姓 名： 張 陳
指導(dǎo)教師： 劉金剛
完成日期: 2014.5.28
湘 潭 大 學(xué)
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
論文（設(shè)計）題目：R210LC-7挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)測試系統(tǒng)設(shè)計
學(xué)號： 2010963136 姓名： 張陳 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師： 劉金剛 系主任：
一、主要內(nèi)容及基本要求
本設(shè)計的主要內(nèi)容為：
1、擬熟悉液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理。
2、根據(jù)液壓系統(tǒng)工作原理，確定所需測量參數(shù)，選好合適的傳感器。
3、搭建基于計算機(jī)的測試系統(tǒng) 。
4、完成數(shù)據(jù)的顯示和存儲。
5、完成設(shè)計說明書。
本設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)及基本要求：
1、液壓系統(tǒng)工作原理圖；
2、測試系統(tǒng)工作原理圖；
3、掌握液壓系統(tǒng)的工作原理；
4、掌握利用接線圖表達(dá)自己的設(shè)計意圖。
二、重點(diǎn)研究的問題
重點(diǎn)研究的問題主要有：
1、挖掘機(jī)液壓工作裝置的液壓系統(tǒng)。
2、液壓挖掘機(jī)液壓測試系統(tǒng)的軟硬件。
三、進(jìn)度安排
序號
各階段完成的內(nèi)容
完成時間
1
查閱相關(guān)資料
第1周
2
方案論證、制訂設(shè)計方案
第2~3周
3
主要完成硬件設(shè)計
第6~8周
4
繪制接線圖
第9~12周
5
撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書
第13~14周
6
最后修改整理準(zhǔn)備答辯
第15~16周
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1]陳桂、盛黨紅、汪木蘭，LabVIEW與MATLAB在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.現(xiàn)代雷達(dá)，2005(11)
[2]陳溯，王思華，采用LabVIEW圖形程式設(shè)計構(gòu)成虛擬儀控設(shè)備，INTERNET
[3]關(guān)建和，唐露新，李偉東.基于LabVIEW平臺的電液控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。機(jī)電工技術(shù)，2003(6)
[4]顧友華，基于虛擬儀器的綜合測試系統(tǒng)開發(fā)。西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.3
[5]劉君華，基于LabVIEW的虛擬儀器設(shè)計。北京：電子工業(yè)出版社，2003
[6]陳正利，我國液壓挖掘機(jī)發(fā)展的幾個重要階段及其前景展望。建筑機(jī)械，1999
[7]孫秋野、柳昂、王云爽，LabVIEW8.5快速入門與提高。西安交通大學(xué)出版社，2009
[8]廖彥，LabVIEW環(huán)境下的實(shí)時控制案設(shè)計與研究，西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表
學(xué)號 2010963136 姓名 張陳 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設(shè)計）題目 R210LC-7挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)測試系統(tǒng)設(shè)計
評價項(xiàng)目
評 價 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文（設(shè)計）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價
張陳同學(xué)畢業(yè)設(shè)計立論正確，論述充分，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)；具有較強(qiáng)的的文獻(xiàn)查閱、資料綜合歸納整理能力，能在設(shè)計中熟練運(yùn)用所學(xué)知識，設(shè)計方案合理可行，論文質(zhì)量一般，圖紙完整。
同意參加答辯。
評閱人：
2014年5月 日
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見
學(xué)號： 2010963136 姓名： 張陳 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 70 頁 圖 表 8 張
論文（設(shè)計）題目： R210LC-7挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)測試系統(tǒng)設(shè)計
內(nèi)容提要：液壓挖掘機(jī)技術(shù)的發(fā)展是和液壓技術(shù)的發(fā)展相輔相成的，其一是液壓系統(tǒng)是液壓挖掘機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)和重要的關(guān)鍵組成部分，其二是挖掘機(jī)技術(shù)的發(fā)展要求又液壓技術(shù)的進(jìn)步和提高
指導(dǎo)教師評語
張陳同學(xué)在本次畢業(yè)設(shè)計過程中，態(tài)度端正，并對畢業(yè)設(shè)計任務(wù)作了深刻的理解與分析，查閱了非開挖水平鉆機(jī)的相關(guān)資料，能夠清楚了解工作裝置主要構(gòu)件的種類與連接方式，并對其進(jìn)行了分析，繪制了二維三維圖紙，具備一個機(jī)械專業(yè)學(xué)生所應(yīng)該有的的機(jī)械設(shè)計知識。設(shè)計說明書書寫認(rèn)真，條理清晰，觀點(diǎn)明確，具有一定的文本撰寫能力與外文文獻(xiàn)翻譯能力。
建議成績評定為：
同意答辯。
指導(dǎo)教師：
年 月 日
答辯簡要情況及評語
根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績評定為： 。
答辯小組組長：
年 月 日
答辯委員會意見
根據(jù)答辯情況，答辯小組同意其成績評定為： 。
答辯委員會主任：
年 月 日
目 錄
摘 要 1
第一章 緒論 2
1.1本課題研究的背景和意義 2
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀 7
1.3本課題主要技術(shù)的研究方法 9
1.3.1 傳感器技術(shù) 9
1.3.2信號采集與處理技術(shù) 10
1.3.3數(shù)據(jù)通訊技術(shù) 12
第二章 液壓挖掘機(jī)工作裝置的液壓系統(tǒng) 14
2.1液壓挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)組 14
2.2液壓挖掘機(jī)工作裝置的工作特點(diǎn) 14
2.3液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng) 16
2.3.1液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)的要求 16
2.3.2 液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)的類型 17
2.3.3液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng) 17
第三章 液壓挖掘機(jī)測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 21
3.1測控系統(tǒng)的硬件總體構(gòu)架 21
3.2測試裝置具體實(shí)現(xiàn)方式及元器件選型 21
3.3測試系統(tǒng)的信號調(diào)理 25
3.4數(shù)據(jù)采集及控制輸出 26
第四章 基于虛擬儀器的測試系統(tǒng) 28
4.1虛擬器概述 28
4.1.1虛擬器簡介 28
4.1.2虛擬器的硬件系統(tǒng) 29
4.1.3虛擬器的軟件系統(tǒng) 30
4.2 LabVIEW介紹 31
4.3虛擬儀器及LabVIEW在控制中的應(yīng)用 32
4.4基于虛擬儀器的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 34
4.5控制回路的定時 35
第五章 液壓挖掘機(jī)測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計 36
5.1應(yīng)用軟件的模塊設(shè)計 36
5.2液壓測試系統(tǒng)軟件的編程 39
結(jié) 論 40
致 謝 41
參考文獻(xiàn) 42
外文資料原文 43
外文資料譯文 51
摘 要
液壓挖掘機(jī)工作裝置的控制是實(shí)現(xiàn)自動挖掘的關(guān)鍵技術(shù)，由于挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)存在時變性、液壓系統(tǒng)的非線性，增加了工作裝置理論建模的難度，加之工作環(huán)境惡劣，工況多變，挖掘時土壤的不確定性，使得很難得到完善的控制策略，對挖掘機(jī)工作裝置的控制成為挖掘機(jī)機(jī)器人化，實(shí)現(xiàn)自動挖掘研究的熱點(diǎn)。液壓挖掘機(jī)工作裝置存在的非線性、時變性、工況的復(fù)雜性，其控制難度大，目前的研究都還處于實(shí)驗(yàn)室階段，對各種的理論建模、控制策略需要進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。本文針對實(shí)驗(yàn)用挖掘機(jī)工作裝置控制的測試系統(tǒng)，首次引入虛擬控制儀的手段來構(gòu)建液壓挖掘機(jī)的實(shí)驗(yàn)測控系統(tǒng)，通過虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW開發(fā)虛擬控制儀實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)算、控制輸出;利用LabVIEW開發(fā)友好的用戶界面實(shí)現(xiàn)對工作裝置液壓系統(tǒng)的壓力，液壓缸的位置，溫度，流量直觀顯示，直觀的觀察到液壓挖掘機(jī)工作裝置測控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，改變虛擬控制儀的軟件即可對各種建模和控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
關(guān)鍵詞：液壓挖掘機(jī) 工作裝置 LabVIEW 測試系統(tǒng)
Abstract
Develop excavator control and measure system based on LabVIEW. The control of an excavator is difficult from the standpoint of the following problems: parameter variations in mechanical structures, various nonlinearities in hydraulic actuatous and disturbance due to the contact with the ground.Apply NI LabVIEW to control and measure excavator hydraulic system, and monitor flaw,pressure,temperature and position of actor cylinders.The control strategy and algorithm are simulate using MATLAB control system toolboxes, MATLAB Script is directly transplanted into LabVIEW,and the physical simulation of excavator is accomplished.
Key words: excavator;working device;LabVIEW;Measurement and control
71
第一章 緒論
1.1本課題研究的背景和意義
隨著近年來我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的機(jī)遇，工程機(jī)械在各種工程建設(shè)領(lǐng)域中所起的作用越來越明顯，液壓挖掘機(jī)作為主流的工程機(jī)械產(chǎn)品，以其應(yīng)用廣泛、使用靈活、工作效率高而愈來愈被人們所重視。液壓挖掘機(jī)是目前土方開挖的最主要施工機(jī)械，在交通、建筑、能源、礦山、水利、港口等工程領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，一臺1液壓挖掘機(jī)挖掘級土壤時，每班生產(chǎn)率大約相當(dāng)于300-400 工人一天的勞動生產(chǎn)率。由于液壓挖掘機(jī)具有多品種，多功能。最近幾年的統(tǒng)計表明，液壓挖掘機(jī)是整個工程機(jī)械行業(yè)中產(chǎn)銷量最大、增長率最高的產(chǎn)品之一。到2006 年國內(nèi)挖掘機(jī)生產(chǎn)企業(yè)包括合資和外資企業(yè)銷量總和接近5 萬臺，同時我國進(jìn)口挖掘機(jī)數(shù)量也極為龐大，據(jù)統(tǒng)計，2006 年1～11月，僅廣州口岸就累計進(jìn)口挖掘機(jī)17，000 臺（近幾年挖掘機(jī)銷量統(tǒng)計見表1.1）
年份
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
銷量（臺）
6114
8111
12397
19710
33982
33614
33862
49625
68791
76898
表1.1 挖掘機(jī)年銷售統(tǒng)計
液壓挖掘機(jī)是功能最典型、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、用途最廣泛的工程機(jī)械之一。作為工程機(jī)械的主流產(chǎn)品，它在工業(yè)與民用建筑、交通運(yùn)輸、水利電力工程、礦山采掘以及軍事工程等施工中起著極為重要的作用。然而，隨著人類活動領(lǐng)域的拓展，對作業(yè)質(zhì)量的提高和對人的工作環(huán)境的挑剔，這些領(lǐng)域存在的一些問題愈來愈不容忽視：作業(yè)的勞動強(qiáng)度較大，在進(jìn)行挖掘操作時，操作者需要在視覺和聽覺的基礎(chǔ)上，依靠經(jīng)驗(yàn)知識進(jìn)行推理以對挖掘過程進(jìn)行控制和監(jiān)視，體力和腦力消耗極大；工作環(huán)境惡劣，常常伴隨有強(qiáng)烈的振動、噪音和塵埃，有時甚至面臨塌方、輻射、爆炸以及化學(xué)物等威脅。
液壓挖掘機(jī)技術(shù)的發(fā)展是和液壓技術(shù)的發(fā)展相輔相成的，其一是液壓系統(tǒng)是液壓挖掘機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)和重要的關(guān)鍵組成部分，其二是挖掘機(jī)技術(shù)的發(fā)展要求又液壓技術(shù)的進(jìn)步和提高。液壓挖掘機(jī)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大、用途廣泛的工程機(jī)械，它的典型工作過程基本是模仿人類動作，其鏟斗、斗桿、動臂和回轉(zhuǎn)動作，極象人的手腕、小臂、大臂和扭腰動作。如此復(fù)雜的機(jī)械手式的動作的實(shí)現(xiàn)是和液壓傳動的技術(shù)密切相關(guān)的，現(xiàn)代挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)非常復(fù)雜，除了基本傳遞功率的功能外，還負(fù)責(zé)很多的操縱控制。液壓系統(tǒng)性能的優(yōu)劣決定著挖掘工作性能的高低，目前液壓傳動與控制的許多先進(jìn)技術(shù)都體現(xiàn)在挖掘機(jī)上。因此對其液壓系統(tǒng)的設(shè)計既可以學(xué)習(xí)到更先進(jìn)的液壓技術(shù)鞏固所學(xué)的知識，又符合時代的步伐。
液壓挖掘機(jī)的狀態(tài)測試技術(shù)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)產(chǎn)生了一些較為成熟的理論方法和研究成果，根據(jù)測試邏輯和診斷算法形式的變化，我們可以將其發(fā)展過程分為三個階段：
一、 電子—液壓單元測試模式
80年代初，液壓挖掘機(jī)的發(fā)展趨向于電子液壓單元監(jiān)控，其顯著標(biāo)志是采用傳感器—電子控制單元與液壓驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)相結(jié)合的模式，取代傳統(tǒng)的液壓——機(jī)械控制的模式，大大提高了整機(jī)的性能。例如CAT公司在其200E以上的液壓挖掘機(jī)上采用了電子監(jiān)控報警系統(tǒng)，在機(jī)器原有結(jié)構(gòu)不變的情況下，使其綜合工作效率、維護(hù)成本、運(yùn)行周期以及使用壽命等產(chǎn)生了顯著變化，而這種模式的成本較傳統(tǒng)模式?jīng)]有大的變化，從而使液壓挖掘機(jī)的性能價格比明顯提高。該模式下的電子監(jiān)控系統(tǒng)采用的是開關(guān)量傳感器配合專用大規(guī)模集成電路，監(jiān)控邏輯與故障診斷邏輯以并行的形式集成在大規(guī)模集成電路芯片中。該形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、監(jiān)控結(jié)果直觀及抗干擾能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是使用的線束較多，涉及各部件之間的復(fù)合控制難以進(jìn)行，傳感器資源沒有充分利用。
二、電子—液壓集成測試模式
90年代以來，液壓挖掘機(jī)的電子監(jiān)控程度進(jìn)一步提高，逐漸演變到集成電子—液壓監(jiān)控模式，使操作者的勞動強(qiáng)度和機(jī)器的效率及能耗得到進(jìn)一步改善。例如各大公司在新產(chǎn)品系列上普遍采用的微電腦集中監(jiān)測控制系統(tǒng)，是在大型挖掘機(jī)全液壓控制的基礎(chǔ)上嵌入了雙微處理器單元，簡化了原有的液壓控制機(jī)構(gòu)和控制邏輯，使操作穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性達(dá)到更高的水平。該模式下的電子監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)采用的是連續(xù)量傳感器配合通用微處理器和專用電子電路，監(jiān)控邏輯與故障診斷邏輯以程序的形式串行的存儲在程序存儲器中。運(yùn)行時監(jiān)控參數(shù)反映的狀態(tài)信息量大，監(jiān)控與故障診斷可以定量進(jìn)行，故障分析辨識較全面，可以自動存儲數(shù)據(jù)，以備聯(lián)機(jī)通訊，進(jìn)行深人的數(shù)據(jù)分析。
三、全新的電子液壓測試模式
隨著電子、計算機(jī)及通訊技術(shù)的飛速發(fā)展和融合，以及現(xiàn)代化施工管理現(xiàn)場的要求，希望以最佳的設(shè)備、物料和人員配置來實(shí)現(xiàn)工程的質(zhì)量和工期。因此，對液壓挖掘機(jī)的運(yùn)行、維護(hù)、保養(yǎng)和狀態(tài)等參數(shù)要實(shí)時管理，實(shí)施的有利技術(shù)手段就是在集成電子液壓模式的基礎(chǔ)上嵌入衛(wèi)星通訊管理模塊（衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸、GPS定位管理）和自動操縱模塊（VR控制）。從而引領(lǐng)液壓挖掘機(jī)監(jiān)控模式進(jìn)人集管理、監(jiān)控和自動操縱為一體的全新電子液壓監(jiān)控模式，它是新世紀(jì)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展方向。在該模式下，電子監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)采用的是完備的開關(guān)量和連續(xù)量傳感器組配合雙處理器中央處理控制單元。監(jiān)控數(shù)據(jù)、故障特征信息及控制信號由主處理器進(jìn)行管理，通訊、顯示和數(shù)據(jù)存儲由輔處理器管理。此外，兩個處理器相互協(xié)調(diào)，可以在其中某一個出現(xiàn)問題的情況下，備份數(shù)據(jù)并接替該處理器的部分工作，使整個系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及抗沖擊能力極強(qiáng)，從而使系統(tǒng)可以長時間運(yùn)行。
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
國內(nèi)在液壓挖掘機(jī)的狀態(tài)測試系統(tǒng)方面的研究起步較晚，90年代以來，國內(nèi)的一些挖掘機(jī)生產(chǎn)廠家通過合資或引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的方式，經(jīng)過消化吸收，逐漸開發(fā)出自己的檢測系統(tǒng)，雖然在性能上與國外相比還有一定的差距，但仍具有較高的技術(shù)含量。如長江挖掘機(jī)廠已將電子監(jiān)測技術(shù)用于WY160B挖掘機(jī)，還與浙江大學(xué)合作制成便攜/固定兩用式液壓挖掘機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測故障查找裝置。該裝置以MCS—51系列單片機(jī)為核心，能實(shí)時監(jiān)測液壓、動力、電氣及其他部分的共計16路運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，在液晶顯示屏上顯示出10路模擬量和頻率量參數(shù)具體值，當(dāng)檢測到故障信息時，根據(jù)裝置內(nèi)的故障經(jīng)驗(yàn)庫即可大致推出故障部位，并有聲、光、圖同時報警能力。貴州詹陽開發(fā)的具有90年代先進(jìn)水平的WDKX電子監(jiān)控系統(tǒng)，借鑒了國外先進(jìn)挖掘機(jī)電子監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)，可在線監(jiān)控挖掘機(jī)系統(tǒng)的工作狀況，系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)在大屏幕液晶顯示屏上一目了然。當(dāng)挖掘機(jī)出現(xiàn)異常狀況時，WDKX電子監(jiān)控系統(tǒng)可向操作者發(fā)出聲光報警，以使挖掘機(jī)操作者和維修人員動態(tài)的掌握挖掘機(jī)的技術(shù)狀況，及時準(zhǔn)確地排除故障，進(jìn)而合理、正確、安全地使用挖掘機(jī)。上海建筑機(jī)械廠和上海同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)研制了電子監(jiān)控裝置，它主要是對液壓挖掘機(jī)的發(fā)動機(jī)和故障率較高的液壓系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，還可對運(yùn)行中的十二個重要參數(shù)進(jìn)行檢測，以液晶屏幕顯示檢測結(jié)果，對異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行簡易故障診斷，以十六位漢字形式顯示診斷結(jié)果，并設(shè)八個報警頁，分為三個等級進(jìn)行報警，該裝置在作隨機(jī)試驗(yàn)基礎(chǔ)上將投人使用?？偠灾?，國內(nèi)的挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測處于研發(fā)階段，離實(shí)際的應(yīng)用還有一定的距離，而要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的產(chǎn)品化還必須解決一些技術(shù)上的問題。
所以，雖然目前中國已經(jīng)成為世界上最大的挖掘機(jī)市場和產(chǎn)地之一，但是同時我國挖掘機(jī)行業(yè)整體水平相對落后，制造工藝水平較低，技術(shù)條件差，沒有形成關(guān)鍵國產(chǎn)元件的配套體系，目前國內(nèi)挖掘機(jī)行業(yè)，從產(chǎn)品技術(shù)水平、可靠性、壽命、制造質(zhì)量與國外挖掘機(jī)有較大差距，配套件的質(zhì)量和可靠性差、使用壽命短，液壓元件極少、沒有關(guān)鍵元件，系統(tǒng)不能配套。特別是液壓元件，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到國產(chǎn)配套水平。
我國當(dāng)前液壓挖掘機(jī)的研制和改進(jìn)應(yīng)該主要著眼于：
(1)發(fā)動機(jī)功率的充分有效利用，通過各種途徑使機(jī)械多做有效的功，其中包括動力裝置與液壓系統(tǒng)的最佳匹配，傳動效率的提高，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)功率的回收，高效液壓系統(tǒng)的研究等。
(2)鏟斗挖掘力的充分發(fā)揮，挖掘力大小和有效作用范圍是衡量各種液壓挖掘機(jī)工作能力的重要指標(biāo)。
(3）注重人機(jī)工程學(xué)的研究，將操控性能的提升和操作舒適性提升作為重要發(fā)展目標(biāo)。
(4）重視安全和環(huán)保，隨著各國法規(guī)的不斷要求，噪音、排放、安全等指標(biāo)也越來越重要。
此外，加快換裝置的多功能化如吊、夾、推、刮、松、挖、裝、銑削、拆除、清除和壓實(shí)等作業(yè)也成為方向發(fā)展方向。國內(nèi)挖掘機(jī)行業(yè)整體發(fā)展水平較國外緩慢，在挖掘機(jī)液壓技術(shù)方面的理論還比較薄弱。我國從20 世紀(jì)60 年代開始研制液壓挖掘機(jī)，但到70 年代末，大部分產(chǎn)品與發(fā)達(dá)國家相比性能仍較落后。在這種情況下，我國通過引進(jìn)技術(shù)(主要是德國和日本挖掘機(jī)制造技術(shù))[5]，使我國挖掘機(jī)產(chǎn)品性能得到了一定的提高。但經(jīng)過將近20 年的發(fā)展，與國外相比在技術(shù)上仍然落后，產(chǎn)品質(zhì)量也不穩(wěn)定，影響了整機(jī)的可靠性。進(jìn)入90 年代以來，國內(nèi)一些科研院所、大專院校紛紛與挖掘機(jī)廠家合作研究機(jī)電一體化挖掘機(jī)[6][7][8]，如天津工程機(jī)械研究所，同濟(jì)大學(xué)浙江大學(xué)等分別與合肥礦山機(jī)器廠、長江挖掘機(jī)廠、廣西玉林柴油機(jī)廠合作，取得了一些成果。但隨著國外先進(jìn)的挖掘機(jī)越來越多地進(jìn)入國內(nèi)市場，國產(chǎn)挖掘機(jī)與進(jìn)口挖掘機(jī)的性能差別越來越明顯。在這種情況下，國內(nèi)一些挖掘機(jī)生產(chǎn)廠除了采取與國外合資的形式外，還積極引進(jìn)國外先進(jìn)的液壓元件，使國內(nèi)生產(chǎn)的一些挖掘機(jī)技術(shù)水平迅速得到提高，但在最新技術(shù)研究和應(yīng)用上與國外相比還存在較大的差距。與國外挖掘機(jī)生產(chǎn)商相比較，國內(nèi)生產(chǎn)廠家技術(shù)和研究開發(fā)實(shí)力還處于弱勢地位，為了盡快適應(yīng)國內(nèi)挖掘機(jī)市場的發(fā)展形勢，國內(nèi)挖掘機(jī)液壓的開發(fā)應(yīng)重點(diǎn)。
考慮以下幾個方面：
1、加快專用液壓元件的設(shè)計開發(fā)，形成自己的配套體系。適應(yīng)目前行業(yè)快速發(fā)展的需求。
2、提高產(chǎn)品可靠性和壽命，提高整機(jī)平均無故障時間，延長維修周期。
3、著眼于液壓系統(tǒng)與發(fā)動機(jī)的動力匹配，提高能源利用率。
4、著眼于整個系統(tǒng)的研究，
5、考慮人機(jī)工程學(xué)問題，提高操縱舒適性，改善司機(jī)工作條件。
各個廠家在這個過程中都有一個共同的原因，那就是整個仿制消化過程簡單化，僅僅時拆樣機(jī)，照抄零件，對引進(jìn)和仿制的產(chǎn)品缺乏系統(tǒng)的領(lǐng)會，沒有真正吃透本質(zhì)。無論是整機(jī)、系統(tǒng)還是元件引進(jìn)，都是急于求成的做出仿制品后就輕易滿足，缺乏進(jìn)一步的技術(shù)消化吸收，沒有能夠轉(zhuǎn)化成自己的技術(shù)，不能真正組建自己的引進(jìn)技術(shù)平臺，然后繼續(xù)開發(fā)和發(fā)展。目前我國的挖掘機(jī)企業(yè)和其配套元件企業(yè)，基本都是低水平的重復(fù)生產(chǎn)，基本沒有真正的核心技術(shù)。在仿制的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的開發(fā)是我們重點(diǎn)的內(nèi)容，在選用通用元件，搭建成系統(tǒng)之后的后期測試、調(diào)試，整改及提出自己系統(tǒng)對元件的專用要求，甚至形成自己的專用元件是非常重要的環(huán)節(jié)，它甚至可以整整提高一個技術(shù)臺階。
1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀
80年代以后，國外逐漸開展了對液壓挖掘機(jī)狀態(tài)檢測系統(tǒng)的開發(fā)研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，已經(jīng)取得了較為成熟和完善的技術(shù)成果，其中美國、德國、日本和韓國在這方面處于較為領(lǐng)先的地位。
美國卡特彼勒公司1978年就研制出用于挖掘機(jī)的電子測試系統(tǒng)，目前該公司已有60%以上的產(chǎn)品都配置了該系統(tǒng)，能對機(jī)器運(yùn)行情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。在其近年開發(fā)的E系列挖掘機(jī)上，還安裝了三級報警電子檢測系統(tǒng)、功率方式控制器和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制裝置等機(jī)電一體化部件，在發(fā)動機(jī)起動前，該系統(tǒng)可檢查設(shè)備狀況，若有潛在故障則立即向司機(jī)報警。在機(jī)器運(yùn)行過程中，可根據(jù)不同工況進(jìn)行三級報警：一級報警時面板上發(fā)光二極管閃爍提示故障部位；二級報警時面板上大燈同時亮；三級報警時蜂鳴器同時響，要求司機(jī)立刻停車檢查。
德國O&K公司微電子技術(shù)的檢測、監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)在同行業(yè)中是較先進(jìn)的，該公司開發(fā)了應(yīng)用于液壓挖掘機(jī)的BCS(Board Control System)，即狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，其具體功能如下：
1）挖掘機(jī)工作期間，各部件參數(shù)的顯示。該系統(tǒng)的藍(lán)測項(xiàng)目包括發(fā)動機(jī)燃油油位、機(jī)油壓力和冷卻水溫等，而其檢測值用數(shù)字量或模擬量顯示。
2）設(shè)定參數(shù)與實(shí)際數(shù)值的比較，參數(shù)不匹配時報警。若某參數(shù)異?；虺蓿瑫⒓窗l(fā)出音響信號并向司機(jī)示出故障信息，同時顯示可能引起該故障的原因及可采取的必要措施。提供了在管理方面的6個保養(yǎng)程序，其中4個程序涉及到液壓系統(tǒng)、馬達(dá)、整機(jī)以及一般的故障儲存記錄。用這些程序可以得到正在運(yùn)行的數(shù)值，當(dāng)出現(xiàn)極限值時發(fā)出報警信號和相應(yīng)的處理文字說明，當(dāng)將要超出極限值時，也會發(fā)出故障報警，該系統(tǒng)可在停機(jī)前找出故障源，用計算機(jī)提示排除故障，維修人員在故障信號儲存記錄的幫助下，可知故障源的嚴(yán)重程度及其排除順序。這種預(yù)普系統(tǒng)可對挖掘機(jī)采取預(yù)防性措施，可在停機(jī)前排除故障，因此采取這種總控制系統(tǒng)的電子監(jiān)測系統(tǒng)可將意外的停機(jī)事件減到極少，確保挖掘機(jī)正常地進(jìn)行有效的作業(yè)。
3）數(shù)據(jù)傳輸功能。從BCS監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可根據(jù)需要通過無線電波傳送到中央控制室，中控室可調(diào)人每臺挖掘機(jī)的數(shù)據(jù)，集中安排每臺機(jī)器的停機(jī)時間及需要采取的措施。BCS另一功能是通過衛(wèi)星與O&K總部進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳遞，這樣O&K的液壓挖掘機(jī)技術(shù)將全面向用戶開放，及時進(jìn)行故障檢查并完成故障排除。
德國德馬克公司提供兩種不同標(biāo)準(zhǔn)的故障監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。在中小型挖掘機(jī)上配備了一套簡單的故障診斷系統(tǒng)ETM，這一系統(tǒng)采用數(shù)字顯示在駕駛室的監(jiān)控器上向司機(jī)顯示設(shè)備的主要運(yùn)行狀況。安裝在設(shè)備重要部位上的傳感器向監(jiān)控系統(tǒng)提供30種左右的輸人信號，包括故障信號和常規(guī)信息。當(dāng)需要在屏幕上顯示正常作業(yè)狀態(tài)下的信息時，可以將常規(guī)信息調(diào)出。然而當(dāng)設(shè)備一旦發(fā)生故障時，故障信息將會立即顯示出來并觸發(fā)聲音報警。故障信息可存貯起來便于維修人員存取，并且也可用便攜式打印機(jī)將故障記錄和其它數(shù)據(jù)打印出來。而在較大型的礦用挖掘機(jī)上配備了ECS系統(tǒng)（電子檢測系統(tǒng)），ECS系統(tǒng)的監(jiān)探器可顯示設(shè)備的常規(guī)信息，也能使司機(jī)坐在駕駛室內(nèi)就能對設(shè)備的所有性能進(jìn)行徹底檢查，它還允許維修人員進(jìn)人系統(tǒng)將上次維修以后所出現(xiàn)的所有故障信息記錄打印出來進(jìn)行分析。
德國利渤海爾公司開發(fā)了液壓挖掘機(jī)的Litronic系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個由智能化電子元件和功能性液壓系統(tǒng)組成的整套系統(tǒng)，具有監(jiān)測、記錄、對比、顯示和調(diào)節(jié)液壓挖掘機(jī)上所有關(guān)鍵系統(tǒng)的功能，它把柴油機(jī)、泵、液壓油箱和先導(dǎo)控制系統(tǒng)的傳感器的有關(guān)工作狀態(tài)的全部參數(shù)傳達(dá)給監(jiān)控和控制臺，所出現(xiàn)的干擾和與理論狀態(tài)的偏差及電子系統(tǒng)中的錯誤作為錯誤代碼在顯示器上顯示并儲存下來，它通過光學(xué)和聲響顯示工作狀態(tài)，將自動保護(hù)裝置在到達(dá)超載狀態(tài)時斷開傳動機(jī)構(gòu)。
日本小松公司在PC—5系列挖掘機(jī)上采用了電子監(jiān)測系統(tǒng)，可監(jiān)視發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力、冷卻水溫度、充電、冷卻水液面高度及燃油油面高度等，發(fā)現(xiàn)異常時可進(jìn)行聲光報警。同時該公司在PC—7系列挖掘機(jī)上內(nèi)置車輛自診斷的高質(zhì)量健康診斷系統(tǒng)EMMS，該系統(tǒng)具有異常檢查功能、保養(yǎng)履歷記憶功能和故障履歷記憶功能，并采用多功能彩色監(jiān)控器進(jìn)行顯示和操作。
日本日立公司在EX系列液壓挖掘機(jī)上安裝了電子監(jiān)測系統(tǒng)，可對挖掘機(jī)40種以上的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行瞬時檢測，包括發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力、冷卻水溫度、燃油油位、液壓油油位、空濾器堵塞、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓流量和所有電氣系統(tǒng)，并具備報警功能。日立ZAXIS系列挖掘機(jī)將前所未有的功能與尖端IT技術(shù)融為一體，引導(dǎo)工程領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。新開發(fā)的信息控制器可以記錄和存儲機(jī)器的工作情況（操作記錄、柱狀圖、報警記錄、故障記錄、累積記錄等），并由服務(wù)人員通過專用掌上電腦PALM從信息控制器ICX中讀取數(shù)據(jù)，這種方式可以降低成本，并進(jìn)行復(fù)雜的故障分析，也便于進(jìn)行維修及備件管理、打印、報表等。
韓國大宇DH型挖掘機(jī)的電子監(jiān)控與報警系統(tǒng)由儀表盤、儀表、報警燈、蜂鳴器以及傳感器等組成。挖掘機(jī)工作過程中，該系統(tǒng)通過各種傳感器獲取設(shè)備的各種運(yùn)行狀態(tài)信息，經(jīng)快速信息處理后在儀表盤上顯示出結(jié)果來，在設(shè)備工作不正常的情況下，通過儀表盤上的報警燈和蜂鳴器及時通知駕駛員，從而避免了事故的發(fā)生。
1.3本課題主要技術(shù)的研究方法
作為以多任務(wù)實(shí)時處理為應(yīng)用背景的液壓挖掘機(jī)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)研究，是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程，其中涉及到各學(xué)科理論的交叉以及各相關(guān)技術(shù)的融合問題，下面將介紹其關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀。
1.3.1 傳感器技術(shù)
隨著社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近20年來，電子技術(shù)日新月異，計算機(jī)的普及和應(yīng)用把人類帶到了信息時代，各種電器設(shè)備充滿了人們生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，相當(dāng)大一部分的電器設(shè)備都應(yīng)用到了傳感器件，傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)中主要技術(shù)之一，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占據(jù)有極其重要的地位。
人是通過視覺、嗅覺、聽覺及觸覺等感官來感知外界的信息，感知的信息輸入大腦進(jìn)行分析判斷（即人的思維）和處理，再指揮人作出相應(yīng)的動作，這是人類認(rèn)識世界和改造世界具有的最基本的本能。利用電子儀器特別象計算機(jī)控制的自動化裝置來代替人的勞動，那么計算機(jī)類似于人的大腦，而僅有大腦而沒有感知外界信息的“五官”顯然是不足夠的，中央處理系統(tǒng)也還需要它們的“五官”——即傳感器。
在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，工廠的自動流水生產(chǎn)線，全自動加工設(shè)備，許多智能化的檢測儀器設(shè)備，都大量地采用了各種各樣的傳感器，它們在合理化地進(jìn)行生產(chǎn)，減輕人們的勞動強(qiáng)度，避免有害的作業(yè)發(fā)揮了巨大的作用。在家用電器領(lǐng)域，象全自動洗衣機(jī)、電飯褒和微波爐都離不開傳感器。醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，電子脈博儀、體溫計、醫(yī)用呼吸機(jī)、超聲波診斷儀、斷層掃描（CT）及核磁共振診斷設(shè)備，都大量地使用了各種各樣的傳感技術(shù)。這些對改善人們的生活水平，提高生活質(zhì)量和健康水平起到了重要的作用。在軍事國防領(lǐng)域，各種偵測設(shè)備，紅外夜視探測，雷達(dá)跟蹤、武器的精確制導(dǎo)，沒有傳感器是難以實(shí)現(xiàn)的。在航空航天領(lǐng)域，空中管制、導(dǎo)航、飛機(jī)的飛行管理和自動駕駛，儀表著陸盲降系統(tǒng)，都需要傳感器。人造衛(wèi)星的遙感遙測都與傳感器緊密相關(guān)。沒有傳感器，要實(shí)現(xiàn)這樣的功能那是不可能的。
此外，在礦產(chǎn)資源、海洋開發(fā)、生命科學(xué)、生物工程等領(lǐng)域傳感器都有著廣泛的用途，傳感器技術(shù)已受到各國的高度重視，并已發(fā)展成為一種專門的技術(shù)學(xué)科。
1.3.2信號采集與處理技術(shù)
在測試系統(tǒng)中，把被檢測對象的信號送入微機(jī)中進(jìn)行處理，或者將微處理器中的控制信號輸出，對受控對象進(jìn)行控制，被測量的信號要經(jīng)過多次的變換或反變換，每次變換都具有一定的目的。傳感器是被測信號的第一次變換，它是將非電量信號變換為電信號，為了將它輸人到微機(jī)中進(jìn)行實(shí)時處理，需要再進(jìn)行濾波、放大、變換成標(biāo)準(zhǔn)的電平信號送給A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行第二次變換，模擬的電信號量就轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送人微型機(jī)中，以便對其作進(jìn)一步的處理。信號采集與處理系統(tǒng)的功能就是完成信號的變換和反變換，它又包括輸人信號處理電路和輸出信號處理電路兩部分。
1.輸入信號處理電路
輸入信號處理電路是微處理器與外界聯(lián)系的通道。輸入信號處理電路的一部分（數(shù)字信號輸入通道）用于接收數(shù)字信號；輸入信號處理電路的另一部分（模擬信號輸入通道）用于接收和轉(zhuǎn)換各種傳感器輸入的模擬信號；輸入信號處理電路的第三部分用于與其它計算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊聯(lián)系，信號形式為脈沖數(shù)字信
號；輸入信號處理電路的第四部分用于接收診斷觸發(fā)信號，也是脈沖數(shù)字信號。
圖1-1 模擬信號輸入通道
模擬信號輸入通道 （圖1-1 ）的作用是將傳感器產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入單片機(jī)，其組成部分包括濾波器、放大器、采樣保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等。硬件濾波器往往設(shè)置在放大器之前，其作用是預(yù)先抑制部分干擾噪聲，以免和有用信號一起被放大，可以有效地提高信噪比。經(jīng)過濾波處理的電壓或電流信號較低(電壓為0~40mv)，因而使用放大器將這些信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理的標(biāo)準(zhǔn)信號，即電壓輸出為0~5V，電流輸出為4-20mA，以提高模擬信號測試精度。由于各傳感器產(chǎn)生電壓或電流的滿量程是不相等的，既可以對每個傳感器配以不同增益的放大器，也可以采用可編程放大器，將預(yù)先確定的對于不同信號的增益以數(shù)字量的形式存儲于存儲器中，當(dāng)微處理器輸入某一路信號時，將對應(yīng)的放大器增益從存儲器中取出，經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入可編程放大器相應(yīng)的端節(jié)點(diǎn)，使該路信號按照設(shè)定的增益進(jìn)行放大。在進(jìn)行多路模擬量輸入時，不必對每個模擬輸入量都單獨(dú)配置一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以使多個模擬輸入量共用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器，多路選擇開關(guān)的作用就是將每一路模擬輸入量輪流與模數(shù)轉(zhuǎn)換器接通。
測試系統(tǒng)輸入的數(shù)字信號并不能直接由單片機(jī)進(jìn)行處理，還需要通過數(shù)字信號輸入通道進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和抗干擾等處理，即將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為低電平以及經(jīng)過光電隔離后，才能被單片機(jī)接受。
2.輸出信號處理電路
輸出信號處理電路的作用是聯(lián)系協(xié)調(diào)單片機(jī)和執(zhí)行器，執(zhí)行器控制信號既有模擬信號，也有數(shù)字信號，而由微處理器產(chǎn)生的控制信號都是數(shù)字信號，因此輸出信號處理電路分為模擬信號輸出通道和數(shù)字信號輸出通道。
模擬信號輸出通道的作用是將微處理器產(chǎn)生的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚩刂颇M執(zhí)行器的模擬控制信號。模擬信號輸出通道主要由數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多路選擇開關(guān)和采樣保持器等組成。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是將微處理器產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，它有并行和串行兩種轉(zhuǎn)換方式。并行轉(zhuǎn)換方式就是將處理器產(chǎn)生的控制信號同時送人模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并行轉(zhuǎn)換具有轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)點(diǎn)；串行轉(zhuǎn)換就是將微處理器產(chǎn)生的控制信號以一系列脈沖信號順序送人模數(shù)轉(zhuǎn)換器，串行轉(zhuǎn)換方式的速度較慢。
數(shù)字信號輸出通道的作用是將微處理器產(chǎn)生的數(shù)字控制信號傳輸給由數(shù)字信號控制的執(zhí)行器。數(shù)字信號輸出通道有由微處理器輸出接口直接控制執(zhí)行器、通過半導(dǎo)體開關(guān)管控制執(zhí)行器和通過繼電器控制執(zhí)行器等方式。
1.3.3數(shù)據(jù)通訊技術(shù)
智能儀器與智能儀器之間，智能儀器與計算機(jī)之間在實(shí)際的測量和控制過程中，需要不斷地進(jìn)行各種信息的交換和傳播(即數(shù)據(jù)通訊)。數(shù)據(jù)的通訊一般都采用標(biāo)準(zhǔn)總線的形式，如GP-IB，RS-232，RS-422等。
GP-IB又稱為通用目的接口總線或儀表總線。GP-IB標(biāo)準(zhǔn)定義，16線連接系
統(tǒng)，允許連接15臺裝置相互通訊，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為位—并行/字節(jié)—串行方式，最高速率為1M字節(jié)，實(shí)際使用為1~10K字節(jié)。由于GP-IB在抗干擾能力及傳輸距離等方面的限制，它只適用于試驗(yàn)室環(huán)境。
RS-232是個人計算機(jī)上的通訊接口之一，由電子工業(yè)協(xié)會所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。通常 RS-232 接口以9個引腳 (DB-9) 或是25個引腳 (DB-25) 的型態(tài)出現(xiàn)，一般個人計算機(jī)上會有兩組 RS-232 接口，分別稱為 COM1 和 COM2。其示意圖如圖1-2所示：
圖1-2 RS-232串行通信標(biāo)準(zhǔn)
當(dāng)通信對象之間相距很遠(yuǎn)時，通常采用串行數(shù)據(jù)傳送方式，它不僅節(jié)省硬件，而且可使用現(xiàn)在存在的通道(如電話、電報等)。故在分散型監(jiān)控系統(tǒng)、計算機(jī)終端中廣泛使用了串行數(shù)據(jù)傳送，如智能儀表與上位機(jī)、微型化儀表與CRT間的數(shù)據(jù)通訊均可采用這種方式。RS-232用得最多的一種串行通訊標(biāo)準(zhǔn)。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在電子監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)不同層次間傳遞的數(shù)據(jù)信息已變得越來越復(fù)雜，對于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在開放性、互連性等方面提出了更高的要求。目前發(fā)展起來的現(xiàn)場總線技術(shù)和以太網(wǎng)用于電子監(jiān)控技術(shù)是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)新的焦點(diǎn)，將會給現(xiàn)代電子監(jiān)控帶來新的活力和重大變革?，F(xiàn)場總線是一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備之間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。而作為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主流技術(shù)的以太網(wǎng)雖然實(shí)時性和抗干擾性能較差，但在技術(shù)上可以滿足帶寬、性能通信協(xié)議等方面更高的要求，所以必將成為電子監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的又一熱點(diǎn)。
第二章 液壓挖掘機(jī)工作裝置的液壓系統(tǒng)
2.1液壓挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)組
液壓挖掘機(jī)的作業(yè)過程是以鏟斗的切削刃（通常裝有斗齒）切削土壤并將土裝入斗內(nèi)。斗裝滿后提升，回轉(zhuǎn)到卸土位置進(jìn)行卸土。卸完后鏟斗再轉(zhuǎn)回并下降到挖掘面進(jìn)行下次挖掘。當(dāng)挖完一段土后，機(jī)械移位，以便繼續(xù)工作。挖掘機(jī)為了實(shí)現(xiàn)上述周期性作業(yè)動作部分：工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動力裝置、傳動操作機(jī)構(gòu)，行走裝置和輔助設(shè)備。這里主要對工作裝置的反鏟裝置進(jìn)行分析。反鏟裝置是中小型液壓挖掘機(jī)的主要工作裝置。目前廣泛應(yīng)用的斗容量在1.6m3以下。它由斗桿油缸、斗桿、動臂、鏟斗油缸、動臂油缸、搖桿、連桿和鏟斗組成圖2-1，其構(gòu)造特點(diǎn)是各部件之間的聯(lián)系全部采用鉸接，動臂下鉸點(diǎn)鉸接在轉(zhuǎn)臺上，利用動臂油缸的伸縮，使動臂繞動臂下鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動，依靠斗桿油缸使斗桿繞動臂的上鉸點(diǎn)擺動。而鏟斗鉸接于斗桿前端，并通過鏟斗油缸和連桿使鏟斗繞斗桿前鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。為增大鏟斗轉(zhuǎn)角，通常以連桿機(jī)構(gòu)與鏟斗連接。從而通過油缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)挖掘過程中的各種動作。
圖2-1液壓挖掘機(jī)工作裝置的結(jié)構(gòu)圖
2.2液壓挖掘機(jī)工作裝置的工作特點(diǎn)
反鏟工作裝置是液壓挖掘機(jī)的一種主要工作裝置，如圖2.1所示。液壓反鏟工作裝置一般由動臂c.動臂液壓缸h.斗桿液壓缸g.斗桿b.鏟斗液壓缸f.鏟斗a.連桿i.和搖桿j等組成。其構(gòu)造特點(diǎn)是各機(jī)構(gòu)之間全部采用鉸鏈連接，并通過改變各液壓缸行程來實(shí)現(xiàn)挖掘過程中的各種動作。動臂1得下鉸點(diǎn)與回轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)平臺鉸接，并以動臂液壓缸h來支撐動臂，通過改變動臂液壓缸的行程即可改變動臂傾角，實(shí)現(xiàn)動臂的升降。斗桿4鉸接于動臂的上端，可繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動，斗桿與動臂的相對轉(zhuǎn)角由鏟斗液壓缸f控制，當(dāng)斗桿液壓缸伸縮時，斗桿即可繞動臂上鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。鏟斗a則鉸接于斗桿b的末端，通過鏟斗液壓缸f伸縮來使鏟斗繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。為了增大鏟斗轉(zhuǎn)角，鏟斗液壓缸一般通過連桿機(jī)構(gòu)（即連桿i和搖桿j）與鏟斗連接。液壓挖掘機(jī)反鏟工作裝置主要應(yīng)用于挖掘停機(jī)面以下的土壤，如挖掘溝壕.基坑等，其挖掘軌跡取決于個液壓缸的運(yùn)動及其組合。動臂液壓缸主要應(yīng)用于調(diào)整工作裝置的挖掘位置，一般不單獨(dú)直接挖掘土壤；斗桿挖掘可挖掘較大的行程，但挖掘力小一些。轉(zhuǎn)斗挖掘的行程較短為使鏟斗在轉(zhuǎn)斗挖掘結(jié)束時裝滿鏟斗，需要較大的挖掘力以保證能挖掘較大厚度的土壤，以此挖掘機(jī)的最大挖掘力一般是由鏟斗液壓缸實(shí)現(xiàn)的。由于挖掘力大且挖掘行程短，以此轉(zhuǎn)斗挖掘可用于清除障礙或提高生產(chǎn)率。在實(shí)際工作中，熟練的液壓挖掘機(jī)操作人員可根據(jù)實(shí)際情況，合理操作各個液壓缸，往往是各個液壓缸聯(lián)合工作，實(shí)現(xiàn)最有效的挖掘作業(yè)。例如，挖掘基坑是由于挖掘深度較大，并要求有較陡而平整的基坑壁，則采用動臂和斗桿同時工作；當(dāng)挖掘基坑底時，挖掘行程將結(jié)束，為加速裝滿鏟斗，或挖掘過程中調(diào)整切削角時，則需鏟斗液壓缸和斗桿液壓缸同時工作。
i
j
b
h
e
g
f
a
c
d
圖2. 1液壓挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動示意
a—鏟斗；b—斗桿；c—動臂；d—回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；e—行走機(jī)構(gòu)；
f—鏟斗液壓缸； g—斗桿液壓缸；h—動臂液壓缸;i—連桿； j—搖桿;
l一動臂升降;2一斗桿收放:3一鏟斗裝卸;4一轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn):5一整機(jī)行走
2.3液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)
2.3.1液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)的要求
按照挖掘機(jī)工作裝置和各個機(jī)構(gòu)的傳動要求，把各種液壓元件用管路有機(jī)地連接起來的組合體，稱為挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)。其功能是，以油液為工作介質(zhì)，利用液壓泵將發(fā)動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗懿⑦M(jìn)行傳送，然后通過液壓缸和液壓馬達(dá)等將液壓能轉(zhuǎn)返為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)的各種動作。液壓挖掘機(jī)的動作復(fù)雜，需要機(jī)構(gòu)經(jīng)常啟動、制動、換向、負(fù)載變化大，沖擊和振動頻繁，而且野外作業(yè)，溫度和地理位置變化大，因此根據(jù)挖掘機(jī)的工作特點(diǎn)和環(huán)境特點(diǎn)，液壓系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求：
1）要保證挖掘機(jī)動臂、斗桿和鏟斗可以各自單獨(dú)動作，也可以互相配合實(shí)現(xiàn)復(fù)合動作。
2）工作裝置的動作和轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)既能單獨(dú)進(jìn)行，又能作復(fù)合動作，以提高挖掘機(jī)的生產(chǎn)率。
3）履帶式挖掘機(jī)的左、右履帶分別驅(qū)動，使挖掘機(jī)行走方便、轉(zhuǎn)向靈活，并且可就地轉(zhuǎn)向，以提高挖掘機(jī)的靈活性。
4）保證挖掘機(jī)的一切動作可逆，且無級變速。
5）保證挖掘機(jī)工作安全可靠，且各執(zhí)行元件（液壓缸、液壓馬達(dá)等）有良好的過載保護(hù)；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走裝置有可靠的制動和限速；防止動臂因本身的自重而過快下降和整機(jī)超速溜坡。因此，挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)應(yīng)做到：
1）有高的傳動效率，以充分發(fā)揮發(fā)動機(jī)的動力性和燃料使用經(jīng)濟(jì)性。
2）液壓系統(tǒng)和液壓元件在負(fù)載變化大、急劇的振動沖擊作用下，具有足夠的可靠性。
3）調(diào)協(xié)輕便耐振的冷卻器，減少系統(tǒng)總發(fā)熱量，使主機(jī)持續(xù)工作時液壓油溫不超過80度，或溫升不超過45度。
4）由于挖掘機(jī)作業(yè)現(xiàn)場塵土多，液壓油容易被污染，因此液壓系統(tǒng)的密封性能要好，液壓元件對油液污染的敏感性低，整個液壓系統(tǒng)要設(shè)置濾油器和防塵裝置。
5）采用液壓或電液伺服操縱裝置，以便挖掘機(jī)設(shè)置自動控制系統(tǒng)，進(jìn)而提高挖掘機(jī)技術(shù)性能和減輕駕駛員的勞動強(qiáng)度。
2.3.2 液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)的類型
按液壓泵特性，液壓挖掘機(jī)采用的液壓系統(tǒng)大致上有定量系統(tǒng)、變量系統(tǒng)兩種類型。
1）定量系統(tǒng)
在液壓挖掘機(jī)采用的定量系統(tǒng)中，其流量不變，即流量不隨負(fù)載而變化，通常依靠節(jié)流來調(diào)節(jié)速度。根據(jù)定量系統(tǒng)中油泵和回路的數(shù)量及組合形式，分為單泵單回路、雙泵單回路定量系統(tǒng)、雙泵雙回路定量系統(tǒng)及多泵多回路定量系統(tǒng)等。
2）變量系統(tǒng)
在液壓挖掘機(jī)采用的變量系統(tǒng)中，是通過容積變量來實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速的，其調(diào)節(jié)方式有三種：變量泵—定量馬達(dá)調(diào)速、定量泵—變量馬達(dá)調(diào)速、變量泵—變量馬達(dá)調(diào)速。
液壓挖掘機(jī)采用的變量系統(tǒng)多采用變量泵—定量馬達(dá)的組合方式實(shí)現(xiàn)無級變量，且都是雙泵雙回路。根據(jù)兩個回路的變量有無關(guān)聯(lián)，分為分功率變量系統(tǒng)和全功率變量系統(tǒng)兩種。其中的分功率變量系統(tǒng)的每個油泵各有一個功率調(diào)節(jié)機(jī)械，油泵的流量變化只受自身所在回路壓力變化的影響，與另一回路的壓力變化無關(guān)，即兩個回路的油泵各自獨(dú)立地進(jìn)行恒功率調(diào)節(jié)變量，兩個油泵各擁有一個發(fā)動機(jī)輸出功率；全功率變量系統(tǒng)中的兩個油泵由一個總功率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，使兩個油泵的擺角始終相同，同步變量、流量相等。決定流量變化的是系統(tǒng)的總壓力，兩個油泵的功率在變量范圍內(nèi)是不相同的。其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有機(jī)械聯(lián)動式和液壓聯(lián)動式兩種形式。
2.3.3液壓挖掘機(jī)的液壓系統(tǒng)
單斗液壓挖掘機(jī)的工作裝置、行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)裝置等均采用液壓驅(qū)動，其液壓系統(tǒng)如圖2-3所示。
圖2-3單斗履帶式挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)
挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)采用雙泵雙向回路定量系統(tǒng)，由兩個獨(dú)立的回路組成。所用的油泵為雙聯(lián)泵，分為A、B兩泵。八聯(lián)多路換向閥分為兩組，每組中的四聯(lián)換向閥組為串聯(lián)油路。油泵A輸?shù)膲毫M(jìn)入第一組多路換向閥，驅(qū)動回轉(zhuǎn)馬達(dá)、鏟斗油缸、輔助油缸，并經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動右行走馬達(dá)。該組執(zhí)行元件不工作時油泵A輸出的壓力油經(jīng)第一組多路換向閥中的合流閥進(jìn)入第二組多路換向閥，以加快動臂或斗桿的工作速度。油泵B輸出的壓力油進(jìn)入第二組多路換向閥，驅(qū)動動臂油缸、斗桿油缸，并經(jīng)中央回轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動左行走馬達(dá)和推土板油缸。
液壓系統(tǒng)中兩組多種換向閥均采用串聯(lián)油路，其回油路并聯(lián)，油液通過第二組多路換向閥中的限速閥流向油箱。限速閥的液控口作用著由梭閥提供的A、B兩油泵的最大壓力，當(dāng)挖掘機(jī)下坡行走出現(xiàn)超速情況時，油泵出口壓力下降，限速閥自動對回油進(jìn)行節(jié)流，防止溜坡現(xiàn)象，保證挖掘機(jī)行駛安全。
在左、右行走馬達(dá)內(nèi)部除設(shè)有補(bǔ)油閥外，還設(shè)有雙速電磁閥，當(dāng)雙速電磁閥在圖示位置時馬達(dá)內(nèi)部的兩排柱塞構(gòu)成串聯(lián)油路，此時為高速;當(dāng)雙速電磁閥通電后，馬達(dá)內(nèi)部的兩排柱塞呈并聯(lián)狀態(tài)，馬達(dá)排量大、轉(zhuǎn)速降低，使挖掘機(jī)的驅(qū)動力增大。
為了防止動臂、斗桿、鏟斗等因自重而超速降落，其回路中均設(shè)有單向節(jié)流閥。另外，兩組多路換向閥的進(jìn)油路中設(shè)有安全閥，以限制系統(tǒng)的最大壓力，在各執(zhí)行元件的分支油路中均設(shè)有過載閥，吸收工作裝置的沖擊:油路中還設(shè)有單向閥，以防止油液的倒流、阻斷執(zhí)行元件的沖擊振動向油泵的傳遞。
單斗液壓挖掘機(jī)除了主油路外，還有如下低壓油路：
1、排灌油路。將背壓油路中的低壓油，經(jīng)節(jié)流降壓后供給液壓馬達(dá)殼體內(nèi)部，使其保持一定的循環(huán)油量，及時沖洗磨損產(chǎn)物。同時回油溫度較高，可對液壓馬達(dá)進(jìn)行預(yù)熱，避免環(huán)境溫度較低時工作液體對液壓馬達(dá)形成“熱沖擊”。
2、泄油回路。將多路換向閥和液壓馬達(dá)的泄漏油液用油管集中起來，通過五通接頭和濾油器流回油箱。該回路無背壓以減少外漏。液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可通過檢查泄漏油路濾油器，判定是否屬于液壓馬達(dá)磨損引起的故障。
3、補(bǔ)油油路。該液壓系統(tǒng)中的回油經(jīng)背壓閥流回油箱，并產(chǎn)生0.8-1.0MPa的補(bǔ)油壓力，形成背壓油路，以便在液壓馬達(dá)制動或出現(xiàn)超速時，背壓油路中的油液經(jīng)補(bǔ)油閥向液壓馬達(dá)補(bǔ)油，以防止液壓馬達(dá)內(nèi)部的柱塞滾輪脫離導(dǎo)軌表面。
該液壓系統(tǒng)采用定量泵，效率較低、發(fā)熱量大，為了防止液壓系統(tǒng)過大的溫升，在回油路中設(shè)置強(qiáng)制風(fēng)冷式散熱器，將油溫控制在80℃以下。
實(shí)現(xiàn)自動控制的液壓系統(tǒng)包括油泵、電磁比例先導(dǎo)閥、多路換向閥和液壓缸等如圖2-4所示。電磁比例閥控制多路換向閥中閥芯的位移，從而推動動臂、斗桿和鏟斗液壓缸動作，使整個工作裝置運(yùn)動。
圖2-4挖掘機(jī)工作裝置液壓系統(tǒng)的原理圖
第三章 液壓挖掘機(jī)測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
3.1測控系統(tǒng)的硬件總體構(gòu)架
液壓挖掘機(jī)綜合測試系統(tǒng)主要測試數(shù)據(jù)有：10路溫度信號（泵進(jìn)油口、泵出油口、泵回油口、主閥出油口、主閥回油口、主閥殼體、油箱、散熱器進(jìn)油口、散熱器出油口、散熱器保護(hù)閥回油口）；9路壓力信號（2路主泵壓力、2路主閥工作油口、2路負(fù)流量反饋壓力、1路先導(dǎo)泵出口、1路先導(dǎo)手柄輸出壓力、1路散熱器背壓）；4路低壓流量信號（1路主閥回油總流量、1路散熱器保護(hù)閥回油流量、1路散熱器冷卻流量、1路泵回油流量）。
3.2測試裝置具體實(shí)現(xiàn)方式及元器件選型
傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器。分別對液壓系統(tǒng)的流量、溫度以及驅(qū)動液壓缸的壓力進(jìn)行檢測，并通過信號調(diào)理后送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)化將信息傳遞給控制控制計算機(jī)。壓力傳感器能提供與壓力成比例的電壓信號，經(jīng)采樣后送入測控計算機(jī)。各流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器的數(shù)據(jù)送入測控計算機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示檢測系統(tǒng)的工作。
傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，它與通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集手段，也