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高枝修剪機械動態配重裝置及控制方法.pdf

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高枝 修剪 機械 動態 配重 裝置 控制 方法
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摘要
申請專利號:

CN201610152269.0

申請日:

20160317

公開號:

CN105830755A

公開日:

20160810

當前法律狀態:

有效性:

審查中

法律詳情:
IPC分類號: A01G3/08 主分類號: A01G3/08
申請人: 山東農業大學
發明人: 苑進,李楊,張海淑,陳延甫,趙新學,劉雪美
地址: 271018 山東省泰安市岱宗大街61號
優先權: CN201610152269A
專利代理機構: 代理人:
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201610152269.0

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明涉及一種高枝修剪機械動態配重裝置及控制方法,包括:動態配重機械模塊、傳感器模塊、動態配重控制模塊;動態配重機械模塊包括配重臂、配重臂拉桿、配重機構底板、直線導軌、軸承、滑塊、配重塊、配重電機、聯軸器、絲桿、絲桿螺母;傳感器模塊為配重塊測距傳感器;所述配重塊測距傳感器固定于配重機構底板上;動態配重控制模塊包括電源、動態配重控制器和輸入輸出接口;配重塊測距傳感器和配重電機通過輸入輸出接口連接至動態配重控制器;本發明能夠實時監測高枝修剪機械臂架系統所產生的傾翻力矩,能夠在高枝修剪機械工作過程中實現對臂架系統的實時調平。

權利要求書

1.一種高枝修剪機械動態配重裝置,其特征在于包括:動態配重機械模塊、傳感器模塊、動態配重控制模塊;所述動態配重機械模塊,包括配重臂、配重臂拉桿、配重機構底板、直線導軌、軸承、滑塊、配重塊、配重電機、聯軸器、絲桿和絲桿螺母;所述配重臂一端垂直固接臂架系統底座下部;所述配重臂拉桿一端固接于配重臂,另一端固接于臂架系統底座上部;所述配重機構底板固接于配重臂上;兩根直線導軌對稱平行安裝在配重機構底板上部前后兩側;兩個軸承分別安裝于配重機構底板上左右兩側,軸承端面與直線導軌軸向方向垂直;所述絲桿兩端分別安裝于兩側軸承上,絲桿軸向與直線導軌軸向平行;所述配重電機通過電機架安裝在配重臂上;所述聯軸器連接電機輸出軸與絲桿;所述滑塊包括四個同樣的滑塊,四個滑塊對稱安裝在兩根直線導軌上,每根直線導軌上分別安裝兩個滑塊;所述配重塊安裝在四個滑塊上部;所述絲桿螺母安裝在絲桿上,絲桿螺母側面與配重塊固接;所述傳感器模塊為配重塊測距傳感器;所述配重塊測距傳感器固定于配重機構底板上;所述動態配重控制模塊,包括電源、動態配重控制器和輸入輸出接口;所述電源為12伏或24伏直流電源;所述動態配重控制器為STM32型單片機;輸入輸出接口包括光電隔離、信號放大以及數字IO驅動電路;所述的配重塊測距傳感器通過所述輸入輸出接口連接至動態配重控制器;所述的配重電機通過所述的輸入輸出接口與動態配重控制器相連,動態配重控制器通過輸入輸出接口控制配重電機啟停。2.如權利要求1所述的一種高枝修剪機械動態配重裝置的控制方法:(1)動態配重控制模塊和傳感器初始化;(2)高枝修剪機械開始作業;伺服電動缸開始工作并將實時伸縮狀態反饋給動態配重控制器;同時,配重塊測距傳感器測得當前配重塊位置并將信號傳送到動態配重控制器;(3)動態配重控制器接收到三個伺服電動缸反饋信號和配重塊位置的實時信號,當程序判斷出臂架系統傾翻力矩超出安全范圍時,動態配重控制器通過輸入輸出接口驅動配重電機轉動,進而帶動配重塊移動,使臂架系統傾翻力矩一直處于安全范圍內;本發明中信號處理流程如下:1)伺服電動缸伸長狀態信號L轉換為相鄰機械臂之間夾角θ:θ=f(L)i=1,2,3--------------(1)2)相鄰機械臂之間夾角θ轉換為臂架系統傾翻力矩T:T=g(θ)i=1,2,3--------------(2)3)傾翻力矩T計算出配重塊理論位置X;式中T為配重臂、直線導軌等固定構件所產生的平衡力矩;G為配重塊所受重力;4)計算出配重塊理論位移△X;△X=X-X--------------(4)式中X為配重塊測距傳感器測得的配重塊實時位置信號X;5)設定傾翻力矩安全閾值,并求出配重塊位置偏差安全閾值X,并將△X與X對比;如果|△X|≤X,配重電機不動作,配重塊不運動,否則配重電機帶動配重塊運動△X。

說明書

技術領域

本發明涉及一種園林機械,尤其涉及一種高枝修剪機械動態配重裝置及控制方法。

背景技術

高枝修剪機械是一種應用于園林高大樹木的修枝機械,能夠方便有效的修剪高大樹木側枝,并在修枝同時進行修枝茬口的養護。上述功能在本專利申請人已申請的專利中已有論述。具體專利信息如下,專利號:ZL201210194078.2,名稱:一種高空剪枝機械手;專利號ZL201410048553.4,名稱:一種導向卡鎖式高枝修剪護茬鋸。但是在高枝修剪機械使用過程中由于臂架系統的工作姿態不斷變化,會產生較大的且實時變化的傾翻力矩,縮短了整機的使用壽命甚至發生傾翻危險。針對以上問題,高枝修剪機械動態配重裝置成為研究的重點。

下面對高枝修剪機械做簡要說明包括底盤、升降系統、回轉支承系統、臂架系統和修枝護茬鋸。其中底盤帶有行走輪系、支撐腿等裝置,工作狀態下支撐腿打開,保證整機平穩性;升降系統位于底盤上,用于提高整機工作高度;回轉支承系統位于升降系統頂端,連接升降系統和臂架系統底座,使臂架系統有水平面內旋轉自由度;臂架系統包括臂架系統底座、三節主機械臂和一節輔助臂,用于增大修枝護茬鋸工作空間,相鄰機械臂間由伺服電動缸驅動;修枝護茬鋸位于輔助臂末端,用于修枝樹枝并實時養護修枝茬口。

經過現有技術文獻的檢索發現,專利公告號:CN202415030U,名稱:一種自動配重塔吊。它包括配重塊、配重臂齒輪、齒輪擺桿、彈簧等。它通過塔吊起重臂的載荷變化帶動彈簧伸縮,彈簧帶動齒輪擺桿進而帶動齒輪轉動,齒輪轉動來實現配重塊的左右移動。這種配重方法比較適用于塔吊,簡單有效。但是其控制原理簡單,而且塔吊結構與高枝修剪機械差別較大,這種動態配重系統不適合于高枝修剪機械。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足,提供了一種高枝修剪機械動態配重裝置及控制方法,能夠在高枝修剪機械工作過程中實現對臂架系統的實時調平。

本發明所采用的技術方案是:

一種高枝修剪機械動態配重裝置,包括:動態配重機械模塊、傳感器模塊、動態配重控制模塊。

所述動態配重機械模塊,包括配重臂、配重臂拉桿、配重機構底板、直線導軌、軸承、滑塊、配重塊、配重電機、聯軸器、絲桿、絲桿螺母。

所述配重臂一端垂直固接臂架系統底座下部;所述配重臂拉桿一端固接于配重臂,另一端固接于臂架系統底座上部;所述配重機構底板固接于配重臂上;兩根直線導軌對稱平行安裝在配重機構底板上部前后兩側;兩個軸承分別安裝于配重機構底板上左右兩側,軸承端面與直線導軌軸向方向垂直。所述絲桿兩端分別安裝于兩側軸承上,絲桿軸向與直線導軌軸向平行;所述配重電機通過電機架安裝在配重臂上;所述聯軸器連接電機輸出軸與絲桿;所述滑塊包括四個同樣的滑塊,四個滑塊對稱安裝在兩根直線導軌上,每根直線導軌上分別安裝兩個滑塊;所述配重塊安裝在四個滑塊上部;所述絲桿螺母安裝在絲桿上,絲桿螺母側面與配重塊固接。

所述傳感器模塊為配重塊測距傳感器;所述配重塊測距傳感器固定于配重機構底板上。

所述動態配重控制模塊,包括電源、動態配重控制器和輸入輸出接口。

所述電源優先選用12伏或24伏直流電源;所述動態配重控制器優先選用STM32型單片機;輸入輸出接口包括光電隔離、信號放大以及數字IO驅動電路;所述的配重塊測距傳感器通過所述輸入輸出接口連接至動態配重控制器;所述的配重電機通過所述的輸入輸出接口與動態配重控制器相連,動態配重控制器通過輸入輸出接口控制配重電機啟停。

本發明一種高枝修剪機械動態配重裝置的具體控制過程如下:

(1)動態配重控制模塊和傳感器初始化;

(2)高枝修剪機械開始作業。伺服電動缸開始工作并將實時伸縮狀態反饋給動態配重控制器;同時,配重塊測距傳感器測得當前配重塊位置并將信號傳送到動態配重控制器;

(3)動態配重控制器接收到三個伺服電動缸反饋信號和配重塊位置的實時信號,當程序判斷出臂架系統傾翻力矩超出安全范圍時,動態配重控制器通過輸入輸出接口驅動配重電機轉動,進而帶動配重塊移動,使臂架系統傾翻力矩一直處于安全范圍內。

本發明中信號處理流程如下:

1)伺服電動缸伸長狀態信號Li轉換為相鄰機械臂之間夾角θi:

θi=f(Li) i=1,2,3--------------(1)

2)相鄰機械臂之間夾角θi轉換為臂架系統傾翻力矩T:

T=g(θi) i=1,2,3--------------(2)

3)傾翻力矩T計算出配重塊理論位置X;

X=T-T0G---(3)]]>

式中T0為配重臂、直線導軌等固定構件所產生的平衡力矩;G為配重塊所受重力。

4)計算出配重塊理論位移ΔX;

ΔX=X-X0--------------(4)

式中X0為配重塊測距傳感器測得的配重塊實時位置信號X0;

5)設定傾翻力矩安全閾值,并求出配重塊位置偏差安全閾值Xδ,并將ΔX與Xδ對比。

如果|ΔX|≤Xδ,配重電機不動作,配重塊不運動,否則配重電機帶動配重塊運動ΔX。

本發明的有益效果是:

1、能夠實時監測高枝修剪機械臂架系統所產生的傾翻力矩。2、能夠實時調整配重塊位置,使臂架系統所產生的傾翻力矩在安全范圍內,安全閾值的設定有效防止了配重塊的頻繁運動,也提高了高枝修剪機械的穩定性。

附圖說明

圖1為高枝修剪機械示意圖。

圖2為高枝修剪機械動態配重裝置示意圖。

圖3為高枝修剪機械動態配重裝置控制過程流程圖。

圖4為高枝修剪機械臂架系統尺寸關系示意圖一。

圖5為高枝修剪機械臂架系統尺寸關系示意圖二。

圖中:1底盤、2升降系統、3配重臂、4臂架系統底座、5配重臂拉桿、6伺服電動缸、7修枝護茬鋸、8臂架系統、9回轉支承系統、10配重機構底板、11配重電機、12聯軸器、13配重塊、14絲桿螺母、15滑塊、16直線導軌、17絲桿、18軸承、19配重塊測距傳感器

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

本發明可以適用于現有的常見的折臂式作業機械,比如本實施例中所涉及的高枝修剪機械。首先對本實施例所涉及的高枝修剪機械做簡要說明,其結構如圖2所示:其包括底盤1、升降系統2、回轉支承系統9、臂架系統8和修枝護茬鋸7。其中底盤1帶有行走輪系、支撐腿等裝置,工作狀態下支撐腿打開,保證整機平穩性;升降系統2位于底盤1上,用于提高整機工作高度;回轉支承系統9位于升降系統2頂端,連接升降系統2和臂架系統底座4,使臂架系統8有水平面內旋轉自由度;臂架系統8包括臂架系統底座4、三節主機械臂和一節輔助臂,用于增大修枝護茬鋸7工作空間,相鄰機械臂間由伺服電動缸6驅動;修枝護茬鋸7位于輔助臂末端,用于修枝樹枝并實時養護修枝茬口。

本發明所述的一種高枝修剪機械動態配重裝置,包括:動態配重機械模塊、傳感器模塊、動態配重控制模塊。

所述動態配重機械模塊,包括配重臂3、配重臂拉桿5、配重機構底板10、直線導軌16、軸承18、滑塊15、配重塊13、配重電機11、聯軸器12、絲桿17、絲桿螺母14。

所述配重臂3一端垂直固接臂架系統底座4下部;所述配重臂拉桿5一端固接于配重臂3,另一端固接于臂架系統底座4上部;所述配重機構底板10固接于配重臂3上,用于安裝動態配重裝置各部件;所述直線導軌16水平安裝于配重機構底板10上部,兩根直線導軌對稱安裝;所述軸承18包括兩個軸承,分別安裝于配重機構底板10上,軸承端面與直線導軌16軸向方向垂直。所述絲桿17兩端安裝于軸承18上,絲桿17軸向與直線導軌16軸向平行;所述配重電機11通過電機架安裝在配重臂3上;所述聯軸器12鏈接配重電機輸出軸與絲桿17;所述滑塊15包括四個同樣的滑塊,兩根直線導軌16上分別安裝兩個滑塊15,滑塊15可以沿直線導軌16滑動;所述配重塊13安裝在四個滑塊上;所述絲桿螺母14安裝在絲桿17上,絲桿螺母14側面與配重塊13固接。

所述傳感器模塊包括配重塊測距傳感器19,所述測距傳感器采用市面常見測距傳感器即可,如超聲波測距傳感器。配重塊測距傳感器19固定于配重機構底板10上,用于測量配重塊13位置。

所述動態配重控制模塊,包括電源、動態配重控制器和輸入輸出接口。

所述電源優先選用12伏或24伏直流電源,所述電源為配重電機與供電;所述動態配重控制器優先選用STM32型單片機;所述輸入輸出接口包括光電隔離、信號放大以及數字IO驅動電路;所述的配重塊測距傳感器通過所述輸入輸出接口連接至動態配重控制器;所述的配重電機通過的輸入輸出接口與動態配重控制器相連,動態配重控制器通過輸入輸出接口控制配重電機啟停。

本發明一種高枝修剪機械動態配重裝置,具體控制過程如下:

(1)動態配重控制模塊和配重塊測距傳感器初始化;

(2)高枝修剪機械開始作業。伺服電動缸6開始工作并將實時伸縮狀態反饋給動態配重控制器;同時,配重塊測距傳感器19測得當前配重塊13位置并將信號傳送到動態配重控制器;

(3)動態配重控制器接收到三個伺服電動缸反饋信號和配重塊位置的實時信號,當程序判斷出傾翻力矩超出安全范圍時,動態配重控制器通過輸入輸出接口驅動配重電機11轉動,進而帶動配重塊13移動,使臂架系統8傾翻力矩一直處于安全范圍內。

本發明一種高枝修剪機械動態配重裝置,信號處理流程如下:

1)伺服電動缸伸長狀態信號Li轉換為相鄰機械臂之間夾角θi:

θi=f(Li) i=1,2,3--------------(1)

結合圖4以第一節臂與底座之間的變幅機構為例,l1與θ1之間的函數對應關系如下:

θ1=∠ADC+∠ADE+α=arccosq+p[(p2+n2-l12)/2pn]p2+q2+2pq[(p2+n2-l12)/2pn]+arccosp2+q2+2pq[(p2+n2-l12)/2p·n+r2-t22rp2+q2+2pq[(p2+n2-l12)/2p·n]+α]]>

式中A、B、C、D、E分別代表五個點,n、p、q、r、t、α、為機械機構中的常量。

θ2θ3與l2l3之間的關系也用這種方式求得。

2)相鄰機械臂之間夾角θi轉換為臂架系統傾翻力矩T:

T=g(θi) i=1,2,3--------------(2)

結合圖5,函數(2)的詳細對應關系如下:

T=G1D1+G2D2+G3D3

=G1L1,0·sinθ1+G2[L1·sinθ1-L2,1·sin(θ1+θ2)]+G3[L1·sinθ1-L2,1·sin(θ1+θ2)±L3,2·sin(θ1+θ2+θ3)]

式中Li為第i節機械臂的長度;Li,i-1為第i節機械臂質心到第i節機械臂與i-1節機械臂鉸點關節處的長度。

3)傾翻力矩T計算出配重塊理論位置X;

X=T-T0G---(3)]]>

式中T0為配重臂、直線導軌、等固定構件所產生的平衡力矩;G為配重塊所受重力。

4)計算出配重塊理論位移ΔX;

ΔX=X-X0--------------(4)

式中X0為配重塊測距傳感器測得的配重塊實時位置信號X0;

5)設定傾翻力矩安全閾值,并求出配重塊位置偏差安全閾值Xδ,并將ΔX與Xδ對比。

如果|ΔX|≤Xδ,配重電機不動作,配重塊不運動,否則配重電機帶動配重塊運動ΔX。

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