图3　布料机构浇筑过程仿真结果

2　泵车系统的动态特性分析

　　由于混凝土泵的工作特性及布料机构的结构特性，决定了布料机构工作时存在着较大的振动以及疲劳破坏等问题。文献［6，7］利用有限元法和动力学分析方法对泵车系统进行了模态分析和动力响应分析，获得了系统耦合后的固有频率和振型图，以及动力响应的应力、位移变化曲线，为布料机构的疲劳设计及控制仿真提供了依据。混凝土的泵送压力所产生的冲击作用与布料机构系统是一种强耦合非线性关系，对泵车机器人化所进行的动力学分析，可利用牛顿—欧拉法建立布料机构动力学方程式(6)和各杆件的加速度、惯性力和驱动力矩的递推公式(7)、(8)。

　　　　　(6)

式中：M(q)为广义质量矩阵；G(q)为重力矩阵；V(q，)为向心力及哥氏力矩阵；P为驱动力矩阵。

　　　　　　(7)

f_j=^j_{j 1}Rf_{j 1} F_j S_j
n_j=N_j ^j_{j 1}Rn_{j 1} r_j×F_j P_j×(^j_{j 1}Rf_{j 1} S_j)
(j=4，3，2，1)　　　　　　　　　(8)

S_j为混凝土流动对布料各杆的冲击力，其它符号说明可参考文献［8］。在对泵车进行动力学分析时，应考虑哥氏力和向心力在动力学方程中所占的比例，来确定式(6)、(7)和(8)简化后的动力学模型。除此以外，还应考虑布料机构大范围做回转运动时，突然制动所受的冲击作用，电测实验表明突然制动引起的冲击力要比正常工作更危险。

3　布料系统控制自动化

　　泵车机器人化的早期产品是利用操纵杆控制布料浇筑点的运动轨迹，机构的转角参数由计算机控制。目前一些进口泵车已实现了用遥控器遥控浇筑施工过程，这些都是泵车机器人化不断努力的结果。
　　泵车机器人化的控制方法可选择预编程序、示教系统或智能控制等方法，完全的预编程序操作技术含量高，由于泵车工作环境复杂多变，也不适于完全采用智能控制，最适合的控制方式是以示教系统为主，其它为辅。由于泵车工作环境的特点，在输入工作范围时，其控制方法可选用编程和示教系统相结合的方式，两者选择主要是根据作业范围的规则程度以及方便程度而定。作业范围确定后，利用自动离散算法把作业范围离散成浇筑点的数组集，再调用前面所叙的运动学分析中求解逆问题的最优控制算法，计算出各执行部件如油缸和回转台的参数(β，l₁，l₂，l₃)，然后通过控制器驱动液压系统完成自动浇筑过程。
　　为了使泵车智能性更高些，可在布料机构的执行构件上布置一些防碰撞装置，如接近式传感器，当执行机构遇到障碍时，可调出回避障碍控制算法实现自动回避障碍。避障子程序的控制过程基本包括让大臂油缸伸长，同时让小臂油缸缩短，或各臂油缸同时操作达到举升机构并绕过障碍的控制，即当布料软管等部件遇到障碍时，控制各臂油缸伸缩越过障碍到达下一个浇筑点。为了适应障碍的复杂性，避障子程序应该是一个基于专家系统技术的、不断接受反馈障碍信息的动态实时控制程序。由于运动学分析逆问题计算参数设置等问题，工程机械控制系统多是采用角度传感器，而角度传感器易碰撞损坏，因此本文以油缸进给量作为控制参数，这样可采用位移传感器，其特点是布置方便，不易损坏。综上所述，本文给出了泵车自动控制算法程序流程(图4)以及泵车自动浇筑控制系统(图5)。

图4　自动控制程序流程图

图5　自动浇筑控制系统图

4　结论

　　通过运动分析得出基于遗传算法实现泵车执行机构浇筑的最优控制，解决了泵车机器人化的运动分析的臂解问题，论述了泵车动态分析中所解决和应注意的问题，提出了泵车控制自动化作业范围确定的方法，并给出程序流程图和控制系统图。

选自《机械设计与制造》