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液压冲击器机电液控制系统研究*
摘要:根据氮爆式液压冲击器的工作原理,建立了基于机电液控制的新型液压冲击器控制
方案。论述了所设计的液压控制系统的工作原理,并分别对计算机控制硬件模块、软件模块作了详
细设计;实验表明该设计方案可以根据工作对象自动调节冲击频率和单次冲击能,实现液压冲击器
的智能化工作。
关键词:液压冲击器;液压控制;计算机控制;设计
0 引言
氮爆式液压冲击器是一种广泛应用于矿山岩石
的破碎、混泥土构建的拆毁等工程建设中的新型液
压工程设备,主要结构包括液压冲击活塞、换向阀和
氮气室等基本部件。本文在压力反馈式原理的基础
上,建立了氮爆式液压冲击器基于机电一体化的控
制方案,并对液压控制系统、计算机控制系统的硬件
和软件模块进行了设计,以提高液压破碎锤的自动
化和智能化水平,实现液压冲击技术上的一个突破
1 液压控制系统的基本原理
根据设计理论和控制方法的不同,液压冲击器
液压控制系统可分为行程反馈和压力反馈2种。行
程反馈原理大多基于设置多个信号孔来实现冲击频
率和冲击能的有级调节,但是这类锤结构复杂,加工
工艺、精度要求很高,而且冲击能与冲击频率同步增
减,因此其冲击频率无法设计得很低。压力反馈原
理的基本思想:通过控制冲击活塞回程加速结束时
氮气室的压力,来调节冲击活塞回程位移,以此达到
改变冲击器的冲击频率和单次冲击能的目的。设计
方案中用压力变送器检测冲击活塞冲击钢钎后反弹
时氮气室的压力信号,此信号主要由工作对象的物
理性质决定,当反弹信号较大时,计算机调节活塞回
程加速结束时氮气室的换向压力为较大值,活塞回
程位移增大,相应冲击频率降低,冲击能增大;反之
当信号小时,调节换向压力为较小值,冲击频率增
大,冲击能减小。由于第1次打击的换向压力可以
预先设定,而第1次打击后的每一次打击都有反弹
信号,计算机可以对每一次打击进行调节,实现输出
能量、频率的独立无级调节和最优匹配。此外,由高
速开关阀和逻辑插装锥阀组成的换向系统,完全摒
弃了传统液压冲击器的换向阀和信号孔,消除了换
向阀加工难的情况,换向系统与冲击器分离开来,中
间用油管连接,制造精度容易得到保证,而且完全可
以满足液压冲击器的工作参数要求,因此更具经济
性和寿命长的特点。
液压控制系统的基本结构和原理如图1所示,
由液压油泵、液压冲击器、高速开关阀、逻辑插装锥
阀、安全阀等组成。
(1)回程加速阶段
活塞冲击钢钎后准备回程运动,压力变送器7
检测出活塞冲击后反弹时氮气室的压力值,将此信
号传送给计算机处理,计算机根据气压法原理公式
算出活塞反弹速度并记录下最大速度,据此调整一
一对应的换向时氮气室压力设定值,高速开关9通
电,使其供油孔和控制孔相通,将锥阀8的控制腔与
高压油接通,锥阀8关闭,切断液压冲击器后腔的高
压油路;同时高速开关阀17断电,回油孔和控制孔
相通,使锥阀18的控制腔与接回油路相通,锥阀18
打开,冲击器后腔接通低压油,活塞2在前腔高压油
的作用下作回程加速运动,氮气室压力升高,后腔5
向回油箱排油。当压力变送器检测到氮气室的压力
达到设定的换向压力值时,计算机发出高电平指令
控制高速开关17,将锥阀18的控制腔接通高压油,
锥阀18关闭,切断后腔5的回油路,回程加速结束。
1·钢钎 2·活塞 3·前腔 4·中缸体 5·后腔 6·氮气室 7·
压力变送器 8·进油锥阀 9·进油高速开关阀 10·A/D转换器
11·高压蓄能器 12·CPU 13·功率信号放大器 14·安全阀 15·
液压泵 16·回油滤清器 17·回油高速开关阀 18·回油锥阀
(2)回程减速与冲程阶段
回程减速与冲程阶段系统油路接通与断开一
致,在锥阀18关闭的同时,计算机发出低电平指令
控制高速开关9,使锥阀8的控制腔接通低压油,锥
阀8打开,冲击器的后腔5接通高压油,活塞在氮气
室压力和高压油液压力等的共同作用下作回程减速
运动以及冲程运动,冲程时前腔3中的高压油随油
路流入后腔5。当冲程结束时,活塞冲击钢钎1并
反弹,计算机记录反弹瞬间氮气室的压力值并转换
为活塞反弹速度,并以最大反弹速度为依据调节换
向压力的设定值,以备下一周期使用。
以上液压控制系统方案取消了传统液压冲击器
的机械式换向系统,采用由计算机控制的自动换向
系统,这样可以根据实际工况来调节冲击器的输出
特性,实现液压冲击器的智能化工作。
2 计算机控制模块硬件设计
计算机控制模块硬件由主控板电路、信号采集
电路、A/D转换电路、人机交换电路、光电隔离传输
电路、输出信号放大电路组成。系统控制电路与液
压冲击器分离开来操作,总体结构如图2所示。主
控板电路完成系统的控制、运算工作;信号采集电路
按照指令采集氮气室压力并以模拟信号的方式传递
给下一级电路;A/D转换电路将模拟信号转换成计
算机能处理的数字信号;人机交换电路用于参数的
设定、系统运行情况的监控等;光电隔离电路用于信
号隔离传输,消除执行机构与硬件电路间的干扰;输
出信号放大电路对输出信号作相应放大处理以便驱
动执行机构工作。
图2 计算机控制模块总体结构图
(1)芯片的选择
单片机芯片选用美国SST公司推出的
SST89E564系列单片机,它采用8051兼容MCU核,
8位CPU与高速Flash集成在同一块芯片上,具有
1 K的片内RAM和64+8 K的EPROM,支持外部扩
展程序存储器和数据存储器的地址范围均为64 K,
内置3个16位的定时/计数器和一个全双工增强的
UART,最多可以有8个中断源,并可以设定为4个
优先级。更特别的是它集成了仿真功能,配合Keil
软件,可使用户的目标板直接具有仿真功能,将单片
机的易用性推向一个新的高度。选用该芯片作为本
系统的核心控制元件,不需再外扩展任何存储设备,
且能高效率、快速运行计算。
A/D转换器选用TI公司的TLV2543串行ADC
芯片,它具有11路模拟输入通道、10 ns的转换速
度、内部片上时钟,采样精度达到12位,外部提供的
时钟最高可达4.1 MHz,能提供较高精度且多通道
的数据采集功能。完全可以满足液压冲击器高频率
工作的要求。另外,该芯片外部接口电路简单,设计
和调试都非常容易。
考虑到液压冲击器的特殊工作环境,选用了抗
干扰能力强的点阵式字符型液晶显示模块对冲击器
的工作情况和参数输入情况进行显示和监控,本控
制系统显示模块选用内部集成HD44780控制器的
字符型液晶显示模块(LCM),液晶控制器HD44780
是字符型液晶显示器的代表,同时具有功耗低、抗干
扰能力强等优点。键盘设计选用矩阵式中断扫描键
盘,利用中断方式,无按键按下时,CPU处理其他工
作而不必进行键的扫描;有键被按下时,通过硬件电
路向CPU申请键盘中断,在键盘中断服务程序中完
成键盘处理,以此提高CPU的效率满足液压冲击器
高频率工作的要求。
(2)信号的传输过程
压力变送器采集氮气室压力信号,为了保证较
远距离传送信号的精度,变送器输出信号的标准为
4~20 mADC,而一般单片机应用系统信号输出只是
电压信号,它能处理的也只有电压信号,因此输出信
号先经电流-电压转换后传给A/D转换电路,A/D
转换器把输入信号进行模数转换,输送给单片机主
控板,单片机对信号作相应处理,并由定时器/计数
器T0和T1通过中断方式输出两路脉宽控制信号,
经由施密特反相器、光电耦合器和并联的施密特反
相器作光电隔离处理后,传至放大电路处理,放大电
路将5 V、5 mA信号放大到12 V、2.6 A后驱动高速
开关阀工作。
3 计算机控制模块软件设计
对控制模块软件设计是为了达到对冲击频率和
单次冲击能的自适应调节2个目的,本文的设计思
想是以压力变送器传来的压力信号为依据去控制2
个高速开关阀的启闭时间。控制模块软件的主要任
务包括系统初始化、处理接口命令、驱动执行模块、
处理键盘命令以及完成显示等,因此软件程序包括
主程序及冲击控制子程序、A/D采样子程序、键盘中
断处理程序和显示子程序等;冲击控制子程序主要
通过定时器/计数器中断方式完成,主程序与控制子
程序流程见图3与图4。
在主程序中,当控制电路板上电后,系统初始
化,进入监控状态,并清理内部存储单元,开放外部
中断,控制系统先不输出控制信号,保持进油、回油
锥阀处于开放状态,一旦检测接到键盘中断发出的
开始运行命令后,进入到控制子程序循环中,开放定
时器中断,启动定时器/计数器T0并设置好初始值
(初始值满足定时时间较短),置单片机相应信号输
出引脚分别为高/低电平,关闭进油锥阀,开放回油
锥阀,冲击器开始回程加速运动;定时器反复中断进
入中断处理程序,每次中断过程中执行A/D采样子
程序获取氮气室压力信号,当氮气室压力pN一旦
等于或大于预设换向压力pNC时,定时器/计数器T0
关闭,启动定时器/计数器T1,信号输出引脚电压置
反,开放进油锥阀,关闭回油锥阀,开始回程减速运
动和冲程运动,在接后的运运过程中,单片机将采集
到的氮气室压力进行比较,直到出现最小值,冲击活
塞已经完成打击钢钎的运动,此后会出现反弹,在反
弹阶段,单片机利用采集到的氮气压力计算反弹速
度,并记录下最大反弹速度且以此为依据查表修改
下一周期的氮气室换向压力。定时结束后关闭定时
器T1,对相应变量重新赋值或修改后启动定时器
T0,开始下一周期运动。当有结束运动的外部中断
命令信号输入时,退出控制子程序,进入监控状态。
4 结语
在压力反馈原理的基础上,对液压冲击器的液
压控制系统、计算机控制硬件模块、软件模块作了详
细设计,液压控制系统中引入高速开关阀、逻辑插装
锥阀共同组成液压冲击器的换向阀块系统,且该阀
块的换向时间由计算机控制,消除基于传统行程反
馈原理的换向阀带来的各种不足;计算机硬件用单
片机作为核心控制元件,与信号采集电路、人机交互
电路和信号输出电路共同协调完成硬件系统工作;
软件模块实时采集和处理各种工况下的压力反馈信
号,并据此调节液压控制系统的回程时间和冲程时
间。实验表明基于上述控制模块的机电液一体化液
压冲击器可以根据工作对象的物理性质,自适应调
节冲击频率和单次冲击能,实现液压冲击器的智能
化、柔性化工作。了解上述控制系统的设计思路,
对液压冲击器的智能化研发有重要的意义。
参考文献:
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