液压挖掘机技术研究的发展现状

1 机器人化挖掘机的研究        为延伸人类在复杂、恶劣、危险环境中的作业，世界各国对机器人化挖掘机研发工作非常重视，国外在这方面研究比较早,较为典型的有： (1) Carnegie Mellon大学的自主装载系统(Autonomous Loading System, ALS)[1][2] ALS 系统使用两个激光扫描测距仪，对卡车进行确认和准确定位、观测土壤表面情况、识别障碍物等。该系统还提出一种用于实时轨迹规划和执行复杂挖掘机器人运动的参数化控制方法。相同情况下，普通挖掘机熟练的操作手装满一卡车需要120秒，而使用该系统也少于150秒，完成一个装载循环的时间小于1分钟，与熟练的操作手的操作速度基本相当。因此该系统能满足连续重复挖掘装载的工况要求。 (2) 澳大利亚机器人中心(Australian Center of Field Robotics, ACFR)的自主挖掘研究[3] ACFR 挖掘机项目的最终目标是实现全自动挖掘任务，如自动装载和挖掘，其所解决的问题可归纳为以下三类：挖掘任务规划、传感和计算、控制，其实验挖掘机是 Komatsu PC05-7微型液压挖掘机。使用滑模控制(Sliding Mode Control) 来实现挖掘机的力与位置控制。实验结果表明，ACFR的自主挖掘机轨迹精度在20cm以内，对于液压系统的非线性，及系统的不确定性有较好的鲁棒性。 (3) 英国兰卡斯特大学的智能挖掘机 (Lancaster University Computerized Intelligent Excavator，LUCIE)[4]        LUCIE 将小型挖掘机进行了改造，配备Danfoss电液比例阀，由3块堆栈式PC104计算机控制，并用精度为25mm的GPS导航与定位，激光扫描器用于探测干涉和了解环境。LUCIE在没有人干预的情况下能适应各种土壤和障碍。其高层控制系统为含有人工智能挖掘规则的“行为管理器”；底层控制器则控制电液比例阀，使工作装置能够正确的运动。 (4） 国内机器人化挖掘机的研究       国内在这方面研究相对较迟，浙江大学冯培恩教授从80年代开始率先着手研究挖掘机机电一体化技术，首先实现挖掘机器人作业过程的分级规划和局部自主控制[5]。但是他们在任务规划层面上只停留在仿真阶段，还没有提出显著的实现方案。20世纪末由戴炬负责的863计划项目“挖掘机器人工作装置控制系统研究与开发”，以挖掘臂轨迹和工作循环的自动/半自动控制为目标，开发研制相应的控制装置,安装在挖掘机上形成挖掘机器人产品，研制一台挖掘机器人功能样机。湖南山河智能机械股份有限公司(以下简称山河智能)研究的机电一体化挖掘机，具有激光高程定位、图形导引、自动轨迹控制[6]（水平挖掘、坡度挖掘、挖掘深度控制）等功能，将挖掘机的自动化研究推向实用化，在2005年上海国际工业博览会与2006年巴黎INTERMAT展览会上赢得观众青睐。

2 遥控挖掘机的研究       世界各国对用于各种场合机器人遥控系统的研发工作都非常重视，并取得了大量遥控机器人的研究成果。在80年代初，美国Kraft TeleRobtics公司和John Deer公司等都相继成功开发出遥控挖掘机。其中，比较典型的是John Deer公司的690CR型遥控液压挖掘机，该机无线遥控作业范围达1525米，也可以用同轴电缆在305米的范围内完成作业。控制台包括图像/声音接收器，以及为处理输入信号所需要的译码装置，这类挖掘机遥控系统可以对被控车辆的工作状态借助摄像机，将有关图像传递给操作者。但事实上由于工程车辆工作现场环境恶劣，灰尘量大摄像头容易被遮挡，故障诊断监控系统的信息却未能真正反馈给操纵人员，从而影响了正常工作效果。        1983年3月，日本小松制作所以PC200-2型液压挖掘机为基本机型进行遥控挖掘机研制，实现了各工作装置的微动控制和复合动作的无线电操纵。改装成功后的PC200R-2型挖掘机可以进入恶劣环境、救灾工程等危险现场并利用无线遥控操作进行作业。该系统没有进行双向数据通讯，出现较大意外负载的情况不能及时被遥控操作者所发现，采用伺服电机驱动耗电量较大，本身不具备自调节功能而影响正常工作。        德国HBC公司于1987年研制成功应用于工程车辆领域的工业无线电遥控装置，这种遥控装置采用了先进的数字化通讯技术，传输的比例控制信号安全、可靠、实用。近年来，HBC对于矿山机械、混凝土泵车、随车起重机和移动式汽车起重机等工程机械提出了一系列无线遥控作业的解决方案。 浙江大学在1996年初研制成了一种结构简单、价格低廉的液压挖掘机近距离无线遥控系统，该系统遥控半径在20米左右，通过目视观测进行遥控作业完成简单作业。中南大学与山河智能合作也在无线遥控、GPS/GPRS、无线网络远程监控等方面进行研究，目前的无线遥控半径为100米左右。        目前国内外已有利用GPS/GPRS技术将远程挖掘机的工作状态数据传送到服务中心进行分析处理,由车载数据采集及发送系统、无线网络传输系统、服务控制系统组成挖掘机远程实时监控与故障诊断系统的专利申请[7]。

3 挖掘机节能技术的研究        液压挖掘机作为一种灵活的多功能工程机械，节能性一直是其追求的目标。传统工程机械的能量利用率较低，仅为20％左右，目前“节能”是世界工业发展的一个重要方向。各大公司均把“节能技术”作为科技重点发展目标，以提高其产品在世界市场上的竞争力[8]。在技术上，一方面对液压系统及液压元件进行改善 [9]。另一方面，从功率链的思想出发，研究分析发动机与泵、液压系统与负载的功率匹配问题，从而达到整机功率的优化设置[10]。        进入80年代后，美、日、德等国在液压系统节能的基础上，纷纷开始研制电子节能的液压挖掘机。如日本小松公司开发研制的新型节能控制器（OLSS系统），可使燃油节省 23％；日立公司对UH16型挖掘机的动力系统实施电子控制，生产效率提高20％，使其燃料消耗降低12～18%；美国卡特彼勒公司采用的卡特电子功率控制系统，能够平衡发动机功率和泵的输出，在大幅度提高生产率的同时能使发动机功率的98%转换为液压能[11][12]。80年代末期，三档功率预选模式节能控制系统的出现，使系统平均节能效果提高20％左右[13]。其后日立的电子负载传感ELLE系统，以及德国利勃海尔公司在1990年推出的942型挖掘机，可获得全部的液压功率，起到较好的节能效果[14]。目前，以微机或微处理器为核心的电子控制系统在国外液压挖掘机中应用相当普及，并已成为现代高性能液压挖掘机不可缺少的组成部分。

4：振动挖掘机理研究

       国内吉林工业大学殷涌光、王国强等人研究发现采用二维振动切削土壤不仅可大幅度降低插入阻力,而且可大幅度降低能耗。在影响功耗的各参数中,插入速度对功耗的影响最为显著,其次是频率,再次是振幅。