智能型路面冷铣刨机的发展方向及设计分析
长沙中联重工科技发展股份有限公司 喻 钢/YU Gang 尹苟保/YIN Goubao
谢长宇/XIE Changyu 陈 兵/CHEN Bing
中国人民解放军国防科技大学 罗武胜LUO Wusheng
1 问题的提出
随着微处理器技术、传感技术、液压集成技术的飞速发展以及在路面冷铣刨机中的应用，路面冷铣刨机的控制功能和工作精度得到大幅提高。由纵、横坡传感装置、电比例装置（控制阀）、深度控制装置（微处理器）组成的带负反馈的深度及自动调平闭环控制系统，可使铣刨后的路面平整度误差控制在±3mm之内。由速度传感器、微处理器、电比例变量泵、两点变量马达、全电子马达管理系统组成的行驶驱动系统，可实现发动机极限载荷下的自动功率控制（自动功率调节）。发动机内嵌式传感装置可在低温下实现小循环快速启动以及将机油压力、发动机温度、转数、液压油温、油位度等参数直接读取并显示于仪表盘上。但是，考虑到路面冷铣刨机施工工况的复杂性以及对施工效率、施工精度、施工安全性的进一步追求，现有路面冷铣刨机尚存在许多不足之处：
(1)多点操作、多位操作、多人操作，操作界面不集中，操作安全性不强，劳动强度大；
(2)作业时工况监测能力差，机器故障预警及自动化保护能力有限。由于故障诊断和故障排除占用时间长，造成有效作业时间短；
(3)铣刨轨迹人为控制，不能按设定路线形成闭环控制。铣刨深度普遍采用仿形铣削，不能完全满足各种施工要求；
(4)输送皮带的排料速度不能自动地适应铣削废料的输送要求；
(5)铣削速度与铣削深度无自适应性控制，易产生刀具干涉铣削，造成刀具的非正常磨损；
(6)不能自动避开路基金属障碍物进行铣削施工。
诸如以上不足，路面冷铣刨机只有通过智能化技术提升方能弥补以上不足。
2 发展方向
智能型路面冷铣刨机的发展目标主要是针对其施工效率、施工质量、施工安全性、施工经济性以及提高机器使用性能而进行。通过引入数字控制技术和网络控制技术，形成基于CAN总线的多微处理器系统，采取人机界面、集中控制、集中显示和故障自诊断模式，重点开发智能行驶驱动系统、发动机电子监测和管理系统、智能型专家故障诊断系统和多微处理器系统。拟解决的主要技术问题是基于数字网络控制技术的整机智能化控制，其中包括：自动实现铣刨机功率分配；自动避开金属障碍物进行安全铣削施工；建立铣削速度与铣削深度的自适应性控制；建立输料皮带排料速度与铣削量的自适应性控制；各主要工作机构（含发动机）工况参数的可视化数字式实时监控；智能故障诊断专家系统软件，并以图文形式显示故障部位，提出最佳或最快的排除故障方案；铣刨机行驶驱动和极限载荷调节的专家系统软件的开发与应用；有线和无线通讯口（用于集群控制和远程监控等）的开发与应用等。
3 设计分析
3.1 基于CAN总线的全数字网络控制方框图(图1)
图中：
工作控制器和行走控制器采用带有双CAN总线接口的控制器，CAN2.0B分别与发动机控制器J1939总线和深度控制器的CAN总线接口。
工作控制器控制方框图如图2：
3.1.1 工作控制器主要完成：
(1)输料皮带排料速度与铣削量的自适应性控制
针对排料的不畅（铣刨仓内积料过多）而引起的铣刨鼓尾门刮刀阻力增大，通过检测集料高度，经微控制器实现输料皮带速度的自适应控制(图3)。
(2)自动避开路基金属障碍物进行安全铣削施工
通过金属探测装置探测到路面或路基金属障碍物后，经微控制器改变铣刨深度的设定值为负，将铣刨鼓升起，并根据铣刨机行驶速度适当延时，待铣刨鼓避开路基金属障碍物后，恢复原铣刨深度的设定值继续工作(图4)。
通过CAN总线与发动机控制器通讯，实时监控发动机的工况参数并获取故障码。
3.1.2 行走控制器主要完成：
铣刨机的行驶驱动控制与深度控制器的通讯及整机故障诊断信息的获取；铣刨机在转场时，通过温度开关检测前行走马达的温度，控制行驶速度，以保护行走马达。
3.1.3 触目显示屏：
作为可视人机对话界面，在作业前，驾驶员按图文提示设定参数，如行走轨迹、工作速度、路质、铣削深度，选择切深控制方式并完成“自动对刀”的基准设定后，即可启动自动铣刨作业程序，由微控制器控制如低压水喷淋、铣削进给、深度找平、输料皮带的加/减速等。
无线通讯模块，用于集群控制和远程监控等。
3.2 智能行驶驱动系统
该系统研究的主要内容包含发动机极限载荷下的自动功率控制（自动实现铣刨机最佳功率分配）、建立铣削速度与铣削深度的自适应性控制。
3.2.1 发动机极限载荷下的自动功率控制
现代路面冷铣刨机普遍采用逆铣（图5），在铣刨施工作业时，最理想的工作状况是铣刨机工作在极限载荷状态，即发动机输出最大的负荷功率以提供给机器的行驶系统、铣刨系统、输料系统及其它系统。其功率消耗：
Pz ≥ P1 + P2 + P3 + P4 （1）
Pz——铣刨机最大输出总功率
P1——铣刨机行驶系统消耗功率
P2——铣刨机铣刨系统消耗功率
P3——铣刨机输料系统消耗功率
P4——铣刨机其它系统消耗功率
在目前的铣刨机施工时，由于铣刨深度的变化范围较大，行驶速度完全靠操作人员的经验来控制，很难使铣刨机工作在最大的输出总功率状态。行驶速度偏小时，因铣刨进给速度偏小导致铣刨系统、输料系统的消耗功率偏小，铣刨机提供的功率达不到最大值，处于“大马拉小车”的状态；行驶速度偏大时，因铣刨进给速度太快,机器功率超过极限，导致铣刨鼓转速下降，铣刨刀具异常磨损，发动机掉速，严重时将使发动机闷车熄火。
行驶驱动极限载荷调节系统以发动机的转速棗功率曲线为理论依据，将铣刨机发动机转速作为主要监控对象，经过中央控制单元的运算处理，控制行驶驱动机构，自动调节铣刨前进速度，从而调节行驶、铣刨、输料等各系统载荷，使铣刨机工作在最大输出功率（或极限载荷）状态，系统的功能框图见图6。
系统可实现铣刨机作业过程中对行驶、铣刨、输料等各系统载荷的自动分配调节，使铣刨机处于最佳的功率输出状态，以最佳的铣刨速度作业，缩短铣刨施工作业时间，减少铣刨机和相关配套设备的工作时间、能耗和尾气排放量；同时可防止因铣刨路面路质变化、异常物料等原因导致的行驶阻力突变，造成行驶系统、铣刨系统消耗功率突然增大造成的发动机闷车熄火、铣刨刀头异常损耗、铣刨鼓耦合皮带打滑磨损、行驶履带打滑磨损等非正常损耗，延长机器使用寿命。
3.2.2 建立铣削速度与铣削深度的自适应性控制
现代路面冷铣刨机多为滚切式逆铣，具有一次走刀铣刨深、速度快的特点。对与防干涉铣削，铣刨鼓系统参数的设计均已成熟，但尚无对应于一定铣刨深度下的最大铣刨速度自动控制，致使干涉铣削现象非常严重。通过对铣刨特性的运动分析和求解，从理论上推导出防干涉铣削时，铣刨深度与最大铣刨速度的数学关系式，首次发现铣刨深度下的最大铣刨速度自动控制可解决铣刨鼓结构设计所不能彻底解决的刀具干涉铣削现象。
铣刨鼓进行铣刨时，刀尖的切削轨迹为旋轮线，其方程描述为：
x = vt + r sinωt
y = r(1-cosωt) （2）
式中：ω—角速度 ω=2πn / 60
v —铣刨机工作速度 m/nim ;
铣刨深度与最大铣刨速度的数学关系式为：
2πnrL刀cosλ
Vmax≤ m/nim (3)
1000［2πr sinθ - L刀cos（θ+λ）］
式中：n——铣刨鼓转数nim-1;
r——铣刨半径mm;
λ——入地角;
h——对应于的铣刨深度mm；
θ——对应于铣刨深度下的铣刨鼓转角；
β——刀尖绝对速度与水平的夹角；
α——刀具轴线与水平的夹角；
L刀——出刀长度
以上述理论上的推导发明为基础，将计算得到的任意铣刨深度下的最大铣刨行驶速度专业数据库内嵌于中央处理单元内。通过实时检测铣刨深度值，调取数据库内相应的最大铣刨行驶速度值，经过运算处理，输出控制指令，限制该铣刨深度下的最大行驶速度，以达到防干涉铣削，延长刀具使用寿命的目的(图7)。
3.3 故障自诊断系统
由于铣刨机结构复杂，故障查找困难，维修保养不便，因此，在铣刨机的智能化研究中，引入专家故障自诊断技术对铣刨机进行有效的开机前检查、工作时的实时状态监控和故障诊断是很有必要的。当系统出现异常时，提前预警并提供解决方案，当铣刨机发生故障时，快速诊断故障原因，缩短排查时间、减小生产损失。无疑，它能提高劳动生产率，提高产品质量，降低生产成本和能耗，具有重要的经济效益。
根据铣刨机的结构特点，故障诊断系统的研制主要包括如下几方面的内容：铣刨鼓的状态监测与故障诊断、大功率柴油发动机的状态监测与故障诊断、液压系统的状态监测与故障诊断、故障诊断辅助决策软件设计。这几方面的内容并非相互孤立，三个并行的状态监测和故障诊断子系统将有关监测数据或故障诊断结果传送至微控制器，实施集中辅助决策和显示，以便与用户友好交互。
系统总体框图如图8所示：
4 结 论
通过以上分析，明确了智能型路面冷铣刨机的开发与应用应朝着提高施工效率、施工质量、施工安全性、施工经济性以及提高机器使用性能的方向而发展。人机界面操纵模式、各主要机构的智能化故障诊断、基于CAN总线的多微处理器网络控制、各种工况下的智能化行驶驱动和安全铣削是路面冷铣刨机智能化发展的主题。行驶驱动的智能化控制、发动机工况参数的实时监测和故障自诊断以及无线通讯模块的开发与应用不仅仅是对路面冷铣刨机单机的智能化水平的提升，还将对推动整个自行式工程机械的智能化技术进步，对智能化单机作业和机群的程序化作业均有显著的现实意义和深远的历史意义。
