专利名称：沥青摊铺机的数字式自动找平装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于摊铺沥青路面的沥青摊铺机的数字式自动找平装置。
背景技术：
目前用于沥青路面施工的沥青摊铺机的自动找平系统是现代沥青摊铺机的关键核心技术，其性能的好坏直接影响着沥青路面的沥青铺层的平整度。现有的自动找平系统按照调节原理有以下几种结构型式，开关式、电液(或机液)伺服式、电液比例式和脉冲比例式开关式调节是自动找平系统最早采用的方式，此种系统虽然简单、可靠而价廉，但由于死区大、灵敏度低、静态和动态调节精度都较差，已经逐步被其他调节方式所淘汰。
电液伺服和电液比例调节都是连续式的调节方式，因而没有死区，不会在零点附近发生振动，动态响应速率高，但价格贵，抗污染能力差，对工作环境的要求高，其中电液伺服系统的响应性能最好，但价位最高，抗污染性也最差。
20世纪70年代出现了脉宽调制和脉频调制的脉冲比例式自动找平系统，这种调节方式采用与开关调节方式相同的电磁阀来控制压力油的供给，但以一系列脉冲序列的方式将压力油提供给熨平板牵引臂铰点的执行液压缸，并使脉冲的宽度或频率与偏差信号的大小成比例，这样，提供给执行液压缸的流量将随着偏差信号的减小而减少，至零点(中位)附近时，流量已经很小，因而由超调引起的振荡将大大减小，亦即它的死区可大大缩小。作为第三代的脉宽(脉频)自动找平系统它兼有了开关式调节系统简单、可靠的优点，又可在死区之外像电液比例系统那样按比例进行调节，因而在沥青摊铺机上获得了广泛应用，直至目前世界上绝大部分沥青摊铺机采用的都是脉冲比例式的自动找平系统。但是，目前通用的脉冲比例式自动找平系统也还存在着一些缺点，主要是
1、普通的电磁阀的响应频率通常只有3至4Hz，这就限制了脉宽调制的最小脉宽或脉频调节的最高频率，从而影响其响应速度的进一步提高和死区的进一步缩小；2、脉宽和脉频调制采用的都是模拟电路，存在着诸如抗干扰能力弱、稳定性、可靠性相对较差等模拟电路共同的缺点；3、在调节过程中脉宽或频率是按传感器所检测到的偏差信号大小成比例给出的，亦即是按线性规律来控制的，无法根据调节过程的进展采用不同的控制规律，因而很难兼顾提高响应速度、减小稳态误差、降低超调和振荡等不同要求。
近几年来在美国布鲁诺克斯公司、德国阿佩格公司等摊铺机上开始采用以电脑为核心的数字式控制器，但在电磁阀和控制规律上仍然沿用普通电磁阀和脉宽调制的方法，脉冲频率只有3至4Hz，控制规律仍为比例控制。
发明内容
本实用新型的目的是要解决现有的沥青摊铺机的自动找平系统，响应速度慢，抗干扰能力弱、稳定性、可靠性相对较差的缺点，而提供一种采用脉码调制方法和设有高速数字阀控制的沥青摊铺机的数字式自动找平装置。该装置具有30至50Hz的调制频率并可灵活应用不同控制规律(例如非线性的控制规律、脉频与脉宽调制组合的控制规律等)，以获得优良的控制性能，同时又具有结构简单、抗污染与抗干扰能力强、工作可靠、价廉等特点。
本实用新型的目的是这样实现的，一种沥青摊铺机的数字式自动找平装置，包括检测传感器、液压源、执行油缸、熨平板牵引臂、熨平板、活塞、滑杆；所述的液压源设置在摊铺机上；在摊铺机上两侧设有执行油缸，执行油缸内设有活塞，所述的熨平板牵引臂有左右两个，其一端与设在两侧的执行油缸中的活塞通过转轴活动连接；另一端与熨平板连接；所述的检测传感器有两个，分别设在两熨平板牵引臂上；检测传感器上设有滑杆，该滑杆搁置在距地面一定高度的基准线上；其特点是，还包括一脉码调制控制器和一高速数字液压阀控制油路；所述的脉码调制控制器的输入端通过电缆线与检侧传感器连接，其输出端与高速数字液压阀线圈连接；所述的高速数字液压阀控制油路有两条，分别与液压源的输出端连接。
上述的沥青摊铺机数字式自动找平装置，其中，所述的高速数字液压阀控制油路包括四个高速数字液压阀、两个液压锁及两个执行油缸；四个高速数字液压阀的回油口与分别与油箱的回油口连接；其进油口分别与分流阀的两个出油口连接；其出油口分别与两个液压锁输入端连接；两个液压锁的输出端分别与两个执行油缸的上腔、下腔连接；高速数字液压阀向熨平板牵引臂铰点的执行油缸的上腔或下腔以脉冲序列的方式提供液压油，推动熨平板牵引臂铰点的执行油缸活塞上、下运动。
上述的沥青摊铺机的数字式自动找平装置，其中，所述的脉码调制控制器由采样编码模块、编码保持模块、分级译码模块、控制脉冲发生模块、或门输出模块，依次串联连接构成；采样编码模块的输入端通过电缆与检测传感器连接；或门输出模块与高速数字液压阀的线圈连接。
本实用新型与现有技术相比，具有明显的优点和效果1、本实用新型由于设有脉码调制控制器、高速数字液压阀控制油路，与普通的脉宽调制和脉频调制的开关式自动找平系统相比可以大大提高其响应速度和缩小死区的范围，使其性能接近连续式的调节系统，但其价格却比通常的电液伺服和电液比例系统要便宜得多，而接近于开关式调节系统的价位，具有十分良好的性能价格比。
2、本实用新型由于采用脉码调制方法，抗干扰能力强、工作可靠、稳定。
3、本实用新型由于设有脉码调制控制器、高速数字液压阀控制油路，可以按任意给定的控制规律来控制熨平板牵引臂铰点油缸活塞的上、下运动，从而可根据调节过程的进展采用不同的控制策略，以兼顾提高响应速率、减小稳态误差、降低超调和振荡等相互有矛盾的要求。
本实用新型的具体结构由以下实施例及其附图进一步给出。
图1是本实用新型沥青摊铺机的数字式自动找平装置的结构示意图。
图2是本实用新型沥青摊铺机的数字式自动找平装置的控制原理框图。
图3是本实用新型沥青摊铺机的数字式自动找平装置的液压源传动示意图。
图4是本实用新型沥青摊铺机的数字式自动找平装置的脉码调制数字控制器的程序模块框图。
图5是本实用新型型沥青摊铺机的数字式自动找平装置的脉码调制的采样编码原理图。
图6是本实用新型型沥青摊铺机的数字式自动找平装置的采用PLC实现编码保持和分级译码的编程原理图。
图7是本实用新型型沥青摊铺机的数字式自动找平装置的采用PLC实现控制脉冲发生的原理图。
图8是本实用新型型沥青摊铺机的数字式自动找平装置的采用PLC实现控制脉冲波形图。
图9是本实用新型型沥青摊铺机的数字式自动找平装置的非线性脉频调制原理图。
图10是本实用新型型沥青摊铺机的数字式自动找平装置的或门继电器输出电路原理图。
图11是本实用新型型沥青摊铺机的数字式自动找平装置的数字控制器软件程序流程图。
具体实施方式
请参见图1、图2，沥青摊铺机的数字式自动找平装置，包括检测传感器1、脉码调制控制器2、高速数字液压阀3、液压源4、执行油缸5、熨平板牵引臂6、熨平板7、活塞51、滑杆8；液压源4设置在摊铺机9上；在摊铺机9上两侧设有执行油缸5A、5B，在执行油缸5A、5B内设有活塞51A、51B，两个熨平板牵引臂6A、6B一端与设在两侧的执行油缸中的活塞51A、51B通过转轴活动连接；两个熨平板牵引臂6的另一端与熨平板7连接；两个检测传感器1分别设在两熨平板牵引臂6上；脉码调制控制器2的输入端通过电缆线与检侧传感器1连接，其输出端与高速数字液压阀3连接；检测传感器1上设有滑杆，该滑杆搁置在距地面一定高度的基准线A上。
请参见图3，在液压源4的主油路中依次串联连接油箱41的吸油口A、粗滤清器42、液压泵43、细滤清器44；细滤清器44一端连接分流阀45的进油口，其另一端并接溢流阀46，并通过溢流阀与油箱41的回油口B连接；分流阀45的出油口端分别与两对高速数字液压阀31、32和33、34的进油口连接；高速数字液压阀控制油路有两条，该控制油路包括高速数字液压阀31、32、33、34，液压锁47A、47B，执行油缸5A、5B；高速数字液压阀31、32、33、34的回油口分别与油箱41的回油口C、D连接；高速数字液压阀31、32、33、34的进油口分别与分流阀的两个出油口连接，其出油口则分别与液压锁47A、47B的输入端连接，液压锁47A、47B的输出端分别与执行油缸5A、5B的上腔、下腔连接；高速数字液压阀31、32、33、34向熨平板牵引臂铰点(牵引点)的执行油缸5A、5B的上腔或下腔以脉冲序列的方式提供液压油，推动熨平板牵引点的执行油缸活塞51A、51B上、下运动。
熨平板仰角变化的偏差信号由安装在熨平板牵引臂上的传感器通过其搭在基准线上的滑杆来感知。熨平板仰角的变化来源于牵引点和熨平板两方面的干扰牵引点的干扰是由于摊铺机行走在不平整的支承面上引起的；熨平板的干扰则是由于破坏了作用在熨平板上各外力之间的平衡关系而引起的。由安装在熨平板牵引臂6上的检测传感器1监测到的仰角的偏差信号通过脉码调制控制器2用脉码调制的方式按一定的控制规律调制成一系列控制脉冲序列，输出给开关式高速数字液压阀3，将液压源4提供的液压油以高速交替开关的方式断续地输给熨平板牵引臂牵引点执行油缸5，通过熨平板牵引臂牵引点的执行油缸5的活塞51的抬升或下降使熨平板7恢复原来设定的仰角。
在主油路中安装有细滤器，并经分流阀将液压油分两路以相等的流量提供给左、右牵引臂的牵引点油缸的控制油路。在控制油路中安装有四个高速数字液压阀，分别用来控制熨平板左、右牵引臂牵引点提升油缸的上腔和下腔的进油量。高速数字液压阀是一种开关频率可高达30至50Hz的高速电磁液压阀，它们可根据输给电磁阀线圈的脉冲序列，按给定的控制规律来控制牵引点提升油缸的进油量。在控制油路中还装有二个液压锁用来防止牵引点油缸由于系统泄漏而引起的位移，油路中还装有溢流阀用来调定主油路的油压。
请参见图4，脉码调制控制器2由采样编码模块21、编码保持模块22、分级译码模块23、控制脉冲发生模块24、或门输出模块25，依次串联连接构成；采样编码模块21的输入端通过电缆与检测传感器1连接；或门输出模块25与高速数字液压阀3连接。
脉码调制数字控制器2中的采样编码模块的功能是根据脉码调制的原理将传感器1检测到的偏差信号进行采样并编制成二进制码；编码保持模块是将二进制编码保持至刷新输出脉冲序列，以便有时间进行随后的译码、生成控制脉冲等项工作；分级译码模块的功能是将偏差信号电压可能变化的范围分成若干等级，每一等级对应于按给定控制规律要求的脉冲序列，分级译码模块将当前提供的二进制码翻译成调用与其偏差信号电平等级相当的发生要求脉冲序列子程序的指令；控制脉冲发生模块是一系列产生不同脉冲序列的子程序，它们按给定的控制规律(线性的或非线性的，脉宽比例、脉频比例或复合的等等)预先进行编程，每一子程序对应于某一偏差信号电压的等级；或门输出模块采取或门逻辑对外输出高速数字液压阀线圈可以接受的控制信号。
请参见图5，脉码调制的采样原理在图5中作了进一步说明。在图5中传感器输入的偏差信号电压范围0至10v，采用8位A/D转换器进行采样，舍弃最低位，这样可将偏差电压分成128级，每级的间隔为0.07874v。当摊铺机浮动熨平板的仰角发生变化时，安装在熨平板牵引臂上的传感器会输出一偏差信号电压，这一电压随着自动调节过程的进展将逐步减小至接近零的死区。在这一变化过程中偏差信号电压每一瞬时的大小将被A/D转换器编制成二进制码，并被随后的编码保持模块锁定下来。
请参见图6，利用PLC来实现编码保持和分级译码的原理在图6所示的PLC梯形编程图中可得到进一步的说明(以日本欧姆龙公司的C系列P型机为例)。图中8位A/D转换器的前7位输出端(舍弃最低位以减少级数)通过晶体管开关与PLC的0001至0007输入继电器相接，并将采样信号寄存在内部继电器1001至1007内，由于PLC是按扫描周期进行工作的，在整个扫描周期内保持着代表输出采样电压的7位二进制码。如选用带A/D转换器的PLC，则转换的结果将以二进制码的形式贮存在输入继电器的内部通道01的低8位内，即0100~0107内，可用数据传送指令读取至指定的通道中，例如内部继电器CH10(1000~1007)或保持继电器HR1(HR100~HR107)等。译码过程就是将内部继电器1001至1007的不同状态(ON或OFF)串联组成一个与输入二进制码通断状态相反的继电器通道，并让它驱动一产生控制脉冲的子程序。在图6中将A/D转换电压的范围，例如0~10v，分为128级(相当于十进制数从0、2、4、6…254)，每级间隔为0.07874v，其中值5v与自动找平系统的零偏差相对应，最大值10v与+20mm(+20.15871mm)的正向最大偏差相对应，而0v则与-20mm(-20.15871mm)的负向最大偏差相对应。这样从0~10v间的每一级电压均对应于某一级正向或负向的传感器滑杆的位移偏差，亦即将位移偏差相应分为±64级，每级间隔为0.31746mm。同时将±20mm的位移偏差范围划分为正向恒速区(+20~+10mm)、正向脉冲区(+10~0mm)、负向脉冲区(0~-10mm)、负向恒速区(-10~-20mm)等四个范围，与它们相对应的电压分级则为127~96、95~64、63~32、31~0。在译码过程中可以用减少代表二进制码位数的串联继电器数量或加入一由外部控制的输入继电器来断开二进制码的输出，以加大偏差信号的分级间隔而减少它的分级数。在图6中的二个恒速区，即0~31级和96~127级的范围内不论输入电压为多大均要求电磁阀的左端或右端线圈电路闭合，所以只需用代表8位和7位(高位)的二个常闭触点(0~31级)和二个常开触点(96~127级)即可将恒速区与脉冲区的二进制码区别开来。由于死区的范围要求可作调节，在图6中采用了对在死区附近的60~67(±4级)所代表的二进制码的串联继电器中再串接一由外部控制器件控制的输入继电器0009、0010、0011、0012来断开或闭合这些二进制码的输出电路，以达到加大或减小死区范围的目的。
请参见图7，配合参见图8，控制脉冲由专门的子程序产生，每一二进制码对应一个控制脉冲子程序，它们由成对的互锁指令组IL和ILC来调用(图7)。图7还显示了由两个定时器来产生控制脉冲的电路，它们分别用两个定时器TIM01和TIM02来控制一个脉冲周期中间歇段和的脉冲段的宽度。在保持脉冲段和间歇段宽度之和不变(脉冲周期不变)的条件下，改变脉冲段宽度与间歇段宽度之比，即可改变脉冲周期的占空比，实现脉宽调制。在保持脉冲宽度不变的条件下，改变脉冲周期间歇段的宽度，即可改变脉冲的频率，实现脉频调制。脉宽或脉频随位移偏差大小而变化的规律可以按任意的线性或非线性的函数来设计。此时可预先根据要求的控制函数计算出与每一级偏差信号相对应的脉宽或脉频的数值，然后将它们设置到与每一级偏差信号相对应的产生控制脉冲的子程序电路的两个定时器中去从而实现所要求的线性或非线性的控制策略。
请参见图9，是一种按指数函数进行非线性脉频调制的例子。图中当偏差信号≥A时脉冲周期的间歇段宽度Tr等于零，进行恒速调节。当偏差信号＜A时则进入脉冲调节区，脉冲段宽度Tp＝const，而间隙段宽度Tr的大小按指数函数(y＝Ae-aTr)进行调节，在刚进入脉冲调节区(偏差信号y稍小于A)时，间歇段宽度Tr的增加速率很小，亦即频率变化较慢，而随着偏差x信号的减少，频率的减小愈来愈快，当偏差信号减少至死区前一级时，频率达到设定的最小值fmin(Tr＝Tr max)，进入死区后则停止调节(可视为周期等于无穷大)。
请参见图10，是或门输出电路，所有子程序的输出均并联到驱动牵引点油缸上腔或下腔高速电磁阀线圈的输出继电器上，从而实现按要求的规律来控制牵引点油缸的运动。
请参见图11，数字控制器软件程序的流程图在图9中作了进一步说明。
在使用时，当启动软件程序时先由初始化程序清除输入输出寄存器原来的内容，然后开始循环程序。当按照脉码调制原理编制好的代表偏差信号的二进制码输入后首先执行与脉冲区上限电平(二进制码)的比较指令，如果大于上限电平则进入上恒速调节区，此时输出信号驱动上腔数字液压阀将高压油输入牵引点提升油缸的上腔，使熨平板牵引臂牵引点下降。如小于上限电平则进一步与脉冲区下限电平(二进制码)进行比较，如果小于下限电平则进入下恒速调节区，此时输出信号驱动下腔数字液压阀将高压油输入牵引点提升油缸的下腔，使熨平板牵引臂牵引点提升。如输入的二进制码小于上限电平而大于下限电平则进入脉冲调节区。进入脉冲调节区的二进制码将沿着一系列与不同二进制码相对应的输出脉冲子程序进行扫描，以寻找一与之对应的输出脉冲子程序。这些子程序已事先根据输入的控制函数(控制规律)计算出控制脉冲的脉冲段和间歇段宽度。当输入的偏差信号二进制码与某一子程序相应时，该程序即对外输出给定脉冲和间歇宽度的控制脉冲以驱动相应的数字液压阀。与正偏差信号相应的各输出脉冲子程序驱动牵引点提升油缸的上腔数字液压阀，从而下降牵引臂牵引点；与负偏差信号相应的各输出脉冲子程序则驱动牵引点提升油缸的下腔数字阀，从而提升牵引臂牵引点；与零电平附近相应的输出脉冲子程序则不输出任何控制脉冲而进入死区。牵引点的下降或提升将减少偏差信号的数值而输入新的二进制码，从而完成一次循环程序。这样周而复始地循环扫描直至偏差信号减少至进入死区。
综上所说，本实用新形设计新颍、合理，由于设有脉码调制控制器通过高速数字液压阀推动熨平板牵引点油缸活塞上、下运动，可提高响应速率、减少稳态误差、降低超调。
权利要求1.一种沥青摊铺机的数字式自动找平装置，包括检测传感器、液压源、执行油缸、熨平板牵引臂、熨平板、活塞、滑杆；所述的液压源设置在摊铺机上；在摊铺机上两侧设有执行油缸；执行油缸内设有活塞；所述的熨平板牵引臂有左右两个，其一端与设在两侧的执行油缸中的活塞通过转轴活动连接，另一端与熨平板连接；所述的检测传感器有两个，分别设在两熨平板牵引臂上；检测传感器上设有滑杆，该滑杆搁置在距地面一定高度的基准线上；其特征在于还包括一脉码调制控制器和一高速数字液压阀控制油路；所述的脉码调制控制器的输入端通过电缆线与检侧传感器连接，其输出端与高速数字液压阀线圈连接；所述的高速数字液压阀控制油路有两条，分别与液压源的输出端和执行油缸的上下腔连接。
2.根据权利要求1所述的沥青摊铺机数字式自动找平装置，其特征在于所述的高速数字液压阀控制油路包括四个高速数字液压阀、两个液压锁及两个执行油缸；四个高速数字液压阀的回油口分别与油箱的回油口连接；其进油口分别与分流阀的两个出油口连接，其出油口则与两个液压锁的输入端连接；两个液压锁的输出端分别与两个执行油缸的上腔、下腔连接；高速数字液压阀向熨平板牵引臂铰点的执行油缸的上腔或下腔以脉冲序列的方式提供液压油，推动熨平板牵引臂铰点的执行油缸的活塞上、下运动。
3.根据权利要求1所述的沥青摊铺机的数字式自动找平装置，其特征在于所述的脉码调制控制器由采样编码模块、编码保持模块、分级译码模块、控制脉冲发生模块、或门输出模块，依次串联连接构成；采样编码模块的输入端通过电缆与检测传感器连接；或门输出模块与高速数字液压阀的线圈连接。
专利摘要本实用新型涉及一种沥青摊铺机的数字式自动找平装置，液压源设置在摊铺机上；设在两侧的执行油缸内的活塞分别与两个熨平板牵引臂一端通过转轴活动连接；两个熨平板牵引臂的另一端与熨平板连接；两个检测传感器分别设在熨平板牵引臂上；检测传感器上设有的滑杆搁置在基准线上；其特点是，还包括一脉码调制控制器、高速数字液压阀控制油路；脉码调制控制器的输入端与检侧传感器连接，其输出端与高速数字液压阀的线圈连接；高速数字液压阀的出油口分别与左右执行油缸连接，其进油口则与液压源的输出端连接，脉码调制控制器通过高速数字液压阀推动执行油缸活塞上、下运动，使熨平板仰角保持不变；本实用新型可提高响应速率、减少稳态误差、降低超调。
文档编号E01C19/00GK2579939SQ0226044
公开日2003年10月15日 申请日期2002年9月29日 优先权日2002年9月29日
发明者孙祖望, 张新荣 申请人:孙祖望