基于Automation Studio的湿喷机机电液联合仿真模型构建方法

何军，阳星，张军，王树民，申小军，杜雨，李崇

(1.中交一公局集团，陕西西安 710608； 2.长安大学工程机械学院,陕西西安 710064)

0 前言

混凝土湿喷台车是一种用于隧道建设中的专用设备，该设备将预拌好的混凝土高速喷射到受喷面,快速凝结形成混凝土支护层，适用于中小隧道全断面开挖以及台阶法开挖的混凝土喷射支护作业，同时也广泛应用于隧道、煤炭、铁路以及水利等多个领域。现有湿喷机均采用人工操作，高速高压喷射的水凝混凝土产生大量尘埃，严重影响人身健康；同时湿喷机的施工质量受人为经验影响。因此，迫切需要开展湿喷台车的智能化控制研究，建立标准化施工方法，以确保施工质量、提高施工效率及安全性。

为实现隧道施工的机械化，已有大量研究集中于改善湿喷机的性能。杨波和王顺提出在主油缸活塞端增加感应套，根据感应套位移控制泵的排量来降低液压冲击，并通过AMESim建模与仿真分析验证了这种主动控制方法的可行性，为泵送液压系统的设计提供了参考。胡仕成等利用Gambit软件对湿喷机喷嘴内流体进行三维建模,对湿喷机喷嘴流场进行仿真分析,通过混凝土喷射试验验证了仿真计算的正确性与合理性，为喷嘴结构的改进与优化提供依据。刘亚东等利用ADAMS分别对机械臂的刚性模型和刚柔耦合模型进行了动力学分析,对湿喷机机械臂喷枪振动特性进行了研究,研究结果对湿喷机机械臂的设计有积极作用，同时为机械臂末端的轨迹规划和机械臂的疲劳分析提供了参考。杨道龙等通过Fluent软件对影响喷射性能的因素进行仿真分析，并进行了井下文丘里湿喷机喷嘴位置的仿真模拟及试验，得到文丘里喷射器喷嘴位置是影响喷射性能的关键因素；通过试验得到符合湿喷机生产能力要求的喷射器距离壁面位置及流量。李魁等人以混凝土湿喷台车臂架系统中的小臂系统为研究对象,通过ANSYS Workbench对其小臂系统进行有限元分析,得出在危险工况下小臂系统受力情况和应力集中区域，并根据结果给出优化改进方案。现有的研究集中在对其结构、振动特性及喷嘴工作效果等方面进行分析及优化，缺少针对湿喷机智能化控制实现及仿真建模的研究。

兰天安提出了智能环境感知的湿喷机控制系统的方法，利用环境感知传感器获得隧道外形状态，从而进行精确喷涂，然而并未针对环境感知、湿喷机机构控制等进行详细分析。Automation Studio软件可有效将机械、液压和电气进行联合仿真，实现设备的智能化控制。梁伟和崔贵生通过Automation Studio软件建立飞机旋翼折叠系统液压电气仿真模型，实现了对该系统工作原理及运行情况的动态展示。王松岩等通过Automation Studio软件建立履带牵引式换带装置液压系统模型，以对其液压系统动态特性进行研究，验证该系统动力及安全性是否满足需求。刘春生等建立了电液比例方向阀与电磁阀调高系统的控制器模型,采用MATLAB/Simulink与Automation Studio软件联合仿真的方法,分析其系统工作动态特性，为采煤滚筒调高控制系统的设计提供了参考。现有Automation Studio软件仿真研究集中在液压系统的建模分析以及优化方面，与对象机械模型结合建立机电液一体化仿真模型的研究较少。

为实现湿喷机的智能化控制，本文作者以机械臂为对象，构建机械臂的3D模型、液压模型和控制系统，利用Automation Studio软件平台进行机电液联合仿真模型构建，并进行电气、液压、机械联合仿真，为后续湿喷机的智能化设计提供参考。

1 湿喷机工作原理

1.1 湿喷机的组成

湿喷机工作时能将液压能转化为机械能带动活塞杆运动,通过臂架装置的液压缸动作调整喷嘴方向与位置，同时将混凝土从料斗输送至喷嘴处后喷出到指定作业位置处。

湿喷机主要组成部分包括泵送装置、底盘及动力系统、臂架喷头装置、液压系统、电气控制系统等。其臂架装置主要由支座、大臂、中臂、小臂及喷头组成。由液压缸伸缩来控制大臂俯仰与伸缩，中臂俯仰、小臂摆动与伸缩及喷头的回转实现对臂架装置姿态及朝向的控制。湿喷机装置结构如图1所示。

图1 湿喷机整体结构

湿喷机液压系统分为臂架回路和支腿回路。其中,臂架回路由九联多路阀控制多个双向液压缸和回转马达组成，使它能控制机械臂完成大臂伸缩、臂架回转、大臂俯仰、小臂伸缩、小臂俯仰、小臂摆动以及机械臂喷头360°回转等动作。在部分油缸上加入缓冲补油回路，以减少突然变向带来的冲击。液压原理如图2所示。

图2 臂架液压原理

1.2 湿喷机喷涂要求

以前隧道开挖时常采用爆破法开拓隧道，随后采用混凝土湿喷机对爆破后隧道的实际壁面进行混凝土喷洒，使爆破后不规则的隧道壁面达到预期设计要求，为后续衬砌施工提供基础面。混凝土喷涂常用人工方法进行施工，如图3所示。

图3 湿喷机工作现场

随着传感器技术的发展，隧道喷涂量可通过传感器感知获得。图4所示为文中提出的隧道喷涂面感知和判断方法。将3D lidar安装在湿喷机上，可实时感知隧道实际壁面，通过点云数据的后处理可以与隧道设计壁面建立联系，获得隧道壁每处的实际喷涂料量。

图4 智能化湿喷工作示意

2 联合仿真模型建模方法

2.1 湿喷机机械臂液压模型的构建

根据湿喷机机械臂液压原理，在Automation Studio中建立其液压仿真模型。在臂架液压回路仿真模型中，承担控制功能的是九联多路阀，但Automation Studio自带资源库中没有该元件。因此，需要启用Automation Studio的自定义功能，以完成九联多路阀的构建。参考九联多路阀，将标准图中的三位四通阀修改为三位十三通的电液比例阀，以此阀组成九联多路阀，作为臂架液压回路的控制元件。

由于教育版Automation Studio软件对仿真元件的数目有所限制，在保证臂架液压回路基本功能的前提下对它进行简化，将元件缩减到可以进行热仿真的数目。臂架需要完成的功能有：大臂伸缩、大臂俯仰、小臂伸缩、小臂俯仰、小臂摆动以及喷头回转和喷嘴摆动这七大动作，即在液压回路上需要5个液压缸以及2个回转马达来完成相应的动作。作为控制元件的九联多路阀可以替换为数个三位四通阀，以实现对液压缸与液压马达的控制。基于以上分析，对液压原理图进行简化，简化后的液压模型如图5所示。

图5 简化后的液压仿真模型

2.2 机械臂的3D建模

作为机电液联合仿真中最基础最重要的一部分，3D模型必须完备地建立各个组件，以保证其功能的完整性，并且应该在各个组件之间设定合理的约束，为控制各组件的运动提供便利。在建立3D模型之后，进行3D组件与液压模型的关联，以期实现机液联合运动。完成3D仿真模型的设计并成功与液压模型关联对保证仿真试验的成功起着至关重要的作用。

本文作者采用在Creo中预先创建3D模型，之后将它导入Automation Studio的3D编辑器中进行后续操作，实现机械臂的机械模型构建。

根据湿喷机机械臂装置的实际材料尺寸及连接方式对其零构件进行三维建模再组装成装配件。

将Creo的三维模型保存为IGES文件，并在后续的IGES文件导出时选“曲面”和“所有零件”，然后导入到Automation Studio软件中。

在Creo中预先建立的3D模型共有209个零件，分别导入会极大地增加不必要的工作量。因此，以运动的不同约束为分界，将3D模型分拆为支座、大臂俯仰油缸、大臂伸缩机构、中臂俯仰油缸、中臂折叠油缸、折叠四杆机构、小臂伸缩机构、喷头回转机构、喷嘴摆动机构这九大子模型。将子模型分别导入到Automation Studio软件中，并需对模型的约束条件进行设置。先分别设定子模型内约束，如表1所示；然后，设定各子模型之间的约束，如表2所示；完成3D模型的拆分建立。当整体约束设置完成后，在Automation Studio软件中呈现如图6所示的3D模型。

表1 子模型内部约束

表2 子模型之间的约束

图6 Automation Studio软件中的机械臂3D模型

2.3 3D模型与液压模型的关联

在完成3D模型自身的约束设置后，将3D模型中相应组件的运动与先前创建的液压模型中液压缸或阀的运动相关联，是仿真中至关重要的步骤。在Automation Studio软件中，对与液压原理图相对应的三维零部件的“组件属性”进行设置，使它与相对应的液压元器件相关联。

在完成基础的液压仿真原理图和3D模型建立之后，为保证仿真的真实性，需要参照实际对各液压元件进行参数设定，以使仿真结果更加真实有效。具体参数如表3所示。

表3 液压元件参数设置

2.4 电控系统模型

为控制臂架完成各种动作，需要电气控制元件控制各液压缸和液压马达，即控制液压系统中的换向阀。在已构建的臂架液压模型中，有7个控制液压执行机构的三位四通换向阀，因此控制系统的任务就是对7个三位四通换向阀进行控制。在Automation Studio中JIC标准电气控制元件库选择元件，构建电气控制回路仿真模型。电气原理图以大臂俯仰部分为例，如图7所示。

图7 部分电气原理

3 湿喷机臂架联合仿真试验

3.1 机液联合仿真功能试验

在完成臂架的液压回路建模和臂架3D模型导入，并将两者相关联后，为检验液压仿真模型、臂架3D模型两者的关联是否能达到预期效果，进行臂架的机液联合仿真动作。

在已建立的液压模型中，液压缸和马达的动作由三位四通电液比例换向阀控制，此试验中设置7个操纵杆来控制7个电液比例换向阀，以完成臂架的机液联合仿真功能验证。试验操作界面如图8所示。

图8 机液联合仿真试验操作界面

试验过程中，通过依次控制各油缸对应的液压元件，实现模拟机械臂在正常工作中的伸出动作过程。通过观察电液比例换向阀以及相应3D模型的联动，验证液压控制效果及模型动作的正确性。机械臂动作如图9所示。

图9 机液联合仿真模型动作过程

3.2 机电液联合仿真试验

在完成电气控制原理图的绘制以及导入后，进行机电液联合仿真。为方便验证机电液联合仿真模型的功能，设计简单的人机界面，将电气原理图中的常开开关和常闭开关与人机界面按钮相关联。

通过操纵人机界面，观察机电液联合仿真模型是否有相应动作，从而验证机电液联合仿真模型的真实性。

操作人机界面，按照正常工作情况使机械臂完全伸出，依次执行大臂扬起并伸出、小臂摆动、小臂伸出及喷头回转等动作，机电液联合仿真动作如图10所示。

图10 机电液联合仿真模型动作过程图

4 结论

(1)在Creo中构建了湿喷机臂架模型，通过模型简化与设置各部件模型约束，采用IGES模型文件在Automation Studio软件中建立了臂架的3D模型；

(2)利用Automation Studio软件的液压和控制功能，构建了湿喷机的液压模型与控制模型，并分别进行了机液仿真、机电液联合仿真，实现了湿喷台车既定轨迹的功能控制；

(3)提出了湿喷机的智能化喷涂控制方法，并采用Automation Studio软件构建了湿喷机臂架的机电液联合仿真模型，验证了湿喷台车智能控制方法的正确性。后续将研究如何与3D lidar结合，实现隧道施工面的环境感知与湿喷机的轨迹智能控制，提升隧道施工的施工质量。