小松PC210LCi-10挖掘机测评

小松PC210LCi-10挖掘机测评
2014年的ConExpo上,小松展示了其智能机器控制技术的新成员——PC210LCi-10,并于当年11月正式将其推向市场.小松称其为世界上首款具有智能机器控制技术的挖掘机,而业界普遍认为这是一种半自动的智能挖掘机,具有小松革命性的机器控制和制导系统.那么,这款机器到底有多智能,怎样实现半自动的呢?

PC210LCi-10则主要通过集成和智能化控制来解决上述问题,出厂时就全面内置了各种组件,并通过智能控制系统自行控制机器,使得挖掘的精度与操作者的技能无关.
智能机器控制系统组成可以分为两部分,首先是和各种出厂后加装的机器控制系统相同或类似的部分:

GNSS天线
用于确定机器的坐标和高程,和出厂后加装的GNSS天线不同,PC210LCi-10的主、辅两个天线安装在驾驶室后方的扶手上,而不是用长长的专用杆安装在配重上,这样就减少了碰撞的风险.

行程传感器
动臂、斗杆和铲斗液压缸都内置了行程传感器,可以精确地测量液压缸行程(活塞杆长度)和速度,用于工作装置的控制和工作装置的位置计算.行程传感器还具有检测和修正因活塞杆膨胀和收缩引起的缸筒旋转和滑动功能.同时,该传感器动态响应优异,不会造成显示器上的边缘的摆动.

惯性测量单元(IMU)
IMU安装在机器主体框架内,可以检测机器的姿势,包括方向和角度,这保证了机器在坡道上工作时的精度.

大屏幕控制面板
12.1英寸的大屏幕触摸面板显示器像平板电脑一样可以显示各种信息,包括设计图纸、边界位置、机器3D鸟瞰图、指南针等,3D显示的视角和放大倍率可以改变,操作者可以选择工作的最佳视图,可以在"粗略"的整体视图或放大的"精细"视图中突出铲斗位置之间进行切换.操作者可以在屏幕上启动或终止机器控制功能.

上述部分可实现的功能与各种出厂后加装的机器控制系统相同,操作者可以直观地掌握设计边界和机器的距离并接受指导.下面是真正的机器控制部分:
电控工作阀
操作者的手柄操作通过控制液压先导阀来控制主阀,这在操作感觉上与普通机器相同.所不同的是,先导阀和主阀之间增加了电子压力控制(EPC)阀,EPC阀以电子方式控制先导压力以控制主阀.每个控制阀都安装有传感器,以精确地检测阀芯,确保控制流量的精确.

电子控制器
各组件的电信号被连接到控制器,并输出控制命令.通过通信网络可以连接到其他控制器,以获得所需的信息.

检测校准
工作设备的尺寸和各种传感器的精密检测校准都已在制造工厂完成.因此在一个工地,需要将使用的铲斗尺寸作为一个单独文件输入供智能机器控制系统使用.对于设计文件和铲斗文件,都可以使用USB存储器设备写入.如果有互联网接入,数据传输也可以更方便.
PC210LCi-10智能控制的原理并不复杂.在常规的机器控制操作中,操作者手动地进行操作,同时在屏幕上检查设计边界和铲斗刃板之间的位置关系.而在这款机器上,由于有电子控制器控制EPC阀的参与,在接近设计边界时,电子控制器会接管操作,操作者不用担心超挖.

自动停止控制
当进行动臂或铲斗操作时,控制器会根据传感器的信号持续计算铲斗刃板的位置、速度和方向,算出设计边界和铲斗刃板之间的距离.它根据先导压力来计算出铲斗刃板的速度,并计算出可允许速度与设计边界的距离关系.如果它判断控制干预是必要的,就会把目标速度通过几何学换算成每个液压缸的的目标速度,并通过控制EPC阀来控制先导压力,控制液压缸使得铲斗刃板速度降低到允许速度,并最终停在设计边界上.自动停止控制功能在挖掘开始时确定边界或用于测量时是非常有用的.

自动坡度协助
就像自动停止控制一样,当进行斗杆操作时,如果控制器判断需要干预,会自动输出动臂提升的命令来调整铲斗高度以贴合设计边界,同时也会降低斗杆的速度.自动坡度协助会根据操作者的斗杆操作量进行优化控制,涵盖了从对精度没有什么要求的粗挖到需要边行走边操作的精度,例如用铲斗底部进行平整的作业.

最短距离控制和面向角罗盘
当设计的边界是一个斜面,而机器又不能以正确的角度面对该斜面时,向下挖掘会影响开挖的质量,除非参照最接近设计边界的铲斗刃板激活控制干预.通过选择"最短距离",控制干预介入,受到控制区域不仅包括刃板,还包括铲斗底部和轮廓.在挖掘一个斜面的情况下,面向角罗盘功能会在屏幕上显示机器和设计边界之间的相对状态,这有助于改善可用性.
液压挖掘机通常会根据挖掘的物料更换铲斗,如果使用可倾斜铲斗,只需要增加一个倾角传感器就可以使用智能控制功能.如果铲斗重量发生变化,可以在控制面板上更改铲斗设置即可.如果不需要智能控制,只需要简单地切换一下,就可以只使用引导的功能.
显然,智能机器控制极大地提高了工作效率,不仅比未安装普通机器控制系统的机器效率高得多,相比那些出厂后安装机器控制系统的机器,由于操作时无须担心超挖而反复检查监视器,操作者可以集中精力有效地进行挖掘,效率得到了提高,而精度也不受操作技能影响.按照小松的说法,根据工作内容和条件的不同,使用智能机器控制的机器相比常规机器的工作时间可缩短20%~63%.
此外,由于该系统是小松与拓普康共同开发的,因此,该系统也很容易与拓普康的设备管理软件整合,方便地上传设计图纸,下载工作数据,发送消息,以及使用设备监控和远程诊断等功能.
尽管还没有具体数据,但小松期望PC210LCi-10给用户带来的投资回报率是18个月.目前,小松已经有了5个机型的智能控制推土机,智能控制挖掘机也会形成系列,比PC210LCi-10更大的智能控制挖掘机有望在1年以后出现.

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