谢英俊　权少帅　王玉龙　王宁　李冕　王涛

【摘 要】针对现有公路养护车在自动化程度不高、设备集成度低和施工效率差等问题，本文提出设计一种自动化程度较高的智能公路养护车，通过设计一种养护车机械手，在机械手末端设计集成切割、铣刨和灌缝等功能的可转位养护机具，切割和铣刨等功能采用同一个动力源，通过机械手可以操作末端连接的可转位养护机具，利用PLC控制器整个养护过程控制。

【关键词】公路养护车;功能原理;机械手

中图分类号： U418.4+3文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）17-0178-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.17.084

Design of Intelligent Highway Maintenance Vehicle and Control System

XIE Ying-jun QUAN Shao-shuai WANG Yu-long WANG Ning LI Mian WANG Tao

（Institute of Mechanical Engineering ， Baoji Shaanxi 721016， China）

【Abstract】Aiming at the problems of low automation， low integration of equipment and poor construction efficiency of existing highway maintenance vehicles， this paper proposes to design an intelligent highway maintenance vehicle with high automation. Through designing a maintenance vehicle manipulator， an indexable maintenance machine integrating cutting， milling and seam filling functions is designed at the end of the manipulator. The cutting and milling functions use the same power source. The indexable maintenance machine connected at the end can be operated by the manipulator， and the whole maintenance process is controlled by PLC controller.

【Key words】Road maintenance vehicle; Functional principle; Manipulator

0 前言

2013年國务院批准了《国家公路网规划（2013年―2030年）》，到2018年，我国公路总里程达到477.35万公里，是1984年末的5.2倍，里程规模居世界第一，其中，高速公路里程13.65万公里，依然位居世界第一位，比美国的高速公路里程多近3万公里。随着这些已经修筑公路通车年限的增加，大批量公路即将进入养护阶段，据有关数字统计，我国每年有12%的公路需要翻修和养护，旧沥青废弃量高达每年240万吨之巨，而且这个数字以每年15%的速度增长。为了减少养护过程中的环境污染，2018年交通部和省交通厅印发《关于进一步加强公路养护工程项目环境保护工作的通知》陕交函〔2018〕1102号，通知明确要求采用机械化设备提高养护效率，养护过程严格按照“绿色、循环、低碳”的原则，在此背景下，开发一种可视化可转位多功能公路养护车机器人，能适应我国养护需求，同时，对降低工人劳动强度、改善作业条件、减少环境污染都具有一定实际意义。

1 公路养护车控制系统总体设计

图1为所设计公路养护车总体功能示意图。废料粉碎回收装置是由“废料收集斗”“废料输送带”和“上料装置”和“废料粉碎桶”四部分组成。切割和铣刨产生的废料通过“水平废料输送带”和“上料装置”送给“粉碎装置”，在“粉碎装置”中进行粉碎，粉碎之后的废料进入图中的“混合料加热搅拌系统”，在“混合料加热搅拌系统”中加入沥青、加热、充分拌合，重新利用。当需要养护坑槽时，图中的机械手带动可转位养护设备旋转，使切割刀片与地面垂直，切割刀片沿着坑槽切出铣刨范围，然后PLC控制器控制可转位养护设备旋转，使铣刨工作面与地面平行，沿着切割的区域铣刨出坑槽，PLC控制器再次控制可转位养护设备旋转，通过吹风和灌缝功能，清理坑槽并向坑槽表面喷洒沥青，通过“车尾混合料出料槽”将拌合好的混合料输送到坑槽，利用“车尾压实滚轮”对填入的混合料来回压实即可[1-3]。

当需要养护裂缝时，图1中的机械手带动可转位养护设备旋转，使吹风工作面与地面平行，启动高压空气清理裂缝杂物，然后通过可转位养护设备上的灌缝工作面，灌缝即可。对于宽度较大的裂缝，通过可转位养护设备上的切割工作面，扩缝后再灌缝，达到最好的养护效果。

1.车头驾驶仓 2.搅拌装置 3.上料装置 4.粉碎装置 5.沥青加热箱 6.转台 7.操作室 8.一节机械臂 9.二节臂液压缸 10.二节机械臂 11.三节臂液压缸 12.三节机械臂 13.切割工作面 14.铣刨工作面 15.灌缝工作面 16.可转位集成养护机具17.一节臂液压缸  18.废料收集斗 19.车尾混合料出料槽 20.压实装置 21.混合料输送带 22.车架 23.公路 24.空气升温加压装置 25.发电机 26.储料箱 27.废料输送带28.常温沥青箱 29.回转箱体 30.固定箱体 31.电机 32.混合料送料槽进料斗

此外，在图中“可转位养护设备”的每个工作面上，都设有图像传感器和位置传感器等监测元件，通过图中的“显示器”、“PLC工业控制器”和“操纵键盘”，可以对当前养护区域的工作情况，进行现场监测和现场控制，显示器可以对关键参数和信息进行显示。图中附属功能和设备主要包括发电机组和照明等。最终得到养护车总体布局简图2所示。

2 公路养护车控制系统设计

图3为控制系统硬件总体结构图，本文设计的公路养护车要求实现自动养护功能，故被控信号较多，硬件方面采用专门为工程机械设计的EPEC3G+CAN模块，其中EPEC2023控制器和EPEC2025显示器都是芬兰EPECOY公司开发的第三代CAN控制系统模块，能够长期正常工作在恶劣的环境下，保证作业的安全性和可靠性。受EPEC2023控制器I/O端口数量限制，因此项目在CAN总线上扩展I/O端口以满足控制系统需要，具体是采用三个电压输出型E1044 I/O端口扩展卡。EPEC2023控制器的基本工作原理与普通的可编程PLC控制器的工作原理是相同，它还具有将比例放大器、输入输出模块、可编程逻辑控制器等功能集合在一起的优点，是工程机械的专用控制器。EPEC2025显示器有着较高的安全可靠性，它将目前先进的总线、计算机和嵌入技术融合在一起，这也就相当于一台微型电脑，通过CAN总线与其他的模块进行数据的交换。CAN总线I/O扩展卡有两种型号，分别是电压输出型E1044和继电器输出型E1044-RELAY，而本文中选用前者。扩展卡支持CAN2.0协议，通讯速率1Mbps，数据位16位，标准帧传输[4-6]。

3 小结

本文在可转位养护机具上集成铣刨、切割、灌缝等多种功能，相比于传统在养护车上配置小型铣刨机、切割机和灌缝机的办法，本文设计采用一个的动力源，同时给铣刨和切割装置提供动力的方案，不但节约了冗余动力源的成本，而且集成后设备体积更小，通过机械手对其操作更加简易，同时施工过程中最大限度的降低了起吊养护设备时存在的安全隐患，施工过程更加安全快捷，施工过程自动化程度更高，也使工人远离了恶劣的施工环境。

【参考文献】

[1]张军，张卫亮，李銳等.青藏地区沥青路面多功能养护车吊臂的设计[J].广西大学学报.2014.39（02）：287-293.

[2]马骉，毛雪松，叶敏等.一种高海拔低温地区沥青路面快速多功能养护车：中国，CN103088746A[P].2013-5-8.

[3]杨士敏.高等级公路养护机械[M].北京：机械工业出版社，2003：9-33

[4]侯珍秀.机械系统设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2015：16-40.

[5]吴振彪.工业机器人[M].武汉：华中科技大学出版社，2006：33-40.

[6]张卫亮.青藏地区冷补沥青混合料多功能养护设备设计与研究[D].西安：长安大学.2013.