CN101413279A - 机电一体化挖掘装载机及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电一体化挖掘装载机及控制方法，该挖掘装载机包括操作平台和机械臂机构；所述的机械臂机构包括下动臂、上动臂、斗杆和用于装卸铲斗或装载斗的快换装置；所述的下动臂、上动臂和斗杆均由各自的液压缸驱动；所述的斗杆和上动臂各设置有相互配合的斗杆安全紧锁装置；所述的斗杆和下动臂也各设置有相互配合的动臂安全紧锁装置；所述的机电一体化挖掘装载机上还设置有运动控制器；所述的运动控制器通过驱动装置与所述的液压缸连接。本机电一体化挖掘装载机区别于常见的标准挖掘装载机，具有挖掘机工作模式和装载机工作模式，并能够实现两种工作模式的自动切换。

Description

机电一体化挖掘装载机及控制方法

技术领域

本发明属于机电一体化领域，涉及一种挖掘装载机及控制方法。

背景技术

挖掘装载机俗称“两头忙”。因为它具有独特的构造，前端是装载装置，后端为挖掘装置。在工地内，您只需要转动一下座椅，即可完成从装载机到挖掘机操作手角色的转变。挖掘装载机主要用于城市和农村的公路建设及养护、电缆铺设、电力和机场工程、市政建设、农田水利建设、农村住宅建设、开山取石以及各种小型建筑队所从事的各种建筑施工工程。它可配多种工作装置及辅具，进行挖掘、铲装、路面破碎、平整场地、开挖沟渠、铺设管道等多种作业。

本文所涉及的挖掘装载机是一种全新的机械，不同于普通的“两头忙”，其两种工作装置并不是分别位于车体的两端，而是位于车体的一端，两种工作装置的切换是通过控制结构的变形(折叠或者打开)实现的，即该机器有两种工作模式：挖掘机工作模式、装载机工作模式。正常情况下，该机器为一款普通的液压挖掘机，根据施工需要，当需要装载功能时，控制系统会操作挖掘装置进行折叠，变形成为一款装载机。因此，它能够完成普通的“两头忙”的所有功能。但由于其装载机功能是在挖掘机底盘的基础上进行变形的，所以，与普通的“两头忙”相比较，其功能更为灵活和强大：一无需转动座椅，即可实现两种功能，二在装载机模式下，具有回转装载的功能，三挖掘时的视野更为宽阔；四在装载机模式下，具有偏转装载的功能。

随着该机器功能的多样化，其操作也相对较为复杂，操作者必须进行长时间的培训才能完成高质量的作业，具有较高的作业效率。因此提高该挖掘装载机的机电一体化程度，进而实现挖掘装载机的局部自动化，是解决上述问题最理想的方案。

发明内容

本发明要解决技术问题是针对现有装载机和挖掘机的缺点，提出了机电一体化挖掘装载机及控制方法，可以实现装载机和挖掘机两种工作模式的自动切换。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种机电一体化挖掘装载机，其特征在于，包括操作平台和机械臂机构；所述的操作平台与机械臂机构连接；

所述的机械臂机构包括下动臂、上动臂、斗杆和用于装卸铲斗或装载斗的快换装置；所述的下动臂、上动臂、斗杆和快换装置依次连接；所述的下动臂与操作平台连接；操作平台包括位于机体底部的车轮履带机构及驱动装置和位于车轮履带机构上的操作室；

所述的下动臂、上动臂和斗杆均由各自的液压缸驱动；

所述的斗杆靠近快换装置的一端、以及所述的上动臂靠近下动臂的一端各设置有相互配合的斗杆安全紧锁装置，斗杆安全紧锁装置主要包括：1)位于斗杆上靠近快换装置一端的销轴(13)，销轴(13)与斗杆为固结方式连接，不能发生任何相对位移；2)位于上动臂靠近下动臂的锁紧装置(12)，该锁紧装置(12)与销轴(13)配合使用，下动臂的锁紧装置(12)设计了预定位置(19)，当销轴(13)按设定的方向运动到预定位置(19)时，下动臂的锁紧装置(12)的销轴(20)(见图8中)伸出，锁紧销轴(13)，从而锁住斗杆，使斗杆与上动臂不能发生相对移动。

所述的下动臂靠近操纵台的一端设置有动臂安全紧锁装置；该动臂安全紧锁装置与所述的上动臂与斗杆的连接销轴(16)相互配合；(其在整机中的位置可以参见图1和图2)；该安全锁紧装置主要包括：1)上动臂与斗杆的联接销轴(16)，该销轴的端部开有沉头孔，2)下动臂靠近操纵台的安全紧锁装置(15)，该安全紧锁装置(15)与联接销轴16一起配合使用，构成上动臂的安全锁紧装置，当联接销轴(16)按照设定的运动方向运动到预定位置18(该位置可以参照图1与图2)时，锁紧销轴17动作，伸入到联接销轴16的沉头孔中，锁住上动臂。

所述的机电一体化挖掘装载机上还设置有运动控制器；所述的运动控制器通过驱动装置与所述的液压缸连接。每个液压缸均有对应的多位换向阀控制，而每个多位换向阀都有对应的先导阀控制，先导阀为电液比例阀，每个电液比例阀都由控制器相应的输出口控制，因此，运动控制器通过其输出口输出相应的数字量控制先导阀，不同的数字量对应不同的速度和力，从而控制多位换向阀的动作，最终实现对每个液压缸动作的控制。

所述的机电一体化挖掘装载机，还包括设置在上动臂上的上动臂倾角传感器、设置在下动臂上的下动臂倾角传感器、设置在斗杆上的斗杆倾角传感器、设置在铲斗上的铲斗倾角传感器，所述的上动臂倾角传感器、下动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器的输出端接所述运动控制器的输入端。

一种机电一体化挖掘装载机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用运动控制器的在线规划功能，确定挖掘装载机的目标轨迹，获得工作装置的运动序列，所述的工作装置为上动臂、下动臂、斗杆和铲斗或装载斗；

2)对序列中的起始点进行参数设置并得到PWM(脉宽调制)信号控制先导电液比例阀，再由先导电液比例阀控制主阀，驱动工作装置的各个液压缸动作；

3)利用上动臂倾角传感器、下动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器获取所述工作装置的位姿信息，并通过总线传输到运动控制器，运动控制器获取工作装置的新位姿信息后，与预定序列点的工作装置位姿进行比较，并通过自动控制器实时改变控制参数，经PWM输出得到实时修正的控制量，控制工作装置动作；

4)重复步骤3)，对每个序列点进行控制，直到完全实现预定轨迹的自动折叠和自动打开折叠功能，即从挖掘机模式自动转换到装载机模式，或从装载机模式通过自动打开功能转换成挖掘机模式。

所述的自动控制器采用自适应PID算法、神经网络控制算法、模糊算法或以上各种算法的结合。本专利所采用的自适应PID控制算法具体为专家自适应PID控制算法，其主要由模型参考自适应控制系统和可调系统构成，其中模型参考自适应控制系统由模型控制器和参考对象组成。可调系统由数字式的PID控制器和实际对象组成；既能自动辨识被控过程参数，适应被控过程参数的变化，又具有常规PID控制器的结构简单、鲁棒性好。

本发明的有益效果有：

1)在挖掘装载机上动臂、下动臂、斗杆、铲斗分别设置倾角传感器，可实时观测挖掘装载机的工作姿态，提供挖掘装载机工作装置的位置和姿态信息，方便操作者进行比较精确的作业，提高劳动生产率。

2)运动控制器与监控系统连接，监测系统可对系统主要参数进行监测、显示及报警，使操作者及时掌握挖掘装载机的工作状态。与运动控制器连接的显示器可实时显示机器工作时各个端口的数值，以便在机器发生故障时，快速便捷的找到故障位置并进行维修。

3)采用工作模式选择开关，采用智能位置PID进行控制，可根据工作装置的位姿实时改变PID算法，实现挖掘模式到装载机模式、装载机模式到挖掘机模式的自动切换，有效的降低操作复杂性，提高作业效率。

附图说明

图1，图2是本发明中传感器的安装结构图及该机型的挖掘机工作模式结构示意图；

图3-图7为整机从挖掘机模式转换为装载机模式的整个过程示意图；

图8是本发明中该机型的装载机工作模式；

图9是本发明的监控系统结构框图；

图10是本发明工作模式自动切换系统流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

参见图1，本机型处在挖掘机模式，此时挖掘装载机的工作装置下动臂1上设有倾角传感器2，上动臂3上设有倾角传感器4，斗杆5上设有倾角传感器6，铲斗7上设有的倾角传感器8，下动臂1、上动臂3、斗杆5、铲斗7分别由对应的动臂液压缸9、上动臂液压缸10、斗杆液压缸11、铲斗液压缸14进行驱动的。可以看出与常规挖掘机相比较，本发明中机器处于挖掘机模式时，其工作臂有四个自由度，而不同于标准挖掘机的三个自由度。

参见图8，本机型处在装载机工作模式，与图1相比较，是由图1的挖掘机工作臂机构经过折叠变形而来的，其工作原理简述如图3至图7所示的过程(为描绘得清晰，仅给出工作装置图)，首先，操纵快换装置21，卸掉挖掘铲斗7，开始折叠；图1中的斗杆液压缸11伸出，斗杆5向上动臂3的方向运动，其运动方向如图3箭头所示；斗杆5与上动臂3折叠在一起(如图4所示)，其中斗杆安全锁紧装置销轴13运动到斗杆锁紧装置12的预定位置19，如图4所示；其次，上动臂液压缸10缩回，斗杆5与上动臂3一起向下动臂1折叠，其运动方向如图4中箭头所示，其中动臂安全锁紧装置的销轴16运动到动臂锁紧装置15的预定位置18，到位后的状态如图5所示。此时，斗杆锁紧装置12的销轴20伸出(其伸出前后的状态可以通过对比图1和图8看出)，锁紧销轴13，从而锁住斗杆，使斗杆与上动臂不能发生相对移动；动臂锁紧装置的销轴17运动到销轴16的沉头孔中，锁住上动臂，使上动臂与下动臂之间不能发生相对移动。斗杆安全锁紧装置12锁住后状态见图8，动臂安全锁紧装置锁住后状态见图6(图6为图5的左视图，销轴17和销轴16的相对位置见放大部分)中的放大部分，其具体位置见图中的整机图1和图2。此时上动臂3、斗杆5均不再有动作，与原挖掘机模式的下动臂1折叠在一起，三者之间不能发生相对移动，如图5，6所示，整体作为装置机模式的动臂，其液压缸9仍为装载模式中动臂的驱动机构，驱动整体沿箭头所示方向运动，运动到如图7所示位置，通过再次操作快换装置21，将挖掘机的铲斗7更换成装载斗，其驱动机构保持不变。至此，完成工作模式的转变。而从装载模式转换成挖掘模式，其工作过程恰好是以上动作的相反过程。

参见图9，图9为本发明的监控系统组成框图。本发明的监控系统包括监控处理器、存储器、看门狗、显出屏、语音报警器、光电隔离电路、高速光电隔离电路、计数器、滤波器、通信电路、运动控制器、上动臂倾角传感器、下动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器、铲斗倾角传感器，监控处理器分别与存储器、看门狗、显出屏、语音报警器、计数器、滤波器、通信电路相连。光电隔离电路与滤波器相连，上动臂倾角传感器、下动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器、铲斗倾角传感器的位置信息经总线传输送到运动控制器，再经通信电路送到监控处理器，经处理后送显示屏显示。各种开关信号经光电隔离电路、滤波器后送到监控处理器进行处理。

本发明可实时显示机器工作时各个节点的压力、温度、液位数值，还可在一定程度上实现自动控制。实现了对系统主要参数的监测、显示及报警，包括：燃油液位、机油压力、水温、油温，电瓶电压低、发动机水温过高、燃油过低、滤清器堵塞、空滤异常、液压油油温过高、机油压力过低、机油油温过高、水位过低等。同时，监控处理器的故障诊断功能可实时显示机器工作时各个端口的数值，以便在机器发生故障时，快速便捷的找到故障位置并进行维修。

参见图10，图10为本发明中工作模式自动切换系统流程图。把挖掘模式的工作装置作为多自由度机器手来处理，利用安装在工作装置动臂1上的倾角传感器2、上动臂3上设有倾角传感器4，斗杆5上设有倾角传感器6，铲斗7上设有的倾角传感器8确定工作装置的位姿，四个倾角传感器的信号通过总线传输到机载的运动控制器，利用运动控制器的在线规划功能，在确定目标轨迹后，根据运动学及动力学规划获得工作装置即动臂1、上动臂3、斗杆5的运动序列，对序列中的一个点进行参数设置并得到PWM信号控制先导电液比例阀，再由先导电液比例阀控制主阀，驱动各个液压缸动作，并实时检测运动过程的误差形成反馈，由于机器工作装置惯性大、液压系统非线性强、控制模型参数不确定，根据工作装置的位姿并采用自适应PID算法实时改变控制参数，经PWM输出得到实时修正的控制量。工作装置的动作会引起三个倾角传感器的值发生变化并实时地通过总线进行传输，形成实时反馈，如此循环，对每个序列点进行如上控制，分别完成折叠过程(从挖掘机模式切换到装载机模式)、展开过程(从装载机模式切换到挖掘机模式)，只需按一个按钮就可实现工作模式的自动切换。

Claims (4)

1.一种机电一体化挖掘装载机，其特征在于，包括操作平台和机械臂机构；所述的操作平台与机械臂机构连接；

所述的机械臂机构包括下动臂、上动臂、斗杆和用于装卸铲斗或装载斗的快换装置；所述的下动臂、上动臂、斗杆和快换装置依次连接；所述的下动臂与操作平台连接；

所述的下动臂、上动臂和斗杆均由各自的液压缸驱动；

所述的斗杆靠近快换装置的一端、以及所述的上动臂靠近下动臂的一端各设置有相互配合的斗杆安全紧锁装置；

所述的下动臂靠近操纵台的一端设置有动臂安全紧锁装置；该动臂安全紧锁装置与所述的上动臂与斗杆的连接销轴相互配合；

所述的机电一体化挖掘装载机上还设置有运动控制器；所述的运动控制器通过驱动装置与所述的液压缸连接。

2.根据权利要求1所述的机电一体化挖掘装载机，其特征在于，还包括设置在下动臂上的下动臂倾角传感器、设置在上动臂上的上动臂倾角传感器、设置在斗杆上的斗杆倾角传感器、设置在铲斗上的铲斗倾角传感器，所述的下动臂倾角传感器、上动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器的输出端接所述运动控制器的输入端。

3.一种机电一体化挖掘装载机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)利用运动控制器的在线规划功能，确定挖掘装载机的目标轨迹，获得工作装置的运动序列，所述的工作装置为下动臂、上动臂、斗杆和铲斗或装载斗；

2)对序列中的起始点进行参数设置并得到PWM信号控制先导电液比例阀，再由先导电液比例阀控制主阀，驱动工作装置的各个液压缸动作；

3)利用上动臂倾角传感器、下动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器获取所述工作装置的位姿信息，并通过总线传输到运动控制器，运动控制器获取工作装置的新位姿信息后，与预定序列点的工作装置位姿进行比较，并通过自动控制器实时改变控制参数，经PWM输出得到实时修正的控制量，控制工作装置动作；

4)重复步骤3)，对每个序列点进行控制，直到完全实现预定轨迹的自动折叠和自动打开折叠功能，即从挖掘机模式自动转换到装载机模式，或从装载机模式通过自动打开功能转换成挖掘机模式。

4.根据权利要求3所述的机电一体化挖掘装载机的控制方法，其特征在于，所述的自动控制器采用自适应PID算法、神经网络控制算法、模糊算法或以上各种算法的结合。

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