CN102575453B - 移动式工作机及移动式工作机工作臂工作点调节的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有工作臂(4)调节装置(3)的移动式工作机(1)以及移动式工作机(1)的工作臂(4)的工作点调节方法。此处该具有工作臂(4)调节装置(3)的移动式工作机(1)包括工作臂，该工作臂第一端部(5)利用关节设置在工作机(1)上部车厢(6)上。工具(7)在工作点(10)处可活动设置在工作臂(4)的第二端部(8)上。至少一第一斜度传感器(9)设置在上部车厢(6)上，且至少一第二斜度传感器(11)设置在工作臂(4)上。此外，至少设计有一液压缸(12)，以对工作点(10)进行改变(ΔP)，其利用关节设置在上部车厢(6)与工作臂(4)之间。进一步地，设计有用于处理至少两个斜度传感器(9、11)的信号的调节设备(15)，以确定工作点(10)作为参考工作点(P₁)，且根据流入或流出液压缸(12)的体积流量(Q)，计算得到的油缸行程(s)，来算出工作点(10)位置变化量(ΔP)。

Description

移动式工作机及移动式工作机工作臂工作点调节的方法

技术领域

本发明涉及一种移动式工作机，例如挖掘机、具有附属装置的载重卡车（LKW）或农业或木材经营加工机械，其具有至少一个工作臂。所述工作机的工作臂也可具有多个用关节彼此互连的部分，其中工作臂的第一端部利用关节设置在工作机上部车厢上，工作臂的第二端部具有工具，如铲、爪或锤。

背景技术

工作臂以及尤其是作为工作点的工具的当前方位及位置常常在屏幕上显示给所述工作机的操作员，由此操作员处于如下状态，制定精密计划后来完成工作，对可获得的与工作机的工作点相关的，例如不稳定的松散物料或土壤或成型中或已成型的地基的高度、长度、深度或斜度，进行直接响应。

上述操作者显示方法可由例如专利DE20116666U1和US5854988A所熟知。

因此鉴于良好的升级改进能力，工具的工作点以及位置通常由斜度传感器来确定，其中至少第一斜度传感器设置在上部车厢上，第二斜度传感器设置在工作臂上。由工作臂和上部车厢的斜度，可计算工具或工作点的方位或位置。

由于使用基于惯性测量原理的传感器作为斜度传感器，例如对引力响应的摆体，该斜度传感器也会对由于震动或振动原因产生的加速度做出响应，上述震动或振动在使用上述工作机时会不可避免发生。尤其是安装的工具在加速或制动时会产生测量误差。该种以运动为条件的加速度会对工具的工作点的测定产生较大干扰，或有时就不可能实现。

但是在工具静止时可确定精确的参考值，在工作点变化开始以及结束时，通过斜度传感器在中控设备中进行分析，以该精确参考值来计算工作点的实际值。然而对于工作点调节，斜度传感器不适于跟踪调整工具的位置或工作点的变化，因为其仅仅在工作机静止时才可提供精确的测量值。

由其他技术领域可知，例如为了对机器人、飞行器或运输工具的位置进行调节，会使用以加速度为基础的斜度传感器及扭转速率传感器的组合。专利WO01/57474A1公开了一种上述方法，其采用了四元数表达法来计算工作点。该系统复杂性较高性，且费用较高。

发明内容

本发明的目的是，提供一种移动式工作机，其具有附加机器的用于位置识别及工作点调节装置，该附加机器用少量易于集成的元件实现了工作点的自动启动。本发明的另一目的为，提供一种上述工作点调节的方法。

根据本发明，上述目的通过按本发明的移动式工作机及移动式工作机工作臂工作点调节的方法来实现。按本发明的具有工作臂调节装置的移动式工作机包括：工作臂，其用第一端部利用关节设置在工作机上部车厢上；工具，其围绕工作点活动地设置在工作臂的第二端部上；至少一设置在上部车厢上的第一斜度传感器；至少一设置在工作臂上的第二斜度传感器；至少一液压缸，为改变工作点其利用关节设置在上部车厢与工作臂之间；控制设备，用于处理所述至少一个第一斜度传感器和所述至少一个第二斜度传感器的信号，以确定第一工作点作为参考工作点，且通过根据在相邻时间间隔至第二工作点流入或流出液压缸的体积流量，计算油缸行程，来算出工作点的位置变化，并在通过所述第一斜度传感器和所述第二斜度传感器查明实际位置的情况下，对变化的工作位置进行检查。一种按本发明的移动式工作机的工作臂的工作点调节方法，其中该方法包括如下方法步骤：a）利用至少一个第一斜度传感器和至少一个第二斜度传感器测量上部车厢以及利用第一端部通过关节设置在上部车厢上的工作臂的斜度；b）在考虑所测斜度的测量结果情况下，计算在工作臂的支撑工具的第二端部上的工作点的第一参考位置；c）在相邻时间间隔内，利用流入或流出用关节设置在上部车厢与工作臂之间的液压缸的液压体积流量，在预定的标准位置上对工作点位置进行改变；d）通过第一斜度传感器和第二斜度传感器查明实际位置的情况下，对变化的工作位置进行检查；e）多次执行步骤a）至d），以缩小标准位置与实际位置的差值。

根据本发明的移动式工作机，具有一个工作臂，该工作臂由第一端部利用关节设置在工作机的上部车厢上。工具活动地在工作臂的第二端部上设置工作点上。至少一第一斜度传感器设置在上部车厢上，至少一第二斜度传感器设置在工作臂上。此外设计有至少一个液压缸，该液压缸为了改变工作点位置，利用关节设置在上部车厢和工作臂之间。进一步地，设计有控制设备，用于处理至少两个斜度传感器的信号，来确定作为参考工作点的工作点，并利用流入或流出液压缸的体积流量通过计算油缸行程，来算出工作点位置变化量。

该移动式工作机的优点在于，利用简单的调节及测量组件，可通过测位置变换前作为参考位置，以及通过油缸行程在位置变化过程中监测实际位置，其中改变油缸行程得到新的实际位置，该实际位置在工作臂静止时可通过精确的定位位置进行检查，通过将精确测量的实际位置经反馈回路向控制设备反馈，使得与标准值的差值与实际位置和标准位置间的差值相一致。

因此对于调节装置仅仅设计至少两个斜度传感器。而位置变化所需的油缸行程可通过经时间采集或时间给定已知体积流量以及已知油缸测量尺寸来确定。从而以较低成本实现了对工作机工作臂位置变化的监测及调节。因此以简单少量的可集成元件可实现移动式工作机的附属装置的位置识别，且通过所提供的自动启动工作位置，可以有利的方式实现移动式工作机装卸效率的改善。

在本发明另一具有实施方式中，工作臂具有一定数量用关节彼此连接的部分。在此每一部分都配备有附加的液压缸，以便其相对于工作臂的其他的部分运动。此外工作臂的每一部分为了确定参考点，需要附加斜度传感器，对于该部分的位置变化可再次考虑使用油缸行程，油缸行程可利用相应的附加液压缸的体积流量计算。

在上部车厢与行走机构固定相连时，如拖拉机那样，利用根据本发明的组件可确定与拖拉机有关的工具的工作点。然而挖掘机情况下，上部车厢相对行走机构水平可旋转安装，因此在本发明进一步的实施方式中额外设计有旋转角度检测装置来测定工作点。与行走机构相对的上部车厢的上述旋转角度检测装置，目前以有利的方式，可实现在三维坐标系统中立体空间获取工作点及其位置变化量。

优选地，在初始静止状态可准确获取移动式工作机参考工作点以及也可通过液压缸获得位置变化的实际位置的斜度传感器，包括摆动体、可反射液面（refraktierendeFlüssigkeitsspiegel）、微型机械式或电导计式（konduktometrische）或电容作用式（kapazitivwirkende）结构。在此，可设计作为移动式工作机的挖掘机、具有前部装载装置的拖拉机、伸缩臂式装卸车、挖掘装载机、轮式装载机、木材机械、市政机械、农业机械和/或装卸起重机。

移动式工作机工作臂的工作点调节的方法，包括如下方法步骤。首先利用斜度传感器测量上部车厢以及利用第一末端由关节设置在上部车厢上的工作臂的斜度。然后在考虑已测斜度的测量结果情况下，计算在工作臂支撑工具的第二端部上的工作点的第一参考位置。最后，在相邻时间间隔内利用液压体积流量改变工作点位置到设定的标准位置处。然后在得出工作点的实际位置的情况下，由斜度传感器对位置变化进行检查。通过将实际位置与设定的工作臂应摆动的标准位置进行对比，以标准位置与实际位置之间的调节偏差形式得出差值，其然后通过多次重复上述第一遍的四个方法步骤来实现标准位置与实际位置的差值的缩小。

该方法的优点为，通过几次步骤的重复可实现实际位置接近到达标准位置，为精确到达预定的变化工作点，不需要进行复杂的计算或复杂的构造或复杂的测量技术。此外为计算工作点的位置变化，需要考虑已知的体积流量、有效活塞面积以及时间间隔。由位置变化需要的行程，可计算出油流及操作持续时间，并相应地操控工作机，以实现例如工作点的自动启动。第一个结果显示，使用根据本发明的方法变化的工作点可达到较高的位置精度。最后可通过重复步骤缩小实际位置与标准位置间的差值。

优选地，保存的变化的工作位置误差偏差存储在计算单元中，因此在位置变化过程中就已经考虑了误差偏差，以降低重新调整费用。

此外，可获得工作点的安全位置，利用教学方法（Teaching-Verfahrens）保存临界工作点，其不被具有工作臂的移动式工作机超过。进一步地，可获得固定的位置变化，并如此利用教学方法进行保存，不需要重新调整。

然而所有的方法变型中，重要的是，利用斜度传感器对各参考位置以及实际位置的测量是在移动式工作机以及工作臂的静止状态下进行的。

附图说明

现在结合附图对本发明进行进一步地说明。

图1示出了本发明第一实施方式的移动式工作机的示意图；

图2示出了本发明第二实施方式的移动式工作机的示意图；

图3示出了具有弯曲工作臂的移动式工作机工作点位置变化示意图；

图4示出了通过液压缸体积流量计算油缸行程的示意图，液压缸在油缸活塞前部及后部具有入口；

图5示出了移动式工作机工作臂的工作点实现位置变化的调节装置的线路框图。

具体实施方式

图1示出了本发明第一实施方式的移动式工作机的示意图。该工作机1为挖掘机，其在行走机构13上具有上部车厢6，其中上部车厢6可相对行走机构13以水平转角摆动。在上车厢6上设置具有工作臂4的附加装置22，其利用第一端部5以关节连接安装在上部车厢6上，在同时用作工作点10的第二端部8具有工具7，本具体实施方式中工具7为挖掘机铲24。

工作臂4以固定角度α弯曲，因此由彼此以角度α弯曲的工作臂4的边的长度l₁和l₂得到等效的工作臂长l₃。为了精确测量确定例如位置变化初始时的工作点10，上部车厢6具有第一斜度传感器9，工作臂4具有第二斜度传感器11。有工作臂4的几何形状，并利用斜度传感器9、11的斜度角，可精确得出移动式工作机1静止状态的工作点10的参考位置。

工作点10位置变化后，可再次得出工作机1静止状态中工作点10的实际值。位置变化过程中，其可在流入或流出液压缸12的液压流体变化的时间内，通过考虑体积流量（Volumenstroms）下油缸行程s来确定。该实际位置一方面在移动式工作机1静止状态时可再次通过斜度传感器9和11来准确确定，且与标准值的差值可重复通过多次位置改变以及确定改变位置后的实际位置来获得。

斜度传感器9、11的测量信号的分析送到控制设备15，其同时分析进入及流出液压缸12的体积流量，由此计算油缸行程s或活塞的行程，以在整个位置变化过程中连续地基于初始测得的工作点，来记录位置变化。工作点10位置变化后，在静止状态通过斜度传感器9、11可准确检查并确定工作点10的实际位置。通过确定调节偏差，实际值与标准值间的误差得到反复降低。

图2示出了根据本发明第二实施方式的移动式工作机2的示意图。该移动式工作机2为具有前部装载装置17的拖拉机16，其具有弯曲的工作臂4，其中工作臂4的边彼此间也存在角α，可由工作臂的弯曲边的长度l₁、l₂计算得出有效长度l₃。与图1具有相同功能的组件用同样的标记标出，不再进一步描述。与图1不同之处在于，此处上部车厢设置在行走机构13上，其不是相对于行走机构13，而是仅仅可随行走机构13转动。

图3示出了边长为l₁、l₂的弯曲工作臂的位置变化示意图，两边彼此间以角度α折弯，其中折点P₁在位置变化时向折点P₁′移动，以工作臂4的端点P₂为形式的工作点8向改变后的工作点8′或P₂′移动。因此位置变化后，作为参考角提供的斜度角β改变为斜度角β′，其中角度β、β′通过具有x轴及y轴的笛卡尔直角坐标系的横坐标设置。斜度角β表示机动车参照FREF与附加装置的参照REFAG间的差值。在斜度角β转移到斜度角β′的过程中，折点P₁向折点P₁′移动，其中折点P₁′的横坐标为P_1x=sinβ′·l₁，纵坐标为P_1y=cosβ′·l₁。

同时为工作点10的第二点P₂的位置改变，为向具有横坐标为P_2x=sinδ·l₃和纵坐标为P_2y=cosδ·l₃的点P₂′移动，其中长度l₃由公式l₃=l₁ ²+l₂ ²-2·l₁·l₂·cosα得出。角度δ由计算式δ=γ-β′得出，其中在涉及到刚性弯曲的工作臂4的情况下，γ=β，且不改变。然而如果工作臂4由两段组成，该两段可相当于工作臂4的弯曲边，则出现其他此处没有单独提到的角度和长度关系，但其任何时候都可由几何边界条件推导出来。因此角度β是实际上可为一个工作平面的机动车参照与和弯曲的工作臂4的第一边相关的附加装置的参照间的差值。图3因此清楚示出，在移动式工作机静止状态时利用斜度传感器，不但可在初始位置准确确定工作点变化，而且在终端位置也可准确确定工作点变化。

图4示出了通过由油缸活塞23前部或后部的入口E₁及E₂流向液压缸12的体积流量Q计算油缸行程s的示意图。在经孔E₁进入液压缸12的体积流量为Q₁时，因此有效活塞面积A₁为相当于缸体23的内直径D的圆面积，其结果为A₁=D²·P/4。由此活塞速度为v₁=Q₁/A₁，单位例如为cm/s。在经入口E₂向缸体12压入体积流量为Q₂时，因此活塞速度为v₂=Q₂/A₂，其中有效活塞面积A₂=(D₂ ²-d₂ ²)·P/4，相当于一个圆环。

因此根据体积流量是经入口E₁还是经入口E₂流入缸体12，相同的体积流量时产生不同的活塞速度。由于缸体速度V为活塞行程或缸体行程s除以t，即为v=s/t，体积速度为Q=v·A，因此Q=s·A/t，体积流量Q单位为cm³/s，时间t单位为s，面积A单位为cm²，得出相当于活塞行程的缸体行程为s=Q·t/A，由此可制成缸体特性曲线族，然后由特性曲线族获得缸体行程或活塞的运动行程。

因此在工作臂位置变化过程中，可持续跟踪工作点的变化，并对工作点改变的位置给出第一实际值，该改变的位置在工作机静止状态利用斜度传感器获取作为确定的实际值，则实际值与标准工作点间的差值作为调节量可进行反馈，以便移动式工作机的附加装置重复达到工作点的标准值。

图5示出了用于移动式工作机工作臂的工作点位置变化的调节装置3的线路框图。从控制台18中预先确定位置标准值P_s，移动式工作机的工作臂的工作点应围绕该位置标准值P_s变化。为此首先利用位置控制模块19得出参考位置P_ref，工作机的上部车厢上的以及工作臂上的斜度传感器9、11的测量值送入位置控制模块19中。

由该参考值P_ref同时经位置变化模块20，根据时间差Δt和体积流量Q得到位置变化量ΔP，并计算出第一位置实际值或第一调节量P_i1，其在移动式工作机静止状态时利用位置调节模块19进行控制并确定为P_i2，因此利用调节模块21实际值为P_i2的被控制的定位位置的偏差与标准值P_s进行对比，并经反馈回路25现在重新触发位置变化模块20，以便降低标准值P_s与精确的实际值P_i2间的差值。

附图标记列表：

1移动式工作机（1.第一实施方式）

2移动式工作机（2.第二实施方式）

3调节装置

4工作臂

5工作臂第一端部

6上部车厢

7工具

8工作臂第二端部

9第一斜度传感器

10工作点

11工作臂第二斜度传感器

12液压缸

13行走机构

14挖掘机

15控制设备

16拖拉机

17前部装载装置

18调节台

19位置控制模块

20位置变化模块

21调节模块

22附加装置

23油缸活塞

24挖掘机铲

25反馈回路

A₁Q₁有效活塞面积

A₂Q₂有效活塞面积

P_i实际位置

P_s标准位置

P₁参考工作点

P₁′第二工作点

ΔP位置差或位置变化

Q体积流量

s油缸行程

Δt时间差

ΔQ体积流量差。

Claims (13)

1.具有工作臂（4）调节装置（3）的移动式工作机，包括：

工作臂（4），其用第一端部（5）利用关节设置在工作机（1）上部车厢（6）上；

工具（7），其围绕工作点（10）活动地设置在工作臂（4）的第二端部（8）上；

至少一设置在上部车厢（6）上的第一斜度传感器（9）；

至少一设置在工作臂（4）上的第二斜度传感器（11）；

至少一液压缸（12），为改变工作点（10）其利用关节设置在上部车厢（6）与工作臂（4）之间；

控制设备（15），用于处理所述至少一个第一斜度传感器（9）和所述至少一个第二斜度传感器（11）的信号，以确定第一工作点作为参考工作点（P₁），且通过根据在相邻时间间隔至第二工作点（P₁′）流入或流出液压缸（12）的体积流量（Q），计算油缸行程（s），来算出工作点(10)的位置变化（ΔP），并在通过所述第一斜度传感器（9）和所述第二斜度传感器（11）查明实际位置（P_i）的情况下，对变化的工作位置进行检查。

2.根据权利要求1所述的移动式工作机，其中工作臂（4）包括多个由关节彼此相连的部分。

3.根据权利要求1或2所述的移动式工作机，其中上部车厢（6）相对于行走机构（13）可旋转安置，且设计有旋转角度检测装置来确定工作点。

4.根据权利要求1所述的移动式工作机，其中第一斜度传感器（9）和第二斜度传感器（11）包括摆动体、反射的液面、微型机械式或电导计式或电容作用式结构。

5.根据权利要求1所述的移动式工作机，其中移动式工作机（1）可构造作为挖掘机（14）、具有前部装载装置(17)的拖拉机（16）、伸缩臂式装载机、挖掘装载机、轮式装载机、木材机械、市政工作机、农业机械或装载起重机。

6.一种移动式工作机（1）的工作臂（4）的工作点调节方法，其中该方法包括如下方法步骤：

a）利用至少一个第一斜度传感器（9）和至少一个第二斜度传感器（11）测量上部车厢(6)以及利用第一端部（5）通过关节设置在上部车厢（6）上的工作臂（4）的斜度；

b）在考虑所测斜度的测量结果情况下，计算在工作臂（4）的支撑工具（7）的第二端部（8）上的工作点（10）的第一参考位置；

c）在相邻时间间隔（Δt）内，利用流入或流出用关节设置在上部车厢（6）与工作臂（4）之间的液压缸（12）的液压体积流量（Q），在预定的标准位置（P_S）上对工作点（10）位置进行改变；

d）通过第一斜度传感器（9）和第二斜度传感器（11）查明实际位置（P_i）的情况下，对变化的工作位置进行检查；

e）多次执行步骤a）至d），以缩小标准位置（P_s）与实际位置（P_i）的差值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中为计算工作点（10）的位置变化（ΔP），考虑工作点（10）的位置变化（ΔP）期间有效活塞面积（A₁、A₂）以及时间间隔（Δt）。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中首先获得上部车厢（6）与工作机（1）的行走机构（13）之间的旋转角度，并在工作位置的位置改变后，在计算变化的工作位置时考虑变化的旋转角度。

9.根据权利要求6所述的方法，其中工作臂（4）由多个利用关节彼此相连的部分装配在一起，在每一部分设置有斜度传感器，在改变工作点时至少一附属的其他液压缸的体积流量被考虑。

10.根据权利要求6所述的方法，其中变化的工作位置的误差偏差存储在计算单元中，并在步骤c）对其进行考虑。

11.根据权利要求6所述的方法，其中获得工作点（10）的安全位置，并利用教学方法为临界工作点保存。

12.根据权利要求6所述的方法，其中获得不变的位置变化，并利用教学方法进行保存。

13.根据权利要求6所述的方法，其中利用第一斜度传感器（9）和第二斜度传感器（11）对实际位置（P_i）的测量是在移动式工作机（1）以及工作臂（4）静止状态下进行的。