CN102691321A

CN102691321A - 一种实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制系统及方法

Info

Publication number: CN102691321A
Application number: CN2011104056036A
Authority: CN
Inventors: 徐瑾; 宋杰
Original assignee: Shanghai Sany Heavy Machinery Co Ltd
Current assignee: Shanghai Sany Heavy Machinery Co Ltd
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2012-09-26

Abstract

本发明公开了一种实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制系统，包括连杆油缸、激光定位仪、动臂油缸行程位移传感器、斗杆油缸行程位移传感器、铲斗油缸行程位移传感器、连杆油缸行程位移传感器、动臂油缸压力传感器、斗杆油缸压力传感器、铲斗油缸压力传感器、连杆油缸压力传感器，可编程控制器以及控制连杆油缸油量的电液比例阀。本发明的有益效果是：采用本发明的连杆结构及优化控制系统，在不影响挖掘力情况下可扩大挖掘范围，并可提高吨位相近挖掘机连杆机构的通用性，同时通过优化控制程序，控制连杆长度的伸缩量实现铲斗挖掘角度及挖掘力的优化匹配，使铲斗以最优的角度、力度进行挖掘作业，减少铲斗的损耗，提高挖掘效能。

Description

一种实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制系统及方法

技术领域

本发明涉及挖掘机控制技术领域，尤其涉及一种实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制系统及方法。

背景技术

液压挖掘机是一种目前广泛应用的工程机械，通过液压控制系统实现动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸的行程变化，操纵动臂、斗杆铲斗运动，完成工作装置的挖掘、卸载动作。工作装置前端的斗杆、铲斗、连杆、摇杆组成的四连杆机构形成传力比，将直接影响挖掘力，以上四部件一般都为长度固定的焊接/铸造件，当它们的结构确定后，挖掘力及铲斗的转角完全由铲斗油缸的压力及行程控制。比如，中国专利CN 201785784U提供了一种挖掘机三铰点连杆机构，其包括具有三个铰点的连杆，连杆的三个铰点分别与左/右摇臂、铲斗油缸和铲斗相连，该方案是将铲斗油缸和摇臂分开用铰接在连杆上。此外，由于挖掘机按不同吨位划分机型，各机型为满足各自的挖掘力及挖掘范围目标，需要设计、制造结构相同、尺寸差异的连杆，由此造成了连杆机构的重复开发和同类型零部件的分类生产和管理。

使用现有的固定焊接/铸造结构的连杆，铲斗的转角一般在180°左右，当对挖高有要求时，希望铲斗仰角较大，在其他部件不变的情况下，连杆长度减小，但这样一来铲斗的俯角必然相应减小，会对铲斗的挖掘满载率产生不利影响，并且，产生最大挖掘力时的铲斗瞬时转角相对抬高，不利于转斗挖掘时的土壤切削。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的是提供一种实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制系统及方法，一方面在保证在实现铲斗转角增大的基础上不影响挖掘力，并且能够实时微调铲斗转角和挖掘力的关系；另一方面，利用油缸的长度可变性，满足相近吨位挖掘机连杆尺寸的差异要求，实现连杆机构在一定程度上的通用性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制系统，包括连杆油缸、激光定位仪、动臂油缸行程位移传感器、斗杆油缸行程位移传感器、铲斗油缸行程位移传感器、连杆油缸行程位移传感器、动臂油缸压力传感器、斗杆油缸压力传感器、铲斗油缸压力传感器、连杆油缸压力传感器，可编程控制器以及控制连杆油缸油量的电液比例阀，所述动臂油缸行程位移传感器、所述斗杆油缸行程位移传感器、所述铲斗油缸行程位移传感器、所述连杆油缸行程位移传感器、所述动臂油缸压力传感器、所述斗杆油缸压力传感器、所述铲斗油缸压力传感器和所述连杆油缸压力传感器的信号输出端分别与所述可编程控制器连接，所述可编程控制器的输出端与所述电液比例阀连接；

所述激光定位仪安装在驾驶室前端，所述动臂油缸行程位移传感器安装在动臂油缸上，所述斗杆油缸行程位移传感器安装在斗杆油缸上，所述铲斗油缸行程位移传感器安装在铲斗油缸上，所述连杆油缸行程位移传感器安装在连杆油缸上；所述动臂油缸压力传感器安装在动臂油缸液压回路中，所述斗杆油缸压力传感器安装在斗杆油缸液压回路中，所述铲斗油缸压力传感器安装在铲斗油缸液压回路中，所述连杆油缸压力传感器安装在连杆油缸液压回路中；所述可编程控制器与挖掘机ECU集成；所述可编程控制器包括电液控制模块。

进一步地，所述连杆油缸包括油缸，所述油缸两端分别与一连接板固接，与所述油缸平行且位于所述两块连接板之间还设有若干张紧弹簧。

进一步地，所述若干张紧弹簧为两根，分置于所述油缸两侧。

进一步地，在所述两块连接板上不朝向所述油缸的方向分别设有套筒，连杆油缸通过所述套筒与外部器件连接。

进一步地，所述电液控制模块包括相互连接，比例放大器、信号转换器，所述比例放大器与所述电液比例阀连接，所述信号转换器与所述连杆油缸位移传感器连接。

本发明的目的同时还通过下述技术方案来实现：

一种如上述任意一项优化控制系统的控制方法，其包括下列步骤：

S1、驾驶员根据工况在稳定状态下开始挖掘作业，各个传感器采样记录下当前时刻动臂、斗杆、铲斗、连杆油缸的行程、压力信号、挖掘对象相对位置信号和连杆油缸电液控制比例阀控制信号；

S2、将步骤S1采集到的样本储存至可编程控制器，作为输入量，经过程序寻优迭代，得到满足要求的电液控制模块所需参数；

S3、将步骤S2计算结果作为电液控制模块输入量，经过功率放大器和电液比例阀，将电信号转化为压力信号，控制连杆油缸的供油量，从而控制连杆油缸的行程，经过程序换算，输出为下一瞬时铲斗的转角及挖掘力理论最优值所对应的铲斗相对位置；

S4、将步骤S2和步骤S3得到的数据相比较，得到相邻时刻铲斗与挖掘对象的相对位置差值，并反馈至系统输入端；

重复步骤S2-S4，直至铲斗达到最优挖掘角度及挖掘力，完成预期挖掘动作。

进一步地，在步骤S1中，由驾驶员先在设定工况下进行挖掘动作，按一定时间间隔采样：激光定位仪记录预定挖掘对象和铲斗的相对位置e(t)，油缸行程位移传感器采集记录动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的行程Si(t)，压力传感器采集记录动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的压力样本信息Pi(t)。

进一步地，在步骤S2中，将步骤S1搜集的样本数据分别作为连杆油缸优化控制系统的输入量，以铲斗切削角度大于等于20°且小于等于30°为限定条件，铲斗瞬时实际挖掘力最大为优化目标，经过可编程控制器中的寻优计算，得到满足限定要求的连杆油缸行程控制信号u(t)，形成对连杆油缸的控制策略。

进一步地，在步骤S3中，将步骤S2得到的连杆油缸行程控制信号u(t)作为连杆油缸电液控制模块的输入量，通过可编程控制器控制电液比例阀阀芯移动，实现连杆油缸进油或回油，从而改变连杆油缸的行程，得到该时刻连杆油缸的最优行程S4(t)，通过程序转化，计算得出该时刻铲斗相对于挖掘对象的最佳挖掘位置e(t+1)，同时其他传感器测出动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的行程Si(t+1)，压力传感器采集记录动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的压力样本信息Pi(t+1)。

进一步地，在步骤S4中，将步骤S2和步骤S3获得的数据相比较，计算位置差值Δe(t+1)，并与步骤S3的其他数据共同构成下一时刻的系统输入量。

与已有技术相比，本发明的有益效果在于：

采用本发明的连杆结构及优化控制系统，在不影响挖掘力情况下可扩大挖掘范围，并可提高吨位相近挖掘机连杆机构的通用性，同时通过优化控制程序，控制连杆长度的伸缩量实现铲斗挖掘角度及挖掘力的优化匹配，使铲斗以最优的角度、力度进行挖掘作业，减少铲斗的损耗，提高挖掘效能。

附图说明

图1是本发明实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制系统的结构示意图；

图2是本发明实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的可编程控制器的结构示意图；

图3是本发明实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的可编程控制器的电液控制模块的结构示意图；

图4a是本发明实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制系统的连杆油缸的结构示意图；

图4b是图3的侧视图；

图5是本发明实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合原理图和具体操作实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图3a所示，本发明实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制系统包括连杆油缸a4、激光定位仪6、动臂油缸行程位移传感器s1、斗杆油缸行程位移传感器s2、铲斗油缸行程位移传感器s3、连杆油缸行程位移传感器s4、动臂油缸压力传感器p1、斗杆油缸压力传感器p2、铲斗油缸压力传感器p3、连杆油缸压力传感器p4，可编程控制器7以及控制连杆油缸油量的电液比例阀8，上述所有传感器的信号输出端分别与可编程控制器7连接，可编程控制器7的输出端与电液比例阀8连接。激光定位仪6安装在驾驶室前端，动臂油缸行程位移传感器s1安装在动臂油缸a1上，斗杆油缸行程位移传感器s2安装在斗杆油缸a2上，铲斗油缸行程位移传感器s3安装在铲斗油缸a3上，连杆油缸行程位移传感器s4安装在连杆油缸a4上。动臂油缸压力传感器p1安装在动臂油缸a1的液压回路中，斗杆油缸压力传感器p2安装在斗杆油缸a2的液压回路中，铲斗油缸压力传感器p3安装在铲斗油缸a3的液压回路中，连杆油缸压力传感器s4安装在连杆油缸a4的液压回路中，可编程控制器7与挖掘机ECU集成。

可编程控制器7包括连杆油缸行程优化控制模块，如图2所示，连杆油缸行程优化控制模块700、电液控制模块710和转化计算模块720，如图2所示，连杆油缸行程优化控制模块700与上述各位移传感器、各压力传感器以及激光定位仪6连接，用以采集激光定位仪6记录的预定挖掘对象和铲斗的相对位置e(t)，各油缸行程位移传感器采集记录的动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的行程Si(t)，各压力传感器采集记录的动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的压力样本信息Pi(t)，并通过预置程序处理得到满足限定要求的连杆油缸行程控制信号u(t)输出之电液控制模块710。

可编程控制器7的电液控制模块710，如图3所示，电液控制模块710包括比例放大器701、信号转换器702，电液控制模块710的输出端与电液比例阀8连接，输入端与连杆油缸行程优化控制模块700的输出端连接，并接收连杆油缸行程控制信号u(t)经比例放大器701放大后传送至电液比例阀8；信号转换器702与连杆油缸位移传感器s4连接，负责将位移传感器a4的位移信号转换为电液比例阀的回馈信号u(f)，并经过比例放大器701放大后回馈至电液比例阀8，同时将连杆油缸位移传感器s4的位移信号S4(t)传送至转化计算模块720。

转化计算模块720根据连杆油缸位移传感器s4的位移信号S4(t)通过预置程序计算出理论最佳输入值回馈至连杆油缸行程优化控制模块700作为下一时刻连杆油缸行程优化控制模块700的输入值。

进一步的，如图4a和图4b所示，连杆油缸a4包括油缸a41，油缸a41两端分别与一连接板a42、a43固接，与油缸a41平行且位于两块连接板a42、a43之间还设有若干张紧弹簧a44，张紧弹簧a44可以是两根，分置于油缸a41两侧。

进一步地，在两块连接板a42、a43上不朝向油缸a41的方向分别设有套筒a45，连杆油缸a4通过套筒a45与挖掘机连杆连接装置连接。

连杆油缸的工作原理是：油缸a41液压管路可利用挖掘机快换管路，可编程控制器7控制油缸a41大小腔的进油/回油，使得油缸a41行程变化，连接油缸a41及张紧弹簧a44 的连接板a42、a43带动张紧弹簧a44长度随之变化，从而连杆油缸a4两端套筒a55距离改变，即实现连杆机构的伸缩。张紧弹簧a44可以为连杆油缸a4提供阻尼和回复力，使连杆油缸a4在失去液压控制时回复默认位置，防止出现失控的状况。

本发明还包括一种如上述优化控制系统的控制方法，如图5所示，其包括下列步骤：

S1、驾驶员根据工况在稳定状态下开始挖掘作业，各个传感器采样记录下当前时刻动臂、斗杆、铲斗、连杆油缸的行程、压力信号、挖掘对象相对位置信号和连杆油缸电液控制比例阀控制信号；其中由驾驶员先在设定工况下进行挖掘动作，按一定时间间隔采样：激光定位仪记录预定挖掘对象和铲斗的相对位置e(t)，油缸行程位移传感器采集记录动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的行程Si(t)，压力传感器采集记录动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的压力样本信息Pi(t)。

S2、如图2所示，将步骤S1采集到的样本储存至可编程控制器7，作为输入量，经过程序寻优迭代，得到满足要求的电液控制模块所需参数；其中，将步骤S1搜集的样本数据分别作为连杆油缸优化控制系统的输入量，以铲斗切削角度大于等于20°且小于等于30°为限定条件，铲斗瞬时实际挖掘力最大为优化目标，经过可编程控制器中的寻优计算，得到满足限定要求的连杆油缸行程控制信号u(t)，形成对连杆油缸的控制策略。

S3、如图2和图3所示，将步骤S2计算结果作为电液控制模块输入量，经过比例放大器701和电液比例阀8，将电信号转化为压力信号，控制连杆油缸的供油量，从而控制连杆油缸的行程，经过程序换算，输出为下一瞬时铲斗的转角及挖掘力理论最优值所对应的铲斗相对位置；其中将步骤S2得到的连杆油缸行程控制信号u(t)作为连杆油缸电液控制模块的输入量，通过可编程控制器控制电液比例阀阀芯移动，实现连杆油缸进油或回油，从而改变连杆油缸的行程，得到该时刻连杆油缸的最优行程S4(t)，通过程序转化，计算得出该时刻铲斗相对于挖掘对象的最佳挖掘位置e(t+1)，同时其他传感器测出动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的行程Si(t+1)，压力传感器采集记录动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的压力样本信息Pi(t+1)。

S4、如图2所示，将步骤S2和步骤S3得到的数据相比较，得到相邻时刻铲斗与挖掘对象的相对位置差值，并反馈至系统输入端；其中，将步骤S2和步骤S3获得的数据相比较，计算位置差值Δe(t+1)，并与步骤S3的其他数据共同构成下一时刻的系统输入量。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但本发明并不限制于以上描述的具体实施例，其只是作为范例。对于本领域技术人员而言，任何对该实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制系统及方法进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作出的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims

1.一种实现铲斗瞬时挖掘转角和挖掘力的优化控制系统，其特征在于，包括连杆油缸、激光定位仪、动臂油缸行程位移传感器、斗杆油缸行程位移传感器、铲斗油缸行程位移传感器、连杆油缸行程位移传感器、动臂油缸压力传感器、斗杆油缸压力传感器、铲斗油缸压力传感器、连杆油缸压力传感器，可编程控制器以及控制连杆油缸油量的电液比例阀，所述动臂油缸行程位移传感器、所述斗杆油缸行程位移传感器、所述铲斗油缸行程位移传感器、所述连杆油缸行程位移传感器、所述动臂油缸压力传感器、所述斗杆油缸压力传感器、所述铲斗油缸压力传感器和所述连杆油缸压力传感器的信号输出端分别与所述可编程控制器连接，所述可编程控制器的输出端与所述电液比例阀连接；

2.根据权利要求1所述的优化控制系统，其特征在于，所述连杆油缸包括油缸，所述油缸两端分别与一连接板固接，与所述油缸平行且位于所述两块连接板之间还设有若干张紧弹簧。

3.根据权利要求2所述的优化控制系统，其特征在于，所述若干张紧弹簧为两根，分置于所述油缸两侧。

4.根据权利要求2所述的优化控制系统，其特征在于，在所述两块连接板上不朝向所述油缸的方向分别设有套筒，所述连杆油缸通过所述套筒与外部器件连接。

5.根据权利要求1所述的优化控制系统，其特征在于，所述电液控制模块包括相互连接，比例放大器、信号转换器，所述比例放大器与所述电液比例阀连接，所述信号转换器与所述连杆油缸位移传感器连接。

6.一种如权利要求1至5中任意一项所述的优化控制系统的控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

7.根据权利要求6所述的优化控制方法，其特征在于，在步骤S1中，由驾驶员先在设定工况下进行挖掘动作，按一定时间间隔采样：激光定位仪记录预定挖掘对象和铲斗的相对位置e(t)，油缸行程位移传感器采集记录动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的行程Si(t)，压力传感器采集记录动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的压力样本信息Pi(t)。

8.根据权利要求6所述的优化控制方法，其特征在于，在步骤S2中，将步骤S1搜集的样本数据分别作为连杆油缸优化控制系统的输入量，以铲斗切削角度大于等于20°且小于等于30°为限定条件，铲斗瞬时实际挖掘力最大为优化目标，经过可编程控制器中的寻优计算，得到满足限定要求的连杆油缸行程控制信号u(t)，形成对连杆油缸的控制策略。

9.根据权利要求6所述的优化控制方法，其特征在于，在步骤S3中，将步骤S2得到的连杆油缸行程控制信号u(t)作为连杆油缸电液控制模块的输入量，通过可编程控制器控制电液比例阀阀芯移动，实现连杆油缸进油或回油，从而改变连杆油缸的行程，得到该时刻连杆油缸的最优行程S4(t)，通过程序转化，计算得出该时刻铲斗相对于挖掘对象的最佳挖掘位置e(t+1)，同时其他传感器测出动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的行程Si(t+1)，压力传感器采集记录动臂油缸、斗杆油缸、铲斗油缸和连杆油缸的压力样本信息Pi(t+1)。

10.根据权利要求6所述的优化控制方法，其特征在于，在步骤S4中，将步骤S2和步骤S3获得的数据相比较，计算位置差值Δe(t+1)，并与步骤S3的其他数据共同构成下一时刻的系统输入量。