CN102912816B - 挖掘机的控制方法和控制装置与挖掘机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种挖掘机的控制方法和控制装置与挖掘机。该挖掘机的控制方法包括：实时测量挖掘机的回转角度和动臂提升高度；按照预设的回转角度与动臂提升高度的映射关系查询得出测量得出的回转角度对应的目标提升高度；根据测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值控制回转马达和动臂液压缸的液压流量。从而使回转的速度与动臂动作的速度匹配，实现回转和动臂提升的协调运动，动作过程中不需要操作人员的实时操控，只需要按照实际工况选择合适的映射关系，就可以实现动作的自动操作，降低了操作人员劳动强度，高效而且节能。

Description

挖掘机的控制方法和控制装置与挖掘机

技术领域

本发明涉及工程机械领域，具体而言，涉及一种挖掘机的控制方法和控制装置与挖掘机。

背景技术

挖掘机执行挖掘动作时，需要经常完成复合运动，比如在许多工程现场都需要在回转的同时提升动臂，现有技术中执行这类的复合运动，一般是操作人员根据经验，实时观察挖掘机的执行机构动作情况，相应控制操作手柄，实现典型动作的协调性运动。比如，操作人员双手分别操作回转控制手柄和动臂控制手柄，利用控制手柄的操作幅度相应控制执行动作的速度，以实现两个动作的协调运行。

操作人员依靠经验手工实现协调性运动，存在的主要问题包括：操作员工作强度大，疲劳程度高；操作员反应延长了工作循环时间，降低生产效率；需要经常调整操作手柄，加大了故障点的产生几率、动作执行质量受到操作人员经验和工作状态的影响大。

针对现有技术中挖掘机需要依靠操作人员根据经验控制操作手柄导致操作人员的工作量大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种挖掘机的控制方法和控制装置与挖掘机，以解决现有技术中挖掘机需要依靠操作人员根据经验控制操作手柄导致操作人员的工作量大的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种挖掘机的控制方法。该挖掘机的控制方法，包括：实时测量挖掘机的回转角度和动臂提升高度；按照预设的回转角度与动臂提升高度的映射关系查询得出测量得出的回转角度对应的目标提升高度；根据测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值控制回转马达和动臂液压缸的液压流量。

进一步地，根据测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值控制回转马达和动臂液压缸的液压流量包括：计算测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值ΔH；根据差值ΔH使用闭环反馈调节回转马达和动臂液压缸的液压流量。

进一步地，根据差值ΔH使用闭环反馈调节回转马达和动臂液压缸的液压流量包括：根据差值ΔH使用闭环反馈调节液压比例换向阀的控制电流，该液压比例换向阀用于控制回转马达和动臂油缸的液压流量。

进一步地，根据差值ΔH使用闭环反馈调节回转马达和动臂液压缸的液压流量包括：当差值ΔH≥0，保持回转马达和动臂液压缸的液压流量不变；当差值ΔH<0，控制回转马达的液压流量减小，并控制动臂液压缸的液压流量增大。

进一步地，在实时测量挖掘机的回转角度和动臂提升高度之前还包括：根据挖掘机的工况选择符合工况要求的预设回转角度与动臂提升高度的映射关系。

进一步地，实时测量挖掘机动臂提升高度包括：实时测量动臂与车架之间的夹角α；按照H=L*sin α计算得出动臂的提升高度，在式中，H为动臂的提升高度，L为动臂的长度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种挖掘机的控制装置。该挖掘机的控制装置包括：测量模块，用于实时测量挖掘机的回转角度和动臂提升高度；计算模块，用于按照预设的回转角度与动臂提升高度的映射关系查询得出测量得出的回转角度对应的目标提升高度，并计算测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值；流量控制模块，用于根据测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值控制回转马达和动臂液压缸的液压流量。

进一步地，上述挖掘机的控制装置还包括：存储模块，用于存储预设的多种回转角度与动臂提升高度的映射关系；选择模块，用于根据挖掘机的工况从多种回转角度与动臂提升高度的映射关系中选择挖掘机的符合工况要求的回转角度与动臂提升高度的映射关系。

根据本发明的另一个方面，提供了一种挖掘机。该挖掘机中包括上述任一种挖掘机的控制装置。

进一步地，该挖掘机的动臂上设置有角度传感器，用于测量动臂与车架之间的夹角α，测量模块还用于按照H=L*sinα计算得出动臂的提升高度，在式中，H为动臂的提升高度，L为动臂的长度。

应用本发明的技术方案，根据回转角度和动臂提升高度的测量值，对比预设的回转角度与动臂提升高度的映射关系，相应控制回转马达和动臂液压缸的液压流量，使回转的速度与动臂动作的速度匹配，实现回转和动臂提升的协调运动，动作过程中不需要操作人员的实时操控，只需要按照实际工况选择合适的映射关系，就可以实现动作的自动操作，降低了操作人员劳动强度，高效而且节能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的挖掘机的控制装置的示意图；

图2A是根据本发明实施例的回转平台的转速曲线；

图2B是根据本发明实施例的动臂提升高度的目标曲线；

图3是根据本发明实施例的挖掘机的控制装置的控制框图；

图4是根据本发明实施例的挖掘机的控制装置的电流控制信号与转速的对应关系图；

图5是根据本发明实施例的挖掘机动臂提升的示意图；

图6是根据本发明实施例的挖掘机动臂提升的测量曲线与目标曲线的对比图；

图7A为根据本发明实施例的挖掘机的动力系统与回转液压系统示意图；

图7B为根据本发明实施例的挖掘机的动力系统与动臂液压系统示意图；

图8是根据本发明实施例的挖掘机的动作执行流程的示意图；

图9是根据本发明实施例的挖掘机的控制方法的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明实施例提供了一种挖掘机的控制装置，图1是根据本发明实施例的挖掘机的控制装置的示意图，如图1所示，该挖掘机的控制装置包括：测量模块11，用于实时测量挖掘机的回转角度和动臂提升高度；计算模块13，用于按照预设的回转角度与动臂提升高度的映射关系查询得出测量得出的回转角度对应的目标提升高度；流量控制模块15，用于根据测量得到的动臂提升高度与查询得出的目标提升高度的差值控制回转马达和动臂液压缸的液压流量。

本发明实施例的挖掘机的控制装置，根据回转角度和动臂提升高度的测量值，对比预设的回转角度与动臂提升高度的映射关系，相应控制回转马达和动臂液压缸的液压流量，使回转的速度与动臂动作的速度匹配，实现回转和动臂提升的协调运动，动作过程中不需要操作人员的实时操控，只需要按照实际工况选择合适的映射关系，就可以实现动作的自动操作，降低了操作人员劳动强度，高效而且节能。

测量模块11可以利用安装在回转平台上的编码器直接测量得到挖掘机的回转角度。而动臂提升高度的测量可以使用多种方式，比如在动臂上设置测距装置等。在本实施例中，挖掘机的控制装置可以利用安装在动臂上的角度传感器来测量动臂与车架之间的夹角α，然后按照H=L*sinα的公式计算得出动臂的提升高度，在式中，H即为动臂的提升高度，L为动臂的长度。利用这种方式测量动臂提升高度，只需要在挖掘机动臂上设置一个角度传感器就可以简单的得出动臂提升高度。

在不同的工作环境下，回转与动臂协调动作的要求是不一致的，也就是挖掘机的协调动作需要满足不同工况的要求，在挖掘机的设计阶段，可以模拟不同工况预先设置多个映射关系。从而，本实施例的挖掘机的控制装置还可以包括存储模块和选择模块，其中，存储模块用于存储预设的多种回转角度与动臂提升高度的映射关系；选择模块，用于根据挖掘机的工况从上述多种回转角度与动臂提升高度的映射关系中选择符合该工况的回转角度与动臂提升高度的映射关系。这样操作人员可以按照工况直接选择事先依据测量得出的不同回转角度与动臂提升高度的映射关系，得到计算模块13中使用的预设的回转角度与动臂提升高度的映射关系。

回转角度与动臂提升高度的映射关系的得出过程可以具体为：根据液压系统的特性和回转要求，模拟现场的回转与提升协调动作情况，根据已知的回转平台的转速曲线，亦即回转角度相对于时间的曲线θ(t)，根据动臂与回转的协调性运动需求，在不同的工作条件下，要求在某一时刻t₀，当回转到某一角度θ(t₀)时，要求动臂提升离地高度H(t₀)应不小于某一值H_*(t₀)，根据这一关系，即可得出利用几个点即可以拟合出动臂提升离地高度的目标曲线H_*(t)。图2A是根据本发明实施例的回转平台的转速曲线；图2B是根据本发明实施例的动臂提升高度的目标曲线。在图2A中，第一纵坐标轴n_s代表回转速度，曲线22是回转速度曲线，表示了回转从启动至稳定速度后逐渐停止的过程，其中n_c就是回转的稳定速度；第二纵坐标轴θ为回转角度，曲线21为回转的角度。图2B是与回转速度曲线对应的动臂提升高度曲线，在挖掘机回转过程中，动臂协调提升，在回转结束时对应提升到一定高度。挖掘机在设计测试时，可以模拟不同的施工环境，预先设置多条回转曲线和动臂提升曲线的映射关系。在实际施工时，根据现场环境进行选择使用具体的映射关系。

流量控制模块15进行流量控制的具体步骤可以包括：计算测量得到的动臂提升高度H(t)与目标提升高度H_*(t)的差值ΔH，也就是ΔH=H(t)-H_*(t)；根据该差值ΔH使用闭环反馈调节回转马达和动臂液压缸的液压流量，闭环反馈可以使用常见的闭环反馈控制算法，例如PID（Proportional Integral and Derivative，比例、积分、微分）控制算法。图3是根据本发明实施例的挖掘机的控制装置的控制框图，PID反馈控制器根据提升高度差值ΔH相应发出控制动臂液压控制信号和回转液压控制信号。以上动臂提升高度H和目标提升高度H_*是与时间相关的变量，因此，使用H(t)和H_*(t)进行表示。

挖掘机的回转液压系统和动臂液压系统均可以使用电磁比例进行控制，此时反馈控制器可以改变液压比例换向阀的控制电流来控制回转速度和动臂提升速度。具体地，流量控制模块15可以使用闭环反馈调节液压比例换向阀的控制电流，该液压比例换向阀用于控制回转马达和动臂油缸的液压流量，当差值ΔH≥0，保持回转马达和动臂液压缸的液压流量不变，此时保持原来的状态即可以实现协调性运动；当差值ΔH<0，控制回转马达的液压流量减小，并控制动臂液压缸的液压流量增大，具体的减小和增大幅度可以根据差值ΔH的大小确定。可以将反馈控制器控制回转与动臂的主比例阀的控制电流比值定义为R，即R=I_s/I_b，其中I_s为回转主比例阀的控制电流，I_b为动臂主比例阀的控制电流。以上控制过程也就是：因为当△H(t)≥0时，R保持不变，此时控制器不起作用，保持原来的状态即可实现协调性运动；当△H(t)＜0时，R减小，控制I_s减小I_b增大。图4是根据本发明实施例的挖掘机的控制装置的电流控制信号与转速的对应关系图，由图所示，由图4可知，根据电流控制信号I(t)，可得出液压系统的流量曲线Q(t)，进而得出回转马达的转速曲线n_sp(t)，根据变速箱的减速比，即可得到回转平台的转速曲线n_s(t)，从而回转速度即可得到控制。

本发明实施例还提供了一种挖掘机，包括本发明实施例上述内容所提供的任一种挖掘机的控制装置。该挖掘机动臂长度为L，在动臂上设置有角度传感器，用于测量动臂与车架之间的夹角α，测量模块11还用于按照H=L*sinα计算得出动臂的提升高度，在式中，H为动臂的提升高度，L为动臂的长度。

图5是根据本发明实施例的挖掘机动臂提升的示意图，如图所示，动臂提升离地高度H=L*sin(α)，其中，α为角度传感器实时测量值，从而根据角度传感器实时测量α即得到一条H(t)曲线。图6是根据本发明实施例的挖掘机动臂提升的测量曲线与目标曲线的对比图。在图中，曲线62表示目标曲线，曲线61表示实际提升的高度高于目标值，曲线63表示实际提升的高度低于目标值。

图7A为根据本发明实施例的挖掘机的动力系统与回转液压系统示意图，图7B为根据本发明实施例的挖掘机的动力系统与动臂液压系统示意图，在图中，发动机71通过变速箱72带动多个液压泵73、74、75、76工作，其中，多个液压泵包括有回转液压泵73和动臂液压泵74。图7B示出了动臂液压泵74连接由电控主阀781，通过该电控主阀781在比例电磁阀782的控制下，调节动臂油缸783的流向和流量，从而改变动臂提升的速度和方向。反馈控制器79通过角度传感器实时测量的动臂与平台之间的夹角计算动臂的提升高度，从而相应地获取比例电磁阀782。

图8是根据本发明实施例的挖掘机的动作执行流程的示意图。如图所示，本挖掘机的动作执行流程为反馈控制器获取经过A/D转换后的动臂角度传感器测量的动臂与车架的夹角，计算为动臂提升高度H(t)与目标提升高度H_*(t)的差值ΔH，相应控制控制回转与动臂的主比例阀的控制电流比值R，经过D/A转换后由执行模块控制液压系统。回转和动臂的液压系统的液压比例换向阀在反馈控制器输出的控制信号下，改变动臂液压缸和回转马达的速度，从而控制动臂提升和回转运动。本发明实施例的挖掘机通过控制回转与动臂的电流控制信号，经过液压系统中的数值关系，控制回转平台的回转速度，使动臂提升的离地高度始终与由回转速度得出的目标曲线H_*(t)保持一致。在这一过程中，由于回转马达和液压泵的流量Q实时变化，功率P=p*Q（压力p可通过压力传感器测量得出）也实时变化，根据系统的需求供能，高效而且节能。

本发明实施例还提供了一种挖掘机的控制方法，该挖掘机的控制方法可以通过本发明上述实施例所提供的任一种挖掘机的控制装置来执行，并且，该挖掘机的控制方法可以应用于包括以上控制装置的挖掘机，图9是根据本发明实施例的挖掘机的控制方法的示意图，如图所示，该挖掘机的控制方法包括：

步骤S91，实时测量挖掘机的回转角度和动臂提升高度；

步骤S93，按照预设的回转角度与动臂提升高度的映射关系查询得出测量得出的回转角度对应的目标提升高度；

步骤S95，根据测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值控制回转马达和动臂液压缸的液压流量。

优选地，步骤S95可以包括：计算测量得到的动臂提升高度与目标提升高度的差值ΔH；根据差值ΔH使用闭环反馈调节回转马达和动臂液压缸的液压流量。其中，根据差值ΔH使用闭环反馈调节回转马达和动臂液压缸的液压流量具体可以包括：根据差值ΔH使用闭环反馈调节液压比例换向阀的控制电流，该液压比例换向阀用于控制回转马达和动臂油缸的液压流量。其中一种方式为：当差值ΔH≥0，保持回转马达和动臂液压缸的液压流量不变；当差值ΔH<0，控制回转马达的液压流量减小，并控制动臂液压缸的液压流量增大。

步骤S91之前还可以包括：根据挖掘机的工况选择符合该工况要求的回转角度与动臂提升高度的映射关系。

步骤S91可以利用动臂与车架之间的夹角计算得出，从而步骤S91包括：实时测量动臂与车架之间的夹角α；按照H=L*sinα计算得出动臂的提升高度，在式中，H为动臂的提升高度，L为动臂的长度。

应用本发明的技术方案，根据回转角度和动臂提升高度的测量值，对比预设的回转角度与动臂提升高度的映射关系，相应控制回转马达和动臂液压缸的液压流量，使回转的速度与动臂动作的速度匹配，实现回转和动臂提升的协调运动，动作过程中不需要操作人员的实时操控，只需要按照实际工况选择合适的映射关系，就可以实现动作的自动操作，降低了操作人员劳动强度，高效而且节能。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种挖掘机的控制方法，其特征在于，包括：

实时测量挖掘机的回转角度和动臂提升高度；

按照预设的回转角度与动臂提升高度的映射关系查询得出测量得出的回转角度对应的目标提升高度；

根据测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值控制回转马达和动臂液压缸的液压流量。

2.根据权利要求1所述的挖掘机的控制方法，其特征在于，根据测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值控制回转马达和动臂液压缸的液压流量包括：

计算测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值ΔH；

根据所述差值ΔH使用闭环反馈调节所述回转马达和所述动臂液压缸的液压流量。

3.根据权利要求2所述的挖掘机的控制方法，其特征在于，根据所述差值ΔH使用闭环反馈调节所述回转马达和所述动臂液压缸的液压流量包括：

根据所述差值ΔH使用闭环反馈调节液压比例换向阀的控制电流，该液压比例换向阀用于控制回转马达和动臂油缸的液压流量。

4.根据权利要求2所述的挖掘机的控制方法，其特征在于，根据所述差值ΔH使用闭环反馈调节所述回转马达和所述动臂液压缸的液压流量包括：

当所述差值ΔH≥0，保持所述回转马达和所述动臂液压缸的液压流量不变；

当所述差值ΔH<0，控制所述回转马达的液压流量减小，并控制所述动臂液压缸的液压流量增大。

5.根据权利要求1所述的挖掘机的控制方法，其特征在于，在实时测量挖掘机的回转角度和动臂提升高度之前还包括：

根据所述挖掘机的工况选择符合所述工况要求的预设回转角度与动臂提升高度的映射关系。

6.根据权利要求1所述的挖掘机的控制方法，其特征在于，实时测量挖掘机动臂提升高度包括：

实时测量所述动臂与车架之间的夹角α；

按照H=L*sinα计算得出所述动臂的提升高度，在式中，H为所述动臂的提升高度，L为所述动臂的长度。

7.一种挖掘机的控制装置，其特征在于，包括：

测量模块，用于实时测量挖掘机的回转角度和动臂提升高度；

计算模块，用于按照预设的回转角度与动臂提升高度的映射关系查询得出测量得出的回转角度对应的目标提升高度，并计算所述测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值；

流量控制模块，用于根据测量得到的动臂提升高度与查询得到的目标提升高度的差值控制回转马达和动臂液压缸的液压流量。

8.根据权利要求7所述的挖掘机的控制装置，其特征在于，还包括：

存储模块，用于存储预设的多种回转角度与动臂提升高度的映射关系；

选择模块，用于根据所述挖掘机的工况从所述多种回转角度与动臂提升高度的映射关系中选择所述挖掘机的符合所述工况要求的回转角度与动臂提升高度的映射关系。

9.一种挖掘机，其特征在于，包括如权利要求7或8所述的挖掘机的控制装置。

10.根据权利要求9所述的挖掘机，其特征在于，该挖掘机的动臂上设置有角度传感器，用于测量所述动臂与车架之间的夹角α，所述测量模块还用于按照H=L*sinα计算得出所述动臂的提升高度，在式中，H为所述动臂的提升高度，L为所述动臂的长度。