CN102918209B - 挖掘测量装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种挖掘测量装置及其使用方法。该挖掘测量装置包括超声波发射器和超声波接收器，用于测量斗杆-铲斗接头相对于吊臂-斗杆接头的位置，斗杆设置有超声波发射器和第一传感器，第一传感器采用倾斜传感器，用于提供表示斗杆相对于竖直基准的倾斜的输出信号；斗杆延伸部设置有第二传感器，第二传感器采用超声波接收器，用于提供通过超声波接收器与超声波发射器之间的即时距离而被延迟的信号；上述两种信号被传输到设置有存储器的信号处理器，存储器用于存储在安装测量装置后的任何时刻获得的校准值，信号处理器提供表示斗杆-铲斗接头位置的输出。本发明的挖掘测量装置及使用方法可在任何时刻实施较准，从而可指示出铲斗的精确深度。

Description

挖掘测量装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种用于已知挖掘和土方移动设备的测量装置，所述挖掘和土方移动设备包括如下部件：吊臂、斗杆、斗杆延伸部和铲斗，这些部件相对于彼此且相对于地面呈可移动的关系，所述测量装置包括超声波发射器和接收器，以测量斗杆-铲斗接头相对于吊臂-斗杆接头的位置。 
背景技术
一个必需部件是安装到斗杆上的铲或铲斗，斗杆的长度可能会改变，且斗杆的另一端连接到吊臂上。所有的运动通常是通过液压缸产生的。铲斗及其前缘是与地面的接触面，其通过土方移动设备的动作来改变或盛装待从一个地方移动到另一个地方的土方。铲斗的运动必须精确控制，通常精度为0.01米。参考坐标系经常是全球坐标格网(GPS)或局部坐标网格，例如包括旋转激光平面。铲斗的深度通常是最需要的测量值。已知的构造要求斗杆的长度最短，以便利用深度测量系统。 
直接监控铲斗前缘的运动是不可能的，相反依靠间接的方法。当已知所有元件之间的角度关系和已经调整了斗杆长度时，用几何学和三角学方法计算铲斗前缘的位置是可能的。通过在旋转轴上的分角器可以直接确定角度关系，并且通过线性编码器也可以直接确定斗杆的长度。上述元件必须在制造时构造到设备中，因为上述元件不适合翻新。 
在监控用于翻新的设备的情况下，通常通过安装在各种部件上的倾斜传感器来间接得到角度关系。在处理获得的倾斜信号和关于各种各样距离的认知中，运用三角学关系。可通过超声波场测量一些距离，在超声波场中，超声波发射器发射连续波，并由超声波接收器接收的信号的相位测量提供所需的数据。在WO/03088136A2中，这个解决方案针对一般性的应用被描述。如JP2001064992A中描述的，为了在这种土方移动设备的不同部件的运动中提供安全性，以超声波发射器和接收器的形式的接近度传感器确保这些部件不发生碰撞。在WO2010/003636A1中描述了一种线性阶梯或 支脚延伸的测量，其中通过测量支脚的延伸程度的相同超声波元件来测量所建立的参考距离，从而执行温度和压力影响的补偿。超声波元件的使用被描述为仅限于简单的元件，这是由需要窄波束超声波能量的寄生反射造成的。 
其它方法依赖于微波或激光进行距离测量。具体地，激光系统很容易出现故障，这归咎于在光学表面和窗口上的污垢沉淀以及归咎于发射器与接收器之间的视场中断。鉴于此，声波或超声波是优选的。 
发明内容
上面描述的解决方案自身不适合简单的翻新和校准，而本发明的目的在于提供简单的翻新和校准。在如下装置中获得这种简单的翻新和校准，该装置具体地在于：斗杆设置有超声波发射器和第一传感器，所述第一传感器采用倾斜传感器的形式并且提供表示斗杆相对于基准的倾斜的输出信号；并且斗杆延伸部装备有第二传感器，所述第二传感器采用超声波接收器的形式并且提供如下信号，所述信号以所述超声波接收器与所述超声波发射器之间的即时距离延迟；并且所述信号被传输到设置有存储器的信号处理器，所述存储器用于存储在安装所述测量装置后的任何时刻获得的校准值，所述信号处理器提供表示所述斗杆-铲斗接头位置的输出。 
本发明一个优选具体实施例具体地在于，所述斗杆还设置有用于校正空气压力、空气温度、空气湿度的装置，以便建立在实际使用状况下由所述超声波脉冲覆盖的距离与所述超声波脉冲的发射和接收之间的相应延迟之间的关系。 
本发明进一步优选的具体实施例具体地在于，来自于所述超声波接收器的表示所述超声波发射器和所述超声波接收器之间的即时距离的信号被声速校正，所述声速由从所述发射器经反射器在所述发射器用作接收器的时间窗口中反射回到所述发射器的往返信号的传输时间来确定，以便提供表示斗杆-铲斗接头相对于吊臂-斗杆接头的位置的校正信号。 
进一步优选的具体实施例具体地在于，通过获得当所述斗杆-铲斗接头与所述吊臂-斗杆接头之间的距离被调节到最小值时来自所述超声波接收器的校正信号，测量所述斗杆-铲斗接头与所述吊臂-斗杆接头之间的实际距离并且手动地输入到所述存储器中，这样获得与最小参考距离相关的数据。在调整该设备的校准时，所述斗杆-铲斗接头与所述吊臂-斗杆接头之间的实际距离被测量并且手动地输入到所述存储器 中。这个特征是这种形式的翻新的要求。 
进一步优选的具体实施例具体地在于，通过获得当所述斗杆-铲斗接头与所述吊臂-斗杆接头之间的距离被调节到最大值时来自所述超声波接收器的校正信号，测量所述斗杆-铲斗接头与所述吊臂-斗杆接头之间的实际距离并且手动地输入到所述存储器中，这样获得与最大参考距离相关的数据。在对该设备的校准调整时，所述斗杆-铲斗接头与所述吊臂-斗杆接头之间的实际距离被测量并且手动地输入到所述存储器中。这个特征是这种形式的翻新的要求。 
本发明进一步优选的具体实施例具体地在于，绝对高度传感器被放置在斗杆的顶部上，绝对高度信号从所述绝对高度传感器被获得，并且被所述信号处理器用于确定所述斗杆-铲斗接头的绝对高度。 
本发明进一步优选的具体实施例具体地在于，所述斗杆-铲斗接头与所述铲斗的尖端之间的距离在所述信号处理器的用于确定所述铲斗的尖端的绝对深度计算中，被认为是存储在所述存储器中的半径。 
该测量设备的使用在于，将测量设备部件和所需功率以及连接布线装配到挖掘和土方移动设备的部件上，在简单校准之后，该设备准备好被使用。如果一个或多个参数的漂移而可疑，可以在任何时刻简单地实施重新校准。如果一个部件被损坏并且被更换，同样实施简单的校准程序。 
附图说明
参照附图，本发明将被更详细地描述，在附图中： 
图1示出了安装在反铲牵引机上的土方移动设备中的功能元件； 
图2示出了功能元件在两个位置之间的几何关系的示意图；以及 
图3示出了为了得到斗杆-铲斗接头的位置测量而进行的信号处理的框图。 
具体实施方式
图1中可以看到反铲挖掘设备的完整组件。车辆本身没有被示出。吊臂1可以借助未被示出的机构而围绕轴承或枢轴2被提升和下降(这表示吊臂在竖直平面内沿圆弧移动)，所述吊臂也可以由其他机构在水平面内移动，从而绕竖直轴线摆动。吊臂1借助轴承或接头4连接于斗杆3上，并且所述吊臂可以借助液压缸5而在竖直平面 内摆动。绝对高度探测器可以被放置在斗杆的最高点T。所述探测器可以例如通过探测激光平面的竖直位置而获得其信息或依赖于全球定位系统。 
在斗杆3上，借助滑动轴承连接到其上的是装配的斗杆延伸部6，所述斗杆延伸部由附图中未示出的驱动机构前后移动，但所述驱动机构通常是液压的。如图所示，斗杆延伸处于既不是最大、也不是最小的任意状态。在斗杆延伸部6的端部上装配有铲斗7，所述铲斗可以在接头或轴承8上旋转。铲斗可以借助液压缸9前后摆动。在一个极限位置，铲斗7可以包含用铲收集的土方，并且在另一极限位置，铲斗倒空，它的前缘(尖端)10可以用于刮削，并且，铲斗的前面表面水平时，所述前缘可以用于铲土。 
为了能够将土方设置成想要的形状，知道尖端10在与土方相接触的任何地方的精确深度是很重要的。当建造斜面和水平面时，使用该信息。对于组件中元件的任何位置以及还当车辆移动时，也都必须获知该深度。为了确定该测量，进行许多间接测量。斗杆3的角度以及斗杆延伸部6的延伸程度被测量，这些测量足以计算当铲斗7延伸到其最大值时从吊臂-斗杆接头4到铲斗7的尖端10的距离。结合绝对高度的确定，可以直接计算深度。 
为了实施上述测量，一套测量元件被安装在土方移动设备上。这在构造时发生，但是能同样地且有利地作为翻新而发生。倾斜仪11被安装在斗杆3上，其给出相对于竖直方向的倾斜度的测量。在斗杆3上安装有超声波发射器12X，其具有门控功能，超声波发射器12X在其不发射超声波时能作为超声波接收器12R使用。在距发射器有的确定距离处，放置有超声波反射器13，其用于提供关于从发射器12X发射的超声波脉冲借助反射器13反射并回到随后被用作接收器的发射器12R的传播时间的信息。周围空气的温度和压力是传播时间的主要影响因素，但是确定距离能够使该传播时间被用作参考，以补偿上述影响。很显然，可以使用超声波接收器来代替反射器13，提供用于处理的单独的电信号。本质的问题是超声波部件12和13之间的参考距离是公知的绝对值。在另选方案中，来自于超声波接收器的代表超声波发射器和超声波接收器之间即时距离的信号被声速校正，所述声速借助提供给处理单元的来自温度和压力传感器的信号来确定，在所述处理单元中存储有与声速的这种测量值相关的列表数据。这种温度和压力传感器可以被放置在倾斜仪11中，并且数据被传送到信号处理单元16。 
斗杆延伸部6设置有超声波接收器14，并且因为所述超声波接收器与反射器13相比离发射器更远，因此接收到发射器的超声波信号较晚。中间元件(如液压软管，如用15示意性表示的)不阻碍该接收，并且在此，演示了具有更宽分布图的发射器相比于由例如激光源提供的窄光锥更具有优势。只要分布图足够宽，那么中间元件15的干扰就能被忽略。借助参考传播时间来校正时间延迟，因此能够高精度地确定发射器12X与接收器14之间的距离。也就是说，虽然其本身不太重要，但是接头4和8之间的距离具有这样的价值：在换算表中与接收器14的时间延迟相关联。 
图2是这样的示意图，该示意图将各种机械元件简化成末端带有枢轴的杆。斗杆延伸是最小的，这意味着枢轴4和8a之间的距离是最小值。还示出了斗杆延伸最大值，枢轴4和8b之间的距离是最大值。将注意到的是，枢轴4不位于由斗杆3和斗杆延伸部6限定的直线上，这意味着：枢轴4与8之间的距离不会以超声波发射器/接收器12与接收器14之间的距离的增加所示的量增加，而是必须使用三角学方法来计算。来自于倾斜传感器11的代表角度A的信号对于简单深度测量是重要的。枢轴4与斗杆3的中心线之间的距离在图2中被放大。 
在翻新测量元件后，测量系统通过如下方式来校准：将土方移动设备元件放置在特定的方位上，进行简单的长度和角度的测量，以及将测量值输入到系统的存储器中。 
图3是如上所述用于测量传感器的处理器和控制器16的示意图。所述处理器和控制器包括来自倾斜传感器11、超声波传感器12R和14以及绝对高度传感器T接收输入的输入。所述处理器和控制器包括超声波发射器12X的输出以及用于该超声波元件12的控制输出C，以便将超声波发射器12X从发射转换成接收。在内部，处理器和控制器16包含存储器17，所述存储器存储了用于计算中间值和列表数据(例如在如上所述的校准过程中得到的数据)的中间值。其他转化数据(例如三角计算表)能够与用于计算的专用软件一起在工厂就被烧入存储器中。还示出了用于将处理器设置成校准模式的控制输入。 
输出V针对测量单位(米或英尺和英寸)是数字的，并且适合于视觉显示。主要计算结果是斗杆-斗铲接头8的位置，然而，该结果可以进一步用于计算铲斗尖端10的位置。还存在用于数据输出D的设施，其用于土方移动操作(例如挖掘或使水平)的自动控制器中。 
存在若干个供放置处理器和控制器的地方。其中一个有利的位置与超声波发射器 /接收器12接头相关。另一位置与绝对高度传感器T相关，所述绝对高度传感器已经被提供了计算能量，以便利用其依赖的参考信号。 
总而言之，在反铲挖掘机的使用中，需要铲斗的精确深度的指示。这可以通过测量反铲元件的角度和伸展并且通过计算该结果来完成。这通常通过分角器和线性编码器来完成。这种设备的翻新和校准是非常困难的，而根据本发明，同样的数据可借助倾斜仪和基于脉冲超声波的长度测量设备来获得。 
上述具体实施例的前述说明如此充分地展示了本发明的本质，以致于本领域技术人员通过应用现有知识，能够容易地修改或调整该具体实施例以用于各种应用，无需过量的实验也不违背一般观念，因此，这种调整和修改应当并旨在理解为包含在所公开实施例的等同含义和范围内。应当理解，本文采用的措辞和术语只是为了说明，并不是为了进行限制。在不脱离本发明的情况下，用于实施各种已公开功能的方法、材料和步骤可以采取各种形式。 
因此，正如在上述说明书和/或下述权利要求书中可能出现的后面跟着功能性说明的表达方式“用来…的机构”和“用于...的装置”或者任何方法步骤语言都旨在限定和涵盖所有的构造上的、物理的、化学的或电的元件或结构，或者所有的方法步骤，其可能存在于实施所述功能的当前或未来的，无论是否正好等同于上述说明书中公开的实施例；也就是说，能使用用于实现相同功能的其他装置或步骤；而且这样的表述意图作最宽的解释。 
本申请中的术语“包括”旨在传达本发明相关条目的集合的概念，但这并不排除可能出现和/或相关更多的条目。术语“包括”并非意在传达排除其它项目的穷举概念，该穷举可用“由……组成”的表述方式更好地描述出来。 

Claims (8)

1.一种用于已知的挖掘和土方移动设备的测量装置，所述挖掘和土方移动设备包括下述部件：吊臂(1)、斗杆(3)、斗杆延伸部(6)和铲斗(7)，这些部件相对于彼此且相对于地面可移动，所述测量装置包括超声波发射器(12X)和超声波接收器(14)，用于测量斗杆-铲斗接头(8)相对于吊臂-斗杆接头(4)的位置，其特征在于，所述斗杆(3)设置有超声波发射器(12X)和第一传感器，所述第一传感器采用倾斜传感器(11)的形式，用于提供表示所述斗杆(3)相对于竖直基准的倾斜的输出信号；并且，所述斗杆延伸部(6)设置有第二传感器，所述第二传感器采用所述超声波接收器(14)的形式，用于提供通过所述超声波接收器与所述超声波发射器(12X)之间的即时距离而被延迟的信号；并且，表示所述斗杆(3)相对于竖直基准的倾斜的输出信号以及通过所述超声波接收器(14)与所述超声波发射器(12X)之间的即时距离而被延迟的信号被传输到设置有存储器(17)的信号处理器(16)，所述存储器用于存储在安装所述测量装置后的任何时刻获得的校准值，所述信号处理器(16)提供表示斗杆-铲斗接头位置的输出。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述斗杆(3)还设置有用于校正空气压力、空气温度、空气湿度的装置，以便建立在实际使用状况下由超声波脉冲覆盖的距离与所述超声波脉冲的发射和接收之间的相应延迟之间的关系。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，来自于所述超声波接收器(14)的表示所述超声波发射器(12X)和所述超声波接收器(14)之间的所述即时距离的信号由声速校正，所述声速由从所述超声波发射器(12X)经反射器(13)在所述超声波发射器用作接收器(12R)的时间窗口中反射回到所述超声波发射器的往返信号的传输时间来确定，以便提供表示所述斗杆-铲斗接头(8)相对于所述吊臂-斗杆接头(4)的位置的校正信号。
4.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，通过获得当所述斗杆-铲斗接头(8)与所述吊臂-斗杆接头(4)之间的距离被调节到最小值时来自所述超声波接收器(14)的校正信号，测量所述斗杆-铲斗接头与所述吊臂-斗杆接头之间的实际距离并且手动地输入到所述存储器(17)中，这样获得与最小参考距离(4-8a)相关的数据。
5.根据权利要求3所述的测量装置，其特征在于，通过获得当所述斗杆-铲斗接头(8)与所述吊臂-斗杆接头(4)之间的距离被调节到最大值时来自所述超声波接收器(14)的校正信号，测量所述斗杆-铲斗接头与所述吊臂-斗杆接头之间的实际距离并且手动地输入到所述存储器(17)中，这样获得与最大参考距离(4-8b)相关的数据。
6.根据前述权利要求中任一项所述的测量装置，其特征在于，在所述斗杆(3)的顶部上放置绝对高度传感器(T)，从所述绝对高度传感器(T)获得绝对高度信号，并且所述绝对高度信号被所述信号处理器(16)用于确定所述斗杆-铲斗接头(8)的绝对高度。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述斗杆-铲斗接头(8)与所述铲斗的尖端(10)之间的距离在所述信号处理器(16)的用于确定所述铲斗的尖端(10)的绝对深度计算中，被认为是存储在所述存储器(17)中的半径。
8.一种根据权利要求3所述的测量装置的使用方法，其特征在于，所述挖掘和土方移动设备的部件设置有包括所需的功率和信号布线的如下装置部件：
a)倾斜传感器(11)安装到所述斗杆(3)上；
b)超声波发射器(12X)安装到所述斗杆(3)上，所述超声波发射器能够转换以用作超声波接收器；
c)用于超声波的反射器(13)安装到所述斗杆(3)上；
d)超声波接收器(14)安装到所述斗杆延伸部(6)上；
e)设置有存储器(17)的信号处理器(16)根据所需的功率和信号布线被安装在所述挖掘和土方移动设备的合适部分上；
其中，执行一系列校准并且输入到所述存储器(17)中，这包括如下步骤：
f)竖直地放置所述斗杆(3)和所述斗杆延伸部(6)，将所述倾斜传感器(11)的倾斜读数以零值设置到所述存储器(17)中；
g)借助手动装置来测量所述斗杆-铲斗接头与所述吊臂-斗杆接头之间的最小距离(8-4)，并将所述最小距离以对应于超声波测量值的方式输入到所述存储器(17)中；
h)借助手动装置来测量所述斗杆-铲斗接头与所述吊臂-斗杆接头之间的最大距离(8-4)，并将所述最大距离以对应于超声波测量值的方式输入到所述存储器(17)中；
其中，在使用具有相关存储器(17)的所述信号处理器(16)提供所述铲斗的尖端(10)的位置的校正数据的同时，对所述挖掘和土方移动设备执行操作。
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