CN104132721A - 一种矿用挖掘机物料自动称重方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用挖掘机物料自动称重方法，通过角度传感器测量得到各部件间的转角，计算各部件实时位置，进而微分计算出各部件的速度、加速度等运动学参数，通过压力传感器测量油缸大小腔压力，计算油缸实时推压力，得到力参数，运用达朗贝尔原理列出工作装置各部件的运动学平衡方程，代入运动学参数和力参数，联立求解方程组，得到物料和铲斗的总质量，减去铲斗质量得到物料的质量，根据计算结果和物料密度、堆积状态对物料质心进行修正，迭代计算，最终得到精确的物料质量；本发明公开了一种矿用挖掘机物料自动称重方法，此方法根据达朗贝尔原理计算，并且考虑了地面坡度、回转等各种因素对测量的影响，具有计算精度高、动态稳定性好的优点。

Description

一种矿用挖掘机物料自动称重方法

技术领域

本发明涉及一种挖掘机，尤其涉及一种矿用挖掘机物料自动称重方法。

背景技术

在矿山开采时，操作人员使用挖掘机作业的过程中，不知道铲斗中物料质量，容易造成矿车超载/欠载。矿车超载，对矿车寿命极为不利，矿车欠载，降低了矿车利用率，效率低。传统动态称重技术计算原理采用静力平衡原理计算，没有考虑加速度的影响，在单自由度结构(装载机)或两自由度结构(电铲)中应用，采用一定补偿手段，误差较小。但挖掘机属于有牵连运动的三自由度结构，加速度对计算影响较大。另外，目前已知的车载动态称重产品没有考虑回转和地面坡度对计算的影响，导致计算误差较大。

中国专利(CN203373804U)在计算稳定性时，需要先行计算出铲斗物料质量。其采用静力平衡计算方法进行计算，没有考虑加速度影响，对测量条件要求较高，仅能在回转起始瞬间进行测量，需要操作平稳，计算精度低。

综上所述，目前动态称重技术存在以下问题：基本没有考虑地面坡度、回转向心加速度对受力的影响；采用静平衡受力计算，认为工作装置为匀速运动，计算误差大；对操作平稳性要求较高，动态特性差。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种矿用挖掘机物料自动称重方法，以解决上述称重技术的计算精度低，动态特性差的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种矿用挖掘机物料自动称重方法，其中，所述方法包括以下步骤：

步骤1：以回转支承的回转中心为原点，建立直角坐标系，所述坐标系固定于上车，X轴方向水平指向工作装置方向，Y轴方向为以回转中心为原点的垂直向上方向，所建坐标系固定于上车。设定物料质心坐标(x,y)，其他部件质量参数为已知量，作为后续计算参数，所述部件包括上车、动臂、斗杆、铲斗、动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸；

步骤2：主机通过角度传感器检测所述回转支承的相对转动角度，所述动臂和所述上车之间的相对转动角度，所述动臂和所述斗杆之间的相对转动角度，所述斗杆和所述铲斗之间的相对转动角度，再通过运动学分析，微分计算出各部件的实时位置、速度、加速度等运动状态参数；

步骤3：主机通过压力传感器测量出动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸的大小腔压力，计算得出油缸的实时推压力；

步骤4：根据达朗贝尔原理，对每个部件列出动态平衡方程，代入各部件的运动状态参数和油缸推压力参数，联合求解方程，得到所述铲斗和物料的总质量，减去所述铲斗质量即为物料质量；

步骤5：进行质心修正，通过步骤4中物料质量与已知的物料密度，求出物料体积，得到较准确的质心坐标(x1,y1)，修正原设定物料质心坐标(x,y)，重新进行步骤2至步骤4的迭代计算，得出准确的物料质量；

步骤6：对比修正后的物料质心和上次计算所使用的物料质心位置，得出物料质心偏差程度，判断是否满足求解精度，若满足，输出此次计算结果。

上述矿用挖掘机物料自动称重方法，其中，所述角度传感器设置于所述回转支承上、所述上车和所述动臂的铰接处、所述动臂和所述斗杆的铰接处、所述斗杆和所述铲斗的铰接处。

上述矿用挖掘机物料自动称重方法，其中，所述压力传感器设于所述动臂油缸、所述斗杆油缸和所述铲斗油缸进出油口处。

本发明由于采用了上述技术，产生的积极效果是：

本发明的一种矿用挖掘机物料自动称重方法可适应各种环境：在地面坡度较大时不影响物料称量；回转过程中实时计算，考虑了回转对受力产生的影响；根据达朗贝尔原理计算，考虑加速度影响，计算精度高；动态稳定性好，对操作平稳性要求较低。

附图说明

构成本发明的一部分的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为本发明的一种矿用挖掘机物料自动称重方法中挖掘机的结构示意图；

图2为本发明的一种矿用挖掘机物料自动称重方法的挖掘机任意姿态时斗杆的的受力分析图；

图3为本发明的一种矿用挖掘机物料自动称重方法中的算法流程图。

2上车，3动臂，4斗杆，5铲斗，6动臂油缸，7斗杆油缸，8铲斗油缸，9倾角传感器，10角度传感器，11位移传感器，12回转支承。

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，但不作为本发明的限定。

实施例一

本实施例中，采取使用角度传感器10作为工作装置姿态检测的工具，即在挖掘机回转支承12上、上车2与动臂3的铰接处、动臂3与斗杆4的铰接处、斗杆4与铲斗5的铰接处安装角度传感器10。

请结合图1至图3所示，本实施例中的一种矿用挖掘机物料自动称重方法包括以下步骤：

步骤1：以回转支承12的回转中心为原点，建立直角坐标系，所述坐标系固定于上车X轴方向水平指向工作装置方向，Y轴方向为以回转中心为原点的垂直向上方向，所建坐标系固定于上车。设定物料质心坐标(x,y)，其他部件质量参数为已知量，作为后续计算参数，部件包括上车2、动臂3、斗杆4、铲斗5、动臂油缸6、斗杆油缸7和铲斗油缸8，整车移动，直角坐标系随上车2转动而转动，随整车倾斜而倾斜；

步骤2：主机通过角度传感器10计算出回转支承12的相对转动角度，动臂3和上车2之间的相对转动角度，动臂3和斗杆4之间的相对转动角度，斗杆4和铲斗5之间的相对转动角度，再通过运动学分析，微分计算出各部件的实时位置、速度、加速度等运动状态参数；

在回转支承上安装角度传感器检测上车回转角度，通过运动学计算得到回转的实时运动状态参数。

在上车安装倾角传感器，实时测量上车坐标系X轴和Y轴相对水平面的实时倾角。

步骤3：主机通过压力传感器用于测量动臂油缸6、斗杆油缸7和铲斗油缸8的大小腔实时压力，计算得到油缸推压力；

步骤4：再根据达朗贝尔原理，对每个部件列出动态平衡方程，代入各部件的运动状态参数和油缸推压力参数，联合求解方程，得到铲斗5和物料的总质量，减去铲斗5质量即为物料质量；

具体的，以质心坐标(x,y)为依据，对整车的各部件进行受力分析，具体的，对工作装置各部件动臂、斗杆、铲斗和三组油缸的腔和杆，共计9个部件进行受力分析。在xy平面内，各部件受到的作用力有各铰点的作用力f和重力在xy平面的分力g。产生的效果为部件在xy平面内的平动加速度，部件绕自身质心的转动加速度，上车回转时部件绕y轴的向心加速度。以斗杆受力分析为例如图2所示。

步骤5：进行质心修正，通过步骤4中物料质量与密度，求出物料体积，得到较准确的物料质心(x1,y1)，修正原设定物料质心(x,y)，重新进行步骤2至步骤4的迭代计算，得出准确的物料质量；

步骤6：对比修正后的物料质心和上次计算所使用的物料质心位置，得出物料质心偏差程度，判断是否满足求解精度，若满足，输出此次计算结果。

本发明的实施例中还包括一种挖掘机，设有如上述的一种矿用挖掘机物料自动称重结构。由于上述一种矿用挖掘机物料自动称重结构具有上述技术效果，因此，设有该一种矿用挖掘机物料自动称重结构的挖掘机也应具备相应的技术效果，其具体实施过程与上述实施例类似，兹不赘述。

综上，本发明的称重方法在地面坡度较大时不影响物料称量；回转过程中实时计算，考虑了回转对受力产生的影响；根据达朗贝尔原理计算，考虑加速度影响，计算精度高；动态稳定性好，对操作平稳性要求较低。

实施例二

请继续参见图1所示，本实施例中，采取使用倾角传感器9作为工作装置姿态检测的工具，即在挖掘机上车2、动臂3、斗杆4和铲斗5上安装倾角传感器9。其物料自动称重方法与实施例一基本相同，不同之处在于步骤2修改为：

步骤2：主机通过倾角传感器9计算出动臂3、斗杆4和铲斗5与水平面的绝对夹角，再通过运动学微分计算出各部件的实时位置、速度、加速度等运动状态参数。

也能达到与实施例一系相同的技术效果，其实施方式与实施例一相同，在此不赘述。

实施例三

请继续参见图1所示，本实施例中，采取使用位移传感器作为工作装置姿态检测的工具，即在挖掘机动臂油缸6、斗杆油缸7和铲斗油缸8上安装位移传感器11。其物料自动称重方法与实施例一基本相同，不同之处在于步骤2修改为：

步骤2：主机通过位移传感器11计算出动臂油缸6、斗杆油缸7和铲斗油缸8的油缸伸长量，再通过运动学微分计算出各部件的实时位置、速度、加速度等运动状态参数。

也能达到与实施例一系相同的技术效果，其实施方式与实施例一相同，在此不赘述。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种矿用挖掘机物料自动称重方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：以回转支承(12)的回转中心为原点，建立直角坐标系，所述坐标系固定于上车，X轴方向水平指向工作装置方向，Y轴方向为以回转中心为原点的垂直向上方向，所建坐标系固定于上车，设定物料质心坐标(x,y)，其他部件质量参数为已知量，作为后续计算参数，所述部件包括上车(2)、动臂(3)、斗杆(4)、铲斗(5)、动臂油缸(6)、斗杆油缸(7)和铲斗油缸(8)；

步骤2：主机通过角度传感器(10)检测所述回转支承(12)的相对转动角度，所述动臂(3)和所述上车(2)之间的相对转动角度，所述动臂(3)和所述斗杆(4)之间的相对转动角度，所述斗杆(4)和所述铲斗(5)之间的相对转动角度，再通过运动学分析，微分计算出各部件的实时位置、速度、加速度等运动状态参数；

步骤3：主机通过压力传感器测量出动臂油缸(6)、斗杆油缸(7)和铲斗油缸(8)的大小腔压力，计算得出油缸的实时推压力；

步骤4：根据达朗贝尔原理，对每个部件列出动态平衡方程，代入各部件的运动状态参数和油缸推压力参数，联合求解方程，得到所述铲斗(5)和物料的总质量，减去所述铲斗(5)质量即为物料质量；

步骤5：进行质心修正，通过步骤4中物料质量与已知的物料密度，求出物料体积，得到较准确的质心坐标(x1,y1)，修正原设定物料质心坐标(x,y)，重新进行步骤2至步骤4的迭代计算，得出准确的物料质量；

步骤6：对比修正后的物料质心和上次计算所使用的物料质心位置，得出物料质心偏差程度，判断是否满足求解精度，若满足，输出此次计算结果。

2.根据权利要求1所述的矿用挖掘机物料自动称重方法，其特征在于，所述角度传感器(10)设置于所述回转支承(12)上、所述上车(2)和所述动臂(3)的铰接处、所述动臂(3)和所述斗杆(4)的铰接处、所述斗杆(4)和所述铲斗(5)的铰接处。

3.根据权利要求1所述的矿用挖掘机物料自动称重方法，其特征在于，所述压力传感器设于所述动臂油缸(6)、所述斗杆油缸(7)和所述铲斗油缸(8)进出油口处。