CN104956006B - 用于基于操纵杆控制的建筑设备的自动控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及自动控制系统，其控制建筑操作装置，操纵杆应用到该建筑操作装置，更具体地，涉及用于基于操纵杆控制的建筑设备的自动控制系统，包括：液压泵，将液压箱中的工作液排出，以将工作液供应到致动器；致动器，驱动利用液压泵的工作液压压力驱动建筑操作装置；第一电子液压压力控制阀，分别安装在从液压泵连接到致动器的活塞侧入口流径和杆侧入口流径；第二电子液压压力控制阀，分别安装在从致动器连接到液压箱的活塞侧出口流径和杆侧出口流径；和控制单元，控制独立于彼此连接到致动器的第一电子液压压力控制阀和第二电子液压压力控制阀。根据本发明，用于建筑设备的液压系统配置为闭合中心系统，其将电或液压操纵杆的输入信号转换为用于操作装置的控制信号，并且操作设备的速度被控制，而与外部负载条件无关。因此，可最小化操作者疲劳以提高操作效率、可提高非专业人员控制操作装置的能力并且可将常规操作模式化以用于建筑设备的自动化。

Description

用于基于操纵杆控制的建筑设备的自动控制系统和方法
技术领域
本发明涉及用于自动控制建筑设备的系统，具体地，涉及用于自动控制基于操纵杆控制的建筑设备的系统，其能够通过在控制致动器必需的每个流径上安装电子液压控制阀可变地控制流径区域，并且能够通过将操纵杆的输入信号转换为建筑施工装置的速度信号来自动控制该电子液压控制阀。
背景技术
通常，建筑设备被用于多种用途，诸如在建筑领域和工业领域中挖掘或者传送重物，以及建筑设备通常根据行进方式分为轮式建筑设备和履带式建筑设备。
这里，建筑设备通常涉及挖掘机、轮式装载机、叉车、反向铲土机等，并包括发动机、通过利用发动机动力产生液压压力的液压泵、通过使用液压阀控制由液压泵产生的液压压力的控制单元、和由受控的液压压力操作的致动器。
特别地，建筑设备根据流动速率和液压压力的控制运行吊杆、臂和铲斗操作每个致动器以执行预先确定的施工，所述致动器例如为操作横梁、臂和铲斗的致动器，。
这里，已知中心开口流动控制系统(open-center flow control system)和负载感测液压系统为用于控制流动速率和液压压力的技术、。
该中心开口流动控制系统具有负流动控制方案和正流动控制方案，在负流动控制方案中，在孔口(orifice)前端产生的压力以通过中心旁路并流进水箱(tank)的流动速率施加到流动控制单元，以控制泵的旋转斜盘角；在正流控制方案中，选择操纵杆的先导压力并将其施加到流动控制单元以控制泵的旋转斜盘角，并且前述两种控制方案为其中泵的排放流速分成中心旁路流径和在部件处的致动器流径，工人在该部件处执行精确操作。
另一方面，已知在负载感测液压系统中不产生过大的流动速率，并且可以通过压力补偿器将流动速率分散而与致动器的负载无关。
前述控制液压压力和流动速率的技术被机械地实施，所以存在一个问题，就是限制了控制的自由度，而且需要总是过度地操作泵发动机，发动机响应于致动器的操作而操作，从而燃料效率变差。
同时，建筑设备通常用于如上所述的各种施工条件中，从而需要包括与工作条件一致的发动机和用于设定液压泵的输出的器件。
也就是说，根据每种施工环境来设定发动机预储存的每分钟目标转速(RPM)、根据液压泵的输入转矩的发动机RPM、和液压泵的输入转矩。
相应地，因为发动机油门杠杆一直保持预定值而与工人的施工速度或负载程度无关，所以燃料被不必要地消耗且产生噪声和振动。
为了解决该问题，提出了一种方法，该方法在无负载时设定低引擎RPM、通过负载探测器件探测发动机负载及根据发动机负载输出发动机RPM。
相关领域中的挖掘机采用中心开口方案或负载感测方案，并采用用于可变地控制发动机等的器件，并且在该例子中，为了自动控制挖掘机的施工装置，该挖掘机采用一方法来将角度传感器附连到施工装置的连接部分、并存储施工区段的工人指示存储的每个角度传感器的信息并且重现(reproducing)所存储的信息；或采用通过使用行程传感器存储施工轨迹并实施和校正所存储的施工轨迹的方法。
但是，前述方法受施工环境影响，诸如设备(包括每个致动器或角度传感器)的特性、道路状态和负载，所以重现性降低并因此容易丧失原始功能。
发明内容
技术问题
构思本发明以解决前述问题，而本发明目的在于提供基于操纵杆控制的自动控制建筑设备的系统和方法，其将建筑设备的液压系统实施为利用电子或液压操纵杆和电子比例控制阀的中心闭合系统，将该电子或液压操纵杆的输入信号转换成施工装置的速度信号，并控制该施工装置的速度而与外部负载条件无关。
本发明另一目的在于，提供基于操纵杆控制的用于自动控制建筑设备的系统，该系统通过在连接到致动器的每个流径中安装电子液压控制阀，利用独立的流动控制方法能够可变地控制电子液压系统，以实现卓越的重现性并提供自动控制功能和施教及回放功能。
技术方案
本发明的一个示例性实施例提供一种基于操纵杆控制的用于自动控制建筑设备的系统，操纵杆应用到该建筑设备，所述系统包括：液压泵，配置为将液压箱中的工作液排出并将工作液供应给致动器；致动器，配置为使用该液压泵的工作液驱动建筑施工装置；第一电子液压控制阀，其安装在从该液压泵连接到该致动器的活塞侧入口流径和杆侧入口流径中；第二电子液压控制阀，其安装在从该致动器连接到该液压箱的活塞侧出口流径和拉杆侧出口流径中；以及控制单元，其配置为独立控制连接到该致动器的该第一电子液压控制阀和该第二电子液压控制阀。
该操纵杆可以是电操纵杆，以及当通过该电操纵杆的操作生成电信号时，该控制单元可通过利用由该电操纵杆的操作而生成的电信号控制连接到该致动器的该第一电子液压控制阀和该第二电子液压控制阀。
该操纵杆可以是液压操纵杆，以及该系统可进一步包括压力传感器，该压力传感器将由该液压操纵杆的操作形成的先导压力转换成电信号，并且该控制单元可通过利用由该压力传感器生成的电信号控制连接到该致动器的该第一电子液压控制阀和该第二电子液压控制阀。
该控制单元可进一步包括控制器，该控制器通过该电操纵杆或液压操纵杆的操作将与行程成比例的经编码的电信号转换成速度信号，以便可控制该第一电子液压控制阀和该第二电子液压控制阀的开启/关闭，且该建筑施工装置的施工速度可被改变。
该流径的区域可由该第一电子液压控制阀和该第二电子液压控制阀根据该电操纵杆或该液压操纵杆的操作量可变地控制。
该控制单元可进一步包括存储单元和监视单元，该存储单元用于实时存储根据该电操纵杆或该液压操纵杆的操作所生成的电信号和速度信号，该监视单元用于实时监视根据该电操纵杆或该液压操纵杆的操作所生成的电信号和速度信号。
本发明另一示例性实施例提出了一种基于操纵杆控制的自动控制建筑设备的方法，包括：将通过建筑施工装置的操纵杆杠杆的操作所生成的信号转换成电信号，并输入该电信号；将该操纵杆杠杆的电信号转换成该建筑施工装置的速度信号；选择该建筑施工装置的自动挖掘功能；存储该操纵杆杠杆的操作信号；由该建筑施工装置执行自动挖掘(施教和回放)；根据预先存储的该操纵杆杠杆的操作信号生成泵和电子液压阀的控制信号；以及驱动该建筑施工装置的致动器。
该操纵杆可以是电操纵杆和液压操纵杆中的任一种。
该方法可进一步包括：当不选择该建筑施工装置的自动挖掘功能时，根据该电操纵杆或该液压操纵杆的杠杆信号生成泵和电子液压阀的控制信号。
在电操纵杆或该液压操纵杆处可进一步提供按钮或一种开关，或进一步提供单独的预定操作按钮或一种开关，以选择该自动挖掘功能，以便可将自动挖掘性能选择信号输入到控制单元中。
当不执行该建筑施工装置的自动挖掘时，该方法可返回到选择该建筑施工装置的自动挖掘功能的操作。
有益效果
根据本发明，将建筑设备的液压系统实施为中心闭合系统，其将电或液压操纵杆的输入信号转换成施工装置的速度信号，并控制施工装置的速度而与外部负载条件无关，由此最小化工人的疲劳以提高工作效率、提高非专业人员施工装置操作能力、并将标准化施工模式化以实施建筑设备的自动化。
进一步，本发明可根据电或液压操纵杆的操作量来更精确地控制流动速率，由此最佳地减少发动机和液压泵的操作时间，并因此可能独立地控制流径和流动速率，因而明显地改进重型建筑设备的流动控制自由度。而且，通过改进重型建筑设备的流动控制自由度，可能最小化工人疲劳，提高燃料效率，并提高安全性和工人的工作效率。
进一步，当控制多个致动器时，本发明存储工人的用于驱动施工装置的输入信号，该施工装置将以对应于已存储区段的信号的速度操作。相应地，可能实施自动控制操作而不需要单独的测量设备和反馈功能。
进一步，本发明存储与已存储区段的信号和已存储区段的信号的起始时间点相对应的速度，因而尽管由于设备、坏境或负载条件中的变化，本发明被暴露于与所存储工作条件不同的条件，但速度基于所存储的施工装置的速度估计，以实施自动控制施工，由此稳定执行施工重现而与外部条件无关。
附图说明
本说明书中的附图是用于说明本发明的示例性实施例，并用于与本发明的详细描述一起更全面地理解本发明的技术精神，因此本发明不应被认为限制到附图所描述的事项。
图1和图2为示意图，其示出根据本发明第一示例性实施例的基于电操纵杆控制的用于自动控制建筑设备的系统的一般配置；
图3为示意图，其示意性地示出根据本发明第一示例性实施例的基于电操纵杆控制的自动控制建筑设备的方法的算法；
图4和图5为示意图，其示出根据本发明第二示例性实施例的基于液压操纵杆控制的用于自动控制建筑设备的系统的一般配置；
图6为示意图，其示意性地示出根据本发明第二示例性实施例的基于液压操纵杆控制的自动控制建筑设备的方法的算法。
具体实施方式
下文，将具体说明根据本发明的基于操纵杆控制的自动控制建筑设备的系统和方法的实施例。
图1和图2为示意图，其示出根据本发明第一实施例的基于电操纵杆控制的自动控制建筑设备的系统的一般配置。
参考图1和图2，根据本发明第一实施例的用于基于电操纵杆控制的自动控制建筑设备的系统包括电操纵杆10、液压箱20、液压泵30、致动器40、第一电子流动速率控制阀50和50’、第二电子流动速率控制阀60和60’、以及控制单元70，下文将详细描述。
电操纵杆10是建筑施工装置的操作工具，且当工人操作该电操纵杆10用于施工(诸如举起或倾斜)时，输出与行程成比例的经编码的电信号。
液压泵30通过发动机驱动将液压泵30内的工作液排出，并将工作液供应到多个致动器40，由控制单元70控制液压泵30的排出流动速率。
驱动各种建筑施工装置的致动器40通过活塞侧入口流径41和杆侧入口流径42与液压泵30相连接，并且通过活塞侧出口流径21和杆侧出口流径22连接到液压箱20，并且所提供的致动器40的数量是多个。
第一电子液压控制阀50和50’被分别安装到活塞侧入口流径41处和杆侧入口流径42处，并且第二电子液压控制阀60和60’被分别安装到活塞侧出口流径21处和杆侧出口流径22处。
第一电子液压控制阀50和50’以及第二电子液压控制阀60和60’被安装到连接至每个致动器40的每个流径中，并与控制单元70相连接以通过电操纵杆10的操作量(quantity)控制。
控制单元70与电操纵杆10相连接，从而有关电操纵杆10的操作量的信息被存储到存储单元72中，并通过预先存储的基于预先存储在存储单元72中的有关操作量的信息的算法控制第一电子液压控制阀50、第二电子液压控制阀60和液压泵30的压力控制方案，来控制致动器40的速度。
在该情况下，控制单元70包括控制器71、存储单元72和监视单元73。
控制器71通过电操纵杆10的操作将与行程成比例的经编码电信号转换成速度信号以开启和关闭第一电子液压控制阀50和50’和第二电子液压控制阀60和60’，从而能够改变实现建筑施工装置的工作速度。
进一步，存储单元72实时存储根据电操纵杆10的操作所生成的电信号和速度信号。
监视单元73实时监视根据电操纵杆10的操作所生成的电信号和速度信号。
也就是说，本发明实施一中心闭合系统，其中每个致动器40经受由电子液压控制阀控制的单独流动速率控制，当电操纵杆10处于中性阶段时预先确定的流动速率不从液压泵30排出，且不存在旁路流径。
在本发明中，当工人操作电操纵杆10时，同时被驱动的致动器40的数量和有关电操纵杆10的操作量的信息被存储在存储单元72中，每个致动器40的速度根据预先存储在存储单元72中的算法确定，并且第一电子液压控制阀50和50’、第二电子液压控制阀60和60’及液压泵30通过控制单元70控制，从而控制用于调节致动器40的运动的可变孔口的区域和该可变孔口前端和尾端之间的压力差，从而根据操作者的意愿实施致动器40的目标速度。
相应地，通过利用前述特性，本发明可以随机存储特定重复操作，诸如自动找平和挖掘，以及即使在负载条件改变时也可以均匀控制建筑施工装置的速度，并且将标准化操作模式化并重复实施该操作，从而自动实施施教和回放系统(teach&play back system)。
图3为示意图，其示意性地示出根据本发明第一示例性实施例的基于电操纵杆控制的自动控制建筑设备的方法的算法。
参照图3，在根据本发明第一示例性实施例的基于电操纵杆控制的自动控制建筑设备的方法中，工人首先将电信号输入到建筑施工装置的电操纵杆的杠杆中(操作S10)。
接着，由工人操作的操纵杆的杠杆信号被转换成建筑施工装置的速度信号(操作S20)。
接着，通过操纵杆的杠杆信号选择建筑施工装置的自动挖掘功能，该杠杆信号已经被转换成建筑施工装置的速度信号(操作S30)。
在该情况中，在电操纵杆10处进一步提供按钮或一种开关，或单独的预定操作按钮74或一种开关，以选择自动挖掘功能，以便将自动挖掘性能选择信号输入到控制单元70中(参见图2)。
操作按钮74可以通过监视单元来输入、通过安装到单独的控制台的开关来输入、和通过安装到电操纵杆中的开关来输入。
接着，当选择建筑施工装置的自动挖掘功能时，存储电操纵杆杠杆的操作信号(操作S40)。
在该情况中，当不选择建筑施工装置的自动挖掘功能时，根据电操纵杆的杠杆信号生成泵和电子液压阀的控制信号(操作S60’)，从而驱动致动器。
同时，当存储电操纵杆杠杆的操作信号时，建筑施工装置自动地执行挖掘(操作S50)。
接着，当建筑施工装置自动地执行挖掘时，根据预先存储的电操纵杆的杠杆信号生成泵和电子液压阀的控制信号(操作S60)。
最后，当根据电操纵杆的杠杆信号生成泵和电子液压阀的控制信号时，最终驱动致动器(操作S70)。
这里，当不执行建筑施工装置的自动挖掘时，该方法返回到选择建筑施工装置的自动挖掘功能的操作。
也就是说，根据本发明第一示例性实施例的基于操纵杆控制的自动控制建筑设备的方法实施施教和回放功能，其能够将电操纵杆的操作量转换成建筑施工装置的速度，选择将建筑施工装置的速度存储为数据，根据选择的开关重现所存储的建筑施工装置的速度信号，并重复地和自动地控制建筑施工装置。
图4和图5为示意图，其示出根据本发明第二示例性实施例的基于液压操纵杆控制的用于自动控制建筑设备的系统的一般配置。
参考图4和图5，根据本发明第二示例性实施例的基于液压操纵杆控制的用于自动控制建筑设备的系统包括液压操纵杆100、液压箱200、液压泵300、致动器400、第一电子流动速率控制阀500和500’、第二电子流动速率控制阀600和600’、以及控制单元700，以下将详细描述。
液压操纵杆100是建筑施工装置的操作工具，其在工人操作该液压操纵杆100用于施工(诸如举起或倾斜)时，输出与行程成比例的先导压力信号。
液压泵300通过发动机驱动将液压泵300内的工作液排出，并将工作液供应到多个致动器400，并且由控制单元700控制液压泵300的排出流动速率。
驱动各种建筑施工装置的致动器400通过活塞侧入口流径410和杆侧入口流径420与液压泵300相连接，并通过活塞侧出口流径210和杆侧出口流径220连接到液压箱200，并且所提供的致动器400的数量是多个。
第一电子液压控制阀500和500’被分别安装到活塞侧入口流径410处和杆侧入口流径420处，并且第二电子液压控制阀600和600’被分别安装到活塞侧出口流径210处和杆侧出口流径220处。
第一电子液压控制阀500和500’以及第二电子液压控制阀600和600’被安装到连接至每个致动器400的每个流径，并与控制单元700相连接以通过液压操纵杆100的操作量(quantity)控制。
控制单元700与液压操纵杆100相连接，从而有关液压操纵杆100的操作量的信息被存储到存储单元720中，并通过预先存储的基于预先存储在存储单元720中的有关操作量的信息的算法控制第一电子液压控制阀500、第二电子液压控制阀600和液压泵300的压力控制方案，来控制致动器400的速度。
在该情况中，控制单元700包括控制器710、存储单元720和监视单元730。
与行程成比例的先导压力信号通过液压操纵杆100的操作输出，并且控制器710通过使用压力传感器800将压力值改变成电信号。
控制器710将被改变成电信号的值转换成速度信号，以控制第一电子液压控制阀500和500’及第二电子液压控制阀600和600’的开启/关闭，从而改变建筑施工装置的施工速度。
进一步，存储单元720实时存储根据液压操纵杆100的操作所生成的电信号和速度信号。
监视单元730实时监视根据液压操纵杆100的操作所生成的电信号和速度信号。
也就是说，本发明实施一中心闭合系统，其中每个致动器400经受由电子液压控制阀控制的单独流动速率控制，当液压操纵杆100处于中性阶段时预定的流动速率不从液压泵300排出，且不存在旁路流径。
在本发明中，当工人操纵液压操纵杆100时，同时被驱动的致动器400的数量和有关液压操纵杆100的操作量的信息被存储在存储单元720中，每个致动器400的速度根据预先存储在存储单元720中的算法确定，并且第一电子液压控制阀500和500’、第二电子液压控制阀600和600’及液压泵300通过控制单元700控制，从而控制用于调节致动器400的运动的可变孔口的区域和该可变孔口前端和尾端之间的压力差，从而根据操作者的意愿实施致动器400的目标速度。
相应地，通过利用前述特性，本发明可以随机存储特定重复操作，诸如自动找平和挖掘，以及即使在负载条件改变时也可以均匀控制建筑施工装置的速度，并且将标准化操作模式化并重复实施该操作，从而自动实施施教和回放系统(teach&play back system)。
图6为示意图，其示意性地示出根据本发明第二示例性实施例的基于液压操纵杆控制的自动控制建筑设备的方法的算法。
参照图6，在根据本发明第二示例性实施例的基于液压操纵杆控制的自动控制建筑设备的方法中，通过建筑施工装置的液压操纵杆杠杆的操作形成的先导信号通过工人和输入转换成电信号(操作S100)。
接着，由工人操作的操纵杆的杠杆信号被转换成建筑施工装置的速度信号(操作S200)。
接着，通过操纵杆的杠杆信号选择建筑施工装置的自动挖掘功能，该杠杆信号已经被转换成建筑施工装置的速度信号(操作S300)。
在该情况中，在液压操纵杆100处进一步提供按钮或一种开关，或单独的预定操作按钮740或一种开关，以选择自动挖掘功能，以便将自动挖掘性能选择信号输入到控制单元700中(参见图5)。
操作按钮740可以通过监视单元来输入、通过安装到单独的控制台中的开关来输入、和通过安装到液压操纵杆中的开关来输入。
接着，当选择建筑施工装置的自动挖掘功能时，存储液压操纵杆杠杆的操作信号(操作S400)。
在该情况中，当不选择建筑施工装置的自动挖掘功能时，根据液压操纵杆的杠杆信号生成泵和电子液压阀的控制信号(操作S600’)，从而驱动致动器。
同时，当存储液压操纵杆杠杆的操作信号时，建筑施工装置自动地执行挖掘(操作S500)。
接着，当建筑施工装置自动地执行挖掘时，根据预先存储的液压操纵杆的杠杆信号生成泵和电子液压阀的控制信号(操作S600)。
最后，当根据液压操纵杆的杠杆信号生成泵和电子液压阀的控制信号时，最终驱动致动器(操作S700)。
这里，当不执行建筑施工装置的自动挖掘时，该方法返回到选择建筑施工装置的自动挖掘功能的操作。
也就是说，根据本发明第二示例性实施例的基于操纵杆控制的自动控制建筑设备的方法实施施教和回放功能，其能够将液压操纵杆的操作量转换成建筑施工装置的速度，选择将建筑施工装置的速度存储为数据，根据选择开关重现所存储的建筑施工装置的速度信号，并重复和自动控制建筑施工装置。
已经基于示例性实施例描述了本发明，但对本领域技术人员而言显而易见的是本发明的技术精神不限于此，可以在权利要求书范围内做出变形和改变，且该变形属于所附权利要求。

Claims (6)

1.一种基于操纵杆控制的用于自动控制建筑设备的系统，操纵杆应用到该建筑设备，所述系统包括：
液压泵(30，300)，配置为将液压箱(20，200)中的工作液排出并将工作液供应给致动器(40，400)；
致动器(40，400)，配置为使用该液压泵(30，300)的工作液驱动建筑施工装置；
第一电子液压控制阀(50和50’，500和500’)，其安装在从该液压泵(30，300)连接到该致动器(40，400)的活塞侧入口流径(41，410)和杆侧入口流径(42，420)中；
第二电子液压控制阀(60和60’，600和600’)，其安装在从该致动器(40，400)连接到该液压箱(20，200)的活塞侧出口流径(21，210)和杆侧出口流径(22，220)中；以及
控制单元(70，700)，其配置为独立控制连接到该致动器(40，400)的该第一电子液压控制阀(50和50’，500和500’)和该第二电子液压控制阀(60和60’，600和600’)，
其中，所述系统实施为闭合中心系统，通过旁路所述致动器而没有从液压泵连接到液压箱的旁路流动路径，
所述控制单元通过操纵杆的操作确定与行程成比例的致动器的速度，并且通过使用致动器的速度控制控制第一电子液压控制阀、第二电子液压阀和液压泵，而与外部负载条件无关，并且
控制单元控制液压泵以在操纵杆处于中性阶段中时不排出预定流动速率。
2.根据权利要求1所述的系统，其中该操纵杆是电操纵杆(10)，并且当通过该电操纵杆(10)的操作生成电信号时，该控制单元(70)通过利用由该电操纵杆(10)的操作生成的电信号来控制连接到该致动器(40，400)的该第一电子液压控制阀(50和50’)和该第二电子液压控制阀(60和60’)。
3.根据权利要求1所述的系统，其中该操纵杆是液压操纵杆(100)，并且该系统进一步包括压力传感器(800)，该压力传感器(800)将由该液压操纵杆(100)的操作形成的先导压力转换成电信号，以及
该控制单元(700)通过利用由该压力传感器(800)生成的电信号来控制连接到该致动器(400)的该第一电子液压控制阀(500，500’)和该第二电子液压控制阀(600，600’)。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其中该控制单元(70，700)进一步包括控制器(71，710)，该控制器(71，710)通过该电操纵杆(10)或液压操纵杆(100)的操作将与行程成比例的经编码电信号转换成速度信号，以便控制该第一电子液压控制阀(50和50’，500和500’)和该第二电子液压控制阀(60和60’，600和600’)的开启/关闭，且改变该建筑施工装置的施工速度。
5.根据权利要求4所述的系统，其中由该第一电子液压控制阀(50和50’，500和500’)和该第二电子液压控制阀(60和60’，600和600’)根据该电操纵杆(10)或该液压操纵杆(100)的操作量，可变地控制该流径的区域。
6.根据权利要求2或3所述的系统，其中该控制单元(70，700)进一步包括存储单元(72，720)和监视单元(73，730)，该存储单元(72，720)用于实时存储根据该电操纵杆(10)或该液压操纵杆(100)的操作所生成的电信号和速度信号，该监视单元(73，730)用于实时监视根据该电操纵杆(10)或该液压操纵杆(100)的操作所生成的电信号和速度信号。
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