CN107034944A - 用于估计工业机械的有效负载的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种确定采掘机的有效负载数据的方法，所述采掘机具有铲斗和铲柄。其中所述铲斗和铲柄通过销和促动器可旋转地耦接。所述方法包括通过第一传感器检测与所述促动器相关的第一力，以及通过第二传感器检测与所述铲斗相关的第二力。所述方法进一步包括通过控制器确定所述铲斗的旋转角，以及基于所述第一力、第二力和旋转角度来通过控制器确定有效负载数据。

Description

用于估计工业机械的有效负载的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月15日提交的、第62/267,732号美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用而并入本申请。

技术领域

本申请涉及工业机械，更具体地，涉及用于估计工业机械的有效负载的系统和方法。工业机械包括但不限于：电动钢丝绳或动力铲挖掘机(electric rope or powershovel)、索铲挖掘机(dragline)、液压机械以及反铲挖掘机(backhoe)。

背景技术

工业机械，例如电动钢丝绳或动力铲挖掘机、索铲挖掘机、液压机械以及反铲挖掘机等，被用于执行操作，例如通过挖掘而从矿堆移除物料。这些工业机械和/或它们的部件一般由促动器驱动，促动器包括但不限于：马达、液压系统等。

发明内容

有效负载数据可以被确定，有效负载数据例如可以是机械的铲斗内开采物料的估计量。通常来说，可以使用机械的各种促动器(例如，一个或多个马达或者促动器)的一个或多个扭矩估计值来确定有效负载数据。这种估算有效负载数据的方法和系统是有问题的，因为扭矩被估计的促动器常常位于远离实际有效负载(例如，容纳开采物料的铲斗)的位置。此外，对于某些类型的促动器，例如某些类型的马达，扭矩估计可能是不精确的，因此基于该种扭矩估计的任何有效负载估计也是不精确的。

相应地，需要一种用于估计工业机械的有效负载的新方法和系统。因此，在某一实施例中，本申请提供的工业机械包括基部。所述工业机械还包括可旋转地耦接至基部的铲柄，以及通过销和促动器可旋转地耦接至所述铲柄的铲斗。所述工业机械进一步包括第一传感器、第二传感器、旋转传感器和控制器。所述第一传感器配置成检测促动器力。所述第二传感器配置成检测提升力。所述旋转传感器配置成检测所述铲斗的旋转角。所述控制器配置成接收所述促动器力、提升力和旋转角，并且用所述促动器力、提升力和旋转角确定有效负载数据。

在另一实施例中，本申请提供了一种确定工业机械的有效负载数据的方法，所述工业机械具有铲斗和铲柄，所述铲斗和铲柄通过销和促动器可旋转地耦接。所述方法包括：通过第一传感器检测与所述促动器相关的第一力；通过位置靠近销的第二传感器检测与所述铲斗相关的第二力；通过位置靠近所述销的第三传感器检测所述铲斗的旋转角；以及基于所述第一力、第二力和旋转角，确定所述有效负载数据。

通过考虑具体说明和附图，本申请的其它方面将变得更加明显。

附图说明

图1展示了根据本申请的一些实施例的工业机械。

图2是根据本申请的一些实施例的图1所示工业机械的铲柄和铲斗的侧视图。

图3是根据本申请的一些实施例的图1所示工业机械的控制系统的方框图。

图4是展示了图1所示工业机械的随时间变化的各种力的图表。

图5是根据本申请一些实施例的图1所示工业机械运行的流程图。

图6是根据本申请一些实施例的图1所示工业机械的铲斗的侧视图，其中铲斗的方向相对于参考点。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明的应用不限于在以下说明中所阐述的和在以下附图中所示出的结构细节和部件排布。本发明能够具有其它实施例，并且能够以各种不同的方式来实现或实施本发明。另外，应当明白，本申请中使用的措辞和术语只用于描述目的，并且不应当作为限制。本申请中使用的“包括”、“包含”或“具有”及其变形不仅包括其后列明的项目和其等同物，还包括其它项目。术语“安装”、“连接”和“耦接”及其变形被广义地使用，并且包括直接和间接的安装、连接和耦接。进一步，“连接”和“耦接”不限于物理或机械的连接或耦接，它们还可包括电连接和电耦接，不管是直接地还是间接地。此外，可以使用任何已知的方法执行电子通信和通知，这些方法包括直接连接、无线连接等。

应当注意，可以使用多个基于硬件和软件的装置，以及多个不同结构的部件来实施本申请。另外，可以理解的是，本发明的实施例可以包括硬件、软件以及电子元件或模块，为了讨论目的，它们被展示和描述成如同只以硬件实施大部分元件。然而，本领域技术人员在阅读具体实施方式的基础上可以认识到，在至少一个示例中，可以在能够被一个或多个处理器执行的软件(例如，存储在非易失性计算机可读介质中)中实施本发明的基于电子的方面。此外，如下述段落所述，附图中展示的具体机械结构只意在举例说明本发明的实施例。然而，可能有其它可供选择的机械结构。例如，说明书中描述的“控制器”可以包括标准处理部件，例如一个或多个处理器、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口、以及连接各部件的各种连接(例如，系统总线)。

虽然各种工业机械(例如，采掘机、钢丝绳铲挖掘机、具有提升或拖拉运动的索铲挖掘机、液压机械、反铲挖掘机等)可以应用、执行或结合使用在此描述的申请，但是关于电动钢丝绳或动力铲挖掘机，例如图1中展示的工业机械，来描述在此描述的本申请的实施例。图1所示的实施例展示了采掘机，例如作为钢丝绳铲挖掘机(ropeshovel)的电采矿铲挖掘机(electric mining shovel)100，然而在其它实施例中，采矿铲挖掘机100可以是其它类型的工业机械，例如混合动力采矿铲挖掘机、索铲挖掘机等。采矿铲挖掘机100包括履带105，履带105用于将采矿铲挖掘机100向前和向后推进，以及用于使采矿铲挖掘机100转向(即，通过改变左履带和右履带相对彼此的速度和/或方向)。履带105支撑基部110，基部110包括驾驶室115。基部110能够绕着摆动轴125摆动或旋转，例如，从挖掘位置移动至倾倒位置。在一些实施例中，摆动轴垂直于水平轴127。对于摆动运动而言，履带105的移动不是必需的。采矿铲挖掘机100还包括悬臂130，悬臂130支撑可枢转的铲柄135(铲柄135)以及附接物。在某一实施例中，附接物是铲斗140。铲斗140包括门145，门145用于将容纳物从铲斗140中倾倒在倾倒位置，例如料斗、倾倒货车或者运输车辆。铲斗140进一步包括铲斗齿147，铲斗齿147用于掘入挖掘位置的矿堆中。应当理解，各种工业机械可以具有各种附接物(例如，具有铲子的反铲挖掘机、具有铲斗的挖掘机、具有铲斗的装载机等)。虽然在此描述的各种实施例讨论了采矿铲挖掘机100的铲斗140的使用，但是工业机械的任何附接物可以与所描述的本申请结合使用。

采矿铲挖掘机100还包括：张紧悬索150，张紧悬索150被耦接在基部110和悬臂130之间以用于支撑悬臂130；一个或多个起重索155，起重索155被附接至基部110内的绞盘(未显示)，以用于缠绕起重索155而提升或降低铲斗140；以及铲斗门索160，铲斗门索160被附接至另一绞盘(未显示)，以用于打开铲斗140的门145。采矿铲挖掘机100可进一步包括被可旋转地耦接至悬臂130的悬臂末端滑轮162。悬臂末端滑轮162可被配置成支撑一个或多个起重索155。

铲斗140可操作而基于三种控制动作进行运动：提升、推挤(crowd)和摆动。提升控制通过缠绕和退绕起重索155来提升和降低铲斗140。推挤控制延伸和回缩铲柄135和铲斗140的位置。在某一实施例中，铲柄135和铲斗140通过使用齿条和齿轮系统来进行推挤。在另一实施例中，铲柄135和铲斗140通过使用液压驱动系统进行推挤。摆动控制使基部110绕着摆动轴125相对于履带105旋转。在一些实施例中，铲斗140可相对于铲柄135旋转或倾斜至各种铲斗角度。在其它实施例中，铲斗140所包括的角度例如相对于铲柄135是固定的。

图2展示了采矿铲挖掘机100的铲柄135和铲斗140的侧视图。铲斗140可通过铲斗-铲柄销200被可枢转地附接至铲柄135。铲斗140可通过促动器205而相对于铲柄135可枢转地运动。如图所示，促动器205通过铲柄-促动器销210可旋转地耦接至铲柄135。此外，如图所示，促动器205通过铲斗-促动器销215可旋转地耦接至铲斗140。在一些实施例中，促动器205是液压促动器。在另一实施例中，促动器205包括一个或多个马达，包括但不限于，直流(DC)马达、交流(AC)马达、开关磁阻(SR)马达。

如图3所示，图1的采矿铲挖掘机100包括控制系统300。可以理解，除了采矿铲挖掘机100之外，控制器300可以被用于各种工业机械(例如，索铲挖掘机、液压机械、施工机械、反铲挖掘机等)。控制系统300包括控制器305、操作员控制310、铲斗控制315、传感器320、用户界面325以及其它输入/输出(I/O)330。控制器305包括处理器335和存储器340。存储器340存储能够被处理器335执行的指令，以及用于诸如允许控制器305与操作员之间或者控制器305与传感器320之间进行通信的各种输入/输出。在一些情况下，控制器305包括微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等中的一个或多个。

控制器305接收来自操作员控制310的输入。操作员控制310包括推挤控制或驱动345、摆动控制或驱动350、提升控制或驱动355以及门控制360。推挤控制345、摆动控制350、提升控制355以及门控制360例如包括：操作员所控制的输入装置，比如操纵杆、杠杆、脚踏板和其它促动器。操作员控制310通过输入装置接收操作员输入，并且向控制器305输出数字运动命令。运动命令包括：例如，吊起、吊落、推挤延伸、推挤回缩、顺时针摆动、逆时针摆动、铲斗门释放、左履带向前、左履带倒退、右履带向前以及右履带倒退。

一旦接收到运动命令，控制器305通常会如同操作员命令的那样控制铲斗控制315。铲斗控制315控制采矿铲挖掘机100的多个马达316。多个马达316包括但不限于：一个或多个推挤马达365、一个或多个摆动马达370以及一个或多个提升马达375。例如，如果操作员通过摆动控制350指示逆时针转动基部110，那么控制器305通常会控制摆动马达370而使基部110逆时针旋转。然而，在本申请的一些实施例中，控制器305可操作而限制操作员运动命令，并且在独立于操作员输入的情况下生成运动命令。

马达316可以是施加力的任何促动器。在一些实施例中，马达316可以是，但不限于，交流马达、交流同步马达、交流异步马达、直流马达、换向器直流马达(例如永磁直流马达、励磁直流马达等)、磁阻马达(例如开关磁阻马达)、线性液压马达(即液压缸)、以及径向柱塞式液压马达等。在一些实施例中，马达316可以但不限于是扭矩控制的、速度控制的、或者依照固定的扭矩-速度曲线的特征。可以根据各个马达的能力连同采矿铲挖掘机100所需的失速力(stall force)来确定马达316的扭矩极限。

控制器305还与一些传感器320通信。例如，控制器305与一个或多个推挤传感器380、一个或多个摆动传感器385、一个或多个提升传感器390、促动器传感器392以及销传感器395通信。推挤传感器380检测与采掘机的推挤运行相关的物理特性，并且将检测的物理特性转换成将被传输至控制器305的数据或电子信号。推挤传感器380例如包括多个位置传感器、多个速度传感器、多个加速度传感器和多个扭矩传感器。多个位置传感器向控制器305指示出铲斗140延伸或回缩的水平。多个速度传感器向控制器305指示铲斗140延伸或回缩的速度。多个加速度传感器向控制器305指示铲斗140延伸或回缩的加速度。多个扭矩传感器向控制器305指示通过铲斗140的延伸或回缩所产生的扭矩量。

摆动传感器385检测与采掘机的摆动运动相关的物理特性，并且将检测的物理特性转换成将被传输至控制器305的数据或电子信号。摆动传感器385例如包括多个位置传感器、多个速度传感器、多个加速度传感器和多个扭矩传感器。位置传感器向控制器305指示基部110围绕摆动轴125相对于履带105的摆动角，而速度传感器指示摆动速度，加速度传感器指示摆动加速度，并且扭矩传感器指示摆动运动所产生的扭矩。

提升传感器390检测与采掘机的摆动运动相关的物理特性，并且将检测的物理特性转换成将被传输至控制器305的数据或电子信号。提升传感器390例如包括多个位置传感器、多个速度传感器、多个加速度传感器和多个扭矩传感器。位置传感器基于起重索155的位置，向控制器305指示铲斗140的高度，而速度传感器指示提升速度，加速度传感器指示提升加速度，并且扭矩传感器指示提升运动所产生的扭矩。在一些实施例中，扭矩提升传感器可以被用于确定吊钩拉力(bail pull force)和提升力。在一些实施例中，加速度传感器、摆动传感器385、提升传感器390是振动传感器，其可包括压电材料。在一些实施例中，传感器320还包括门闩传感器，所述门闩传感器首先指示铲斗们145是否打开或关闭，并且测量铲斗140中容纳的载荷的重量。在一些实施方式中，位置传感器、速度传感器、加速度传感器和扭矩传感器中的一个或多个被直接结合到马达316内，并且检测马达的各种特性(例如，马达电压、马达电流、马达功率、马达功率因数等)，以便确定加速度。

促动器传感器392检测促动器205的位移和/或由促动器205施加的力。在促动器205是液压促动器的实施例中，促动器传感器392通过测量液压促动器的压力来测量促动器205施加的力。在促动器205是马达的另一实施例中，促动器传感器292可以是扭矩传感器，该传感器测量由促动器205施加的扭矩。

销传感器395检测铲斗140相对于铲柄135的角位置或旋转角。在一些实施例中，施加在销传感器395的位置处的质量或重量等价于采矿铲挖掘机100的吊钩拉力或提升力。在一些实施例中，销传感器395可额外地测量铲斗140相对于铲柄135的角速度和角加速度。

用户界面325向操作员提供有关采矿铲挖掘机100以及与采矿铲挖掘机100通信的其它系统的状态信息。用户界面325包括下述的一个或多个：显示器(例如液晶显示器(LCD))；一个或多个发光二极管(LED)或其它发光装置；平视显示器(例如，投射到驾驶室115的窗户上)；用于声音反馈的扬声器(例如，哔哔声、口头信息等)；触觉反馈装置，例如能够使操作员的椅子或者操作员控制310振动的振动装置；或者其它反馈装置。

在操作过程中，控制系统300可被配置成确定有效负载数据，例如但不限于铲斗140的填充因数(fill factor)。填充因数是铲斗140所填充的物料的百分比(例如，0％至100％)。随着填充因数的变化，铲斗140的重心会发生变化。通过知道重心，可以确定精确的有效负载数据(例如，精确的有效填充因数)。

图4是展示采矿铲挖掘机100随时间405变化的各种力的图表400。图表400被分成多个操作。在展示的实施例中，多个操作包括但不限于：挖掘操作410、摆向货车操作415、摆动减速和倾倒操作420、倾倒和摆动操作425、以及返回货车操作430。在一些实施例中，在摆动减速和倾倒操作420的期间确定有效负载数据(例如铲斗140的填充因数)。然而，在其它实施例中，可以在不同的操作期间或者在多于一个的操作期间确定有效负载数据。

图5是展示根据本申请一些实施例的方法或操作500的流程图。应当理解，操作500中公开的步骤的顺序是可以变化的。其它的步骤也可以添加到控制序列中，并且不是所有步骤都是需要的。控制系统300监控铲斗140的摆动运动(框图505)。通过确定摆动运动是否在减速，控制系统300确定采矿铲挖掘机100是否处于摆动减速和倾倒操作420(框图510)中。如果摆动运动不在减速，那么操作500回到框图505。如果摆动运动在减速，那么控制系统300从销传感器395接收负载销数据(例如，力、重量等)，从促动器传感器392接收促动器数据(例如，促动器力和促动器位移)，以及接收位置数据(框图515)。控制系统300然后使用接收到的数据来估计有效负载数据(框图520)。控制系统300然后输出有效负载数据(方框525)。在一些实施例中，负载销数据可以被替换成来自提升扭矩传感器390的提升扭矩数据。

图6展示了与铲斗140有关的多个向量。铲斗140的局部原点O，以及全局原点G，被用于确定与铲斗140有关的多个向量。使用来自提升传感器390和推挤传感器380中的一个或多个的传感信息，以及来自促动器传感器392的促动器的传感位移，连同悬臂130、铲柄135、铲斗140以及悬臂末端滑轮162的已知几何结构，可以计算局部原点O。在一些实施例中，如图1所示，全局原点G位于水平轴127和摆动轴125的交点处。在另一实施例中，全局原点G位于铲柄135被可旋转地耦接至基部110的点上。在其它实施例中，全局原点G可以是采矿铲挖掘机100上的任何预先确定的点。第一向量r是从铲斗-促动器销215至局部原点O的向量。第一全局原点向量r₁是从全局原点G至铲斗-促动器销215的向量。第二全局原点向量r₂是从全局原点G至局部原点O的向量。正交向量r’是与第一向量r正交的向量。

可以使用下面的等式估计有效负载数据：

∑M_{hdl lug}＝Iα [等式1]

其中：

M＝绕销200的力矩

I＝铲斗140的惯性

α＝铲斗140绕销200的角加速度

等式1可以被改写成下面的等式2：

(F_hst)d₁+(F_cyl)d₂-(F_bucket)d₃-(F_material)d₄＝(I_{bucket+material})α_bucket [等式2]

其中：

F_hst＝提升力(例如，由销传感器395或提升扭矩传感器390检测的质量)

F_cyl＝由促动器传感器392检测的促动器力

F_bucket＝空铲斗的铲斗重力

F_material＝物料的重力

I_{bucket+material}＝围绕销200的物料和铲斗惯性

α_bucket＝由销传感器395检测的铲斗绕销200的角加速度

d₁＝从销200到起重绳的法线距离

d₂＝从销200到摆缸轴(tilt cylinder axis)的法线距离(例如，由促动器传感器392检测的促动器位移)

d₃＝从销200到铲斗重力的法线距离

d₄＝从销200到物料重力的法线距离

在一些实施例中，基于促动器的传感位移和工业机械部件的大小，可以确定铲斗140的旋转角。在这样的实施例中，工业机械部件的大小可以是铲斗和销之间的第一连接部(例如，在铲斗-铲柄销200处)与促动器和铲斗之间的第二连接部(例如，铲斗-缸销215)之间的距离。铲斗140相对于水平轴127的旋转角可以被表示成θ，其中当铲斗-铲柄销200轴和铲斗-缸销215在同一垂直线上时，θ等于0。可以通过下列的等式3-7来确定Cosθ和Sinθ：

r＝r₂-r₁ [等式4]

通过使用下面的等式8-10，等式2可以被进一步改写成等式11：

F_material＝c₁gx [等式8]

d₄＝d₅cosθ-d₆sinθ [等式9]

I_material＝c₆x+c₇ [等式10]

其中：

d₅＝在铲斗没有旋转的情况下，物料的重心距离铲柄与铲斗连接点(例如，销200)的x-距离

d₆＝在铲斗没有旋转的情况下，物料的重心距离铲柄与铲斗连接点(例如，销200)的y-轴距离

在等式5-8中，x是填充因数。如上所述，填充因数x与铲斗140填充的物料的百分比(例如，0等于填满的0％，而1等于填满的100％)有关。此外，在等式5-8中，c₁是铲斗容量(例如，如果铲斗容量是100T，那么c₁等于100T)，而c₂至c₇是与铲斗140填充的物料的百分比有关的常系数。在一些实施例中，常系数c₂至c₇是预先确定的。在这类实施例中，可以通过实证检验来预先确定常系数。此外，可以通过实证检验来预先确定距离d₅和d₆。

如等式12所示，等式11可以被改写而求出x的解。

其中：

A＝c₁g[c₄sinθ-c₂cosθ]

B＝c₁g(c₅sinθ-c₂cosθ)-c₆α_bucket

C＝(F_hst)d₁+(F_cyl)d₂-(F_bucket)d₃-(I_bucket+c₇)α_bucket

并且：

(B²-4AC)>0

因此，通过上面的等式12可以确定有效负载数据(例如，铲斗140的填充因数)。

因此，除了其它之外，本申请提供了一种用于精确确定采掘机的有效负载数据的系统和方法，例如但不限于，采掘机的铲斗的填充因数。该系统和方法在不需要估算推挤马达的推挤扭矩的情况下，精确地确定有效负载数据。此外，通过精确确定采掘机的有效负载数据，可以确定采掘机的效率以及采掘机的操作。在权利要求书中将详述本申请的各种特征和优点。

Claims (17)

1.一种确定采掘机的有效负载数据的方法，所述采掘机具有铲斗和铲柄，所述铲斗和铲柄通过销和促动器可旋转地耦接，其特征在于，所述方法包括：

通过第一传感器检测与所述促动器相关的第一力；

通过第二传感器检测与所述铲斗相关的第二力；

通过控制器确定所述铲斗的旋转角；以及

基于所述第一力、第二力和旋转角，通过所述控制器确定所述有效负载数据。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述有效负载数据是所述铲斗填充物料的百分比。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一力为所述促动器的液压力。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一力是所述促动器的扭矩。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二力是提升力。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铲斗的旋转角相对于所述铲柄。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在摆动减速操作期间确定所述第一力、第二力和旋转角。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述铲斗的旋转角的步骤基于检测到的所述促动器的位移和所述采掘机部件的尺寸。

9.一种工业机械，其特征在于，所述工业机械包括：

基部；

可旋转地耦接至所述基部的铲柄；

通过销和促动器可旋转地耦接至所述铲柄的铲斗；

配置成检测促动器力的第一传感器；

配置成检测提升力的第二传感器；以及

控制器，所述控制器配置成接收所述促动器力和提升力、确定所述铲斗的旋转角，以及用所述促动器力、提升力和旋转角确定有效负载数据。

10.如权利要求9所述的工业机械，其特征在于，所述有效负载数据是所述铲斗填充物料的百分比。

11.如权利要求9所述的工业机械，其特征在于，所述促动器力是所述促动器的液压力。

12.如权利要求9所述的工业机械，其特征在于，所述促动器力是所述促动器的扭矩。

13.如权利要求9所述的工业机械，其特征在于，所述第一传感器进一步配置成确定所述促动器的位移。

14.如权利要求9所述的工业机械，其特征在于，所述铲斗的旋转角相对于所述铲柄。

15.如权利要求9所述的工业机械，其特征在于，在所述采掘机的摆动减速操作期间确定所述促动器力、提升力和旋转角。

16.如权利要求9所述的工业机械，其特征在于，基于检测到的所述促动器的位移和所述采掘机部件的尺寸来确定所述铲斗的旋转角。

17.如权利要求16所述的工业机械，其特征在于，所述部件的尺寸为所述铲斗与销之间的第一连接部到所述促动器与铲斗之间的第二连接部的距离。