CN107209044A - 计算有效载荷重量的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种计算有效载荷重量的系统，该系统包括：第一传感器，其配置成帮助确定与油缸关联的致动器载荷，该油缸与举升构件相连；以及校准模块，其配置成获取基于油缸运动的校准因子，该校准因子被应用于致动器载荷，从而提供经调节的致动器载荷；其中有效载荷重量根据经调节的致动器载荷计算。

Description

计算有效载荷重量的系统和方法

技术领域

本发明涉及计算有效载荷重量的系统和方法。特别是，本发明涉及，但不局限于，提高有效载荷计算准确度的系统和方法。

背景技术

此处对背景技术的引用不应被视为承认这种技术在澳大利亚或其他地方构成公知常识。

液压操作设备通常用于方便地移动有效载荷。但是，当例如挖掘机铲斗中的有效载荷重量被高估时，挖掘机铲斗可能会欠载。这降低了生产力，因为用户可能不得不多跑几趟才能完成任务。另一方面，当有效载荷重量被低估时，这可能会增加挖掘机因过载而损坏的风险。类似地，当有效载荷被输送到下游设备(即卡车、输送机等)时，低估有效载荷重量可能会造成下游设备过载。这可能会造成下游设备损坏或停机，这也会降低生产力。

挖掘机中的有效载荷重量可以通过计算与液压油缸关联的力来计算。与液压油缸关联的力可以通过读取供应液压油缸的液压回路中的某一点处的压力读数来计算。但是，因例如压力测量和油缸之间的液压回路元件中产生的液压损失，误差被带入该方法。此外，液压损失随液压流体的粘度变化，而特定液压流体的粘度随其温度变化。

另外，由于液压油缸的油缸内的摩擦效应，其中测量的压力不一定和与液压油缸关联的力精确关联。这些误差转化为有效载荷计算的误差。

发明目的

本发明的目的在于提供计算有效载荷重量的系统和方法，它克服或改善了上述的一个或多个缺点或问题，至少也提供了一个有用的备选方案。

根据以下描述会明白本发明的其他优选目标。

发明内容

在一个形式中，虽然不一定是唯一的或者最广的形式，本发明涉及一种计算有效载荷重量的系统，该系统包括：

第一传感器，其配置成辅助确定与油缸关联的致动器载荷，该油缸与举升构件相连；以及

校准模块，其配置成获取基于油缸运动的校准因子，该校准因子被应用于致动器载荷，从而提供经调节的致动器载荷；

其中有效载荷重量根据经调节的致动器载荷计算。

优选，第一传感器位于连接到油缸的第一进口/出口软管内。优选，该系统包括位于连接到油缸的第一关联进口/出口软管内的第一关联传感器。优选，致动器载荷的形式为由第一传感器测量的第一载荷和由第一关联传感器测量的第一关联载荷之间的压差。优选，油缸是液压油缸。

优选，校准因子解释了压降。优选，压降为从第一传感器直到并包括包括油缸。优选，压降为从第一传感器到第一关联传感器。

优选，举升构件是挖掘机臂和铲斗的形式。优选，挖掘机臂包括斗杆和悬臂。优选，斗杆可枢转地连接到铲斗。优选，悬臂可枢转地连接到斗杆。

优选，获取基于油缸运动的校准因子包括确定关联的系统状态。优选，关联的系统状态包括油缸的驱动位置、举升构件的至少一个几何排列位置、油缸的运动差速，供应油缸的流体的体积流率和/或油缸的移动方向。

优选，油缸的运动差速包括与油缸关联的速度和/或加速度。优选，与油缸关联的速度是供应油缸的流体流率的形式。由此，一旦确定供应油缸的流体的流率，例如，就通过确定压降获取校准因子。优选，压降根据关联的压降关系来确定。优选，关联的压降关系包括类函数、拟合曲线和/或查找表格。

优选，获取基于油缸运动的校准因子包括获取比较误差值。优选，比较误差值调节致动器载荷，以便基于对已知的有效载荷重量采取的致动器载荷时的有效载荷重量大体上与已知的有效载荷重量匹配。

优选，已知的有效载荷重量是零。优选，已知的有效载荷重量大于零。

优选，基于关联的系统状态获取比较误差值。例如，比较误差值可以基于供应油缸的流体的流率获取。

优选，在获取比较误差值时，校准模块配置成首先计算比较误差值。优选，校准模块计算比较误差值是通过：

基于对已知的有效载荷重量采取的致动器载荷计算有效载荷重量；

比较有效载荷重量和已知的有效载荷重量；然后

确定误差值，以调节致动器载荷，以便有效载荷重量大体上匹配已知的有效载荷重量。

优选，在确定误差值时，压降根据关联的压降关系来确定。

优选，校准模块将计算的比较误差值记录到关联系统状态。关联的系统状态代表确定的情况，其涉及计算比较误差值时的状态。例如，校准模块将比较误差值记录到包括油缸的驱动位置、举升构件的至少一个几何排列位置、油缸的运动差速，供给油缸的流体体积流率和/或油缸的移动方向的关联系统状态。这允许根据关联系统状态获取比较误差值以便后续使用。

优选，校准模块计算并记录一系列各个关联系统状态下的比较误差值。例如，校准模块计算并记录油缸的一系列驱动位置、举升构件的一系列几何排列位置、油缸的一系列运动差速、供应油缸的一系列流体体积流率和/或油缸的移动方向下的比较误差值。这允许根据关联系统状态获取比较误差值被检索以便后续使用。

优选，该系统包括温度传感器。优选，温度传感器测量与油缸关联的流体温度。

优选，获取基于油缸运动的校准因子包括获取温度误差值。优选，校准模块配置成基于与油缸关联的测量流体温度从许多储存的温度误差值中获取温度误差值。

优选，温度误差值解释了因与油缸关联的流体温度变化(而不是有效载荷重量的变化)造成的压力变化。

例如，温度误差值解释了与油缸关联的流体的粘度变化。优选，粘度变化被考虑进关联的压降关系中。优选，校准模块配置成通过将比较误差值与温度误差值结合来计算校准因子。

在其他形式中，本发明涉及一种计算有效载荷重量的方法，该方法包括如下步骤：

确定与连接到起重设备的油缸关联的致动器载荷；

获取基于油缸运动的校准因子；

将校准因子应用于致动器载荷，以形成经调节的致动器载荷；然后

根据经调节的致动器载荷计算有效载荷重量。

优选，确定致动器载荷的步骤包括用第一传感器测量第一载荷。优选，确定致动器载荷的步骤包括用第一关联传感器测量第一关联载荷。优选，确定致动器载荷的步骤包括计算由第一传感器测量的第一载荷和由第一关联传感器测量的第一关联载荷之间的压差。

优选，获取基于油缸运动的校准因子的步骤包括确定油缸的驱动位置、举升构件的至少一个几何排列位置、油缸的运动差速、供给油缸的流体体积流率和/或油缸的移动方向。

优选，油缸的运动差速包括与油缸关联的速度和/或加速度。优选，与油缸关联的速度是供给油缸的流体流率的形式。由此，一旦确定供应油缸的流体流率，例如，就根据关联的压降关系通过确定压降来获取校准因子。

优选，获取基于油缸运动的校准因子的步骤包括获取比较误差值。优选，比较误差值调节致动器载荷，以便基于对已知的有效载荷重量采取的致动器载荷时的有效载荷重量大体上与已知的有效载荷重量匹配。优选，已知的有效载荷重量是零。优选，已知的有效载荷重量大于零。

优选，获取比较误差值的步骤基于关联的系统状态来确定。

优选，获取比较误差值的步骤包括首先计算比较误差值。优选，计算比较误差值的步骤包括：

基于对已知的有效载荷重量采取的致动器载荷计算有效载荷重量；

比较有效载荷重量和已知的有效载荷重量；然后

确定误差值，以调节致动器载荷，以便有效载荷重量大体上匹配已知的有效载荷重量。

优选，确定误差值的步骤包括用关联的压降关系确定压降。

优选，该方法还包括将计算的比较误差值记录到关联的系统状态。关联的系统状态代表确定的情况，其涉及计算比较误差值时的状态。例如，关联的系统状态包括油缸的驱动位置、举升构件的至少一个几何排列位置、油缸的运动差速、供给油缸的流体体积流率和/或油缸的移动方向。

优选，该方法还包括计算并记录一系列各个关联系统状态下的比较误差值。例如，计算并记录油缸的一系列驱动位置、举升构件的一系列几何排列位置、油缸的一系列运动差速、供给油缸的的一系列流体体积流率和/或油缸的移动方向下的比较误差值。

优选，获取基于油缸运动的校准因子的步骤包括根据测量的与油缸关联的流体温度从多个温度误差值中获取温度误差值。

优选，获取温度误差值的步骤包括基于粘度的变化和关联的压降关系计算温度误差值。

优选，计算校准因子的步骤包括将比较误差值与温度误差值结合。

根据下面的详细说明会明白本发明的其他特征和优点。

附图说明

仅通过举例说明，下面将参照附图更充分地描述本发明的优选实施方式，其中：

图1展示了装配到挖掘机的根据本发明的一实施方式的计算有效载荷重量的系统；

图2展示了参照图1计算有效载荷重量的方法的流程图；以及

图3展示了在图2中示意的计算有效载荷重量的方法的一部分的流程图。

具体实施方式

图1展示了装配到挖掘机200形式的起重设备的、根据本发明的一实施方式的、计算有效载荷重量的系统100。不难理解该系统100可以装配到包括反铲装载机(backhoe)或者吊车(crane)的其他起重设备上。

挖掘机200包括座舱210、座舱平台220以及具有挖掘机臂和铲斗230的举升构件。挖掘机臂包括斗杆240和悬臂250。铲斗230可枢转地连接到斗杆240上。斗杆240可枢转地连接到悬臂250上。悬臂250还可枢转地连接到座舱平台220上。

挖掘机200包括与斗杆240相连的油缸244。挖掘机200还包括与悬臂250相连的油缸254。另外，另一油缸224位于座舱平台220和悬臂250之间。不难理解该另一油缸224还与悬臂250相连，并且类似地，油缸254与斗杆240相连。

油缸224、244、254是液压油缸。液压油缸224、244、254被连接到液压回路260。为此，液压油缸224被连接到液压软管262a、262b，液压油缸244被连接到液压软管263a、263b，而液压油缸254被连接到液压软管264a、264b。本领域技术人员不难理解，两根液压软管允许油缸224、244、254根据流体流动的方向延伸和收回。

系统100包括压力传感器110a、110b形式的第一传感器和第一关联传感器。系统100还包括校准模块120和温度传感器130a、130b。

在该实施方式中，压力传感器110a被连接到液压软管264a，以测量与油缸254关联的第一载荷(即压力)。类似地，压力传感器110b被连接到液压软管264b，以测量油缸254的第一关联载荷(即压力)。

温度传感器130a被连接到液压软管264a，以测量往返于油缸254的流体的温度。类似地，温度传感器130b被连接到液压软管264b，以测量往返于油缸254的流体的温度。

本领域技术人员不难理解，压力和/或温度传感器还可以连接到液压软管262a、262b、264a、264b，以便按下面进一步概括的那样实施本发明。

系统100还包括其他传感器(未示出)，以便测量举升构件的几何排列位置、油缸254的驱动位置(即构件自油缸254的主体延伸出来的延长部)以及油缸254的运动差速。在该实施方式中,油缸的运动差速包括往返于油缸254的流体流率形式的速度。不难理解，例如，构件自油缸254的主体延伸/收回的的速度也可用于实施本发明。类似地，例如往返于油缸254的流体的体积流率也可用于实施本发明。另外，本领域技术人员不难理解，确定油缸254的运动方向(即构件自油缸延伸或从油缸收回的方向)也可以帮助实施本发明。

校准模块120安装在挖掘机200的座舱210中。传感器110、130和其他传感器(未显示)与校准模块120通信。不难理解传感器110、130和其他传感器可以与校准模块120有线或无线通信。

校准模块120配置成确定致动器载荷。在该实施方式中致动器载荷是由压力传感器110a测得的第一载荷和由压力传感器110b测得的第一关联载荷之间的压差的形式。本领域技术人员不难理解如果液压软管264b内的压力保持基本恒定，传感器110a可单独用于确定致动器载荷。

校准模块120还配置成获取基于油缸254运动的校准因子。校准因子解释了从压力传感器110a到压力传感器110b的压降。

在获取校准因子时，校准模块120配置成根据其他传感器确定关联系统状态。即，校准模块120确定包括举升构件的几何排列位置和往返于油缸254的流体流率的关联系统状态。根据关联系统状态，校准模块120可以根据关联的压降关系(例如Darcy-Weisbach方程或Hagen-Poiseuille方程)确定压降(即校准因子)。但是，本实施方式采取如下形式。

基于关联系统状态，校准模块配置成获取比较误差值。比较误差值调节油缸254的致动器载荷，以便基于对铲斗230中已知的有效载荷重量采取的致动器载荷时的计算有效载荷重量基本上匹配铲斗230中已知的有效载荷重量。即，致动器载荷由比较误差值调节，以便将压降考虑在内并且匹配铲斗230中已知的有效载荷重量。如下所述，在该实施方式中，已知的有效载荷重量是零。

为了获取比较误差值，校准模块120还配置成在该实施方式中初始计算比较误差值。计算比较误差值在下面的方法中进一步概括。

校准模块120还配置成获取温度误差值，以便计算校准因子。在该实施方式中，校准模块120配置成根据由温度传感器130a、130b测得的流体温度从多个储存的温度误差值获取温度误差值。但是本领域技术人员不难理解，温度误差值可以根据由温度传感器130a、130b测得的流体温度计算。即，由于温度误差值解释了与油缸关联的流体的粘度变化，因此粘度变化在关联的压降关系中可以被考虑。

校准模块120配置成通过将比较误差值与温度误差值合并来计算校准因子，下面再对此作进一步的概括。有效载荷重量根据调节的致动器载荷计算。

图2参照包含系统100的图1中的部件阐明了计算有效载荷重量的方法1000。

在步骤1100a处，压力传感器110测量连接到油缸254的液压软管264a、264b中的压力。在步骤1100b处(该步骤可以发生在步骤1100a之前、之后或与其一起发生)，压力传感器130还测量液压软管中的流体264a、264b的温度。由传感器110、130测得的压力和温度被传递到校准模块120。类似地，在步骤1100c处(该步骤可以发生在步骤1100a、1100b之前、之后或与其一起发生)，其他传感器测量往返于油缸254的流体流率形式的速度和举升构件的几何位置。

在步骤1200处，校准模块120确定致动器载荷。在该实施方式中，致动器载荷是由第一传感器110a测得的第一载荷和由第一关联传感器110b测得的第一关联载荷之间的压差的形式。

在步骤1300处，校准模块120获取比较误差值。比较误差值调节挖斗230中已知的有效载荷重量和基于对挖斗230中已知的有效载荷重量采取的致动器载荷计算的有效载荷重量之间的误差。步骤1300在附图3中作进一步概括。

为在步骤1300处获取比较误差值，在该实施方式中，在步骤1320处，校准模块120初始计算比较误差值。为计算比较误差值，确定挖斗230中已知的有效载荷重量。在该实施方式中，已知的有效载荷重量是零(即挖斗230中什么也没装)。挖掘机200将已知的有效载荷重量支撑在地面上方。之后，用对挖斗230中已知的有效载荷重量采取的致动器压力来计算有效载荷重量。

(计算的)有效载荷重量然后与挖斗230中已知的有效载荷重量(即零)比较。然后确定误差值，以调节致动器载荷，以便(计算的)有效载荷重量大体上匹配已知的有效载荷重量。

在步骤1340处，被确定以调节致动器的误差值被储存为比较误差值。比较误差值基于关联的系统状态被储存。即，比较误差值基于举升构件的几何位置和往返于油缸254的流体的流率形式的速度被储存。因此，当这一关联的系统状态在将来出现时，储存的比较误差值有助于确保计算的有效载荷重量对应于挖斗230中实际的有效载荷重量。

有鉴于此，也不难理解油缸254和举升构件可以移动经过许多位置，以便计算并记录关联系统状态下的许多比较误差值。

在步骤1400处，校准模块120获取温度误差值。温度误差值是根据来源于温度传感器130a、130b的测量温度从许多温度误差值中获取的。即，例如，如果测量温度是50度，将从温度误差值中获取与50度关联的温度误差值。也不难理解温度误差值可以通过根据测量温度和关联的压降关系计算温度误差值而获取(例如，Darcy-Weisbach方程或Hagen-Poiseuille方程)。

温度误差值解释了因与油缸254关联的流体温度变化(而不是有效载荷重量的变化)而造成的压力变化。例如，如果液压流体的温度升高5°，同时保持有效载荷，则温度误差值会补偿传感器110的测量压力，以帮助确保计算有效载荷重量对应于实际有效载荷重量。关于这一点，不难理解温度误差值解释了与油缸254关联的流体的粘度变化。

在步骤1500处，校准模块120根据比较误差值和温度误差值计算校准因子。校准因子调节系统中例如从第一传感器110a到第二传感器110b的测量压力之间的压降。例如，校准因子可以调节因比较误差值而发现的5％的误差和因温度误差值而发现的2％的误差。在该实施方式中，在计算校准因子时，校准模块结合了比较误差值与温度误差值。但是，不难理解任一补偿都可以在没有另一个的情况下单独使用。

在步骤1600处，校准因子被应用于致动器载荷以形成经调节的致动器载荷。经调节的致动器载荷随后用于计算有效载荷重量。由此，不难理解通过将校准因子应用到致动器载荷，有效载荷计算的准确度得以提高。

因此，通过提高有效载荷计算的准确度，系统100和方法1000允许精确地计算挖斗230中的有效载荷重量。这通过避免了例如用户因铲斗230欠载而不得不多跑几趟而提高了生产力。此外，即便例如有效载荷因计算的有效载荷重量被压力传感器110低估而使铲斗230过载，也可避免损坏。

另外，不难理解校准模块120可以在别处(例如在单独的挖掘机上)被校准，然后再安装在挖掘机200上。这避免了不得不在每个起重机上校准校准模块120。

在本说明书中，诸如第一和第二、左和右、顶和底等一类的形容词仅仅用于将一个元件或者动作与另一个元件或者动作区分，而不是一定需要或者暗示任何实际的这种关系或者顺序。如果上下文允许，对一个整体或者一个部件或者一个步骤(等)的引用不应解释为限制成只有一个整体、部件、或者步骤，而可以是一个或多个整体、部件、或者步骤、等等。

对本发明的各实施方式的上述说明是为了向所属领域中的普通技术人员说明的目的而提供。不打算穷举或者限制本发明为单个公开的实施方式。如上所述，本发明的许多备选方案和变体对上述教导的领域的技术人员来说是显而易见的。因此，虽然有些备选实施方式已经作了特别的描述，但是其他实施方式对本领域普通技术人员也是显而易见的或者相对容易开发的。本发明意在涵盖已经在此论述的本发明的所有备选方案、改进和变体、以及落在上述发明的思想和范围内的其他实施方式。

在本申请文件中，术语‘包括’、‘包含’、‘含有’、‘含’或者类似术语意图表示非排他性的包含，以便包含一系列要素的方法、系统或者设备不仅仅是包含这些要素，而是有可能包含未列出的其他要素。

Claims (20)

1.一种计算有效载荷重量的系统，该系统包括：

第一传感器，其配置成辅助确定与油缸关联的致动器载荷，该油缸与举升构件相连；以及

校准模块，其配置成获取基于油缸运动校准因子，该校准因子被应用于致动器载荷，从而提供经调节的致动器载荷；

其中有效载荷重量基于经调节的致动器载荷来计算。

2.根据权利要求1所述的系统，其中获取基于油缸运动的校准因子包括获取比较误差值。

3.根据权利要求2所述的系统，其中比较误差值调节致动器载荷，以便基于对已知的有效载荷重量采取的致动器载荷时的有效载荷重量大体上与已知的有效载荷重量匹配。

4.根据权利要求3所述的系统，其中已知的有效载荷重量等于零。

5.根据权利要求2到4中任一项所述的系统，其中基于关联的系统状态获取比较误差值。

6.根据权利要求5所述的系统，其中关联的系统状态包括供应到油缸的流体的流率。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的系统，其中在获取比较误差值时，校准模块配置成首先计算比较误差值。

8.根据权利要求7所述的系统，其中校准模块计算比较误差值是通过：

基于对已知的有效载荷重量采取的致动器载荷来计算有效载荷重量；

比较有效载荷重量和已知的有效载荷重量；以及

确定误差值，以调节致动器载荷，以便有效载荷重量大体上匹配已知的有效载荷重量。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其中校准模块配置成通过让油缸移动通过一系列致动位置来计算一系列比较误差值。

10.根据上述权利要求中任一项的系统，其中获取基于油缸运动的校准因子包括获取温度误差值，该温度误差值和与油缸关联的测量的流体温度关联。

11.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中该系统包括第一关联传感器，其配置成测量与油缸关联的第一关联载荷。

12.根据权利要求11所述的系统，其中致动器载荷的形式为由第一传感器测量的第一载荷和由第一关联传感器测量的第一关联载荷之间的压差。

13.根据权利要求12所述的系统，其中第一传感器位于连接到油缸的第一进口/出口软管中，而第一关联传感器位于连接到油缸的第一关联进口/出口软管中。

14.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中油缸是液压油缸。

15.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中举升构件包括挖掘机臂和挖斗。

16.一种计算有效载荷重量的方法，该方法包括如下步骤：

确定与连接到举升构件的油缸关联的致动器载荷；

获取基于油缸运动的校准因子；

将校准因子应用于致动器载荷，以形成经调节的致动器载荷；以及

根据经调节的致动器载荷计算有效载荷重量。

17.根据权利要求16所述的方法，其中获取基于油缸运动的校准因子的步骤包括确定形式为供应到油缸的流体的流率的油缸运动差速。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中获取基于油缸运动的校准因子的步骤包括获取比较误差值，该比较误差值调节致动器载荷，以便基于对已知的有效载荷重量采取的致动器载荷时的有效载荷重量大体上与已知的有效载荷重量匹配。

19.根据权利要求18所述的方法，其中计算校准因子的步骤包括结合比较误差值和温度误差值。

20.根据权利要求16-19中任一项所述的方法，其中举升构件是挖掘机臂和挖斗的形式。