CN109183896B - 矿用挖掘机起重臂位姿检测装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用挖掘机起重臂位姿检测装置及控制方法。该检测装置包括钢丝绳、导向轮、配重块和拉线开关；钢丝绳一端连接起重臂的上侧壁，另一端跨过导向轮并连接配重块上端，钢丝绳跨过导向轮的两段成90°夹角，导向轮固定安装在挖掘机上，配重块下端连接拉线开关，配重块可沿竖直方向移动，拉线开关固定安装在挖掘机上，拉线开关与配重块下端连接，用于测量配重块在竖直方向上的移动距离。本发明的矿用挖掘机起重臂位姿检测装置及控制方法不但能够实现起重臂在被顶起后的软着陆，还能有效地减少起重臂被顶起的次数和幅度，避免起重臂、绷绳及其他机械结构受损。

Description

矿用挖掘机起重臂位姿检测装置及控制方法

技术领域

本发明涉及矿用挖掘机技术领域，尤其涉及一种矿用挖掘机起重臂位姿检测装置及控制方法。

背景技术

矿用挖掘机在挖掘过程中，铲斗在提升绳和推压机构的联合作用下，进行自下而上的强制运动，铲斗的斗刃在切入物料的过程中，把一层物料切削下来以滑落到铲斗内，从而完成物料挖掘装载。

图1为示例提供的一种现有技术的矿用挖掘机的工作原理图。如图1所示，挖掘机开始挖掘作业时，铲斗G1靠近工作面，挖掘始点位于推压机构正下方的工作面的底部，此时铲斗G1与工作面的夹角为45°～50°，由于工作面与地平面的夹角为40°～45°，斗杆G2接近垂直状态。挖掘机工作时，铲斗G1在斗杆G2、起重臂G3、提升绳G4及其他推压机构的联合作用下进行挖掘作业，铲斗G1的运动轨迹(挖掘轨迹)为一条复杂曲线，其中，开始段接近水平，后一段为弧线曲线。在开始挖掘的阶段，由于矿岩爆破不充分和驾驶员操作控制不熟练等因素，均会导致载荷突变，从而出现挖掘机受冲击抖动及斗杆G1顶起大臂等现象，进而损坏起重臂G3、绷绳G5及其他机械结构。

目前的矿用挖掘机通过在起重臂上设置有两个限位开关，当限位开关动作时，相应地调节控制挖掘机的提升和推压机构，以防止起重臂及绷绳等机械机构损坏。具体地，当起重臂向上被顶起1°时，第一个限位开关触发动作，此时相应地将挖掘机的提升和推压速度减半；当起重臂向上被顶起4°时，第二个限位开关动作，此时限制推压机构运行方向，使提升和推压机构只能实施下放动作，直至起重臂复位。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

上述利用限位开关的控制方法只能在起重臂被顶起后实现起重臂的软着陆功能，无法对起重臂进行预控以预防起重臂被顶起，不能有效地减少起重臂被顶起的次数和幅度，长时间运作也会导致起重臂、绷绳及其他机械结构受损。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种矿用挖掘机起重臂位姿检测装置及控制方法。

为此本发明公开了一种矿用挖掘机起重臂位姿检测装置。该检测装置用于实时检测挖掘机的起重臂的旋转角度，包括：钢丝绳、导向轮、配重块和拉线开关；

所述钢丝绳一端连接所述起重臂的上侧壁，另一端跨过所述导向轮并连接所述配重块上端，所述钢丝绳跨过所述导向轮的两段成90°夹角；

所述导向轮固定安装在所述挖掘机上；

所述配重块下端连接所述拉线开关，所述配重块可沿竖直方向移动；

所述拉线开关固定安装在所述挖掘机上，所述拉线开关与所述配重块下端连接，用于测量所述配重块在竖直方向上的移动距离。

进一步地，在所述矿用挖掘机起重臂位姿检测装置中，所述检测装置还包括支架，所述支架固定安装在所述挖掘机的机棚前壁的内侧，所述拉线开关安装在所述支架上端。

进一步地，在所述矿用挖掘机起重臂位姿检测装置中，所述检测装置还包括导向板，所述导向板固定安装在所述支架上端，所述导向板沿竖直方向设置有与所述配重块相适配的滑槽，用于对所述配重块的运动进行限位导向。

进一步地，在所述矿用挖掘机起重臂位姿检测装置中，所述导向轮固定安装在所述导向板上端。

进一步地，在所述矿用挖掘机起重臂位姿检测装置中，所述机棚前壁上开有通孔，所述钢丝绳的一端穿过所述通孔连接所述起重臂的上侧壁。

进一步地，在所述矿用挖掘机起重臂位姿检测装置中，所述检测装置还包括连接块和拉环螺栓；

所述连接块固定安装在所述起重臂的上侧壁上，所述连接块上设置有螺栓通孔；

所述拉环螺栓的螺栓段通过所述螺栓通孔与所述连接块连接，所述拉环螺栓的拉环与所述钢丝绳连接。

此外，本发明还公开了一种利用上述的矿用挖掘机起重臂位姿检测装置实施例的挖掘机控制方法，所述方法包括：

11)利用拉线开关测量配重块的移动距离，并根据所述移动距离计算出起重臂的旋转角度；

12)根据所述起重臂的旋转角度的数值，分别对提升机构和推压机构的运动方向进行限定，并分别对所述提升机构和所述推压机构的速度进行控制；

13)根据所述起重臂的旋转角度的数值，控制所述推压机构向前的力矩。

进一步地，在所述挖掘机控制方法中，所述起重臂的旋转角度△α通过下述公式计算：

其中：

△x为拉线开关测量到的配重块的移动距离；

H为钢丝绳与起重臂的固定点到起重臂旋转中心的垂直距离；

α为起重臂的初始倾角。

进一步地，在所述挖掘机控制方法中，根据所述起重臂的旋转角度的数值，分别对提升机构和推压机构的运动方向进行限定，并分别对所述提升机构和所述推压机构的速度进行控制，包括：

当△α＞1°时，限制提升机构向上的运动和推压机构向前的运动，并将提升机构向下运动及推压机构向后运动的最大速度设置为额定速度的50％；

当△α＞4°时，限制提升机构向上的运动和推压机构向前的运动，并将提升机构向下运动及推压机构向后运动的最大速度设置为额定速度的10％。

进一步地，在所述挖掘机控制方法中，根据所述起重臂的旋转角度的数值，控制所述推压机构向前的力矩，包括：

当△α在0°～4°时，所述推压机构向前的力矩L满足L＝K×推压额定力矩；

其中：

K为力矩调整系数且

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明提供的矿用挖掘机起重臂位姿检测装置及控制方法通过利用钢丝绳和配重块的配合动作，将起重臂的旋转角度转化为配重块的直线运动距离，通过测量配重块的直线运动距离来实现起重臂的旋转角度的检测；而后根据检测到的起重臂的旋转角度，相应地对挖掘机提升机构和推压机构进行控制调节；结构简单、操作方便，不但能够实现起重臂在被顶起后的软着陆，还能有效地减少起重臂被顶起的次数和幅度，避免起重臂、绷绳及其他机械结构受损；并且由于振动的减少也会减少电气故障的发生，从而提高设备的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，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为示例提供的一种现有技术的矿用挖掘机的工作原理图；

图2为本发明一个实施例提供的矿用挖掘机起重臂位姿检测装置。

附图标记说明：

1-钢丝绳、2-导向轮、3-配重块、4-拉线开关、5-支架、6-导向板、601-滑槽、7-连接块、8-拉环螺栓、801-螺栓段、802-拉环、9-箱体、G1-铲斗、G2-斗杆、G3-起重臂、G4-提升绳、G5绷绳、G6-机棚前壁。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明实施例提供的技术方案。

如附图1所示，挖掘机开始挖掘作业时，铲斗G1靠近工作面，挖掘始点位于推压机构正下方的工作面的底部，此时铲斗G1与工作面的夹角为45°～50°，由于工作面与地平面的夹角为40°～45°，斗杆G2接近垂直状态。挖掘机工作时，铲斗G1在斗杆G2、起重臂G3、提升绳G4及其他推压机构的联合作用下进行挖掘作业，铲斗G1的运动轨迹(挖掘轨迹)为一条复杂曲线，其中，开始段接近水平，后一段为弧线曲线。在开始挖掘的阶段，由于矿岩爆破不充分和驾驶员操作控制不熟练等因素，均会导致载荷突变，从而出现挖掘机受冲击抖动及斗杆G1顶起大臂等现象，进而损坏起重臂G3、绷绳G5及其他机械结构。

如附图2所示，第一方面，本发明实施例提供了一种矿用挖掘机起重臂位姿检测装置，该检测装置用于实时检测挖掘机的起重臂G3的旋转角度，包括：钢丝绳1、导向轮2、配重块3和拉线开关4；钢丝绳1一端连接起重臂G3的上侧壁，另一端跨过导向轮2并连接配重块3上端，钢丝绳1跨过导向轮2的两段成90°夹角；导向轮2固定安装在挖掘机上；配重块3下端连接拉线开关4，配重块3可沿竖直方向移动；拉线开关4固定安装在挖掘机上，拉线开关4与配重块3下端连接，用于测量配重块3在竖直方向上的移动距离。

本发明实施例提供的起重臂位姿检测装置在具体应用时，钢丝绳1与起重臂G3上侧壁连接的一段为水平段或近乎水平段，钢丝绳1跨过导向轮2与配重块3上端连接的另一段为竖直段，起重臂G3绕自身固定点进行旋转转动时，同步拉动钢丝绳1，钢丝绳1移动会带动配重块3进行竖直方向上的直线升降运动，由于配重块3下端连接拉线开关4，拉线开关4能够检测出配重块3的具体移动距离，根据配重块3的移动距离及其他已知参数可以计算出起重臂G3的旋转角度。

可见，本发明实施例提供的起重臂位姿检测装置利用钢丝绳1和配重块3的配合动作，将起重臂G3的旋转量转化为配重块3的直线运动量，通过测量配重块3的直线运动距离来实现对起重臂G3的旋转量的检测；结构简单、操作方便，能够对起重臂G3的状态进行实时监测，有效地减少起重臂G3被顶起的次数和幅度，避免起重臂G3、绷绳G5及其他机械结构受损。

进一步地，为了便于该检测装置的拆装，本发明实施例中，检测装置还可以包括支架5，支架5固定安装在挖掘机的机棚前壁G6的内侧，拉线开关4安装在支架5上端。由于起重臂G3设置在机棚前壁G6的外侧，如此设置，能够便于该检测装置的拆装，且避免与起重臂G3发生干涉。

其中，支架5可以通过焊接方式固定于机棚前壁G6，也可以通过螺栓连接方式固定于机棚前壁G6。

如附图2所示，为了确保配重块3的运动方向始终为竖直方向，以保证拉线开关4测量数据的准确性。在本发明实施例中，该检测装置还可以包括导向板6，导向板6固定安装在支架5上端，导向板6沿竖直方向设置有与配重块3相适配的滑槽601，用于对配重块3的运动进行限位导向。

其中，导向板6可以通过螺栓连接方式固定于支架5上，以便于拆装。

进一步地，由于矿用挖掘机的工作环境较恶劣，在本发明实施例中，该检测装置还可以包括箱体9，将箱体9固定于支架5上且将支架5上方的拉线开关4、配重块3和导向板6容纳到箱体9内部，以避免拉线开关4、配重块3和导向板6与外界长时间接触而导致测量数据失准。其中，箱体9可以通过螺栓连接方式固定于支架5上，以便于拆装更换。

由于导向轮2需要设置在配重块3运动路线的上方，在本发明实施例中，导向轮2可以固定安装在导向板6上端；当然，导向轮2也可以安装在箱体9上端。

如上所述，由于导向轮2、配重块3和拉线开关4均设置在机棚前壁G6的内侧，为了便于钢丝绳1连接起重臂G3。在本发明实施例中，机棚前壁G6上开有通孔，钢丝绳1的一端穿过通孔连接起重臂G3的上侧壁。

此外，为了便于钢丝绳3与起重臂G3连接，且保证两者的连接可靠牢固。如附图2所示，在本发明实施例中，该检测装置还可以包括连接块7和拉环螺栓8；连接块7固定安装在起重臂G3的上侧壁上，连接块7上设置有螺栓通孔；拉环螺栓8的螺栓段801通过螺栓通孔与连接块7连接，拉环螺栓8的拉环802与钢丝绳1连接。其中，钢丝绳1通过钢丝绳夹子连接于拉环802，连接块7可以通过焊接方式固定于起重臂G3的上侧壁外侧。

第二方面，本发明实施例还提供了一种利用上述的矿用挖掘机起重臂位姿检测装置实施的挖掘机控制方法，该方法包括以下步骤：

11)利用拉线开关4测量配重块3的移动距离，并根据移动距离计算出起重臂G3的旋转角度；

12)根据起重臂G3的旋转角度的数值，分别对提升机构和推压机构的运动方向进行限定，并分别对提升机构和推压机构的速度进行控制；

13)根据起重臂G3的旋转角度的数值，控制推压机构向前的力矩。

可见，本发明实施例提供的挖掘机控制方法通过利用钢丝绳1和配重块3的配合动作，将起重臂G3的旋转角度转化为配重块3的直线运动距离，通过测量配重块3的直线运动距离来实现起重臂G3的旋转角度的检测；而后根据检测到的起重臂G3的旋转角度，相应地对挖掘机提升机构和推压机构进行控制调节；结构简单、操作方便，不但能够实现起重臂G3在被顶起后的软着陆，还能有效地减少起重臂G3被顶起的次数和幅度，避免起重臂G3、绷绳G5及其他机械结构受损；并且由于振动的减少也会减少电气故障的发生，从而提高设备的可靠性。

其中，起重臂G3的旋转角度△α可以通过下述公式计算得到：

在上述公式中，△x为拉线开关4测量到的配重块3的移动距离；H为钢丝绳1与起重臂G3的固定点到起重臂G3旋转中心的垂直距离；α为起重臂G3的初始倾角。

上述的步骤12)根据起重臂G3的旋转角度的数值，分别对提升机构和推压机构的运动方向进行限定，并分别对提升机构和推压机构的速度进行控制，具体包括：

当△α＞1°时，限制提升机构向上的运动和推压机构向前的运动，并将提升机构向下运动及推压机构向后运动的最大速度设置为额定速度的50％；

当△α＞4°时，限制提升机构向上的运动和推压机构向前的运动，并将提升机构向下运动及推压机构向后运动的最大速度设置为额定速度的10％。

步骤13)根据起重臂G3的旋转角度的数值，控制推压机构向前的力矩，具体包括：

当△α在0°～4°时，推压机构向前的力矩L满足L＝K×推压额定力矩；

其中：K为力矩调整系数且

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。

最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种矿用挖掘机起重臂位姿检测装置，所述检测装置用于实时检测挖掘机的起重臂(G3)的旋转角度，其特征在于，所述检测装置包括：钢丝绳(1)、导向轮(2)、配重块(3)和拉线开关(4)；

所述钢丝绳(1)一端连接所述起重臂(G3)的上侧壁，另一端跨过所述导向轮(2)并连接所述配重块(3)上端，所述钢丝绳(1)跨过所述导向轮(2)的两段成90°夹角；

所述导向轮(2)固定安装在所述挖掘机上；

所述配重块(3)下端连接所述拉线开关(4)，所述配重块(3)可沿竖直方向移动；

所述拉线开关(4)固定安装在所述挖掘机上，所述拉线开关(4)与所述配重块(3)下端连接，用于测量所述配重块(3)在竖直方向上的移动距离，以根据所述移动距离实时计算所述起重臂(G3)的旋转角度。

2.根据权利要求1所述的矿用挖掘机起重臂位姿检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括支架(5)，所述支架(5)固定安装在所述挖掘机的机棚前壁(G6)的内侧，所述拉线开关(4)安装在所述支架(5)上端。

3.根据权利要求2所述的矿用挖掘机起重臂位姿检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括导向板(6)，所述导向板(6)固定安装在所述支架(5)上端，所述导向板(6)沿竖直方向设置有与所述配重块(3)相适配的滑槽(601)，用于对所述配重块(3)的运动进行限位导向。

4.根据权利要求3所述的矿用挖掘机起重臂位姿检测装置，其特征在于，所述导向轮(2)固定安装在所述导向板(6)上端。

5.根据权利要求4所述的矿用挖掘机起重臂位姿检测装置，其特征在于，所述机棚前壁(G6)上开有通孔，所述钢丝绳(1)的一端穿过所述通孔连接所述起重臂(G3)的上侧壁。

6.根据权利要求5所述的矿用挖掘机起重臂位姿检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括连接块(7)和拉环螺栓(8)；

所述连接块(7)固定安装在所述起重臂(G3)的上侧壁上，所述连接块(7)上设置有螺栓通孔；

所述拉环螺栓(8)的螺栓段(801)通过所述螺栓通孔与所述连接块(7)连接，所述拉环螺栓(8)的拉环(802)与所述钢丝绳(1)连接。

7.一种利用如权利要求1至6中任一项所述的矿用挖掘机起重臂位姿检测装置实施的挖掘机控制方法，其特征在于，所述方法包括：

11)利用拉线开关(4)测量配重块(3)的移动距离，并根据所述移动距离计算出起重臂(G3)的旋转角度；

12)根据所述起重臂(G3)的旋转角度的数值，分别对提升机构和推压机构的运动方向进行限定，并分别对所述提升机构和所述推压机构的速度进行控制；

13)根据所述起重臂(G3)的旋转角度的数值，控制所述推压机构向前的力矩。

8.根据权利要求7所述的挖掘机控制方法，其特征在于，所述起重臂(G3)的旋转角度Δα通过下述公式计算：

其中：

Δx为拉线开关(4)测量到的配重块(3)的移动距离；

H为钢丝绳(1)与起重臂(G3)的固定点到起重臂(G3)旋转中心的垂直距离；

α为起重臂(G3)的初始倾角。

9.根据权利要求8所述的挖掘机控制方法，其特征在于，根据所述起重臂(G3)的旋转角度的数值，分别对提升机构和推压机构的运动方向进行限定，并分别对所述提升机构和所述推压机构的速度进行控制，包括：

当Δα＞1°时，限制提升机构向上的运动和推压机构向前的运动，并将提升机构向下运动及推压机构向后运动的最大速度设置为额定速度的50％；

当Δα＞4°时，限制提升机构向上的运动和推压机构向前的运动，并将提升机构向下运动及推压机构向后运动的最大速度设置为额定速度的10％。

10.根据权利要求8所述的挖掘机控制方法，其特征在于，根据所述起重臂(G3)的旋转角度的数值，控制所述推压机构向前的力矩，包括：

当Δα在0°～4°时，所述推压机构向前的力矩L满足L＝K×推压额定力矩；

其中：

K为力矩调整系数且

Images