CN112292492B - 用于对运土设备中的工具的快速联接进行安全管理的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于控制工具附件的脱离致动器(1)的控制装置和方法，该装置包括：三态开关(2)，其具有中间的中性位置(20)、第一末端位置(21)和第二末端位置(22)；控制单元(3,3')，其具有对应于第一末端位置(21)激活的输入端；电动阀(4)，其液压联接到所述脱离致动器(1)，具有线圈(40)；第一控制线(41)和第二控制线(42)，其分别联接到所述电动阀的线圈(40)的第一端子和第二端子，其中，第一控制线和第二控制线中的一个被联接到所述三态开关的第二末端位置(22)，并且第一控制线和第二控制线中的另一个被联接到控制单元的输出端，使得两个控制线必须被激活以允许脱离。

Description

用于对运土设备中的工具的快速联接进行安全管理的方法和 系统
技术领域
本发明涉及用于对运土设备中的工具的快速联接进行安全管理的方法和系统。附接到运土设备的工具可以是铲斗、锤子，或是可以附接到运土设备的动力臂的远端的任何配件。运土设备特别包括挖掘机等。
背景技术
包括挖掘机在内的施工机器配备有在臂的顶端处作为工作装置以适应施工现场所需的工作的各种可选装置或工具，包括铲斗、破碎机、锤子、剪刀、推土铲等。典型地，所述可选装置或“工具”可以安装到快速联接器系统，这使得一个工具能够被另一个工具快速替换。
快速联接器系统通常由液压压力操作。大多数快速联接器系统遵循ISO标准ISO13031。
例如，如文献W02012085500所教导的，设备制造商寻求降低工具更换阶段发生事故或意外事件的可能性。
发明人已经发现，仍然需要进一步提高这种快速联接器系统的安全性。
发明内容
根据本发明的一个方面，公开了一种用于控制工具附件的脱离致动器的控制装置，该装置包括：
-三态开关，其具有中间的中性位置、第一末端位置和第二末端位置，
-控制单元，其具有对应于第一末端位置激活的输入端，
-电动阀，其液压联接到脱离致动器，
-第一控制线和第二控制线，其分别联接到所述电动阀的线圈的第一端子和第二端子，
其中，第一控制线和第二控制线中的一个联接到三态开关的第二末端位置，第一控制线和第二控制线中的另一个联接到控制单元的输出端，使得两个控制线必须都被激活以允许脱离。
由于这些部署，第一控制线和第二控制线分别由具有不同技术的通道控制(硬连线与逻辑控制)，从而降低共模故障的风险。
我们还注意到，与常规技术不同，所述线圈的两个端子都不是永久建立的(不永久连接到正电源或接地)。换句话说，电动阀线圈的两个(而不是仅一个)端子被选择性控制。
因此，提供了针对硬件、软件或操作者的任何单一故障的功能和硬件保护；还能够避免大多数的使用者误用。
只有多点故障(至少两点)才会导致非期望的事件。
在本公开中，术语“控制系统”也可以用来代替“控制装置”，因为涉及几个物理单元。
优选地，第一末端位置被朝着所述中间的中性位置偏置，换言之，第一末端位置是不稳定的(类似于按钮)。优选地，关于中性位置的术语“中间”意味着该中性位置位于第一末端位置与第二末端位置之间。
这里的‘控制线’是电控制线；所述电控制线被配置成使电动阀的线圈通电，用于使柱塞远离其静止位置移动。
所提出的方案增强了在挖掘机中的快速联接器控制功能情形中使用的电动-液压部件的布置的安全完整性和抗故障性。
这将相关故障的可能性降至最低程度，由此提高了抗故障性。此外，被拒绝的故障是由操作者误用或系统失效引起的。
在本发明的各种实施例中，除了以下布置中的一个和/或另一个之外，还可以对这些布置单独或组合使用。
根据一个可能选项，第一控制线联接到控制单元的输出端。
根据一个可能选项，第一控制线在接地时被通电。这种电气或电子控制级在控制单元内接地时证明具有良好的可用性和成本效益。
根据一个可能选项，第二控制线联接到所述三态开关的第二末端位置。
根据一个可能选项，第二控制线在由正电压供电时被通电。因此，由于对地短路比对正电压短路出现得更频繁，所以降低了以意外方式控制第二线的可能性。
根据一个可能选项，所述控制单元包括双稳态继电器。这是一种强健的、众所周知且可靠的方案。
根据一个可能选项，所述控制单元包括用于控制第一控制线的固态控制级。针对短路提供了保护。
根据一个可能选项，所述控制单元可以包括软件。这种配置更加开放，以考虑到辅助的额外输入或参数，以便在必要时中止正在进行中的快速改变阶段。
根据一个可能选项，控制装置可以还包括至少一个警告灯(35，45)，以向操作者提供视觉反馈和指示。
根据一个可能选项，所述控制装置可以包括与第一控制线和第二控制线之一并行控制的第一警告灯、以及与所述电动阀并行控制的第二警告灯。第一警告灯告知使用者关于正在进行中的快速联接改变阶段/序列；而第二警告灯告知使用者关于所述脱离致动器的正在进行中的脱离。
根据一个可能选项，所述控制装置可以还包括反映正在进行中的快速改变阶段的音频警告；这为使用者警告提供了良好的覆盖范围，无论操作者的站立/姿势如何。
根据一个可能选项，所述控制装置可以还包括扶手位置传感器和在控制单元处的扶手位置输入，使得每当扶手升高时，正在进行中的快速改变阶段被中止。有利的是，由于该位置传感器和附加在该信息上的逻辑，每当操作者离开该机器的驾驶室，快速联接器改变阶段就被中止。
根据一种可能选项，所述三态开关布置在机器扶手上。因此，当启动快速联接器改变阶段时，机器扶手必须处于操作低位；此外，当扶手升高时，很难操纵所述三态开关。当扶手升高时，即使三态开关被致动，这也没有效果，不会启动改变序列。
根据一个优选选项，第二末端位置是稳定的，并且被机械地保护而不会被直接致动；这防止了对第二末端位置的意外致动。
根据一个可能选项，设置有介于两个保护颊板之间的辅助旋钮，并且在允许三态开关切换到第二末端位置之前，必须致动该辅助旋钮。因此，只有用指尖的有意动作才能导致有效切换到第二末端位置，从而实现了有效的误用保护。
根据一个优选选项，所述电动阀是4/2阀。这是一个可靠的众所周知的方案。
本公开还涉及一种电动-液压系统，其包括液压脱离致动器、带有泵的液压回路和如上所述的控制装置。
本公开还涉及一种在用于控制工具附件的脱离致动器的装置中执行的控制方法，该装置包括：三态开关，其具有中性位置、第一末端位置和第二末端位置；控制单元；电动阀，其液压联接到脱离致动器；第一控制线和第二控制线，其分别联接到所述电动阀的线圈的第一端子和第二端子，
该方法包括以下步骤：
/a/所述三态开关到第一末端位置的第一临时致动，导致快速联接器改变阶段/序列的启动/开始，并且导致第一控制线被通电并维持在通电状态，伴随有可视和音频警告，
/b/所述三态开关到第二末端位置的切换，导致第二控制线通过所述三态开关被通电，并且导致所述电动阀的致动，这又导致所述脱离致动器的致动，
/c/允许附接到快速联接器附件的工具/器具的物理改变，(移动挖掘机臂)
/d/所述三态开关回到中性位置的切换，导致至少第二控制线被解除激活，这导致所述电动阀的解除致动，所述电动阀的解除致动又导致所述脱离致动器的再接合，
/e/所述三态开关到第一末端位置的第二/另外临时致动，导致快速联接器改变阶段的终止。
在步骤/e/中清除所有警告(音频和视觉警告)。
在此我们指出，替代于“快速联接器改变阶段”，还可以使用术语“快速联接器改变序列”。
根据一个可能选项，在步骤/e/中，三态开关到第一末端位置的所述第二/另外临时致动进一步导致第一控制线被解除激活。
根据一种可能选项，每当扶手升高信息被输入时，快速联接器改变阶段就中止。
根据一种可能的选项，所述控制装置没有超时功能，中止是通过特定的动作或条件来实现的，在电力供应丧失/中断的情况下也会发生中止。
附图说明
从以下参考附图对通过非限制性示例给出的本发明实施例之一的详细描述中，本发明的其他特征和优点将显现出来，其中：
-图1示出了铲斗的示意性侧视图，该铲斗通过快速联接系统附接到机器的臂。
-图2是根据本发明的控制装置的第一实施例的示例性框图，
-图3是根据本发明的控制装置的第二实施例的示例性框图，
-图4示出了本文中涉及的方法的时序图，
-图5示出了三态开关的一个实施例，
-图6A、6B和6C示出了该三态开关的不同状态，
-图7示出了本文中涉及的方法的另一个时序图，
-图8示出了运土设备的扶手。
具体实施方式
在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件。为了清楚起见，一些元件可能没有按比例表示。
如图1中所示，运土设备(“挖掘机”或此类“机器”)包括具有远端61的工作臂。在该工作臂的远端处，设置有被标注为6的快速联接器系统。在所示出的示例中，该快速联接器系统包括附接到所述远端的坚固销和用于承载铲斗62等的坚固销或钩。如本身已知的，提供了如ISO标准13031所描述的各种类型的快速联接器系统。
在本发明的上下文中，已经示出了力锁定接合系统，该力锁定接合系统具有接合构件(被标记为64)和致动器，该致动器在下文中被称为“脱离致动器”(附图标记1)，因为在静止位置(rest position)，该致动器倾向于在牢固锁定状态下推动所述接合构件。
系统布局
从图2明显可见，脱离致动器1使得其静止状态对应于锁定装置的接合，以将工具牢固地附接到机器臂61。
脱离致动器1在这里是具有第一端口11和第二端口12的双作用液压缸。
出于安全静止状态的目的，设置有弹簧15，即使没有可用的液压压力，该弹簧15也会朝着锁定状态推动所述缸的杆14。
除了上述泵5之外，在泵5与所述液压缸之间还设置有液压箱和电动阀4。
根据所示出的示例，电动阀4是4/2阀，即，具有四个端口和两个柱塞位置。这是，它是开关阀(ON/OFF阀)。这种电动阀具有控制线圈40、将柱塞偏压至静止位置的复位弹簧。这种电动阀本身是已知的，因此这里不再详细描述。
然而，该电动阀或液压回路的替代方案也是可能的。
此外，当液压压力可用时(液压泵5正在运行)，由该液压回路进行的默认控制是通过其中布置有所述推动弹簧的腔室中的第一端口11来供应液压。所述电动阀的静止位置对应于所述脱离致动器的锁定状态。
只有当满足特定条件以使脱离致动器1脱离时，才应控制电动阀4的柱塞远离其静止位置；当线圈40被通电时，柱塞远离其静止位置移动，并且仅在这种情况下，液压压力被供应到液压缸的第二端口12，而同时第一端口11连接到所述箱。在这种状况下，杆14向后移动并且所述快速联接器被解锁，从而允许工具的物理更换。
如图2上所示，所述控制装置包括三态开关2。该三态开关包括中间中性位置20(标有字母“N”)、第一末端位置21(标有字母“QI”)和第二末端位置22(标有字母“QT”)。至少提供了向该三态开关供应正电压(12V或24V，取决于该机器的电网电压)的电输入。提供了对应于第一末端位置的第一电输出，其通过电链路43或电线联接到控制单元。提供了对应于第二末端位置的第二电输出，其通过电链路42或电线联接到电动阀4。内部电布局可以像图2中所示的那样简单，或者可以更复杂，对于相同的整体功能采用两个独立的电换向器。
如图8上所示，三态开关2布置在机器扶手7上。此外，扶手7包括一个或多个操纵杆75或杠杆，以控制该机器的不同致动器(臂，工具附件等，不排除履带)。
所述控制装置包括第一控制线41和第二控制线42，它们分别联接到电动阀的线圈40的第一端子和第二端子。
所述控制装置包括控制单元3。控制单元3具有与第一末端位置21的激活相对应的输入端36。
在所示出的示例中，第一控制线41在接地时被通电，即，低侧有效(Low Sideactive)。然而，我们注意到，相反情况也是可能的。
在所示出的示例中，第二控制线42在被供应正电压(12V或24V，取决于车载电网)时而被通电。然而，我们注意到，相反情况也是可能的。
第一控制线41联接到所述控制单元的输出端(被标注为31)。
输出端31由所述控制单元中包括的继电器32驱动。
控制单元3包括双稳态继电器。双稳态继电器在这里是具有基本逻辑控制的继电器，带有基本锁存功能，即，一个脉冲设置该锁存器，另一个脉冲复原(unset)该锁存器。
在所示出的示例中，所述控制装置包括第一警告灯35，该第一警告灯35反映正在进行中的快速改变阶段。可以根据所述第一控制线上的逻辑来控制第一警告灯35。
在所示出的示例中，所述控制装置包括第二警告灯45，该第二警告灯45反映所述脱离致动器的脱离状态。可以根据线圈控制来控制第二警告灯45。
第一警告灯35和第二警告灯45中的一个可以位于三态开关2中。
在图示的示例中，所述控制装置包括反映正在进行中的快速改变阶段的音频警告8。
音频警告8可以是任何类型的呼叫器、蜂鸣器。该机器的驾驶室内可以有一个音频警告装置。在驾驶室外部可以有一个音频警告装置。
在该机器的驾驶室内可以有一个警告灯。在驾驶室的顶部上可布置有转向灯。
在所示出的示例中，这些警告装置强烈地告知正在进行中的快速联接器改变序列由单独的继电器34驱动。然而，它们也可以从控制所述第一线路的输出端31被驱动。
在所示出的示例中，所述控制装置包括扶手位置传感器72和扶手位置输入71，使得：每当该扶手升高时，正在进行中的快速改变阶段被中止。
从图3明显可见，控制单元3’可以包括经由串行总线90(CAN总线、LIN总线，或任何类似方案)的通信能力。控制单元3’可以包括微控制器。可以提供HMI屏幕95(HMI＝人机界面)，以提供旨在帮助使用者的一系列菜单驱动或序列驱动的显示。
这里，在所示出的示例中，控制单元3’包括固态控制级33，以控制第一控制线41。然而，也可以考虑受控继电器。这里，在所示出的示例中，控制单元3’可以包括具有电流感测能力的智能FET(场效应晶体管)；这可以提供保护以防止短路和过热。
三态开关
图5描绘了三态开关2，其包括基座29和跷板28。已经提到的一个或多个警告灯35、45可以位于三态开关2中。
在本文的所示出的示例中，三态开关2包括介于两个保护颊板(protectivecheeks)24之间的辅助旋钮(auxiliary knob)26。辅助旋钮26提供保护以防止推动跷板28而引起的直接致动。三态开关2内的本身已知的机械设计需要该辅助旋钮26的预先致动，以将三态开关2的摇动(rocking)释放到第二末端位置22。
换句话说，在允许三态开关2切换到第二末端位置22之前，必须致动该辅助旋钮26。
图6A描绘了处于中性位置的三态开关2。跷板28位于稍后描述的两个末端位置之间的中间站位(stand)。
图6B描绘了处于第一末端位置21的三态开关2。该第一末端位置是不稳定的(类似于按钮)，跷板28被弹簧偏压到该中性位置。因此，仅实现了多次脉冲(稳定状态)。
图6C描绘了处于第二末端位置22的三态开关2。
从图6C明显可见，只有用指尖UF的有意动作才能导致有效切换到第二末端位置22，从而实现有效的误用保护。
第二末端位置是稳定的，并且(在有或没有机械保护的情况下)从第二末端位置改变到中性位置以及从中性位置改变到第二末端位置被称为“切换”。
控制方法
如图4上所示，所提出的方法包括以下步骤：
步骤/a/：所述三态开关到第一末端位置21的第一临时致动，导致快速联接器改变阶段/序列的启动/开始，并且导致第一控制线被通电并维持在通电状态，伴随有可视和音频警告，
步骤/b/：所述三态开关到第二末端位置22的切换，导致第二控制线通过三态开关2被通电，并且导致电动阀4的致动，这又导致所述脱离致动器1的致动，
步骤/c/：允许附接至快速联接器附件的工具/器具的物理更换，此时，操作者使用操纵杆75使旧工具脱离，然后将挖掘机臂移动至新工具并接合新工具。
步骤/d/：三态开关回到中性位置20的切换，导致至少第二控制线被解除激活，这导致电动阀4被解除致动，电动阀4被解除致动又导致所述脱离致动器1的再接合，
步骤/e/：所述三态开关到第一末端位置21的第二/另外临时致动，导致快速联接器改变阶段的终止，并且在实践中优选地，三态开关到第一末端位置21的所述第二/另外临时致动导致第一控制线被解除激活。
在步骤/e/，优选地，停止音频和视觉警告，即，换句话说，清除所有警告(音频和视觉)。
在一个实施例中，所述控制装置没有超时功能，快速联接器改变阶段的中止仅通过三态开关2上的特定动作来实现。
根据优选的变型例，每当扶手升高信息71被输入到控制单元处时，所述快速联接器改变阶段也中止。
此外，在电力供应丧失/中断的情况下也会发生中止。
这里我们注意到，在步骤/c/期间，能够发生由所述三态开关到第一末端位置21的第二/另外临时致动引起的快速联接器改变阶段中止。
应注意，当快速联接器改变阶段仍然有效时(在步骤/e/之前)，可以第二次重复步骤/b/、/c/和/d/；如果操作者意识到联接不正确，则会发生这种情况，操作者可以再次触发脱离以相对于铲斗位置校正挖掘机臂位置。
本领域技术人员会理解，有利的是，只有操作者有意执行的预定序列才能允许工具脱离。
例如，如果三态开关移动到第二末端位置22，而不首先将其移动到第一末端位置21，则第一控制线41保持不通电。结果，即使第二线42被通电，线圈40中也没有电流流动，并且所述电动阀的柱塞保持在安全静止位置。当快速联接器改变阶段没有被正确发起时，不存在非期望事件的风险。
根据另一个示例，如果三态开关2在合法的操作者控制该机器之前已经移动到第二末端位置22(例如，另一个人已经篡改了对该机器的控制(有意或无意))，则即使第二线42被通电也会出现相同的结果：线圈40中没有电流流动，并且所述电动阀的柱塞保持在安全静止位置，因为快速联接器改变阶段没有被正确发起。
其它方面
图7示出了扶手的升高中断了对第一控制线41的供电，因此所述脱离致动器1被再接合。而且，请注意，即使三态开关被致动，扶手升高状态也阻止序列被发起。
在替代实施例中，第一控制线可以由正电源(高侧)通电，而第二控制线可以在接地(低侧)时通电。
根据ISO13849-2:2012验证了所提出的控制装置和相关方法的配置。
所述视觉警告灯可以包括一个或多个Led。
可以提供该三态开关的诊断功能；可以使用具有双级的三态开关，使得控制电路3、3’能够检测各种故障：开路，对地短路，对正电源短路。

Claims (15)

1.一种用于控制工具附件的脱离致动器(1)的控制装置，所述装置包括：
三态开关(2)，所述三态开关具有中间的中性位置(20)、第一末端位置(21)和第二末端位置(22)，
控制单元(3)，所述控制单元具有与所述第一末端位置(21)的激活相对应的输入端，
电动阀(4)，所述电动阀被液压联接到所述脱离致动器(1)，所述电动阀具有线圈(40)，
第一控制线(41)和第二控制线(42)，所述第一控制线和所述第二控制线分别联接到所述电动阀的所述线圈(40)的第一端子和第二端子，
其中，所述第一控制线和第二控制线中的一个被联接到所述三态开关的所述第二末端位置(22)，并且所述第一控制线和第二控制线中的另一个被联接到所述控制单元的输出端，使得两条控制线必须被激活以允许脱离。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一控制线联接到所述控制单元的输出端(31)。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第二控制线联接到所述三态开关的所述第二末端位置(22)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，还包括至少一个警告灯(35，45)。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，包括与所述第一控制线和第二控制线之一并行控制的第一警告灯(35)、以及与所述电动阀(4)并行控制的第二警告灯(45)。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，还包括至少一个音频警告(8)。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，还包括扶手位置传感器和在所述控制单元处的扶手位置输入(71)。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，所述三态开关(2)布置在机器扶手(7)上。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，所述第二末端位置(22)是稳定的，并且被机械地保护以免受直接致动。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其中，所述电动阀(4)是4/2阀。
11.一种电动液压系统，包括液压脱离致动器(1)、具有泵(5)的液压回路，和根据权利要求1至10中的任一项所述的控制装置。
12.一种在用于控制工具附件的脱离致动器的装置中执行的控制方法，所述装置包括：
三态开关(2)，所述三态开关具有中间的中性位置(20)、第一末端位置(21)和第二末端位置(22)，
控制单元(3)，所述控制单元具有与所述第一末端位置(21)的激活相对应的输入端，
电动阀(4)，所述电动阀被液压联接到所述脱离致动器(1)，
第一控制线和第二控制线，所述第一控制线和所述第二控制线分别联接到所述电动阀的线圈(40)的第一端子和第二端子，
所述方法包括以下步骤：
/a/所述三态开关到所述第一末端位置(21)的第一临时致动，导致快速联接器改变阶段的启动或开始，并且导致所述第一控制线被通电并维持在通电状态，伴随有可视和音频警告，
/b/所述三态开关到所述第二末端位置(22)的切换，导致所述第二控制线通过所述三态开关(2)被通电，并且导致所述电动阀(4)的致动，这又导致所述脱离致动器(1)的致动，
/c/允许附接到快速联接器附件的工具或器具的物理改变，所述物理改变包括移动挖掘机臂，
/d/所述三态开关回到所述中性位置(20)的切换，导致至少所述第二控制线被解除激活，这导致所述电动阀(4)被解除致动，而所述电动阀(4)被解除致动又导致所述脱离致动器(1)的再接合，
/e/所述三态开关到所述第一末端位置(21)的第二或另外临时致动，导致所述快速联接器改变阶段的终止。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在步骤/e/中，所述三态开关到所述第一末端位置(21)的所述第二或另外临时致动进一步导致所述第一控制线被解除激活。
14.根据权利要求12至13中的任一项所述的方法，其中，在所述步骤/e/中，清除音频和视觉警告。
15.根据权利要求12至13中的任一项所述的方法，其中，每当扶手升高信息被输入到所述控制单元(3)处时，所述快速联接器改变阶段被中止。
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