CN114108738B - 挖掘机铲斗防碰撞控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种挖掘机铲斗防碰撞控制方法及系统,该方法包括:确定铲斗的安全运行空间区域;实时确定铲斗在三维空间中的位置;当铲斗在提升机构的提升方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第一预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,利用第一制动力矩对提升电机进行制动;当铲斗在推压机构的推压方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第二预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,利用第二制动力矩对推压电机进行制动。本发明通过对提升机构和/或推压机构主动施加停车转矩,能够使铲斗快速停止,避免因铲斗的惯性过大而无法快速停车的问题,能够降低铲斗停止运动距离,提高挖掘机操作安全性和生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及挖掘机技术领域,尤其涉及一种挖掘机铲斗防碰撞控制方法及系统。
背景技术
机械正铲式挖掘机的装机功率大,生产效率高,作业稳定,目前广泛应用于煤矿石露天采矿和剥离作业。图1为现有技术的一种机械正铲式挖掘机的结构示意图,现有的机械正铲式挖掘机主要包括回转平台、起重臂、斗杆、铲斗、推压机构和提升机构,挖掘机在作业过程中,铲斗在推压机构和提升机构的联合作用下进行运动,以完成货物装载和卸载,挖掘机的回转平台以中央枢轴为回转中心进行回转,实现铲斗在360°范围的全方位回转运动,且在铲斗随回转平台进行回转的同时,铲斗也能够在提升机构和推压机构的作用下进行上下运动和前后运动。
由于机械正铲式挖掘机的体积较大,结构复杂,自重高,为了避免运行过程中铲斗与挖掘机其他部件出现碰撞而导致挖掘机受损,需要对铲斗的运动进行限定。
目前,在对铲斗的运动进行限定时,利用编码器分别测量铲斗在单一方向上的运行距离,当运行距离超出预设运行范围后,采用减小或切断挖掘机主令给定的方式来使铲斗停止运动。然而,只考虑铲斗在单一方向的运行距离,无法综合判断铲斗的空间定位,并且采用减小或切断挖掘机主令给定的方式来使铲斗停止运动,铲斗的停止运动距离取决于铲斗的速度和铲斗搭载的货物量,当铲斗的速度越大,铲斗搭载的货物量越多,惯性越大,铲斗的停止运动距离过长,可能导致铲斗与挖掘机其他部件发生碰撞,不利于操作和设备安全。而若是通过缩小预设运行范围来避免因铲斗的停止运动距离过长而导致铲斗与挖掘机其他部件发生碰撞的情况,则不便于进行铲斗操作,会降低设备操作效率和生产效率。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题,本发明提供一种挖掘机铲斗防碰撞控制方法及系统。
本发明的技术方案如下:
第一方面,提供了一种挖掘机铲斗防碰撞控制方法,所述方法包括:
确定每个回转角度上铲斗不与挖掘机其他部件发生碰撞的提升机构的提升行程和推压机构的推压行程,确定铲斗的安全运行空间区域;
实时确定铲斗在三维空间中的位置;
当铲斗在提升机构的提升方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第一预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在提升方向上的速度和铲斗的承载货物重量,计算第一制动力矩,利用第一制动力矩对提升机构的提升电机进行制动;
当铲斗在推压机构的推压方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第二预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在推压方向上的速度和铲斗的承载货物重量,计算第二制动力矩,利用第二制动力矩对推压机构的推压电机进行制动。
在一些可能的实现方式中,在提升机构的提升卷筒上安装第一位置编码器,在推压机构的推压减速机轴上安装第二位置编码器,在回转平台的回转电机轴上安装旋转编码器,根据第一位置编码器、第二位置编码器和旋转编码器的检测数据计算确定铲斗在三维空间中的位置。
在一些可能的实现方式中,根据第一位置编码器、第二位置编码器和旋转编码器的检测数据,利用以下公式计算确定铲斗在三维空间中的位置;
其中,L提升表示铲斗在提升机构的提升方向上的运动距离,X表示第一位置编码器输出的脉冲数,λ1表示第一位置编码器分辨率,i提升表示第一位置编码器至提升卷筒的减速比,D提升表示提升卷筒直径,L推压表示铲斗在推压机构的推压方向上的运动距离,Y表示第二位置编码器输出的脉冲数,λ2表示第二位置编码器分辨率,i推压表示第二位置编码器至推压机构输出轴的减速比,D推压表示推压机构输出轴直径,α回转表示铲斗的回转角度,Z表示旋转编码器累积脉冲数,λ3表示旋转编码器分辨率,i回转表示回转电机至回转大齿圈的减速比。
在一些可能的实现方式中,根据铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在提升方向上的速度和铲斗的承载货物重量,利用以下公式计算第一制动力矩;
其中,T制动1表示第一制动力矩,T边界1表示铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离所对应的转矩分量,T速度1表示铲斗在提升方向上的速度所对应的转矩分量,T重量表示铲斗的承载货物重量所对应的转矩分量,V1表示铲斗在提升方向上的速度,Vmax1表示挖掘机所允许的铲斗在提升方向上的最大速度,L1表示铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离,L临界1表示第一预设值,Tmax1表示提升机构能够输出的最大制动力矩,G当前表示铲斗的承载货物重量,G满斗表示铲斗的最大承载货物重量,当T制动1>Tmax1时,T制动1取值为Tmax1。
在一些可能的实现方式中,根据铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在推压方向上的速度和铲斗的承载货物重量,利用以下公式计算第二制动力矩;
其中,T制动2表示第二制动力矩,T边界2表示铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离所对应的转矩分量,T速度2表示铲斗在推压方向上的速度所对应的转矩分量,T重量表示铲斗的承载货物重量所对应的转矩分量,V2表示铲斗在推压方向上的速度,Vmax2表示挖掘机所允许的铲斗在推压方向上的最大速度,L2表示铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离,L临界2表示第二预设值,Tmax2表示推压机构能够输出的最大制动力矩,G当前表示铲斗的承载货物重量,G满斗表示铲斗的最大承载货物重量,当T制动2>Tmax2时,T制动2取值为Tmax2。
在一些可能的实现方式中,利用斜坡函数发生器,使第一制动力矩和第二制动力矩从0逐渐增加至计算值。
第二方面,还提供了一种挖掘机铲斗防碰撞控制系统,所述系统包括:
区域确定模块,所述区域确定模块用于确定铲斗的安全运行空间区域;
空间定位模块,所述空间定位模块用于确定铲斗在三维空间中的位置;
主动停车控制模块,所述主动停车控制模块连接所述区域确定模块和所述空间定位模块,用于在铲斗在提升机构的提升方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第一预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在提升方向上的速度和铲斗的承载货物重量,计算第一制动力矩,并利用第一制动力矩对提升机构的提升电机进行制动,以及,
用于在铲斗在推压机构的推压方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第二预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在推压方向上的速度和铲斗的承载货物重量,计算第二制动力矩,并利用第二制动力矩对推压机构的推压电机进行制动。
本发明技术方案的主要优点如下:
本发明的挖掘机铲斗防碰撞控制方法及系统通过对铲斗的位置进行实时定位,在铲斗将要超出安全运行空间区域边界时,对控制铲斗运动的提升机构和/或推压机构主动施加停车转矩,能够使铲斗快速停止,避免因铲斗的惯性过大而导致铲斗无法快速停车的问题,能够降低铲斗的停止运动距离,保证铲斗始终在安全运行空间区域内,提高挖掘机操作安全性和便利性,提高操作效率和生产效率。
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为现有技术的一种机械正铲式挖掘机的结构示意图;
图2为本发明一实施例的挖掘机铲斗防碰撞控制方法的流程图;
图3为本发明一实施例的挖掘机铲斗防碰撞控制系统的结构示意图。
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。
第一方面,参见图2,本发明一实施例提供了一种挖掘机铲斗防碰撞控制方法,该方法包括以下步骤:
确定每个回转角度上铲斗不与挖掘机其他部件发生碰撞的提升机构的提升行程和推压机构的推压行程,确定铲斗的安全运行空间区域;
实时确定铲斗在三维空间中的位置;
当铲斗在提升机构的提升方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第一预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在提升方向上的速度和铲斗的承载货物重量,计算第一制动力矩,利用第一制动力矩对提升机构的提升电机进行制动;
当铲斗在推压机构的推压方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第二预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在推压方向上的速度和铲斗的承载货物重量,计算第二制动力矩,利用第二制动力矩对推压机构的推压电机进行制动。
本发明一实施例提供的挖掘机铲斗防碰撞控制方法通过对铲斗的位置进行实时定位,在铲斗将要超出安全运行空间区域边界时,对控制铲斗运动的提升机构和/或推压机构主动施加停车转矩,能够使铲斗快速停止,避免因铲斗的惯性过大而导致铲斗无法快速停车的问题,能够降低铲斗的停止运动距离,保证铲斗始终在安全运行空间区域内,提高挖掘机操作安全性和便利性,提高操作效率和生产效率。
由于挖掘机铲斗的运动由提升机构的上下运动、推压机构的前后运动和回转平台的回转运动组合而成,为此,通过确定提升机构在提升方向上的运动距离、确定推压机构在推压方向上的运动距离、以及确定回转平台的回转角度,即可确定铲斗的位置变化,从而确定铲斗在三维空间中的位置。
可选的,本发明一实施例中,在提升机构的提升卷筒上安装第一位置编码器,在推压机构的推压减速机轴上安装第二位置编码器,在回转平台的回转电机轴上安装旋转编码器,根据第一位置编码器、第二位置编码器和旋转编码器的检测数据计算确定铲斗在三维空间中的位置。
本发明一实施例中,根据第一位置编码器、第二位置编码器和旋转编码器的检测数据,可以利用以下公式计算确定铲斗在三维空间中的位置;
上述公式中,L提升表示铲斗在提升机构的提升方向上的运动距离,X表示第一位置编码器输出的脉冲数,λ1表示第一位置编码器分辨率,i提升表示第一位置编码器至提升卷筒的减速比,D提升表示提升卷筒直径,L推压表示铲斗在推压机构的推压方向上的运动距离,Y表示第二位置编码器输出的脉冲数,λ2表示第二位置编码器分辨率,i推压表示第二位置编码器至推压机构输出轴的减速比,D推压表示推压机构输出轴直径,α回转表示铲斗的回转角度,Z表示旋转编码器累积脉冲数,λ3表示旋转编码器分辨率,i回转表示回转电机至回转大齿圈的减速比。
具体地,在计算确定铲斗在三维空间中的位置时,先设定提升机构的提升零位、推压机构的推压零位和回转平台的回转零位,并确定提升零位、推压零位和回转零位处的铲斗的初始位置信息,根据第一位置编码器的检测数据利用公式一计算提升运动距离,确定铲斗相对设定初始位置在提升方向上的移动距离,根据第二位置编码器的检测数据利用公式二计算推压运动距离,确定铲斗相对设定初始位置在推压方向上的移动距离,根据旋转编码器的检测数据利用公式三计算回转角度,确定铲斗相对设定初始位置的回转角度,从而确定铲斗在三维空间中的位置。
进一步地,本发明一实施例中,根据铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在提升方向上的速度和铲斗的承载货物重量,可以利用以下公式计算第一制动力矩;
上述公式中,T制动1表示第一制动力矩,T边界1表示铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离所对应的转矩分量,T速度1表示铲斗在提升方向上的速度所对应的转矩分量,T重量表示铲斗的承载货物重量所对应的转矩分量,V1表示铲斗在提升方向上的速度,Vmax1表示挖掘机所允许的铲斗在提升方向上的最大速度,L1表示铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离,L临界1表示第一预设值,Tmax1表示提升机构能够输出的最大制动力矩,G当前表示铲斗的承载货物重量,G满斗表示铲斗的最大承载货物重量,当T制动1>Tmax1时,T制动1取值为Tmax1。
进一步地,本发明一实施例中,根据铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在推压方向上的速度和铲斗的承载货物重量,可以利用以下公式计算第二制动力矩;
上述公式中,T制动2表示第二制动力矩,T边界2表示铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离所对应的转矩分量,T速度2表示铲斗在推压方向上的速度所对应的转矩分量,T重量表示铲斗的承载货物重量所对应的转矩分量,V2表示铲斗在推压方向上的速度,Vmax2表示挖掘机所允许的铲斗在推压方向上的最大速度,L2表示铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离,L临界2表示第二预设值,Tmax2表示推压机构能够输出的最大制动力矩,G当前表示铲斗的承载货物重量,G满斗表示铲斗的最大承载货物重量,当T制动2>Tmax2时,T制动2取值为Tmax2。
上述第一制动力矩和第二制动力矩的计算方式综合考虑了铲斗与安全运行空间区域边界的距离、铲斗的速度和铲斗的承载货物重量三个因素的影响,三个因素对应的转矩分量在最大制动力矩范围内独立取值。
进一步地,为了避免制动力矩突然投入而产生机械抖动,本发明一实施例中,可以利用斜坡函数发生器,使第一制动力矩和第二制动力矩从0逐渐增加至计算值。
通过引入斜坡函数发生器,将计算得到的第一制动力矩或第二制动力矩的数值作为目标力矩,使制动力矩从0逐渐增加至目标力矩,能够实现平衡制动。
第二方面,参见图3,本发明一实施例还提供了一种挖掘机铲斗防碰撞控制系统,该系统包括:
区域确定模块,所述区域确定模块用于确定铲斗的安全运行空间区域;
空间定位模块,所述空间定位模块用于确定铲斗在三维空间中的位置;
主动停车控制模块,所述主动停车控制模块连接所述区域确定模块和所述空间定位模块,用于在铲斗在提升机构的提升方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第一预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在提升方向上的速度和铲斗的承载货物重量,计算第一制动力矩,并利用第一制动力矩对提升机构的提升电机进行制动,以及,
用于在铲斗在推压机构的推压方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第二预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在推压方向上的速度和铲斗的承载货物重量,计算第二制动力矩,并利用第二制动力矩对推压机构的推压电机进行制动。
具体地,本发明一实施例提供的挖掘机铲斗防碰撞控制系统在应用时,区域确定模块根据每个回转角度上铲斗不与挖掘机其他部件发生碰撞的提升机构的提升行程和推压机构的推压行程,确定铲斗的安全运行空间区域,并将安全运行空间区域信息发送至主动停车控制模块;空间定位模块根据推升机构的运动距离、推压机构的运动距离和回转平台的回转角度实时确定铲斗在三维空间中的位置,并将铲斗的位置信息发送至主动停车控制模块;主动停车控制模块基于安全运行空间区域信息和铲斗的位置信息,在铲斗在提升机构的提升方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第一预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在提升方向上的速度和铲斗的承载货物重量,计算第一制动力矩,并利用第一制动力矩对提升机构的提升电机进行制动,以及在铲斗在推压机构的推压方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第二预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在推压方向上的速度和铲斗的承载货物重量,计算第二制动力矩,并利用第二制动力矩对推压机构的推压电机进行制动。
本发明一实施例提供的挖掘机铲斗防碰撞控制系统通过对铲斗的位置进行实时定位,在铲斗将要超出安全运行空间区域边界时,对控制铲斗运动的提升机构和/或推压机构主动施加停车转矩,能够使铲斗快速停止,避免因铲斗的惯性过大而导致铲斗无法快速停车的问题,能够降低铲斗的停止运动距离,保证铲斗始终在安全运行空间区域内,提高挖掘机操作安全性和便利性,提高操作效率和生产效率。
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 (4)
1.一种挖掘机铲斗防碰撞控制方法,其特征在于,所述方法包括:
确定每个回转角度上铲斗不与挖掘机其他部件发生碰撞的提升机构的提升行程和推压机构的推压行程,确定铲斗的安全运行空间区域;
实时确定铲斗在三维空间中的位置;
当铲斗在提升机构的提升方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第一预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在提升方向上的速度和铲斗的承载货物重量,利用以下公式计算第一制动力矩,利用第一制动力矩对提升机构的提升电机进行制动:
其中,T制动1表示第一制动力矩,T边界1表示铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离所对应的转矩分量,T速度1表示铲斗在提升方向上的速度所对应的转矩分量,T重量表示铲斗的承载货物重量所对应的转矩分量,V1表示铲斗在提升方向上的速度,Vmax1表示挖掘机所允许的铲斗在提升方向上的最大速度,L1表示铲斗在提升方向上与安全运行空间区域边界的距离,L临界1表示第一预设值,Tmax1表示提升机构能够输出的最大制动力矩,G当前表示铲斗的承载货物重量,G满斗表示铲斗的最大承载货物重量,当T制动1>Tmax1时,T制动1取值为Tmax1;
当铲斗在推压机构的推压方向上与安全运行空间区域边界的距离小于第二预设值,且铲斗的运动趋势为靠近安全运行空间区域边界时,根据铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离、铲斗在推压方向上的速度和铲斗的承载货物重量,利用以下公式计算第二制动力矩,利用第二制动力矩对推压机构的推压电机进行制动:
其中,T制动2表示第二制动力矩,T边界2表示铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离所对应的转矩分量,T速度2表示铲斗在推压方向上的速度所对应的转矩分量,T重量表示铲斗的承载货物重量所对应的转矩分量,V2表示铲斗在推压方向上的速度,Vmax2表示挖掘机所允许的铲斗在推压方向上的最大速度,L2表示铲斗在推压方向上与安全运行空间区域边界的距离,L临界2表示第二预设值,Tmax2表示推压机构能够输出的最大制动力矩,G当前表示铲斗的承载货物重量,G满斗表示铲斗的最大承载货物重量,当T制动2>Tmax2时,T制动2取值为Tmax2。
2.根据权利要求1所述的挖掘机铲斗防碰撞控制方法,其特征在于,在提升机构的提升卷筒上安装第一位置编码器,在推压机构的推压减速机轴上安装第二位置编码器,在回转平台的回转电机轴上安装旋转编码器,根据第一位置编码器、第二位置编码器和旋转编码器的检测数据计算确定铲斗在三维空间中的位置。
3.根据权利要求2所述的挖掘机铲斗防碰撞控制方法,其特征在于,根据第一位置编码器、第二位置编码器和旋转编码器的检测数据,利用以下公式计算确定铲斗在三维空间中的位置;
其中,L提升表示铲斗在提升机构的提升方向上的运动距离,X表示第一位置编码器输出的脉冲数,λ1表示第一位置编码器分辨率,i提升表示第一位置编码器至提升卷筒的减速比,D提升表示提升卷筒直径,L推压表示铲斗在推压机构的推压方向上的运动距离,Y表示第二位置编码器输出的脉冲数,λ2表示第二位置编码器分辨率,i推压表示第二位置编码器至推压机构输出轴的减速比,D推压表示推压机构输出轴直径,α回转表示铲斗的回转角度,Z表示旋转编码器累积脉冲数,λ3表示旋转编码器分辨率,i回转表示回转电机至回转大齿圈的减速比。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的挖掘机铲斗防碰撞控制方法,其特征在于,利用斜坡函数发生器,使第一制动力矩和第二制动力矩从0逐渐增加至计算值。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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