CN114295335A - 一种工程机械操控手柄工作区间测试系统和分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种工程机械操控手柄工作区间测试系统和分析方法，包含工作装置油缸位置监测装置、操控手柄位置监测装置、数据采集器和控制器；所述操控手柄位置监测装置包括两个对称设置的支架，两个所述支架分别设有弧形的导向槽，所述导向槽内滑动设有手柄定位销，所述导向槽的端部设有定位销安装孔，所述支架设有与所述导向槽共圆心的拉线导向板，所述支架在所述拉线导向板的端部处设有导向滚轮，所述支架的一侧设有拉线位移传感器，并且所述拉线位移传感器的拉线水平连接所述导向滚轮。本发明能够保证手柄角度与行程之间的准确比例，精确的确定手柄角度位置与工作装置油缸位置之间的位置关系。

Description

一种工程机械操控手柄工作区间测试系统和分析方法
技术领域
本发明涉及到工程机械设备领域，具体涉及到一种工程机械操控手柄工作区间测试系统和分析方法。
背景技术
很多工程机械安装有电控操作手柄，在驾驶员操作过程中，存在手柄动作而工作装置油缸不动的情况，从操作手柄开始动作到工作装置开始动作这个过程，手柄的行程与手柄总行程之间的比例称之为工作死区；手柄匀速继续动作，工作装置油缸的运动速度会随着手柄行程增大而不断增大，从工作装置油缸开始动作到其运动速度不再变化整个过程中，手柄的行程与手柄总行程之间的比例称之为工作线性区；随着手柄行程的增大一直到最大行程，工作装置油缸速度不再增大，此时手柄的行程与总行程之间的比例称之为工作饱和区。
现有的方法一般是采用拉线位移传感器，通过数据采集器来获取手柄移动的位移，以及工作装置油缸移动的位置，通过比对分析获取工作区比例结果。
如现有技术申请号为CN201110412862.1的中国发明专利于2013年06月19日公开了一种工程机械用手柄位置检测器，包括比较器和电源单元，比较器的输入端接有检测电压设定单元、手柄位置采集单元、前进位置设置单元、后退位置设置单元和倒车位置设置单元，手柄位置采集单元的输入端接有手柄信号输出单元，比较器的输出端接有用于输出工程机械作业控制信号的控制信号输出单元，控制信号输出单元包括第一继电器、第二继电器、与第一继电器相接的第一继电器驱动器和与第二继电器相接的第二继电器驱动器，第一继电器驱动器和第二继电器驱动器均与比较器的输出端相接。
但是，利用拉线位移传感器获取手柄工作的行程位置的方法，缺点在于拉线位移传感器连接位置的运动轨迹是圆弧状，而固定好的拉线位移传感器与其拉线之间的角度会随着操作手柄的运动而产生变化，拉线位移传感器测试数据与手柄实际运动经过的角度之间的匹配关系存在一定的误差，从而最终计算出的结果也会存在误差。
现有技术申请号为CN202110270946.X的中国发明专利于2021年06月25日公开了一种手柄直接位置控制的信号处理方法，包括对手柄角度信号进行失真矫正处理，获得失真矫正处理后的手柄有效角度信号；将处理后的手柄有效角度信号转化为位置信号；对位置信号进行速度约束，获得进行速度约束后的目标位置信号；对进行速度约束后的目标位置信号进行平滑处理，获得平滑处理后的位置信号，伺服系统根据平滑处理后的手柄位置信号进行直接位置控制。
该方案对手柄角度信号进行失真矫正处理，获得失真矫正处理后的手柄有效角度信号，再将处理后的手柄有效角度信号转化为位置信号，处理过程较为复杂，对不同型号的手柄需要针对性的调校，比较耗费工时，实施成本较高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种工程机械操控手柄工作区间测试系统，能够保证手柄角度与行程之间的准确比例，精确的确定手柄角度位置与工作装置油缸位置之间的位置关系。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种工程机械操控手柄工作区间测试系统，包含工作装置油缸位置监测装置、操控手柄位置监测装置、数据采集器和控制器；所述操控手柄位置监测装置包括两个对称设置的支架，两个所述支架分别设有弧形的导向槽，手柄定位销垂直穿过两个所述导向槽并且沿两个所述导向槽滑动位移，所述导向槽的端部设有定位销安装孔，所述支架设有与所述导向槽共圆心的拉线导向板，所述支架在所述拉线导向板的端部处设有导向滚轮，所述支架的一侧设有拉线位移传感器，并且所述拉线位移传感器的拉线水平连接所述导向滚轮。
上述方案中，支架由金属或者其他硬质材料构成，手柄位于两个支架之间，手柄在转动时带动手柄定位销在导向槽内滑动位移，并且带动拉线位移传感器的拉线沿着拉线导向板位移。
相对于现有技术，本方案通过在支架上分别设有弧形的导向槽，并且在导向槽下侧设置共圆心的拉线导向板，使拉线的拉伸距离可以反映出手柄的实际位移，避免因拉线位移传感器与其拉线之间的角度会随着手柄的运动而产生变化导致的误差，增加了测量精度。
进一步的，所述支架包括拱形支撑结构，所述导向槽位于所述拱形支撑结构上且与所述拱形支撑结构为共圆心设置。通过设置拱形支撑结构，便于手柄的安装，以及观测手柄所处的位置。
进一步的，手柄的下方铰接点位于所述拱形支撑结构的圆心处，所述拱形支撑结构的半径大于所述手柄的长度尺寸；两个所述支架之间设有宽度调节定位装置，所述支架包括下侧设有的高度调节底座和高度调节定位销。通过调整高度调节底座和高度调节定位销，调整支架高度位置，使得手柄下方铰接点正好位于拱形支撑结构的半圆的圆心位置。
还可以通过在手柄上安装加长杆，超出拱形支撑结构的高度，在进行操作时，能够保证手柄经过的角度和拉线位移传感器的拉线走过的路径长度符合圆周计算比例关系。
进一步的，所述导向滚轮与所述拉线导向板的端部相切。使用过程中，安装拉线位移传感器的时，拉线的高度应与导向滚轮高度齐平，拉线经过导向滚轮后正好沿拉线导向板进行走线。
进一步的，所述工作装置油缸位置监测装置为拉线式位移传感器或者激光位移传感器。拉线式位移传感器以及激光位移传感器能够实时反馈工作装置的油缸位置。
进一步的，所述数据采集器包括多个模拟量采集通道，所述数据采集器用于同时对工作装置油缸位置信号和所述拉线位移传感器的拉线位移信号进行记录。
进一步的，所述控制器为工控机、笔记本电脑；所述数据采集器与所述控制器的通讯方式为有线连接或者无线连接。
一种工程机械操控手柄工作区间测试系统的分析方法，利用上述测试系统获取的数据进行分析，计算得到手柄各工作区间比例，具体包括以下步骤：
S1：对操控手柄位置监测装置进行定位，对手柄加装长杆：
S2：操作人员对手柄的起始位置和终点位置进行定位，标定拉线位移传感器数据，多次测量求取平均值；
S3：手柄的加长杆位于两个所述拱形支撑结构中间，所述拉线位移传感器的拉线一端挂在所述手柄定位销上，手柄推着所述手柄定位销往前移动，从而带动挂在所述手柄定位销上的所述拉线位移传感器的拉线变长；所述数据采集器对以上信号均进行记录，控制器对数据采集器记录的数据进行分析；
S4：所述手柄工作过程中，手柄的起始位置为A0，工作装置油缸的速度开始变化的时刻对应的手柄位置为A1，工作装置油缸的速度从逐渐增大变为匀速运动的时刻对应的手柄位置为A2，所述手柄到达最终位置时对应的手柄位置为A3；对工作装置油缸的位置信号进行求导处理，得到工作装置油缸的速度随时间变化曲线图；
其中，工作死区Q1的计算式为：
Figure BDA0003349492670000041
工作死区Q2的计算式为：
Figure BDA0003349492670000042
工作死区Q3的计算式为：
Figure BDA0003349492670000043
或者
Figure BDA0003349492670000044
通过上述的方法，测试系统能够保证手柄角度与行程之间的准确比例，精确的确定手柄角度位置与工作装置油缸位置之间的位置关系，避免因拉线位移传感器与其拉线之间的角度会随着手柄的运动而产生变化导致的误差，增加了测量精度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过在手柄两侧设置一对支架，支架上分别设有弧形的导向槽，并且在导向槽下侧设置共圆心的拉线导向板，使拉线可以沿着导向板方向拉伸，从而使拉线的拉伸距离可以反映出手柄的实际位移，避免因拉线位移传感器与其拉线之间的角度会随着手柄的运动而产生变化导致的误差，增加了测量精度；
2、在两个支架之间设置宽度调节定位装置，在支架的下侧设置的高度调节底座和高度调节定位销，用于方便使得手柄下方铰接点正好位于拱形支撑结构的半圆圆心位置，更加快捷的应用于不同类型的手柄，增加了操控手柄位置监测装置的整体适用性；
3、本发明提供一种工程机械操控手柄工作区间测试系统的分析方法，测试系统能够保证手柄角度与行程之间的准确比例，精确的确定手柄工作死区Q1、工作线性区Q2、工作饱和区Q3，由于拱形支撑结构为定值，因此在计算的时候直接采用手柄位移即可，无需转换为角度值，减少了测量步骤，节省了计算时间。
附图说明
图1为本发明一种工程机械操控手柄工作区间测试系统的系统构成图；
图2为本发明的现有技术中的测试方案示意图；
图3为本发明的操控手柄位置监测装置的结构示意图；
图4为本发明的操控手柄位置监测装置的工作过程示意图；
图5为本发明的手柄位移、油缸位移、油缸速度的时间曲线图；
图中：1、手柄定位销；2、定位销安装孔；3、支架；4、宽度调节定位装置；5、高度调节底座；6、高度调节定位销；7、拉线导向板；8、导向滚轮；9、手柄定位销；11、手柄；12、拉线；13、拉线位移传感器；20、工作装置油缸位置监测装置；30、操控手柄位置监测装置；40、数据采集器；50、控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“水平”、“垂直”等指示的方位或位置关系为均基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在工程机械应用中，很多设备安装有电控操作手柄，在操作过程中，存在手柄动作而工作装置的油缸不动的情况，从操作手柄开始动作到工作装置开始动作这个过程，手柄的行程与手柄总行程之间的比例称之为工作死区Q1；手柄匀速继续动作，工作装置油缸的运动速度会随着手柄行程增大而不断增大，从工作装置油缸开始动作到其运动速度不再变化整个过程中，手柄的行程与手柄总行程之间的比例称之为工作线性区Q2；随着手柄行程的增大一直到最大行程，工作装置油缸速度不再增大，此时手柄的行程与总行程之间的比例称之为工作饱和区Q3。
实施例1
如图1至图5所示，一种工程机械操控手柄工作区间测试系统，包含工作装置油缸位置监测装置20、操控手柄位置监测装置30、数据采集器40和控制器50；所述操控手柄位置监测装置30包括两个对称设置的支架3，两个所述支架3分别设有弧形的导向槽，手柄定位销9垂直穿过两个所述导向槽并且沿两个所述导向槽滑动位移，所述导向槽的端部设有定位销安装孔2，所述支架3设有与所述导向槽共圆心的拉线导向板7，所述支架3在所述拉线导向板7的端部处设有导向滚轮8，所述支架3的一侧设有拉线位移传感器13，并且所述拉线位移传感器13的拉线12水平连接所述导向滚轮8。
上述方案中，支架3由金属或者其他硬质材料构成，其总体形状为如图3所示，手柄11位于两个支架之间，手柄11在转动时带动手柄定位销1在导向槽内滑动位移，并且带动拉线位移传感器13的拉线12沿着拉线导向板7位移。
相对于现有技术，本方案通过在支架3上分别设有弧形的导向槽，并且在导向槽下侧设置共圆心的拉线导向板7，使拉线可以沿着导向板方向拉伸，从而使拉线12的拉伸距离可以反映出手柄的实际位移，避免因拉线位移传感器13与其拉线12之间的角度会随着手柄11的运动而产生变化导致的误差，增加了测量精度。
进一步的，所述支架3包括拱形支撑结构，所述导向槽位于所述拱形支撑结构上且与所述拱形支撑结构为共圆心设置。通过设置拱形支撑结构，便于手柄11的安装，以及观测手柄11所处的位置。
进一步的，手柄11的下方铰接点位于所述拱形支撑结构的圆心处，所述拱形支撑结构的半径大于所述手柄11的长度尺寸；两个所述支架3之间设有宽度调节定位装置4，所述支架3包括下侧设有的高度调节底座5和高度调节定位销6。通过调整高度调节底座5和高度调节定位销6，调整支架高度位置，使得手柄11下方铰接点正好位于拱形支撑结构的半圆的圆心位置。
还可以通过在手柄11上安装加长杆，超出拱形支撑结构的高度，在进行操作时，能够保证手柄11经过的角度和拉线位移传感器13的拉线12走过的路径长度符合圆周计算比例关系。
进一步的，如图4所示，所述导向滚轮8与所述拉线导向板7的端部相切。使用过程中，安装拉线位移传感器13的时，拉线12的高度应与导向滚轮8高度齐平，拉线12经过导向滚轮8后正好沿拉线导向板7进行走线。
进一步的，所述工作装置油缸位置监测装置20为拉线式位移传感器或者激光位移传感器。拉线式位移传感器以及激光位移传感器能够实时反馈工作装置的油缸位置。
进一步的，所述数据采集器40包括多个模拟量采集通道，所述数据采集器40用于同时对工作装置油缸位置信号和所述拉线位移传感器的拉线位移信号进行记录。
进一步的，所述控制器50为工控机、笔记本电脑；所述数据采集器40与所述控制器50的通讯方式为有线连接或者无线连接。
实施例2
如图5所示，一种工程机械操控手柄工作区间测试系统的分析方法，利用上述测试系统获取的数据进行分析，操作人员操控手柄时，通过操控手柄位置监测装置30准确测量手柄经过路径的长度，经过计算转换成手柄旋转的角度，工作装置油缸位移检测装置20与手柄角度同步进行采集，通过工作装置油缸位置20变化过程与手柄角度变化过程之间的关系进行各工作区间比例的计算；具体包括以下步骤：
S1：对操控手柄位置监测装置30进行定位，对手柄11加装长杆：
S2：操作人员对手柄11的起始位置和终点位置进行定位，标定拉线位移传感器13数据，多次测量求取平均值；
S3：手柄11的加长杆位于两个所述拱形支撑结构中间，所述拉线位移传感器13的拉线一端挂在所述手柄定位销9上，手柄推着所述手柄定位销9往前移动，从而带动挂在所述手柄定位销9上的所述拉线位移传感器13的拉线变长；所述数据采集器对以上信号均进行记录，控制器对数据采集器记录的数据进行分析；
S4：所述手柄11工作过程中，手柄11的起始位置为A0，工作装置油缸的速度开始变化的时刻对应的手柄11位置为A1，工作装置油缸的速度从逐渐增大变为匀速运动的时刻对应的手柄11位置为A2，所述手柄11到达最终位置时对应的手柄11位置为A3；对工作装置油缸的位置信号进行求导处理，得到工作装置油缸的速度随时间变化曲线图；
其中，工作死区Q1的计算式为：
Figure BDA0003349492670000081
工作线性区Q2的计算式为：
Figure BDA0003349492670000082
工作饱和区Q3的计算式为：
Figure BDA0003349492670000083
或者
Figure BDA0003349492670000084
通过上述的方法，测试系统能够保证手柄角度与行程之间的准确比例，精确的确定手柄角度位置与工作装置油缸位置之间的位置关系，避免因拉线位移传感器与其拉线之间的角度会随着手柄的运动而产生变化导致的误差，增加了测量精度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种工程机械操控手柄工作区间测试系统，其特征在于，包含工作装置油缸位置监测装置、操控手柄位置监测装置、数据采集器和控制器；所述操控手柄位置监测装置包括两个对称设置的支架，两个所述支架分别设有弧形的导向槽，手柄定位销垂直穿过两个所述导向槽并且沿两个所述导向槽滑动位移，所述导向槽的端部设有定位销安装孔，所述支架设有与所述导向槽共圆心的拉线导向板，所述支架在所述拉线导向板的端部处设有导向滚轮，所述支架的一侧设有拉线位移传感器，并且所述拉线位移传感器的拉线水平连接所述导向滚轮。
2.根据权利要求1所述的一种工程机械操控手柄工作区间测试系统，其特征在于，所述支架包括拱形支撑结构，所述导向槽位于所述拱形支撑结构上且与所述拱形支撑结构为共圆心设置。
3.根据权利要求2所述的一种工程机械操控手柄工作区间测试系统，其特征在于，手柄的下方铰接点位于所述拱形支撑结构的圆心处，所述拱形支撑结构的半径大于所述手柄的长度尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种工程机械操控手柄工作区间测试系统，其特征在于，两个所述支架之间设有宽度调节定位装置，所述支架包括其下侧设有的高度调节底座和高度调节定位销。
5.根据权利要求1所述的一种工程机械操控手柄工作区间测试系统，其特征在于，所述导向滚轮与所述拉线导向板的端部相切。
6.根据权利要求1所述的一种工程机械操控手柄工作区间测试系统，其特征在于，所述工作装置油缸位置监测装置包括拉线式位移传感器或者激光式位移传感器。
7.根据权利要求1所述的一种工程机械操控手柄工作区间测试系统，其特征在于，所述数据采集器包括多个模拟量采集通道，所述数据采集器用于同时对工作装置油缸位置信号和所述拉线位移传感器的拉线位移信号进行记录。
8.根据权利要求1所述的一种工程机械操控手柄工作区间测试系统，其特征在于，所述控制器为工控机、笔记本电脑；所述数据采集器与所述控制器的通讯方式为有线连接或者无线连接。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的一种工程机械操控手柄工作区间测试系统的分析方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：对操控手柄位置监测装置进行定位，对手柄加装加长杆：
S2：操作人员对手柄的起始位置和终点位置进行定位，标定所述拉线位移传感器数据，多次测量求取平均值；
S3：手柄的加长杆位于两个所述拱形支撑结构中间，所述拉线位移传感器的拉线一端挂在所述手柄定位销上，手柄推着所述手柄定位销往前移动，从而带动挂在所述手柄定位销上的所述拉线位移传感器的拉线变长；所述数据采集器对以上信号均进行记录，控制器对数据采集器记录的数据进行分析；
S4：所述手柄工作过程中，手柄起始位置标记为A0，工作装置油缸的速度开始变化的时刻对应的手柄位置为A1，工作装置油缸的速度从逐渐增大变为匀速运动的时刻对应的手柄位置为A2，所述手柄到达最终位置时对应的手柄位置为A3；对工作装置油缸的位置信号进行求导处理，得到工作装置油缸的速度随时间变化曲线图。
10.根据权利要求9所述的一种工程机械操控手柄工作区间测试系统的分析方法，其特征在于，
工作死区Q1的计算式为：
Figure FDA0003349492660000021
工作死区Q2的计算式为：
Figure FDA0003349492660000022
工作死区Q3的计算式为：
Figure FDA0003349492660000023
或者
Figure FDA0003349492660000024
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