CN114411842A - 一种矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法，包括：基于推压小齿轮的旋转圆心建立坐标系；获取起重臂在坐标系中的直线方程和推压小齿轮的轨迹方程；获取推压斗杆的上下边缘在坐标系中的直线方程；借助各个交点坐标求得起重臂与推压斗杆的交点与推压小齿轮的旋转圆心在在推压斗杆的长度方向上的投影距离l₁，以及斗杆连接筒的圆心和推压小齿轮的旋转圆心在推压斗杆的长度方向上的投影距离为l₂，比较l₁和l₂，获取安全运行区域和非安全运行区域，并对推压斗杆进行控制。由此，该方法能够避免斗杆连接筒与起重臂相碰，保护起重臂不受损坏。相比于现有技术，本方法能够有效地提高系统的安全性、降低由起重臂损坏带来的经济损失。

Description

一种矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法

技术领域

本发明涉及挖掘机控制技术领域，尤其涉及一种矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法。

背景技术

目前大型矿用挖掘机主要用于大型露天矿的土壤、岩石、矿石、煤炭等的挖掘，为矿用汽车进行装载物料。如图1所示，矿用挖掘机在挖掘物料时涉及的主要机构包括：起重臂01、提升钢丝绳02、推压斗杆03、铲斗04、推压小齿轮05、鞍座06、斗杆连接筒07。在挖掘过程中，推压小齿轮05转动带动推压斗杆03前进后退、提升钢丝绳02带动铲斗04上升下降，实现铲斗04的装载与卸载；铲斗04的运动轨迹是由提升钢丝绳02的上下运动和推压斗杆03的进退运动组合而成，相应的斗杆连接筒07的运动轨迹也是由提升钢丝绳02的上升下降、推压斗杆03的前进后退组合而成。

现有的技术应用中，虽然，提升钢丝绳02和推压斗杆03的运动分别设有提升固定举例限位保护和推压固定距离限位保护，但是，由于斗杆连接筒07是由提升机构和推压机构的复合运动组成，在提升限位和推压限位未到达限位保护值时，斗杆连接筒07仍有可能撞击起重臂01，一旦斗杆连接筒07频繁撞击起重臂01，就会造成起重臂01的损坏、开裂，带来很大的经济损失。

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，本发明提供一种矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法。

本发明的技术方案如下：

一种矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法，所述矿用挖掘机包括：工作平台、起重臂、推压斗杆、斗杆连接筒、推压小齿轮、鞍座、提升钢丝绳，所述起重臂的一端连接至所述工作平台，所述起重臂的另一端倾斜向上延伸，所述起重臂的另一端还设置有顶部滑轮，所述推压斗杆的数量为两个，两个所述推压斗杆分别设置在所述起重臂的两侧，两个所述推压斗杆的前端经由所述斗杆连接筒连接在一起，并且所述推压斗杆的前端还设置有铲斗，所述推压斗杆经由所述鞍座连接至所述起重臂的中部，所述推压小齿轮设置在所述鞍座上，所述推压小齿轮在转动时能够带动所述推压斗杆前进或者后退，所述提升钢丝绳的一端连接至所述推压斗杆的前端，所述提升钢丝绳的另一端经过所述顶部滑轮连接所述工作平台，所述提升钢丝绳能够带动所述铲斗上升或者下降，以实现所述铲斗的装载与卸载，所述方法包括：

S1：以所述推压小齿轮的旋转圆心为坐标原点，以所述旋转圆心指向所述矿用挖掘机的前方的水平线为x轴，以所述旋转圆心指向竖直向上的竖直线为y轴，建立二维平面直角坐标系；

S2：基于所述起重臂的下边缘在所述二维平面直角坐标系中的投影，以及所述起重臂的下边缘在所述二维平面直角坐标系中的一个已知点Q(x₂，y₂)，获取所述起重臂在所述二维平面直角坐标系中对应的直线PQ，其中，所述直线PQ与x轴的交点为P(x₁，0)，则所述起重臂在所述二维平面直角坐标系中对应的直线PQ的直线方程为：

S3：获取所述推压小齿轮的半径为r，则所述推压小齿轮的外圆C的轨迹方程为：

x²+y²＝r² (2)

S4：获取所述推压斗杆与水平面之间的夹角为θ₂，获取所述推压斗杆的厚度为h，获取所述推压斗杆的下边缘在所述二维平面直角坐标系中对应的直线EF，获取所述推压斗杆的上边缘在所述二维平面直角坐标系中对应的直线DN，则直线EF和直线DN的斜率均为：k＝tanθ₂，同时，直线EF与外圆C的切点为M(x_m，y_m)，直线OM的延长线与直线DN相交于N(x_n，y_n)，则：

x_M＝-sin θ₂*r，y_M＝cos θ₂*r (3)

x_N＝-sin θ₂*(r+h)，y_N＝cos θ₂*(r+h) (4)

S5：所述推压斗杆的上边缘所对应的直线DN与所述起重臂的下边缘所对应的直线PQ在所述二维平面直角坐标系中的交点为D，则直线DN在所述二维平面直角坐标系中对应的直线方程为：

y-y_N＝tan θ₂(x-x_N) (5)

代入坐标点后求解得到：sin θ₂·x-cosθ₂·y+r+h＝0 (6)

将公式1和公式6联立得到直线PQ与直线DN的交点D的坐标为：

由此，得到DN之间的距离值l₁为：

S6：所述斗杆连接筒的圆心和所述推压小齿轮的旋转圆心在所述推压斗杆的长度方向上的投影距离为l₂，则：

l₂＝d+s+e (9)

其中，d为所述斗杆连接筒到编码器零值点的距离，s为编码器记录的斗杆行程距离，e为斗杆转动时与推压小齿轮啮合切点的位移修正值；

S7：比较l₁和l₂之间的大小关系，当l₁小于l₂时，所述推压斗杆不会与所述起重臂相碰，当l₁等于l₂时，所述推压斗杆与所述起重臂相碰；

S8：根据l₁和l₂的关系和l₂的组成获取所述推压斗杆的推压行程距离的动态极限值，基于不同角度下的连续的保护极限值组建连续保护分界线，连续保护分界线以内的区域判定为安全运行区域，连续保护分界线以外的区域判定为非安全运行区域；

S9：在控制所述推压斗杆移动的过程中，当所述推压斗杆从安全运行区域接近非安全运行区域时，发出预警信号，此时，对所述推压斗杆的速度给定在与当前相反的速度方向有效，以避免所述斗杆连接筒与所述起重臂相碰。

可选地，所述S6中还包括：

当所述推压斗杆与所述起重臂相互垂直，并且所述推压斗杆退回运动至所述推压小齿轮碰到所述推压斗杆前端的保险牙时，设定当前的位置为编码器的零值点。

可选地，所述起重臂上安装由第一倾角传感器，所述第一倾角传感器能够检测所述起重臂与水平面之间的夹角θ₁，当所述推压斗杆与x轴的夹角为固定角θ₃＝θ₁-90°时，则所述推压斗杆与所述起重臂相互垂直，此时可精确定位编码器的零位。

可选地，所述S6中：e为斗杆转动时与推压小齿轮啮合切点的位移修正值，则

其中，θ₂为第二倾角传感器的实时角度值，r为所述推压小齿轮的半径。

可选地，所述S9中包括：对所述推压斗杆增加辅助停车转矩，所述辅助停车转矩与所述所述推压斗杆当前的速度值方向相反，大小线性成比例，以使得所述推压斗杆在减速方向上快速停车。

可选地，所述鞍座上设置有第二倾角传感器，所述第二倾角传感器能够检测所述推压斗杆与水平面之间的夹角θ₂。

本发明技术方案的主要优点如下：

本发明的矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法可用于矿用挖掘机，其能够避免斗杆连接筒与起重臂相碰，保护起重臂不受损坏。相比于现有技术，本方法能够有效地提高系统的安全性、降低由起重臂损坏带来的经济损失。

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为现有技术中的一种矿用挖掘机的结构示意图；

图2为根据本发明的一个实施方式中矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法中所建立的二维平面直角坐标系的示意图；

图3为根据本发明的一个实施方式中一种矿用挖掘机中的推压斗杆在不同角度下的推压限位保护极限值的关系图。

附图标记说明：

01：起重臂 02：提升钢丝绳 03：推压斗杆

04：铲斗 05：推压小齿轮 06：鞍座

07：斗杆连接筒。

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。

如图1至图3所示，在根据本发明的一个实施方式中提供了一种矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法，该方法可以用于例如图1中所示的矿用挖掘机，该方法能够有效地解决铲斗在挖掘物料时斗杆连接筒存在与起重臂相撞的技术问题，可以充分提高系统运行的安全性，降低安全隐患并保证生产效率。

具体而言，如图1所示，该矿用挖掘机包括：工作平台、起重臂01、推压斗杆03、斗杆连接筒07、推压小齿轮05、鞍座06、提升钢丝绳02，起重臂01的一端连接至工作平台，起重臂01的另一端倾斜向上延伸，起重臂01的另一端还设置有顶部滑轮，推压斗杆03的数量为两个，该两个推压斗杆03分别设置在起重臂01的两侧，两个推压斗杆03的前端经由斗杆连接筒07连接在一起，并且推压斗杆03的前端还设置有铲斗04，推压斗杆03经由鞍座06连接至起重臂01的中部，推压小齿轮05设置在鞍座06上，推压小齿轮05在转动时能够带动推压斗杆03前进或者后退，提升钢丝绳02的一端连接至推压斗杆03的前端，提升钢丝绳02的另一端经过顶部滑轮连接工作平台，提升钢丝绳02能够带动铲斗04上升或者下降，以实现铲斗的装载与卸载。

由此，提升钢丝绳02带动铲斗04的上下运动以及推压斗杆03推动铲斗04的进退运动组合起来实现了铲斗04的多种不同的运动，相应地，斗杆连接筒07也是由提升钢丝绳02的上升下降、推压斗杆03的前进后退来进行控制的。

在本实施方式中，如图2所示，该矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法包括：

S1：以推压小齿轮的旋转圆心为坐标原点，以旋转圆心指向矿用挖掘机的前方的水平线为x轴，以旋转圆心指向竖直向上的竖直线为y轴，建立二维平面直角坐标系；

S2：基于起重臂的下边缘在二维平面直角坐标系中的投影，以及起重臂的下边缘在二维平面直角坐标系中的一个已知点Q(x₂，y₂)，获取起重臂在二维平面直角坐标系中对应的直线PQ，其中，直线PQ与x轴的交点为P(x₁，0)，则起重臂在二维平面直角坐标系中对应的直线PQ的直线方程为：

S3：获取推压小齿轮的半径为r，则推压小齿轮的外圆C的轨迹方程为：

x²+y²＝r² (2)

S4：获取推压斗杆与水平面之间的夹角为θ₂，获取推压斗杆的厚度为h，获取推压斗杆的下边缘在二维平面直角坐标系中对应的直线EF，获取推压斗杆的上边缘在二维平面直角坐标系中对应的直线DN，则直线EF和直线DN的斜率均为：k＝tanθ₂，同时，直线EF与外圆C的切点为M(x_m，y_m)，直线OM的延长线与直线DN相交于N(x_n，y_n)，则：

x_M＝-sin θ₂*r，y_M＝cos θ₂*r (3)

x_N＝-sin θ₂*(r+h)，y_N＝cos θ₂*(r+h) (4)

S5：推压斗杆的上边缘所对应的直线DN与起重臂的下边缘所对应的直线PQ在二维平面直角坐标系中的交点为D，则直线DN在二维平面直角坐标系中对应的直线方程为：

y-y_N＝tan θ₂(x-x_N) (5)

代入坐标点后求解得到：sin θ₂·x-cosθ₂·y+r+h＝0 (6)

将公式1和公式6联立得到直线PQ与直线DN的交点D的坐标为：

由此，得到DN之间的距离值l₁为：

S6：斗杆连接筒的圆心和推压小齿轮的旋转圆心在推压斗杆的长度方向上的投影距离为l₂，则：

l₂＝d+s+e (9)

其中，d为斗杆连接筒到编码器零值点的距离，s为编码器记录的斗杆行程距离，e为斗杆转动时与推压小齿轮啮合切点的位移修正值；

S7：比较l₁和l₂之间的大小关系，当l₁小于l₂时，推压斗杆不会与起重臂相碰，当l₁等于l₂时，推压斗杆与起重臂相碰；

S8：根据l₁和l₂的关系和l₂的组成获取推压斗杆的推压行程距离的动态极限值，基于不同角度下的连续的保护极限值组建连续保护分界线，连续保护分界线以内的区域判定为安全运行区域，连续保护分界线以外的区域判定为非安全运行区域；

示例性地，推压斗杆在不同角度下的推压限位保护极限值和相应的角度之间的对应关系可以为如图3所示。

S9：在控制推压斗杆移动的过程中，当推压斗杆从安全运行区域接近非安全运行区域时，发出预警信号，此时，对推压斗杆的速度给定在与当前相反的速度方向有效，以避免斗杆连接筒与起重臂相碰。

进一步地，S6中还包括：

当推压斗杆与起重臂相互垂直，并且推压斗杆退回运动至推压小齿轮碰到推压斗杆前端的保险牙时，设定当前的位置为编码器的零值点。

为了实现对起重臂的角度测量，起重臂上安装由第一倾角传感器，第一倾角传感器能够检测起重臂与水平面之间的夹角θ₁，当推压斗杆与x轴的夹角为固定角θ₃＝θ₁-90°时，则推压斗杆与起重臂相互垂直，此时可精确定位编码器的零位。

相应地，S6中：e为斗杆转动时与推压小齿轮啮合切点的位移修正值，则

其中，θ₂为第二倾角传感器的实时角度值，r为推压小齿轮的半径。

为了使得推压斗杆能够在到达非安全运行区域之前快速地减速，S9中包括：对推压斗杆增加辅助停车转矩，辅助停车转矩与推压斗杆当前的速度值方向相反，大小线性成比例，以使得推压斗杆在减速方向上快速停车。

此外，为了实现对推压斗杆的角度测量，鞍座上设置有第二倾角传感器，第二倾角传感器能够检测推压斗杆与水平面之间的夹角θ₂。

在本实施方式中，在矿用挖掘机在挖掘物料的过程中，可以以推压小齿轮的圆心为坐标原点，水平面且向前的水平线为x轴，垂直向上的竖直线为y轴建立坐标系。之后，根据起重臂、推压小齿轮的位置和机械尺寸，在坐标系中确定起重臂的直线方程、推压小齿轮圆轨迹方程，同时，实时获取推压斗杆与x轴的夹角θ₂；

在某一个确定的时刻，推压斗杆与x轴的夹角θ₂为固定值，推压斗杆与推压小齿轮的切点为点M，直线OM的延长线与直线DN相交于点N，此时，如果斗杆连接筒与起重臂相撞时，相撞点也点D；

之后，根据M点坐标及推压斗杆的厚度确定N点坐标，即可确定推压斗杆上边缘在坐标系中对应直线DN的直线方程，从而计算出推压斗杆与x轴的夹角为θ₂时点D与点N之间的距离l₁；

再之后，基于斗杆连接筒到编码器零值点的距离、编码器记录的斗杆行程距离、斗杆转动时与推压小齿轮啮合切点的位移修正值确定斗杆联接筒到推压斗杆与推压小齿轮切点M的距离l₂；当l₁小于l₂时，推压斗杆不会与起重臂相碰，当l₁等于l₂时，推压斗杆与起重臂相碰；

最后，根据l₁和l₂的关系和l₂的组成获取推压斗杆的推压行程距离的动态极限值确定铲斗的安全运行区域和非安全运行区域，当铲斗从安全运行区域运动接近非安全运行区域时，发出预警信号，提醒用户，并且对推压斗杆的速度给定进行控制，避免碰撞。

由此，本实施方式中的矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法具有以下优点：

本方法可用于矿用挖掘机，其能够避免斗杆连接筒与起重臂相碰，保护起重臂不受损坏。相比于现有技术，本方法能够有效地提高系统的安全性、降低由起重臂损坏带来的经济损失。

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 (6)

1.一种矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法，其特征在于，所述矿用挖掘机包括：工作平台、起重臂、推压斗杆、斗杆连接筒、推压小齿轮、鞍座、提升钢丝绳，所述起重臂的一端连接至所述工作平台，所述起重臂的另一端倾斜向上延伸，所述起重臂的另一端还设置有顶部滑轮，所述推压斗杆的数量为两个，两个所述推压斗杆分别设置在所述起重臂的两侧，两个所述推压斗杆的前端经由所述斗杆连接筒连接在一起，并且所述推压斗杆的前端还设置有铲斗，所述推压斗杆经由所述鞍座连接至所述起重臂的中部，所述推压小齿轮设置在所述鞍座上，所述推压小齿轮在转动时能够带动所述推压斗杆前进或者后退，所述提升钢丝绳的一端连接至所述推压斗杆的前端，所述提升钢丝绳的另一端经过所述顶部滑轮连接所述工作平台，所述提升钢丝绳能够带动所述铲斗上升或者下降，以实现所述铲斗的装载与卸载，所述方法包括：

S1：以所述推压小齿轮的旋转圆心为坐标原点，以所述旋转圆心指向所述矿用挖掘机的前方的水平线为x轴，以所述旋转圆心指向竖直向上的竖直线为y轴，建立二维平面直角坐标系；

S2：基于所述起重臂的下边缘在所述二维平面直角坐标系中的投影，以及所述起重臂的下边缘在所述二维平面直角坐标系中的一个已知点Q(x₂，y₂)，获取所述起重臂在所述二维平面直角坐标系中对应的直线PQ，其中，所述直线PQ与x轴的交点为P(x₁，0)，则所述起重臂在所述二维平面直角坐标系中对应的直线PQ的直线方程为：

S3：获取所述推压小齿轮的半径为r，则所述推压小齿轮的外圆C的轨迹方程为：

x²+y²＝r² (2)

S4：获取所述推压斗杆与水平面之间的夹角为θ₂，获取所述推压斗杆的厚度为h，获取所述推压斗杆的下边缘在所述二维平面直角坐标系中对应的直线EF，获取所述推压斗杆的上边缘在所述二维平面直角坐标系中对应的直线DN，则直线EF和直线DN的斜率均为：k＝tanθ₂，同时，直线EF与外圆C的切点为M(x_m，y_m)，直线OM的延长线与直线DN相交于N(x_n，y_n)，则：

x_M＝-sinθ₂*r，y_M＝cosθ₂*r (3)

x_N＝-sinθ₂*(r+h)，y_N＝cosθ₂*(r+h) (4)

S5：所述推压斗杆的上边缘所对应的直线DN与所述起重臂的下边缘所对应的直线PQ在所述二维平面直角坐标系中的交点为D，则直线DN在所述二维平面直角坐标系中对应的直线方程为：

y-y_N＝tanθ₂(x-x_N) (5)

代入坐标点后求解得到：sinθ₂·x-cosθ₂·y+r+h＝0 (6)

将公式1和公式6联立得到直线PQ与直线DN的交点D的坐标为：

由此，得到DN之间的距离值l₁为：

S6：所述斗杆连接筒的圆心和所述推压小齿轮的旋转圆心在所述推压斗杆的长度方向上的投影距离为l₂，则：

l₂＝d+s+e (9)

其中，d为所述斗杆连接筒到编码器零值点的距离，s为编码器记录的斗杆行程距离，e为斗杆转动时与推压小齿轮啮合切点的位移修正值；

S7：比较l₁和l₂之间的大小关系，当l₁小于l₂时，所述推压斗杆不会与所述起重臂相碰，当l₁等于l₂时，所述推压斗杆与所述起重臂相碰；

S8：根据l₁和l₂的关系和l₂的组成获取所述推压斗杆的推压行程距离的动态极限值，基于不同角度下的连续的保护极限值组建连续保护分界线，连续保护分界线以内的区域判定为安全运行区域，连续保护分界线以外的区域判定为非安全运行区域；

S9：在控制所述推压斗杆移动的过程中，当所述推压斗杆从安全运行区域接近非安全运行区域时，发出预警信号，此时，对所述推压斗杆的速度给定在与当前相反的速度方向有效，以避免所述斗杆连接筒与所述起重臂相碰。

2.根据权利要求1所述的矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法，其特征在于，所述S6中还包括：

当所述推压斗杆与所述起重臂相互垂直，并且所述推压斗杆退回运动至所述推压小齿轮碰到所述推压斗杆前端的保险牙时，设定当前的位置为编码器的零值点。

3.根据权利要求2所述的矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法，其特征在于，所述起重臂上安装由第一倾角传感器，所述第一倾角传感器能够检测所述起重臂与水平面之间的夹角θ₁，当所述推压斗杆与x轴的夹角为固定角θ₃＝θ₁-90°时，则所述推压斗杆与所述起重臂相互垂直，此时可精确定位编码器的零位。

4.根据权利要求3所述的矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法，其特征在于，所述S6中：e为斗杆转动时与推压小齿轮啮合切点的位移修正值，则

其中，θ₂为第二倾角传感器的实时角度值，r为所述推压小齿轮的半径。

5.根据权利要求4所述的矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法，其特征在于，所述S9中包括：对所述推压斗杆增加辅助停车转矩，所述辅助停车转矩与所述所述推压斗杆当前的速度值方向相反，大小线性成比例，以使得所述推压斗杆在减速方向上快速停车。

6.根据权利要求5所述的矿用挖掘机防止斗杆连接筒碰撞起重臂的方法，其特征在于，所述鞍座上设置有第二倾角传感器，所述第二倾角传感器能够检测所述推压斗杆与水平面之间的夹角θ₂。

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