CN114877978A - 一种挖掘机称重方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种挖掘机称重方法，本方案将装着物料的铲斗看做一个整体，并给这个整体在空间坐标内假设一个重心OG3；在工作装置静止的特定时刻，使用已知量及采集量对两个不同点同时列出力矩平衡方程，联立之后消除了假设重心OG3对装着物料的铲斗重量G求解的影响。本发明分别计算物料卸载前后物料及铲斗总重量取差值，消除了铲斗内残余物料对累计卸载量的累积误差影响。

Description

一种挖掘机称重方法
技术领域
本发明公开了一种挖掘机称重方法，涉及挖掘机技术领域。
背景技术
挖掘机被广泛应用于卸料，装载等任务。为了进行终端用户施工量和费用的结算，客户对挖掘、装车物料进行及时称重统计有很大需求，但由于物料性质、物料量、场地、器材等因素限制，对物料称重不易实现。
现有挖掘机智能称重方案中，都对铲斗内物料的重心，堆积形状进行提前参数设置或近似处理带入平衡方程进行计算。现实情况是，由于装载场地情况差异、物料性质差异、操作手操作波动，导致每次挖掘，铲斗内的物料堆积形状，重心都可能存在较大差异。使用参数预设，对工程师数据预设精确性及操作手操作提出了非常高的要求；使用传感器对物料形状，重心位置参数进行修正，由于没有反馈，无法保证修正后的精确性。同时在持续挖掘装在过程中，没有考虑到由于物料粘性，操作手操作习惯等因素，卸载操作完成后，铲斗内可能存在物料残余，导致单次称重数值偏高；因此，挖掘机在挖掘、装载过程中实现即时、准确称重的方法及系统值得被进一步深入研究。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种挖掘机称重方法，消除单次挖掘量不同带来误差的称重方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种挖掘机称重方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取动臂油缸大腔压力F1以及斗杆油缸小腔压力F2；
以动臂与上车架连接铰点O1为原点建立正交坐标系，以动臂与斗杆连接铰点O2为原点建立正交坐标系；
通过动臂角度传感器获得动臂与水平面夹角θ1；通过斗杆角度传感器获得斗杆与水平面夹角θ2；
以动臂与上车架连接铰点O1为力矩平衡点、动臂与斗杆连接铰点O2为力矩平衡点建立力矩平衡方程，分别计算铲斗装载和卸料后的质量；
分别计算铲斗装载和卸料后两个静止状态下的铲斗和物料的总质量，对两个状态下的铲斗和物料的总质量进行差值计算，获取卸载物料质量数据。
挖掘机卸载物料质量总质量G总为每次卸载物料质量数据的求和。
进一步的，以动臂与上车架连接铰点O1为力矩平衡点、动臂与斗杆连接铰点O2为力矩平衡点建立力矩平衡方程，分别计算铲斗装载和卸料后的质量具体包括以下步骤：
以动臂与上车架连接铰点O1为力矩平衡点，建立动臂、斗杆、铲斗相对于力矩平衡点O1的力矩平衡方程：
Figure BDA0003575431470000021
其中：F1是动臂油缸大腔压力；
Figure BDA0003575431470000022
为F1相对于O1的力臂；G1是动臂重力；
Figure BDA0003575431470000023
是动臂重力相对于O1的力臂；G2是斗杆重力；
Figure BDA0003575431470000024
是斗杆重力相对于O1的力臂；G是铲斗和物料的总质量；
Figure BDA0003575431470000031
是铲斗重心OG3相对于O1的力臂；
以动臂与斗杆连接铰点O2为力矩平衡点，建立斗杆、铲斗相对于力矩平衡点O2的力矩平衡方程：
Figure BDA0003575431470000032
其中：F2是斗杆油缸小腔压力；
Figure BDA0003575431470000033
是F2相对于O2的力臂；
Figure BDA0003575431470000034
斗杆重力相对于O2的力臂；
Figure BDA0003575431470000035
是铲斗重心OG3相对于O2的力臂；
联立上述平衡方程，计算铲斗和物料的总质量；
Figure BDA0003575431470000036
Figure BDA0003575431470000037
是O1、O2间的水平距离。
进一步的，获取动臂油缸大腔压力F1具体包括以下步骤：
通过动臂油缸大腔压力传感器获得动臂油缸大腔压强P1；
F1＝P1×S1
其中：S1为动臂油缸大腔横截面积。
进一步的，获取斗杆油缸小腔压力F2具体包括以下步骤：
通过斗杆油缸小腔压力传感器获得斗杆油缸小腔压力P2；
F2＝P2×S2
其中：S2为斗杆油缸小腔横截面积。
进一步的，
Figure BDA0003575431470000038
和
Figure BDA0003575431470000039
的计算方式具体为：
Figure BDA0003575431470000041
Figure BDA0003575431470000042
π
其中：
θB1是O1和OB1连线与水平面间的定值夹角，
θB2是O2、O1及OG1顺序连接形成的定值夹角，
θB3是OB2、O1及OG1顺序连接形成的定值夹角，
θT1为O1、O2、OT1顺序连接形成的定值夹角，
θT2为OT2、O2、OG2依次相连形成的定值夹角；
OB1为动臂油缸与上车架连接铰点，
OB2为动臂油缸与动臂连接铰点，
OT1是斗杆油缸与动臂连接铰点，
OT2是斗杆油缸与斗杆连接铰点，
OG1为动臂重心，
OG2为斗杆重心；
Figure BDA0003575431470000043
为O1，OB1正交直角坐标系内直线距离，
Figure BDA0003575431470000044
为O2，OT1正交直角坐标系内直线距离，
Figure BDA0003575431470000045
为O2，OT2正交直角坐标系内直线距离，
Figure BDA0003575431470000046
为O1，OG1正交直角坐标系内直线距离，
Figure BDA0003575431470000047
为O1，O2正交直角坐标系内直线距离。
进一步的，所述的
Figure BDA0003575431470000051
的计算方式为：
Figure BDA0003575431470000052
进一步的，所述的
Figure BDA00035754314700000510
的计算方式为：
Figure BDA0003575431470000053
Figure BDA0003575431470000054
将上述F1、
Figure BDA0003575431470000055
F2、
Figure BDA0003575431470000056
G1、
Figure BDA0003575431470000057
G2、
Figure BDA0003575431470000058
代入铲斗和物料的总质量G中，可知G为：
Figure BDA0003575431470000059
其中：G包括：装载物料后铲斗重量G装和卸载物料后铲斗重量G卸；Gi＝G装-G卸；Gi为第i次卸载物料质量；
挖掘机卸载物料质量总质量G总为每次卸载物料质量Gi数据的求和。
有益效果：本发明不依赖物料在铲斗内堆积的具体物理及几何信息，可消除单次挖掘中物料堆积形态无规则、堆积密度不均带来的称重误差；本发明通过分别计算物料卸载前后物料及铲斗总重量取差值，消除了铲斗内残余物料对累计卸载量的累积误差影响。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的一种力矩平衡关系示意图；
图3为本发明的另一种力矩平衡关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本发明构思：本方案将装着物料的铲斗看做一个整体，并给这个整体在空间坐标内假设一个重心OG3；在工作装置静止的特定时刻，使用已知量及采集量对两个不同点同时列出力矩平衡方程，联立之后消除了假设重心OG3对装着物料的铲斗重量G求解的影响。
如图1～3所示，一种挖掘机称重方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取动臂油缸大腔压力F1以及斗杆油缸小腔压力F2；
以动臂与上车架连接铰点O1为原点建立正交坐标系，以动臂与斗杆连接铰点O2为原点建立正交坐标系；
获取动臂与上车架连接铰点O1，动臂与斗杆连接铰点O2、斗杆与铲斗连接铰点O3、动臂重心OG1、斗杆重心OG2、铲斗重心0G3相应位置关系，
通过动臂角度传感器获得动臂与水平面夹角θ1；通过斗杆角度传感器获得斗杆与水平面夹角θ2；
以动臂与上车架连接铰点O1为力矩平衡点、动臂与斗杆连接铰点O2为力矩平衡点建立力矩平衡方程，分别计算铲斗装载和卸料后的质量；
对铲斗装载和卸料后的质量进行差值计算，获取卸载物料质量数据。
以动臂与上车架连接铰点O1为力矩平衡点、动臂与斗杆连接铰点O2为力矩平衡点建立力矩平衡方程，分别计算铲斗装载和卸料后的质量具体包括以下步骤：
以动臂与上车架连接铰点O1为力矩平衡点，建立动臂、斗杆、铲斗相对于力矩平衡点O1的力矩平衡方程：
Figure BDA0003575431470000071
其中：F1是动臂油缸大腔压力；
Figure BDA0003575431470000072
为F1相对于O1的力臂；G1是动臂重力；
Figure BDA0003575431470000073
是动臂重力相对于O1的力臂；G2是斗杆重力；
Figure BDA0003575431470000074
是斗杆重力相对于O1的力臂；G是铲斗和物料的总质量；
Figure BDA0003575431470000075
是铲斗重心OG3相对于O1的力臂；
以动臂与斗杆连接铰点O2为力矩平衡点，建立斗杆、铲斗相对于力矩平衡点O2的力矩平衡方程：
Figure BDA0003575431470000076
其中：F2是斗杆油缸小腔压力；
Figure BDA0003575431470000077
是F2相对于O2的力臂；
Figure BDA0003575431470000078
斗杆重力相对于O2的力臂；
Figure BDA0003575431470000079
是铲斗重心OG3相对于O2的力臂；
联立上述平衡方程，计算铲斗和物料的总质量；
Figure BDA00035754314700000710
其中，
Figure BDA00035754314700000711
是O1、O2间的水平距离。
获取动臂油缸大腔压力F1具体包括以下步骤：
通过动臂油缸大腔压力传感器获得动臂油缸大腔压强P1；
F1＝P1×S1
其中：S1为动臂油缸大腔横截面积。
获取斗杆油缸小腔压力F2具体包括以下步骤：
通过斗杆油缸小腔压力传感器获得斗杆油缸小腔压力P2；
F2＝P2×S2
其中：S2为斗杆油缸小腔横截面积。
Figure BDA0003575431470000081
和
Figure BDA0003575431470000082
的计算方式具体为：
Figure BDA0003575431470000083
Figure BDA0003575431470000084
其中：
θB1是O1和OB1连线与水平面间的定值夹角，
θB2是O2、O1及OG1顺序连接形成的定值夹角，
θB3是OB2、O1及OG1顺序连接形成的定值夹角，
θT1为O1、O2、OT1顺序连接形成的定值夹角，
θT2为OT2、O2、OG2依次相连形成的定值夹角；
OB1为动臂油缸与上车架连接铰点，
OB2为动臂油缸与动臂连接铰点，
OT1是斗杆油缸与动臂连接铰点，
OT2是斗杆油缸与斗杆连接铰点，
OG1为动臂重心，
OG2为斗杆重心；
Figure BDA0003575431470000091
为O1，OB1正交直角坐标系内直线距离，
Figure BDA0003575431470000092
为O2，OT1正交直角坐标系内直线距离，
Figure BDA0003575431470000093
为O2，OT2正交直角坐标系内直线距离，
Figure BDA0003575431470000094
为O1，OG1正交直角坐标系内直线距离，
Figure BDA0003575431470000095
为O1，O2正交直角坐标系内直线距离。
所述的
Figure BDA0003575431470000096
的计算方式为：
Figure BDA0003575431470000097
所述的
Figure BDA0003575431470000098
的计算方式为：
Figure BDA0003575431470000099
上述判断铲斗装载和卸料的状态具体包括以下步骤：
通过角度传感器数值判断工作装置是否已经完成单次挖掘；针对不同挖掘工况，根据动臂角度θ1数值规定挖掘机是处于装载还是卸料阶段，以高台装车为例：
规定当θ1＜15°时，挖掘机处于装载阶段；
规定当θ1＞45°时，挖掘机处于卸料阶段；
规定当15°＜θ1＜45°时，挖掘机处于过渡阶段，过渡阶段为单次装载完成准备下一次卸料，或单次卸料完成准备下一次装载；
Figure BDA00035754314700000910
将上述F1、
Figure BDA00035754314700000911
F2、
Figure BDA00035754314700000912
G1、
Figure BDA00035754314700000913
F2、
Figure BDA00035754314700000914
代入铲斗铲斗和物料的总质量G中，可知G为：
Figure BDA0003575431470000101
其中：G包括：装载物料后铲斗重量G装和卸载物料后铲斗重量G卸；Gi＝G装-G卸；Gi为第i次卸载物料质量；
挖掘机卸载物料质量总质量G总为每次卸载物料质量Gi数据的求和。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种挖掘机称重方法,其特征在于，包括以下步骤：
获取动臂油缸大腔压力F1以及斗杆油缸小腔压力F2；
通过动臂角度传感器获得动臂与水平面夹角θ1；通过斗杆角度传感器获得斗杆与水平面夹角θ2；
以动臂与上车架连接铰点O1为力矩平衡点、动臂与斗杆连接铰点O2为力矩平衡点建立力矩平衡方程，计算铲斗和物料的总质量；
分别计算铲斗装载和卸料后两个状态下的铲斗和物料的总质量，对两个状态下的铲斗和物料的总质量进行差值计算，获取卸载物料质量数据。
2.根据权利要求1所述的一种挖掘机称重方法,其特征在于，以动臂与上车架连接铰点O1为力矩平衡点、动臂与斗杆连接铰点O2为力矩平衡点建立力矩平衡方程，分别计算铲斗装载和卸料后的质量具体包括以下步骤：
以动臂与上车架连接铰点O1为力矩平衡点，建立动臂、斗杆、铲斗相对于力矩平衡点O1的力矩平衡方程：
Figure FDA0003575431460000011
其中：F1是动臂油缸大腔压力；
Figure FDA0003575431460000012
为F1相对于O1的力臂；G1是动臂重力；
Figure FDA0003575431460000013
是动臂重力相对于O1的力臂；G2是斗杆重力；
Figure FDA0003575431460000014
是斗杆重力相对于O1的力臂；G是铲斗和物料的总质量；
Figure FDA0003575431460000015
是铲斗当前状态重心OG3相对于O1的力臂；
以动臂与斗杆连接铰点O2为力矩平衡点，建立斗杆、铲斗相对于力矩平衡点O2的力矩平衡方程：
Figure FDA0003575431460000016
其中：F2是斗杆油缸小腔压力；
Figure FDA0003575431460000017
是F2相对于O2的力臂；
Figure FDA0003575431460000018
斗杆重力相对于O2的力臂；
Figure FDA0003575431460000019
是铲斗当前状态重心OG3相对于O2的力臂；
联立上述平衡方程，计算铲斗和物料的总质量G；
Figure FDA0003575431460000021
其中：G包括：装载物料后铲斗重量G装和卸载物料后铲斗重量G卸；
Figure FDA0003575431460000022
是O1、O2间的水平距离。
3.根据权利要求1所述的一种挖掘机称重方法,其特征在于，获取动臂油缸大腔压力F1具体包括以下步骤：
通过动臂油缸大腔压力传感器获得动臂油缸大腔压强P1；
F1＝P1×S1
其中：S1为动臂油缸大腔横截面积。
4.根据权利要求1所述的一种挖掘机称重方法,其特征在于，获取斗杆油缸小腔压力F2具体包括以下步骤：
通过斗杆油缸小腔压力传感器获得斗杆油缸小腔压力P2；
F2＝P2×S2
其中：S2为斗杆油缸小腔横截面积。
5.根据权利要求2所述的一种挖掘机称重方法,其特征在于，
Figure FDA0003575431460000023
和
Figure FDA0003575431460000024
的计算方式具体为：
Figure FDA0003575431460000025
Figure FDA0003575431460000026
其中：
θB1是O1和OB1连线与水平面间的定值夹角，
θB2是O2、O1及OG1顺序连接形成的定值夹角，
θB3是OB2、O1及OG1顺序连接形成的定值夹角，
θT1为O1、O2、OT1顺序连接形成的定值夹角，
θT2为OT2、O2、OG2依次相连形成的定值夹角；
OB1为动臂油缸与上车架连接铰点，
OB2为动臂油缸与动臂连接铰点，
OT1为斗杆油缸与动臂连接铰点，
OT2为斗杆油缸与斗杆连接铰点，
OG1为动臂重心，
OG2为斗杆重心；
Figure FDA0003575431460000031
为O1,OB1正交直角坐标系内直线距离，
Figure FDA0003575431460000032
为O2,OT1正交直角坐标系内直线距离，
Figure FDA0003575431460000033
为O2,OT2正交直角坐标系内直线距离，
Figure FDA0003575431460000034
为O1,OG1正交直角坐标系内直线距离，
Figure FDA0003575431460000035
为O1,O2正交直角坐标系内直线距离。
6.根据权利要求2所述的一种挖掘机称重方法,其特征在于，所述的
Figure FDA0003575431460000036
的计算方式为：
Figure FDA0003575431460000037
7.根据权利要求2所述的一种挖掘机称重方法,其特征在于，所述的
Figure FDA0003575431460000038
的计算方式为：
Figure FDA0003575431460000039
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