CN1153248A - 控制动力挖掘机运行的方法 - Google Patents

Abstract

一种在地面修整期间控制挖掘机运行的方法，响应于一操纵信号输入装置来控制铲斗臂及摆动装置。当挺杆操纵信号从操纵信号输入装置输出时，响应于该信号来控制挺杆。但当没有该信号输出时，通过对挺杆、臂及铲斗传感器输出的信号以及用来计算参考挺杆角度数据的地面修整角度进行几何运算来控制挺杆。对参考挺杆角度数据进行控制运算以输出自动挺杆控制信号来控制挺杆，从而响应于臂操纵信号以地面修整角度在地面上移动铲斗尖部。

Description

控制动力挖掘机运行的方法

本发明总的涉及控制动力控掘机自动运行的方法，更具体地涉及这种控制方法的改进，以在地面修整工作期间提高动力挖掘机的工作效率，这个修整工作是动力挖掘机的一个重要工作。

当动力挖掘机运行地面修整工作时，诸如挺杆、臂和铲斗之类的动力挖掘机的工作部件必须由操作者单个地和/或有选择地进行控制。图1显示了一个普通动力挖掘机的形状和构造。如图1所示，在地面修整工作期间，动力挖掘机的操作者必须正确地控制挺杆101、臂102和铲斗103的致动油缸以及诸如摆动马达和平动马达之类的致动马达。在地面修整工作期间，动力挖掘机因而需要由一个非常熟练的操作者来操作。

在近来几年中，电子控制器已用于动力挖掘机，来自动地控制挖掘机的运行以及提高挖掘机的工作效率。上述电子控制器特别提高了在地面修整工作期间的挖掘机的工作效率。但是，在地面修整工作期间进行的一般挖制方法有以下缺点。也就是，工作部件的输出的运动速度受到固定速度的限制，它在自动地面修整工作期间与操作者的输入信号无关。而且，在自动地面修整工作期间的挖掘机操作者必须反复地操纵开关板，以产生各种输入信号，这些信号指的是比如选择自动运行模式和目标地面修整角度。一般的控制方法的另一个问题是，在地面修整工作期间，挖掘机的运行必须被反复地中断。也就是，在地面修整工作期间，操作者必须常常取消现存的自动运行模式，选择一手动运行模式，并随着目标地面修整角度的重新设定而再选择自动运行模式，从而变得很疲劳。上述的运行中断也减小了在地面修整工作期间的挖掘机的工作效率。

因此，本发明的目的是提供一种在地面修整工作期间控制动力挖掘机运行的方法，可解决上述问题，并且不需要改变运行模式或重新设定目标地面修整角度，从而解除了挖掘机操作者在地面修整工作期间产生的疲劳，并根据操作者的输入信号保持了工作部件的运动速度，且有效地适应地面修整工作的工作状态的变化，从而提高了在地面修整工作期间的工作效率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用来在地面修整工作期间控制动力挖掘机运行的方法，该挖掘机有一挺杆、臂、铲斗和摆动装置，还有一些角位移传感器，比如挺杆传感器、臂传感器和铲斗传感器。在上述方法中，响应于从操纵信号输入装置输出的操纵者的操纵信号来控制铲斗、臂和摆动装置。此时，挺杆根据下面两个装置中的任何一个进行控制。也就是，当挺杆操纵信号是从操纵信号输入装置输出时，响应于输入挺杆操纵信号来控制挺杆。但是，当操纵信号输入装置不输出任何信号来控制挺杆时，对来自挺杆、臂和铲斗传感器的角位移信号和地面修整角度进行几何运算，以计算参考挺杆角度数据。然后，将参考挺杆角度数据与输出挺杆角度数据进行比较，然后对两个角度数据的差值进行控制运算，从而产生一自动挺杆控制信号。然后，将自动挺杆控制信号输出并控制挺杆，以使铲斗尖部响应于从操纵信号输入装置输出的臂操纵信号而以目标地面修整角度在地面上运动。

从下面结合附图进行的详细描述，可以更清楚地明白本发明的上述及其他的目的、特征及其他优点。

图1显示了动力挖掘机的形状和构造；

图2是一电子及液压系统，它安装在一动力挖掘机内并由本发明的挖制方法所控制；

图3是根据本发明的控制方法的流程图；

图4显示了本发明在地面修整工作期间设定工作部件的参考坐标系的方法；

图5A和5D显示了由本发明控制方法控制的动力挖掘机进行的地面修整工作的自动运行的例子。

图2是一电子及液压系统，它安装于一动力挖掘机内，并由本发明的控制方法进行控制。

如图2所示，该系统包括一发动机1，它用作一动力源。多个、最好为两个变排量的液压泵2连接于发动机1，并由发动机1的转动力带动。该系统还包括多个致动油缸5，比如挺杆油缸3、臂油缸4和铲斗油缸5。上述致动油缸3至5由从泵2输出的加压油来操纵，从而分别使挖掘机的挺杆101、臂102和铲斗103运动。

该系统还包括驱动马达，比如一摆动马达6和一平动马达。上述摆动马达6安装在摆动装置内，控制着回转头相对于挖掘机的下部平动部分的转动。上述油缸和驱动马达3至6分别由油路连接至泵2。方向控制阀12a、12b、12c和12d安装于各自的油路。上述阀12a至12d控制着加压油的流动方向和流动速度，加压油从泵2输出并流到驱动装置3至6，从而控制着驱动装置3至6的运动。在上述系统中，最好响应于电流控制信号来控制方向控制阀12a至12d的阀芯行程，以及以与控制信号的电流成正比的方式对驱动装置3至6的加压油的流动方向及流动速度进行控制。可通过多个比例控制阀(未示)达到上述目的，该阀连接于各自的方向控制阀12a至12d。

为了探测工作部件即挺杆101、臂102和铲斗103的角位移。在工作部件上有多个传感器。即，该系统有一挺杆传感器8、一臂传感器9和一铲斗传感器10。上述传感器8至10探测各自工作部件的角位移，并将角位移信号输出到一控制器11，它包括一微量器。为了将操作者的操纵信号输出到控制器11，在回转头的控制帽内有包括多个控制杆和踏板在内的操纵信号输入装置7。在接收到来自操纵信号输入装置7的输出信号(操纵信号)和来自传感器8至10的输出信号(位移信号)后，控制器1在将电流控制信号输出到方向控制阀12a至12d之前控制着操纵及位移信号。即，上述控制器11控制着方向控制阀12a至12d，响应于来自操纵信号输入装置7的操纵信号而使臂的尖部运动，同时保持着目标地面修整角度。

根据本发明的控制系统，铲斗103、臂102及摆动装置按如下方式进行控制。即，控制器11控制着来自控制信号输入装置7的操纵信号，并将电流控制信号输出到与铲斗、臂和摆动装置相关的方向控制阀。控制器11因此根据操作者的操纵信号控制着与铲斗、臂和摆动装置相关的上述方向控制阀的阀芯行程，该操纵信号从操纵信号输入装置7输出。同时，本发明的控制系统按如下方式控制着挺杆101。当操纵信号输入装置7输出操作者的用来手动地控制挺杆101的运动的操纵信号时，控制器11输出一手动挺杆控制信号，以响应于上述操作者的操纵信号来控制挺杆101。但是，当操纵信号输入装置7不输出任何用来控制挺杆101的运动的信号时，控制器11以几何方式控制着从挺杆、臂和铲斗传感器8至10输出的角位移信号。在上述例子中，上述控制器11也以几何方式控制着地面修整角度，该角度由控制器11响应于从操纵信号输入装置7输出的操作者操纵信号进行设定。在对角位移信号和地面修整角度进行上述几何控制后，控制器11计算出参考挺杆角度数据，并对参考挺杆角度数据和输出挺杆角度数据之间的差值进行控制运算，从而得出一自动挺杆控制信号，该信号输出到方向控制阀。控制器11因此而控制着挺杆101，以使铲斗尖部响应于从操纵信号输入装置输出的臂操纵信号而以恒定地面修整角度在地面上运动。

图3是本发明控制方法的流程图。图4显示了根据本发明的设定挺杆101、臂102及铲斗103的参考坐标系的方法。

如图3的流程图所示，在步骤1，控制器11在绝对参考坐标系X-Y中给出铲斗尖部的初始坐标X1、Y1和X2、Y2。在这种情况下，上述坐标X1、Y1和X2、Y2是分别放在地面修整起始处及结束处上的铲斗尖部的变量。在步骤1，控制器11也给出初始的目标地面修整角度G。而且，控制器11打开旗标(flag)，以在挖掘机的自动地面修整工作期间储存起始点坐标X1、Y1。

在步骤2，控制器11接收从挺杆传感器8输出的挺杆角度数据tB、从臂传感器9输出的臂角度数据tA、从铲斗传感器10输出的铲斗角度数据tK以及从操纵信号输入装置输出的操作者操纵信号数据JBM、JA、JBK和JSW。

在步骤3，控制器11检测输入臂操纵信号JA是否已改变。在上述情况下，从操纵信号输入装置7施与的输入操纵信号的方向改变具有如下意义。比如，对于臂操纵信号JA，检测输入臂操纵信号JA是否表明现有的臂出来的运动改变成臂进去的运动或现有的臂进去的运动转变成臂出来的运动。对于挺杆操纵信号JBM，检测输入挺杆操纵信号JBM是否表明现有的挺杆往上的运动转变成挺杆往下的运动，或者现有的挺杆往下的运动转变成挺杆往上的运动。另一方面，当检测地面修整工作的开始、停止或重新开始的定时时，臂操纵信号JA的方向改变控制器11用作参考数据。在步骤3，当确定了臂操纵信号未改变时，它意味着必须继续现有的臂102的运动。在上述情况下，控制器11采取步骤7。但是，当在步骤3确定了臂操纵信号已被改变时，必须改变臂运动的方向。在这种情况下，控制器11采取步骤4。

在步骤4，控制器11检测用来储存起始点坐标X1、Y1的旗标是否已被关掉。当确定了坐标储存旗标已打开时，意味着在参考坐标系X-Y中的起始点坐标X1、Y1已储存在控制器11中。此时，当确定了坐标储存旗标已关掉时，意味着上述坐标X1、Y1未被储存在控制器11内。当在步骤4确定了坐标储存旗标已关掉时，控制器11采取步骤6。相反，当确定了坐标储存旗标已打开时，控制器11采取步骤5。

在步骤5，控制器11对挺杆角度数据tB、臂角度数据tA和铲斗角度数据tK进行一预定的几何运算，这些数据在步骤2施加于控制器11，从而计算在参考坐标系X-Y中的结束点坐标X2、Y2。在计算坐标X2、Y2后，控制器11采用上述起始点和结束点坐标X1、Y1及X2、Y2来计算目标地面修整角度G。

在步骤6，控制器11对挺杆角度数据tB、臂角度数据tA和铲斗角度数据tK进行一预定几何运算，这些数据在步骤2施加于控制器11，从而计算在参考坐标系X-Y中的起始点坐标X1、Y1，并储存在控制器11内。然后，在采取步骤7的方式之前，控制器11打开坐标储存旗标。

在步骤7，控制器11检测挺杆操纵信号JBM是否已从操纵信号输入装置7输出。当在步骤7确定了挺杆操纵信号JBM已从操纵信号输入装置7输出时，意味着在地面修整工作期间操作者手动控制挺杆101的运动。在上述情况下，控制器11采用步骤8的方式。此时，当在步骤7确定了挺杆操纵信号JBM未从操纵信号输入装置7输出时，控制器11采用步骤9的方式。

在步骤8，控制器11对输入挺杆操纵信号JBM的数据进行一预定运算，并得出一手动挺杆控制信号Vm，以响应于输入挺杆操纵信号JBM来控制挺杆油缸方向阀的阀芯行程。挺杆油缸方向控制阀由此而控制了挺杆油缸的加压油的流动方向及流动速度，并响应于输入挺杆操纵信号JBM而控制着挺杆油缸的运行。在采取步骤8后，控制器11采取步骤12。

在步骤9，控制器11对挺杆角度数据tB、臂角度数据tA、铲斗角度数据tK进行预定的几何运算，这些数据在步骤2由控制器11所接收。在这个步骤，控制器11还对地面修整角度G进行几何运算，该角度G在步骤5进行计算，上述对角度数据和地面修整角度的几何运算的结果是，控制器11计算出参考挺杆角度数据tBret，它用作控制挺杆101的参考数据，以响应于从操纵信号输入装置7输出的臂操纵信号在地面上以恒定地面修整角度移动铲斗尖部。然后，控制器11采取步骤10。

在步骤10，控制器11将步骤9的参考挺杆角度数据tBref与步骤2的输出挺杆角度数据tB进行比较，从而计算出两个角度数据tBref和tB之间的差值(误差数据，e＝tBref-tB)。在采取步骤10的方法后，控制器11采取步骤11。

在步骤11，控制器11对上述步骤10的误差数据“e”进行一预定控制运算，从而得出一自动挺杆控制信号Va来自动地控制挺杆油缸方向控制阀的阀芯行程。挺杆油缸方向控制阀因此而控制了挺杆油缸的加压油的流动方向及流速。在采取步骤11后，控制器11采取步骤12。

在步骤12，控制器11对步骤8的手动挺杆控制信号Vm或步骤11的自动挺杆控制信号Va进行运算，从而得出一电流控制信号。上述电流控制信号本身输出到挺杆油缸方向控制阀，从而控制挺杆油杆方向控制阀的阀芯行程。在步骤12，控制器11还对信号数据JBK、JA及JSW进行运算，这些数据在步骤2从操纵信号输入装置7输出，从而得出电流控制信号，来控制与铲斗103、臂102及摆动装置相关的方向控制阀的阀芯行程。然后，控制器11采取步骤13。

在步骤13，控制器11将步骤12的电流控制信号输出到各自方向控制阀的信号输入口。然后，控制器11回到步骤2，以重复上述步骤。

图5A和5B显示了自动控制动力挖掘机的地面修整工作的例子，它由本发明的控制方法所控制。

在图5A所示的运行情况下，挖掘机的操作者操纵着操纵信号输入装置7并控制着工作部件、即挺杆101、臂102及铲斗103，以将铲斗尖部放在地面修整工作的起始点A上。然后，操作者控制着工作部件101、102及103，以将铲斗尖部移动到地面修整工作的结束点B。当铲斗尖部从点A如上所述移动到点B时，铲斗103进行一次地面修整工作。为了将铲斗尖部放在图5A的起始点A上，臂102被控制成转出来。在上述位置的臂102被转进去，从而移动至结束点。在上述状态的控制器11以流程图3所述方式相同的方式自动地储存起始点A的坐标X1、Y1。当挖掘机的铲斗尖部到达点B而一次地面修整完成时，操作者输入臂进去的运动信号，而与现有的挺杆运动无关，这样，重复工作部件的上述运动，直到完成地面修整工作。在上述状态，控制器11自动地将起始点A和结束点B的坐标X1、Y1和X2、Y2储存在其内存里，并以流程图3所述方式相同的方式利用上述坐标X1、Y1和X2、Y2计算目标地面修整角度G。控制器11因此而根据流程图3所述方式控制着工作部件的运动，即使当操作者并不操纵与挺杆相关的操纵信号输入装置时也是如此。然后，操作者利用开始点A和结束点B之间的恒定地面修整角度自动地操纵工作部件，直到工作部件完全完成地面修整工作。当然，操作者在进行自动地面修整工作的同时可以有选择地控制铲斗运动，以有效地适应在地表面状态的部分改变。

图5B显示了铲斗103在操作者操作下在结束点B处从地表面分开，并回到起始点A，操作者在完成从起始点A至结束点B的一次地面修整工作后控制着挺杆101和臂102。图5B所示的上述运行可有效地用来修整比如一斜坡。在上述运行中，先前的一个工作过程的地面修整角度如流程图3所述储存在控制器11内。因此，如果在上述地面修整工作期间由操作者输入的臂操纵信号的方向没有改变，则工作部件以恒定地面修整角度自动地重复地面修整工作，即使当铲斗103回到起始点A后操作者仅仅控制臂102时也是如此。

在一种已知的控制方法中，在将铲斗103移动到起始点A之前，进行上述图5中的地面修整工作的自动运行必须被间歇地打断。在起始点A，操作者在输入目标地面修整角度之前重新选择自动运行模式。

图5B中所示的自动运行可从图5A的描述中得到理解。即，操作者操纵着操纵信号输入装置7，以产生操纵信号，比如，产生一臂出来的信号，从而将铲斗尖部放在图5A中的起始点A上。在将铲斗尖部放在点A上后，操纵者单独地或有选择地控制着工作部件，即挺杆101、臂102及铲斗103，以在保持臂进去的运动的同时将铲斗尖部从地表面分开并将铲斗尖部移动到结束点B，而不需要让铲斗尖部在地表面上移动。在上述运行期间，自动地面修整工作的目标地面修整角度自动地设定在控制器11内。在上述状态下的臂尖部通过输入一臂出来的信号而以目标地面修整角度自动地移动到一位置处。

图5C显示了当在地面修整工作期间地表面上有一障碍物时控制工作部件的运行。即，图5C中的运行为图5A和5B中的运行的部分组合。在图5C的运行中，操作者控制着臂102，以自动地从点B进行地面修整工作。当铲斗尖部在上述自动运行期间到达图5C所示的点C时，操作者在保持现有的臂出来的运动的同时控制着挺杆101，从而将铲斗尖部放在图5C中的点D上。当铲斗尖部放在点D上时，操作者控制着臂102，以继续自动地面修整工作。在已知的控制方法中，挖掘机的工作部件被自动地控制，而铲斗尖部从点B移动到点C。当铲斗尖部到达点C时，操作者停止了工作部件的自动运行。然后，操作者操纵着操作信号输入装置，以将铲斗尖部从点C移动到点D。在将铲斗尖部放在点D上后，操作者重新选择自动运行模式，并输入目标地面修整角度，以重新设定自动地面修整工作。

图5D显示了工作状态从图5A至5C中所示的地面修整角度改变到图5D中所示的地面修整角度的变化情况。在图5D的运行中，操作者主要控制着工作部件，以将铲斗尖部从图5C中的点A移动到图5D中的点A。然后，工作部件被以对图5A至5C中的运行所描述的相同方式自动地控制，这样，挖掘机将简单地进行自动地面修整工作，同时正确地适合工作状况的改变。在已知的控制方法中，当铲斗尖部到达图5C的点A时，操作者必须停止自动运行模式。然后，工作部件由操作者控制，以将铲斗尖部从图5C中的点A移动到图5D中的点A。在将铲斗尖部放在图5D的点A上后，操作者重新选择自动运行模式并输入目标地面修整角度，以重新开始自动运行，以完成地面修整工作。

如上所述，本发明提供了一种在地面修整工作期间自动地控制一动力挖掘机的运行的改进的方法。在本发明的控制方法中，不需要改变运行模式或重新设定目标地面修整角度，这样，本发明方法就解除了操作者在地面修整工作期间产生疲劳的情况。上述方法还根据从操纵信号输入装置输出的操纵信号保持了工作部件、比如挺杆、臂和铲斗的输出运动速度，并有效地适应了地面修整工作的工作状态的变化，从而提高了在地面修整工作期间挖掘机的工作效率。

尽管为了解释的目的已揭示了本发明的较佳实施例，不偏离后附权利要求书所揭示的本发明范围和精神，本领域熟练入员可进行各种修改、添加和替换。

Claims (2)

1.一种用来在地面修整工作期间控制一动力挖掘机的运行的方法，该挖掘机有一挺杆、臂、铲斗和摆动装置，以及多个角位移传感器，比如挺杆传感器、臂传感器及铲斗传感器，其特征在于，包括下列步骤：

响应于从操纵信号输入装置输出的操纵信号来控制所述铲斗、臂和摆动装置；

根据下列方式中的任意一种来控制所述挺杆：

当一挺杆操纵信号从所述操纵信号输入装置输出时，所述挺杆响应于所述挺杆操纵信号而被控制；

当所述操纵信号输入装置不输出任何用来控制挺杆的信号时，通过下列方式来控制挺杆：对来自挺杆、臂和铲斗传感器以及一用来计算参考挺杆角度数据的地面修整角度进行几何运算，以及对所述参考挺杆角度数据的控制运算来输出一用来控制挺杆的自动挺杆控制信号，以使铲斗尖部响应于从所述操纵信号输入装置输出的一臂操纵信号以地面修整角度在地面上运动。

2.一种在地面修整工作期间控制一动力挖掘机运行的方法，该挖掘机具有挺杆、臂、铲斗和摆动装置，以及多个角位移传感器，比如挺杆传感器、臂传感器及铲斗传感器，该方法包括以下步骤：

a)初始设定一铲斗尖部的初始起始点和结束点，将其放在地面修整起始点和结束点上，初始设定一目标地面修整角度，并打开一旗标，以在自动地面修整工作期间储存起始点坐标；

b)从挺杆传感器接收挺杆角度数据，从臂传感器接收臂角度数据，从铲斗传感器接收铲斗角度数据，以及从操纵信号输入装置接收操作者的操纵信号数据；

c)检测步骤(b)的输入臂操纵信号的方向是否已改变；

d)当所述臂操纵信号已改变时，检测所述旗标是否已关掉；

e)当所述旗标已打开时，对挺杆角度数据、臂角度数据和铲斗角度数据进行预定的几何运算，从而在利用所述起始点和结束点坐标来计算目标地面修整角度之前计算铲斗尖部的结束点坐标；

f)当所述旗标已关闭时，对挺杆角度数据、臂角度数据和铲斗角度数据进行预定的几何运算，从而在打开旗标之前计算铲斗尖部的结束点坐标；

g)检测挺杆操纵信号是否已从所述操纵信号输入装置输出；

h)当一挺杆操纵信号已从操纵信号输入装置输出时，对输入挺杆操纵信号的数据进行一预定运算，以得出一手动挺杆控制信号，以响应于所述输入挺杆操纵信号而控制挺杆；

I)当挺杆操纵信号未从操纵信号输入装置输出时，对挺杆角度数据、臂角度数据、铲斗角度数据及地面修整角度进行一预定的几何运算，从而计算出用作控制挺杆的参考数据的参考挺杆角度数据，以响应于从所述操纵信号装置输出的臂操纵信号在地面上以地面修整角度移动铲斗尖部；

j)将所述参考挺杆角度数据与挺杆角度数据进行比较，从而计算出这两个角度数据之间的差值(误差数据)；

k)对所述误差数据进行一预定的控制运算，从而得出一自动挺杆控制信号；

l)对步骤(h)的所述手动控制信号或步骤(k)的所述自动控制信号进行运算，以产生用于挺杆的电流控制信号，并对步骤(b)的臂角度数据、铲斗角度数据以及摆动装置角度数据进行运算，以得出用于臂、铲斗以及摆动装置有电流控制信号，并将所述电流控制信号输出到与挺杆、臂以及摆动装置相关的方向控制阀；以及

(m)回到步骤(b)，以重复步骤(b)至(l)。

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