CN117661600B - 一种挖掘机自动基坑边缘修砌方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种挖掘机自动基坑边缘修砌方法，属于基础坑边缘的修砌技术领域，用于进行基坑边缘修砌，包括设置关键点，安装倾角传感器，设起始点齿尖坐标、修坡角度步长，保持铲斗角度不变，计算当前齿尖坐标以及下一时刻齿尖坐标和动臂角度闭环输入，根据坐标信息进行基坑边缘修砌。本发明满足挖掘机在基坑底部向下修砌边缘和挖掘机在坑顶向上修砌边缘两种不同情况，提高了作业质量和作业效率，改善了施工人员的劳动强度，提高了安全性。

Description

一种挖掘机自动基坑边缘修砌方法

技术领域

本发明公开一种挖掘机自动基坑边缘修砌方法，属于基础坑边缘的修砌技术领域。

背景技术

基坑边缘修砌是基建过程中的一个涉及多个方面的复杂工程任务，其施工面临两个主要问题，一是施工质量问题，如果施工质量控制不到位，可能会导致墙体开裂、倾斜等问题。二是安全问题，由于基坑开挖的深度较深，存在坍塌、滑坡等安全风险。随着科技的不断发展，自动化技术在各个领域得到了广泛的应用。工程机械行业也面临着自动化方向的改造和升级。基坑的挖掘和边缘修砌需要挖掘机的施工，而挖掘机自动化的发展，不仅能改善了工人的劳动强度，克服施工条件的恶劣，同时提升了作业效率和作业质量，能很好的解决目前基坑挖掘修砌过程中存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种挖掘机自动基坑边缘修砌方法，以解决现有技术中，修砌工作自动化程度低的问题。

一种挖掘机自动基坑边缘修砌方法，包括：

S1.设置关键点，安装倾角传感器；

S2.设起始点齿尖坐标（），修坡角度/>，步长/>，保持铲斗角度不变，设当前时刻为/>，/>时刻动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器采集的角度分别为，/>，/>，计算得到/>时刻动臂关节、斗杆关节和铲斗关节的转动角度分别为；

S3.计算时刻齿尖坐标；

S4.求解对时间的导数；

S5.预测时刻齿尖坐标；

S6.计算动臂角度闭环输入；

S7.挖掘机进行基坑边缘修砌。

设置关键点包括：车身和动臂的连接处为O点，动臂和斗臂的连接处为E点，铲斗油缸和斗臂的连接处为F点，铲斗油缸和摇杆以及连杆的连接处为I点，摇杆和斗臂的连接处为G点，连杆和斗臂的连接处为J点，铲斗和斗臂的连接处为H点，铲斗齿尖处为L点。

倾角传感器包括：动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器，其中动臂倾角传感器与OA平行，斗杆倾角传感器与AB平行，铲斗倾角传感器安装在摇杆上且与摇杆平行，动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器与水平方向夹角分别为，/>，。

动臂关节、斗杆关节和铲斗关节的转动角度分别为：

；/>；/>；

式中，为GH连线和HI连线形成的夹角，/>为IH连线和HJ连线形成的夹角，/>为LH连线和HJ连线形成的夹角，/>是已知角。

和/>为：

；

；

式中，为G点和H点连线的长度，/>为G点和I点连线的长度，/>为H点和I点连线的长度，/>为H点和J点连线的长度，/>为I点和J点连线的长度；

；

式中，为IG连线和GH连线形成的夹角：

；

式中，为EH连线和HG连线形成的夹角。

S3包括：

；

；

式中，为O点和E点连线的长度，/>为E点和H点连线的长度，/>为H点和L点连线的长度，/>和/>为/>时刻齿尖坐标；

根据修坡角度计算：

。

S4包括：对和/>的求解式，以及根据修坡角度计算/>的公式，两边对时间求导：

；

；

；

式中，和/>为/>和/>的导数，/>、/>、/>分别为/>对时间的导数；

取，则/>为：

；

；

式中，为中间参数；

对求微分得/>，由/>求得/>。

S5包括：

；

；

；

式中，和/>为/>时刻齿尖坐标。

S6包括：

；

；

；

式中，和/>是中间系数。

S7包括：获得修坡角度和修坡长度，修坡长度也是步长，设置向上角度为正，向下角度为负，将齿尖移动到修砌起始位置，记起始点齿尖坐标（）和动臂关节、斗杆关节和铲斗关节的起始角度；

计算修砌过程中所有时刻的关节角度，若关节角度超出角度极限，则提示错误并退回重新输入修砌角度根据起始点齿尖坐标和修坡长度计算修砌的终点坐标，前馈控制和位置闭环控制结合控制齿尖逐时刻运动至修砌的终点坐标；

齿尖重复工作，直至完成修砌任务。

相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明满足挖掘机在基坑底部向下修砌边缘和挖掘机在坑顶向上修砌边缘两种不同情况，齿尖修砌运动轨迹与预设轨迹误差在±5cm之内，提高了作业质量和作业效率，改善了施工人员的劳动强度，提高了安全性。

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，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

一种挖掘机自动基坑边缘修砌方法，包括：

S1.设置关键点，安装倾角传感器；

S2.设起始点齿尖坐标（），修坡角度/>，步长/>，保持铲斗角度不变，设当前时刻为/>，/>时刻动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器采集的角度分别为，/>，/>，计算得到/>时刻动臂关节、斗杆关节和铲斗关节的转动角度分别为；

S3.计算时刻齿尖坐标；

S4.求解对时间的导数；

S5.预测时刻齿尖坐标；

S6.计算动臂角度闭环输入；

S7.挖掘机进行基坑边缘修砌。

设置关键点包括：车身和动臂的连接处为O点，动臂和斗臂的连接处为E点，铲斗油缸和斗臂的连接处为F点，铲斗油缸和摇杆以及连杆的连接处为I点，摇杆和斗臂的连接处为G点，连杆和斗臂的连接处为J点，铲斗和斗臂的连接处为H点，铲斗齿尖处为L点。

倾角传感器包括：动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器，其中动臂倾角传感器与OA平行，斗杆倾角传感器与AB平行，铲斗倾角传感器安装在摇杆上且与摇杆平行，动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器与水平方向夹角分别为，/>，。

动臂关节、斗杆关节和铲斗关节的转动角度分别为：

；/>；/>；

式中，为GH连线和HI连线形成的夹角，/>为IH连线和HJ连线形成的夹角，/>为LH连线和HJ连线形成的夹角，/>是已知角。

和/>为：

；

；

式中，为G点和H点连线的长度，/>为G点和I点连线的长度，/>为H点和I点连线的长度，/>为H点和J点连线的长度，/>为I点和J点连线的长度；

；

式中，为IG连线和GH连线形成的夹角：

；

式中，为EH连线和HG连线形成的夹角。

S3包括：

；

；

式中，为O点和E点连线的长度，/>为E点和H点连线的长度，/>为H点和L点连线的长度，/>和/>为/>时刻齿尖坐标；

根据修坡角度计算：

。

S4包括：对和/>的求解式，以及根据修坡角度计算/>的公式，两边对时间求导：

；

；

；

式中，和/>为/>和/>的导数，/>、/>、/>分别为/>对时间的导数；

取，则/>为：

；

；

式中，为中间参数；

对求微分得/>，由/>求得/>。

S5包括：

；

；

；

式中，和/>为/>时刻齿尖坐标。

S6包括：

；

；

；

式中，和/>是中间系数。

S7包括：获得修坡角度和修坡长度，修坡长度也是步长，设置向上角度为正，向下角度为负，将齿尖移动到修砌起始位置，记起始点齿尖坐标（）和动臂关节、斗杆关节和铲斗关节的起始角度；

计算修砌过程中所有时刻的关节角度，若关节角度超出角度极限，则提示错误并退回重新输入修砌角度根据起始点齿尖坐标和修坡长度计算修砌的终点坐标，前馈控制和位置闭环控制结合控制齿尖逐时刻运动至修砌的终点坐标；

齿尖重复工作，直至完成修砌任务。

为了便于更好地理解本发明，下面解释挖掘机工作装置液压系统传递函数：

；

；

；

始终，为电液比例阀的传递函数，/>为动臂阀控液压油缸的传递函数，/>为时间常数，/>为电液比例阀增益；/>为阀门开度，/>为等效面积，/>为无杆腔活塞有效面积，为有效体积弹性模量，/>为等效泄露系数，/>为流量增益，/>为流量-压力系数，/>为粘滞系数，/>为负载弹性刚度，/>为作用于液压缸的等效负载力。

本发明在应用时，需要输入基坑边缘修砌需要的角度以及长度，倾角传感器获得初始关节角度，开始计算修砌过程中的角度，由于修砌过程是来回移动，因此修砌过程的单元也就是齿尖的一个来回，确保关节角度不超限，就可以通过本发明所公开的控制过程进行修砌控制，至于是否完成修砌工作可以由现场人员判断。本发明中的前馈控制和位置闭环控制都是现有技术，挖掘机工作装置液压系统传递函数也是用于更好地控制挖掘机实现修砌。

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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (1)

1.一种挖掘机自动基坑边缘修砌方法，其特征在于，包括：

S1.设置关键点，安装倾角传感器；

S2.设起始点齿尖坐标（），修坡角度/>，步长/>，保持铲斗角度不变，设当前时刻为，/>时刻动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器采集的角度分别为/>，/>，，计算得到/>时刻动臂关节、斗杆关节和铲斗关节的转动角度分别为/>；

S3.计算时刻齿尖坐标；

S4.求解对时间的导数；

S5.预测时刻齿尖坐标；

S6.计算动臂角度闭环输入；

S7.挖掘机进行基坑边缘修砌；

设置关键点包括：车身和动臂的连接处为O点，动臂和斗臂的连接处为E点，铲斗油缸和斗臂的连接处为F点，铲斗油缸和摇杆以及连杆的连接处为I点，摇杆和斗臂的连接处为G点，连杆和斗臂的连接处为J点，铲斗和斗臂的连接处为H点，铲斗齿尖处为L点；

倾角传感器包括：动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器，其中动臂倾角传感器与OA平行，斗杆倾角传感器与AB平行，铲斗倾角传感器安装在摇杆上且与摇杆平行，动臂倾角传感器、斗杆倾角传感器和铲斗倾角传感器与水平方向夹角分别为，/>，/>；

动臂关节、斗杆关节和铲斗关节的转动角度分别为：

；/>；/>；

式中，为GH连线和HI连线形成的夹角，/>为IH连线和HJ连线形成的夹角，/>为LH连线和HJ连线形成的夹角，/>是已知角；

和/>为：

；

；

式中，为G点和H点连线的长度，/>为G点和I点连线的长度，/>为H点和I点连线的长度，/>为H点和J点连线的长度，/>为I点和J点连线的长度；

；

式中，为IG连线和GH连线形成的夹角：

；

式中，为EH连线和HG连线形成的夹角；

S3包括：

；

；

式中，为O点和E点连线的长度，/>为E点和H点连线的长度，/>为H点和L点连线的长度，/>和/>为/>时刻齿尖坐标；

根据修坡角度计算：

；

S4包括：对和/>的求解式，以及根据修坡角度计算/>的公式，两边对时间求导：

；

；

；

式中，和/>为/>和/>的导数，/>、/>、/>分别为/>对时间的导数；

取，则/>为：

；

；

式中，为中间参数；

对求微分得/>，由/>求得/>；

S5包括：

；

；

；

式中，和/>为/>时刻齿尖坐标；

S6包括：

；

；

；

式中，和/>是中间系数；

S7包括：获得修坡角度和修坡长度，修坡长度也是步长，设置向上角度为正，向下角度为负，将齿尖移动到修砌起始位置，记起始点齿尖坐标（）和动臂关节、斗杆关节和铲斗关节的起始角度；

计算修砌过程中所有时刻的关节角度，若关节角度超出角度极限，则提示错误并退回重新输入修砌角度根据起始点齿尖坐标和修坡长度计算修砌的终点坐标，前馈控制和位置闭环控制结合控制齿尖逐时刻运动至修砌的终点坐标；

齿尖重复工作，直至完成修砌任务。