专利名称：用于限制铲斗和挖掘机起重臂之间接触的系统的制作方法
技术领域：
本公开涉及电动绳索式 挖掘机，并且更具体地，涉及防止在挖掘机杆柄的端部上的电动绳索式挖掘机铲斗和连接件接触挖掘机的其余部分。
背景技术：
图I是电动绳索式挖掘机的示意图。挖掘机8包括铲斗22，所述铲斗22用于从堤岸(未示出)收集材料然后将材料移至材料堆(未示出)或卡车(未示出)以从工地去除材料。动力挖掘机8包括采用机械台座形式的平台13 ;在下端16处连接至平台13的、 向上延伸的起重臂15 ;在起重臂15的顶部处的滑轮17。铲斗22通过绳索23悬挂于起重臂15，所述绳索23被拖拽在滑轮17上并且在吊环销30处连接至铲斗22。机器结构是可动的以将铲斗22定位在相应的装载位置和卸载位置中。更特别地，所述结构被安装在转台 12上。动力挖掘机8包括移动基座10，所述移动基座10支撑在驱动履带11上，并且具有通过转台12支撑在其上的机械台座13。转台12允许机械台座13相对于该基座的完全 360。旋转。起重臂15在16处以可枢转的方式连接到机械台座13。起重臂15通过张紧缆索形式的牵索保持成相对于台座13向上且向外延伸，所述牵索18被锚固到支撑结构20的后支撑部19，所述支撑结构20被刚性安装于械台座13。铲斗22通过绳索或缆索23悬挂于滑轮17，所述绳索23被锚固至安装在机械台座13上的绞车滚筒24。当绞车滚筒24旋转时，绳索23放出或拉回从而使铲斗22降低或升高。铲斗22具有刚性连接至铲斗22的杆柄25，其中铲斗杆柄25以可滑动的方式支撑在鞍座块体26中，所述鞍座块体26在27处以可枢转的方式安装于起重臂15。铲斗杆柄25 在其上具有齿条齿形式(未示出)，所述齿条齿形式与安装在鞍座块体26中的驱动小齿轮 (未示出)接合。驱动小齿轮通过电动马达和传动单元28被驱动，以实现铲斗杆柄25相对于鞍座块体26的伸展或缩回。电源(未示出)被安装在机械台座13上以向驱动绞车滚筒24的一个或多个起吊电动马达(未示出)、驱动鞍座块体传动单元28的推进电动马达(未示出)和转动机械台座转台12的摆动电动马达(未示出)提供电力。铲式装载机的上述基本结构被广泛地公知和使用，并且因为在本领域中已经熟知，不再提供对于该结构的进一步详述。各个推进马达、起吊马达和摆动马达通过其自身的马达控制器(未示出)被驱动， 所述马达控制器响应操作者的指令以熟知的方式来产生所需的电压和电流。介于操作者指令和马达控制器之间的是可编程逻辑控制器(PLC)。PLC包括程序，该程序响应于不同状况使马达控制器以如下文所述的预定的方式运行。当铲斗相对于起重臂移动时，铲斗可能与起重臂接触。为了防止该情况，用于对移进和移出杆柄和上下移动起吊绳索的马达进行控制的控制系统被监控。推进(杆柄)马达和起吊(绳索)马达的旋转被计数，并且基于这些计数，作出关于推进位置或杆柄位置是否将导致铲斗接触起重臂、或起吊绳索的长度是否将导致铲斗接触起重臂的假设。基于这些计数，马达控制中的起重臂极限有助于防止铲斗和连接件接触起重臂或机械台座。因此起重臂极限的目的是防止挖掘机的起重臂和连接件之间的碰撞。更特别地，起重臂极限系统的目的是防止挖掘机连接件(杆柄、铲斗和吊环)与起重臂接触，以及防止杆柄的超限运动和过度的绳索放出。能够由连接件产生的、冲击起重臂的大的质量和大量的力可能导致应力裂痕并且快速降低挖掘机前端设备的寿命。由于连接件的大的质量和快速运动，驱动装置可需要一些时间来减速然后停止任何将形成碰撞的运动。图2、图3和图4图示了能够在铲斗或连接件与起重臂或机械台座之间发生接触的、可能的不同位置中的一些位置。更特别地，图2示出朝着外壳拉回杆柄，其中铲斗接触起重臂。图3示出铲斗降低，其中杆柄被拉回。图4示出处于收拢位置的铲斗，其中铲斗接触机械台座和起重臂。
目前起重臂限制系统利用被动式控制设计来防止对挖掘机的损坏。起重臂限制系统基于相对于起重臂物理廓线的偏移建立"减速"区域和"零速度"区域。当操作者进入某一区域时，向操作者的基准施加具体的限制以防止可能的冲击。目前，存在两个基本方法来确定是否存在铲斗和起重臂之间的接触的可能性。一种方法使用关于所有各部件的大量的信息来试图计算出非常精确的铲斗位置。如果已知精确的铲斗位置，则铲斗相对于起重臂和机械台座的位置也已知。尽管有效，但是所需的计算量导致需要显著量的计算能力。另外，这对马达的控制增加了延迟时间。因为马达控制需要对铲斗接触起重臂的可能性做出反应，变慢的马达变化计算导致需要增大铲斗减速区域以便中止可能的起重臂接触。另一个方法形成另一个极端，该方法使用推进计数和起吊计数之间的非常简单的线性关系以确定何时铲斗即将与起重臂接触。尽管有效，该线性方法导致需要将可能发生冲击的区域设为显著地大于其它情况下可能设置的区域。这导致铲斗有时在不必要的情况下减速。这导致挖掘机用更长的时间来完成它的挖掘和倾卸周期。这导致了由操作者进行的挖掘操作的极大减速。
发明内容
本公开的目的是对于会错过操作挖掘机时机的、现有技术的线性方法进行改进，而不需要时常控制马达以防止铲斗接触起重臂。错过时机的区域在图7中示出。其结果是，在未向马达控制系统增加撤销(undo)复杂性的同时，挖掘机操作被不利地影响。因此本公开涉及一种新的起重臂限制系统，用于限制挖掘机的铲斗和铲斗连接件与起重臂和机械台座之间的接触，该系统按照推进量或起吊长度限定铲斗与起重臂相对位置，该系统按照推进量或起吊长度的二阶多项式限定相对位置起重臂极限。该系统还包括推进量和起吊长度的慢速区域，其中速度取决于推进量或起吊长度而变化。该系统还包括取决于推进量或起吊长度的场加强区域，其中场削弱被移除。该新的起重臂限制系统消除了与传统方法关联的下列问题。-不精确的起重臂廓线-限制性速度基准极限
-增加的推进马达RMS(均方根)载荷-操作者的校准敏感性该新的起重臂限制系统具有减少校准时间、提高推进马达的可靠性、降低对于循环时间的任何不利影响的可能性，并且提高了其它性能。所有的起重臂限制系统被设计成使得当进入某一极限时，马达速度降低。传统的起重臂限制系统将指令操作者基准降低10%，这使得马达控制系统使载荷迅速减速以匹配所要求的速度。
图I是电动绳索式挖掘机的侧视图。图2示出根据图I的绳索式挖掘机，其中杆柄被朝着外壳拉回，铲斗接触起重臂。 图3示出根据图I的绳索式挖掘机，其中铲斗降低，杆柄被拉回。图4示出根据图I的绳索式挖掘机，其中铲斗处于收拢位置，铲斗接触机械台座和
起重臂。图5是本公开的起重臂限制控制系统的示意图。图6是示出了作为表示为马达计数的推进量和起吊长度的函数的起重臂极限与实际起重臂极限比较的曲线图。图7是与图6类似的曲线图，只是采用现有技术的线性方法与本公开的起重臂极限相比较。图8是产生给定的铲斗速度的、所指令的马达参数呈s曲线减小的曲线图，图中从左向右随着推进量或起吊长度减小示出了所指令的减小量。在详细地说明本公开的一个实施例之前，应该理解的是，本公开的应用不局限于在以下说明中阐明的或在附图中图示的部件的构造和布置的细节。本公开能够有其它的实施例，并且能够以多种方式实践或执行。同样，应该理解的是，在这里使用的措辞和术语是为了说明的目的并且不应该被认为是限制性的。这里所使用的“包括”和“包含”及其变体意指包括其后列出的各项和它的等同物以及附加项。这里所使用的“由…构成”及其变体意图涵盖仅其后列出的项和其等同物。另外，应该理解的是，术语比如“前”、“后”、“左”、“右”、 “上”和“下”等是方便性的用词而不被解释成限制性术语。
具体实施例方式图5示出了本公开的起重臂限制系统100。更特别地，起重臂限制系统100包括 用于测量挖掘机杆柄的运动的推进量的、采用推进解算器104形式的装置；用于测量起吊绳索的起吊长度的、采用起吊解算器108形式的装置；以及用于操作推进马达和起吊马达的、采用马达控制器112形式的装置。起重臂限制系统还包括操作装置，所述操作装置包括用于响应于推进量和起吊长度来限制推进马达操作和起吊马达操作的限制装置116，所述限制装置响应于推进量和起吊长度的至少一个二阶多项式的结果进行操作。更特别地，为了适当地监视和控制挖掘机的运动，起重臂限制系统需要识别连接件的相对位置。在校准期间，计算起重臂极限的方式以建立起重臂廓线方程而开始。
起重臂廓线极限是连接件能够接近起重臂的最近的程度。起重臂廓线方程是意图使起吊解算器计数与最小推进解算器计数极限相等。随着挖掘机移动过一个周期，则起重臂极限连续地计算对于给定的起吊解算器计数可允许的最小推进解算器计数。这对于起重臂廓线建立零点。马达速度基准的约束方程相对于该零点偏移。为了精确地描出起重臂的廓线，将另一个校准点添加到用于逼近起重臂的现有的两个点。该第三个点在实际上不对廓线建模的情况下允许生成整个起重臂廓线的非线性逼近。该三个点被独有地布置以使该非线性逼近与起重臂的曲率拟合。因此除极端铲斗极限处的两个点之外，起重臂廓线由三个点组成，该三个点每个表示组成起重臂廓线的细节的临界物理特征。在校准过程期间，在每个点处记录推进解算器计数和起吊解算器计数。一旦确定三个点，则求解二阶多项式拟合以逼近三个点之间的关系。
权利要求
1.一种用于限制挖掘机的铲斗和铲斗连接件与起重臂和机械台座之间接触的系统，所述挖掘机包括用于从堤岸收集材料的铲斗、平台、在下端处连接至所述平台的向上延伸的起重臂、以可转动的方式安装在所述起重臂的上端部上的滑轮、安装在所述平台上的绞车滚筒、用于转动所述绞车滚筒的起吊马达、从所述绞车滚筒延伸过所述滑轮并且连接至铲斗的起吊绳索、以可枢转的方式安装于所述起重臂的鞍座块体、以可滑动的方式由所述鞍座块体支撑并且通过所述鞍座块体相对于所述起重臂可枢转的铲斗杆柄、用于远离和朝向所述起重臂移动所述铲斗和所述铲斗杆柄的铲斗杆柄移动装置，所述装置包括推进马达、用于测量所述挖掘机杆柄的移动的推进量的装置、用于测量所述起吊绳索的起吊长度的装置、以及用于操作所述推进马达和所述起吊马达的操作装置， 所述系统包括所述操作装置，所述操作装置包括用于响应于所述推进量和所述起吊长度来限制推进马达操作和起吊马达操作的限制装置，所述限制装置响应于所述推进量和所述起吊长度的至少一个二阶多项式的结果而操作。
2.一种用于限制挖掘机的铲斗和铲斗连接件与起重臂和机械台座之间接触的系统，所述挖掘机包括用于从堤岸收集材料的铲斗、平台、在下端处连接至所述平台的向上延伸的起重臂、以可转动的方式安装在所述起重臂的上端部上的滑轮、安装在所述平台上的绞车滚筒、用于转动所述绞车滚筒的起吊马达、从所述绞车滚筒延伸过所述滑轮并且连接至铲斗的起吊绳索、以可枢转的方式安装于所述起重臂的鞍座块体、以可滑动的方式由所述鞍座块体支撑并且通过所述鞍座块体相对于所述起重臂可枢转的铲斗杆柄、用于远离和朝向所述起重臂移动所述铲斗和所述铲斗杆柄的铲斗杆柄移动装置，所述装置包括推进马达、用于测量所述挖掘机杆柄的移动的推进量的装置、用于测量所述起吊绳索的起吊长度的装置、以及用于操作所述推进马达和所述起吊马达的操作装置， 所述系统包括所述操作装置，所述操作装置包括用于响应于所述推进量和所述起吊长度来限制推进马达操作和起吊马达操作的限制装置，其中所述起吊马达和所述推进马达是变速的，并且其中用于响应于所述推进量和所述起吊长度来限制推进马达操作和起吊马达操作的所述装置包括所述推进量和所述起吊长度的零速度区域，在所述零速度区域中速度取决于所述推进量或所述起吊长度是零，并且包括所述推进量和所述起吊长度的慢速区域，在所述慢速区域中速度取决于所述推进量或所述起吊长度而变化。
3.根据权利要求2所述的系统，其中通过取决于所述推进量或所述起吊长度的、速度的斜坡减少，所述速度取决于所述推进量或所述起吊长度而变化。
4.根据权利要求2所述的系统，其中通过取决于所述推进量或所述起吊长度的、速度的s曲线减少，所述速度取决于所述推进量或所述起吊长度而变化。
5.一种用于限制挖掘机的铲斗和铲斗连接件与起重臂和机械台座之间接触的系统，所述挖掘机包括用于从堤岸收集材料的铲斗、平台、在下端处连接至所述平台的向上延伸的起重臂、以可转动的方式安装在所述起重臂的上端部上的滑轮、安装在所述平台上的绞车滚筒、用于转动所述绞车滚筒的起吊马达、从所述绞车滚筒延伸过所述滑轮并且连接至铲斗的起吊绳索、以可枢转的方式安装于所述起重臂的鞍座块体、以可滑动的方式由所述鞍座块体支撑并且通过所述鞍座块体相对于所述起重臂可枢转的铲斗杆柄、用于远离和朝向所述起重臂移动所述铲斗和所述铲斗杆柄的铲斗杆柄移动装置，所述装置包括推进马达、用于测量所述挖掘机杆柄的移动的推进量的装置、用于测量所述起吊绳索的起吊长度的装置、以及用于操作所述推进马达和所述起吊马达的操作装置，所述系统包括所述操作装置，所述操作装置包括用于响应于所述推进量和所述起吊长度来限制推进马达操作和起吊马达操作的限制装置，其中对所述起吊马达和所述推进马达中的一个的控制包括场削弱，并且其中用于响应于所述推进量和所述起吊长度来限制推进马达操作和起吊马达操作的所述装置包括所述推进量和所述起吊长度的零速度区域，在所述零速度区域中速度取决于所述推进量或所述起吊长度是零；所述推进量和所述起吊长度的慢速区域，在所述慢速区域中速度取决于所述推进量或所述起吊长度而减少；以及取决于所述推进量或所述起吊长度的场加强区域，在所述场加强区域中移除所述场削弱。
全文摘要
一种用于限制挖掘机的铲斗和铲斗连接件与起重臂和机械台座之间接触的系统，该系统按照推进量或起吊长度限定铲斗到起重臂相对位置，该系统按照推进量或起吊长度的二阶多项式限定相对位置起重臂极限。系统还包括推进量和起吊长度的慢速区域，其中速度取决于推进量或起吊长度而变化。系统还包括取决于推进量或起吊长度的场加强区域，其中场削弱被移除。
文档编号E02F3/58GK102704516SQ20111033070
公开日2012年10月3日 申请日期2011年10月20日 优先权日2010年10月20日
发明者韦斯利·P·泰勒 申请人:哈尼施费格尔技术公司