一种挖掘机半自动施工控制系统及控制方法与流程

本发明涉及挖掘机技术领域，尤其是一种挖掘机半自动的施工控制系统及施工控制方法。

背景技术

随着电控操作系统的发展为挖掘机的自动化奠定了基础，其中挖掘机的控制系统结构包括：操纵手柄、控制装置、先导控制比例阀，控制制装置除接收左、右操纵手柄8个操作位置指令信号之外，还向显示器传递系统控制信息；利用各控制信息对回转、动臂、斗杆、铲斗等4个动作机构的8个动作先导控制比例阀进行控制。同时，位移传感器和角度传感器为挖掘机的动作进行实时反馈，进而能有效的控制挖掘机的工作。在传统的挖掘机施工过程中，不同工况下的操作对挖掘机手要求很高，特别是平地、修坡等工程操作，而且挖掘机的操作手重复工作过程中疲劳度较大，施工结束后，还需要专业进行测量，存在施工效率低，人员费用高等问题。

技术实现要素：

为解决挖掘机平地和修坡等操作对操作手的操作要求高，重复工作中容易疲劳的技术问题，本发明公开了一种挖掘机半自动施工控制系统及控制方法，具体技术方案如下：

一种挖掘机半自动施工控制系统，包括传感器模块、控制模块、测量模块和操作模块，传感器模块和测量模块将数据传输至控制模块，控制模块将反馈信息传输至操作模块；所述传感器模块包括铲斗油缸位移传感器、动臂角度传感器和斗杆角度传感器；所述控制模块包括三维数字建模单元和工程设计单元；所述测量模块包括高度测量装置、长度测量装置和角度测量装置；所述操作模块包括斗杆挖掘手柄和显示器。

进一步的，操作模块的斗杆挖掘手柄包括左手边和右手柄，斗杆挖掘手柄与主控制器相连，所述传感器控制模块与副控制器相连，主控制器和副控制器共同控制发动机和液压系统工作。

进一步的，控制模块的三维数字建模单元具体是根据测量模块获取的现场实际数据建立三维数字模型，所述工程设计单元包括施工设计数据录入和施工目的作业控制。

进一步的，控制模块使用的控制器为ww控制器或td控制器。

一种挖掘机半自动控制系统的控制方法，控制方法包括坡度控制和目标平面控制，所述测量模块将测量数据输入控制模块，所述控制模块通过建立坐标系实现高程、平整度和坡度的计算，同时所述传感器模块将挖掘机设备的情况反馈至控制模块，人工输入工程设计数据至控制模块，所述控制模块将反馈的校正输出信号传递到操作模块，挖掘机进入两连动操作或三连动操作的半自动状态。

进一步的，坡度控制具体是，通过工程设计单元的施工设计数据录入部分输入斜坡的角度、长度和高度，进而确定铲斗的起点设置和终点设置，所述控制器模块根据铲斗的斗齿运动路径计算斜坡角度，显示器显示施工斜坡的角度。

进一步的，目标平面设定具体是，设置目标平面的高度和长度，铲斗的斗齿沿目标平面平稳移动实现目标平面清除。

进一步的，两连动操作具体为，操作挖掘机将铲斗齿尖放到起点位置；点动两连动按钮，控制器模块接收信号后，进入两连动操作半自动施工状态；控制器模块向显示器发送施工模式信息；拉动斗杆挖掘手柄开启半自动施工状态，防止目标平面被破坏；再次点动两连动按钮，进入普通操作模式；动臂上升操作执行后，也会进入普通操作模式；铲斗齿尖与目标平面的高度差值通过测量模块将测量结果发给显示器。

进一步的，三连动操作具体为，操作挖掘机，将铲斗放到起点位置；点动三连动按钮，控制器模块接收信号后，进入三连动操作半自动施工状态；控制器模块向显示器发送施工模式信息；拉动斗杆挖掘手柄开启半自动施工状态，防止目标平面被破坏；再次点动三连动按钮，进入普通操作模式；动臂上升操作执行后，也会进入普通操作模式；铲斗齿尖与目标平面的高度差值通过测量模块将测量结果发给显示器。

本发明的有益效果包括：本发明通过传感器模块、控制模块、测量模块和操作模块的组合实现了修坡和平地等工作过程中的两连动操作或三连动操作，解决了使用挖掘机平地和修坡等操作过程中存在的施工效率低、施工精度低的技术问题；提出的半自动施工方法对挖掘机操作手技术水平要求低，施工精度高，不需要二次测量等优点；半自动的控制系统利于挖掘机节约燃油，缩短工期，降低人员成本。另外本发明还具有改装方便，使用多种机型，解决施工难度大的问题。

附图说明

图1是挖掘机半自动控制系统的原理图；

图2是斗杆挖掘手柄结构示意图；

图3是挖掘机平地操作示意图；

图4是挖掘机施工速度与手柄行程关系图；

图中：1-斗杆挖掘手柄；2-副控制器；3-主控制器；4-散热器；5-挖掘机；61-铲斗油缸位移传感器；62-动臂角度传感器；63-斗杆角度传感器；7-显示器；8-测量模块；9-输入窗口；10-发动机；11-继电器电路；12-电磁比例阀；13-控制线路；14-左手柄；15-右手柄；141-两连动按钮；142-喇叭；143-液压剪；144-一键怠速；151-三连动按钮；152-増力按钮；16-目标轨迹；17-实际轨迹。

具体实施方式

结合图1至图4所示本发明提供的一种挖掘机半自动施工控制系统及控制方法具体技术方案如下。

如图1所示，一种挖掘机半自动施工控制系统具体包括传感器模块、控制模块、测量模块和操作模块，其中传感器模块和测量模块将数据传输至控制模块，控制模块将反馈信息传输至操作模块。传感器模块包括铲斗油缸位移传感器61、动臂角度传感器62和斗杆角度传感器63。控制模块包括三维数字建模单元和工程设计单元，控制模块的三维数字建模单元具体是根据测量模块获取的现场实际数据建立三维数字模型，工程设计单元包括施工设计数据录入和施工目的作业控制。测量模块8包括高度测量装置、长度测量装置和角度测量装置，控制模块使用的控制器为ww控制器或td控制器。操作模块包括斗杆挖掘手柄和显示器，操作模块的斗杆挖掘手柄1包括左手边14和右手柄15，斗杆挖掘手柄1与主控制器3相连，传感器控制模块与副控制器2相连，主控制器3和副控制器2共同控制发动机10和液压系统工作。

如图2和图3所示，斗杆挖掘手柄左手柄14的按键包括两连动按钮141、喇叭142按钮、液压剪143按钮和一键怠速144按钮；右手柄15的按键包括三连动按钮151、増力按钮152、液压剪按钮143和一键怠速144按钮，其中两连动按钮连接主控制器，三连动按钮连接主控制器。

利用上述挖掘机半自动施工控制系统的挖掘机半自动控制系统的控制方法，控制方法包括坡度控制和目标平面控制：坡度控制具体是，通过工程设计单元的施工设计数据录入部分输入斜坡的角度、长度和高度，进而确定铲斗的起点设置和终点设置，控制器模块根据铲斗的斗齿运动路径计算斜坡角度，显示器显示施工斜坡的角度。目标平面设定具体是，设置目标平面的高度和长度，铲斗的斗齿沿目标平面平稳移动实现目标平面清除。测量模块将测量数据输入控制模块，控制模块通过建立坐标系实现高程、平整度和坡度的计算，同时传感器模块将挖掘机设备的情况反馈至控制模块，人工输入工程设计数据至控制模块，控制模块将反馈的校正输出信号传递到操作模块，挖掘机进入两连动操作或三连动操作的半自动状态。

在挖掘机半自动控制系统的控制方法中，两连动操作或三连动操作的半自动施工状态下每当操作动臂上升则切换为普通操作模式。在坡度控制中，坡度设置途径包括直接在显示器内输入角度、在显示器内输入高度h与长度l的比值确定角度以及自动学习设定角度，其中自动学习设定角度具体为，首先将齿尖放到起点，按一下起点设置按钮；其次将齿尖放到终点，按一下终点设置按钮；最后控制器模块根据起点与终点的位置信息计算角度，并进行存储设置。在目标平面设置在坡度设置为零的情况下使用，首先将齿尖放到目标面上，在显示器上按下目标平面设置按钮，控制器模块自动根据齿尖当前位置，记录目标平面；设定中具有目标平面保护功能，工作装置不能挖掘到目标平面的高度以下；当按下显示器主页上的目标面清除按钮后，控制器将目标平面数据清除，进而关闭目标平面保护功能，工作装置可以挖掘到目标平面高度以下。

其中两连动操作具体为，操作挖掘机将铲斗齿尖放到起点位置；点动两连动按钮，控制器模块接收信号后，进入两连动操作半自动施工状态；控制器模块向显示器发送施工模式信息；拉动斗杆挖掘手柄开启半自动施工状态，防止目标平面被破坏；再次点动两连动按钮，进入普通操作模式；动臂上升操作执行后，也会进入普通操作模式；铲斗齿尖与目标平面的高度差值通过测量模块将测量结果发送给显示器。

两连动操作平地施工具体为，首先在显示器内设置坡度为0，其次将齿尖放到目标平面上，在显示器内设置目标平面；然后将工作装置伸出，按下两连动按钮，开始两连动半自动平地；等待铲斗到达机器附近后，抬起动臂，此时机器自动恢复成普通操作模式，普通操作模式下将铲斗内的物料卸到指定位置；卸完料以后，再操作机器到达目标平面起始点，按下两连动按钮，重复自动平地操作。

两连动操作修坡施工具体为，首先在显示器内设置坡度；然后普通模式下操作，使齿尖到达起点，按下两连动按钮，此时控制器模块收到起点和两连动指令两个信息；操作斗杆挖掘开始半自动修坡，等待铲斗到达机器附近后，抬起动臂自动切换为普通操作模式，普通操作模式下，将铲斗内的物料卸到指定位置；卸完料以后，操作挖掘机铲斗到达起点，按下两连动按钮，重复自动修坡操作。

其中三连动操作具体为，操作挖掘机，将铲斗放到起点位置；点动三连动按钮，控制器模块接收信号后，进入三连动操作半自动施工状态；控制器模块向显示器发送施工模式信息；拉动斗杆挖掘手柄开启半自动施工状态，防止目标平面被破坏；再次点动三连动按钮，进入普通操作模式；动臂上升操作执行后，也会进入普通操作模式；铲斗齿尖与目标平面的高度差值通过测量模块将测量结果发给显示器。

三连动操作平地施工具体为，首先在显示器内设置坡度为0；然后将铲斗背部放到目标面上，在显示器内设置目标平面；将挖掘机铲斗伸出，到达起点，按下三连动按钮，进入三连动操作半自动施工状态；当铲斗到达挖掘机的机体附近，可以操作斗杆进行卸料，进行半自动外伸操作；如果此时铲斗内有大量的物料，可以抬起动臂，系统自动进入普通操作模式，操作挖掘机进行卸料；操作挖掘机到达目标平面起点，按下三连动按钮，重复自动平地操作。

三连动操作修坡施工具体为，首先在显示器内设置坡度；然后操作挖掘机，使铲斗背面到达起点，按下三连动按钮，此时控制器模块收到起点和三连动指令两个信息；挖掘机操作斗杆开始半自动修坡，当铲斗到达挖掘机的机体附近，可以操作斗杆卸料，进行半自动外伸操作；如果此时铲斗内有大量的物料，可以抬起动臂，系统自动进入普通操作模式，操作挖掘机进行卸料；操作挖掘机到达起点，按下三连动按钮，重复自动修坡操作。

如图4所示，半自动施工速度控制方面采用根据斗杆挖掘手柄的行程调整半自动施工速度的方法，具体是：手柄行程在0～30％时，精细施工精度要求在50mm内，油缸全行程时间小于10s；手柄行程在30～80％时，精细施工精度要求在60mm内，油缸全行程时间小于7s；手柄行程在80～100％时，精细施工精度要求在80mm内，油缸全行程时间小于5s。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。