一種用於挖掘機的負載自主識別系統的製作方法

2023-05-26 16:25:41 1

專利名稱：一種用於挖掘機的負載自主識別系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種工程機械，尤其涉及一種挖掘機負載自主識別系統。
背景技術：
挖掘機工作過程中，由於作業對象類型差別很大，挖掘機克服負載所需的能量就 明顯不同。僅依靠操作人員對作業對象的主觀判斷是不夠精確的，例如鬆土挖掘時，不同的 鬆軟度的土壤要求的挖掘機輸出功率也不同。因此手動調節挖掘機功率模式和發動機的油 門位置就有很大的盲目性，無法實現真正意義上功率匹配的節能目的。如果在挖掘過程中能自動判斷當前的挖掘情況，調節發動機輸出功率與當前場地 負載情況相適應，那麼不僅可以降低操作人員的工作強度，而且能夠做到真正意義上功率 匹配，降低燃油消耗。挖掘機作業是一個動態的循環過程，基本以「挖掘-提升-迴轉-卸 載」進行重複工作，整個液壓系統壓力也隨之不斷變化。如圖1所示，現階段挖掘機的液壓 系統包括鏟鬥油缸1、動臂油缸2、鬥杆油缸3、第一主閥4、第二主閥5、第三主閥6、第一主 泵7和第二主泵8。第一主泵7將液壓油經第一主閥4和第二主閥5控制分別輸入給鏟鬥 油缸1和動臂油缸2。第二主泵8將液壓油經第三主閥6控制輸入給鬥杆油缸3。現有挖掘機僅在第一主泵7和第二主泵8的出口安裝第一壓力傳感器9和第二壓 力傳感器10，將採集到的壓力值作為挖掘機工況的自動識別的依據。但會出現以下問題(1)難以確定採集時間。因為挖掘機工作時，第一主泵7和第二主泵8的出口壓力 會出現多次峰值。例如，在挖掘機剛啟動時，第一主泵7和第二主泵8的出口壓力會出現多 次峰值。或者由於挖掘範圍太大，造成油缸頂死，也會使出口壓力劇增。(2)由於操作人員操作不當，也會造成對第一主泵7和第二主泵8的出口壓力分析 錯誤。例如，操作人員在幾個工作循環內，沒有進行挖掘，導致泵的出口壓力過小，不能反映 實際挖掘所需功率。總之，在現行的工程機械負載識別系統中，存在無法準確確定挖掘狀態，導致負載 識別不精確，造成大量燃油損失和環境汙染。

實用新型內容本實用新型目的在於克服上述只有第一主泵7和第二主泵8的出口壓力作為負載 判斷依據存在的缺陷，提供一種用於挖掘機的負載自主識別系統，該系統可供挖掘機等工 程機械使用，通過自主識別挖掘負載，確定發動機輸出功率，安裝方便，它能提高作業工作 效率，降低燃油消耗，減輕操作者的工作強度。本實用新型的技術解決方案為一種用於挖掘機的負載自主識別系統，挖掘機的 液壓系統包括鏟鬥油缸、動臂油缸、鬥杆油缸、第一主閥、第二主閥、第三主閥、第一主泵和 第二主泵。該挖掘機負載自主識別系統包括五個壓力傳感器、五個模擬信號處理電路、控制 晶片和D/A模塊。其中，所述第一壓力傳感器通過第一模擬信號處理電路接入控制晶片， 第二壓力傳感器通過第二模擬信號處理電路接入控制晶片，第三壓力傳感器通過第三模擬
3信號處理電路接入控制晶片，第四壓力傳感器通過第四模擬信號處理電路接入控制晶片， 第五壓力傳感器通過第五模擬信號處理電路接入控制晶片，控制晶片和D/A模塊相連。所 述第一壓力傳感器接入第一主泵的出口油路上，第二壓力傳感器接入第二主泵的出口油路 上，第三壓力傳感器接入鏟鬥油缸大腔與第一主閥相連的油路上，第四壓力傳感器接入動 臂油缸小腔與第二主閥相連的油路上，第五壓力傳感器接入鬥杆油缸大腔與第三主閥相連 的油路上。與現有技術相比，本實用新型有如下技術效果1.該系統結構簡單、適用範圍廣，只需在鏟鬥油缸大腔、動臂油缸小腔、鬥杆油缸 大腔、第一主泵和第二主泵的出口分別安裝壓力傳感器，其避免了一些根據安裝角度傳感 器判斷姿態帶來的安裝困難等問題。2.該系統通用性強，可根據不同工程機械，重新制定控制策略訓練樣本，實現負載 識別。3.該系統具有處理速度快，準確度高，體積小等特點。利用本實用新型提出的控制 方法，只需15秒的預挖過程後，便可以實時確定挖掘機所處於的工作狀態。4.該系統可以有效避免人為對作業對象判斷失誤造成的燃油損失和制定功率檔 位過低，造成的柴油機熄火。

圖1挖掘機液壓迴路示意圖；圖2為壓力傳感器在各油缸液壓迴路安裝圖；圖3為負載識別系統電路原理圖；圖4為模擬信號處理電路原理圖；圖5為聯想神經網絡原理圖；圖6為D/A模塊電路原理圖；圖7為負載識別系統原理框圖；圖中，鏟鬥油缸1、動臂油缸2、鬥杆油缸3、第一主閥4、第二主閥5、第三主閥6、第 一主泵7、第二主泵8、第一壓力傳感器9、第二壓力傳感器10、第三壓力傳感器11、第四壓力 傳感器12、第五壓力傳感器13、第一模擬信號處理電路14、第二模擬信號處理電路15、第三 模擬信號處理電路16、第四模擬信號處理電路17、第五模擬信號處理電路18、控制晶片19、 D/A模塊20。
具體實施方式
本實用新型的原理是本實用新型首先判斷挖掘機是否處於挖掘狀態，然後採集 第一主泵和第二主泵的出口壓力，最終確定挖掘機工作模式和發動機輸出功率。挖掘機的 挖掘狀態可以表現在挖掘機鏟鬥油缸、動臂油缸和鬥杆油缸動作變化。因此，本實用新型依 據挖掘機液壓系統中油缸的油液壓力進行判斷，這種方案只需在原有的液壓系統中加入壓 力傳感器，根據壓力輸出值變化判斷挖掘機的動作，而且數據處理較簡單。挖掘機在一個工 作循環內，各工作狀態的一般性相關動作分析如下(1)挖掘過程動臂油缸不動，鬥杆油缸和鏟鬥油缸有複合動作。
4[0025](2)提升過程動臂油缸和鬥杆油缸有複合動作，鏟鬥油缸無動作。(3)卸載動作動臂油缸和鬥杆油缸無動作，鏟鬥油缸有動作。依據聯想神經網絡算法確定挖掘機處於挖掘狀態時，採集第一主泵和第二主泵的 出口壓力值，最終確定發動機的最佳油門位置和最經濟轉速，達到節能的目的。
以下結合附圖詳細描述本實用新型，本實用新型的目的和效果將變得更加明顯。如圖3所示，本實用新型用於挖掘機的負載自主識別系統包括五個壓力傳感器、 五個模擬信號處理電路、控制晶片19和D/A模塊20。其中，第一壓力傳感器9通過第一模 擬信號處理電路14接入控制晶片19，第二壓力傳感器10通過第二模擬信號處理電路15接 入控制晶片19，第三壓力傳感器11通過第三模擬信號處理電路16接入控制晶片19，第四 壓力傳感器12通過第四模擬信號處理電路17接入控制晶片19，第五壓力傳感器13通過第 五模擬信號處理電路18接入控制晶片19，控制晶片19和D/A模塊20相連。壓力傳感器在挖掘機液壓迴路中的安裝位置如附圖2所示。在控制鏟鬥油缸1大 腔的第一主閥4出口油路上安裝第三壓力傳感器11。在控制動臂油缸2小腔的第二主閥5 出口油路上安裝第四壓力傳感器12。在控制鬥杆油缸3大腔的第三主閥6出口油路上安裝 第五壓力傳感器13。在第一主泵7和第二主泵8的出口油路上分別安裝第一壓力傳感器9 和第二壓力傳感器10。由於壓力傳感器採集到的數值無法直接接入控制晶片19，需要經過模擬信號處理 電路14-18，如圖4所示，採集到的壓力信號接入運放Ul的正輸入端並與電阻Rl相連接地。 運放Ul的負輸入端與輸出端相連，最終經電阻R2連接到晶片19。穩壓二極體Dl和電容 C2分別於電阻R2串聯，另一端接模擬地。運放Ul工作電壓設為12V，正電壓輸入端與電容 Cl串聯接模擬地。由於壓力傳感器返回的是電流信號而控制晶片19的A/D數據採集模塊 設定的是電壓輸入，因此模擬信號處理電路主要功能是對信號進行調理，轉化成晶片AD模 塊所要求的輸入量。將經模擬信號處理電路的第三壓力傳感器11、第四壓力傳感器12和第五壓力傳 感器13的壓力差值作為聯想神經網絡輸入。首先，挖掘機預挖15秒，制定聯想神經網絡的 訓練樣本，聯想神經網絡原理框圖如圖5。然後挖掘機正常工作，當聯想神經網絡判斷出挖 掘機處於挖掘狀態，採集第一壓力傳感器9和第二壓力傳感器10經模擬信號處理電路14 和模擬信號處理電路15後的壓力數值。取其中較大值作為判斷挖掘機工況和負載大小的 依據。通過TMS320F2812晶片19的IO輸出高低電平，設高電平為1，低電平為0。最後通過 D/A模塊20輸出發動機的油門位置信號給挖掘機主控制器，確定當前的發動機額定功率輸 出。D/A模塊20主要包括MAX5250晶片U2和運放U3。由於主控制晶片19隻能輸出數字 信號，所以需要將其轉化成數位訊號並放大返回給挖掘機主控制器。設定輸出為0至3V電 壓，線性表示依據負載所需的發動機油門位置。D/A電路原理圖如圖6所示。TMS320F2812 主控制晶片19的IO 口與MAX5250晶片U2相連。輸出電壓接入運放U3正輸入端。運放U3 負輸入端一端經電阻R3與模擬地相接，另一端經電阻R4與輸出端相連。輸出端與挖掘機 的主控制板相連。負載識別系統的原理框圖如附圖7所示。本實用新型中，控制晶片19可以採用TI公司TMS320F2812晶片，運放Ul和運放 U3可以採用TI公司的LM324。晶片U2可以採用MAXIM公司MAX5250晶片，但不限於此。本實用新型在不改變原有挖掘機液壓迴路的基礎上，採集控制鏟鬥油缸1大腔的第一主閥4、控制動臂油缸2小腔的第二主閥5和控制鬥杆油缸3大腔的第三主閥6出口油 路上的壓力作為判斷挖掘機狀態的依據。數值經過第三模擬信號處理電路16、第四模擬信 號處理電路17和第五模擬信號處理電路18輸入控制晶片19中聯想神經網絡處理分析後， 當確定挖掘機處於挖掘狀態時採集經第一模擬信號處理電路14和第二模擬信號處理電路 15的第一主泵7和第二主泵8的出口 2個壓力值，取較大值作為挖掘機負載的依據。最後 通過D/A模塊20向挖掘機主控制器傳輸油門位置信號，最終確定挖掘機功率模式。 上述實施例用來解釋說明本實用新型，而不是對本實用新型進行限制，在本實用 新型的精神和權利要求的保護範圍內，對本實用新型作出的任何修改和改變，都落入本實 用新型的保護範圍。
權利要求一種用於挖掘機的負載自主識別系統，挖掘機的液壓系統包括鏟鬥油缸(1)、動臂油缸(2)、鬥杆油缸(3)、第一主閥(4)、第二主閥(5)、第三主閥(6)、第一主泵(7)和第二主泵(8)；其特徵在於，該挖掘機負載自主識別系統包括五個壓力傳感器、五個模擬信號處理電路、控制晶片(19)和D/A模塊(20)；其中，所述第一壓力傳感器(9)通過第一模擬信號處理電路(14)接入控制晶片(19)，第二壓力傳感器(10)通過第二模擬信號處理電路(15)接入控制晶片(19)，第三壓力傳感器(11)通過第三模擬信號處理電路(16)接入控制晶片(19)，第四壓力傳感器(12)通過第四模擬信號處理電路(17)接入控制晶片(19)，第五壓力傳感器(13)通過第五模擬信號處理電路(18)接入控制晶片(19)，控制晶片(19)和D/A模塊(20)相連；所述第一壓力傳感器(9)接入第一主泵(7)的出口油路上，第二壓力傳感器(10)接入第二主泵(8)的出口油路上，第三壓力傳感器(11)接入鏟鬥油缸(1)大腔與第一主閥(4)相連的油路上，第四壓力傳感器(12)接入動臂油缸(2)小腔與第二主閥(5)相連的油路上，第五壓力傳感器(13)接入鬥杆油缸(3)大腔與第三主閥(6)相連的油路上。
專利摘要本實用新型公開了一種用於挖掘機的負載自主識別系統，包括五個壓力傳感器、五個模擬信號處理電路、控制晶片和D/A模塊，五個壓力傳感器分別通過模擬信號處理電路接入控制晶片，控制晶片和D/A模塊相連，第一壓力傳感器接入第一主泵的出口油路上，第二壓力傳感器接入第二主泵的出口油路上，第三壓力傳感器接入鏟鬥油缸大腔與第一主閥相連的油路上，第四壓力傳感器接入動臂油缸小腔與第二主閥相連的油路上，第五壓力傳感器接入鬥杆油缸大腔與第三主閥相連的油路上，該系統可供挖掘機等工程機械使用，通過自主識別挖掘負載，確定發動機輸出功率，安裝方便，它能提高作業工作效率，降低燃油消耗，減輕操作者的工作強度。
文檔編號E02F9/20GK201649154SQ201020166568
公開日2010年11月24日 申請日期2010年4月22日 優先權日2010年4月22日
發明者馮培恩, 徐振, 高宇 申請人:浙江大學