補償旋轉力的有效負載系統的製作方法

2023-07-05 09:34:21 2

專利名稱：補償旋轉力的有效負載系統的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及一種有效負載計算系統，更特別是，涉及一種由圍繞垂直樞軸旋 轉的作業機引起的作業機的離心力、慣性力和摩擦力的有效負載計算系統。
背景技術：
各種類型的機器可採用作業機從工地轉移材料並將該材料裝載至運輸車輛(例 如卡車和有軌車)上。這些機器包括挖掘機、輪式裝載機、鋤耕機、和其它運送材料的機器。 通過機器裝載的運輸車輛可具有由製造商的最大負載定額值和/或其它因素例如高速公 路車輛的重量限制所決定的特定負載容量。為促使最大程度地利用運輸車輛，期望儘可能 接近其負載容量地裝載每輛運輸車輛。但是超載運輸車輛具有負面後果。特別是，在運輸 車輛上放置過多重量將大大提高運輸車輛的維護成本或者如果在運輸之前去除超出的材 料則造成昂貴的延遲。為監控放置在每輛運輸車輛上的材料重量，機器製造商開發了有效負載計算系 統。有效負載計算系統可確定作業機當前運載的材料重量(例如挖掘機鏟鬥中的材料重 量)、以及在特定循環或者時間段期間裝載至運輸車輛上的材料的總重量。為改進生產率， 有效負載計算系統可在機器和/或作業機運動中確定機器和/或作業機運載的材料重量 (而非進行靜態計算)。在 Tafazoli 等人 的"Identification of Inertial and Friction Parametersfor Excavator Arms」中公開了一種確定作業機運載質量的方法，(該出版物) 發表於1999年10月。Tafazoli出版物公開了一種具有儀表和計算機控制的微型挖掘機。 計算機控制器包括微型挖掘機的硬連結操縱器的動態模型。該模型預測微型挖掘機在靜態 和動態狀況下的共同扭矩並計算動態狀況下的庫侖和粘滯摩擦。Tafazoli出版物的結果連 同開發的算法可用於動態有效負載監控。儘管Tafazoli出版物的微型挖掘機可計算動態狀況下的庫侖和粘滯摩擦，但其 仍然不是最佳的。具體地，Tafazoli出版物模型可能不能計算某些旋轉力(即由操縱器圍 繞基本上垂直於微型挖掘機下表面的軸的旋轉所引起的離心力和慣性力)。忽略這些旋轉 力可為有效負載質量的計算帶來誤差。所公開的機器系統旨在克服上面列出的一個或多個問題。

發明內容
—方面，本發明涉及一種和作業機一起使用的有效負載計算系統。有效負載計算 系統可具有配置為測量作業機狀態的狀態傳感器。有效負載計算系統還可具有配置為計算 作業機所移動的有效負載質量的處理設備。處理設備可配置為採用所測量的狀態對質量的 計算補償由圍繞垂直樞軸旋轉的作業機引起的作業機的離心力、慣性力和摩擦力。另一方面，本發明涉及一種計算有效負載的方法。該方法包括致動作業機以移動 有效負載。該方法還可包括測量作業機的狀態。該方法還可包括採用測量的狀態計算作業機所運送的有效負載質量以及對質量的計算補償由圍繞基本垂直於工作面的軸旋轉的作 業機引起的作業機的離心力、慣性力和摩擦力。


圖1圖示了示例性公開的機器；圖2圖示了可以和圖1的機器一起使用的示例性公開的有效負載計算系統；圖3圖示了示例性公開的作業機；以及圖4為描述在圖2中所示出的有效負載系統示例性運行的流程圖。
具體實施例方式圖1示出了示例性機器10。機器10可以為進行某種和產業例如採礦、建築、農業、 運輸或者任何其它本領域已知的產業相關的操作的作業機。例如，機器10可以為運土機 器，例如挖掘機、輪式裝載機、鋤耕機、或者任何本領域已知的合適運土機器。機器10可包 括平臺12，平臺旋轉耦合至其上的底架14、電源16和耦合至平臺12的作業機18。平臺12可以為支持操作員站20 (操作員站20可以為操作員可控制機器10的位 置)的結構部件。平臺12可經垂直樞軸19耦合至底架14。垂直樞軸19可使得平臺12相 對於底架14圍繞軸50旋轉。換言之，垂直樞軸19可使得作業機18在基本上平行於機器 10下的工作面的平面上擺動或者旋轉(軸50可基本上垂直於工作面)。在可選結構(未 示出)中，平臺12和底架14可固定地耦合，並且垂直樞軸或者球型接合點可將作業機18 耦合至平臺12。該可選結構的垂直樞軸或者球型接合點還可使得作業機18擺動或者旋轉 (軸50現在位於垂直樞軸或者球型接合點上)。底架14可以為一個或多個牽引裝置22的結構支架。牽引裝置22可包括位於機 器10每側上配置為使得機器10可經工作面平移運動的軌道。可選地，牽引裝置22可包括 輪子、皮帶或者本領域已知的其它牽引裝置。任何牽引裝置22都可驅動和/或可操控。認 為作業機18的擺動或者旋轉還可通過沿第一方向致動一個牽引裝置22同時沿與第一方向 總體相反的第二方向致動第二牽引設備22實現。電源16可為機器10的運行提供電力。電源16可具體化為內燃機，例如柴油機、 汽油機、氣體燃料發動機(例如天然氣發動機)、或者任何其它類型的本領域已知的內燃 機。電源16可選擇地具體化為電力的非燃燒式源，例如燃料電池或者耦合至電動機的其它 電力儲存設備。電源16可為致動牽引裝置22提供旋轉輸出，從而驅動機器10。電源16還 可提供電力以相對於底架14旋轉平臺12。作業機18可包括一個或多個設計為完成特殊任務的連結部件24。具體地，連結部 件24可具體化為懸臂部件28、操縱杆部件30、和作業工具32。懸臂部件28的第一端可旋 轉連接至平臺12，而懸臂部件28的第二端可旋轉連接至操縱杆部件30的第一端。作業工 具32可旋轉連接至操縱杆部件30的第二端。認為作業工具32例如可具體化為鏟鬥、抓鉤 器、抓斗、吊鉤或者任何其它本領域已知的合適作業工具。每個連結部件24可包括一個或 多個致動器26並被其致動。認為連結部件24可在基本上與工作面正交的平面上旋轉。如圖2所示，每個致動器26可以為例如包括活塞組件36和管道38的液壓缸。活 塞組件36可包括兩個液壓表面，一個表面與第一腔室相連，另一個表面與第二腔室相連。第一和/或第二腔室被選擇性地供應加壓流體並排出加壓流體以在兩個液壓表面上產生 力的不平衡。力的不平衡可造成活塞組件36在管道38內軸向移動。還認為致動器26可 選擇地具體為電動機、氣動機、或者本領域已知的任何其它致動設備。液壓系統40可提供加壓流體以驅動每個致動器26。具體地，液壓系統40可包括 泵(未示出)和多個控制閥(未示出)。泵(被電源16的旋轉輸出驅動)可對與多個控制 閥連通的液壓流體加壓。該多個控制閥可選擇地經一條或者多條液壓管路41向致動器26 的第一和/或第二腔室提供加壓流體，從而使得活塞組件36軸向移動。認為液壓系統40 可包括其它的或者不同的元件，例如蓄電池、止回閥、減壓或者增壓閥、壓力補償元件、限制 孔口、以及本領域已知的其它液壓元件。還如圖2所示，機器10可包括配置為計算或者評估作業機18所運送質量(或者 重量)的有效負載計算系統42。有效負載計算系統42可包括一個或多個狀態傳感器44、 方位傳感器45、一個或多個力傳感器46、和處理設備48。狀態傳感器44可以為位於連結部件24的一個或多個接合點附近的角度檢測設備 (即作業工具32和操縱杆部件30之間的接合點、操縱杆部件30和懸臂部件28之間的接合 點，和懸臂部件28和平臺12之間的接合點)。狀態傳感器44可包括旋轉編碼器、電位計、 或者其它角度或者位置檢測設備(例如狀態傳感器44可位於線性致動器上並且可配置為 採用致動器位置確定接合角度)。狀態傳感器44的輸出信號可用於確定作業機18的狀態， 例如每個連結部件24的位置、速度、加速度、角度、角速度、或者角加速度。一個或多個狀態 傳感器44還可位於平臺12和底架14之間的旋轉接合點附近並且可配置為測量平臺12相 對於底架14的角度、角速度、或者角加速度。力傳感器46可配置為輸出可用於確定致動器26和/或連結部件24所產生或者 經受的力的信號。例如，力傳感器46可具體為設置並配置為測量致動器26的第一和/或 第二腔室中或者供應至其中的加壓流體壓力的壓力傳感器。認為可以使用測量的壓力以及 致動器26和連結部件24的物理尺寸以確定連結部件24的接合點扭矩。還認為力傳感器 46可可選擇地具體為應變計、壓電換能器、或者其它位於連結點、致動器接合點、或者其它 合適位置的力測量設備。方位傳感器45可測量機器10的斜度和滾動。方位傳感器可位於機器10上的任 何合適位置，例如操作員站20。方位傳感器45可具體為一個或多個陀螺儀、加速度計、重力 傾斜儀、或者其任意組合。處理設備48可監視和/或更改機器10及其組件的性能。處理設備48可經一條 或多條通信線路43 (或者無線地)與狀態傳感器44、方位傳感器45、和力傳感器46通信。 認為處理設備48還可與電源16、操作員站20、液壓系統40、和/或機器10的其它元件通信 (未示出)。處理設備48可具體為單個微處理器或者多個微處理器。多種市場購買的微處理 器可配置為執行處理設備48的功能，而且應當理解處理設備48可容易具體為能夠監視和/ 或控制多種機器功能的通用機器微處理器。處理設備48可包括存儲器、次存儲設備、處理 器、和任何其它運行應用的元件。各種其它電路可以和處理設備48相關，例如電源電路、信 號調節電路、數據採集電路、信號輸出電路、信號放大電路、和本領域已知的其它類型的電 路。處理設備48可包括一個或多個存儲在處理設備48的內存儲器中的地圖。這些地圖每張可包括表格、圖形和/或方程形式的數據收集。處理設備48可包括動態模型、校準步驟 和評估步驟。動態模型可包括使得接合點扭矩T和其它可測量和/或可計算項相關的方程。T 可以為包括作業機18每個接合點例如Tb。、Tst和Twt處的接合點扭矩值的向量或者矩陣(參 見圖3)。認為動態模型可包括本領域已知的任何合適模型(例如基於數學或者邏輯的關 系)。一個可接受的動態模型為
權利要求
一種和作業機(18)一起使用的有效負載計算系統(42)，包括狀態傳感器(44)，其被配置為測量作業機的狀態；以及處理設備(48)，其被配置為計算由所述作業機移動的有效負載的質量，所述處理設備被配置為採用所測量的狀態對質量的計算補償由圍繞垂直樞軸(19)旋轉的所述作業機引起的所述作業機的離心力、慣性力和摩擦力。
2.根據權利要求1的有效負載計算系統，其中所述作業機還包括 至少一個連結部件(24)，其具有致動器(26)；以及力傳感器(46)，其被配置為測量致動器處的力，其中所述處理設備與所述力傳感器通 信，所述處理設備被配置為採用測量狀態以及測量力計算有效負載的質量。
3.根據權利要求2的有效負載計算系統，其中所測量狀態包括所述至少一個連結部件 的角度、角速度、或者角加速度中的至少一個。
4.根據權利要求3的有效負載計算系統，其中所述處理設備被配置為 採用測量的力確定接合點扭矩；確定由所述作業機的離心力和慣性力所產生的一個或多個力矩；以及 通過從接合點扭矩減去所述力矩而補償質量的計算。
5.根據權利要求4的有效負載計算系統，其中所述處理設備被配置為更改根據所述至 少一個連結部件的角速度變化的力矩的值。
6.一種計算有效負載質量的方法，包括 致動作業機(18)以移動有效負載；測量所述作業機的狀態；採用所測量的狀態計算由所述作業機移動的有效負載的質量；以及 對質量的計算補償由圍繞基本垂直於工作面的軸旋轉的作業機引起的所述作業機的 離心力、慣性力和摩擦力。
7.如權利要求6的方法，還包括確定在至少一個連結部件的接合點作用的扭矩，其中 計算質量包括採用所述測量的狀態以及扭矩。
8.如權利要求7的方法，其中所述測量的狀態包括所述至少一個連結部件的角度、角 速度、或者角加速度中的至少一個。
9.如權利要求8的方法，其中補償包括從所述扭矩減去一個或多個力矩，該力矩由離 心力和慣性力產生。
10.一種機器(10)，包括: 底架(14)；耦合到所述底架的平臺(12)； 耦合到所述平臺的作業機(18)；電源(16)，其被配置為相對於所述底架旋轉所述平臺；以及 如權利要求1-5任一項所述的有效負載計算系統。
全文摘要
本發明涉及一種用於和作業機(18)一起使用的有效負載計算系統(42)。有效負載計算系統可具有配置為測量作業機狀態的狀態傳感器(44)。有效負載計算系統還可具有配置為計算作業機所移動的有效負載質量的處理設備(48)。處理設備可配置為採用所測量的狀態對質量的計算補償由圍繞垂直樞軸(19)旋轉的作業機引起的作業機的離心力、慣性力和摩擦力。
文檔編號G01G19/08GK101999069SQ200880118164
公開日2011年3月30日 申請日期2008年11月25日 優先權日2007年11月30日
發明者B·米恩塔, E·G·布蘭特, J·K·貝裡, K·D·金, R·J·普萊斯, V·加納德漢, 戶澤昌司 申請人:卡特彼勒公司