专利名称：铺路机输出监视系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一用于监视一铺路机的输出的系统和方法，具体来说，涉及一用于监视铺路材料层的厚度和光滑度以及自动控制铺路机诸功能的系统和方法。
背景技术：
在筑路时可使用铺路机来铺设大量的铺路材料。因为铺路材料可以很广泛，并因为数量可以很大，所以，铺设路面的厚度偏离所要求的厚度可造成成本增加的后果。如果铺设的铺层太厚，则路还未铺完铺路公司就可能已经用完了材料，并被迫去购置添加的材料。如果铺层太薄，则铺设路面实施得质量差，促使路面过早损坏而需要花费钱进行修理。
铺层的光滑程度是铺设性能的另一重要因素。例如，如果铺设路面具有隆起的表面，则当车辆的轮胎驱过隆起表面时，增加的力将作用在突起的隆起表面上。除了行路人和货物须经历差的行车质量之外，施加在隆起表面上的增加的力可导致路面过早损坏。因此，提供一合适和均匀厚度的铺层并不自然地使得铺设就执行得很好。例如，如果在一不均匀的地表上面铺设一均匀厚度的铺层，则由于铺层将具有与地表同样的不均匀度而使铺层的光滑度将会变差。
除了厚度和光滑度之外，铺设密度在铺设性能上可起到一重要的作用。为了产生一均匀密度的铺设，铺设应该是均匀密实的。为了均匀地压实铺设，其温度应该保持一致，因为具有较高温度的铺设比具有较低温度的铺设可铺设得更密实。因此，铺设密度的均匀性依赖于施加到一表面上的铺设温度的均匀性。
人们已经开发出试图控制铺路机的输出的各种系统。例如，于1995年2月28发表的授予Fujita等人的美国专利No.5,393,167(‘167专利)介绍了一铺路机，其沿机器的侧边具有高度传感器，用来测量铺设装置相对于正在铺设的预先存在的表面的高度。然而，‘167专利不测量传感器相对于已经铺设的实际铺层的高度。因此，‘167专利根据铺设装置的测量高度来估计或近似铺层的厚度，而不是测量铺层本身。再者，‘167专利不监视铺层的光滑度。此外，‘167专利不监视铺层的温度。
本发明揭示的控制系统旨在克服一个或多个上述的问题。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一铺路机。该铺路机可包括一动力源、一牵拉系统、一构造成容纳铺设材料的料斗，以及构造成从料斗传输铺设材料的一个或多个传输器。铺路机可包括一构造成铺设一铺设材料的铺层的刮板。该铺路机还可包括至少一个前传感器，其安装在铺路机的前部并构造成测量从一表面到前传感器的高度，以及至少一个后传感器，其安装在铺路机上并构造成测量从铺层的表面到后传感器的高度。铺路机还可包括一构造成确定铺层厚度的控制器，其通过确定由至少一个前传感器测量的一个或多个前高度和由至少一个后传感器测量的一个或多个后高度之间的差值来确定铺层厚度。
在另一方面，本发明涉及一用来确定铺设材料的铺层厚度的方法。该方法可包括从一邻近于铺路机的前部的表面取得一个或多个前高度测量值，以及从一邻近于铺路机的后部的表面取得一个或多个后高度测量值。可以确定一个或多个前高度测量值和一个或多个后高度测量值之间的差值。
附图的简要说明
图1是根据一揭示的示范实施例的铺路机的示意的立体图；图2是根据一揭示的示范实施例的铺路机的示意的侧视图；图3是根据一揭示的示范实施例的铺路机的控制系统方框图；图4是根据一揭示的示范实施例的铺路机的示意的俯视图。
具体实施例方式
图1是一铺路机10的视图。尽管铺路机10在图中显示为一沥青铺路机，但本发明揭示的控制系统可以用于任何类型铺设材料的任何类型的铺路机上。本揭示的控制系统可使用的示范的铺设材料包括沥青、混凝土，以及诸如粉碎的砂砾之类的疏松的团聚材料。
铺路机10可包括一具有一动力源14的拖拉机12，一个或多个拖拉装置16，以及一容纳铺设材料的料斗18。铺路机10还可包括一通过牵引臂22附连到拖拉机12的刮板20，刮板被牵引在拖拉机12后面，以便散布和将铺设材料压实为铺设在一铺设表面26上的铺层24。刮板20可包括一个或多个螺旋钻28，以便散布铺设材料。此外，铺路机10可包括一附连到刮板20和/或牵引臂22的传感器框架30。传感器框架30可包括一个或多个前高度传感器32、一个或多个后高度传感器34、一组右侧高度传感器36、一组左侧高度传感器38，以及一个或多个后温度传感器40。
铺路机10还可包括一操作者工作站42。操作者工作站42包括一座椅44和一可安装在一机架48上的控制台46。操作者工作站42可包括一控制器50，以及一用来接受用户输入和对用户显示信息的用户接口52。
尽管拖拉装置16在图中显示为履带，但拖拉装置16也可以是轮子或任何其它类型的拖拉装置。例如，铺路机10可既包括履带也包括轮子。
现参照图2，铺路机10可包括容纳铺设材料的料斗18。铺设材料可从供应铺设材料到工地的卡车中倾倒到料斗18内。铺路机10可包括一个或多个位于料斗18底部的传输器54。传输器54可并排地定位，并向后至拖拉机12后部彼此平行地运行。传输器54可从料斗18将铺设材料运输到拖拉机12后方，在那里，铺设材料可掉落在拖拉机12后面刮板20前面的铺设表面26上而形成堆56(示于图2的剖开部分58中)。当铺路机10向前移动时，堆积的材料56可以均匀地散开并被刮板20压实。
传输器54的速度可以变化而致使堆积材料56高一点或低一点。通过相对于铺路机10移动的速度变化传输器的速度可提高或降低堆的高度。例如，如果传输器速度相对于铺路机速度较高，则铺设材料可累积在拖拉机12后面刮板20前面，因此，造成一较高的材料堆。如果传输器速度相对于铺路机速度较低，则铺设材料可在铺设表面26的一较长的幅度上散开，因此，造成一较低的材料堆。
各个传输器的速度可以独立地变化。传输器54独立地变化速度可以朝向铺路机10的一侧或另一侧增加或减小堆的高度。该特征可用来将不留心倾向一侧的材料堆弄平坦，或故意地形成一倾向一侧的材料堆。
刮板20可均匀地分散材料堆56并在铺设表面26上将铺设材料压实成铺层24。刮板20在图中显示为一浮动式的刮板。然而，刮板20可以是用于任何类型铺设材料的任何类型的刮板。刮板20可以通过牵拉臂22在牵拉点60处附连到拖拉机12。通过用刮板高度致动器62提升和/或降低牵拉点60处的牵拉臂22，可调整刮板20的高度。刮板高度致动器62可以是任何合适的致动器，例如，液压缸。当铺路机10移动时，刮板20可以相对于牵拉点60处的牵拉臂22的高度基本保持一致的高度浮动在铺设材料层上。
刮板20可包括旋转钻28，其用来在刮板20下方均匀地分散材料堆56。尽管附图仅示出一个旋转钻28，但铺路机10可具有一单一的旋转钻或任何数量的旋转钻。在一示范的实施例中，铺路机10可包括两个旋转钻28，它们可端对端地对齐，并交叉地位于刮板20内。
各旋转钻28可以独立地被控制，以便控制铺路机10的输出。不同的旋转钻设置可用来对供应到刮板的铺设材料的不平衡进行补偿，或甚至在铺路机10的输出中形成要求的不平衡。
各旋转钻28的速度可以独立地变化。例如，如果一个传输器要比另一个运输更多铺设材料，则材料堆56将朝向机器的一侧变高。增加铺路机10一侧上的旋转钻速度使材料堆变高，可通过均匀地分散铺设材料来纠正倾向一侧的堆高度。
旋转钻28的高度也可调整。可以调整旋转钻的高度以便将旋转钻28定位在合适的高度，从而充分地分散材料堆。在铺设材料分散之后，刮板20可将铺设材料光顺和压实为铺层24。如果旋转钻28太高，则材料堆56不能充分地分散，且刮板20不能将其完全地光顺。如果旋转钻28太低，则它们会打乱铺设材料，以致没有足够的材料给刮板20来光顺和压实到刮板20可能设定的高度上。在材料堆56已经均匀地分散之后，刮板20可将铺设材料光顺和压实为铺层24。在刮板20铺好铺层24之后，可使用一与铺路机10分开的压路机来对铺层24提供另外的压实。
铺路机10可包括刚性地附连到刮板20和/或牵拉臂22的传感器框架30。传感器框架30可保持水平或相对于刮板20保持一固定角。传感器框架30可包括测量高度的装置，例如，用来测量从地面到各传感器的距离的高度传感器。传感器框架30还可包括用来测量铺层24温度的温度传感器。传感器框架30可包括前高度传感器32、后高度传感器34、右侧高度传感器36、左侧高度传感器38，以及后温度传感器40。高度传感器可以是能够确定到一表面的距离的任何类型的传感器。在一示范的实施例中，高度传感器可以是非接触式距离传感器，例如，激光传感器或声传感器。
图3示出表示本发明所揭示的控制系统的诸部件的方框图，其包括前高度传感器32、后高度传感器34、右侧高度传感器36、左侧高度传感器38，以及后温度传感器40和一铺路机速度传感器64。控制系统也可包括控制器50、一用户接口52，以及由控制器50控制的铺设功能部件，例如，刮板高度致动器62、传输器马达66、一旋转钻高度致动器68，以及旋转钻马达70。
用户接口52可以位于铺路机10上的任何合适位置。用户接口52可以位于操作者工作站42处，那里，它可以合并在位于机架48上的控制台46内。或者，用户接口52可以位于一下部位置72(见图1)，这样，站在地面上的使用者可以接近用户接口52。
用户接口52可包括一用来改变铺路机10的设置的输入装置74。输入装置74可以是任何类型的输入装置，其包括键区、触摸屏、拨号、旋钮、操纵盘等。输入装置74可包括一个以上输入装置，例如，一系列旋钮。输入装置74可连接到控制器50以用来改变铺路机10的设置。这样的设置可包括铺路机速度、传输器速度、旋转钻速度、刮板速度、旋转钻高度，以及需要改变的任何其它设置。一操作者可从一预定范围的值中选择各个设置。
此外，某些设置可彼此连接。例如，传输器速度和旋转钻速度可以连接而使两个速度之间的比值保持相同(例如，传输器速度可以始终保持为旋转钻速度的一半)。该比值也可由操作者进行调整。刮板高度和旋转钻高度也可以相同的方式彼此连接。
这些设置可以直接地连接到输入装置74。例如，用户接口52可包括一拨号型的输入装置，以便调整传输器速度的设置。或者，这些设置另外地可直接连接到输入装置74。例如，用户接口52可包括一输入拨号，其特别地用来设定诸如堆高度之类的铺路机功能的要求的输出。通过选择一特定的堆高度，传输器速度可自动地设定到一值，在给定的当前铺路机速度的情况下，该值可产生要求的堆高度。
用户接口52还可包括一显示器76。显示器76可以是适于对铺路机10的使用者显示信息的任何类型的显示器。例如，显示器76可以是屏幕型的监视器。例如，阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子屏，以及如上述输入装置74中讨论的触摸屏。显示器76也可包括一个或多个简单的数字显示。显示器76也可包括一个或多个模拟量。
铺路机10可包括一装置，其用来记录高度测量值、平均高度测量值，确定铺层的厚度和/或光滑度，以及铺路机的产量。这样的装置可以是诸如控制器50那样的控制器。控制器50可从以下的装置中接受信息前高度传感器32、后高度传感器34、右侧高度传感器36、左侧高度传感器38、后温度传感器40、铺路机速度传感器64、输入装置74，以及被处理或显示的任何其它信息源。控制器50可将信号送到显示器76，以便显示各种设置，以及从以上所列的铺设机10上的诸传感器中记录的信息。控制器50还可将信号送到铺设功能部件以便控制这些部件的设置。
控制器50可以构造成从其接受的信息中确定铺设输出数据，例如，铺层厚度、铺层光滑度、铺层温度、铺层高度以及横向坡度。控制器50还可构造成根据该确定的数据来控制铺路机10的铺设功能部件。这些部件可包括刮板高度致动器62、传输器马达66、旋转钻高度致动器68，以及旋转钻马达70。
图4提供铺路机10的俯视图。图4示出料斗18中的传输器54。图4还示出将传感器框架30附连到刮板20和牵拉臂22的支承件78。
工业应用揭示的控制系统可用来监视和/或控制铺路机的输出。监视铺路机的输出可提高铺设表面的精度和性能，以及降低不必要的成本。自动地控制铺路机的功能也可提高铺设表面的精度和性能，此外，可提高效率同时能使较少经验和/或技术水平较低的操作者也能获得高质量的结果。所揭示的控制系统的这些优点可在使用任何类型铺设材料的任何类型铺路机中实现。
特定工作所需要的铺设材料量预先予以确定，由要求铺设的厚度乘以被指定铺设的地块的面积，由此计算出材料的体积。通过要求铺设的特定材料的已知密度乘以计算得出的体积，材料的体积可转换为重量。
铺路机的材料量，或“产量”可以同样的方式计量。产量可以表示为重量，并可计算如下被铺设的铺设材料的铺层厚度乘以铺层的宽度和已铺设的距离。这三个值的乘积可计算出材料的体积，它可以乘以铺设材料的已知密度来计算出已经铺设的铺设材料的重量。表达为重量的产量(YW)可用以下公式计算，其中，T表示被铺设的铺设材料的铺层厚度，W表示铺层的宽度，D表示铺层已经铺设的距离，以及ρ表示铺设材料的密度YW＝TWDρ此外，产量可以表示为材料铺设的速度(例如，吨/时)，并可利用铺层的尺度、铺设材料的密度和铺路机的速度进行计算。表达为速度的产量(YR)可用以下公式计算，其中，T表示被铺设的铺设材料的铺层厚度，W表示铺层的宽度，ρ表示铺设材料的密度，以及S表示铺路机的速度YR＝TWρS现将再次参照图4，图中示出围绕铺路机10周缘放置高度和温度传感器。高度传感器可测量它相对于其下方的一表面(例如，地面或新铺设的铺层)的高度。由于它们沿周缘地放置，所以从各传感器测得的测量值可以与位于铺路机10相对侧上的传感器测得的测量值进行比较，以确定有关铺路机10的操作和/或输出的信息。该信息能使控制器50自动操作铺路机10的各种功能，以便提高其精度和效率。
通过比较可测量到铺设表面26的由前高度传感器32测得的测量值和可测量到铺层24的由后高度传感器34测得的测量值，控制器50可确定铺层的厚度。铺层厚度可由计算由前高度传感器32和后高度传感器34测得的高度差予以确定。
为了提高精确度，由前高度传感器32和后传感器高度传感器34测得的成组的测量值可在相同的位置或地点进行测量。即，对于给定的测量值组，后高度传感器测量可在前高度传感器测量之后延迟一段时间，这样，当后高度传感器34到达铺设表面26上前高度传感器进行测量的地点时，后高度传感器进行测量。由铺路机速度传感器64监视的铺路机10的速度可被控制器50利用来确定为在相同地点进行测量所必须的延迟。
控制器50可在新铺层铺设时反复地计算铺层厚度，因此，在铺设材料的幅度上确定厚度的均匀性。此外，各个前高度传感器32可在铺路机上与对应的后高度传感器34对齐(如细线80所示)，因此，形成成对的传感器。通过比较由各对传感器测得的铺层厚度，控制器50可在横贯铺设材料的铺层上的一个以上位置处确定铺层厚度。控制器50还可构造成响应于这些厚度计算来控制铺路机10的功能。如果控制器50确定在铺层的一侧上铺层厚度太大，则控制器50可通过在铺路机10的铺设铺层太厚的一侧上调整一个或多个部件的设定值来补偿误差。例如，控制器50可降低牵拉臂和/或仅在较厚铺层的一侧上减小传输器的速度，以便减小仅那侧上的铺层厚度。
铺层的光滑度也可由本揭示的控制系统进行监视。控制器可以构造成沿铺层确定其光滑度，其间隔地记录由后高度传感器34测得的高度值并将它们彼此比较来确定光滑度。高度测量值越一致则表示铺层越光滑。此外，控制器50可以构造成通过彼此比较后传感器测得的高度值来确定横贯铺层的光滑度。例如，控制器50可同时地记录从各后传感器测得的高度值。控制器50可彼此比较这些测量值。这样，测量值越一致则表示铺层越光滑。控制器50还可以构造成响应于这些确定的光滑度来控制铺路机10的功能。
铺路机10还可装备有自动级的控制器。自动级的控制器可以自动地控制铺路机10来相对于一参考表面产生一具有特定高度的铺层。铺路机10可包括若干个右侧高度传感器36和/或左侧高度传感器38，它们构造成从侧向与铺路机间隔的一参考表面测量高度。该参考表面可以是铺设表面26，或沿正被铺路机10铺设的马路的路边。参考表面还可以是先前已铺设的铺层，铺路机10靠近该已铺设的铺层将邻接另一铺层(即，两个铺层的表面应处于相同的高度)。
在操作中，由右侧高度传感器36和/或左侧高度传感器38记录的高度测量值可以进行平均以确定参考表面的平均高度。测量的平均值比由一单一传感器测得的一系列测量值波动要小。
此外，如虚线82所示，各个右侧高度传感器36可以在铺路机上与对应的左侧高度传感器38对齐以形成成对的传感器。通过确定铺路机10两侧上的参考表面的高度，控制器50可控制横贯铺层的高度。控制器50可以独立地控制刮板20的侧端的高度以形成一具有横向坡度的铺层。即，刮板20可以倾斜而使铺层的一侧高于另一侧。
为了监视铺设温度，铺路机10还可包括一个或多个构造成测量刮板20后方铺层温度的后温度传感器40。通过比较从一个或多个后温度传感器40记录的温度，控制器50可以构造成用来确定铺层温度的均匀性。控制器50还可构造成自动地开始调整铺路机10的一个或多个设置，以便保持一均匀的铺层温度。这些设置还可包括传输器速度、旋转钻速度和旋转钻高度。
在不脱离本发明范围的前提下，本技术领域内的技术人员将会明白，对于所揭示的铺路机的输出监视系统可以作出各种修改和变化。考虑本说明书并实践本文所揭示的本发明，本技术领域内的技术人员将会明白本发明的其它诸多实施例。本说明书及其实例应认为仅是为了示范而已，本发明的真正范围应由附后的权利要求书及其等价物予以指明。
权利要求
1.一铺路机，包括一动力源；一牵拉系统；一构造成容纳铺设材料的料斗；以及构造成从料斗传输铺设材料的一个或多个传输器；一构造成铺设一铺设材料的铺层的刮板；至少一个前传感器，安装在铺路机的前部上并构造成测量从一表面到前传感器的高度；至少一个后传感器，安装在铺路机上并构造成测量从铺层的表面到后传感器的高度；以及一构造成确定铺层厚度的控制器，通过确定由至少一个前传感器测量的一个或多个前高度和由至少一个后传感器测量的一个或多个后高度之间的差值来确定铺层厚度。
2.如权利要求1所述的铺路机，其特征在于，控制器构造成记录从第一组诸点处的至少一个前传感器得到的高度测量值，以及记录从对应于第一组诸点的第二组诸点处的至少一个后传感器得到的高度测量值，以使第一和第二组诸点的对应点协同定位。
3.如权利要求1所述的铺路机，其特征在于，控制器还构造成根据确定的铺层厚度来确定铺路机的产量。
4.如权利要求1所述的铺路机，其特征在于，控制器还构造成根据由至少一个前传感器测得的一个或多个前高度测量值和由至少一个后传感器测得的一个或多个后高度测量值之间确定的差值，自动地开始调整铺路机的一个或多个设置。
5.如权利要求1所述的铺路机，其特征在于，控制器还构造成当铺路机沿向前方向移动时，从至少一个后传感器中递增地记录高度测量值；以及通过比较记录的高度测量值，确定沿一平行于向前方向的纵向方向和一垂直于向前方向的侧向方向中的至少一个方向的铺层的光滑度。
6.一用来确定铺设材料的铺层厚度的方法，该方法包括从一邻近于铺路机的前部的表面取得一个或多个前高度测量值；从一邻近于铺路机的后部的表面取得一个或多个后高度测量值；以及确定一个或多个前高度测量值和一个或多个后高度测量值之间的至少一个差值。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括记录在第一组诸点处的一个或多个前高度测量值；记录在对应于第一组诸点的第二组诸点处的一个或多个后高度测量值，以使第一和第二组诸点的对应点协同定位。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括当铺路机沿向前方向移动时，沿着铺层递增地确定一系列铺层厚度值；求铺层厚度值的平均值；以及根据一平均的铺层厚度值计算铺路机的产量。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括当铺路机沿向前方向移动时，从至少一个后传感器中递增地记录高度测量值；以及通过比较从至少一个后传感器得到的记录的高度测量值，确定沿一平行于向前方向的纵向方向和一垂直于向前方向的侧向方向中的至少一个方向的铺层的光滑度。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括根据一个或多个前高度测量值和一个或多个后高度测量值之间确定的差值，自动地开始调整铺路机的一个或多个设置。
全文摘要
一铺路机可包括一动力源、一牵拉系统、一构造成容纳铺设材料的料斗，以及构造成从料斗传输铺设材料的一个或多个传输器。铺路机还可包括一构造成铺设一铺设材料的铺层的刮板。该铺路机还可包括至少一个前传感器，其安装在铺路机的前部并构造成测量从一表面到前传感器的高度，以及至少一个后传感器，其安装在铺路机上并构造成测量从铺层的表面到后传感器的高度。铺路机还可包括一构造成确定铺层厚度的控制器，其通过确定由至少一个前传感器测量的一个或多个前高度和由至少一个后传感器测量的一个或多个后高度之间的差值来确定铺层厚度。
文档编号E01C19/48GK1743552SQ20051009907
公开日2006年3月8日 申请日期2005年8月31日 优先权日2004年8月31日
发明者D·M·奥尔松, M·J·索拉蒂 申请人:卡特彼勒铺筑材料产品股份有限公司