控制工业机械的挖掘操作的制作方法
【专利摘要】本发明涉及控制工业机械的挖掘操作，所述工业机械包括铲斗、伸缩马达驱动装置和控制器。所述伸缩马达驱动装置被构造成向伸缩马达提供一个或多个控制信号，所述伸缩马达可操作以向所述铲斗提供力，以使所述铲斗朝向或远离工作面移动。所述控制器被连接到所述伸缩马达驱动装置，并且被构造用以：监测所述工业机械的特征；基于所监测到的所述工业机械的特征识别与铲斗相关联的撞击事件；和当识别出所述撞击事件时，对伸缩马达驱动装置设定伸缩电转扭矩限值。
【专利说明】控制工业机械的挖掘操作
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请是2013年1月15日提交的美国专利申请No. 13/742,091的部分继续案， 后者是2011年8月31日提交的美国专利申请第13/222, 582的继续案，后者要求2011年4 月29日提交的美国临时专利申请第61/480, 603号的权益，以上文献的全部内容通过引用 而并入本文。
【技术领域】
[0003] 本发明涉及控制诸如电动绳索挖掘机或动力挖掘机的工业机械的挖掘操作。
【背景技术】
[0004] 诸如电动绳索挖掘机或动力挖掘机、索斗铲等的工业机械被用来执行从例如工作 面中移除材料的挖掘操作。在困难的采矿环境中(例如，硬边角环境)，向外推出铲斗杆（即， 使铲斗杆平移远离工业机械）以撞击工作面能够导致铲斗意外停止。铲斗的意外停止能够 接着导致悬臂顶升。悬臂顶升是整个悬臂由于过度的推出反作用力而反冲。由铲斗意外停 止引起的悬臂顶升或反冲导致工业机械沿向后方向倾斜（即，倾覆力矩或重心[〃CG〃]偏移 远离工作面)。这样的倾覆力矩在工业机械上引起循环应力，这能够导致焊接开裂或其它应 变。工业机械沿向前或者向后方向倾斜的程度影响工业机械经受的结构疲劳。限制工业机 械的最大向前和/或向后倾覆力矩和CG偏移因此能够增加工业机械的操作寿命。
【发明内容】
[0005] 因而，本发明提供工业机械的控制，使得控制在挖掘操作过期间使用的伸缩和升 降力，以防止或限制工业机械的向前和/或向后倾覆力矩。例如，减少CG偏移量，以减少 工业机械上的结构疲劳(例如，在移动基座、转台、机械甲板、下端等上的结构疲劳）并增加 工业机械的运行寿命。相对于升降力（例如，升降释放拉力（hoist bail pull))控制伸缩 力（例如，伸缩扭矩或伸缩扭矩限值)，使得基于升降释放拉力的水平来设定伸缩扭矩或伸 缩扭矩限值。这样的控制限制在挖掘操作早期能够施加的伸缩扭矩，并且在升降释放拉力 的水平增加时，逐渐地增加在挖掘操作从头到尾能够施加的伸缩扭矩。此外，当工业机械的 铲斗撞击工作面时，基于工业机械的部件(例如，铲斗、铲斗杆等）的所确定的加速度来增加 (例如，超过正常或标准操作值）最大允许恢复或缩回扭矩。在挖掘操作器件以这种方式控 制工业机械的操作限制或消除能够对工业机械的操作寿命具有不利影响的静态和动态向 后倾覆力矩和CG偏移。例如，向前和向后静态倾覆力矩涉及诸如所施加的升降和伸缩扭矩 的工业机械的操作特征。向前和向后动态倾覆力矩涉及例如由铲斗撞击工作面等导致的在 工业机械上的瞬时力或工业机械的特征。
[0006] 在一个实施例中，本发明提供一种工业机械，所述工业机械包括铲斗、伸缩马达驱 动装置和控制器。伸缩马达驱动装置被构造成用以向伸缩马达提供一个或多个控制信号， 并且伸缩马达可操作用以向铲斗提供力，以使铲斗朝向或远离工作面移动。控制器被连接 到伸缩马达驱动装置，并被构造成用以：监测工业机械的特征；基于监测到的工业机械的 特征来识别与铲斗相关联的撞击事件；并且当识别出撞击事件时为伸缩马达驱动装置设定 伸缩电转扭矩（motoring torque)限值。
[0007] 在另一实施例中，本发明提供一种控制直流("DC"）工业机械的挖掘操作的方法。 该工业机械包括铲斗和伸缩马达驱动装置。所述方法包括：监测工业机械的特征；基于监 测到的工业机械的特征识别与铲斗相关联的撞击事件；和当识别出撞击事件时，为伸缩马 达驱动装置设定伸缩电转扭矩限值。所述撞击事件在工业机械上产生倾覆力矩。
[0008] 本发明的其它方面通过考虑详细描述和附图将会变得显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 图1示意根据本发明的实施例的工业机械。
[0010] 图2示意根据本发明的实施例的工业机械的控制器。
[0011] 图3示意根据本发明的实施例的工业机械的数据记录系统。
[0012] 图4示意根据本发明的实施例的工业机械的控制系统。
[0013] 图5-9示意用于控制根据本发明的实施例的工业机械的流程。
【具体实施方式】
[0014] 在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解，本发明的应用不限于以下说明书 中阐述或附图中示意的结构细节和部件布置。本发明能够具有其它实施例并可以其它方式 实践或实施。此外，应理解，本文所采用的措辞和术语是为说明的目的，而不应认为是限制。 本文中"包括"、"包含"、"具有"以及其变型的使用意思是包含此后列出的项目和其等同物 以及另外的项目。术语"安装"、"连接"、"联接"广泛地被使用并且包含直接和间接安装、连 接和联接。此外，"连接"和"联接"不管是直接还是间接，不限于物理或机械连接或联接，并 且可以包括电连接或联接。此外，电子通讯和通知可使用包括直接连接、无线连接等的任何 已知方式来实施。
[0015] 应该注意的是，多个硬件和基于软件的装置以及多个不同的结构部件可用来实施 本发明。此外，如随后段落中描述，附图中所示的具体构造旨在例示本发明的实施例，并且 其它替代构造是可能的。除非另作说明，术语"处理器"、"中央处理单元"以及"CPU"是可 互换的。这里术语"处理器"或"中央处理单元"或"CPU"被用作标识实施具体功能的单元， 应该理解的是，除非另作说明，这些功能能够通过单个处理器或以任何方式布置的多个处 理器，包括并行处理器、串行处理器、串联处理器或云处理/云计算构造来实施。
[0016] 本文描述的本发明涉及与基于工业机械的升降力或升降释放拉力动态控制工业 机械的一个或多个伸缩扭矩限值相关联的系统、方法、装置以及计算机可读介质。诸如电动 绳索挖掘机或类似的采矿机械的工业机械可操作用以执行挖掘操作，以从工作面移除有效 载荷（即材料)。当工业机械挖掘到工作面中时，由铲斗与工作面撞击而导致的作用在工业 机械上的力或伸缩扭矩和升降释放拉力的相对值能够沿向后方向在工业机械上产生倾覆 力矩和重心("CG"）偏移。CG偏移的量值取决于例如容许伸缩扭矩或伸缩扭矩限值对升降 释放拉力的水平的比以及工业机械在铲斗与工作面撞击之后消散一个或多个伸缩马达的 动能的能力。作为CG偏移的结果，工业机械经受能够对工业机械的操作寿命造成不利影响 的循环结构疲劳和应力。为了减少工业机械经受的向后倾覆力矩和CG沿向后方向偏移的 范围，工业机械的控制器动态地将伸缩扭矩限制到相对于升降释放拉力的水平的最佳值， 并且还基于工业机械的部件(例如，铲斗、铲斗杆等）的被确定的加速度动态地增加最大容 许缩回扭矩或伸缩缩回扭矩(例如，超过标准操作值)。在挖掘操作期间以这种方式控制工 业机械的操作减少或消除工业机械的静态和动态的向后倾覆力矩和CG偏移。
[0017] 虽然本文描述的本发明能够应用到各种工业机械(例如绳索挖掘机、索斗铲、交流 电["AC"]机械、直流电["DC"]机械、液压机械等)、由各种工业机械实施或与各种工业机 械结合使用，但本文描述的本发明的实施例是相对于诸如图1中所示的动力挖掘机10的电 动绳索挖掘机或动力挖掘机描述的。挖掘机10包括移动基座15、驱动履带20、转台25、机 械甲板30、悬臂35、下端40、滑轮45、拉索50、背撑条55、撑条结构60、铲斗70、一根或多根 升降绳75、绞盘鼓筒80、铲斗臂或杆85、鞍状块90、枢转点95、传动单元100、释放销（bail pin) 105、倾斜计110以及滑轮销115。在一些实施例中，本发明能够应用到包括例如致动 伸缩动作的单腿杆、操纵杆(例如管状操纵杆）或液压缸的工业机械。
[0018] 移动基座15由驱动履带20支承。移动基座15支承转台25和机械甲板30。转 台25能够绕机械甲板30相对于移动基座15旋转360度。悬臂35在下端40被可枢转地 连接到机械甲板30。悬臂35通过锚固到支柱结构60的背撑条55的拉索50而被保持成相 对于甲板向上和向外伸展。支柱结构60刚性地安装在机械甲板30上，并且滑轮45被可旋 转地安装在悬臂35的上端上。
[0019] 铲斗70通过升降绳75而从悬臂35悬挂。升降绳75缠绕在滑轮45上且在释放 销105处附接到铲斗70。升降绳75被锚固到机械甲板30的绞盘鼓筒80。当绞盘鼓筒80 旋转时，升降绳75被放出以降低铲斗70或被拉进以升高铲斗70。铲斗杆85还被刚性地附 接到铲斗70。铲斗杆85被可滑动地支承在鞍状块90中，并且鞍状块90在枢转点95处被 可枢转地安装到悬臂35。铲斗杆85包括在其上的齿条齿型构，该齿条齿型构接合安装在鞍 状块90中的驱动小齿轮。驱动小齿轮通过电动马达和传动单元100来驱动，以相对于鞍状 块90伸展或缩回铲斗臂85。
[0020] 电源被安装到甲板30,以向用于驱动绞盘鼓筒80的一个或多个升降电动马达、用 于驱动鞍状块传动单元100的一个或多个伸缩电动马达以及用于转动转台25的一个或多 个回转电动马达提供电力。伸缩、升降和回转马达中的每一个均能够由其自身的马达控制 器驱动或响应来自控制器的控制信号来驱动，如下所述。
[0021] 图2示意与图1的动力挖掘机10相关联的控制器200。控制器200与挖掘机10 的各个模块或部件电连接和/或通信连接。例如，所示控制器200被连接到一个或多个指 示器205、用户界面模块210、一个或多个升降马达和升降马达驱动装置215 (组合示出）、 一个或多个伸缩马达和伸缩马达驱动装置220 (组合示出）、一个或多个回转马达和回转马 达驱动装置225 (组合示出）、数据存储或数据库230、电源供应模块235、一个或多个传感 器240以及网络通信模块245。控制器200包括其中可操作用以控制动力挖掘机10的操 作、控制悬臂35、纟产斗臂85、纟产斗70等的位置、致动一个或多个指示器205 (例如液晶显示 器["LCD"])、监测挖掘机10的操作等的硬件和软件的组合。其中，所述一个或多个传感器 240包括负载销应变计、倾斜计110、吊架销（gantry pin)、一个或多个马达现场模块（field module)、一个或多个电流传感器、一个或多个速度传感器(例如，多个霍尔效应传感器)、一 个或多个电压传感器、一个或多个扭矩传感器等。负载销应变计包括例如沿X方向(例如水 平地)定位的一组应变计和沿Y方向(例如垂直地)定位的一组应变计，使得能够确定作用在 负载销上的合力。在一些实施例中，除了伸缩马达驱动装置外，能够使用伸缩驱动装置(例 如用于单腿杆、操纵杆、液压缸等的伸缩驱动装置)。例如，马达215、220和225能够是直流 ("DC"）马达、交流("AC"）感应马达、AC绕线转子马达、无刷DC ("BLDC"）马达、永磁马达、 开关磁阻马达、同步开关磁阻马达、液压马达等，或其组合。
[0022] 在一些实施例中，控制器200包括提供电力、操作控制和保护控制器200和/或挖 掘机10内的部件和模块的多个电气和电子部件。例如，其中，控制器200包括处理单元250 (例如微处理器、微控制器或其它合适可编程装置)、存储器255、输入单元260和输出单元 265。其中，处理单元250包括控制单元270、算术逻辑单元（"ALU") 275和多个寄存器280 (图2中示为一组寄存器)，并且使用诸如改进的哈佛体系结构（Harvard architecture)、 冯·诺伊曼体系结构等的已知计算机体系结构来实施。处理单元250、存储器255、输入单 元260、输出单元265以及被连接到控制器200的各个模块通过一条或多条控制和/或数据 总线（例如公用总线285)连接。为示例目的，控制和/或数据总线在图2中概括地示出。 鉴于本文所描述的本发明，一条或多条控制和/或数据总线用于各个模块和部件之间的互 相联络和相互连接对于本领域技术人员而言是众所周知的。在一些实施例中，控制器200 部分地或完全地在半导体(例如，现场可编程门阵列[〃FPGA〃]半导体）芯片上实现，所述半 导体芯片诸如通过寄存器传输级（"RTL")设计过程开发的芯片。
[0023] 存储器255包括例如程序储存区和数据储存区。程序储存区和数据储存区可以包 括不同类型的存储器的组合，诸如只读存储器（"ROM")、随机存取存储器（"RAM")(例如动态 RAM[〃DRAM〃]、同步DRAM[〃SDRAM〃]等)、电可擦可编程只读存储器（"EEPR0M")、闪存、硬盘、 SD卡或其它合适的磁性、光学、物理或电子存储器装置。处理单元250被连接到存储器255 并执行可以被存储在存储器255的RAM (例如在执行期间）、存储器255的ROM (例如在大体 永久基础上）或诸如其它存储器或磁盘的其它非暂时性计算机可读介质中的软件指令。包 括在挖掘机10的实施中的软件可以被储存在控制器200的存储器255中。所述软件包括 例如固件、一个或多个应用程序、程序数据、筛选程序、规则、一个或多个程序模块以及其它 可执行指令。其中，控制器200被构造成从存储器取回并执行涉及本文描述的控制流程和 方法的指令。在其它结构中，控制器200包括另外的、更少的或不同的部件。
[0024] 网络通信模块245被构造成连接到网络290并且通过网络290通信。在一些实 施例中，设施网络例如是广域网（"WAN")(例如基于TCP/IP的网络、蜂窝式网络，诸如例如 全球移动通信系统[〃GSM〃]网络、通用分组无线业务[〃GPRS〃]网络、码分多址[〃CDMA〃] 网络、演进数据优化[〃EV-D0〃]网络、增强型数据速率GSM演进["EDGE"]网络、3GSM网络、 4GSM网络、数字增强无绳通信[〃DECT〃]网络、数字AMPS[〃IS-136/TDMA〃]网络或集成数字 增强型网络[〃iDEN〃]网络等)。
[0025] 在其它实施例中，网络290例如是采用诸如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等的任何各种通 信协议的局域网（"LAN")、邻域网（"NAN")、家庭网络（"HAN")或个人局域网（"PAN")。由 网络通信模块245或控制器200通过网络290进行通信能够使用一个或多个加密技术来 保护，诸如那些在基于端口的网络安全、预共享密钥、可扩展认证协议（"ΕΑΡ")、有线等效保 密（〃WEP〃）、临时密钥完整性协议（〃TKIP〃）、Wi-Fi保护访问（〃WPA〃）等的ΙΕΕΕ802. 1标准 中提供的技术。网络通信模块245和网络290之间的通信例如是有线连接、无线连接或无 线和有线连接的组合。类似地，控制器200和网络290或网络通信模块245之间的通信是 有线连接、无线连接或无线和有线连接的组合。在一些实施例中，控制器200或网络通信模 块245包括一个或多个通信端口（例如以太网、串行高级技术附件[〃SATA〃]、通用串行总线 ["USB"]、电子集成驱动器["IDE"]等)，用于传输、接收或存储与挖掘机10或挖掘机10的 操作相关联的数据。
[0026] 电源供应模块235向控制器200或挖掘机10的其它部件或模块提供额定AC或DC 电压。电源供应模块235例如由具有100V和240V AC之间的额定线电压和大约50-60Hz 的频率的电源供电。电源供应模块235还被构造成提供较低电压，以操作控制器200或挖 掘机10内的电路和部件。在其它结构中，控制器200或挖掘机10内的其它部件和模块由 一个或多个电池或电池组，或其它不依赖电网的电源(例如发电机、太阳能板等）供电。
[0027] 用户界面模块210用来控制或监测动力挖掘机10。例如，用户界面模块210可操 作地联接到控制器200,以控制铲斗70的位置、悬臂35的位置、铲斗杆85的位置、传动单 元100等。用户界面模块210包括实现对挖掘机10进行期望水平的控制和监测所需的数 字和模拟输入或输出装置的组合。例如，用户界面模块210包括显示器(例如主显示器、第 二显示器等)和输入装置，诸如触摸屏显示器、多个旋钮、表盘、开关、按钮等。显示器例如是 液晶显示器（1^〃）、发光二极管（〃1^0〃）显示器、有机1^0(〃01^0〃）显示器、电致发光显 示器（"ELD")、表面传导电子发射体显示器（"SED")、场致发射显示器（"FED")、薄膜晶体管 ("TFT")IXD等。用户界面模块210还能够被构造成实时或大致实时地显示与动力挖掘机 10相关联的状态或数据。例如，用户界面模块210被构造成显示所测量的动力挖掘机10的 电特征、动力挖掘机10的状况、铲斗70的位置、铲斗杆85的位置等。在一些实施方式中， 联合控制用户界面模块210和一个或多个指示器205 (例如LEDs、扬声器等)，以提供动力 挖掘机10的状态或状况的视觉或听觉指示。
[0028] 与上述挖掘机10相关联的信息和数据还能够被储存、记录、处理并被分析，以实 施本文描述的控制方法和流程，或随时监测挖掘机10的运行和性能。例如，图3示出用于挖 掘机10的数据记录和监测系统300。该系统包括数据采集（"DAQ")模块305、控制装置310 (例如控制器200)、数据记录器或记录仪315、驱动装置320、第一用户界面325、网络290、数 据中心330 (例如关系数据库)、远程计算机或服务器335、第二用户界面340以及报告数据 库345。例如，DAQ模块305被构造成从一个或多个负载销(例如吊架负载销350)接收模拟 信号，将该模拟信号转换成数字信号，并将该数字信号传送给控制装置310处理。控制装置 310还从驱动装置320接收信号。在所示实施例中的驱动装置是马达和马达驱动装置320 (例如升降马达和/或驱动装置、伸缩马达和/或驱动装置、回转马达和/或驱动装置等)， 所述马达和马达驱动装置将其中涉及马达RPM、马达电流、马达电压、马达功率等的信息提 供给控制装置310。在一些实施例中，驱动装置320是在挖掘机10的操作员驾驶室中的一 个或多个操作员控制件(例如操纵杆)。控制装置310被构造成使用由DAQ模块305和驱动 装置320以及与挖掘机10的操作相关联的其它传感器和监测装置提供的信息和数据来确 定例如挖掘机10的倾覆力矩(例如向前或向后)、CG偏移（即CG的平移距离)、用电量(例如 吨数/千瓦小时)、每小时移动的材料吨数、周期时间、填充系数、有效载荷、铲斗杆角度、铲 斗位置等。在一些实施例中，用来采集、处理、分析和记录与挖掘机10相关联的信息和数据 的工业机械监测和控制系统诸如威斯康星州，密尔沃基的P&H采矿设备公司生产和销售的 P&H? Centurion? 系统。
[0029] 第一用户界面325能够用于实时监测由控制装置310接收的信息和数据，或访问 储存在数据记录器或记录仪315中的信息。由控制装置310采集、计算和/或确定的信息 随后被提供到数据记录器或记录仪315。在所示意的实施例中，数据记录器或记录仪315、 控制装置310、驱动装置320和DAQ模块被包含在挖掘机10内。在其它实施例中，这些装置 的一个或多个装置可以位于远离挖掘机10处。在实施本文所述的控制方法和流程(例如控 制挖掘操作）期间，由控制装置310确定的挖掘机10的倾覆力矩(例如向前或向后)、CG偏 移（即CG的平移距离)、用电量(例如吨数/千瓦小时)、每小时移动的材料吨数、周期时间、 填充系数等还能够被控制装置310使用。
[0030] 数据记录器或记录仪315被构造成储存来自控制装置310的信息并将所储存的信 息提供给远程数据中心330进一步储存和处理。例如，数据记录器或记录仪315通过网络 290将所储存的信息提供给数据中心330。以上参照图2描述了网络290。在其它实施例 中，来自数据记录器或记录仪315的数据能够使用一个或多个便携式储存装置(例如通用 串行总线[〃USB〃]闪存盘、安全数码[〃SD〃]卡等。）手动地传送到数据中心。数据中心330 储存通过网络290从数据记录器或记录仪315接收的信息和数据。储存在数据中心330的 信息和数据能够被远程计算机或服务器335访问，用于处理和分析。例如，远程计算机或服 务器335能够被构造成通过执行与诸如MATLAB?的数值计算环境相关联的指令来处理 和分析所储存的信息和数据。处理和分析过的信息和数据能够被编译并被输出到报告数据 库345来存储。例如，报告数据库345能够存储来自数据中心330的基于小时、时段、日、星 期、月、年、操作、位置、部件、工作周期、挖掘周期、操作员、开采的材料、工作面环境(例如硬 边角)、有效载荷等的信息和数据报告。储存在报告数据库345中的报告能够被用来确定挖 掘机10上特定铲操作的效果、监测挖掘机10的操作寿命和损害、确定生产力趋势等。第二 用户界面340能够被用来访问储存在数据中心330中的信息和数据，使用数值计算环境来 处理信息和数据，或访问一个或多个储存在报告数据库345中的报告。
[0031] 图4示意用于动力挖掘机10的更详细控制系统400。例如，动力挖掘机10包括主 控制器405、网络交换机410、控制箱415、辅助控制箱420、操作员驾驶室425、第一升降驱动 模块430、第二升降驱动模块435、伸缩驱动模块440、回转驱动模块445、升降现场模块450、 伸缩现场模块455和回转现场模块460。控制系统400的各个部件由例如使用用于工业自 动化的一个或多个网络协议的光纤通信系统连接并通过该光纤通信系统通信，所述光纤通 信系统诸如过程现场总线（"PR0FIBUS")、以太网、控制网、基金会现场总线、INTERBUS、控制 器局域网（"CAN")总线等。控制系统400能够包括以上参照图2所述的部件和模块。例 如，一个或多个升降马达和/或驱动装置215对应于第一和第二升降驱动模块430和435， 一个或多个伸缩马达和/或驱动装置220对应于伸缩驱动模块440,并且一个或多个回转马 达和/或驱动装置225对应于回转驱动模块445。用户界面210和指示器205能够被包括 在操作员驾驶室425等中。负载销应变计、倾斜计110和吊架销能够将电信号提供到主控 制器405、控制箱415、辅助控制箱420等。
[0032] 第一升降驱动模块430、第二升降驱动模块435、伸缩驱动模块440和回转驱动模 块445能够被构造成从例如主控制器接收控制信号，以控制挖掘机10的升降、伸缩和回转 操作。所述控制信号与用于挖掘机10的升降、伸缩和回转马达215、220和225的驱动信 号相关联。当驱动信号被施加到马达215、220和225时，马达的输出（例如，电气和机械输 出)被监测并被反馈回到主控制器405 (例如，经由现场模块450-460)。马达的输出包括例 如马达速度、马达转矩、马达功率、马达电流等。基于与挖掘机10相关联的这些和其它信号 (例如，来自倾斜计110的信号)，主控制器405被构造成确定或计算挖掘机10或其部件的 一个或多个操作状态或位置。在一些实施例中，主控制器405确定铲斗位置、铲斗杆角度或 位置、升降绳包角、升降马达每分钟旋转（"RPM")，伸缩马达RPM、铲斗速度、铲斗加速度等。
[0033] 上述挖掘机10的控制器200和控制系统400被用来实施挖掘机10的智能挖掘控 制（"IDC")。IDC被用来动态地控制升降和伸缩力的施加，以在挖掘操作期间增加挖掘机10 的生产率、最小化挖掘机10的重心（〃CG〃）偏移、减少挖掘机的向前和向后倾覆力矩，并减 少挖掘机10的各个部件(例如移动基座15、转台25、机械甲板30、下端40等）上的结构疲 劳。
[0034] 例如，IDC被构造成基于其中铲斗70或铲斗杆85的位置和当前或目前的升降释 放拉力水平动态地改变最大容许伸缩扭矩，以限制挖掘机10的向前和/或向后倾覆力矩。 此外，IDC被构造成当铲斗70撞击工作面时，基于例如铲斗70的确定的加速度动态地改变 容许伸缩缩回扭矩（即在伸缩方向上的减速扭矩、负伸缩扭矩或再生扭矩)，以减小伸缩马 达速度。
[0035] IDC能够被分成本文称为平衡伸缩控制（"BCC")和撞击伸缩控制（"ICC")的两个 控制操作。BCC和ICC能够通过例如控制器200或挖掘机10的主控制器405 -前一后地 或单独地执行。BCC被构造成在升降释放拉力低时限制伸缩力，以减少挖掘机10的静态倾 覆力矩。当铲斗70在开始挖掘操作之前处于卷起位置时，升降释放拉力通常是低的，并且 随后当铲斗70撞击和穿透工作面时增加。伸缩力通常在铲斗杆85伸展以维持或增加工作 面穿透时增加。在挖掘周期中的这样的时间点处，挖掘机10易于受到由通过铲斗杆85向 后扩散的过度伸缩反作用力引起的悬臂顶升（jacking)的影响。悬臂顶升能够导致悬臂吊 绳50中的张力减少，并且能够增加与从前到后或向后倾覆力矩相关联的CG偏移。BCC和 ICC被构造成一起或单独地实施，以在挖掘操作期间减少或最小化向后CG偏移并减少或消 除悬臂顶升以及减少从吊绳50移除的负载量。通过减少或消除悬臂顶升并保持吊绳50中 的张力，从前到后或向后的CG偏移(例如沿水平方向的偏移）被减小或最小化。
[0036] 参照图5-9的流程500示意用于挖掘机10的IDC的实施方式。在图5-8中提供的 本发明的实施例中，IDC包括BCC和ICC两者。虽然参照流程500结合地描述BCC和ICC， 但是BCC和ICC每个均能够在挖掘机10或其它工业机械中单独地实施。在一些实施例中， 与ICC的周期时间(例如10ms周期时间)相比，使用更慢的周期时间(例如100ms周期时间） 来执行BCC。在一些实施例中，周期时间在执行流程500期间能够动态地变化或改变。 [0037] 流程500与挖掘操作和在挖掘操作期间施加的升降和伸缩力相关联，并且在本文 中关于挖掘操作和在挖掘操作期间施加的升降和伸缩力描述流程500。流程500例示IDC 的实施例，并且该流程500能够通过控制器200或主控制器405来执行。关于流程500在 此描述的各个步骤能够同时地、并行地或以不同于所示连续执行方式的次序执行。还能够 使用比所示意的实施例中示出的更少的步骤来执行流程500。例如，一个或多个函数、公式 或算法能够被用于基于升降释放拉力水平来计算期望伸缩扭矩限值，而非使用多个阈值比 较。另外，在一些实施例中，诸如缓变率(参见步骤620)和阈缩回因子（〃TRF〃）（参见步骤 575)的值具有固定值或存储值并且不必设定。在这样的情形中，对于这样的值的设定步骤 能够从流程500删去。使用一个或多个传感器240 (例如一个或多个倾斜计、一个或多个旋 转变压器、一个或多个驱动模块、一个或多个现场模块、一个或多个转速计等）来实现流程 500的涉及例如确定铲斗杆角度、确定伸缩扭矩、确定升降释放拉力、确定伸缩速度等的步 骤，能够使用由控制器200执行的指令来处理和分析所述传感器240,以确定挖掘机10的特 征的值。如上所述，能够使用诸如P&H? Centurion?系统的系统来完成这样的步骤。
[0038] 流程500从BCC开始。其中，BCC能够关于硬边角（hard toes)增加纟产的挖掘能力、 增加铲斗填充因子、防止铲斗从硬边角弹开、在挖掘周期早期维持工作面穿透力、减少在工 作面中失速的可能性并使挖掘机的总体操作平稳。例如，在没有BCC的情况下，在挖掘工作 面的边角时可用的伸缩扭矩的量能够抵着地面推动铲斗70并取消一部分的施加的升降释 放拉力或完全停止升降。另外，通过在挖掘周期早期增加挖掘机10的有效性和在硬边角环 境中穿透工作面的能力，操作员能够为挖掘机10建立平台。当挖掘机10从平台操作时，挖 掘机10不向上挖掘，并且能够在直接朝向工作面的方向上最大化铲斗70的动量。
[0039] 图5和6示意用于IDC的流程500的BCC部分。在步骤505,确定伸缩扭矩比。伸 缩扭矩比表示伸缩扭矩的标准操作值对一个或多个伸缩马达220被操作或限制的扭矩的 t匕，如下所述。例如，伸缩扭矩比可以用0-1之间的小数值来表示。可替代地，伸缩扭矩比 可以表示为对应于具体小数值(例如〇. 5)的百分比(例如50%)。接着确定铲斗杆85的角度 (步骤510)。如果，在步骤515,铲斗杆85的角度在第一角度限值（"ANGLE1")和第二角度 限值（"ANGLE2")之间，则流程500进行到步骤520。如果铲斗杆85的角度不在ANGLE1和 ANGLE2之间，则流程500返回到步骤510,在步骤510再次确定铲斗杆85的角度。ANGLE1 和ANGLE2可以采用在关于水平轴线或平行于挖掘机10位于其上的表面延伸的平面(例如， 铲斗杆85的水平位置)例如大约20°和大约90°之间的值。在其它实施例中，可以使用分 别地小于或大于20°或者小于或大于90°的用于ANGLE1和ANGLE2的值。例如，ANGLE1可 以具有大约10°的值，并且ANGLE2可以具有大约90°的值。ANGLE1和ANGLE2用于限定其 中IDC有效的操作范围。在一些实施例中，ANGLE1和ANGLE2关于铲斗杆85的水平平面或 水平位置在大约0°和大约90°的范围内。在一些实施例中，在步骤510处的铲斗杆角度 确定和在步骤515处的铲斗杆角度比较是可选的，并且不包括在流程500中。
[0040] 在步骤520,确定一个或多个伸缩马达220的伸缩扭矩。伸缩扭矩在铲斗杆85被 推动远离挖掘机10 (例如，朝向工作面)时具有正值而在铲斗杆被朝向挖掘机10 (例如，远 离工作面)拉动时具有负值。例如，伸缩扭矩值的正负独立于一个或多个伸缩马达220的旋 转方向。例如，导致铲斗杆85朝向工作面推出的一个或多个伸缩马达220的旋转被认为是 正旋转速度，并且导致铲斗杆85朝向挖掘机10缩回的一个或多个伸缩马达220的旋转被 认为是负旋转速度。如果一个或多个伸缩马达220的旋转速度是正的（即大于0)，则铲斗杆 85正朝向工作面推出。如果一个或多个伸缩马达220的旋转速度是负的（S卩小于0)，则铲 斗杆85朝向挖掘机10缩回。然而，一个或多个伸缩马达220的伸缩扭矩能够在伸展铲斗 杆85时是负的，并且能够在缩回铲斗杆85时是正的。如果，在步骤525,伸缩扭矩是负的， 则该流程返回到步骤510,在步骤510再次确定铲斗杆85的角度。如果，在步骤525,伸缩速 度是正的，则流程进行到步骤530。在其它实施例中，挖掘机10的不同的特征(例如伸缩马 达电流)能够被用来确定例如铲斗杆85是朝向工作面推出还是朝向挖掘机10缩回，如上所 述。另外地或替代地，铲斗70的动作能够被确定为或者朝向挖掘机10或者远离挖掘机10， 在挖掘机10的操作员驾驶室内的一个或多个操作员控制装置能够被用来确定铲斗杆85的 动作，与鞍状块90相关联的一个或多个传感器能够被用来确定铲斗杆85的动作等。
[0041] 在确定铲斗杆85朝向工作面推出之后，确定升降释放拉力的水平(步骤530)。例 如基于一个或多个升降马达215的一个或多个特征来确定升降释放拉力的水平。一个或多 个升降马达215的特征能够包括马达速度、马达电压、马达电流、马达功率、马达功率因数 等。在确定升降释放拉力之后，流程500进行到在图6中示出并参照图6描述的部分B。
[0042] 在图6中的步骤535,将确定的升降释放拉力与第一升降释放拉力水平或限值 ("HL1")进行比较。如果确定的升降释放拉力小于或大约等于HL1，则用于伸缩伸展操作的 伸缩扭矩限值被设定成等于第一伸缩扭矩限制值（"CL1")(步骤540)。记号"Q1"在本文用 于伸缩伸展操作，以标识挖掘机10的操作模式，在所述操作模式中，一个或多个伸缩马达 220的扭矩是正的(例如铲斗70被推动远离挖掘机10)并且一个或多个推马达220的速度 是正的(铲斗70被移动远离挖掘机10)。在伸缩扭矩限值已经在步骤540被设定之后，流程 500进行到在图7中示出并参照图7描述的部分C。如果在步骤535升降释放拉力不是小 于或大约等于HL1，则将升降释放拉力与第二升降释放拉力水平或限值（"HL2")比较(步骤 545)，以确定升降释放拉力是否处于HL1和HL2之间。如果所确定的升降释放拉力小于或 大约等于HL2且大于HL1，则将伸缩扭矩限值Q1设定成等于第二伸缩扭矩限制值（"CL2") (步骤550)。在伸缩扭矩限值已经在步骤550被设定之后，流程500进行到图7中的部分 C。如果在步骤545升降释放拉力不是小于或大约等于HL2,则将升降释放拉力与第三升降 释放拉力水平或限值（"HL3")比较(步骤555)，以确定升降释放拉力是否处于HL2和HL3之 间。如果所确定的升降释放拉力小于或大约等于HL3且大于HL2,则将伸缩扭矩限值Q1设 定成等于第三伸缩扭矩限制值（〃CL3〃）（步骤560)。在伸缩扭矩限值已经在步骤560被设 定之后，流程500进行到在图7中的部分C。如果在步骤555升降释放拉力不是小于或大约 等于HL3,则将伸缩扭矩限值Q1设定成等于第四伸缩扭矩限制值（"CL4")(步骤565)。在 伸缩扭矩限值已经在步骤565被设定之后，流程500返回到部分A (图5)中的步骤510,在 步骤510再次确定铲斗杆角度。
[0043] 能够基于例如工业机械的类型、铲的类型或型号等来设定、制定或预先确定第一、 二和三升降释放拉力水平HL1、HL2和HL3。作为说明性实例，第一升降释放拉力水平HL1具 有标准升降的大约10%的值(例如一个或多个升降马达220的标准或额定运行功率或扭矩 的大约10%)，第二升降释放拉力水平HL2具有标准升降的大约22%的值，第三升降释放拉力 水平HL3具有标准升降的大约50%的值。在其它实施例中，HL1、HL2、和HL3可以具有不同 值(例如，HL1 ~ 20%，HL2 ~ 40%，HL3 ~ 60%)。然而，与HL1、HL2和HL3呈现的实际值无关 地，限值的相对量值之间的关系保持相同（即HL1〈?HL2〈?HL3)。在本发明的一些实施 例中，两个或多于三个升降释放拉力水平被用来设定伸缩扭矩限值(例如四个、五个、六个 等)。基于期望的控制精度的水平来设定升降释放拉力水平的数目。例如，伸缩扭矩设定的 逐渐增加能够通过增加实际升降释放拉力与其比较的升降释放拉力水平的数目来实现。在 一些实施例中，基于伸缩扭矩限值来设定升降释放拉力水平，以确保足够的升降释放拉力 被施加到铲斗70,以抵消由伸缩扭矩导致的吊绳张力的损失。例如，升降释放拉力水平和伸 缩扭矩限值被平衡，使得在挖掘操作期间不缺失超过大约30%的吊绳张力。在一些实施例 中，如果伸缩扭矩相对于升降释放拉力过高，则升降释放拉力能够与伸缩扭矩发生冲突，并 减小挖掘机10的生产率。
[0044] 伸缩扭矩限值CL1、CL2、CL3和CL4还可以具有各种值。作为说明性实例，CL1、 CL2、CL3和CL4随升降释放拉力增加至多增加到标准伸缩扭矩(例如，基于一个或多个伸 缩马达220的标准操作功率或扭矩的百分比)。在一个实施例中，CL1 ~ 18%、CL2 ~ 54%、 CL3 ~ 100%并且CL4 ~ 100%。在其它实施例中，CL1、CL2、CL3和CL4可采用不同的值。 然而，与CL1、CL2、CL3和CL4采用的值无关地，限值的相对量值之间的关系保持相同（即 CL1〈?CL2〈?CHL3〈?CHL4。另外，如上文关于升降释放拉力水平所述，能够使用另外的 或更少的伸缩扭矩限值。例如，所使用的伸缩扭矩限值的数目取决于用于控制挖掘机10的 升降释放拉力水平的数目（例如伸缩扭矩限值的数目=升降释放拉力水平的数目+1)。在一 些实施例中，伸缩扭矩限值被设定为升降释放拉力水平的百分比或比，或被设定为升降释 放拉力水平的函数。
[0045] 在如上述设定伸缩扭矩限值之后，流程500进入ICC部分，其中，监测铲斗70或铲 斗杆85的加速度(负加速度或减速度)，以减轻铲斗撞击工作面(例如硬边角环境中)的影响 并减小挖掘机10的动态倾覆力矩。例如，如果铲斗70在伸缩方向上被工作面（例如硬边 角）快速停止，则必须消散一个或多个伸缩马达220和伸缩传动装置中的动能和旋转惯性。 在常规挖掘机中，该动能通过使悬臂顶升来消散，使悬臂顶升导致挖掘机10的向后倾覆力 矩和CG偏移。为了防止或减轻向后倾覆力矩，以另一方式消散一个或多个伸缩马达220的 动能。具体地，ICC被构造成监测例如铲斗70、铲斗杆85等的加速度。当达到超过阈加速 度值或缩回因子（以下描述）的加速度(例如负加速度或减速度）时，设定参考速度(例如等 于〇)，并增加一个或多个伸缩马达220的最大容许缩回扭矩。虽然铲斗杆85的动作方向 不会反转，但是施加到一个或多个伸缩马达220的缩回扭矩能够消散一个或多个伸缩马达 220和伸缩传动装置的向前动能。通过消散一个或多个伸缩马达220的动能，减少或消除铲 斗10在撞击工作面时的向后倾覆力矩。
[0046] 图7-9示意用于IDC的流程500的ICC部分。在步骤570,确定阈缩回因子 (〃TRF〃）。TRF能够例如从存储器(例如存储器255)取得、计算出、手动设定等。TRF可以 具有例如在大约-300和大约-25之间的值。在一些实施例中，不同范围的值能够用于TRF (例如在大约0和大约-500之间）。负的TRF表示铲斗70的沿负方向（例如朝向挖掘机10) 的加速或铲斗70的减速。TFR能够用来确定铲斗70是否已撞击工作面以及是否应初始化 ICC以消散一个或多个伸缩马达220和伸缩传动装置的动能。在一些实施例中，TRF是与 铲斗70、铲斗杆85等的加速度相关联的阈加速度值。修改TRF控制ICC的敏感度和在铲 斗70撞击工作面时将一个或多个伸缩马达220强制到零速度参考值的频率。因为ICC在 更低的加速度的情形下更容易被触发，所以设定越敏感，一个或多个伸缩马达220就更频 繁地被强制成零速度参考值。设定TRF还可以包括设定速度参考值被施加的时间值或时段 T。在一些实施例中，时间值T可以被设定成0. 1和1. 0秒之间的值。在其它实施例中，时 间值T可以被设定成大于1. 0秒的值(例如1. 0和2. 0秒之间）。时间值T是基于(例如，铲 斗70与工作面的撞击之后的）动态事件的估算的或预期的持续时间的。在一些实施例中， 时间值T基于一个或多个操作员对所产生的操作员控制的缺失的容忍度。在TRF已被设定 之后，再次确定铲斗杆85的角度(步骤575)。然后将铲斗杆85的角度与第一铲斗杆角度阈 值（"ANGLE1")和第二铲斗杆角度阈值（"ANGLE2")进行比较(步骤580)。第一铲斗杆角度 阈值ANGLE1和第二铲斗杆角度阈值ANGLE2可以具有任何各种值。例如，在一个实施例中， ANGLE1具有关于水平平面(例如，与挖掘机10位于其上的地面平行的平面)大约40°的值， 并且ANGLE2具有关于所述水平平面大约90°的值(例如，铲斗杆相对于地面垂直)。在一些 实施例中，ANGLE1和ANGLE2具有在关于水平平面大约0°和关于水平平面大约90°范围 内的不同值。在一些实施例中，在步骤575处的铲斗杆角度确定和在步骤580处的铲斗杆 角度比较是可选的，并且不包括在流程500中。
[0047] 如果铲斗杆85的角度大于或近似等于ANGLE1且小于或近似等于ANGLE2,则流程 500进行到步骤585。如果铲斗杆85的角度不是大于或近似等于ANGLE1且小于或近似等 于ANGLE2,则流程500返回到部分D和步骤575,其中再次确定铲斗杆的角度。在步骤585， 控制器200或主控制器405确定伸缩扭矩是否为正。如上所述，与铲斗杆85的动作方向无 关地，伸缩扭矩可以是正的或负的。例如，当铲斗杆85朝向工作面推出时，铲斗由于重力而 被拉动远离挖掘机10。在这样的情形中，伸缩速度是正的（即移动远离挖掘机10)并且伸缩 扭矩是负的（使由于重力拉动远离挖掘机10的铲斗慢下来)。然而，当铲斗70初始地撞击 工作面时，铲斗杆85可能继续向前移动（即伸缩速度是正的)，但是现在与工作面撞击产生 的力正导致铲斗杆85朝向工作面推进，以抵抗该反作用力并保持正伸缩速度（即伸缩扭矩 是正的)。如果伸缩扭矩是负的，则流程500返回到部分D和步骤575。如果伸缩扭矩是正 的，则流程500进行到步骤590,其中将伸缩扭矩与伸缩扭矩阈值进行比较。
[0048] 伸缩扭矩阈值可以被设定为例如标准伸缩扭矩的大约30%。在一些实施例中，伸缩 扭矩阈值大于标准伸缩扭矩的大约30% (例如，在标准伸缩扭矩的大约30%和大约100%之 间)。在其它实施例中，伸缩扭矩阈值小于标准伸缩扭矩的大约30%(例如，在标准伸缩扭矩 的大约0%和大约30%之间)。伸缩扭矩阈值被设定成足够的值，以例如限制其中在依然减 少挖掘机10的CG偏移的同时实施ICC的情形的数目。如果在步骤590处控制器200确定 伸缩扭矩不是大于或近似等于伸缩扭矩阈值，则流程500返回到部分D和步骤575。如果伸 缩扭矩大于或近似等于伸缩扭矩阈值，则流程500进行到步骤595。在步骤595,控制器确 定伸缩速度是否为正(例如移动远离挖掘机10)。如果伸缩速度不是正的，则流程500返回 到部分D和步骤575。
[0049] 如果伸缩速度是正的，则流程500进行到图8A中示出并参照图8A描述的部分E、 图8B中示出并参照图8B描述的E'、图8C中示出并参照图8C描述的E"、图8D中示出并参 照图8D描述的部分E"'，或图8E中示出并参照图8E描述的部分E""中的一个部分。E、E'、 E"、E"'和E""中的每一个部分均对应于基于工业机械10的各种特征或参数来确定是否已 经发生撞击事件(例如，铲斗撞击事件)的技术。撞击事件例如包括可以在工业机械10上导 致潜在倾覆力矩的撞击事件。
[0050] 参考图8A，确定挖掘机10的加速度(例如负加速度或减速度）（步骤600)。挖掘 机10的加速度例如是铲斗70的加速度、铲斗杆85的加速度等。加速度是使用例如来自一 个或多个传感器240 (例如一个或多个旋转变压器）的信号确定的，控制器200能够使用所 述信号来计算铲斗70或铲斗杆85的位置、铲斗70或铲斗杆85的速度以及铲斗70或铲斗 杆85的加速度。在一些实施例中，所确定的加速度能够被过滤，以防止任何加速度尖峰或 测量误差影响ICC的运行。
[0051] 然后，控制器200确定在流程500的步骤600处确定的加速度是否为负（步骤 605)。如果加速度不是负的，则流程500返回到在图5中示出并参照图5描述的部分F和 步骤530。如果加速度是负的，则计算缩回因子（factor)("RF")(例如减速度因子、负加速 因子、撞击因子、倾覆力矩因子等）（步骤610)。缩回因子RF被用来确定铲斗70或铲斗杆 85的负加速度（即减速度)的大小是否足以初始化ICC。在一些实施例中，缩回因子RF被计 算为伸缩马达扭矩对所确定的加速度的比。在其它实施例中，缩回因子RF被计算为估算扭 矩对实际扭矩或预测加速度对实际加速度的比。在一些实施例中，所确定的加速度的平均 值可用来计算缩回因子RF。在一些实施例中，RF是与铲斗70、铲斗杆85等的加速度相关联 的加速度值。与用来计算缩回因子RF的精确因子无关地，能够将缩回因子RF与阈缩回因 子TRF进行比较(步骤615)。如果缩回因子RF大于或近似等于阈缩回因子TRF并小于零， 则流程500进行到在图8F中示出并参照图8F描述的部分G和步骤665。如果缩回因子RF 不是大于或近似等于阈缩回因子TRF并小于0,则流程500返回到在图5中示出并参照图5 描述的部分F。
[0052] 参考可替换的部分E'和图8B，确定伸缩力（步骤620)，并且将所确定的伸缩力与 伸缩力阈值进行比较(步骤625)。例如使用伸缩马达速度值和伸缩马达扭矩值或伸缩马达 的其它参数或特征来确定或计算伸缩力。如上所述，控制器200基于来自一个或多个传感 器240 (例如，霍尔效应传感器）的一个或多个信号来确定或计算伸缩马达速度值或伸缩马 达扭矩值。然后控制器200使用这些值来计算伸缩马达施加(例如至铲斗70)的力的量或 水平。在一些实施例中，基于工业机械10在正常挖掘期间能够从伸缩马达施加在铲斗杆85 上的最大力值(例如，磅为单位）来计算或确定伸缩力的阈值。
[0053] 在确定最大力值之后，基于系统的期望敏感性（sensitivity)来设定被用于检测 撞击事件的伸缩力的阈值。系统越敏感，施加至工业机械10的应力（例如，来自倾覆力矩） 和在工业机械10上的相应的应变的减轻（mitigation)就越大。然而，通常是系统的敏感性 越大，工业机械的生产率就可能降低越多。在一些实施例中，伸缩力的阈值对应于比正常挖 掘操作期间的典型伸缩劲或力更大的力(例如，大于标准运行值的100%的伸缩力)。例如，在 一些实施例中，取决于敏感性的期望水平，伸缩力的阈值在标准运行值的近似100%和150% 之间。在其它实施例中，伸缩力的阈值在标准运行值的近似100%和200%之间。如果在步 骤625处，伸缩力大于或近似等于伸缩力的阈值，则流程500进行至在图8F中示出并参照 图8F描述的部分G和步骤665。如果在步骤625处，伸缩力不大于或近似等于伸缩力的阈 值，则流程500返回至在图5中示出并参照图5描述的部分F。
[0054] 参考可替换的部分E"和图8C，接收并评估（evaluate)来自倾斜计的一个或多个 信号，以确定与工业机械10相关联的倾斜的变化(步骤630)。然后，将工业机械的倾斜的变 化与工业机械的倾斜的变化的阈值进行比较(步骤635 )。在一些实施例中，倾斜计被安装 在悬臂35、机械甲板30等上。倾斜计向控制器200提供与工业机械10的不同部分的(例 如，关于垂线的）角度值对应的信号。来自倾斜计的信号被控制器200频繁地或连续地接 收和评估。在工业机械10的正常运行期间，工业机械的倾斜值通常是一致的，并且不会突 然变化。然而，如果发生撞击事件(例如，产生倾覆力矩的铲斗撞击事件）或另一动态事件， 则工业机械的倾斜的值迅速变化。在一些实施例中，用于基于倾斜的变化来识别撞击事件 的阈值倾斜变化值例如一定时间段(例如，1至500毫秒之间)期间具有大于0. 3°的倾斜的 值。在其它实施例中，用于基于倾斜的变化来识别撞击事件的阈值倾斜变化值具有这样的 值，取决于用于识别撞击事件或倾覆力矩的存在的期望敏感性水平，该值大于〇. 5°、大于 1.0°、大于 2.0° 等。
[0055] 在正常运行期间，在近似0. Γ和0. 2°之间的倾斜的迅速改变是普遍的。用于识 别撞击事件的阈值倾斜变化值通常被设定成大于在正常运行期间的普遍或预期变化的值。 系统越敏感，施加至工业机械10的应力(例如，来自倾覆力矩的)和工业机械10上的相应的 应变的减轻就越大。然而，通常，系统的敏感性越大，工业机械的生产率就降低越多。返回 至流程500,如果在步骤635处，工业机械的倾斜的变化大于或近似等于阈值倾斜变化值， 则流程500进行至在图8F中示出并参照图8F描述的部分G和步骤665。如果在步骤635 处，倾斜变化不大于或近似等于阈值倾斜变化值，则流程500返回至在图5中示出并参照图 5描述的部分F。
[0056] 参考可替换的部分E"'和图8D，接收和评估来自负载销的一个或多个信号，以确 定与工业机械10相关联的负载力（步骤640)。然后，将负载力的变化与负载力的变化的阈 值进行比较(步骤645)。在一些实施例中，负载销例如被安装在悬臂35、吊架等上。负载销 向控制器200提供与工业机械10经受的负载力对应的信号。来自负载销的信号被控制器 200频繁地或连续地接收和评估。在工业机械10的正常运行期间，负载销检测的负载力的 值是相对可预测的一虽然其在大范围的值上分散。然而，如果发生撞击事件(例如，产生倾 覆力矩的铲斗撞击事件）或另一动态事件，则工业机械上的负载力值迅速变化(例如，基于 负载销在工业机械上的位置，迅速增加或减小)。
[0057] 用于识别撞击事件的阈值变化值通常被设定成大于在正常运行期间（例如，在升 起满载的铲斗时）所经受的负载力的典型最大变化值的变化值。系统越敏感，施加至工业 机械10的应力和工业机械10上的相应的应变的减轻就越大。然而，通常，系统的敏感性越 大，工业机械的生产率就降低越多。在一些实施例中，负载力的阈值变化值对应于(例如，来 自满载铲斗的)预期的力的近似+/-50%的变化值(取决于负载销的位置一工业机械10的一 些位置在撞击事件期间呈现力增大，并且其它位置在撞击事件期间呈现力减小)，或者负载 力的阈值变化值对应于预期的力的近似+/-100%的值。在其它实施例中，负载力的阈值变 化值取决于铲斗的状态(例如，装载或未装载)。在一些实施例中，除了阈值变化值之外，还 能够使用绝对最大和最小力值来识别撞击事件。这样的最大和最小力能够例如对应于与悬 臂顶升相关联的力值，或与工业机械的部件的结构限制相关联的力值。能够独立于阈值变 化值监测这些值。
[0058] 在每个实施例中，由负载销测量的负载力能够被监测一段时间（例如，1毫秒至1 秒之间，等)，以确定负载力的变化是否为撞击事件的结果。在一些实施例中，由负载销检测 的负载力的值或负载力的变化必须保持高于阈值一段时间(例如，以降低错误撞击检测的 可能性)。如果在流程500的步骤645处，工业机械上的负载力的变化大于或近似等于负载 力的阈值变化值，则流程500进行至在图8F中示出并参照图8F描述的部分G和步骤665。 如果在步骤645处，负载力的变化不大于或近似等于负载力的阈值变化值，则流程500返回 至在图5中示出并参照图5描述的部分F。
[0059] 参考可替换的部分E""和图8E，确定工业机械10的加速度(步骤650)。工业机械 10的加速度例如是铲斗70的加速度、铲斗杆85的加速度等。例如，使用来自一个或多个传 感器240 (例如，一个或多个旋转变压器）的信号来确定加速度，控制器200能够使用所述 信号来计算铲斗70或铲斗杆85的位置、铲斗70或铲斗杆85的速度和铲斗70或铲斗杆85 的加速度等。在一些实施例中，所确定的加速度能够被过滤，以防止任何加速度尖峰或测量 误差影响ICC的运行。
[0060] 控制器200然后确定在流程500的步骤650处确定的加速度是否为负（步骤655)。 如果加速度不是负的，则流程500返回到在图5中示出并参照图5描述的部分F和步骤530。 如果加速度是负的，则比较加速度和加速度阈值(步骤660)。加速度阈值被用来确定工业机 械10的所确定加速度的大小是否足以初始化ICC(例如，指示撞击事件或工业机器10上的 倾覆力矩)。在一些实施例中，加速度阈值对应于不能够使用伸缩马达、升降马达等实现的 工业机械10 (例如，铲斗70、铲斗杆85等)的加速度。在其它实施例中，加速度阈值对应于 大于工业机械的加速度的预期或正常运行值(例如，基于记录加速度数据、编程的限制、用 户设定值等）的加速度值。加速度阈值越低，系统就越敏感。这导致施加至工业机械10的 应力和工业机械10上的相应的应变被减轻更多。然而，通常，系统的敏感性越大，工业机械 的生产率就降低越多。在一些实施例中，所确定的加速度的平均值能够用于在步骤660处 进行比较。如果加速度大于或近似等于加速度阈值，则流程500进行至在图8F中示出并参 照图8F描述的部分G和步骤665。如果加速度不大于或近似等于加速度阈值，则流程500 返回至在图5中示出并参照图5描述的部分F。
[0061] 参考图8F，设定计数器或另一合适定时器(步骤665)。例如，计数器被设定用以监 测或控制新伸缩马达扭矩、伸缩电转扭矩、伸缩缩回扭矩和/或速度参考值被设定或施加 的时间量(如下所述)。在一些实施例中，计数器对处理单元250的每个时钟周期增量，直到 其达到预定的或已建立的值(例如，时间值T)。在设定计数器后，取决于执行流程500的工 业机器10的类型，流程500进行至部分Η和部分H'中的一个部分。例如，如果工业机械10 是AC机械（S卩，包括AC马达和驱动装置)，则流程500进行至部分Η。如果工业机械10是 DC机械（S卩，包括DC马达或驱动装置)，则流程500进行至部分Η'。
[0062] 参考部分H，在步骤670处设定伸缩缩回扭矩。在正常操作期间，一个或多个伸缩 马达的伸缩缩回扭矩被设定成例如标准值或正常操作限值(即100%)的大约90%。然而，在 诸如铲斗70撞击工作面的动态事件期间，正常运行限值的90-100%的缩回扭矩通常不足以 消散一个或多个伸缩马达220和伸缩传动装置的动能，以防止悬臂顶升。这样，在步骤630 处，伸缩缩回扭矩被设定成超过一个或多个伸缩马达220缩回扭矩的标准值或正常操作限 值的值。在一些实施例中，缩回扭矩被设定成缩回扭矩的正常操作限值的大约150%。在其 它实施例中，缩回扭矩被设定成在缩回扭矩的正常操作限值的大约150%和大约100%之间 的值。在又一实施例中，缩回扭矩被设定成大于缩回扭矩的正常操作限值的大约150%。在 这样的实施例中，缩回扭矩受到例如马达的运行特征的限制(例如，有些马达与其它马达相 比能够允许更大的缩回扭矩)。这样，基于一个或多个伸缩马达220的特征，缩回扭矩可以被 设定成正常操作限值的大约150%和大约400%之间的值。在一些实施例中，缩回扭矩或伸 缩扭矩是在与所确定的加速度的方向对应的方向上设定的。例如，在负方向上（即，朝向铲） 的加速或替代地在伸缩方向上（即，远离铲）的减速导致设定伸缩扭矩(例如负伸缩扭矩、减 速扭矩、再生扭矩等）或负马达电流。
[0063] 在步骤670处设定伸缩缩回扭矩之后，设定速度参考值(步骤675)。速度参考值是 被选择或确定以消散一个或多个伸缩马达220和伸缩传动装置的动能的一个或多个伸缩 马达220的期望未来速度(例如，0)。当速度参考值已被设定时，动态事件(例如，铲斗撞击 工作面)的抑制被自动执行，以消散一个或多个伸缩马达220和伸缩传动装置的动能。针对 时间值T设定速度参考值(例如，为0)，以消散一个或多个伸缩马达220和伸缩传动装置的 动能，如上所述。在一些实施例中，速度参考值能够是动态的并在时间值T期间改变(例如， 线性改变、非线性改变、指数改变等)。在其它实施例中，速度参考值能够是基于例如实际速 度与期望速度、估算速度或另一参考速度之间的差的。在步骤675之后，流程500进行到在 图9中示出并参照图9描述的部分I。
[0064] 参考部分H'，伸缩马达扭矩、伸缩电转扭矩、伸缩马达扭矩限值或伸缩电转扭矩限 值例如被设定为零扭矩值(步骤680)。这种技术对于DC工业机械特别有益。例如，通过将 伸缩电转扭矩设定为零，允许铲斗在撞击事件的力的作用下逐渐停止，而不改变马达的速 度参考值。作为零电转扭矩的结果，即使操作者要求最大速度，马达也不能够提供最大速 度，这是因为马达不能够产生所需的力矩。在步骤680之后，流程500进行至在图9中示出 并参照图9描述的部分I。
[0065] 在图9中的步骤685处，将计数器与时间值T进行比较。如果计数器不等于时间 值T，则计数器增量(步骤690)并且流程500返回到步骤685。如果在步骤685处，计数器 等于时间值T，则取决于例如执行流程500的工业机械10的类型(例如，AC工业机械、DC工 业机械等)，流程500进行至部分J、部分J'和部分J"中的一个部分。
[0066] 参考部分J，将伸缩缩回扭矩重新设定回到标准值或在马达的正常操作限值内（例 如，伸缩缩回扭矩〈?100%)(步骤695)，并将速度参考值设定成等于操作员的速度参考值 (例如，基于控制装置诸如操纵杆）（步骤710)。在设定速度参考值后，流程返回至在图5中 示出并参照图5描述的部分F。
[0067] 参考部分J'，伸缩马达扭矩或伸缩电转扭矩被重新设定为非零值(例如，正常运行 扭矩或另一正常运行值的100%)(步骤700)，并且速度参考值被设定为等于操作员的速度 参考值(例如，基于控制装置诸如操纵杆）（步骤710)。可替代地，参考部分J"，伸缩电转扭 矩被逐渐缓变回非零值(例如，正常运行扭矩或另一正常运行值的100%)(步骤705)。当 伸缩电转扭矩被从零伸缩电转扭矩值向上逐渐缓变(例如，步进、线性增大、非线性增大等） 时，作用在步进马达上的应力减小(例如，当与如在步骤700处直接重新设定伸缩马达扭矩 相比时)。在一些实施例中，控制器200将电转扭矩缓变回正常运行值所用的时间量能够在 近似100毫秒至近似2秒的范围内。在其它实施例中，控制器200将电转扭矩缓变回正常 运行值所用的时间量能够在近似1秒至近似10秒的范围内。然后，将速度参考值设定为等 于操作员的速度基准值(例如，基于控制装置诸如操纵杆）（步骤710)。
[0068] 在一些实施例中，控制器200或主控制器405还能够监测铲斗杆85或铲斗70相 对于工作面的位置，并在撞击工作面之前减慢铲斗杆85或铲斗70的动作，以减少与一个或 多个伸缩马达220和伸缩传动装置相关联的动能。
[〇〇69] 因此，本发明提供了用于基于铲斗的升降释放拉力和减速度来控制工业机械的一 个或多个伸缩扭矩限值的系统、方法、装置和计算机可读介质等。本发明的各种特征和优势 在权利要求书中阐述。
【权利要求】
1. 一种工业机械，包括： 铲斗； 伸缩马达驱动装置，所述伸缩马达驱动装置被构造成向伸缩马达提供一个或多个控制 信号，所述伸缩马达可操作以向所述铲斗提供力、以使所述铲斗朝向或远离工作面移动；和 控制器，所述控制器被连接到所述伸缩马达驱动装置，所述控制器被构造以： 监测所述工业机械的特征， 基于所监测到的所述工业机械的特征来识别与所述铲斗相关联的撞击事件，和 当识别出所述撞击事件时，为所述伸缩马达驱动装置设定伸缩电转扭矩限值。
2. 根据权利要求1所述的工业机械，其中所述工业机械的所述特征是与所述铲斗相关 联的加速度。
3. 根据权利要求2所述的工业机械，其中与所述铲斗相关联的所述加速度是负加速 度。
4. 根据权利要求1所述的工业机械，其中所述工业机械的所述特征是所述工业机械的 倾斜。
5. 根据权利要求1所述的工业机械，其中所述工业机械的所述特征是与所述工业机械 相关联的伸缩力。
6. 根据权利要求1所述的工业机械，其中所述工业机械的所述特征是与所述工业机械 相关联的负载力。
7. 根据权利要求1所述的工业机械，其中所述工业机械是直流DC工业机械。
8. 根据权利要求7所述的工业机械，其中所述工业机械是电动绳索挖掘机或动力挖掘 机中的一种。
9. 根据权利要求1所述的工业机械，其中所述撞击事件在所述工业机械上产生倾覆力 矩。
10. 根据权利要求1所述的工业机械，其中设定所述伸缩电转扭矩包括：将所述伸缩电 转扭矩的值设定为零扭矩值。
11. 一种控制直流DC工业机械的挖掘操作的方法，所述工业机械包括铲斗和伸缩马达 驱动装置，所述方法包括： 监测所述工业机械的特征； 基于所监测到的所述工业机械的特征来识别与所述铲斗相关联的撞击事件，所述撞击 事件在所述工业机械上产生倾覆力矩；和 当识别出所述撞击事件时，为所述伸缩马达驱动装置设定伸缩电转扭矩限值。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中所述工业机械的所述特征是与所述铲斗相关联 的加速度。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中与所述铲斗相关联的所述加速度是负加速度。
14. 根据权利要求12所述的方法，还包括：将所述加速度与加速度阈值进行对比，并且 当所述加速度大于或等于所述加速度阈值时，识别所述撞击事件。
15. 根据权利要求11所述的方法，其中设定所述伸缩电转扭矩包括：将所述伸缩电转 扭矩的值设定为零扭矩值。
16. 根据权利要求15所述的方法，还包括：设定计数器、以及将所述计数器的值与时间 段进行对比。
17. 根据权利要求16所述的方法，还包括：当所述计数器的所述值等于所述时间段时， 将所述伸缩电转扭矩重新设定为非零扭矩值。
18. 根据权利要求17所述的方法，还包括：在确定的时间段上将所述伸缩电转扭矩从 所述零扭矩值缓变至所述非零扭矩值。
19. 根据权利要求11所述的方法，其中所述工业机械包括电动绳索挖掘机或动力挖掘 机中的一种。
20. 根据权利要求11所述的方法，其中所述工业机械的所述特征是与所述工业机械 相关联的倾斜、与所述工业机械相关联的负载力和与所述工业机械相关联的伸缩力中的一 个。
【文档编号】E02F9/20GK104110048SQ201410097425
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】约瑟夫·科尔威尔, 威廉·耶伦, 戴维·文特, 迈克尔·林斯特罗斯 申请人:哈尼施费格尔技术公司