计算有效载荷重量的系统和方法与流程

本发明涉及计算有效载荷重量的系统和方法。特别是，本发明涉及，但不局限于，计算挖掘机铲斗中的有效载荷重量的系统和方法。

背景技术：

此处对背景技术的引用不应被视为承认这种技术在澳大利亚或其他地方构成公知常识。

液压操作的设备通常被用于方便地移动有效载荷。但是，当例如挖掘机铲斗中的有效载荷重量被高估时，挖掘机铲斗可能会欠载。这降低了生产力，因为用户可能不得不多跑几趟才能完成任务。另一方面，当有效载荷重量被低估时，这可能会增加挖掘机因过载而损坏的风险。类似地，当有效载荷被输送到下游设备(即卡车、输送机等)时，低估有效载荷重量可能会造成下游设备过载。这可能会造成下游设备损坏、停机或者性能下降，这也会降低生产力。

计算有效载荷重量的当前例子是，在挖掘机将有效载荷输送到卡车后，卡车通过使用基于卡车的称量系统将被输送的有效载荷的重量指示给挖掘机。但是，由于在将其有效载荷输送到卡车之前，挖掘机接收不到关于有效载荷重量的指示，因此在输送之前，用户无法确定挖掘机是欠载还是过载。

为了给出关于被输送的有效载荷的更多信息，方法还包括使用摄像机以便监控有效载荷。例如，见8,405,721号美国专利。不过这些方法也未能给出有效载荷重量的精确测量，因为它们仅仅是监控有效载荷，而不计算有效载荷重量。

计算有效载荷重量的其他方法假定有效载荷在挖掘机中时的重心，并据此计算有效载荷重量。但是，如果实际有效载荷在假定的重心之前或之后，那么这可能会将误差带入有效载荷计算中。

发明目的

本发明的目的在于提供计算有效载荷重量的系统和方法，它克服或者改进了一个或多个上述缺点或问题，或者至少提供了有用的备选方案。

根据以下描述会明白本发明的其他优选目标。

发明摘要

在一种形式中，虽然不一定是唯一的或者最广的形式，本发明涉及一种计算有效载荷重量的系统，该系统包括：

第一传感器，其配置成测量与起重机第一构件关联的第一载荷；

第二传感器，其配置成测量与起重机第二构件关联的第二载荷；

计算装置，其配置成根据第一载荷和第二载荷计算由起重机运载的有效载荷重量。

优选，第一构件是第一油缸的形式。优选，第一油缸连接到起重机的举升构件。在另一形式中，第一构件是第一剪切销的形式。

优选，第二构件是第二油缸的形式。优选，第二油缸连接到举升构件。在另一形式中，第二构件是第二剪切销的形式。

优选，举升构件包括挖掘机臂和铲斗。优选，挖掘机臂包括斗杆和悬臂。优选，斗杆可枢转地连接到铲斗。优选，悬臂可枢转地连接到斗杆。在另一形式中，举升构件包括第一构件和第二构件。例如，第一构件是斗杆的形式，而第二构件是悬臂的形式。

优选，第一载荷是压力的形式。优选，第一传感器被装配到与油缸相连的歧管上，以便测量压力形式的第一载荷。

优选，该系统包括第一关联传感器。优选，第一关联传感器被配置成测量与第一油缸关联的第一关联载荷。优选，第一关联载荷是压力形式的。

作为替代，第一载荷关联于第一载荷单元。优选，在这个另一形式中，第一传感器被装配到第一剪切销和/或举升构件上，以测量与起重机关联的第一载荷。

优选，第二载荷是压力形式的。优选，第二传感器被装配到与油缸相连的歧管上，以便测量压力形式的第二载荷。

优选，该系统包括第二关联传感器。优选，第二关联传感器被配置成测量与第二油缸关联的第二关联载荷。优选，第二关联载荷是压力形式的。

作为替代，第二载荷关联于第二载荷单元。优选，在这个另一形式中，第二传感器被装配到第二剪切销和/或举升构件上，以测量与起重机关联的第二载荷。

优选，油缸是液压的。优选，与油缸有关的压力驱动油缸的杆。

优选，计算装置被配置成根据第一载荷计算第一力。优选，计算装置被配置成根据第一载荷和第一关联载荷计算第一力。优选，计算装置确定第一载荷和第一关联载荷之间的压差，以便计算第一力。

优选，计算装置被配置成根据第二载荷计算第二力。优选，计算装置被配置成根据第二载荷和第二关联载荷计算第二力。优选，计算装置确定第二载荷和第二关联载荷之间的压差，以便计算第二力。

优选，计算装置被配置成计算有效载荷的重心，该重心随后被用于计算有效载荷重量。

优选，计算装置被配置成通过对绕第一点和第二点的力矩求和，来计算有效载荷的重心。优选，在对绕第一点和第二点的力矩求和时，计算装置将有效载荷重量指定为未知的重量力。

优选，计算装置被配置成根据第一力和未知的重量力对绕第一点的力矩求和。优选，在对绕第一点的力矩求和时，计算装置被配置成求取从第一点到第一力的距离。

优选，计算装置借助一个或多个运动传感器求得从第一点到第一力的距离。优选，一个或多个运动传感器确定第一油缸和第二油缸的冲程。

优选，计算装置通过第一点和第一力之间的确定的几何关系，求得从第一点到第一力的距离。

优选，计算装置被配置成根据第一力、第二力和未知的重量力对绕第二点的力矩求和。优选，在对绕第二点的力矩求和时，计算装置被配置成求取从第二点到第二力的距离。

优选，计算装置借助一个或多个运动传感器求取从第二点到第二力的距离。

优选，计算装置通过第二点和第二力之间的确定的几何关系，求取从第二点到第二力的距离。优选，在对绕第二点的力矩求和时，计算装置被配置成求取第一点和第二点之间的距离。

优选，计算装置借助一个或多个运动传感器求取从第一点到第二点的距离。

优选，计算装置通过第一点和第二点之间的确定的几何关系，求取第一点和第二点之间的距离。优选，该距离平行于一轴线，该轴线基本上不平行于有效载荷重量的重力方向。

优选，计算装置将有效载荷重量传递到用户接口的显示器。

优选，该系统还包括记录装置，以记录第一力、第二力和/或有效载荷重量的值。

优选，计算装置被配置成根据记录的有效载荷重量计算被输送到卡车的总有效载荷重量。

优选，该计算装置被配置成根据第一力、第二力和/或有效载荷重量的记录值估算举升构件的疲劳寿命。

在另一形式中，本发明涉及一种计算有效载荷重量的方法，该方法包括如下步骤：

测量与起重机第一构件关联的第一载荷；

测量与起重机第二构件关联的第二载荷；以及

根据测量的第一载荷和测量的第二载荷计算由起重机运载的有效载荷重量。

优选，测量与起重机第一构件关联的第一载荷的步骤包括测量与第一油缸关联的压力。在另一形式中，测量与起重机第一构件关联的第一载荷的步骤包括测量与起重机的第一剪切销和/或举升构件关联的第一载荷单元的电载荷。

优选，测量与起重机关联的第二载荷的步骤包括测量与第二油缸关联的压力。在另一形式中，测量与起重机关联的第二载荷的步骤包括测量与起重机的第二剪切销和/或举升构件关联的第二载荷单元的电载荷。

优选，计算有效载荷重量的步骤包括根据第一载荷计算第一力和根据第二载荷计算第二力。

优选，根据压力形式的第一载荷计算第一力的步骤包括从关联的第一传感器求取关联的第一载荷。优选，根据第一载荷计算第一力包括计算第一载荷和第一关联载荷之间的压差。

优选，根据压力形式的第二载荷计算第二力的步骤包括从关联的第二传感器获取关联的第二载荷。优选，根据第二载荷计算第二力包括计算第二载荷和第二关联载荷之间的压差。

优选，计算有效载荷重量的步骤包括计算有效载荷的重心。

优选，计算有效载荷重心的步骤包括对绕第一点和第二点的力矩求和。

优选，对绕第一点的力矩求和的步骤包括求取从第一点到第一力的距离。优选，从第一点到第一力的距离根据第一点和第一力之间的确定的几何关系求取。

优选，对绕第二点的力矩求和的步骤包括求取从第二点到第二力的距离。优选，从第二点到第二力的距离根据第二点和第二力之间的确定的几何关系求取。

优选，对绕第二点的力矩求和的步骤包括求取第一点和第二点之间的距离。优选，第一点和第二点之间的距离根据第一点和第二点之间的确定的几何关系求取。

优选，该方法还包括当有效载荷重量超过预定限制时警告用户。

优选，该方法还包括记录第一力、第二力和/或有效载荷重量的值。优选，记录的有效载荷重量被用于评估下游装置的载荷状态。

优选，该方法还包括根据记录的被输送到卡车的有效载荷重量，计算被输送到卡车的总有效载荷重量。

优选，该方法还包括根据第一力、第二力和/或有效载荷重量的记录值估算举升构件的疲劳寿命。

根据下面的详细说明会明白本发明的其他特征和优点。

附图说明

仅仅通过示例的方式，下面将参照附图更充分地描述本发明的优选实施方式，其中：

图1展示了装配到挖掘机的根据本发明的一实施方式的计算有效载荷重量的系统。

图2展示了参照图1计算有效载荷重量的方法的流程图；以及

图3展示了在图2中示意的计算有效载荷重量的方法的一部分的流程图。

具体实施方式

图1展示了装配到挖掘机200形式的起重机的、根据本发明的一实施方式的、计算有效载荷重量的系统100。不难理解该系统100可以装配到包括反铲装载机(backhoe)或者吊车(crane)的其他起重机上。

挖掘机200包括座舱210、座舱平台220和具有挖掘机臂和铲斗230的举升构件。挖掘机臂包括斗杆240和悬臂250。铲斗230绕第一点242可枢转地连接到斗杆240。悬臂250绕第二点252可枢转地连接到斗杆240。悬臂250还可枢转地连接到座舱平台220。铲斗230中的有效载荷还限定一轴线5，该轴线基本上不平行于有效载荷重量的重力方向。

挖掘机200包括与斗杆240相连的第一油缸244。挖掘机200还包括与悬臂250相连的第二油缸254。另外，另一油缸224位于座舱平台220和悬臂250之间。不难理解该另一油缸224与悬臂250相连，并且类似地，第二油缸254还例如与斗杆240相连。

在该实施方式中.油缸224、244、254是液压油缸。油缸224、244、254还包括通信模块，该通信模块被设置成传递来自油缸224、244、254的冲程测量结果。所属领域技术人员不难理解，油缸224、244、254的冲程测量结果表示，例如，杆从每个油缸224、244、254的主体的延伸。其还允许确定，例如，挖掘机臂和铲斗230之间的几何关系。

第一油缸244施力于铲斗230上。根据第一油缸254的冲程测量结果，在第一点242和铲斗230与第一油缸244之间的连接点之间、在基本上平行于轴线5的方向上限定一距离“b”。冲程测量结果用一个或多个运动传感器测量。

第二油缸254施力于斗杆240上。根据第二油缸254的冲程测量结果，在第二点252和斗杆240与第二油缸254之间的连接点之间、在基本上平行于轴线5的方向上限定一距离“d”。类似地，根据第二油缸254的冲程测量结果，在第二点252和第一点242之间、在基本上平行于轴线5的方向上限定一距离“c”。该冲程测量结果用一个或多个运动传感器测量。

系统100包括第一传感器110a、第一关联传感器110b、第二传感器120a、第二关联传感器120b和计算装置130。系统100还包括用户接口140和记录装置。第一传感器110a、第一关联传感器110b、第二传感器120a、第二关联传感器120b、用户接口140和记录装置与计算装置130通信。不难理解该通信可以是有线或无线通信。

第一传感器110a、第一关联传感器110b、第二传感器120a和第二关联传感器120b具有压力传感器形式。

优选，第一传感器110a装配到歧管(未显示)上，以便测量与第一油缸244关联的第一载荷。在该实施方式中，第一油缸244因此形成起重机的第一构件。第一关联传感器110b装配到歧管(未显示)上，以便测量与第一油缸244关联的第一关联载荷。所属领域技术人员不难理解，第一载荷和第一关联载荷之间的压差允许确定第一油缸244的第一力，下面再对此详细论述。

第二传感器120a装配到歧管(未显示)上，以便测量与第二油缸254关联的第二载荷。在该实施方式中，第二油缸254因此形成起重机的第二构件。第二关联传感器120b装配到歧管(未显示)上，以便测量与第二油缸254关联的第二关联载荷。与上述的类似，第二载荷和第二关联载荷之间的压差允许确定第二油缸254的第二力，下面再对此详细论述。

第一传感器110a、第一关联传感器110b、第二传感器120a和第二关联传感器120b将它们测量的压力传递到计算装置130。不难理解在其他实施方式中，包括载荷传感器在内的其他传感器也可用于执行本发明。载荷传感器可以装配到举升构件上，或者结合到例如剪切销上。载荷传感器会给出下文讨论的用于计算有效载荷重量的力的指示。

如下文进一步概括的，在该实施方式中，计算装置130被配置成根据由第一传感器110a、第一关联传感器110b、第二传感器120a和第二关联传感器120b测量的载荷计算铲斗230中的有效载荷重量和有效载荷的重心。但是这里要指出的是，所属领域技术人员会理解在本发明中，如果关联的第一和第二载荷是已知的或者可估算，则可以单独用第一传感器110a和第二传感器120b计算有效载荷的重心和有效载荷重量。例如，使用卸压阀可以保持关联的第一和第二载荷恒定。

如上所述，作为计算铲斗230中的有效载荷的重心和重量的一部分，计算装置130配置成根据第一载荷和第一关联载荷之间的压差计算由第一油缸244施加的第一力。例如，从第一载荷减去第一关联载荷，再乘以第一载荷作用的面积以确定第一力。第一载荷作用的面积是第一油缸244中的活塞的任一侧。类似地，计算装置130还配置成根据第二载荷和第二关联载荷计算由第二油缸254施加的第二力。

此外，作为计算铲斗230中的有效载荷的重心和重量的一部分，计算装置130配置成从第一油缸244和第二油缸254接收冲程测量结果。计算装置130还可以从油缸224接收冲程测量结果。根据接收的与第一油缸244和第二油缸254关联的冲程测量结果，计算装置130配置成从它们之间确定的几何关系求取距离“a”、距离“b”和距离“c”。

用户接口140包括显示器。用户接口140配置成从计算装置130接收通信，以便通过显示器显示计算的有效载荷重量。在该实施方式中，用户接口140被结合到计算装置130的壳体中。

用户接口140还配置成指示警告。警告包括通过用户接口140的显示器指示的视觉警告。当由计算装置130计算的有效载荷重量超过预定限制时触发警告。预定限制在铲斗230中可容许的最大有效载荷重量处或附近。

记录装置记录由计算装置130接收和计算的信息。即，记录装置记录来自计算装置130的计算得到的有效载荷重心和有效载荷重量的值。记录装置还记录第一力和第二力的值。记录装置上的记录值可例如用于计算估计的疲劳寿命，下面再对此进一步论述。记录值还可用于计算输送到例如卡车的总有效载荷重量。

图2参照图1阐明了计算有效载荷重量的方法1000。

在步骤1100处，挖掘机200挖取一铲泥土，这形成该实施方式中的有效载荷。

在步骤1200处，当挖掘机臂将有效载荷支撑在地面上方时，计算装置130从第一传感器110a、第一关联传感器110b、第二传感器120a和第二关联传感器120b接收测量压力。

在步骤1300处，计算装置130根据由第一传感器110a、第一关联传感器110b、第二传感器120a和第二关联传感器120b测量的压力，分别计算由第一油缸244和第二油缸254施加的相应力。即，如上所述，计算装置130配置成根据测量压力所作用的面积计算由第一油缸244和第二油缸254施加的相应力。不难理解，包括如上所述的通过剪切销的力的其他力也可用于实施本发明。

在步骤1400处，使用由第二油缸254和第一油缸244施加的相应力，计算装置130通过对绕挖掘机200各点的力和力矩求和计算有效载荷的重心。虽然所属领域技术人员不难理解，可以对绕挖掘机200各点的力和力矩求和，为简化几何结构，例如在图3中概括了下述方法。

在步骤1410处，计算装置130的计算首先基于施加到铲斗230上的力。即，对绕第一点242的力和力矩求和，以确定有效载荷重心和有效载荷重量以及施加到铲斗230上的其他力(即来自第一油缸244的第一力)之间的关系。

所属领域技术人员不难理解，在计算因来自第一油缸244的力产生的绕第一点242的力矩时，计算装置130求取距离“b”的值。即，在该实施方式中，计算装置130从第一油缸244接收冲程测量结果。利用第一油缸244的冲程测量结果，计算装置130从第一点242和第一油缸244的冲程测量结果之间确定的几何关系求取距离“b”。

也不难理解，在计算绕第一点242的力矩时，计算装置130还根据第一点242和第一油缸244的冲程测量结果之间确定的几何关系，将来自第一油缸244的力分解成基本垂直(即基本上不平行)于轴线5的垂直力。然后通过用来自第一油缸244的基本上垂直(即基本上不平行)于轴线5的分解的垂直力乘以距离“b”计算因来自第一油缸244的力产生的绕第一点242的力矩。

因有效载荷在其重心处的重量而产生的绕第一点242的力矩被指定为未知距离“a”处的未知的重量力。距离“a”在基本平行(即基本不平行)于轴线5的方向上，并且所属领域技术人员不难理解，它代表重心与第一点242之间的距离。

在步骤1420处，计算装置130的计算然后根据绕第二点252的力和力矩，以确定有效载荷重心、有效载荷重量和施加到斗杆240上的其他力(即来自第二油缸254的力)之间的其他关系。

类似于计算因来自第一油缸244的力而产生的绕第一点242的力矩，在计算因来自第二油缸254的力而产生的绕第二点252的力矩时，计算装置130求得距离“d”的值。即，在该实施方式中，计算装置130从第二油缸254接收冲程测量结果。利用第二油缸254的冲程测量结果，计算装置130根据第二点252和第二油缸254的冲程测量结果之间的确定的几何关系求取距离“d”。计算装置130还根据第二点252和第二油缸254的冲程测量结果之间的确定的几何关系，将来自第二油缸254的力分解成基本垂直(即基本上不平行)于轴线5的垂直力。

然后通过用来自第二油缸254的基本上垂直(即基本上不平行)于轴线5的分解垂直力乘以距离“d”，计算因来自第二油缸254的力而产生的绕第二点252的力矩。

另外，在计算因有效载荷重量和来自第二油缸254的力而产生的绕第二点252的力矩时，计算装置130求得距离“c”的值。即，利用第二油缸254的冲程测量结果，计算装置130根据第二点252和第一点242之间确定的几何关系求得距离“c”。

对于距离‘c’，因来自第一油缸244的力而产生的绕第二点252的力矩也通过将距离‘b’和距离‘c’之和乘以来自第一油缸244的基本上垂直(即基本上不平行)于轴线5的分解垂直力来计算。因有效载荷在其重心的重量而绕第二点252产生的力矩被假定为是未知的重量力乘以距离‘c’和未知距离‘a’之和。

在步骤1430处，根据上述关系，计算装置130然后计算有效载荷的重心。即，所属领域技术人员不难理解，计算装置130使用绕点242、252的各力矩和各力之和来计算未知距离‘a’(即有效载荷的重心)。不难理解，这一计算中的重心处于基本平行于挖掘机臂的悬臂250和斗杆240的方向上。

接上述步骤，在步骤1500处，有效载荷的重心(即距离‘a’)然后被计算装置130用于计算有效载荷重量。即，所属领域技术人员不难理解，计算得到的有效载荷重心可以代入上述关系中以求出有效载荷重量。

一旦计算出有效载荷重量，有效载荷重量就可用于各种应用中。例如，有效载荷重量可用于步骤1600a、1600b、1600c和/或1600d中，概述如下。

在步骤1600a处，一旦计算出有效载荷重量，计算装置130就与用户接口140通信，将有效载荷重量显示给用户。

在步骤1600b处，如果铲斗230中的有效载荷重量超过预定限制，会触发警告通知用户减少铲斗230中的有效载荷重量。即，视觉警告会通过用户接口140的显示器显示。声音警告会也会通过用户接口140的喇叭响起。

在步骤1600c处，由计算装置130计算的有效载荷重量被记录装置记录。第一力和第二力也被记录。

计算装置130配置成根据记录值随后确定至少挖掘机臂和铲斗230的估计疲劳寿命。即，例如，计算装置130根据记录值确定挖掘机臂处于其疲劳寿命中的哪个阶段。计算装置130然后使用通过挖掘机臂传输的估计载荷来估计挖掘机臂剩余的疲劳寿命。估计载荷通常是根据记录值确定的先前通过挖掘机传输的载荷的平均值。一旦达到疲劳寿命的预定限制，计算装置130就与报警装置通信，以警告用户。

根据记录值，计算装置130还可以确定输送到其他装置的总有效载荷重量。例如，计算装置130可以确定输送到卡车的总有效载荷重量。如果卡车已经过载，则计算装置130可以通过用户接口140警告用户。类似地，总有效载荷重量允许人们评估其他下游装置的载荷状态。

系统100根据两个或多个力矩计算，允许精确计算铲斗230中的重心和有效载荷重量。通过用户接口140将有效载荷的计算重量显示给用户，允许用户在有效载荷使得铲斗230过载或者欠载时采取适当措施。由此，如果用户避免了因铲斗230欠载而不得不更多次往返，则生产力提高。此外，举例来说，如果有效载荷使铲斗230过载，则损坏得以避免。另外，举例来说，当用户未直接注意到用户接口140的显示时，声音报警装置还能确保用户不会让挖掘机200过载。

当挖掘机臂或者铲斗230的至少一部分达到估计的疲劳寿命时，通过警告用户，系统100还允许用户采取预防性维护，以基本上确保挖掘机200的各部件不会因没有预警而损坏。这避免了挖掘机200的意外停机时间，增加了生产能力。此外，当输送的有效载荷使卡车过载时预警，还避免了其他的安全问题和潜在的损坏。

在本说明书中，诸如第一和第二、左和右、顶和底等一类的形容词仅仅用于将一个元件或者动作与另一个元件或者动作区分，而不是一定需要或者暗示任何实际的这种关系或者顺序。如果上下文允许，对一个整体或者一个部件或者一个步骤(等)的引用不应解释为限制成只有一个整体、部件、或者步骤，而可以是一个或多个整体、部件、或者步骤等等。

对本发明的各实施方式的上述说明是为了向所属领域中的普通技术人员说明的目的而提供。不打算穷举或者限制本发明为单个公开的实施方式。如上所述，本发明的许多备选方案和变体对上述教导的领域的技术人员来说是显而易见的。因此，虽然有些备选实施方式已经作了特别的描述，但是其他实施方式对本领域普通技术人员也是显而易见的或者相对容易开发的。例如，有效载荷重量可以根据第一传感器110的测量压力和第二传感器120的测量压力来计算，而基本上未限定有效载荷的重心。

本发明意在涵盖已经在此论述的本发明的所有备选方案、改进和变体、以及落在上述发明的构思和范围内的其他实施方式。

在本申请文件中，术语‘包括’、‘包含’、‘含有’、‘含’或者类似术语意图表示非排他性的包含，以便包含一系列要素的方法、系统或者设备不仅仅是包含这些要素，而是有可能包含未列出的其他要素。