专利名称：平地机智能调平系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于平地机调平系统，特别是涉及一种可以使平地机快速高效的进行自 动调平作业，适应普通道路横坡、弯道超高、道路缓和线等横向坡度按一定规律变化的 精确控制的平地机智能调平系统。背荣技术平地机，顾名思义就是平整场地、路面的机械，平地机作业时，铲刀相对于地面的 位置决定着其工作质量，也就是路面的平整度。平地机的工作装置铲刀是安装在一个可 以水平回转、垂直摆动和横向伸缩的机架上，通过各控制液压油缸的动作，控制铲刀升 降、回转、倾斜、引出和铲土角度变换。在平地机作业时，司机通常必须随时调整铲刀 的空间位置，使铲刀刮整的路面尽量平整而减少因为整机行驶颠簸不平造成的影响。司机驾驶方向盘的旁边通常有IO个不同的手动控制阀杆，其中6个直接用于控制铲刀位置。 为了获得较好的平地效果，司机必须要有娴熟的操作技术，要根据平地机行驶状况不断 的对铲刀进行调整，因此平地机司机的操作劳动强度较大，如果司机没有及时正确的调 整铲刀位置，铲刀底缘刮出的表面就会随着整机的起伏而起伏，甚至使铲刀短时铲土过 深、机器过载而减速换档和提铲，造成施工表面局部高低不平，极大的影响作业路面平 整度和生产率。CN200520011494.X的实用新型专利公开了一种平地机自动找平系统，包括用于测量 铲刀的位置参数信息的传感器、用于控制铲刀油缸的比例阀组、用于设定系统参数及施 工参数及显示铲刀的实时位置参数信息的操作界面、用于接收传感器采集的实时信息的 主控器，主控器根据传感器采集的数据经过相应的运算与设定值进行比较，再将相应的 信号输出到比例阀组，控制铲刀复位，传感器及操作界面通过CAN总线与主控器相连， 比例阀组的信号输入端与主控器的信号输出端相连，比例阀组与平地机的液压系统相连。 本系统可以使平地机按照操作员预先设定的纵坡及横坡值进行自动控制，从而实现平地 机的自动操作，保证平地机按照设定值进行精确平整。该专利所描述的平地机自动调平系统，必须依靠道路边缘进行作业，对于道路中部 或不便设置施工基准的场地，应用受到限制；在操作上主要控制按钮与手动阀控制杆在 —起，容易产生误动作。美国专利US6278955平地机自动调平到预定位置的方法，提出了一种系统和方法， 用于自动调节平地机伊刀到操作者预编程的铲刀位置。该方法包含的步骤是l.提供一个 电子控制器及具有位置传感器的铲刀控制装置；2.监测位置传感器的输出,以确定控制铲刀的位置；3.接受第一输入信号用于设置铲刀记忆位置；4.根据位置传感器的输出确定记 忆铲刀位置5.接受第二输入信号要求记忆铲刀位置；6.根据输出的位置传感器确定当前 铲刀位置；7.产生控制信号，作用于铲刀控制装置以便将铲刀从当前位置移动到存储铲刀 位置。该专利是用于控制操作员输入记忆铲刀的位置，根据位置传感器的反馈信号确定铲 刀当前位置，并将根据要求的记忆铲刀位置控制铲刀从当前位置移动到存储铲刀位置。 主要用于快速调整铲刀的基本工作位置，而不是用于平地机与地面的相对位置变化而调 整铲刀进行实时的调平作业。美国专利US5107932平地机控制铲刀的装置和方法，提出了铰接式平地机控制横坡 角的一种方法和装置，通过铲刀回转转向，在直线行驶、蟹形转向和非水平面行驶的情 况。铲刀角度被监测和控制使铲刀角度保持大致相等计算铲刀角度。第一个体现，铲刀 角度计算是用公式BS:=sin(i， ) .tan(R) + cos (t:， ) . tan (CS) 这里，BS是要求的铲刀与水平面的夹角，T'是铲刀相对于铲刀运动在水平面的投影 方向的夹角，r是铲刀行驶方向和水平面的夹角，而CS是希望的横坡角，由操作人员输 入的控制角度。在进一步的体现,铲刀角度计算是用公式BS :=sin (t， ' ) .tan (R， ) + cos (t， ， ) .tan (CS)这里，BS是要求的铲刀与水平面的夹角，t"是铲刀相对于铲刀运动在水平面的投影 方向的夹角，其前轮转向装置处的横坡角为零，r'是铲刀行驶方向和水平面的夹角，其 前轮转向装置处的横坡角为零，而CS是希望的横坡角。这仅是平地机一种调平的一端控制数学模型，而不是一套完整的平地机调平控制系统。发明内容本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种可以使平地机快速髙效的 进行自动调平作业，适应普通道路横坡、弯道超高、道路缓和线等横向坡度按一定规律 变化的精确控制的平地机智能调平系统。本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是 一种平地机智 能调平系统，包括有根据铲刀空间位置监测传感器接收平地机铲刀位置的信号，并自 动向控制铲刀油缸的电控液压阀发出控制信号的自动调平电控系统，和接收自动调平电 控系统的控制信号驱动铲刀自动调平的自动调平液压系统。所述的自动调平电控系统包括有在平地机上设置的安装在铲刀上部的用于监测 铲刀与水平面的倾斜状态的铲刀倾斜传感器；安装在伊刀回转盘上的用于监测伊刀回转 角度的铲刀回转传感器；安装在平地机前机架上的用于监测行驶的纵向坡度的机架倾斜传感器；控制铲刀油缸的且设置在自动调平液压系统中的左升降油缸电控阀和右升降油 缸电控阀安装在伊刀一侧的用于跟踪作业路面基准的铲刀髙程传感器和伊刀距离传感 器；以及根据接收各传感器信号向左升降油缸电控阀和右升降油缸电控阀发出控制信号 的调平控制器和监控显示器，其中，调平控制器分别与铲刀倾斜传感器、铲刀回转传感 器、机架倾斜传感器、左升降油缸电控阀和右升降油缸电控阀、铲刀髙程传感器、铲刀 距离传感器以及监控显示器相连接。在平地机上还安装有与调平控制器相连的整机行驶速度传感器。 在铲刀的一侧或中部还安装有与调平控制器相连的带差分GPS卫星定位装置。 所述的自动调平液压系统包括有控制液体流入的优先阀分别与优先阀的输出端 相连的第一、第二调速节流阀分别对应连接在两个调速节流阀的输出端上且受自动调 平电控系统中调平控制器控制的左升降油缸电控阀和右升降油缸电控阀；分别与优先阀 的输出端相连的第一、第二手动控制阀；与左升降油缸电控阀和第一手动控制阀相连的 第一双向液压锁及与右升降油缸电控阀和第二手动控制阀相连的第二双向液压锁；以及 分别对应与两个双向液压锁的输出端相连，驱动铲刀动作的左升降油缸和右升降油缸s 上述的部件之间是通过液压管路相连接的。本实用新型具有的优点和积极效果是由于本实用新型的平地机智能调平系统引入 了平地机行驶速度参数、铲刀横向距离传感器、GPS卫星定位装置，将道路数据输入于 存储监控器，并通过控制软件，可以使平地机快速髙效的进行自动调平作业，适应普通 道路横坡、弯道超高、道路缓和线等横向坡度按一定规律变化的精确控制。从而保证平 地机按照施工标准的作业平整度。
图1是平地机侧面结构示意图图2是图1的俯视图；图3是图1中的局部示意图；图4是平地机自动调平液压系统框图；图5是平地机自动调平电控系统框图。图中的标号分别是la 、 l一第一、第二手动控制阀；2a 、 2—第一、第二双向液压锁；3a、 3—左升降 油缸和右升降油缸；4a、 4一左、右升降油缸电控阀；5a、 5—第一、第二调速节流阀；6 一优先阀6: 7—铲刀回转盘8—前机架；9一妒刀；IO—调平控制器ll一监控显示器, 12—铲刀倾斜传感器13 —铲刀回转传感器；14一机架倾斜传感器14; 15—炉刀高程传 感器16—铲刀距离传感器；17—整机行驶速度传感器；18—GPS卫星定位装置。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合 附图详细说明如下图l是平地机侧面结构示意图；图2是图1的俯视图。实际作业时，平地机通过调 节铲刀9的左右升降油缸3、 3a,控制刮平铲刀9的空间位置，使铲刀9刮出的路基面满 足工程施工标准的要求。平地机伊刀9是一钢结构体，铲刀9底刃为一直线，当铲刀9 底刃左右两点P1、 P2的高度确定以后，随着平地机的行驶铲刀9底部刀刃就将形成一个 面。当平地机自身水平行驶时，如果P1、 P2的髙度保持相等，形成的就是水平面；如果 Pl、 P2的高度差保持不变，形成的就是一定斜度的坡面。实际上平地机在未经整平的路 基上行驶时，机器自身随着路基的不平而颠簸，因此如果P1、 P2的相对机架8的髙度保 持相等，伊刀9刀刃轨迹面就是路基面的仿形；如果P1、 P2的高度差保持不变，最终的 成形面是一定斜度的坡面，但复合了路基面的不平波形。平地机的自动调平系统，就是 要在平地机的实际作业中，使的高度差相对于大地的水平基准保持不变，这样铲刀9刀 刃轨迹面是满足一定横向坡度的斜面，而过滤了路基面的不平波形的影响。在道路霈要 改变横向坡度或有弯道超高要求的路段，自动调平系统可以根据线路设计的要求，及时 准确的调整P1、 P2的相对于大地的水平基准高度差，满足工程施工的标准要求。图3是图1中的局部示意图，即反映出平地机道路横截面视图(图2中的道路M-M 截面)，可以看到道路横断面通常是道路中间髙，其两边低，这是为了道路排水的要求 而设计的。道路设计的横向坡度铲刀9与道路形成夹角p，则横向坡度在铲刀9底刃Pl-P2 方向上，a将改变为ct',平地机行驶过程中，希望其铲刀9底刃P1-P2与水平面的夹角 e与道路斜线坡度a'吻合，由于各种因素影响实际行驶中这两者存在误差。自动调平系 统根据道路设计的横坡度a,各传感器监测的铲刀9实际空间位置参数数据，自动调节铲 刀9左右升降油缸3、 3a的动作，满足道路工程设计参数的要求。本实用新型的平地机智能调平控制系统，包括有根据铲刀空间位置监測传感器接 收平地机铲刀位置的信号，并自动向控制铲刀油缸的电控液压阀发出控制信号的自动调 平电控系统，和接收自动调平电控系统的控制信号驱动铲刀自动调平的自动调平液压系 统。如图4所示，所述的自动调平液压系统包括有控制液体流入的优先阀6:分别与优 先阀6的输出端相连的第一、第二调速节流阀5a、 5;分别对应连接在两个调速节流闽 5a、 5的输出端上且受自动调平电控系统中调平控制器10控制的左升降油缸电控阀4a 和右升降油缸电控阀4:分别与优先阀6的输出端相连的第一、第二手动控制阀la、 1: 与左升降油缸电控阀4a和第一手动控制阀la相连的第一双向液压锁2a及与右升降油缸 电控阀4和第二手动控制阀1相连的第二双向液压锁2;以及分别对应与两个双向液压锁 2a、 2的输出端相连，驱动铲刀9动作的左升降油缸3a和右升降油缸3:上述的部件之 间是通过液压管路相连接的。系统压力油经过优先阀6首先满足电控阀4和4a的控制油液，多于的液压油再分配给手动控制阀。自动调平时，铲刀9通常都在设计的理想位置附近， 一有偏差就立即进 行纠正调节，因此每次铲刀9调节其动作幅度较小，所需液压油也较少。采用调速节流 阀5和5a控制油流速度避免铲刀9超调，并保证控制信号相同时电控液压阀4或4a每 次的动作一致，4和4a阀的动作一致。由于采用了优先阀6，其他手动控制阀的动作不 会影响自动调平电控阀的动作；自动调平需要液压油量较少，大部分液压油分配给其他 手动控制阀，因此即使自动调平阀正在工作，对其他油缸、马达的手动控制几乎没有影 响。如图5所示，所述的自动调平电控系统包括有在平地机上设置的安装在铲刀9 上部的用于监测铲刀与水平面的倾斜状态的铲刀倾斜传感器12;安装在铲刀回转盘7上 的用于监测铲刀回转角度的铲刀回转传感器13:安装在平地机前机架8上的用于监测行 驶的纵向坡度的机架倾斜传感器14:控制铲刀油缸的且设置在自动调平液压系统中的左 升降油缸电控阀4a和右升降油缸电控阀4;安装在铲刀9 一侧的用于跟踪作业路面基准 的铲刀高程传感器15和铲刀距离传感器16,该传感器用于实时监測平地机铲刀与作业路 面基准高度和水平距离的变化，系统监控据此对该侧铲刀升降电控液压阀实施控制以 及根据接收各传感器信号向左升降油缸电控阀4a和右升降油缸电控阀4发出控制信号的 调平控制器10和监控显示器11,其中，调平控制器10分别与铲刀倾斜传感器12、铲刀 回转传感器13、机架倾斜传感器14、左升降油缸电控阀4a和右升降油缸电控阀4、铲刀 高程传感器15、铲刀距离传感器16以及监控显示器11相连接。在平地机上还安装有与调平控制器10相连的整机行驶速度传感器17。在铲刀9的一侧或中部还安装有与调平控制器10相连的带差分GPS卫星定位装置18 自动调平电控系统是本专利的核心，监控显示器ll用于设定自动调平模式、横坡角 度ou实时显示铲刀9的调平状态和报警指示，根据需要可以通过数据接口 (CAN、 USB 等)输入和存储当前道路施工数据。监控显示器ll的控制模式、横坡角度a的设定均采 用监控显示器ll配置的软键实现，可以简化控制线路，避免部分指令开关与手动液压阀 杆相连可能出现的误操作。高程传感器15安装在平地机前进的左侧(如图2)，跟踪基准绳或基准路缘S,检 測铲刀9底刃Pl点相对于基准的高程变化，并控制右侧油缸3的升降；妒刀9回转传感 器检測铲刀9相对于机架8水平回转角度P,而机架倾斜传感器14可以检測出平地机行 驶道路的纵向坡度q);根据道路设计的横坡角度a,由控制模块内置数学模型可以计算出 设计要求的斜线坡度a';据此，将斜线坡度W与实测反馈的铲刀9倾角e进行比较， 由两者的偏差调节左侧油缸3a的升降从而使两者接近相等。这种平地机自动调平的方法 可以满足一般道路工程施工的要求。自动调平电控系统的监测传感器还包括扩展传感器铲刀距离传感器16、整车速度 传感器17、 GPS卫星定位装置18以及道路施工数据输入接口。在这种扩展调平控制方式中，妒刀距离传感器16监测伊刀9在道路横向上相对于基准绳或基准路缘的距离d, 用于高程控制中引入横向移动对应的高程修正量，提高控制精度；同时可以用于定位作 业过程中铲刀9左侧点P1的位置。整车速度传感器17用于监测平地机的实时速度，计 算作业中相对于基准点(起始点)的距离，从而配合距离d定位铲刀9左侧点Pl的位置。 GPS装置18选用供货商在平地机使用范围内提供差分基站数据服务的卫星定位装置，其 定位精度达到厘米级别，可以满足平地机铲刀9自动调平系统的精度要求。GPS装置18 可以用来定位P2点(或P1-P2中点)位置。Pl、 P2点确定后，铲刀9斜线以及相应设 计斜线坡度a'就得到确定；据此与铲刀9实测倾角e进行比较，系统即可进行右侧铲刀 9的调节，满足工程施工技术指标要求。在这种扩展控制方式中，根据行驶速度计算的行驶距离、铲刀9横向偏移量d确定 Pl点水平位置，采用GPS装置18获得P2点水平位置。此时，若监控器预先输入并存储 了当前道路施工数据，则可以调出Pl、 P2两点的设计数据，计算出两点的理论坡度角(相 对于水平面)并根据铲刀9实际倾角e进行右侧铲刀9的调节。此时，道路的横坡角度 可以是变化的，调平控制器10可以实时计算当前位置产道的设计坡度a'，从而适合弯 道超髙、道路缓和线等横向坡度按一定规律变化的精确控制；而在不使用本专利的方法 时，这种情况即使用其他的平地机自动调平系统(美国专利US5107932、中国专利 CN200520011494.X)也完全靠司机凭感觉来调整，平整度没有保证，更不能实现横向坡 度按规律变化的精确控制。采用基本传感器组的4种传感器，加上铲距离传感器16、整车速度传感器17可以实 现变坡度道路的调平控制。此时，以监控显示器ll软键或数据输入接口输入并存储道路 坡度随行驶距离的变化数据。平地机作业时，由行驶速度和时间计算出行驶距离，由此 可以调出相应的横向坡度a;铲刀9高程传感器15检测铲刀9P1点相对于基准的高程变 化，铲刀9横向偏移量d监测引入了高程控制的修正量，使P1点高程控制更准确结合 传感器检测的铲刀9水平回转角度p、机架8纵向坡度cp和调出的横坡角度a，可以计算 出铲刀9的理论斜线坡度a';据此，自动调平系统调节右侧铲刀9升降，使其实际倾角 e尽可能与a'接近相等，实现平地机整平道路并满足道路设计坡度的要求。在本实施例中，调平控制器10选用芬兰EPEC公司2023型工程机械用控制器；监 控显示器11选用德国GRAF公司AT72型显示器。
权利要求1.一种平地机智能调平控制系统，包括有根据铲刀空间位置监测传感器接收平地机铲刀位置的信号，并自动向控制铲刀油缸的电控液压阀发出控制信号的自动调平电控系统，和接收自动调平电控系统的控制信号驱动铲刀自动调平的自动调平液压系统。
2. 根据权利要求1所述的平地机智能调平控制系统，其特征在于，所述的自动调平 电控系统包括有在平地机上设置的安装在铲刀(9)上部的用于监测铲刀与水平面的 倾斜状态的铲刀倾斜传感器(12);安装在铲刀回转盘(7)上的用于监测铲刀回转角度 的炉刀回转传感器(13);安装在平地机前机架(8)上的用于监测行驶的纵向坡度的机 架倾斜传感器(14);控制铲刀油缸的且设置在自动调平液压系统中的左升降油缸电控 阀(4a)和右升降油缸电控阈(4);安装在铲刀(9) 一侧的用于跟踪作业路面基准的 铲刀高程传感器(15)和铲刀距离传感器(16);以及根据接收各传感器信号向左升降 油缸电控阀(4a)和右升降油缸电控阀(4)发出控制信号的调平控制器(10)和监控显 示器(11),其中，调平控制器(10)分别与铲刀倾斜传感器(12)、铲刀回转传感器(13)、机架倾斜传感器(14)、左升降油缸电控阀(4a)和右升降油缸电控阀(4)、 铲刀髙程传感器(15)、铲刀距离传感器(16)以及监控显示器(11)相连接。
3. 根据权利要求2所述的平地机智能调平控制系统，其特征在于在平地机上还安 装有与调平控制器(10)相连的整机行驶速度传感器(17)。
4. 根据权利要求2所述的平地机智能调平控制系统，其特征在于在铲刀(9)的 一侧或中部还安装有与调平控制器(10)相连的带差分GPS卫星定位装置(18)。
5. 根据权利要求1所述的平地机智能调平控制系统，其特征在于，所述的自动调平 液压系统包括有控制液体流入的优先阀(6);分别与优先阀(6)的输出端相连的第 一、第二调速节流阀(5a、 5);分别对应连接在两个调速节流阀(5a、 5)的输出端上 且受自动调平电控系统中调平控制器(10)控制的左升降油缸电控阀(4a)和右升降油 缸电控阀(4);分别与优先阀(6)的输出端相连的第一、第二手动控制阈(la、 1); 与左升降油缸电控阀(4a)和第一手动控制阀(la)相连的第一双向液压锁(2a)及与 右升降油缸电控阀(4)和第二手动控制阀(1)相连的第二双向液压锁(2);以及分别 对应与两个双向液压锁(2a、 2)的输出端相连，驱动铲刀(9)动作的左升降油缸(3a) 和右升降油缸(3);上述的部件之间是通过液压管路相连接的。
专利摘要一种平地机智能调平系统，包括有根据铲刀空间位置监测传感器接收平地机铲刀位置的信号，并自动向控制铲刀油缸的电控液压阀发出控制信号的自动调平电控系统，和接收自动调平电控系统的控制信号驱动铲刀自动调平的自动调平液压系统。本实用新型引入了平地机行驶速度参数、铲刀横向距离传感器、GPS卫星定位装置，将道路数据输入于存储监控器，并通过控制软件，可以使平地机快速高效的进行自动调平作业，适应普通道路横坡、弯道超高、道路缓和线等横向坡度按一定规律变化的精确控制。从而保证平地机按照施工标准的作业平整度。
文档编号G05D3/12GK201089948SQ200720097350
公开日2008年7月23日 申请日期2007年9月5日 优先权日2007年9月5日
发明者吴卫国, 吴国祥, 李玉河 申请人:天津工程机械研究院