一种臂架前端垂直方向定位系统及定位方法与流程

本发明涉及工程机械技术领域，尤其是涉及一种臂架前端垂直方向定位系统及定位方法。

背景技术：

堆取料机在自动作业时，在已知料堆的分布和表面空间坐标时，堆取料机可自动控制堆取料作业，控制精度和作业效率很大程度上取决于臂架前端的定位精度。堆料时物料从臂架前端卸到料场，取料时由臂架前端的斗轮机构接触料堆进行取料，当臂架前端定位精度不高时，在取料时极易发生取料层高过大或过小，无法保证取料流量的稳定，同时造成残余料层高度不可控；在堆料时容易造成堆高不足，导致料场利用率低，或堆高过高，使臂架在运动时料堆与臂架发生干涉碰撞。因此在作业过程中需要对堆取料机的臂架前端进行准确定位，来保证堆取料机控制的精度和效率。

现有技术中臂架前端的定位有以下两种方案：

方案1：臂架前端定位采用编码器检测走行位置、回转角度和臂架俯仰角度，最后再用走行位置、回转角度、俯仰角度等参数通过三角函数计算臂架前端在空间坐标系中的(x，y，z)值。

方案2：随着GPS技术的发展，近年来，出现了利用RTK-GPS(实时差分GPS系统)定位系统来对臂架前端进行直接定位，该方案定位精度较高。

针对方案1：随着技术发展，目前堆取料机的走行位置和回转角度定位均可以做到高精度的定位，但是臂架俯仰角度采用编码器时，编码器安装在臂架俯仰的中心铰点处，计算过程中将臂架当做刚性的直线，用铰点处的角度来代替臂架前端的角度。但臂架前端因为自重和负载，常导致臂架钢结构发生变形，其变形在臂架前端的位移量可达300～500mm。因此，现有技术中，该方案无法解决因臂架变形带来的臂架前端定位系统的误差，因此臂架前端在垂直方向上的定位精度较低。此外采用机械接触式测量，使用过程中容易损坏，维护量较大。

针对方案2：RTK-GPS定位系统针对露天使用的设备能做到高精度定位。随着环保要求的日益严苛，许多堆取料机作业的堆场转为封闭料场，封闭料场使用钢制大棚进行了封闭，使GPS系统无法接收卫星信号，RTK-GPS定位系统不适用在封闭料场中采用。因此用于室内设备的臂架前端垂直方向定位系统尚存在技术问题需克服。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明解决的技术问题在于：提供一种能够准确检测出臂架前端垂直方向的定位值，提高定位精度和设备运行的可靠性的臂架前端垂直方向定位系统及定位方法。

为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种臂架前端垂直方向定位方法，包括以下步骤：

检测臂架俯仰铰点与臂架拉杆铰点之间臂架段与水平面夹角的第一角度传感器，以及检测臂架拉杆铰点与臂架前端点之间臂架段与水平面夹角的第二角度传感器检测的角度数据分别输出至数据处理单元；所述数据处理单元对接收的数据进行滤波和解算后，得出的臂架垂直方向定位数据，通过工业总线输出至能控制臂架作业的自动控制系统；自动控制系统按定位数据控制臂架的作业。

作为进一步改进技术方案，本发明提供的臂架前端垂直方向定位方法，所述数据处理单元对接收的数据滤波包括：对第一角度传感器检测的角度φ和第二角度传感器检测的角度θ均至少采样5次后，按取算术平均值的方法进行滤波计算；臂架前端垂直方向定位包括以下步骤：

所述数据处理单元按以下公式计算臂架俯仰铰点与臂架前端点之间连线的长度L3：

所述数据处理单元按以下公式计算臂架俯仰铰点与臂架前端点之间连线与水平面的夹角β：

所述数据处理单元按以下公式计算实时工况下臂架前端点距离基准平面的垂直距离H1：

H1＝H0+L3sinβ；

所述数据处理单元按计算结果得出臂架垂直方向定位数据；

其中：φ为第一角度传感器检测的臂架俯仰铰点与臂架拉杆铰点之间臂架段与水平面的夹角，单位为度；

θ为第二角度传感器检测的臂架拉杆铰点与臂架前端点之间臂架段与水平面的夹角，单位为度；

β为臂架俯仰铰点与臂架前端点之间连线与水平面的夹角，单位为度；

L1为臂架俯仰铰点与臂架拉杆铰点之间的直线长度，单位为米；

L2为臂架拉杆铰点与臂架前端点之间的直线长度，单位为米；

L3为臂架俯仰铰点与臂架前端点之间的直线长度，单位为米；

H0为臂架俯仰铰点与基准平面的垂直距离，单位为米。

作为进一步改进技术方案，本发明提供的臂架前端垂直方向定位方法，还包括臂架前端垂直方向定位系统的实时自校验，实时自校验包括以下步骤：

在臂架重载作业的工况下，记录第一角度传感器的连续输出值φ1和第二角度传感器连续输出值θ1；

计算上步骤中第一角度传感器和第二角度传感器的角度输出差值，即：

δ＝|φ1-θ1|

找出δ中的最大值δmax；

储存δmax值，将其作为检验阈值，臂架在作业过程中，数据处理单元对第一角度传感器检测的角度输出值φ和第二角度传感器检测的角度输出值θ，计算公式：

|φ-θ|＜η×δmax

是否成立，若公式成立，臂架前端垂直方向定位系统运行正常，重复实时自校验过程；若公式不成立，则认定两个角度传感器中至少有一个出现故障，数据处理单元发出故障信号给自动控制系统，提示维护人员进行相关检查；其中η为容许系数。

在上述改进方案的基础上，作为进一步改进技术方案，本发明提供的臂架前端垂直方向定位方法，容许系数η的取值范围为1～1.2，系根据现场的测试进行确定。

为了解决上述技术问题，另一方面，本发明提供一种臂架前端垂直方向定位系统，它包括检测臂架俯仰铰点与臂架拉杆铰点之间臂架段与水平面夹角的第一角度传感器；检测臂架拉杆铰点与臂架前端点之间臂架段与水平面夹角的第二角度传感器；至少具备采集第一角度传感器、第二角度传感器数据、数据滤波和数据计算功能的数据处理单元；至少能控制臂架作业的自动控制系统；第一角度传感器和第二角度传感器检测的角度数据均输出至所述数据处理单元；所述数据处理单元对接收的数据进行滤波和解算后，得出的臂架垂直方向定位数据，通过工业总线输出至所述自动控制系统。

作为进一步改进技术方案，本发明提供的臂架前端垂直方向定位系统，所述第一角度传感器安装在近臂架俯仰铰点处；所述第二角度传感器安装在近臂架拉杆铰点处；臂架俯仰铰点与臂架拉杆铰点之间臂架段的长度大于臂架拉杆铰点与臂架前端点之间臂架段的长度。

作为进一步改进技术方案，本发明提供的臂架前端垂直方向定位系统，所述第一角度传感器、第二角度传感器均为抗振动伺服型角度传感器，输出角度频率不低于10Hz。

在不冲突的情况下，上述改进方案可单独或组合实施。

本发明提供的技术方案，采用双角度传感器进行角度拟合计算，减少了臂架变形带来的臂架前端在垂直方向上定位精度较差的问题；可以满足在封闭料仓等室内环境的使用，使用时的臂架前端在垂直方向上的定位精度较高。

改进方案中具备自校验功能，可以自行进行故障分析，具备较高可靠性；

本系统传感器为非机械接触式测量，几乎为免维护的，可大大减少维护工作量。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是实施例堆取料机的定位系统在上仰工况时的结构状态示意图；

图2是实施例堆取料机的定位系统在下俯工况时的结构状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1和图2所示的堆取料机的臂架前端垂直方向定位系统，包括检测臂架俯仰铰点1与臂架拉杆铰点2之间臂架段与水平面夹角的第一角度传感器4；检测臂架拉杆铰点2与臂架前端点3之间臂架段与水平面夹角的第二角度传感器5；至少具备采集第一角度传感器、第二角度传感器数据、数据滤波和数据计算功能的数据处理单元；至少能控制臂架作业的自动控制系统；第一角度传感器4和第二角度传感器5检测的角度数据均输出至所述数据处理单元；所述数据处理单元对接收的数据进行滤波和解算后，得出的臂架垂直方向定位数据，通过工业总线输出至自动控制系统；第一角度传感器4安装在近臂架俯仰铰点1处，第二角度传感器5安装在近臂架拉杆铰点2处，第一角度传感器4、第二角度传感器5均为抗振动伺服型角度传感器，输出角度频率不低于10Hz。臂架俯仰铰点1与臂架拉杆铰点2之间臂架段的长度大于臂架拉杆铰点2与臂架前端点3之间臂架段的长度。

臂架前端垂直方向定位时包括以下步骤：检测臂架俯仰铰点1与臂架拉杆铰点2之间臂架段与水平面夹角的第一角度传感器4，以及检测臂架拉杆铰点2与臂架前端点3之间臂架段与水平面夹角的第二角度传感器5检测的角度数据分别输出至数据处理单元；所述数据处理单元对接收的数据进行滤波和解算后，得出的臂架垂直方向定位数据，通过工业总线输出至能控制臂架作业的自动控制系统；自动控制系统按定位数据控制臂架的作业。

所述数据处理单元对接收的数据滤波包括：对第一角度传感器4检测的角度φ和第二角度传感器5检测的角度θ均采样5次后，按取算术平均值的方法进行滤波计算；

所述数据处理单元按以下公式计算臂架俯仰铰点1与臂架前端点3之间连线的长度L3：

所述数据处理单元按以下公式计算臂架俯仰铰点1与臂架前端点3之间连线与水平面的夹角β：

所述数据处理单元按以下公式计算实时工况下臂架前端点3距离基准平面的垂直距离H1：

H1＝H0+L3sinβ；

所述数据处理单元按计算结果得出臂架垂直方向定位数据；

其中：φ为第一角度传感器检测的臂架俯仰铰点1与臂架拉杆铰点2之间臂架段与水平面的夹角，单位为度；

θ为第二角度传感器检测的臂架拉杆铰点2与臂架前端点3之间臂架段与水平面的夹角，单位为度；

β为臂架俯仰铰点1与臂架前端点3之间连线与水平面的夹角，单位为度；

L1为臂架俯仰铰点1与臂架拉杆铰点2之间的直线长度，单位为米；

L2为臂架拉杆铰点2与臂架前端点3之间的直线长度，单位为米；

L3为臂架俯仰铰点2与臂架前端点3之间的直线长度，单位为米；

H0为臂架俯仰铰点2与基准平面的垂直距离，单位为米。

可选地，臂架前端垂直方向定位系统还进行实时自校验，实时自校验包括以下步骤：

在臂架重载作业的工况下，记录第一角度传感器4的连续输出值φ1和第二角度传感器5连续输出值θ1；

计算上步骤中第一角度传感器4和第二角度传感器5的角度输出差值，即：

δ＝|φ1-θ1|

找出δ中的最大值δmax；

储存δmax值，将其作为检验阈值，臂架在作业过程中，数据处理单元对第一角度传感器4检测的角度输出值φ和第二角度传感器5检测的角度输出值θ，计算公式：

|φ-θ|＜η×δmax

是否成立，若公式成立，臂架前端垂直方向定位系统运行正常，重复实时自校验过程；若公式不成立，则认定两个角度传感器中至少有一个出现故障，数据处理单元发出故障信号给自动控制系统，提示维护人员进行相关检查；其中η为容许系数，取值范围为1～1.2，系根据现场的测试进行确定。

臂架前端垂直方向定位系统以臂架拉杆铰点2为分界点将臂架分为前后两段，臂架俯仰铰点1与臂架拉杆铰点2之间的一段长度为L1，臂架拉杆铰点2与臂架前端点3之间的一段长度为L2，一般情况下，L1的长度大于L2的长度。在设备作业过程中存在臂架钢结构柔性变形时，虽然臂架柔性变形是非线性的，但由于臂架拉杆的牵引作用，臂架俯仰铰点1与臂架拉杆铰点2之间的一段的变形度较小，可近似忽略其弯曲变形；因臂架拉杆铰点2与臂架前端点3之间的一段长度相对于臂架总长较短，将臂架的柔性变形简化为以拉杆铰点2为分界线的两段相互不平行的直线，可实现较高的垂直方向定位精度。

由于堆取料机臂架的振动频率一般位0.3Hz，因此采用的角度传感器优选抗振动伺服型角度传感器，输出角度频率不低于10Hz，使系统能够在设备振动时还能输出真实角度值。

显然，本发明不限于以上优选实施方式，还可在本发明权利要求和说明书限定的精神内，进行多种形式的变换和改进，能解决同样的技术问题，并取得预期的技术效果，故不重述。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接或联想到的所有方案，只要在权利要求限定的精神之内，也属于本发明的保护范围。