一种大型矿用挖掘机智能化技术验证平台的制作方法

本发明属于机械领域的挖掘机实验机构技术领域，具体涉及一种大型矿用挖掘机智能化技术验证平台。

背景技术：

目前，露天矿的数量虽然在逐渐减少，但规模却在急速增大。在这些现代大型露天矿的采矿业中大型矿用挖掘机代替了大量的人力劳动，使得开采效率大大提高，起着不可替代的作用。但是目前人工操作大型矿用挖掘机作业还存在挖掘效率低、能耗高、安全性差等问题。随着人工智能、控制技术、信息技术、电子技术以及传感技术的快速发展，智能化控制将成为大型矿用挖掘设备发展的重要方向之一。但是大型矿用挖掘设备庞大且昂贵，对大型矿用挖掘机进行改造并进行实际智能化上机实验费时费力、且缺乏安全性。因此本专利提出一种大型矿用挖掘机智能化技术验证平台，该智能化技术验证平台不仅结构简单、易于加工、制造成本低，而且整机尺寸小，质量低，安全稳定性高。该智能化技术验证平台装备智能化控制系统，包括实时扫描待挖掘表面轮廓、自身位姿实时检测、挖掘功率实时检测、智能挖掘轨迹优化、挖掘防碰撞检测、挖掘自主控制等智能化功能模块，可以进行智能挖掘相关实验。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述缺点，提出一种能够实现智能控制的、高效率、高稳定性的大型矿用挖掘机智能化技术验证平台。

本发明的技术方案：

一种大型矿用挖掘机智能化技术验证平台，包括挖掘机和智能控制系统；

所述的挖掘机包括底盘3、轮对4、回转平台1、回转机构、提升机构、推压机构和铲斗2；

所述的底盘3包括回转支承安装板、轮对安装板和回转电机安装板，回转支承安装板为中间镂空的长方形板，其底面两侧通过加强筋与轮对安装板焊接，二者间留有间隙；轮对安装板为长条板，轮对4安装在轮对安装板上；轮对4在铁轨上滑行，保证滑行时不脱离铁轨；回转电机安装板为u形板，u形板垂直焊接于回转支承安装板上，u形板开口向下；所述的轮对4包括轮子、轮轴和轮对支架；轮子为阶梯圆柱结构，中间有通孔，通孔内有键槽；轮轴为阶梯轴，轮轴两端有键槽；轮子通过键安装在轮轴两端，轮对支架通过轴承安装在轮轴两端，轮子的外侧；轮轴两端端面有螺纹孔，螺钉拧入螺纹孔可轴向固定轮对支架；轮对支架分别通过螺栓安装在底盘轮对安装板下面的4角；

所述的回转平台1为方体框架结构，框架结构的前、后面分别焊接有起重臂安装板和电气控制柜安装板；框架结构的上面焊接有提升电机安装板和两个a字架安装板，提升电机安装板位于两个a字架安装板之间；框架结构的底面固定在回转支承7的内圈上；

所述的回转机构位于回转平台和底盘之间，包括回转电机5、回转传动机构6和回转支承7；

所述的回转电机5固定在回转电机安装板上，回转电机5的输出轴穿过u形板；

所述的回转支承7分为外圈和带齿轮的内圈，回转支承7外圈通过螺栓固定在回转支承安装板上；

所述的回转传动机构6包括传动齿轮和传动轴，传动齿轮连接传动轴，传动轴通过轴承安装在回转电机安装板和回转支承安装板之间；

回转电机5的输出轴连接齿轮，齿轮与回转传动机构6的传动齿轮啮合，驱动回转支承7带齿内圈，进而实现回转平台1回转运动；

所述的提升机构包括a字架8、起重臂9、提升电机10、绷绳11和提拉钢丝绳12；

所述的a字架8包括左a字架8和右a字架8，二者相同且对称布置；a字架8由铰接块和连杆组成；铰接块固定在a字架安装板上，两根长连杆的一端分别与铰接块连接，另一端通过轴与短连杆铰接；

所述的起重臂9包括主体、定滑轮和连接块；主体为钢板焊接而成的箱体结构，通过连接块固定在起重臂安装板上，主体顶部安装定滑轮；所述的绷绳11为四根，成对称分布，一端连接在主体的顶部两侧，另一端连接在短连杆的两侧；

所述的提升电机10固定在提升电机安装板上，提升电机10的输出轴上固定有卷筒；提拉钢丝绳12一端缠绕在提升电机10的卷筒上，另一端绕过定滑轮与铲斗的提拉梁连接；提升电机10控制卷筒转动，卷筒带动钢丝绳提拉铲斗；

所述的推压机构包括推压电机13、推压传动机构14、推杆轴26、斗杆15和斗杆约束板16；

所述的推压传动机构14包括链传动和齿轮齿条转动；

所述的推杆轴26通过轴承固定在起重臂9两侧板上，推杆轴26上分别安装有链轮和齿轮，两齿轮分别位于推杆轴26的两端、起重臂9侧板外，链轮位于推杆轴26中间，齿轮和链轮均与推杆轴26通过键圆周固定，通过套筒轴向固定；

所述的斗杆15的截面为h型，分为上凹槽和下凹槽，下凹槽内装有齿条，齿条与斗杆15通过螺栓连接；斗杆15上的齿条和推杆轴上的齿轮啮合；斗杆15底部两端安装有限位块，用于限制齿轮齿条脱离啮合；

所述的斗杆约束板16的截面为l型，斗杆约束板16的短板下表面安装有多个滚动轴承，滚动轴承在斗杆15的上凹槽内滚动；斗杆约束板16的长板通过轴承固定在推杆轴两端，齿轮外侧；斗杆约束板16用于约束斗杆15，防止斗杆15翘起、齿轮齿条脱离啮合；

所述的推压电机13通过推压电机安装板固定框架结构的前面，位于起重臂安装板上方；所述的推压电机13的输出轴连接链轮，链轮通过链传动控制推杆轴转动，推杆轴两端的齿轮通过齿条传动控制斗杆15运动；

所述的铲斗2包括铲斗主体、提拉梁、斗门和开斗机构；

铲斗主体由连接块、前后斗板以及侧斗板焊接而成；连接块插入斗杆15上部凹槽，通过螺栓与斗杆15连接并固定；提拉梁与铲斗2的侧斗板铰接，相对铲斗侧斗板铰接处转动；斗门与铲斗2后斗板铰接，绕铰接处转动；开斗机构安装在斗门下面，包括开斗杠杆29、斗门栓31、斗门栓滑槽30以及前斗板插孔；开斗杠杆29与斗门铰接，并绕铰接处转动；斗门栓滑槽30焊接在斗门上，斗门栓31在滑槽和前斗板插孔中滑动，斗门栓31与开斗杠杆29间为滑动铰接。

所述的智能控制系统包括电气控制单元、位姿检测单元、功率检测单元、地貌扫描单元和防碰撞检测单元；

所述的电气控制单元分别与位姿检测单元、功率检测单元、地貌扫描单元、防碰撞检测单元相连；

所述的电气控制单元包括电气控制柜、变频器、单片机和工控机。

工控机和单片机用于接收位姿检测单元、功率检测单元、地貌扫描单元、防碰撞检测单元测量的信号，并根据算法处理输入信号，发出指令给变频器，进而控制电机启停和转速；

所述的位姿检测单元包括倾角传感器18和多圈绝对值光电编码器19；倾角传感器18分别安装在起重臂9侧面以及斗杆约束板16侧面，用于测量起重臂和斗杆约束板的水平角度；绝对值编码器通过刚性联轴器分别安装在推压机构的推杆轴以及回转机构的传动轴上，用来检测推杆轴和传动轴的转角与转速。倾角传感器18和多圈绝对值光电编码器19用于实时检测铲斗的位置以及挖掘机的工作状态，检验各执行机构是否按照最优挖掘轨迹挖掘。

所述的功率检测单元包括拉力传感器20，拉力传感器20连接在提拉钢丝绳12上，用于测量提拉钢丝绳拉力；

所述的地貌扫描单元包括三维激光地貌扫描仪17，三维激光地貌扫描仪17包含惯性/卫星定位导航组合模块，惯性/卫星组合定位导航模块对平台进行精准定位；两个三维激光扫描仪分别安装在回转平台1顶部、左右两边、靠近起重臂侧，用于扫描挖掘环境；两个三维激光扫描仪对待挖掘表面形貌进行自主实时扫描，并将扫描获得的点云数据传输给电气控制单元；电气控制单元根据两个扫描仪的位置和姿态对扫描数据进行整合，并根据相应的优化算法处理整合数据，得到一条最优挖掘轨迹；得到最优挖掘轨迹后，电气控制单元控制回转机构、行走机构、提升机构和推压机构，使其按照最优挖掘轨迹进行挖掘；

所述的防碰撞检测单元包括接近传感器21和限位开关22；回转平台1和底盘3分别固定有2个接近传感器21，当斗杆15或铲斗2与回转平台1或底盘3距离达到设定值时，接近传感器21发送指令给电气控制单元，电气控制单元发送指令停止电机转动；限位开关22安装在斗杆15上部凹槽内，当斗杆15运动至极限位置时，斗杆约束板16短板触碰限位开关22，电气控制单元发送指令停止电机转动，防止齿轮和齿条脱离啮合。

本发明的有益效果：

1.大型矿用挖掘机智能化技术验证平台结构简单、易于加工、制造成本低，整机尺寸小、质量低、回转惯量低、安全稳定性高。

2.大型矿用挖掘机智能化技术验证平台具有地貌扫描单元，可以对挖掘地貌进行实时自主扫描，处理扫描数据可获得最优挖掘轨迹，实现高效率低能耗挖掘。

3.大型矿用挖掘机智能化技术验证平台具有位姿检测系统和防碰撞保护系统，可以实时检测挖掘机自身位置和姿态，实现挖掘防碰撞保护、延长使用寿命。

4.大型矿用挖掘机智能化技术验证平台具有功率检测单元，能够实时检测挖掘功率，进而保证稳定的挖掘满斗率，提高挖掘效率。

5.大型矿用挖掘机智能化技术验证平台能够有效减小人为操作带来的失误，减轻人为因素对挖掘效率的影响，保证长期高效挖掘。

6.大型矿用挖掘机智能化技术验证平台可以缩短挖掘以及装载的操作时间进而减少停滞耗电，降低能耗。

附图说明

图1是智能挖掘电铲实验平台整体结构示意图。

图2是回转机构示意图。

图3是提升机构示意图。

图4(a)是推压机构整体示意图。

图4(b)是推压机构细节示意图。

图5是开斗机构示意图。

图中：1回转平台；2铲斗；3底盘；4轮对；5回转电机；6回转传动机构；7回转支承；8a字架；9起重臂；10提升电机；11绷绳；12提拉钢丝绳；13推压电机；14推压传动机构；15斗杆；16斗杆约束板；17三维激光地貌扫描仪；18倾角传感器；19多圈绝对值光电编码器；20拉力传感器；21接近传感器；22限位开关；23深沟球轴承；24齿条；25齿轮；26推杆轴；27双排链轮；28联轴器；29开斗杠杆；30斗门栓滑槽；31斗门栓；32前斗板插孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明的一种大型矿用挖掘机智能化技术验证平台，包括挖掘机和智能控制系统。所述智能控制系统包括电气控制单元、位姿检测单元、功率检测单元、地貌扫描单元、系统测试单元、故障检测单元、防碰撞检测单元。所述电气控制单元分别与位姿检测单元、功率检测单元、地貌扫描单元、系统测试单元、故障检测单元、防碰撞检测单元相连。

本实施例中，挖掘机包括回转平台、行走机构、回转机构、提升机构、推压机构、回转平台和铲斗。挖掘机可进行实际挖掘作业，如回转作业，挖掘作业、装卸作业以及上述作业复合操作等。

本实施例中，挖掘机的行走机构包括底盘和轮对。可以通过电机直接驱动轮对回转，实现行走运动。

本实施例中，挖掘机的回转机构包括回转电机，回转传动机构以及回转支承。回转电机安装在底盘上，回转支承外圈固定在底盘上，带齿内圈与回转平台连接，回转电机通过齿轮传动带动回转支承的内齿圈，实现回转平台的回转运动。

本实施例中，提升机构包括a字架、起重臂、提升电机、绷绳和提拉钢丝绳。起重臂与回转平台铰接，a字架与回转平台固连，绷绳连接a字架和起重臂，绷绳用于固定起重臂。回转平台上的提升电机10输出的提拉钢丝绳绕过起重臂顶端的定滑轮提拉铲斗，实现铲斗的提升运动。起重臂与回转平台之间是铰接的，当挖掘阻力过载时，起重臂可以绕铰接轴转动，起到过载保护的作用。

本实施例中，推压机构包括推压电机、推压传动机构、斗杆以及斗杆约束板。推压电机13固定在回转平台上，通过链传动和齿轮齿条传动控制齿条直线运动。斗杆15与齿条通过螺栓固连在一起，斗杆约束板约束斗杆使其与不能与斗杆约束板发生相对转动，即实现推压斗杆的直线运动。

本实施例中，地貌扫描单元包括两个三维激光扫描仪，三维激光地貌扫描仪包含惯性/卫星组合定位导航功能模块，能够实时检测扫描仪的位置和姿态。两个三维激光扫描仪相当于人的两个眼睛，对待挖掘表面形貌进行自主实时扫描，并将扫描获得的点云数据传输给电气控制单元。电气控制单元根据两个扫描仪的位置和姿态对扫描数据进行整合，并根据相应的优化算法处理整合数据，得到一条最优挖掘轨迹。得到最优挖掘轨迹后，电气控制单元控制回转机构、行走机构、提升机构和推压机构，使其按照最优挖掘轨迹进行挖掘。

本实施例中，倾角传感器和多圈绝对值光电编码器用于实时检测铲斗的位姿以及挖掘机的工作状态，检验各执行机构是否按照最优挖掘轨迹挖掘。拉力传感器用于检测挖掘铲斗是否满铲。

三维激光扫描仪、倾角传感器、多圈绝对值光电编码器以及拉力传感器构成整个控制系统的变量检测单元。

本实施例中，大型矿用挖掘机智能化技术验证平台的智能控制系统可以完成自身位姿实时检测、实时扫描待挖掘表面轮廓、智能挖掘轨迹优化、挖掘防碰撞检测、挖掘功率实时检测、挖掘自主控制等智能化操作。具体工作流程如图2所示。

本实施例中，大型矿用挖掘机智能化技术验证平台采用金属材料制作而成，参照真实矿用挖掘机设计，外形结构、电气控制、挖掘原理均与大型矿用挖掘机原理相同。外形尺寸为：长3100╳宽1800╳高2200mm，整机质量：2000kg。其他技术参数为铲斗容量0.064m³，斗杆长1.2m，起重臂长2m，最大提升力为10kn。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。