双铲板器具系统的制作方法

本发明涉及一种用于运土机的器具系统。更具体地，本发明涉及一种双铲板器具系统。

背景技术：

诸如履带式拖拉机、自动平地机、刮板以及/或者挖掘装载机等运土机或者地理变更机具有诸如推土机铲板或者铲斗等器具，该器具用在工地以便更改一部分土地的地理或者地形。器具可有由操作员或者由自动坡度控制系统控制以便在工地执行工作。例如，操作员可以使用一个或多个液压致动器来使用于控制器具的移动或者定位的操作员输入装置移动。为了实现最终表面轮廓或者最终坡度，操作员或者坡度控制系统可以将器具调节至多个位置。

然而，在操作员控制该移动的情况下，定位该器具是一项需要专门技能和勤奋努力的复杂且耗时的任务，常规机器采用比例(P)、比例-微分(PD)、比例-积分(PI)以及/或者比例-积分-微分(PID)控制器来实现对各个机器器具的位置控制。这些控制器可以与机器上的全球定位系统(GPS)接收器一起使用。然而，由于器具较重且还运载着被挖出的泥土的附加重量，所以控制系统难以容易地调节器具位置并且使器具遵守期望的控制指令。在这种情况下，可能的情况是，器具可能不会在单程中给予表面期望的几何结构。获得期望的结果可能要进行多个行程，这可能不利于操作的整体效率。

例如，美国专利申请6,615,929描述了一种用于在单程中使道路高速平整的方法和设备。平地机包括被支撑在表面上方的框架。两个铲板枢转地固定至框架，并且可以定位为与表面接合。第一偏置机构使铲板朝着向前位置偏转。至少一个校平板枢转地固定至框架，并且可以定位为朝着铲板的后部与表面接合。第二偏置机构使校平板朝着向前位置偏转。包装机构朝着校平板的后部被固定，并且可以定位为与表面接合。然而，铲板均是相似大小且按照相似方式被控制。即使可以相对于铲板来控制校平板的角度，但可能仍难以利用两个铲板来执行不同的功能。

因此，需要一种改进型器具系统以实现有效的平整操作。

技术实现要素：

在本发明的一个方面中，一种用于机器的器具系统包括主要铲板和次要铲板，次要铲板通过联动机构联接至主要铲板使得次要铲板尾随主要铲板。器具系统包括致动器，该致动器控制次要铲板的移动。器具系统包括至少一个位置传感器，该至少一个位置传感器生成指示主要铲板的位置和次要铲板的位置的信号。器具系统进一步包括控制器，该控制器与主要铲板、次要铲板以及位置传感器通信。控制器接收指示主要铲板的位置和次要铲板的位置的信号。控制器基于主要铲板和次要铲板的位置使致动器操作以便控制次要铲板的移动。

在本发明的另一方面中，提供了次要器具系统以用于改造机器。机器包括具有主要铲板和主要控制器的主要器具系统。次要器具系统包括次要铲板，该次要铲板通过联动机构联接至主要铲板使得次要铲板尾随主要铲板。次要器具系统包括致动器，该致动器控制次要铲板的移动。次要器具系统包括至少一个位置传感器，该至少一个位置传感器生成指示次要铲板的位置的信号。次要器具系统进一步包括次要控制器，该次要控制器与主要控制器、次要铲板以及位置传感器通信。次要控制器从主要控制器接收指示主要铲板的位置的信号。次要控制器从位置传感器接收指示次要铲板的位置的信号。次要控制器基于主要铲板和次要铲板的位置使致动器操作以便控制次要铲板的移动。

在本发明的又另一方面中，提供了一种用于控制器具系统的方法，该器具系统用于在地表面上进行机械作业。器具系统包括主要铲板和次要铲板，该次要铲板联接至主要铲板使得次要铲板尾随主要铲板。方法包括：通过控制器接收地表面的初始几何结构和最终几何结构。方法包括：通过控制器接收指示主要铲板的位置的信号。方法包括：通过控制器接收指示次要铲板的位置的信号。方法包括：基于初始几何结构和主要铲板的位置通过控制器来使主要铲板操作。方法包括：在主要铲板已经通过控制器更改了地表面的初始几何结构之后，接收地表面的中间几何结构。方法进一步包括：基于地表面的中间几何结构以及次要铲板的位置通过控制器使致动器操作以便控制次要铲板的移动。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的具有器具系统的机器的透视图；

图2是根据本发明的一个实施例的机器的器具系统的透视图；

图3是根据本发明的一个实施例的机器的器具系统的侧视图；

图4是根据本发明的一个实施例的用于机器的器具系统的控制系统的框图；

图5是根据本发明的另一实施例的机器的器具系统的透视图；

图6是根据本发明的另一实施例的用于机器的器具系统的控制系统的框图；以及

图7是根据本发明的一个实施例的用于控制机器的器具系统的方法的流程图。

具体实施方式

在任何可能的情况下，相同的附图标记在附图中将用于指示相同或者相似的部件。图1图示了示例性机器100。机器100可以是用于执行与如下行业相关联的操作的移动机器：诸如，采矿业、建筑业、农业、运输业、园林绿化等。例如，机器100可以是履带式拖拉机或者推土机(如在图1中描绘的)、自动平地机或者本领域中已知的任何其它运土机。尽管如下详细描述与履带式拖拉机一起描述了示例性方面，但应理解，该描述同样适用于在其它机器中使用本发明。

如所示出的，机器100包括操作员站或者驾驶室102。驾驶室102可以包括操作机器100所需要的用户界面(未示出)。用户界面可以设有或者可以包括例如一个或多个显示器。用户界面可以配置为推进机器100和/或控制其它机器部件。用户界面可以包括设在驾驶室102内的一个或多个操纵杆，并且适于从操作员处接收指示机器100的期望移动的输入。显示器可以配置为将信息传达给操作员，并且可以包括键盘、触摸屏或者任何合适机构，该合适机构用于从操作员处接收输入以便控制和/或操作机器100以及/或者其它机器部件。

机器100进一步包括器具系统104。器具系统104可以适于接合、穿透或者切割工地的地表面106，并且可以进一步适于移动泥土以便完成预定任务。工地可以包括：例如，矿区、垃圾填埋地、采石场、建筑工地、高尔夫球场或者任何其它类型的具有相关联地形的工地。移动泥土可以与更改工地处的地表面106的地理相关联，并且可以包括：例如，平整操作、擦刮操作、校平操作、材料移除操作或者在工地处的任何其它类型的地理变更操作。在一个方面中，工地的地形具有与其相关联的操作条件。该操作条件可以使用如下参数来进行描述：诸如，构成该地形的材料的类型、地形的干度因子、地形中存在的一个或多个干扰因素(例如，波形、波动或者不平表面)以及/或者工地的地形的其它地理格局。

机器100可以包括液压机构，该液压机构用于致动器具系统104。液压机构可以包括用于将器具系统104移动至多个位置的一个或多个液压升降致动器108以及一个或多个液压倾斜致动器110，诸如，例如，升高或者降低器具系统104以及使器具系统104向左或者向右倾斜。在所图示的实施例中，机器100包括一个液压升降致动器108以及分别在器具系统104的各侧上的两个液压倾斜致动器110。仅仅示出了两个液压倾斜致动器110中的一个(仅仅示出了一侧)。此外，液压机构还可以包括一个或多个液压推动汽缸(未示出)，该一个或多个液压推动汽缸用于使器具系统104在向前方向或者向后方向上纵摇。

机器100可以进一步包括动力源112。动力源112可以是给地面接合机构114提供动力的发动机，地面接合机构114适于支撑、操纵以及推进机器100。在一个实施例中，动力源112可以提供动力来致动液压机构以便移动或者定位器具系统104。动力源112可以体现为发动机，诸如，例如，柴油机、汽油机、气体燃料提供动力的发动机或者本领域中已知的任何其它类型的燃烧机。设想了动力源112可以可替代地体现为非燃烧的动力源(未示出)，诸如，例如，燃料电池、功率储存装置或者另一种合适的动力源。动力源112可以产生机械或者电功率输出，该机械或者电功率输出可以被转化为液压动力以用于将动力提供至地面接合机构114、器具系统104、液压升降致动器108、一个或多个液压倾斜致动器110以及其它机器部件。

机器100可以包括其它已知的部件，诸如，车辆部件，包括轮胎、车轮、变速器、发动机、马达、液压系统、悬架系统、冷却系统、燃料系统、排气系统、底盘、地面接合工具、成像系统等。机器100还包括用于感测与机器100有关的多个参数的多个传感器。机器100可以是可沿着器具系统104的不同方向移动的，以便在工地的地表面106上实施预定坡度。

图2和图3图示了器具系统104的其它结构细节。结合参照图2和图3，器具系统104包括主要铲板200，主要铲板200可以用于更改地表面106。主要铲板200具有主要切割边缘202，主要切割边缘202从主要铲板200的第一端204延伸至主要铲板200的第二端206。主要切割边缘202可以是尖锐的坚硬金属条，其可以容易地与地表面106接触并且随后更改地表面106。主要切割边缘202还可以具有任何其它这种构成，这些构成也可以适合本发明。主要切割边缘202可以通过机械结合机构联接至主要铲板200，诸如，焊接、机械紧固件等。主要切割边缘202也可以通过任何其它合适的机构联接至主要铲板200，这些机构可以适合使用器具系统104的应用的需要。主要铲板200的移动是通过液压升降致动器108和液压倾斜致动器110来控制。

器具系统104进一步包括尾随主要铲板200的次要铲板208。次要铲板208具有次要切割边缘210，次要切割边缘210从次要铲板208的第一端212延伸至次要铲板208的第二端214。次要切割边缘210可以是尖锐的坚硬金属条，其可以容易地与地表面106接触并且随后更改地表面106。次要切割边缘210还可以具有任何其它这种构成，这些构成也可以适合本发明。次要切割边缘210可以通过机械结合机构联接至次要铲板208，诸如，焊接、机械紧固件等。次要切割边缘210也可以通过任何其它合适的机构联接至次要铲板208，这些机构可以适合使用器具系统104的应用的需要。

次要铲板208通过朝着主要铲板200的第一端204的第一联动机构216以及朝着主要铲板200的第二端206的第二联动机构218联接至主要铲板200。第一联动机构216和第二联动机构218可以是任何类型的联动机构，该联动机构可以允许主要铲板200和次要铲板208的同时移动以及独立移动。在所图示的实施例中，第一联动机构216和第二联动机构218是四杆联动机构。

第一联动机构216包括第一链接构件220和第二链接构件222，第一链接构件220和第二链接构件222朝着主要铲板200的第一端204与主要铲板200和次要铲板208联接。第一链接构件220分别通过枢轴销224和226联接至主要铲板200和次要铲板208。类似地，第二链接构件222分别通过枢轴销228和230联接至主要铲板200和次要铲板208。主要铲板200、第一链接构件220、次要铲板208以及第二链接构件222形成第一联动机构216的四个杆。枢轴销224、226、228、230构成第一联动机构216的顶点。第一链接构件220和第二链接构件222可以围绕枢轴销224、226、228、230旋转至主要铲板200、次要铲板208以及第一联动机构216的相对几何机构所容许的程度。

类似地，第二联动机构218包括第三链接构件232和第四链接构件234，第三链接构件232和第四链接构件234朝着主要铲板200的第二端206联接至主要铲板200和的次要铲板208。第三链接构件232分别通过枢轴销236和238联接至主要铲板200和次要铲板208。类似地，第四链接构件234分别通过枢轴销240和242联接至主要铲板200和次要铲板208。第三链接构件232和第四链接构件234可以围绕枢轴销236、238、240、242旋转至主要铲板200、次要铲板208以及第二联动机构218的相对几何机构所容许的程度。应该想到的是，第一联动机构216和第二联动机构218也可以是任何其它类型的联接机构，这些联接机构可以适合于本发明的需要。

次要铲板208的移动是通过朝着次要铲板208的第一端212的第一致动器244以及朝着次要铲板208的第二端214的第二致动器246来控制。第一致动器244和第二致动器246可以是汽缸活塞组件、机械联动装置或者任何其它类型的致动器，这些致动器可以适合本发明的需要。第一致动器244和第二致动器246可以通过液压或者气动机构来被致动。在所图示的实施例中，第一致动器244和第二致动器246是汽缸活塞组件。第一致动器244和第二致动器246可以通过液压或者气动机构来被致动以便控制次要铲板208的移动。

器具系统104包括第一位置传感器248和第二位置传感器250。第一位置传感器248生成指示主要铲板200的位置的信号，并且第二位置传感器250生成指示次要铲板208的位置的信号。第一位置传感器248和第二位置传感器250可以是任何类型的常规位置传感器，该常规位置传感器可以准确地感测主要铲板200和次要铲板208的位置，并且随后生成指示该位置的信号。在一个实施例中，第一位置传感器248和第二位置传感器250是GPS传感器。

第一位置传感器248附接至主要铲板200，并且第二位置传感器250附接至次要铲板208。第一位置传感器248和第二位置传感器250可以分别在任何位置处附接至主要铲板200和次要铲板208。第一位置传感器248和第二位置传感器250分别在主要铲板200和次要铲板208上的位置应该是使得由第一位置传感器248和第二位置传感器250生成的信号分别提供对主要铲板200和次要铲板208相对于地表面106的位置的准确叙述。在本发明的上下文中，第一位置传感器248和第二位置传感器250可以分别通过任何合适的联接构件附接至主要铲板200和次要铲板208。应该想到的是，也可以采用单个位置传感器来生成与主要铲板200和次要铲板208的位置均相对应的信号。

器具系统104进一步包括控制器252，控制器252与主要铲板200、次要铲板208、第一位置传感器248以及第二位置传感器250通信。控制器252可以是单个控制器或者一组多个控制器，其配置为控制器具系统104的多个部件。控制器252可以是用于控制机器100的各个功能和部件的机器控制系统的集成部分。控制器252还可以是连接至机器控制系统的单独的控制器。控制器252可以具有相关联的存储器以便储存与机器100有关的各个操作参数。操作参数可以包括：诸如，但不限于，机器100的质量、机器100的尺寸、机器100的型号等。控制器252还可以储存单个或者多个地形图，该单个或者多个地形图具有与地表面106有关的信息，机器100在地表面106上行进。

地形图可以是数据库，该数据库包含先前收集的限定出特定地形的地表面106的几何结构的点，机器100可以在该特定地形上作业。例如，地形图可以按照矩阵形式来储存先前收集的点。每个点可以包括关于工地的地表面106上的特定点的位置(例如，笛卡尔坐标数据、极地坐标数据或者球面坐标数据)和/或其它属性(例如，坡度)。应理解，随着工地经历地理变更(例如，挖掘)，地表面106的几何结构可以随着时间发生变化。相应地，地形图储存着包含点的矩阵，该点限定出工地的地表面106的最新浏览和储存的几何结构。在一个实施例中，点可以是通过多个传感器在先前收集的。可替代地或者此外，点可以是通过卫星地图、航空测绘、勘测以及/或者本领域中已知的其它地形测绘方式在先前收集的。

控制器252可以储存初始几何结构地形图和与初始几何机构相对应的最终几何机构地形图以及地表面106的期望最终几何结构。初始几何结构地形图可以包括关于限定出地表面106的初始几何条件的多个参数的信息，并且最终几何结构地形图可以包括关于在经历了器具系统104所进行的地理变更之后所需要的地表面106的期望最终几何条件的信息。进一步地，控制器252还可以设有在器具系统104更改地表面106时地表面106的实时的中间几何结构。控制器252可以使用地表面106的中间几何结构来追踪机器100所执行的操作的进程并且随后还控制器具系统104。

器具系统104通过协力地使用主要铲板200和次要铲板208来执行地表面106的变更。次要铲板208补充主要铲板200在地表面106上完成的作业。主要铲板200用于执行粗切割动作，并且次要铲板208用于执行细切割动作，以便确保仅仅在单程中执行从初始几何结构至最终几何结构的地表面106的更改。进一步地，主要铲板200和次要铲板208的大小和重量之间存在大量差异。主要铲板200比次要铲板208重。如所图示的，主要铲板200的大小比次要铲板208大。重量和大小的差异允许器具系统104同时地操作主要铲板200和次要铲板208两者并且由主要铲板200和次要铲板208来实现明显不同的功能。

主要铲板200和次要铲板208在地表面106上作业的同时会积聚许多泥土，这些泥土分别是通过主要切割边缘202和次要切割边缘210挖出的并且随后沿着主要铲板200和次要铲板208的表面上升。主要铲板200和次要铲板208可以包括在主要铲板200和次要铲板208的侧部中的开口(未示出)以便允许所积聚的泥土穿过该侧部。因此，所积聚的泥土不会再与机器100所制备的地表面106接触并且避免对所制备的地表面106的任何可能的损坏。

控制器252可以进一步被编程为在地表面106具有许多不规则形状的情况下控制器具系统104。在这种情况下，控制器252可以绕过正常控制逻辑并且可以集中于避免对次要铲板208造成损坏。控制器252可以控制第一致动器244和第二致动器246以便在装填位置中升起次要铲板208。因此，次要铲板208可能不会与地表面106接触并且避免对次要铲板208造成损坏。

控制器252还可以被编程为控制主要铲板200和次要铲板208相对于地表面106的位置，使得主要铲板200和次要铲板208在器具系统104操作的同时在其相应位置中保持稳定以便给地表面106给予期望的坡度/斜率。例如，控制器252可以具有或者斜率协助或者CAT坡度控制等。

图4图示了用于控制器具系统104的控制系统400。控制系统400包括第一位置传感器248、第二位置传感器250、控制器252以及器具系统104。控制器252从第一位置传感器248和第二位置传感器250接收指示主要铲板200和次要铲板208的位置的信号。在一个实施例中，控制器252可以从单个位置传感器接收指示主要铲板200和次要铲板208的位置的信号。控制器252已经将地表面106的初始几何结构以及最终几何结构储存在相关联的存储器中。

控制器252操作器具系统104以便更改地表面106的初始几何结构以实现最终几何结构。由于次要铲板208尾随主要铲板200，所以主要铲板200在次要铲板208之前与地表面106接触。当主要铲板200更改地表面106时，控制器252接收地表面106的中间几何结构。初始几何结构地形图持续利用主要铲板200在地表面106上进行的变更而连续地更新。进一步地，基于地表面106的中间几何结构，控制器252操作次要铲板208的第一致动器244和第二致动器246以便给地表面106提供期望的最终几何结构。

在图5中示出的本发明的另一实施例中，提供了次要器具系统500以用于改造机器100。机器100包括具有由控制器252控制的主要铲板200的主要器具系统。机器100进一步包括第一位置传感器248，第一位置传感器248生成与主要铲板200的位置相对应的信号。次要器具系统500包括次要铲板208，次要铲板208通过第一联动机构216和第二联动机构218联接至主要铲板200。次要铲板208联接至主要铲板200使得次要铲板208尾随主要铲板200。次要器具系统500包括第二位置传感器250，第二位置传感器250生成与次要铲板208的位置相对应的信号。次要器具系统500进一步包括次要控制器502，次要控制器502控制次要铲板208。次要控制器502与控制器252通信。关于改造，次要控制器502也可以具有与控制器252或者机器控制系统集成在一起的构件。次要控制器502将地表面106的初始几何结构地形图和期望的最终几何结构地形图储存在次要控制器502的相关联的存储器中。

图6图示了用于控制次要器具系统500的控制系统600。控制系统600包括由次要控制器502控制的次要铲板208。次要控制器502与第二位置传感器250以及控制器252通信。次要控制器502从第二位置传感器250接收与次要铲板208的位置相对应的信号并且从控制器252接收与主要铲板200的位置相对应的信号。控制器252可以从第一位置传感器248接收与主要铲板200的位置相对应的信号。次要控制器502然后操作第一致动器244和第二致动器246以便控制次要铲板208以将最终几何结构给予地表面106。在主要铲板200已更改了地表面106之后，次要控制器502还可以接收地表面106的中间几何结构。初始几何结构地形图可以在主要铲板200更改地表面106时连续地更新。次要控制器502然后可以相应地控制次要铲板208以便更改中间几何结构以便给地表面106给予期望的最终几何结构。

工业实用性

本发明提供一种改进型器具系统104以及一种用于控制器具系统104的方法700。在图7中示出的流程图的帮助下对方法700进行解释。在步骤702处，方法700通过控制器252接收地表面106的初始几何结构和最终几何结构。控制器252可以接收呈地形图的形式的初始几何结构和最终几何结构。控制器252还可以将地形图储存在相关联的存储器中。在步骤704处，方法700通过控制器252接收指示主要铲板200的位置的信号。第一位置传感器248生成指示主要铲板200的位置的信号，并且控制器252从第一位置传感器248接收信号。

在步骤706处，方法700通过控制器252接收指示次要铲板208的位置的信号。第二位置传感器250生成指示次要铲板208的位置的信号，并且控制器252从第二位置传感器250接收信号。在步骤708处，方法700基于地表面106的初始几何结构和主要铲板200的位置来操作主要铲板200。主要铲板200是通过控制器252进行操作。

在步骤710处，方法700在主要铲板200已经更改了地表面106的初始几何结构之后接收地表面106的中间几何结构。中间几何结构可以是由控制器252按照地形图的形式接收。在步骤712处，方法700通过控制器252来操作次要铲板208的第一致动器244和第二致动器246以便控制次要铲板208的移动。次要铲板208的移动受到控制以便通过更改中间几何结构来给地表面106给予最终几何结构。控制器252基于地表面106的中间几何结构和次要铲板208的位置来操作次要铲板208的第一致动器244和第二致动器246。

本发明提供了具有双铲板(即，主要铲板200和次要铲板208)的改进型器具系统104。由于在主要铲板200执行的粗切割动作之后通过次要铲板208执行细切割动作，所以与现有技术器具系统相比能够更有效地控制器具系统104。主要铲板200和次要铲板208可以同时地或者单独地受到控制以便执行相同的或者不同的动作。器具系统104确保在单程中将所需要的最终几何结构给予地表面106，而不是由相同的铲板在不同的操作设置中花费多个行程来执行细切割动作和粗切割动作。进一步地，由于在地表面106上执行完工操作的次要铲板208大体上较轻并且可以更有效地受到控制，所以重型铲板系统落后于控制参数的固有问题得到解决。

本发明还提供了利用次要器具系统500来改造现有机器100的选项。次要器具系统500可以根据机器100所用于的应用的需要而容易地联接或者断开联接。进一步地，当没有使用时，或者当在地表面106上碰到非常坚固或者坚硬的地形时，次要铲板208也可以被储存在装填位置中。总的来说，由于通过器具系统104在更少的行程中更准确地实现了期望的结果，所以机器100的运行效率以及生产率提高。

尽管已经参照上文的实施例具体地示出和描述了本发明的方面，但本领域的技术人员应理解，能够在不背离所公开内容的精神和范围的情况下通过对所公开的机器、系统和方法做出修改来设想出多个附加实施例。应当理解，这些实施例落在如基于权利要求书及其任何等效物所确定的本发明的范围内。