专利名称：挖掘机负载自主识别系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种工程机械，尤其涉及一种挖掘机负载自主识别系统。
背景技术：
挖掘机工作过程中，由于作业对象类型差别很大，挖掘机克服负载所需的能量就 明显不同。仅依靠操作人员对作业对象的主观判断是不够精确的，例如松土挖掘时，不同的 松软度的土壤要求的挖掘机输出功率也不同。因此手动调节挖掘机功率模式和发动机的油 门位置就有很大的盲目性，无法实现真正意义上功率匹配的节能目的。如果在挖掘过程中能自动判断当前的挖掘情况，调节发动机输出功率与当前场地 负载情况相适应，那么不仅可以降低操作人员的工作强度，而且能够做到真正意义上功率 匹配，降低燃油消耗。挖掘机作业是一个动态的循环过程，基本以“挖掘-提升-回转-卸 载”进行重复工作，整个液压系统压力也随之不断变化。如图1所示，现阶段挖掘机的液压 系统包括铲斗油缸1、动臂油缸2、斗杆油缸3、第一主阀4、第二主阀5、第三主阀6、第一主 泵7和第二主泵8。第一主泵7将液压油经第一主阀4和第二主阀5控制分别输入给铲斗 油缸1和动臂油缸2。第二主泵8将液压油经第三主阀6控制输入给斗杆油缸3。现有挖掘机仅在第一主泵7和第二主泵8的出口安装第一压力传感器9和第二压 力传感器10，将采集到的压力值作为挖掘机工况的自动识别的依据。但会出现以下问题(1)难以确定采集时间。因为挖掘机工作时，第一主泵7和第二主泵8的出口压力 会出现多次峰值。例如，在挖掘机刚启动时，第一主泵7和第二主泵8的出口压力会出现多 次峰值。或者由于挖掘范围太大，造成油缸顶死，也会使出口压力剧增。(2)由于操作人员操作不当，也会造成对第一主泵7和第二主泵8的出口压力分析 错误。例如，操作人员在几个工作循环内，没有进行挖掘，导致泵的出口压力过小，不能反映 实际挖掘所需功率。总之，在现行的工程机械负载识别系统中，存在无法准确确定挖掘状态，导致负载 识别不精确，造成大量燃油损失和环境污染。
发明内容
本发明目的在于克服上述只有第一主泵7和第二主泵8的出口压力作为负载判断 依据存在的缺陷，提供一种挖掘机负载自主识别系统，该系统可供挖掘机等工程机械使用， 通过自主识别挖掘负载，确定发动机输出功率，安装方便，它能提高作业工作效率，降低燃 油消耗，减轻操作者的工作强度。本发明的技术解决方案为一种挖掘机负载自主识别系统，挖掘机的液压系统包 括铲斗油缸、动臂油缸、斗杆油缸、第一主阀、第二主阀、第三主阀、第一主泵和第二主泵。 该挖掘机负载自主识别系统包括五个压力传感器、五个模拟信号处理电路、控制芯片和D/A 模块。其中，所述第一压力传感器通过第一模拟信号处理电路接入控制芯片，第二压力传感 器通过第二模拟信号处理电路接入控制芯片，第三压力传感器通过第三模拟信号处理电路接入控制芯片，第四压力传感器通过第四模拟信号处理电路接入控制芯片，第五压力传感 器通过第五模拟信号处理电路接入控制芯片，控制芯片和D/A模块相连。所述第一压力传 感器接入第一主泵的出口油路上，第二压力传感器接入第二主泵的出口油路上，第三压力 传感器接入铲斗油缸大腔与第一主阀相连的油路上，第四压力传感器接入动臂油缸小腔与 第二主阀相连的油路上，第五压力传感器接入斗杆油缸大腔与第三主阀相连的油路上。与现有技术相比，本发明有如下技术效果1.该系统结构简单、适用范围广，只需在铲斗油缸大腔、动臂油缸小腔、斗杆油缸 大腔、第一主泵和第二主泵的出口分别安装压力传感器，其避免了一些根据安装角度传感 器判断姿态带来的安装困难等问题。2.该系统通用性强，可根据不同工程机械，重新制定控制策略训练样本，实现负载 识别。3.该系统具有处理速度快，准确度高，体积小等特点。利用本发明提出的控制方 法，只需15秒的预挖过程后，便可以实时确定挖掘机所处于的工作状态。4.该系统可以有效避免人为对作业对象判断失误造成的燃油损失和制定功率档 位过低，造成的柴油机熄火。
图1挖掘机液压回路示意图；图2为压力传感器在各油缸液压回路安装图；图3为负载识别系统电路原理图；图4为模拟信号处理电路原理图；图5为联想神经网络原理图；图6为D/A模块电路原理图；图7为负载识别系统原理框图；图中，铲斗油缸1、动臂油缸2、斗杆油缸3、第一主阀4、第二主阀5、第三主阀6、第 一主泵7、第二主泵8、第一压力传感器9、第二压力传感器10、第三压力传感器11、第四压力 传感器12、第五压力传感器13、第一模拟信号处理电路14、第二模拟信号处理电路15、第三 模拟信号处理电路16、第四模拟信号处理电路17、第五模拟信号处理电路18、控制芯片19、 D/A模块20。
具体实施例方式本发明的原理是本发明首先判断挖掘机是否处于挖掘状态，然后采集第一主泵 和第二主泵的出口压力，最终确定挖掘机工作模式和发动机输出功率。挖掘机的挖掘状态 可以表现在挖掘机铲斗油缸、动臂油缸和斗杆油缸动作变化。因此，本发明依据挖掘机液压 系统中油缸的油液压力进行判断，这种方案只需在原有的液压系统中加入压力传感器，根 据压力输出值变化判断挖掘机的动作，而且数据处理较简单。挖掘机在一个工作循环内，各 工作状态的一般性相关动作分析如下(1)挖掘过程动臂油缸不动，斗杆油缸和铲斗油缸有复合动作。(2)提升过程动臂油缸和斗杆油缸有复合动作，铲斗油缸无动作。
(3)卸载动作动臂油缸和斗杆油缸无动作，铲斗油缸有动作。依据联想神经网络算法确定挖掘机处于挖掘状态时，采集第一主泵和第二主泵的出口压力值，最终确定发动机的最佳油门位置和最经济转速，达到节能的目的。下面结合附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。如图3所示，本发明挖掘机负载自主识别系统包括五个压力传感器、五个模拟信 号处理电路、控制芯片19和D/A模块20。其中，第一压力传感器9通过第一模拟信号处理 电路14接入控制芯片19，第二压力传感器10通过第二模拟信号处理电路15接入控制芯片 19，第三压力传感器11通过第三模拟信号处理电路16接入控制芯片19，第四压力传感器 12通过第四模拟信号处理电路17接入控制芯片19，第五压力传感器13通过第五模拟信号 处理电路18接入控制芯片19，控制芯片19和D/A模块20相连。压力传感器在挖掘机液压回路中的安装位置如附图2所示。在控制铲斗油缸1大 腔的第一主阀4出口油路上安装第三压力传感器11。在控制动臂油缸2小腔的第二主阀5 出口油路上安装第四压力传感器12。在控制斗杆油缸3大腔的第三主阀6出口油路上安装 第五压力传感器13。在第一主泵7和第二主泵8的出口油路上分别安装第一压力传感器9 和第二压力传感器10。由于压力传感器采集到的数值无法直接接入控制芯片19，需要经过模拟信号处理 电路14-18，如图4所示，采集到的压力信号接入运放Ul的正输入端并与电阻Rl相连接地。 运放Ul的负输入端与输出端相连，最终经电阻R2连接到芯片19。稳压二极管Dl和电容 C2分别于电阻R2串联，另一端接模拟地。运放Ul工作电压设为12V，正电压输入端与电容 Cl串联接模拟地。由于压力传感器返回的是电流信号而控制芯片19的A/D数据采集模块 设定的是电压输入，因此模拟信号处理电路主要功能是对信号进行调理，转化成芯片AD模 块所要求的输入量。将经模拟信号处理电路的第三压力传感器11、第四压力传感器12和第五压力传 感器13的压力差值作为联想神经网络输入。首先，挖掘机预挖15秒，制定联想神经网络的 训练样本，联想神经网络原理框图如图5。然后挖掘机正常工作，当联想神经网络判断出挖 掘机处于挖掘状态，采集第一压力传感器9和第二压力传感器10经模拟信号处理电路14 和模拟信号处理电路15后的压力数值。取其中较大值作为判断挖掘机工况和负载大小的 依据。通过TMS320F2812芯片19的IO输出高低电平，设高电平为1，低电平为0。最后通过 D/A模块20输出发动机的油门位置信号给挖掘机主控制器，确定当前的发动机额定功率输 出。D/A模块20主要包括MAX5250芯片U2和运放U3。由于主控制芯片19只能输出数字 信号，所以需要将其转化成数字信号并放大返回给挖掘机主控制器。设定输出为0至3V电 压，线性表示依据负载所需的发动机油门位置。D/A电路原理图如图6所示。TMS320F2812 主控制芯片19的IO 口与MAX5250芯片U2相连。输出电压接入运放U3正输入端。运放U3 负输入端一端经电阻R3与模拟地相接，另一端经电阻R4与输出端相连。输出端与挖掘机 的主控制板相连。负载识别系统的原理框图如附图7所示。本发明中，控制芯片19可以采用TI公司TMS320F2812芯片，运放Ul和运放U3可 以采用TI公司的LM324。芯片U2可以采用MAXIM公司MAX5250芯片，但不限于此。本发明在不改变原有挖掘机液压回路的基础上，采集控制铲斗油缸1大腔的第一 主阀4、控制动臂油缸2小腔的第二主阀5和控制斗杆油缸3大腔的第三主阀6出口油路上的压力作为判断挖掘机状态的依据。数值经过第三模拟信号处理电路16、第四模拟信号处理电路17和第五模拟信号处理电路18输入控制芯片19中联想神经网络处理分析后，当确 定挖掘机处于挖掘状态时采集经第一模拟信号处理电路14和第二模拟信号处理电路15的 第一主泵7和第二主泵8的出口 2个压力值，取较大值作为挖掘机负载的依据。最后通过 D/A模块20向挖掘机主控制器传输油门位置信号，最终确定挖掘机功率模式。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和 权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
一种挖掘机负载自主识别系统，挖掘机的液压系统包括铲斗油缸(1)、动臂油缸(2)、斗杆油缸(3)、第一主阀(4)、第二主阀(5)、第三主阀(6)、第一主泵(7)和第二主泵(8)。其特征在于，该挖掘机负载自主识别系统包括五个压力传感器、五个模拟信号处理电路、控制芯片(19)和D/A模块(20)。其中，所述第一压力传感器(9)通过第一模拟信号处理电路(14)接入控制芯片(19)，第二压力传感器(10)通过第二模拟信号处理电路(15)接入控制芯片(19)，第三压力传感器(11)通过第三模拟信号处理电路(16)接入控制芯片(19)，第四压力传感器(12)通过第四模拟信号处理电路(17)接入控制芯片(19)，第五压力传感器(13)通过第五模拟信号处理电路(18)接入控制芯片(19)，控制芯片(19)和D/A模块(20)相连。所述第一压力传感器(9)接入第一主泵(7)的出口油路上，第二压力传感器(10)接入第二主泵(8)的出口油路上，第三压力传感器(11)接入铲斗油缸(1)大腔与第一主阀(4)相连的油路上，第四压力传感器(12)接入动臂油缸(2)小腔与第二主阀(5)相连的油路上，第五压力传感器(13)接入斗杆油缸(3)大腔与第三主阀(6)相连的油路上。
全文摘要
本发明公开了一种挖掘机负载自主识别系统，包括五个压力传感器、五个模拟信号处理电路、控制芯片和D/A模块，五个压力传感器分别通过模拟信号处理电路接入控制芯片，控制芯片和D/A模块相连，第一压力传感器接入第一主泵的出口油路上，第二压力传感器接入第二主泵的出口油路上，第三压力传感器接入铲斗油缸大腔与第一主阀相连的油路上，第四压力传感器接入动臂油缸小腔与第二主阀相连的油路上，第五压力传感器接入斗杆油缸大腔与第三主阀相连的油路上，该系统可供挖掘机等工程机械使用，通过自主识别挖掘负载，确定发动机输出功率，安装方便，它能提高作业工作效率，降低燃油消耗，减轻操作者的工作强度。
文档编号E02F9/22GK101806079SQ20101015278
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月22日 优先权日2010年4月22日
发明者冯培恩, 徐振, 高宇 申请人:浙江大学