专利名称：挖掘机的平推控制方法和控制装置与挖掘机的制作方法
技术领域：
本发明涉及工程机械领域，具体而言，涉及ー种挖掘机的平推控制方法和控制装置与挖掘机。
背景技术：
挖掘机，特别是正铲式挖掘机，需要经常进行平推作业。挖掘机完成平推动作的过程，需要保持铲斗的高度保持稳定。图I是现有技术的挖掘机的作业执行机构的示意图，如图I所示，挖掘机的作业执行机构包括铲斗11、斗杆12、动臂13、动臂油缸14、斗杆油缸15，在图中可以看出，铲斗11的高度是由斗杆12和动臂13的姿态决定的。而斗杆12和动臂13的姿态由动臂油缸14 和斗杆油缸15的伸缩情况共同決定的。在挖掘机进行平推作业时，挖掘机操作人员需要同时根据经验操控动臂油缸14和斗杆油缸15，使动臂油缸14随着斗杆油缸15推进而协调动作，以保证铲斗11的高度恒定在预定高度上。现有技术中对挖掘机平推控制，需要依靠操作人员根据经验同时操纵两个液压控制机构，工作量大，容易疲劳，而且控制精度受到操作人员的个人经验的影响较大。针对现有技术中挖掘机的平推控制导致操作人员的工作量大的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明g在提供一种挖掘机的平推控制方法和控制装置与挖掘机，以解决现有技术中挖掘机的平推控制导致操作人员的工作量大的问题。为了实现上述目的，根据本发明的ー个方面，提供了一种挖掘机的平推控制方法。该挖掘机的平推控制方法包括按照操作人员的控制指令控制斗杆油缸推动铲斗作业；实时获取斗杆姿态变化；根据斗杆的姿态变化反馈控制动臂油缸的进油量，使得铲斗处于预设高度。进ー步地，实时获取斗杆姿态变化包括实时获取动臂与水平面的夹角a I、动臂与斗杆的夹角a 3、斗杆与水平面的夹角a 2三个角度中的任意两个角度；按照上述任意两个角度、动臂的长度LI、和斗杆的长度L2计算斗杆姿态变化。进ー步地，按照上述任意两个角度、动臂的长度LI、和斗杆的长度L2计算斗杆姿态变化包括按照H = LI sin aトL2 sin a 2的计算公式计算斗杆高度H，其中，a I、a 2和^3满足以下关系バ1+02+03 = 180° ;根据计算所得的斗杆高度H得出斗杆姿态变化。进ー步地，控制动臂油缸的进油量包括根据斗杆的姿态变化使用PID算法反馈输出动臂油缸所在的液压油路中主泵比例阀的控制电流。进ー步地,按照操作人员的控制指令控制斗杆油缸推动纟产斗作业包括接收启动平推作业的控制信号；获取接收到控制信号时刻的斗杆姿态，并记录该时刻斗杆与铲斗连接点的高度，并将高度设置为反馈控制的目标高度。进ー步地，获取接收到控制信号时刻的斗杆姿态包括获取接收到控制信号时刻的动臂与水平面的夹角、动臂与斗杆的夹角、斗杆与水平面的夹角三个角度中的任意两个角度；按照接收到控制信号时刻的任意两个角度、动臂的长度、和斗杆的长度计算接收到控制信号时刻的斗杆姿态。根据本发明的另ー个方面，还提供了一种挖掘机的平推控制装置。该平推控制装置包括斗杆油缸控制模块，用于按照操作人员的控制指令控制斗杆油缸推动铲斗作业；斗杆姿态获取模块，用于实时获取斗杆姿态变化；动臂油缸控制模块，用于根据所述斗杆的姿态变化反馈控制动臂油缸的进油量使铲斗处于预设高度。进ー步地，上述平推控制装置还包括启动信号接收模块，用于接收启动平推作业的控制信号；控制目标获取模块，用于获取接收到控制信号时刻的斗杆姿态，并记录该时刻斗杆与铲斗连接点的高度，并将高度设置为反馈控制的目标高度。根据本发明的另ー个方面，还提供了一种挖掘机。该挖掘机包括铲斗、斗杆、和动 臂、其中，斗杆的第一端与铲斗连接，斗杆的第二端与动臂连接，斗杆由斗杆油缸驱动，动臂由动臂油缸驱动，斗杆姿态測量装置，用于获取斗杆姿态；以及以上所述的任ー种平推控制装置。进ー步地，上述斗杆姿态測量装置包括第一角度传感器、第一角度传感器、第三角度传感器三个角度传感器中的任意两个，其中，第一角度传感器，设置于动臂上，用于测量动臂与水平面间的夹角；第二角度传感器，设置于动臂与斗杆的连接点，用于测量动臂与斗杆间的夹角；第三角度传感器，设置于斗杆上，用于斗杆与水平面间的夹角。应用本发明的技术方案，在进行平推操作时，挖掘机操作人员通过控制斗杆的操作装置向斗杆油缸发出油缸伸出命令，利用实时测量得出的斗杆的姿态反馈控制动臂油缸，使动臂与水平面的夹角、动臂与斗杆的夹角匹配变化，利用动臂的变化来协调斗杆的变化，保证铲斗平推的同时保持铲斗的高度稳定。从而降低操作员疲劳程度，自动完成部分挖掘工作。
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进ー步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I是现有技术的挖掘机的作业执行机构的示意图；图2是根据本发明实施例的挖掘机的作业执行机构的几何结构示意图；图3是根据本发明实施例的挖掘机的动臂液压系统的示意图；图4是根据本发明实施例的挖掘机的控制数据流向的示意图；图5是根据本发明实施例的挖掘机的平推控制装置的示意图；图6是根据本发明实施例的挖掘机的平推控制方法的示意图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将參考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明实施例提供了一种挖掘机，图2是根据本发明实施例的挖掘机的几何结构示意图，如图2所示，斗杆12与水平面之间的夹角为a 2，动臂13与水平面之间的夹角为al，斗杆12与动臂13之间的夹角为a 3，从图中可以看出三个夹角之间满足关系al+a2+a3 = 180°，因此得到以上三个角度中的任意两个角度，就可以根据上述关系得到剰余的ー个角度。在动臂13和斗杆12的长度固定的情况下，就可以计算得出铲斗11的高度。假设为动臂13两端铰点之间的距离为LI，斗杆12铰点两端之间的距离为L2，那么铲斗11的高度H按照H = LI sina 1-L2 sin a 2的公式就可以计算得出。也就是说斗杆12的姿态可以根据以上角度计算得出。本发明实施例的挖掘机，包括铲斗11、斗杆12、和动臂13、其中，斗杆12的第一端与铲斗11连接，斗杆的第二端与动臂13连接，斗杆12由斗杆油缸15驱动，动臂13由动臂油缸14驱动，除此之外，还包括斗杆姿态測量装置，用于获取斗杆12的姿态，进而也就得出测量铲斗11的高度；控制器36，与斗杆姿态測量装置连接，用于按照操作人员的控制指 令控制斗杆油缸15推动铲斗11作业，并实时获取斗杆12的姿态，得出斗杆12姿态变化根据高杆12姿态变化反馈控制动臂油缸14，使动臂13的姿态变化与斗杆12的姿态变化匹配。从图2得出，铲斗11的高度H是由动臂13的姿态和斗杆12的姿态决定的，从而可以保证在平推过程中铲斗11的高度H稳定在一定的幅度内。其中，斗杆姿态測量装置可以包括以下三组传感器中的任意两组用于测量a I的第一角度传感器、用于测量a 3的第二角度传感器、用于测量a 2的第三角度传感器。其中，第一角度传感器可以设置在动臂13上，第二角度传感器可以设置在动臂13与斗杆12的连接点处，第三角度传感器可以设置在斗杆12上，第一角度传感器和第三角度传感器的具体形式可以是倾角传感器，第二角度传感器可以使用编码器等。根据实际挖掘机的构造特点，第一传感器实际上可以测量的角度是动臂13相对上车之间的夹角；而第二传感器通过感测动臂13与斗杆12之间的夹角，相对更好測量，因此优选使用第一传感器和第二传感器，通过a I和a 3相应得到a 2。本发明实施例的铲斗高度測量装置也可以同时安装以上三组传感器，从而利用三组传感器的测量值，按照al+a2+a3 = 180°的关系验证传感器的測量精度，进行自校验，提闻可■性。应用本发明实施例的挖掘机，在进行平推操作时，挖掘机操作人员通过操控斗杆伸出手柄等操作装置向斗杆12油缸发出油缸伸出命令，此时随着斗杆12伸出a 3角度相应变化，为了保证铲斗11高度H保持稳定使挖掘机实现平推作业，控制器根据斗杆12的姿态变化量反馈控制动臂油缸14相应变化，从而保证a 3的变化调整a I。也就是利用动臂13的变化来协调斗杆12的变化，保证铲斗11平推的同时高度保持稳定。从而降低操作员疲劳程度，自动完成部分挖掘工作。图3是根据本发明实施例的挖掘机的动臂液压系统的示意图，如图所示，本发明实施例的挖掘机的动臂液压系统包括发动机31，与发动机31同轴连接的变速箱32、液压泵33，电控主阀34、主阀比例阀35、控制器36、动臂油缸14。发动机31用于提供原始动力，通过变速箱32驱动液压泵33，控制器根据铲斗11高度H的变化量向电控主阀34的比例阀35输出相应的控制电流。上述动臂液压系统通过控制比例阀开度的方式改变动臂油缸14的进油量，同样也可以使用其它的控制手段进行反馈调节，例如使用调节变量泵的流量等其它方式改变动臂油缸14的进油量。图4是根据本发明实施例的挖掘机的控制数据流向的示意图，如图4所示，本发明实施例的挖掘机的平推过程可以是操作人员发出启动平推作业的控制信号，控制器36同时获取该时刻的a I和a 3，计算得出当前铲斗11的初始高度，该高度值记为高度目标值，也就是平推过程中铲斗11需要保持的高度。然后操作人员操控斗杆伸出手柄以控制平推的幅度，控制器36实时获取a I和a 3以计算当前铲斗11的高度并计算实时高度值与高度目标值的差值，以该差值作为反馈信号来控制安装于电控主阀34上的比例电磁阀35，以调节动臂油缸14的进油量，使a 3与a I的变化相适应，使铲斗11高度始终稳定在高度目标值的一定范围内，达到平推目的。其中平推作业的控制信号可以是操作人员按动“平推启动”按钮时，发出电信号上升沿。本发明实施例还提供了一种挖掘机的平推控制装置，上述控制器36可以作为本发明实施例的平推控制装置一部分，，该控制装置包括以上挖掘中的控制器36，用于对上述实施例的挖掘机进行平推控制。图5是根据本发明实施例的挖掘机的平推控制装置的示意 图，如图5所示，本发明实施例的挖掘机的平推控制装置包括斗杆油缸控制模块41，用于按照操作人员的控制指令控制斗杆油缸15推动铲斗11作业；斗杆姿态获取模块43，用于实时获取斗杆姿态变化，也就是计算铲斗11的高度变化量；动臂油缸控制模块45，用于根据斗杆12的姿态变化反馈控制动臂油缸14的进油量，使得铲斗11处于预设高度。其中，斗杆姿态获取模块43可以是实时获取动臂13与水平面的夹角a I、动臂13与斗杆12的夹角a 3、斗杆12与水平面的夹角a 2三个角度中的任意两个角度；按照任意两个角度、动臂13的长度LI、和斗杆12的长度L2计算斗杆的当前姿态以得出铲斗11的高度H。动臂油缸控制模块45的工作方式可以是根据所述斗杆12的姿态变化使用PID算法反馈调节动臂油缸14的进油量，控制进油量的具体方法可以是根据斗杆12的姿态变化使用PID算法反馈输出动臂油缸14所在的液压油路中主泵比例阀的控制电流。PID(Proportional Integral and Derivative,比例、积分、微分)控制算法是常见的闭环反馈控制算法，控制參数可以根据试验数据预先设定得出。本发明实施例的控制算法优选使用PID方法，但不局限于此，在控制精度和速度允许的情况下，可以使用其它闭环控制方法。优选地，挖掘机的平推控制装置还可以包括启动信号接收模块(图中未示出)，用于接收启动平推作业的控制信号；目标高度获取模块(图中未示出)，用于获取接收到所述控制信号时刻的斗杆12的姿态，并记录该时刻斗杆12与铲斗11连接点的高度，并将所述高度设置为反馈控制的目标高度。其中，铲斗目标高度获取模块的具体工作步骤可以是获取接收到控制信号时刻的动臂13与水平面的夹角、动臂13与斗杆12的夹角、斗杆12与水平面的夹角三个角度中的任意两个角度；按照任意两个角度、动臂13的长度LI、和斗杆12的长度L2计算接收到控制信号时刻的铲斗11的高度作为反馈控制的目标值。本发明实施例还提供了一种挖掘机的平推控制方法，该挖掘机的平推控制方法可以通过本发明上述实施例所提供的任一种挖掘机的平推控制装置来执行，并且，该挖掘机的平推控制方法可以应用于包括以上控制装置的挖掘机，图5是根据本发明实施例的挖掘机的平推控制方法的示意图，如图5所示，该挖掘机的平推控制方法包括步骤S51，按照操作人员的控制指令控制斗杆油缸15推动铲斗11作业；步骤S53，实时获取斗杆12姿态变化；步骤S55，根据斗杆12的姿态变化反馈控制动臂油缸14的进油量，使得铲斗11处
于预设高度。其中，步骤S51可以包括实时获取动臂13与水平面的夹角a 2、动臂13与斗杆12的夹角a 3、斗杆12与水平面的夹角a I三个角度中的任意两个角度；按照任意两个角度、动臂13的长度LI、和斗杆12的长度L2计算铲斗11的高度。三个角度之间满足a 1+ a 2+ a 3 = 180°的关系。伊斗11的高度的计算公式为H = LI-sin a 1_L2-sin a 2。 从而可以计算得出斗杆12的高度，并进一歩得出所述斗杆姿态变化。在主泵使用比例电磁控制阀的情况下，控制所动臂油缸14的进油量可以具体为根据高度变化量使用PID算法反馈输出动臂油缸14所在的液压油路中主泵比例阀的控制电流。获取铲斗11的目标高度的方法可以是在步骤S51之前还包括接收启动平推作业的控制信号；获取接收到控制信号时刻的斗杆12的姿态，并记录该时刻斗杆12与铲斗11连接点的高度，并将该高度值设置为反馈控制的目标高度。优选地，上述获取接收到所述控制信号时刻的斗杆姿态的具体方法可以是获取接收到控制信号时刻的动臂13与水平面的夹角、动臂13与斗杆12的夹角、斗杆12与水平面的夹角三个角度中的任意两个角度；按照任意两个角度、动臂13的长度、和斗杆12的长度计算接收到控制信号时刻的斗杆12姿态，以确定铲斗11的高度。应用本发明的技术方案，在进行平推操作时，挖掘机操作人员通过控制斗杆的操作装置向斗杆油缸发出油缸伸出命令，利用实时测量得出的斗杆的姿态反馈控制动臂油缸，使动臂与水平面的夹角、动臂与斗杆的夹角匹配变化，利用动臂的变化来协调斗杆的变化，保证铲斗平推的同时保持铲斗的高度稳定。从而降低操作员疲劳程度，自动完成部分挖掘工作。显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种挖掘机的平推控制方法，其特征在于，包括 按照操作人员的控制指令控制斗杆油缸推动铲斗作业； 实时获取斗杆姿态变化； 根据所述斗杆的姿态变化反馈控制动臂油缸的进油量，使得所述铲斗处于预设高度。
2.根据权利要求I所述的挖掘机的平推控制方法，其特征在干，实时获取斗杆姿态变化包括 实时获取动臂与水平面的夹角a I、动臂与斗杆的夹角a 3、斗杆与水平面的夹角a 2三个角度中的任意两个角度； 按照所述任意两个角度、所述动臂的长度LI、和所述斗杆的长度L2计算所述斗杆姿态变化。
3.根据权利要求2所述的挖掘机的平推控制方法，其特征在干，按照所述任意两个角度、所述动臂的长度LI、和所述斗杆的长度L2计算所述斗杆姿态变化包括 按照H = LI sin a 1-L2 sin a 2的计算公式计算所述斗杆高度H,其中，所述a I、a 2和a 3满足以下关系a 1+ a 2+ a 3 = 180。； 根据计算所得的所述斗杆高度H得出所述斗杆姿态变化。
4.根据权利要求3所述的挖掘机的平推控制方法，其特征在干，根据所述斗杆的姿态变化反馈控制动臂油缸的进油量包括 根据所述斗杆的姿态变化使用PID算法反馈输出所述动臂油缸所在的液压油路中主泵比例阀的控制电流。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的挖掘机的平推控制方法，其特征在干，按照操作人员的控制指令控制斗杆油缸推动铲斗作业包括 接收启动平推作业的控制信号； 获取接收到所述控制信号时刻的斗杆姿态，并记录该时刻斗杆与铲斗连接点的高度，并将所述高度设置为反馈控制的目标高度。
6.根据权利要求5所述的挖掘机的平推控制方法，其特征在干，获取接收到所述控制信号时刻的斗杆姿态包括 获取接收到所述控制信号时刻的动臂与水平面的夹角、动臂与斗杆的夹角、斗杆与水平面的夹角三个角度中的任意两个角度； 按照接收到所述控制信号时刻的所述任意两个角度、所述动臂的长度、和所述斗杆的长度计算接收到所述控制信号时刻的斗杆姿态。
7.一种挖掘机的平推控制装置，其特征在于，包括 斗杆油缸控制模块，用于按照操作人员的控制指令控制斗杆油缸推动铲斗作业； 斗杆姿态获取模块，用于实时获取斗杆姿态变化； 动臂油缸控制模块，用于根据所述斗杆的姿态变化反馈控制动臂油缸的进油量，使得所述铲斗处于预设高度。
8.根据权利要求8所述的挖掘机的平推控制装置，其特征在于，还包括 启动信号接收模块，用于接收启动平推作业的控制信号； 控制目标获取模块，用于获取接收到所述控制信号时刻的斗杆姿态，并记录该时刻斗杆与铲斗连接点的高度，并将所述高度设置为反馈控制的目标高度。
9.一种挖掘机，包括铲斗、斗杆、和动臂，其中，所述斗杆的第一端与所述铲斗连接，所述斗杆的第二端与所述动臂连接，所述斗杆由斗杆油缸驱动，所述动臂由动臂油缸驱动，其特征在于，还包括斗杆姿态測量装置，用于获取斗杆姿态；以及如权7或8中所述的平推控制装置。
10.根据权利要求9所述的挖掘机，其特征在于，所述斗杆姿态测量装置包括第一角度传感器、第一角度传感器、第三 角度传感器三个角度传感器中的任意两个，其中， 第一角度传感器，设置于所述动臂上，用于测量所述动臂与水平面间的夹角； 第二角度传感器，设置于所述动臂与所述斗杆的连接点，用于测量所述动臂与所述斗杆间的夹角； 第三角度传感器，设置于所述斗杆上，用于所述斗杆与水平面间的夹角。
全文摘要
本发明提供了一种挖掘机的平推控制方法和控制装置与挖掘机。挖掘机的平推控制方法包括按照操作人员的控制指令控制斗杆油缸推动铲斗作业；实时获取斗杆姿态变化；根据斗杆的姿态变化反馈控制动臂油缸的进油量，使得铲斗处于预设高度。在进行平推操作时，挖掘机操作人员通过控制斗杆的操作装置向斗杆油缸发出油缸伸出命令，利用实时测量得出的斗杆的姿态反馈控制动臂油缸，使动臂与水平面的夹角、动臂与斗杆的夹角匹配变化，利用动臂的变化来协调斗杆的变化，保证铲斗平推的同时保持铲斗的高度稳定，从而降低操作员疲劳程度，自动完成部分挖掘工作。
文档编号E02F3/43GK102864800SQ201210409219
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月23日 优先权日2012年10月23日
发明者单晓宁, 陶思扬, 尚景山 申请人:中联重科股份有限公司渭南分公司, 中联重科股份有限公司