绳索挖掘机的制作方法

专利名称：绳索挖掘机的制作方法
技术领域：
绳索挖掘机相关申请的交叉引用本申请要求2011年4月14日提交的美国临时申请61/475，474的优先权，在此其全部内容通过引用并入。
技术背景 本实用新型涉及使用绳索挖掘机进行的物料移动。
发明内容本实用新型的实施例提供了一种用于绳索挖掘机的回转至料斗动作(swing-to-hopper motion)的各种程度的自动化的系统以及方法。在挖掘操作期间，操作者控制绳索挖掘机向铲斗中装载物料。控制器，或者经由操作者输入或者传感器数据，而接收铲斗的方位数据以及在其中倾卸铲斗中的物料的料斗的方位数据。然后控制器计算铲斗行驶到料斗上的方位以便倾卸铲斗中的内容物的理想路径。在一些实施例中，控制器输出操作者反馈来帮助操作者沿理想路径行驶至料斗。在一些实施例中，控制器限制铲斗动作，使得操作者不可以偏离理想路径超出某一限度。在一些实施例中，控制器自动控制铲斗到达料斗的移动。本实用新型的实施例也适用于帮助铲斗从料斗回转回挖掘位置的卷曲(tuck)方位。在一个实施例中，提供了一种包括自动回转系统的绳索挖掘机。绳索挖掘机包括回转马达、提升(hoist)马达、推压(crowd)马达、可操作于挖掘以及倾卸物料并且经由提升马达、推压马达、以及回转马达的操作定位的铲斗、以及控制器。控制器包括接收当前铲斗数据以及指示出铲斗倾卸其中的物料的位置的倾卸位置信息的理想路径生成器模块。理想路径生成器计算理想回转路径，以及还基于理想回转路径而计算理想提升路径以及理想推压路径。理想路径生成器然后输出理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径。在另一实施例中，提供了一种生成用于回转绳索挖掘机的理想路径的方法。绳索挖掘机包括回转马达、提升马达、推压马达、以及可操作用以挖掘以及倾卸物料的铲斗。铲斗经由提升马达、推压马达、以及回转马达的操作定位。该方法包括接收当前铲斗数据以及指示铲斗倾卸其中的物料的位置的倾卸位置信息。该方法还包括计算理想回转路径，以及还基于理想回转路径而计算理想提升路径以及理想推压路径。然后输出理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径。在另一实施例中，提供一种包括自动回转系统的绳索挖掘机。绳索挖掘机包括回转马达、提升马达、推压马达、可操作用于挖掘以及倾卸物料并且经由提升马达、推压马达、以及回转马达的操作定位的铲斗、以及控制器。控制器包括接收当前铲斗数据以及指示出铲斗倾卸其中的物料的位置的倾卸位置信息的理想路径生成器模块。理想路径生成器至少计算理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径中的一种。理想路径生成器然后输出理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径。在一些实施例中，理想路径生成器模块还接收来自操作者的回转激进(aggressiveness)程度,其中基于回转激进程度而计算理想回转路径。另外，可以从全球定位卫星(GPS)数据以及存储了先前操作者控制倾卸的位置的存储器之一中接收倾卸位置信息。绳索挖掘机还可以包括反馈模块，其接收包括当前回转马达方位、当前提升马达方位、以及当前推压马达方位的当前铲斗数据；接收理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径，以及向操作者提供相对于倾卸位置信息的当前铲斗数据的音频、视觉、以及触觉反馈中的至少一种。反馈模块可以例如经由显示器向操作者示出倾卸位置信息以及当前铲斗数据。在一些实施例中，绳索挖掘机还包括边界生成器模块，其接收包括当前回转马达方位、当前提升马达方位、以及当前推压马达方位的当前铲斗数据；接收理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径；以及生成用于理想提升路径以及理想推压路径的边界。在一些实施例中，绳索挖掘机还包括铲斗控制信号模块，其接收(a)来自边界生成器模块的边界、(b)当前铲斗数据、以及(C)用于经由提升马达、推压马达、以及回转马达控制铲斗运动的操作者控制。铲斗控制信号模块还比较当前铲斗数据与边界，并且当当前铲斗数据指示出提升马达以及推压马达的至少一个在边界处或边界以外时，调节操作者控制来保持提升马达以及推压马达在边界以内。边界可以是斜坡函数、恒定窗口、以及多项式曲线中的一个。在一些实施例中，铲斗控制信号模块接收理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径。作为响应，铲斗控制信号模块分别根据理想回转路径、理想提升路径、以及理想推压路径来输出控制回转马达、提升马达、以及推压马达的控制信号。在一些实施例中，绳索挖掘机还包括模式选择器模块，其接收指示出至少三种回转自动化模式之一的操作者模式选择，以及控制绳索挖掘机以使用所选择的回转自动化模式进行操作。至少三种操作模式可以包括以下模式中的至少三种非回转自动化模式、轨迹反馈模式、教导模式、动作限制模式、以及全自动化模式。另外，模式选择器模块可以接收指示至少一种设备故障的系统信息，从而控制绳索挖掘机以不同的回转自动化模式进行操作。在一些实施例中，绳索挖掘机还包括料斗对准系统，包括照相机以及激光扫描仪的至少一个。料斗对准系统确定何时铲斗在倾卸位置的预定范围以内，以及控制铲斗控制信号模块以执行铲斗的可视伺服，以便使铲斗与倾卸位置对准。考虑详细说明以及伴随附图，本实用新型的其他方面将变得很明显。

图I描述根据本实用新型实施例的示例性绳索挖掘机以及移动采矿破碎机。图2A-C描述绳索挖掘机在挖掘位置与倾卸位置之间的回转。图3-5描述铲斗在移动采矿破碎机的料斗之上的对准。图6描述根据本实用新型实施例的用于回转自动化的控制系统。图7描述根据本实用新型实施例的用于操作者反馈模式的方法。图8-10描述根据本实用新型实施例的各种操作者反馈系统。图11描述根据本实用新型实施例的用于动作限制模式的方法。图12-20描述根据本实用新型实施例的各种理想路径以及动作限制边界限度。[0023]图21描述根据本实用新型实施例的用于教导模式的方法。图22描述根据本实用新型实施例的用于检测回转至料斗动作的方法。图23A-24描述根据本实用新型实施例的加速以及减速控制器。图25-27描述根据本实用新型实施例的料斗对准系统。图28说明根据本实用新型实施例的用于回转自动化的控制器。
具体实施方式
在详细解释本实用新型的任意实施例之前，应该理解申请中的本实用新型并不局限于以下说明书中阐述或以下附图中图解的组件的详细结构以及布置。本实用新型可以是其他实施例，也可以用多种方式实施或执行。图I描述示例性绳索挖掘机100。绳索挖掘机100包括履带(tracks) 105,用于推动绳索挖掘机100前进以及后退、以及用于使得绳索挖掘机100转弯(即，通过改变左右履带相互之间相对的速度和/或方向)。履带105支撑包括驾驶室115的基座110。基座110可以绕回转轴线125回转或旋转，例如，从挖掘位置移向倾卸位置。履带105的运动对于回转动作而言不是必需的。绳索挖掘机还包括支撑可绕枢轴旋转铲斗手柄135 (手柄135)以及铲斗140的铲斗轴130。铲斗140包括用于倾卸铲斗140内的内容物的门145。绳索挖掘机100还包括联接在基座110与铲斗轴130之间的、用于支撑铲斗轴130的拉紧吊索150 ;系在基座110内的绞盘(未示出)上、用于缠绕绳索155以抬高和放下铲斗140的提升绳索155 ;以及系在另一绞盘(未示出)上、用于伸出以及缩回铲斗140的推压绳索160。在一些情况下，绳索挖掘机100是P&H采矿设备公司生产的P&H 4100系列挖掘机。图I还描述移动采矿破碎机175。在操作期间，绳索挖掘机100通过打开门145来将铲斗140内的物料倾卸到料斗170中。虽然将绳索挖掘机100描述成与移动采矿破碎机175 一起使用，但是绳索挖掘机100也可以将铲斗140中的物料倾卸到诸如倾卸式货车(未示出)的其他物料收集器中，或直接倾卸到地面上。移动采矿破碎机175包括接收来自铲斗140的物料的料斗170以及运输物料到破碎机185的输送机或板式给料机(apron feeder) 180。破碎机185破碎从板式给料机180接收的物料，然后沿着输出输送机190输出破碎的物料。在一些情况下，破碎机185是具有大约每小时10公吨的破碎容量的双滚筒破碎机。移动采矿破碎机175还包括在它的远端，例如，在板式给料机180上，具有用于轧碎物料的锤子/轧碎机的吊杆195。移动采矿破碎机175还可以使用履带200转弯，以及推动前进以及后退。在一些情况下，移动采矿破碎机是PM!采矿设备公司生产的4170C 移动采矿破碎机。移动采矿破碎机175有时也指井下破碎(in-pit-crushing)以及输送(IPCC)系统。图2A-C描述了绳索挖掘机100从挖掘方位移动到倾卸方位的示例性回转角度。作为参考，在图2A-C上，轴心线205与料斗轴线210重叠，回转轴线125与轴心线205以及料斗轴线210相交。轴心线205与料斗轴线210之间的角度称为Θ。在图2A中，铲斗轴130在挖掘位置220处用纟产斗140挖掘到表土(overburden) 215中，并且Θ = Θ lt)在挖掘之后，绳索挖掘机100开始将铲斗轴130朝向料斗170回转。在图2B中，铲斗轴130处在通过回转至料斗的中间方位，并且Θ = θ2。在图2C中，铲斗轴130停在料斗170上方，释放门145以倾卸铲斗140内的物料到料斗170中，并且Θ = Θ 3。诸如绳索挖掘机100的绳索挖掘机具有容量，从而通过一次挖掘聚集多吨物料。例如，在一些实施例中，铲斗140的容量为额定有效载荷重量接近100公吨，并且大于50m3物料。在其他实施例中，绳索挖掘机100的容量更大或更小。对于一次挖掘收集的如此大量的物料，期望在释放门145之前正确定位铲斗140到料斗170上以避免漏出料斗以及洒出物料。另外，通常期望提高挖掘与倾卸周期之间的速度，以提高总效率并且增加物料移动的速率。在一些情况下，绳索挖掘机操作者经过多年的经验增进技能以及技术，以确保利用绳索挖掘机100进行快速、安全、以及有效的回转倾卸动作。当绳索挖掘机100的履带105静止时，铲斗140可操作于基于三种控制动作提升、推压、以及回转而移动。如上所述，提升控制通过缠绕以及松开提升绳索155来抬高以及放下铲斗140。推压控制伸出以及缩回手柄135和铲斗140的位置。回转控制相对于回转轴线125旋转手柄135 (见例如图2A-C)。在倾卸它的内容物之前，铲斗140被操纵到适当的提升、推压、以及回转方位，以便1)确保内容物不漏出料斗170 ；2)当门145释放时不 撞击料斗170 ;以及3)铲斗140不要太高以致于释放的内容物损坏料斗170或导致其他不期望的结果。图3-5分别描述了用于铲斗(bucket)的回转、提升、以及推压方位的可接受窗口。如图3所示，铲斗140的回转角度(Θ)的可接受范围是与通过料斗170的轴线210成土 Θ mx(使用图2A-C的约定)。图4描述当在最大提升高度与最小提升高度之间时的铲斗140在料斗170上的高度的可接受范围。图5描述当在最大推压伸出与最小推压伸出之间时的铲斗140在料斗170上伸出的可接受范围。虽然如上所述，这些范围相对于倾卸到料斗170中描述，但是铲斗140也可以倾卸物料到其他区域，诸如安置在直接位于地面上的料堆上的倾卸式货车上。这些各种倾卸区域以及料斗170都可以称为“倾卸位置”。绳索挖掘机100包括控制系统300，其包括回转自动化控制器(控制器)305，如图6所示。控制器305包括处理器310、存储通过处理器310可运行的指令的存储器315、以及例如用于允许在控制器305与操作者之间或控制器305与提供关于各种机器参数的反馈的传感器之间通信的各种输入/输出。在一些情况下，控制器305是微处理器、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等等。控制器305接收来自操作者控制器320的输入，该操作者控制器320包括推压控制325、回转控制330、提升控制335、以及门控制340。推压控制325、回转控制330、提升控制335、以及门控制340包括例如诸如驾驶杆、杆、脚踏板、及其他致动器的操作者控制器的输入装置。操作者控制器320经由输入装置接收操作者输入，以及输出数字动作命令给控制器305。动作命令包括例如升起、降下、推压伸出、推压缩回、顺时针回转、逆时针回转、铲斗门释放、左履带前进、左履带后退、右履带前进、以及右履带后退。当接收到动作命令时，一般地，控制器305如操作者所命令地控制铲斗控制器343，其包括一个或多个推压马达345、回转马达350、提升马达355、以及挖掘机门闩锁360。例如，如果操作者经由回转控制330指示逆时针旋转手柄135，则控制器305 —般将控制回转马达350逆时针旋转手柄135。然而，如将更详细解释所示，在本实用新型的一些实施例中，控制器305可操作以用于限制操作者动作命令，以及生成与操作者输入无关的动作命令。控制器305还与多个传感器363通信，以监控铲斗140的位置以及状态。例如，控制器305联接到推压传感器365、回转传感器370、提升传感器375、以及挖掘机传感器380。推压传感器365向控制器305指示铲斗140伸出或缩进的程度。回转传感器370向控制器305指示手柄135的回转角度。提升传感器375基于提升绳索155位置而向控制器305指示铲斗140的高度。挖掘机传感器380指示铲斗门145是打开(用于倾卸)还是关闭。挖掘机传感器380还可以包括向控制器305提供关于伊斗140内的负载的附加信息的重量传感器、加速度传感器、以及倾斜传感器。在一些实施例中，一个或多个推压传感器、回转传感器370、以及提升传感器375是指示推压马达345、回转马达350、和/或提升马达355的绝对方位或相对运动的旋转变压器(resolver)。例如，为了指示相对运动，当提升马达355旋转以缠绕提升绳索155而抬高铲斗140时，提升传感器375输出用于指示提升旋转量以及运动方向的数字信号。控制器305将这些输出译成铲斗140的高度位置、速度、和/或加速度。当然，在本实用新型的其他实施例中，推压传感器365、回转传感器370、提升传感器
375、以及挖掘机传感器380还包括有其他类型的传感器。操作者反馈385向操作者提供与绳索挖掘机100以及与绳索挖掘机100通信的其他系统(例如，料斗170)的状态有关的信息。操作者反馈385包括以下一个或多个显示器(例如液晶显示器(LCD))个或多个发光二极管(LED)或其他照明装置；抬头(heads-up)显示器(例如，投射到驾驶室115的窗户上)；用于音频反馈的扬声器(例如，哔哔声，口头消息)；触觉反馈装置，诸如使驾驶室座椅或操作者控制器320振动的振动装置；或另一反馈装置。以下更具体地描述操作者反馈385的具体实施方式
的详情。在一些实施例中，控制器305还与料斗通信系统390和料斗对准系统395通信。例如，料斗通信系统390可操作以用于发送生产数据以及状态数据给控制器305。示例性生产数据包括使用时间、物料输入量、物料输出量等等。示例性状态数据包括料斗170内当前负载的重量以及高度；板式给料机180、破碎机185、以及输出输送机190目前是否被启用以及其相关联的操作速度、是否正在操作吊杆195、是否正在移动(例如，经由履带200)移动采矿破碎机175、或者是否正在复位料斗或移动采矿破碎机175的其他部分(例如，在履带200不移动的情况下)的指示；以及其他状态信息。在一些实施例中，当控制器305经由料斗通信系统390接收到料斗170已满或者不可以再接受来自铲斗140的负载的指示时，防止门145打开。料斗对准系统395包括例如全球定位卫星(GPS)模块、光学照相机以及图像处理、和/或激光扫描仪。料斗对准系统395使得控制器305能够获得对准铲斗140与料斗170的方位信息，尤其在下述全自动化模式中。在一些实施例中，控制器305包括其他输入和/或输出(I/O)装置400，诸如键盘、鼠标、外部硬盘、无线或有线通信装置等等。控制系统300是绳索挖掘机100的回转自动化系统的一部分。回转自动化系统对绳索挖掘机100的操作者提供各种程度的帮助。回转自动化系统包括多个操作模式，至少包括1)轨迹反馈模式；2)动作限制模式；3)教导模式；以及4)全自动化模式。在一些情况下，以模块化方式设计模式，使得每个模式都建立在之前模式的特征以及组件之上。例如，动作限制模式建立在轨迹反馈模式上；教导模式建立在动作限制模式上；而全自动化模式建立在教导模式上。使用公共构架并且开发模块化方法以将组件集成化允许产生强大的系统，所述系统通过将系统的复杂度减小到可以保持全部操作的模式，可以对传感器或者信息的损失进行反应。所述方法还允许更安全的集成、试验、和样机制造、以及扩展到具有未来传感器集成以及用户需要的技术。另外，如在此处的说明中而将变得很明显的，在一些实施例中，各种模式的特征以及组件可以组合形成混合模式。在轨迹反馈模式下，控制器305识别绳索挖掘机100将遵循以便为了倾卸到料斗170中而准确定位铲斗140的理想路径。当操作者将铲斗140向料斗170回转时，控制器305经由操作者反馈385向操作者提供相对于理想路径的与铲斗140方位以及动作有关的一种或多种形式的反馈。在轨迹限制模式中，控制器305实施理想路径的上下边界。通过上下边界，控制器305防止铲斗140偏离到料斗170的理想路径太远。教导模式使能回转、推压、以及提升控制的半自动化操作。 操作者首先指定倾卸位置(例如料斗170的位置)。在执行挖掘操作之后，操作者初始化自动回转阶段(例如，使用操作者控制器320)。控制器305然后控制铲斗140遵循理想路径而到达计划的倾卸位置。在全自动化模式下，在初始化之后，不要求操作者主动输入以执行回转阶段。主动测量料斗170相对于铲斗140的方位以及取向，以识别倾卸位置，生成理想路径，以及控制铲斗140沿着理想路径到达倾卸位置。轨迹反馈模式轨迹反馈模式包括1)生成铲斗140从挖掘位置220前进到料斗170以及返回到挖掘位置220所沿着的理想路径；以及2)向操作者提供指示铲斗140与理想路径的差别的视觉、音频、或触觉反馈。轨迹反馈模式向操作者建议理想路径，但是并不主动控制铲斗140。因此，轨迹反馈模式使能试验以及对于生成的理想路径的分析，以诊断理想路径的问题以及改进理想路径的生成，而不关心控制器305将不正确地控制铲斗140。为此，控制器305可操作以用于输出操作者实际路径与生成的理想路径之间的比较。比较经由操作者反馈385输出给操作者和/或输出给外部装置，例如，用于管理人进行检查。外部装置可以是本地的(例如，绳索挖掘机100机载的另一计算机)、场内的(例如，在附近车辆或工厂中的管理人的膝上型电脑、图形输入板、或智能手机)、或场外的(经由诸如因特网的网络联接的计算机装置)。图7描述了使用控制系统300的轨迹反馈方法425。在步骤430，由控制器305例如使用传感器363以及操作者控制器320获得挖掘机数据集。如表I所示，挖掘机数据集包括与伊斗140的方位、运动、以及状态相关的变量。
权利要求1.一种绳索挖掘机，包括自动回转系统，所述绳索挖掘机包括 回转马达； 提升马达； 推压马达； 铲斗，所述铲斗可操作以用于挖掘和倾卸物料，并且经由所述提升马达、推压马达、和回转马达的操作来定位；和 控制器，所述控制器包括理想路径生成器模块，该理想路径生成器模块 接收指示所述铲斗倾卸其中的物料的倾卸位置的倾卸位置信息， 接收当前铲斗数据，· 计算理想回转路径， 基于所述理想回转路径而计算理想提升路径和理想推压路径，和 输出所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径。
2.根据权利要求I所述的绳索挖掘机，所述理想路径生成器模块还接收来自操作者的回转激进程度，其中，基于所述回转激进程度而计算所述理想回转路径。
3.根据权利要求I所述的绳索挖掘机，其中，所述当前铲斗数据指示出所述回转马达、所述提升马达、和所述推压马达的当前方位。
4.根据权利要求I所述的绳索挖掘机，其中，从全球定位卫星(GPS)数据和存储了先前的操作者控制倾卸的位置的存储器之一中接收所述倾卸位置信息。
5.根据权利要求I所述的绳索挖掘机，还包括反馈模块，该反馈模块 接收所述当前铲斗数据，所述当前铲斗数据包括当前回转马达方位、当前提升马达方位、和当前推压马达方位， 接收所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径，和向操作者提供相对于所述倾卸位置信息的所述当前铲斗数据的音频、视觉、和触觉反馈中的至少一个。
6.根据权利要求5所述的绳索挖掘机，其中所述反馈模块图示所述倾卸位置信息和当前铲斗数据。
7.根据权利要求I所述的绳索挖掘机，还包括边界生成器模块，其 接收所述当前铲斗数据，所述当前铲斗数据包括当前回转马达方位、当前提升马达方位、和当前推压马达方位， 接收所述理想回转路径、所述理想提升路径、所述理想推压路径，和 生成用于所述理想提升路径和所述理想推压路径的边界。
8.根据权利要求7所述的绳索挖掘机，还包括铲斗控制信号模块，其 接收来自所述边界生成器模块的边界， 接收所述当前铲斗数据， 接收操作者控制，所述操作者控制用于经由所述提升马达、推压马达、和回转马达控制所述铲斗的运动， 将所述当前铲斗数据与所述边界作比较，并且当所述当前铲斗数据指示出所述提升马达和推压马达的至少一个在所述边界处或在所述边界以外时，调节所述操作者控制，以保持所述提升马达和推压马达在所述边界以内。
9.根据权利要求7所述的绳索挖掘机，其中，所述边界是斜坡函数、恒定窗口、和多项式曲线之一。
10.根据权利要求I所述的绳索挖掘机，还包括模式选择器模块，其 接收指示出至少三种回转自动化模式之一的操作者模式选择，和 控制所述绳索挖掘机以按所选择的回转自动化模式进行操作。
11.根据权利要求10所述的绳索挖掘机，其中所述至少三种操作模式包括以下模式中的至少三种非回转自动化模式、轨迹反馈模式、教导模式、动作限制模式、和全自动化模式。
12.根据权利要求10所述的绳索挖掘机，其中，所述模式选择器模块 接收指示出至少一个设备故障的系统信息，并且 从而控制所述绳索挖掘机以不同的回转自动化模式进行操作。
13.根据权利要求I所述的绳索挖掘机，还包括铲斗控制信号模块，其 接收所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径， 分别根据所述理想回转路径、所述理想提升路径、和所述理想推压路径生成控制所述回转马达、提升马达、和推压马达的控制信号。
14.根据权利要求14所述的绳索挖掘机，还包括料斗对准系统，所述料斗对准系统包括照相机和激光扫描仪的至少一个，所述料斗对准系统 确定何时所述铲斗在所述倾卸位置的预定范围以内， 控制所述铲斗控制信号模块以执行所述铲斗的视觉伺服，以便使所述铲斗对准所述倾卸位置。
专利摘要本实用新型涉及一种绳索挖掘机。在挖掘操作期间，操作者控制绳索挖掘机向铲斗中装载物料。控制器经由操作者输入或者传感器数据来接收用于铲斗和在其中的倾卸物料的料斗的方位数据。控制器然后计算用于铲斗行驶到料斗上的方位以倾卸铲斗中的内容物的理想路径。在一些实施例中，控制器输出操作者反馈，以帮助操作者沿理想路径行驶到料斗。在一些实施例中，控制器限制铲斗动作，使得操作者不可以偏离理想路径超出某一限度。在一些实施例中，控制器自动控制铲斗到达料斗的运动。
文档编号E02F3/60GK202644604SQ201220270758
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月13日 优先权日2011年4月14日
发明者韦斯利·P·泰勒, 迈克·J·林斯特罗斯 申请人:哈尼施费格尔技术公司