专利名称：沟渠挖掘机的传感定位设备的制作方法
技术领域：
本发明系关于挖掘设备的改进，特别是对于包含有车辆的挖掘设备的改进，该车辆具有从车体伸出并铰接在车体上可相对于其转动以改变挖掘深度的挖掘装置。
用作挖掘沟渠或类似物的有摆动臂的挖掘设备是公知的，带有深度控制系统的这种挖掘设备也是公知的，该系统可按照诸如激光束等参照信号来控制沟渠的深度，其意图是按照参照信号照射在传感器组件上的位置来控制挖掘臂相对于车体的角度位置，从而控制沟渠的挖掘深度。传感器组件安装在挖掘臂上以便随转动的挖掘臂一起运动。于是，当车辆在起伏不平地带行进时，传感器相对于激光束运动，从而引起激光束照射在传感器的位置变化，这将使传感器输出发生变化，利用这种变化来控制挖掘臂转动，以改变车辆在起伏不平地带行进时所挖沟渠深度，这种方案是意在挖掘出一条具有沿与参照光束平行的平面延伸的底面的沟渠来。
然而，这样的已知的设备的不足之处是当车辆行进在有变化的凸凹的地带上而使挖掘臂绕枢轴转动时所挖沟渠的精度受到限制。在这样情况下，所形成沟渠的底面将不平行于参照信号。结果表明在需要沟渠底面应水平延伸，即要求没有或只允许非常小的沟渠底面变化或起伏时，就成了很大的问题，而当沟中所敷设的管道或其它任何结构物必须敷设在平坦平面上时，就特别提出了这种要求。在借助于参照信号照射在装在挖掘臂上随动的传感器的位置变化进行控制时，由于挖掘臂转动的不精确性，就出现了公知设备的问题。首先，挖掘臂相对于车体的角度变化不能准确地反映参照激光束在传感器组件上照射位置的变化。就是说，由于车辆的上倾或下倾运动，激光照射在传感器上的位置变化并不能引起在车体下延伸的挖掘臂所达深度的等同变化。
本发明的目的在于提供一种优于公知设备的挖掘设备。特别是，本发明意在提供一种与参照信号配合工作，比现有设备精度更高的挖掘设备。
按照本发明的一个方面所提供的挖掘设备，包括带有挖掘装置的原动机，用以挖出底面基本与参照信号平行的沟渠，该设备有探测上述参照信号的传感装置，上述挖掘装置可相对上述原动机转动以改变上述沟渠的深度，上述传感装置可相对于上述原动机运动，于是在上述挖掘装置转动时，上述传感装置就沿一条与上述挖掘装置的最低面的运动路径基本相同方向，相同距离的路径运动。
本发明的优点是最低挖掘面，即挖掘装置挖掘沟底面的挖掘面的相对于车体的任何位置变化都会引起传感装置相应的位置变化。
该原动机可以是任何适宜型式的车辆。
按照本发明的另外方面，设有挖掘设备的传感定位设备，挖掘设备包括具有可转动的挖掘装置的原动机和参照信号传感装置，将上述传感定位装置配置成可使上述传感装置沿这样一条路径运动，即该路径与上述挖掘装置转动时上述挖掘装置的最低面运动路径基本上相同方向和相同距离。
最好是把上述传感装置安排成可相对于车体沿着一条其曲率中心在上述挖掘装置的最低面区域中的弧形路径运动。当上述挖掘装置作转动运动时，把上述传感器的运动控制成使传感器和上述挖掘装置的最低面之间的距离保持为大体不变值是特别有利的。这样，不管挖掘装置相对于车体转动到什么角度的位置上，挖掘装置的最低面与传感器之间，以至与参照信号之间的距离就基本保持不变。相应地，在车辆行进在起伏地带时，挖掘装置就转动以补偿地面的不平，于是所挖掘的沟底面就基本保持与参照信号平行。
更适宜的是，挖掘装置包括许多在挖掘装置的最低部位沿一条基本为圆形，至少为半圆形路径运动的挖掘件。其上安置传感器并沿其运动的弧状路径的曲率中心就能便利地与上述挖掘件的圆形或至少半圆形路径的曲率中心对应。
特别是，可用可转动元件确定出上述挖掘件的圆形或至少半圆形路径，把传感器的上述弧状路径的曲率中心安排成与上述可转动元件的转动轴线一致。
在某些情况下，该转动元件可以包括圆形挖掘元件；而在另外情况下，该转动元件还可以包括用来转动与承载挖掘链的张紧轮。
当挖掘件被安排成绕上述圆形或至少是半圆形的路径运动时，挖掘装置的最低面，即最低位置的挖掘件，不管挖掘装置相对于车体处于何种角度位置上，都保持着离圆形或半圆形路径的曲率中心为相同的距离。于是，由于传感器的弧状路径的曲率中心在挖掘件路径的曲率中心上，即转动元件的转动轴线上，结果表明这种安排在保持传感器和挖掘装置的最低面之间的距离为所要求的距离是十分有效的。
最好，借助于驱动装置，例如电气、液压或气动驱动装置，使传感装置可以沿所要求的路径运动。
在本发明的特别有利的、简单的实施例中，传感装置安装在上述挖掘装置上，特别是借助于包括立杆的支持元件而把上述传感器安装在上述挖掘装置上，使传感装置保持在高于车体最高部分的位置上。
最好把传感器支持装置安装在挖掘装置上，以便沿从上述挖掘装置上伸出的导轨运动，导轨最好成弧状延伸，它与传感器装置所需沿其运动的弧形相对应。
这种弧状导轨元件的设置对于提供一种简单而有效的装置以使上述传感器元件沿所要求的路径运动来说是特别适合的。相应地，使导轨沿一弧状路径延伸，其曲率中心位于上述挖掘装置下部的所需位置上。
相应地，本发明则提供弧形导轨和可沿上述导轨活动而安装的传感器支持装置。
最好，设置控制上述传感器沿上述路径运动的控制装置，该控制装置与探测车辆相对于参照信号的位置变化的装置配合工作。
控制装置可包含水平探测器，当车辆行进在起伏地带上下运动时进行探测。
实际上，证明了若保持传感装置，特别是与立杆结合而成为基本与参照信号垂直的状态是适合的，可提供这种水平传感装置以使传感器保持与参照信号垂直的关系。
在本发明的一个特别适用的实施例中，当上述水平传感装置探测到由于车辆的上坡或下坡运动和/或上述挖掘装置的转动而使传感装置不再垂直于参照光束时，驱动装置可驱动传感器沿上述弧形路径运动。而且，如果传感器安装装置，例如立杆，是沿传感器运动的弧形路径曲率半径方向延伸的话，用极简单而适宜的操作就可以做到这一点。于是，不管传感装置位于其可能的弧状路径的何种位置，传感器安装装置在径向上延伸就会使传感器沿其径向路径运动，而使传感器返回基本与参照光束垂直的位置，从而把传感器保持在离挖掘装置的最低面所要求的距离上。
在此状态下，当车辆行进而相对于参照信号作上下运动时，传感装置确定挖掘装置应转动，水平传感器确定出传感装置应沿其弧形路径移动，由于这种运动的合成，当参照信号，例如激光束、红外光束或无线电信号再照射到传感装置的所要求的部位上时，就可实现使所要挖的沟渠的深度为已考虑了该参照信号的正确深度。
本发明在下述方面特别优异，它不仅能精确地控制传感器朝向参照光束的角度，而且可以改变与控制传感器相对于挖掘臂的位置，故光束照射传感器位置的变化就被准确地反映在挖掘臂的适当的运动上。
借助于简单地设置一个弧形导轨，使带有传感器的立杆安装于其上并沿其运动，当水平传感器结合立杆一起探测出立杆已相对于其所要求的延伸方向倾斜时，就能使所形成沟渠的深度精确性远远高于现有技术所能达到的精度。
下面，参照附图，仅以举例方式对本发明作进一步描述，其中，
图1是体现本发明的挖掘设备的侧视图，示出了处于挖掘浅沟位置的挖掘装置；图2是图1设备的侧视图，挖掘装置处于挖掘比图1中更深的沟的位置；图3是示出图1、图2中设备动作的侧视示意图，表示行进在有凹凸变化地带的情况。
参见图1，它示出具体表现本发明的挖掘设备10，该设备10包括作为车辆12的原动机，以便在要挖沟的地面14上沿箭头A方向运动。设备10还包括带有可转动的挖掘臂16的挖掘装置。挖掘臂16包括支持臂18，它安装在挖掘臂支持箱体19中，并用安装部件20可转动地安装在履带车辆12上，以便在箭头B的方向上运动。设置驱动装置21以使挖掘臂16绕安装部件20作转动。在支持臂18的远离履带车辆12的一端上有张紧轮22，循环挖掘链24则绕张紧轮22配置。循环挖掘链24包括许多挖掘件例如挖掘齿26。循环挖掘链24还绕过一个安装在挖掘臂16的靠近安装部件20的驱动轮(未示出)。
该设备10还包括挖掘深度控制传感装置28，它有安装在立杆32顶端的传感器30。传感器30设置为用来接收参照信号，参照信号包含由激光源(在图1、2中未示出)发射的激光束34。激光束34构成参照信号，作为控制挖掘臂16的循环挖掘链22所挖沟的深度的参考。如图1中所示，设备10是准备在履带车辆12运动所在地面14上挖沟的。挖出的沟有底面36，深度控制传感装置28用于把参照激光束34和沟底面36之间的距离保持为一基本常数值，这样，就可以挖出底面沿着平行于参照激光束34的平面延伸的沟来，由于参照激光束34本身具有固有的高定向精度，用设备10就能容易地挖出具有相应精度定向特性的沟渠。
这样，就能以高精度在参照激光束之下的所需深度上形成底面36。
立杆32安装在立杆架组件38上，立杆架组件38安装在弧形导轨40上，可在导轨40的两个最外端41、43之间运动。导轨40包括一个形成在延伸板45弧形边上的法兰，延伸板45用支持臂47刚性连接在挖掘臂16上，各支持臂47用连接板57固定在挖掘臂支持箱体19上。连接板57可以使支持臂47，也就使导轨40进行位置调节，这在考虑到挖掘臂16的任何伸长，例如补偿挖掘链24的磨损时是必需的。从而能保证正确的距离50(见图2)。立杆架组件38用四个导轮(未示出)可动地安装在导轨40上，四个导轮由各自的轴44可转动地连接在立杆架组件38上。
立杆架组件38还包括一个水平传感器46，当立杆32偏离图1中所示的基本垂直位置时，也就是偏离图1与2中所示的与参照激光束34的基本垂直关系而变得倾斜时，水平传感器可有效地将其测出。
液压驱动臂48通过使立杆架组件38沿着由导轨40所确定的弧形路径运动而带动立杆32和传感器30。
参见图2，其中示出图1中的设备的挖掘臂16相对于履带车辆12所处的角度位置，使其可相对于车辆12所行进的地面挖出最深的沟。虽然在立杆32与参照激光束34之间仍然保持着基本垂直的关系，将图1与2进行比较就可以看出，立杆架组件38已沿导轨40移过了全部长度，即从一端41(图1)到了另一端43(图2)。
如下所述，立杆架组件38沿弧形导轨40的运动是为了在传感器30与挖掘臂16的最低挖掘面之间保持准确距离。这同样也用于把所挖沟渠底面36保持在离开参照激光束34为所要求的距离上。
立杆32固装在立杆架组件38上，就使得在立杆32和组件38之间不存在相对运动。由弧形导轨40所确定的弧形路径的曲率中心位于张紧轮22的旋转轴线51上。于是，从附图中可以看出，不管立杆架组件38位于导轨40上的何种位置，立杆32总是从导轨40的曲率中心，即张紧轮22的旋转轴线51，沿径向延伸，这样，张紧轮22的旋转轴线51与传感器30之间的距离就将保持为常数，该距离为导轨40的曲率半径50与立杆32和传感器30的高度之和。由于循环挖掘链24绕过以张紧轮22的旋转轴线51为圆心的半圆形路径，则张紧轮22的旋转轴线51与挖掘臂16的最低挖掘面间，即挖掘臂16上挖掘沟底最深处的部分之间的距离，不管挖掘臂16和车体12处于何种角度关系都是不变的。这样，当挖掘臂16在图1与2中所示的两个极限位置之间转动时，控制立杆架组件38沿导轨40运动，就能使传感器30与挖掘臂16的最低挖掘面之间的距离基本保持为常数。相应地，通过把传感器30保持在相对于参照激光束34，以使激光束34照射在传感器30的理论上正确部位的位置上，就可以挖出其底面36沿基本与参照激光束34平行的平面延伸的沟来。参照光束34的高度定向的特性则由沟底面36的高度水平与平整性反映出来。
以张紧轮22的旋转轴线作为导轨的曲率中心也使得这种设备可以很容易地用于具有任何所需半径的张紧轮的挖掘臂上，只需略加调整即可。
按照所述的实施例，位于立杆架组件38上的水平传感器46用于确定出当臂16转动时，立杆架组件38应该在导轨40上走多远，以使传感器30与挖掘臂16的最低挖掘面之间保持正确的距离。例如，从图1所示位置到图2所示位置运动时，可以理解这样的转动会使立杆32向图1所示右方偏倾。水平传感器46测出这种偏倾和与之相应的立杆32偏离如图1所示垂直位置的运动。水平传感器46，它可由汞开关构成，控制液压驱动臂48动作，使立杆架组件38向图1的左方移动。这样的沿弧形导轨40的运动不仅降低了传感器30对车体12的相对高度，而且还使传感器30恢复了它与参照激光束34之间的垂直关系。从而保持了挖掘臂16的最低挖掘面与传感器30之间为所需求的距离。当然，该水平传感器46也可以用于确认立杆32已返回其如图1、2中所示的基本垂直于参照激光束的正确位置。
当车辆12所行进的地带是凹凸变化地带时，结果表明本发明特别适用。在这种情况下，仍然可以把沟挖成使其底面36基本平行于参数激光束34。在这种状态下，所挖沟的深度是随地面变化而变化的。
图3是表示图1与2中的挖掘设备10沿箭头C方向在如图所示的凹凸变化的地面14上行进中的5个位置的示意图，设置激光源54以提供基本为水平方向的参照激光束34，当然，参照信号也可以是倾斜指向的，此时的沟底也相应地倾斜。把激光束34设置为参照物，这就使得即使车辆12行进的地面是凹凸变化的，所挖沟的底面36也会基本平行于参照光束34。于是，当车辆12在地面14上行进时，挖掘臂16相对于车体12的角度发生变化，就能改变所挖沟的深度，类似地，当挖掘臂16与车体12的角度关系变化时，立杆32就沿弧形导轨40运动，使立杆32保持在图1、2的基本垂直的位置上，于是也就基本垂直于参照激光束34了。
工作前，对设备进行调整使传感器30与挖掘链24的最低挖掘面，即最低挖掘齿26之间的距离与所要求的沟底36和参照激光束34之间的距离相对应，然后驱动挖掘链24，挖掘臂在挖掘链24挖至所需深度前，即传感器30接收到参照激光束34前一直转动，然后将传感器30标定，以确定出一个使激光束34照射在传感器上的位置为对于所要求的沟底面36的水平标高来说是正确的位置。相对于此位置的任何变化都能有效地引起挖掘臂16转动，以补偿在这里所述的地带中的各种变化。
设在立杆架组件38上的水平传感器46用于控制立杆架组件38运动，这已在上面参照图1、2描述过了。于是立杆架组件38就沿导轨40运动而传感器30和挖掘臂16的最低挖掘面之间的距离保持在所要求的距离上。
参照图3中位置D和E之间的车辆12的运动，对本发明的工作状况特别加以说明。当车辆12从位置D驶向下坡时，参照激光束34就会照射到传感器30上比以前更高的位置上。传感器30检测出这种激光束在传感器30上的照射位置的变化，控制设备(未示出)与之相应地确认出车辆驶向下坡，为了把所挖沟底面36保持在所要求的平面上，该控制设备就促使挖掘臂16反时针方向转动，这就使挖掘臂16的最低挖掘面相对于车体提升，把挖掘臂16的这种转动设置成使其一直继续到使传感器30的垂直位置成为参照激光束34再次照射在传感器30的正确部位上为止。这表明所挖沟的底面36离参照信号34正是所需要的距离。为了保持这个所需要的距离重要的是要使传感器30和挖掘臂16的最低挖掘面之间的距离不管挖掘臂16相对于车体12为何种角度都要保持基本不变。这样，当车辆12从位置D下坡驶向位置E时，位于支杆架组件38上的水平传感器46促使液压驱动臂48动作，使之推动立杆架组件38沿导轨40运动，直到该水平传感器46指示出立杆32再次处于所要求的位置时为止。这个所要求的位置是立杆32基本垂直于参照激光束34的位置，而且传感器是在离开沟底面36的正确位置。
应该理解到，立杆架组件38沿导轨40的运动，也就是立杆32和传感器30的运动，是由为了把传感器30保持在相对于参照激光束34的所要求的位置上而使挖掘臂16相对于车体12实际转过的距离所确定的。从图3中将能特别理解到，这种运动是用于准确地保持传感器30和所挖沟底面36之间的所要求的距离的。如图3所示，此距离包括立杆53的高度，弧形导轨40的曲率半径50和循环挖掘链24绕张紧轮22运动的半圆形路径的曲率半径52。而且由于立杆架组件38绕弧形导轨40运动，则不论车辆实际通过的在沟底上的高度如何该距离都保持为同一值。当然，导轨40可以是任何适宜的形式，例如是附图中所示的有弧形轨道面的元件或在其上形成弧形槽的元件。
虽然本发明是参照上述的特定实施例进行说明的，在本发明的范围内还可能作出许多修正与变型。
本领域熟练技术人员将能理解到，立杆32和传感器30的运动也可以不用如所述的那种弧状导轨40而用其它的方向控制装置来实现。其特殊要求是在挖掘臂16转动期间，传感器30要像挖掘臂16的最低挖掘面那样在相同方向上移动，并移动同样的距离。在挖掘臂16上还可以使用任何适宜的挖掘装置，而参照信号也可以由红外光束或无线电信号构成。
进而，考虑到垂直于沟的长度方向上的任何凹凸变化，车辆还可以设置如目前可购得的侧倾补偿装置。此外，挖掘设备上还可设置安放箱，通常是连接在行进方向上的挖掘臂之后，以供向沟中充填如砾石等材料或敷设如管段或电缆等装置之用。
权利要求
1.一种挖掘设备，其特征在于它有带挖掘装置的原动机，用以挖掘出底面基本与参照信号平行的沟渠，上述设备具有探测参照信号的传感装置，上述挖掘装置可相对于上述原动机转动以改变上述沟渠的深度，上述传感装置可相对于上述原动机运动，以致挖掘装置转动时，上述传感装置就沿一条在方向与距离上基本与上述挖掘装置的最低面的运动路径相同的路径运动。
2.挖掘设备的传感定位设备，其特征在于挖掘设备包括设有可转动的挖掘装置的原动机和参照信号传感装置，上述传感定位装置配置成使上述传感装置在上述挖掘装置转动时沿一条在方向与距离上基本与上述挖掘装置的最低面的运动路径相同的路径运动。
3.如权利要求1或2中所述的设备，其特征在于上述传感装置是安排成相对于上述原动机，沿一条其曲率中心位于上述挖掘装置的远离原动机一端的区域中的弧形路径运动的。
4.如权利要求3中所述的设备，其特征在于上述传感装置相对于上述挖掘装置的运动路径是由弧形导向装置确定的，上述传感器安装在其上并可运动。
5.如权利要求4中所述的设备，其特征在于上述弧形导向装置的曲率中心位于上述挖掘装置的远离原动机一端的区域中。
6.如权利要求4或5中所述的设备，其特征在于上述弧形导向装置从上述挖掘装置延伸。
7.如权利要求4、5或6中所述的设备，其特征在于上述弧形导向装置包括在其上设置的有弧形导向面的元件。
8.如权利要求4、5或6中所述的设备，其特征在于上述弧形导向装置包括在其上设置的带弧形槽的元件。
9.如权利要求4至8中任一项所述的设备，其特征在于上述弧形导向元件包括弧形元件。
10.如权利要求3至9中任一项所述的设备，其特征在于上述挖掘装置包括许多挖掘件，它们位于挖掘装置的远离原动机的区域，并绕至少为半圆形路径运动。
11.如权利要求10中所述的设备，其特征在于上述曲率中心与上述的至少为半圆形路径的曲率中心相符。
12.如权利要求11中所述的设备，其特征在于上述挖掘件的至少为半圆形的路径是由转动元件所确定的。
13.如权利要求12中所述的设备，其特征在于上述曲率中心被设定为与上述转动元件的转动轴线一致。
14.如上述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于上述传感装置通过驱动装置的驱动而沿所需要的路径运动。
15.如前述权利要求中任何一项所述的设备，其特征在于它还包括控制上述传感器沿上述路径运动的控制装置，上述控制装置与探测上述车辆相对于上述参照信号的位置变化的装置配合工作。
16.如权利要求15中所述的设备，其特征在于上述探测上述车辆相对于上述参照信号的位置变化的上述装置包括水平传感器装置。
17.如权利要求16中所述的设备，其特征在于上述水平传感器装置与上述传感器安装在一起并一起运动。
18.如权利要求16或17中所述的设备，其特征在于它还包括探测装置，用以探测上述传感器装置的运动是否偏离相对于参照信号所要求的角度位置；它还包括驱动装置，按照上述探测装置的输出变化驱动上述传感器装置沿上述路径运动。
全文摘要
本发明提供一种挖掘设备(10)，它包括车辆(12)，借助安装装置(20)把转动挖掘臂(16)式的挖掘装置可转动地装在车辆(12)上。挖掘臂(16)有安装在其上的可驱动的循环挖掘链(24)，臂(16)可相对于车辆(12)转动以改变所挖沟(36)的深度，为了挖出具有水平底面的沟(36)使之与车辆(12)行进的地面(14)的起伏无关，设备(10)上装置传感器(30)用以接收参照信号(34)。参照信号(34)照在传感器(30)的位置的任何变化，例如车辆(12)行进上坡所引起的变化都用来确定自车辆(12)伸出的挖掘臂(16)的角度，以改变所挖沟(36)的深度，为了获得信号(34)照射在传感器(30)上的位置运动与臂(16)相应运动之间的准确关系，用安装件(32、38)安装传感器(30)，使之沿着由曲率中心与挖掘链(24)绕之运动的张紧轮(22)的转动轴线一致的弧形导向装置(40)所确定的弧形路径相对于挖掘臂(16)运动。
文档编号E02F9/20GK1117749SQ9419116
公开日1996年2月28日 申请日期1994年11月7日 优先权日1993年11月11日
发明者J·吉尔侯德 申请人:马斯藤布鲁克有限公司