专利名称：挖掘机控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个控制器，该控制器控制挖掘机在预置值时的贯穿力(挖掘载荷)和贯穿速度(下降速度)。
相关技术描述挖掘机控制器，用于连续墙技术和土地钻探挖掘技术，包括一种公开于日本专利出版物NO.7(1995)-26414的挖掘机的挖掘速度控制器。在速度控制器中具有一种速度控制单元和载荷控制单元，速度控制单元控制绞盘的速度，通过改变绞盘的速度降低比使挖掘机以预定速度下降，载荷控制单元控制绞盘的速度，通过改变绞盘的速度降低比使齿边载荷保持在上限值，在该速度控制器中，如果在速度控制操作期间齿边载荷超过上限值，操作切换到载荷控制。利用这种技术，由于考虑到挖掘机齿边的寿命，如果齿边载荷的上限值被设置得过低，甚至于在较软的土壤中，挖掘机也能以相对于土壤的可用卸下能力来说过高的挖掘速度，执行在载荷控制下。
此外，在日本专利出版物NO.3(1991)-80216的已知技术中有一种挖掘机贯穿力和速度控制器。这种速度控制器具有一种速度控制单元和一种载荷控制单元，控制单元控制绞盘的速度，通过调整制动力使挖掘机以预定速度下降，载荷控制单元控制绞盘的速度，通过调整制动力使贯穿力保持在预定贯穿力值，利用这种速度控制器，如果在载荷控制操作期间速度超过预定值，操作切换到速度控制。利用这种技术，挖掘速度的上限值可以根据挖掘土壤的排出能力来设定，甚至于在考虑到挖掘效率而把齿边载荷设置得很低的条件下，当操作切换到速度控制时，挖掘土壤的排出仍能顺利地执行。进而，阻止了挖掘机齿边寿命的老化。
然而，速度控制和贯穿力控制的具体电路结构并没有在日本专利出版物NO.3(1991)-80216中公开。日本专利出版物NO.7(1995)-26414公开了一种技术，其中速度控制由比例积分控制或比例积分控制结合正反馈控制构成，齿边载荷(贯穿力)控制由比例控制构成。这样，可以考虑在公开于日本专利出版物NO.3(1991)-80216的控制器中使用该控制方法的可能性。然而在齿边载荷控制中，因为齿边载荷是通过调节重达几十吨的挖掘机的下降速度而被控制在上限值的，通过比例控制或比例积分控制并不能够实现好的响应特性，并使它不实用。另外，由于利用作为参考值的预定挖掘速度，操作可以由载荷控制(贯穿力控制)切换到速度控制，或者由速度控制切换到载荷控制，所以在预定切换速度值附近存在控制系统发生振荡的可能性。
本发明的目的是提供一种挖掘机控制器，该控制器可以延长挖掘机齿边的寿命并提高挖掘效率。
发明概述根据本发明的挖掘机控制器包括一种绞盘，用于使挖掘机上升、下降；一种贯穿力检测装置，用于检测挖掘机的贯穿力；一种贯穿力控制装置，用于控制绞盘使由贯穿力检测装置检测到的贯穿力达到贯穿力的预定值；一种下降速度检测装置，用于检测挖掘机的下降速度，一种下降速度控制装置，用于控制绞盘使由下降速度检测装置检测到的下降速度达到下降速度的预定值和一种选择装置，当下降速度的检测值在由贯穿力控制装置执行的控制中超过特定值时，该装置完成向下降速度控制装置执行的控制的切换。下降速度控制装置通过比例积分控制控制下降速度，贯穿力控制装置通过比例差分控制控制贯穿力。
在根据本发明的挖掘机控制器中，贯穿力控制装置通过控制液压绞盘来控制挖掘机的速度，使检测到的贯穿力达到贯穿力的预定值。下降速度控制装置通过控制液压绞盘来控制挖掘机的速度，以确保检测到的下降速度达到下降速度的预定值。当下降速度的检测值在由贯穿力控制装置执行的控制中超过特定值时，选择装置完成向下降速度控制装置执行的控制的切换。下降速度控制装置通过比例积分控制控制下降速度，贯穿力控制装置通过比例差分控制控制贯穿力。
另外，根据本发明的挖掘机控制器可以包括一种输出压力油的液压源和绞盘液压马达，该马达通过第一油路和第二油路与液压源相连，一些位于第一油路和第二油路中的控制阀，一种反向平衡阀，该阀门位于作为降低挖掘机回边的第二油路中，一种压力调节装置，用于调节在反向平衡阀和液压马达间的第二油路中的压力，一种贯穿力检测装置，用于检测挖掘机的贯穿力，一种贯穿力控制装置，用于控制压力调节装置，使贯穿力检测装置检测到的贯穿力与贯穿力的预定值间的差值为零，一种下降速度检测装置，用于检测挖掘机的下降速度，一种下降速度控制装置，用于控制压力调节装置，使下降速度检测装置检测到的下降速度与下降速度的预定值间的差值为零，和一种选择装置，当下降速度的检测值在贯穿力控制装置执行的控制中超过特定值时，该装置完成向下降速度控制装置执行的控制的切换。
在上述根据本发明的挖掘机控制器中，当下降速度的检测值在贯穿力控制装置执行的控制中，超过特定值时，选择装置完成向下降速度控制装置执行的控制的切换。速度控制通过调节第二油路中的压力而得到执行，该调节过程是由压力调节装置执行的。当油路中的压力下降时，液压马达的转速上升，相反当压力上升时，转速下降。
所期望的是下降速度控制装置应当能够通过比例积分控制控制下降速度以及贯穿力控制装置应当能够通过比例差分控制控制贯穿力。
另外，当下降速度的检测值在贯穿力控制装置执行的控制中，超过第一特定值时，选择装置可以完成向下降速度控制装置执行的控制的切换；当，至少是当下降速度的检测值等于或低于比第一特定值小的第二特定值时，选择装置可以完成向贯穿力控制装置执行的控制的切换。
另外，根据本发明的挖掘机控制器可以包括一种绞盘，用于升高和降低挖掘机，一种贯穿力检测装置，用于检测挖掘机的贯穿力，一种贯穿力控制装置，用于控制绞盘使贯穿力检测装置检测到的贯穿力达到贯穿力的预定值，一种下降速度检测装置，用于检测挖掘机的下降速度，一种下降速度控制装置，用于控制绞盘使下降速度检测装置检测到的下降速度达到下降速度的预定值，和一种选择装置，当下降速度的检测值在贯穿力控制装置执行的控制过程中超过第一特定值时，该装置完成向下降速度控制装置执行的控制的切换，当，至少是当下降速度的检测值等于或低于比第一特定值小的第二特定值时，该装置还完成向贯穿力控制装置执行的控制的切换。
在上述的挖掘机控制器中，作为从贯穿力控制切换到速度控制及相反方向的切换的条件值引入了一种滞后。在操作因检测值超过第一特定值而转为速度控制之后，如果下降速度降低到比第一特定值小的第二特定值，操作切换到贯穿力控制。
上述的贯穿力检测装置可以由挖掘载荷检测装置组成，该装置检测被称为贯穿力的、在挖土过程中施加到挖掘机上的挖掘载荷的真值。
此外，根据本发明的挖掘机控制器可以包括一种绞盘，用于升高和降低挖掘机，一种挖掘载荷检测装置，用于检测在挖土过程中施加到挖掘机上的挖掘载荷的真值，一种挖掘载荷控制装置，用于控制绞盘使挖掘载荷检测装置检测到的挖掘载荷达到挖掘载荷的预定值，一种下降速度检测装置，用于检测挖掘机的下降速度，一种下降速度控制装置，用于控制绞盘使下降速度检测装置检测到的下降速度达到下降速度的预定值，和一种选择装置，当下降速度的检测值在挖掘载荷控制装置执行的控制中超过特定值时，该装置完成向下降速度控制装置执行的控制的切换。
在该挖掘机控制器中，真正施加在挖掘机上的载荷被称为贯穿力。贯穿力控制装置以这样的方式，通过控制绞盘来控制挖掘机的速度，即检测达到贯穿力特定值的贯穿力的方式。下降速度控制装置以这样的方式通过控制液压绞盘来控制挖掘机的速度，即检测达到下降速度预定值的下降速度的方式。当下降速度检测值在贯穿力控制装置执行的控制过程中超过特定值时，选择装置完成向下降速度控制装置执行的控制的切换。
作为比较方案，当贯穿力的检测值在速度控制过程中等于或低于第一特定贯穿力值时，选择装置可以完成向下降速度控制装置执行的速度控制的转换；当贯穿力的检测值在速度控制过程中超过第一特定贯穿力值时，选择装置完成向贯穿力控制装置执行的贯穿力控制的转换；当下降速度的检测值在贯穿力控制过程中超过第一特定速度值时，选择装置完成向下降速度控制装置执行的控制过程的切换；当下降速度的检测值等于或低于比第一特定速度值小的第二特定速度值以及贯穿力的检测值等于或大于比第一特定贯穿力值大的第二特定贯穿力值时，选择装置完成向贯穿力控制装置执行的控制过程的切换。
作为比较方案，当贯穿力的检测值等于或小于第一特定贯穿力值时，选择装置可以完成向下降速度控制装置执行的速度控制的切换；当贯穿力的检测值在速度控制过程中超过第一特定贯穿力值时，选择装置完成向贯穿力控制装置执行的贯穿力控制的切换；当下降速度的检测值在贯穿力控制过程中超过第一特定速度值时，选择装置完成向下降速度控制装置执行的控制的切换；当下降速度的检测值等于或低于比第一特定速度值小的第二特定速度值以及贯穿力检测值等于或大于比第一特定贯穿力值大的第二特定贯穿力值时，选择装置完成向贯穿力控制装置执行的控制的切换。
根据本发明的挖掘机控制器，具有以下优点。
因为下降速度控制装置，用于控制挖掘机的速度使检测到的下降速度达到下降速度的预定值，通过比例积分控制实现下降速度的控制，贯穿力控制装置，用于控制挖掘机的速度使检测到的挖掘载荷达到挖掘载荷的预定值，通过比例差分控制实现下降速度的控制，速度控制单元的精确性和稳定性得到改善，贯穿力控制装置的响应特性得到改善，由此改善了在爬行速度时降低挖掘机的可操作性。
通过调节油路的压力完成爬行速度控制，该油路中具有用于液压绞盘的反向平衡阀，与具有两级减速比，即高和低，的减速机构的情况相比较，这使得以低制作成本提高设备的坚固性成为可能。另外与通过调节机械制动力而实现爬行速度的设备不同，在此制动设备中没有热量产生，由此延长了最终的使用寿命，提高了最终的可维护性，这相应地降低了初始成本和运行成本。
此外，由于在贯穿力控制和速度控制之间的切换阈值中引入滞后性，这使得防止振动成为可能，由此该改善了可操作性。通过检测施加到挖掘机上的、用于贯穿力控制的真挖掘载荷，使得精确的检测挖掘载荷成为可能，由此实现挖掘的高精度。
附图简述图一是一个显示根据本发明的挖掘机控制器例子的框图；图二是显示示于图一的控制器的细节的框图；图三是一个示例由控制器选择单元完成的选择过程的流程图；图4A-4F示例了在贯穿力控制和速度控制之间切换的切换条件；图五是一个显示了N值和挖掘速度的曲线；和图六是另一实施方案的控制器框图。
优选实施例详述-第一实施方案-参照
图1-5给出了本发明的解释，当它用于使用装有液压绞盘的履带起重机的挖掘机中时。
在第一实施方案中，挖掘机通过液压绞盘HWD被升高和降低。在图1中，液压源1中的压力油，该液压源由液压泵和安全阀构成，经过安全阀2通向液压马达3。控制阀2和液压马达3经油路4和5相连，在油路5中提供了一个由压力调节阀6A和单向阀6B构成的背压阀6。压力调节阀6A根据一个油路中的压力，即油路4，而打开，当在4油路中没有压力时，该阀门关闭以防止绞盘滑脱。液压马达的输出速度由减速单元7减速以驱动并旋转线轴8。下述的任何一种方法，即手动切换方法，液压导向切换方法，电磁切换方法等，可以用来操作控制阀2，上面是对液压绞盘HWD的解释。
线轴8收和放钢丝绳9以升高和降低挖掘机10。绕着起重臂11上的滑轮12拉动钢丝绳9，绳速即挖掘机10的上升/下降速度，由挖掘速度检测器检测滑轮12的转速而得到。起重臂11的起重力由起重力检测器22检测，起重臂11的角度由起重臂测角器23检测，这样提升载荷可以根据起重力和起重力角度计算出来。然后，贯穿力通过从提升载荷中减去挖掘机10的自重而得到。应当注意的是贯穿力是指齿边载荷和挖掘载荷。数字13表示一个补偿阀，该阀门从一个罐中补充压力油以防止在油路4中出现负压。
另外在第一实施方案中，压力控制设备PCD用于调整油路5中的压力以便微调液压马达3的速度。该压力控制设备PCD具有一个位于油路4和油路5之间的电磁比例阀31，当油路5中的压力下降时，该阀门指向开边操作，一个单向阀32，用于防止压力油从油路4流向油路5，一个安全阀33，用于向从电磁比例阀31返回的油施加反向压力，一个电磁比例阀34，当油路5中的压力上升时，该阀门指向开边操作，一个单向阀35，用于确保油路5中的压力油不流向电磁比例阀34，和一个电磁开/关阀36，用于切断油路4和油路5之间的油路。
电磁比例阀31、34和电磁开/关阀36根据控制器40的命令信号而打开或关闭。与控制器40相连的有挖掘速度检测器21，起重臂测角器23，起重力检测器22，一种上限速度值设定单元41，用于为挖掘机10设定挖掘上限速度值，一种上限载荷值设定单元42，用于为挖掘机10设定上限挖掘载荷值，一种模式切换单元43，该单元利用压力控制设备PCD规定爬行速度模式，和一种挖掘机自重设定单元44，用于设定挖掘机10的自重。如果模式切换单元43没有选定爬行速度模式，那么就关闭电磁开/关阀36。
本发明包括控制装置，由此当挖掘速度在贯穿力控制过程中超过第一特定值(上限速度值)时，操作被切换到速度控制，而当挖掘速度在速度控制过程中等于或低于第二特定值(第一特定值×0.7)时，操作被切换到贯穿力控制，控制器40的结构如图2所示。
图2是示例了控制器40执行的处理过程的框图。控制器40具有一种真提升载荷计算单元45，一种贯穿力控制单元70，一种选择单元80和一种输出单元90。真提升载荷计算单元45，由起重臂测角器23检测到的起重臂角度和由起重力检测器22检测到的起重力输入其中，使用已知技术的算术表达式计算真提升载荷。
速度控制单元50具有一种减法器51，用于计算上限速度值设定单元41输出的预定上限速度值VT和挖掘速度检测器21输出的真实速度VR之间的差值ΔV，一种乘法器52，用于把增益KP和差值ΔV相乘，一种积分器53，用于积分差值ΔV，一种乘法器54，用于把积分器53的输出和增益KI相乘，和一种加法器55，用于把乘法器54的输出Ki·∑ΔV和乘法器52的输出Kp·∑ΔV相加并输出速度控制命令NV，速度控制单元输出速度控制命令信号NV，该信号与检测到的挖掘速度VR和预定上限速度值VT的差值相对应，使得挖掘速度达到由上限速度值设定单元41设定的预定上限速度值。如上面所解释的，速度控制单元50利用了比例积分控制技术。
贯穿力控制单元70具有一种减法器71，用于计算真提升载荷计算单元45输出的真提升载荷WT和挖掘机自重设定单元44设定的自重WO间的差值WR，一种减法器72，用于计算减法器71的输出值WR和贯穿力上限值WL间的差值ΔW，一种乘法器73，用于把差值ΔW和增益KPW相乘，一种存储装置74，用于在存储器中存储作为前一差值ΔWOL的差值ΔW，一种减法器75，用于计算存储在存储装置74中的前一差值ΔWOL和当前差值ΔW的差值ΔWD，一种乘法器76，用于把差值ΔWD和增益KDW相乘，和一种加法器77，用于把乘法器76的输出KDW·ΔWD和乘法器73的输出KPW·ΔW相加并输出贯穿力控制命令NW，贯穿力控制装置输出贯穿力控制信号NW，该信号与检测到的挖掘载荷WR和上限值WL间的差值相对应，这样挖掘载荷达到上限载荷值设定单元42设定的上限值WL。如上面所解释的，贯穿力控制单元70利用比例差分控制系统。
选择单元80或者选择速度控制单元50的输出值NV或者选择贯穿力控制单元70的输出值NW并把所选定的输出值输入到输入装置90。根据本发明，当设备启动时，选定贯穿力控制，并且控制模式可以根据挖掘速度和挖掘载荷在贯穿力控制和挖掘速度控制间切换。在选择单元80执行的选择操作中引入了滞后效应，例如，控制模式以图3的流程图所示例的方式切换。
参照图3所示流程图解释控制模式切换。在初始状态，控制模式被设置为贯穿力控制，状态标志在步骤S1中被设置为0。如果在步骤S2中设定爬行速度模式，则在步骤S3中根据前一控制状态作出一个判定。如果前一状态指示贯穿力控制有效，操作进行至步骤S4，如果计算的挖掘载荷WR小于(上限值WL/4)，操作进行至步骤S9并切换为挖掘速度控制。此时，状态标志被设置为1。上述的流程图指示当在初始状态设定爬行模式以及操作被切换至贯穿力控制时，如果挖掘载荷WR小于(挖掘上限值WL/4)，操作被切换至速度控制。
如果在启动后操作由步骤S1进行到步骤S2、S3、S4和S5，如果在步骤S5中挖掘速度VR超过上限速度值VT并且挖掘载荷WR小于上限载荷值WL，那么操作在步骤S9被切换到速度控制。上面描述的流程指出当操作被切换到贯穿力控制时，并且初始状态为爬行速度模式，如果挖掘载荷WR等于或大于(上限值WL/4)并且挖掘VR速度超过挖掘上限速度值VT，操作将被切换到速度控制。
然后，在步骤3，在步骤9中操作被切换到速度控制，状态标志被设定为1，操作进行到步骤S7。如果计算的挖掘载荷WR等于或小于(上限载荷值WL/2)，速度控制在步骤9中被连续地执行。上述的流程指出，当操作由贯穿力控制切换到速度控制时，如果挖掘载荷WR等于或小于(挖掘上限值WL/2)，速度控制被保持。同样如果在步骤S7中挖掘载荷WR超过(上限载荷值WL/2)，操作进行到步骤S8，在该步骤中作出挖掘载荷WR是否小于上限载荷值WL的判定，以及挖掘速度VR是否超过(上限速度值VT*0.7)的判定。如果在步骤S8的两次询问中都得到肯定的判定，速度控制继续在步骤S9中执行。上述的流图指出，当操作由贯穿力控制切换到速度控制时，尽管挖掘载荷WR超过(挖掘上限值WL/2)，只要挖掘速度VR大于(上限速度值VT*0.7)，速度控制被保持。如果步骤S8中的任何一次询问为否定判定，例如，即如果挖掘速度V等于或小于(上限速度值VT*0.7)，操作进行到步骤S6以便切换到贯穿力控制。此时，状态标志设定为0。上述的流程指出，当操作由贯穿力控制切换到速度控制时，如果挖掘载荷WR超过(挖掘上限值WL/2)和挖掘速度WR等于或小于(上限速度值VT*0.7)，操作将由速度控制切换到贯穿力控制。
上述操作可以总结如下(i)在贯穿力控制下的挖掘过程1.操作被切换到速度控制，如果挖掘载荷WR小于(挖掘上限值WL/4)。这相应于操作从图3的流图中的步骤S1-S4进行到步骤S9，并由图4A中的阴影部分表示。
2.操作被切换到速度控制，当挖掘载荷WR等于或大于挖掘上限值WL/4，并且挖掘速度VR超过上限速度值VT时。这相应于操作从图3的流图中的步骤S1-S5进行到步骤S9，并由图4B中的阴影部分表示。
3.贯穿力控制被保持，当挖掘载荷WR等于或大于挖掘上限值WL/4并且挖掘速度VR等于或小于上限速度值VT时。这相应于操作从图3的流图中的步骤S1-S5进行到步骤S6，并由图4C中的阴影部分表示。
4.贯穿力控制被保持，当挖掘载荷WR等于或大于挖掘上限值WL并且挖掘速度VR等于或小于上限速度值VT时。这相应于操作从图3的流图中的步骤S5进行到步骤S6，并由图4D中的阴影部分表示。
(ii)速度控制下的操作过程1.操作被切换到贯穿力控制，当挖掘载荷WR超过挖掘上限值WL/2，并且挖掘速度VR等于或小于(上限速度值VT*0.7)。这相应于操作从图3的流图中的步骤S7进行到步骤S8，然后进行到S6，并由图4E中的阴影部分表示。
2.速度控制被保持，当挖掘载荷WR等于或小于挖掘上限值WL/2(相应于操作从图3的流图中的步骤S7进行到步骤S9)，速度控制也被保持，当挖掘载荷WR超过挖掘上限值WL/2，只要挖掘速度VR超过(上限速度值VT*0.7)(相应于操作从图3的流图中的步骤S7进行到步骤S8，然后进行到步骤S9)。这样，在操作由贯穿力控制切换到速度控制之后，由滞后引起的速度控制范围的扩展如图4F所示。
换句话说，作为与速度有关的阈值，上限速度值VT被设定为第一阈值，(上限速度值VT*0.7)被设定为第二阈值，当在贯穿力控制过程中检测到的挖掘速度VR超过上限值(第一设定值VT1)时，操作由贯穿力控制切换到速度控制。当挖掘速度VR下降至或低于比第一特定值VT1小的第二特定值VT2(＝上限速度值VT*0.7)，并且挖掘载荷WR在速度控制过程中超过(上限载荷值WL/2)时，操作被切换到贯穿力控制。
对于与挖掘载荷有关的阈值，(上限载荷值WL/4)被设定为第一阈值，(上限载荷值WL/2)被设定为第二阈值。当在贯穿力控制过程中检测到的挖掘载荷WR小于第一阈值WL/4时，操作被切换到速度控制，然而，当挖掘载荷WR超过第二阈值WL/2并且在速度控制过程中速度等于或小于(上限速度值VT*0.7)时，操作被切换到贯穿力控制。
输出单元90具有一个积分器91，用于积分选择单元80的输出信号，一个信号判定器92，用于对积分器91的输出信号NC进行判定，一个恒流放大器93，用于恒流输出作为特定电压的积分器91的输出值NC，和一个切换器94，根据符号判定器92提供的判定结果，该切换器的触点A或B闭合。触点A与电磁比例阀34相连，触点B与电磁比例阀31相连。与速度差值NV信号或载荷差值信号NW相应的信号经过触点A或触点B被提供给电磁比例阀31或34。
具有上述结构的挖掘机控制器的操作将详细解释。
在利用模式切换器43选择爬行模式并使控制阀处于空挡位置(在一些情况下，它可以以特定量向下降边开启)之后，操作器利用上限速度值设定单元41，为挖掘机10的挖掘速度设定上限值VT，利用上限挖掘载荷值设定单元42，为挖掘载荷设定上限值WL，利用自重设定单元44设定挖掘机10的自重WO了。
真提升载荷计算单元45，根据起重力检测器22检测到的起重力和起重臂测角器23检测到的起重臂角度，利用已知技术的算术表达式计算真提升载荷WT。减法器71计算挖掘载荷WR，挖掘机10 be subject to from thesoil根据真提升载荷WT和挖掘机10的自重WO间的差值，然后减法器72计算由上限挖掘载荷值设定单元42设定的上限载荷值WL和挖掘载荷WR间的差值ΔW。乘法器73输出差值ΔW和增益KPW的乘积值。差值ΔW作为前一差值ΔW OL被存储在存储设备74中的存储器中，当前差值ΔW和前一差值ΔW OL间的差值ΔWD由减法器75计算得到。然后乘法器76输出差值ΔWD和增益KDW的乘积值。加法器77输出挖掘控制命令信号NW，该信号由差分项KDW·ΔWD和比例项KPW*ΔW之和构成。
速度控制单元50的操作如下。挖掘速度检测器21检测到的下降速度VR和上限速度值设定单元41设定的上限值VT间的差值ΔV由减法器51计算得到。乘法器52输出差值ΔV和增益KP的乘积KP*ΔV。积分器53积分差值ΔV，乘法器54计算积分值∑ΔV和增益KI的乘积。减法器55通过把乘法器54输出的积分项KI*∑ΔV和乘法器52输出的比例项KP*ΔV相加而输出速度控制命令信号NV。
选择单元80如前所述，或者选择速度控制命令信号NV或者选择贯穿力控制命令信号NW，并把所选择的信号输入到输出单元90。
当选择单元80的触点A闭合时(贯穿力控制)当检测到的挖掘载荷WR等于或小于上限值WL时，输入到输出单元90的挖掘控制命令信号NW被设为正，切换器94的触点B被信号判定器92闭合，由此闭合电磁比例阀34以操作电磁比例阀31指向开边，降低油路5的压力并增加液压马达2的速度。结果，线轴8的转速增加以提高挖掘机10的挖掘载荷。换句话说，通过有目的地增加从油路5输出的压力油的数量，液压马达3以大于液压马达3的爬行速度转速的转速旋转，该爬行速度转速受从各种液压设备输出的正常油量的控制。应当注意的是电磁比例阀31的开启量依赖于命令信号NW和NV的值。在该文中，液压马达3的爬行速度转速是指极低的转速，例如，在该转速下挖掘机10的速度低于0.5cm/min。
当检测到的挖掘载荷WR超过上限值WL时，输入到输出单元90的挖掘控制命令信号NW被设定为负，切换器94的触点A被信号判定器92闭合，由此关闭电磁比例阀31以操作电磁比例阀34指向开边，增加油路5的压力并降低液压马达3的速度，结果线轴8的转速下降，相应地导致挖掘机10的挖掘载荷下降。换句话说，通过增加油路5的压力，液压制动用于液压马达3的爬行速度转动，以降低液压马达3的转速，该液压制动受各种液压设备的输出量的影响。
通过上述的控制，挖掘载荷控制在挖掘载荷不超过上限值WL的范围内，通过调节挖掘机10的速度而实现。如果挖掘机10的下降速度在挖掘载荷控制过程中超过第一特定值VT，选择装置80通过其已经闭合的触点B从速度控制单元50中选择速度控制命令NV。
当选择单元80的触点B闭合时(速度控制)当挖掘速度检测器21检测到的下降速度VR低于上限速度值设定装置41设定的预定速度VT时，速度控制单元50输出正的速度控制命令NV。输出单元90中的切换器94的触点B闭合，由此闭合电磁比例阀34以操作电磁比例阀31指向开边，降低油路5的压力并增加液压马达3的速度。结果，线轴8的转速增加，这相应地增加了挖掘机10的下降速度。应当注意的是电磁比例阀34的开启量依赖于命令信号NW和NV的值。
如果真挖掘速度VR超过特定速度VT，速度控制命令NV被设定为负，输出单元90中的切换器94的触点A闭合，由此闭合电磁比例阀31以操作电磁比例阀34指向开边，增加油路5的压力并降低液压马达3的速度。结果线轴8的转速下降，这相应地降低了挖掘机10的下降速度。现在，如果在真挖掘速度VR超过上限值VT之后，以在第一特定速度VT和第二特定速度(VT*0.7)之间的范围内的挖掘机10的下降速度执行操作，则实行下述的控制，因为，如前所述，选择单元80的触点B由于滞后而闭合。
真挖掘速度VR低于特定速度VT，设定速度控制命令NV为正。通过输出单元90中的切换器94的闭合触点B，电磁比例阀34闭合以操作电磁比例阀31指向开边，降低油路的压力并增加液压马达3的速度。结果线轴8的转速增加，这相应地增加了挖掘机10的下降速度。当土壤的N值增加并且下降速度VR等于或小于第二特定值即(VT*0.7)时，如果挖掘载荷WR等于或大于(上限值/2)，选择装置80通过闭合的触点A从控制挖掘控制单元70选择挖掘控制命令NW。
在所描述的第一实施方案中，实现了下述优点1.因为在贯穿力控制单元70中采用了比例差分控制系统以及在速度控制单元50中采用了比例积分控制系统，挖掘载荷控制的响应特性得到改善，由此提高了速度控制的精确性和整个系统的稳定性。
2.因为挖掘载荷控制模式，由此挖掘载荷是恒定的，构成了一个基本模式，挖掘速度在具有高N值的土壤中被降低，在具有低N值的土壤中被升高，如图5所示。因为在软土中，当挖掘速度等于或大于特定值(上限值)时，存在一种可能性，即，挖掘速度过高而导致被排出的挖掘土被以超过排出泵能力的速率排出，操作由挖掘载荷控制切换到速度控制。在速度控制中，由于挖掘机10的下降速度受到控制以实现预定挖掘速度，土壤被以适宜的速率排出，只要下降速度的上限值是根据土壤排出泵的能力而设定的。
3.振动受到抑制，因为当下降速度超过第一特定值(上限值VT)时，操作由挖掘载荷控制切换到速度控制，当挖掘载荷超过(上限值WL/2)时，操作切换到挖掘载荷控制，下降速度在速度控制过程中等于或小于比第一特定值(上限值VT)小的第二特定值(上限值VT*0.7)，即，因为滞后被引入到控制切换的阈值中。
4.因为液压绞盘通过调节油路5的压力而实现爬行速度控制，该油路在放绳过程中指向回边，结构得到简化，使得与一种方法相比降低制作成本成为可能，在该方法中提供了一种由液压马达和高减速比的减速机构构成的爬行速度绞盘能量机构，和一种由液压马达和具有低减速比的减速机构构成的标准速度绞盘能量机构，爬行速度绞盘能量机构用于爬行速度控制。此外，如公开于日本专利出版物NO.3(1991)-80216中的设备，当通过调节机械制动力而实现爬行速度时就产生了问题，例如制动设备产生热量和最终寿命降低，这些问题在上述的实施方案中得到避免。应当注意的是用于连续墙技术中的挖掘机的自重，例如，重达几十吨，这需要使用具有大功率的制动设备，热量的产生和最终使用寿命的下降在实际使用中造成了严重的问题。
5.为了通过调节油路5的压力，实现爬行速度控制，该油路在放绳的过程中指向回边，并利用液压绞盘，提供了一个回路，油通过此回路从与油路4和油路5相连的液压马达3中的油路输出到一个罐中，在该油路中具有电磁比例阀31，还提供了一个回路，该回路引导压力油从液压源1流向油路5，在该回路中具有电磁比例阀34，这两个用于调整在油路5中的压力，通过对电磁比例阀31和34的开/关控制，使方便地在已存有的挖掘机液压绞盘中添加爬行速度控制设备PCD成为可能。
-第二实施方案-示于图6的第二实施方案中的设备在示于图1的液压绞盘HWD中不需要压力控制设备PCD，也不需要联动器，该联动器用来完成在用于常规工作的液压绞盘高速驱动系统HD1和用于爬行速度控制的液压绞盘爬行速度驱动系统HD2之间的切换。
液压马达高速驱动系统HD1由图1中的液压马达3和减速单元7组成，液压绞盘爬行速度驱动系统HD2由液压马达3A和减速单元7A组成。液压马达3A的额定功率小于液压马达3的额定功率，减速单元7A的减速比高于减速单元7的减速比，在减速单元7和线轴8之间提供了一个联动器14A，在减速单元7A和线轴8之间提供了一个联动器14A。绞盘爬行速度驱动系统HD2具有一个液压泵1A和一个电磁比例控制阀2A，该阀门控制从液压泵1A提供给液压马达3A的压力油的量和方向。
电磁比例控制阀2A的操作受控制器40A给出的命令信号的控制。控制器40A的结构与示于图2的结构相同，具有分别从挖掘速度检测器21、起重力检测器22和起重臂测角器23输入的检测信号。另外，还输入了在上限速度值设定单元41、上限挖掘载荷值设定单元42和自重设定单元43中设定的信号和模式，以及在模式切换器44中设定的模式。
应当注意的是联动器14和14A间的切换可以通过手动操作设备(未示出)完成，该设备啮合其中的一个联动器同时脱开另一个联动器，当模式切换器43选定正常速度控制模式时，利用控制器40A，切换可以通过脱开联动器14A、啮合联动器14而完成，当选定爬行速度模式时，切换可以通过脱开联动器14、啮合联动器14A而完成。
电磁比例控制阀2A，其切换量和切换方向受控制器40A提供的速度控制命令NV或挖掘控制命令NW的控制，以这样的方式受到控制，当挖掘机10的下降速度在载荷控制过程中超过第一特定值(上限值)时，操作被切换到速度控制，当下降速度在速度控制过程中等于或小于第二特定值(上限值*0.7)时，操作被切换到挖掘载荷控制。
在上述的两个实施方案中，液压马达3和3A的转速调节通过压力调节或切换减速比来实现，爬行速度可以通过使用机械绞盘并调整其制动力来实现，如日本专利出版物NO.3(1991)-80216。此外，在使用液压绞盘的控制器中，爬行速度可以通过调节机械制动力来实现。
此外，在上述实施方案中，真提升载荷是根据起重力和起重臂角度计算出来的，挖掘载荷是通过从真提升载荷中减去已知技术的挖掘机10的自重而确定的。因此，如果由挖掘的墙来支撑挖掘机10的部分或全部自重，那么存在一种可能性，被检测到的挖掘载荷在极大程度上导致被完成的控制，由此下降速度被降低，尽管存在真挖掘载荷很小的事实。为了抵消这种可能性并提高挖掘载荷控制的可靠性，设备可以以这样的方式构造，把驱动力传递给挖掘机10的挖掘齿的功率源的载荷状态被检测到，使检测值能够与挖掘载荷上限值进行比较。如果把液压马达用作功率源，挖掘载荷可以根据液压马达的压力而被检测到，另一方面，如果把电机用作功率源，挖掘载荷可以根据电流值而被检测到。
另外在第一实施方案中，当速度增加时，电磁比例阀34关闭，电磁比例阀31根据速度的增加量而开启，当速度降低时，电磁比例阀31关闭，电磁比例阀34根据速度的降低量而开启，利用这些阀的根据命令信号NW或NV值的操作，控制可以以下面的方式完成。即，如果预期的爬行速度由于已存在回路的不充分输出而不能实现时，该问题可以通过提前开启电磁比例阀31到特定量而得到解决。在那种情况下，减速可以通过限制电磁比例阀31的开启而实现，当命令信号NW或NV给出减速指示，且电磁比例阀34开启时，当减速指示的输出被保持时，甚至于在电磁比例阀31完全关闭后。或者，在与上面相反的情况下，如果预期的爬行速度由于已存在回路的过量输出而不能实现时，该问题可以通过提前开启电磁比例阀34到特定量而得到解决。在那种情况下，电磁比例阀34受到限制以增加速度，当命令信号NW或NV给出加速指示，且电磁比例阀31打开时，如果加速指示的输出被保持，甚至于在电磁比例阀34完全关闭之后。
工业可应用性根据本发明的挖掘机控制器可以用于挖掘机的绞盘中，用来控制挖掘机的贯穿力(挖掘载荷)和贯穿速度(下降速度)达到预定值，如在连续墙技术或大地钻探挖掘技术中那样。
权利要求
1.一种挖掘机控制器，包括一种绞盘，用于提升和降低挖掘机；一种贯穿力检测装置，用于检测挖掘机的贯穿力；一种贯穿力控制装置，用于控制绞盘使贯穿力检测装置检测到的贯穿力达到贯穿力的预定值；一种下降速度检测装置，用于检测挖掘机的下降速度；一种下降速度控制装置，用于控制绞盘使下降速度检测装置检测到的下降速度达到下降速度的预定值；和一种选择装置，用于当下降速度的检测值在贯穿力控制装置执行的控制过程中超过特定值时完成向下降速度控制装置执行的控制的切换；其中下降速度控制装置通过比例积分控制控制下降速度，贯穿力控制装置通过比例差分控制控制贯穿力。
2.根据权利要求1的挖掘机控制器，其中贯穿力检测装置由挖掘载荷检测装置构成，挖掘载荷检测装置在挖土时检测施加到挖掘机上的、称为贯穿力的挖掘载荷真值。
3.根据权利要求1的挖掘机控制器，其中选择装置当下降速度的检测值在贯穿力控制装置执行的控制过程中超过第一特定值时完成向下降速度控制装置执行的控制的切换；当、至少是当下降速度的检测值等于或小于比第一特定值小的第二特定值时。完成向贯穿力控制装置执行的控制的切换，
4.根据权利要求1的挖掘机控制器，其中选择装置切换到下降速度控制装置执行的速度控制，当贯穿力的检测值等于或小于第一特定贯穿力值时；切换到贯穿力控制装置执行的贯穿力控制，当贯穿力的检测值在速度控制过程中超过第一特定贯穿力值时；完成向下降速度控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值在贯穿力控制过程中超过第一特定值时；完成向贯穿力控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值等于或小于比第一特定速度值小的第二特定速度值并且贯穿力的检测值等于或大于比第一特定贯穿力值大的第二特定贯穿力值时。
5.一种挖掘机控制器，包括一种液压源，用于输出压力油；一种绞盘液压马达，通过第一油路和第二油路与液压源相连；一种控制阀，位于第一油路和第二油路的中间；一种反向平衡阀，位于第二油路，当挖掘机降低时该油路作为回边；一种压力调节装置，用于调节反向平衡阀和液压马达间的第二油路中的压力；一种贯穿力检测装置，用于检测挖掘机的贯穿力；一种贯穿力控制装置，用于控制压力调节装置使贯穿力检测装置检测到的贯穿力和贯穿力的预定值间的差值为零；一种下降速度检测装置，用于检测挖掘机的下降速度；一种下降速度控制装置，用于控制压力调节装置使下降速度检测装置检测到的下降速度和下降速度的预定值间的差值为零；和一种选择装置，完成向下降速度控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值在贯穿力控制装置执行的控制过程中超过特定值时。
6.根据权利要求5的挖掘机控制器，其中贯穿力检测装置由挖掘载荷检测装置构成，挖掘载荷检测装置在挖土时检测施加到挖掘机上的、称为贯穿力的挖掘载荷真值。
7.根据权利要求5的挖掘机控制器，其中选择装置完成向下降速度控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值在贯穿力控制装置执行的控制过程中超过第一特定值时；完成向贯穿力控制装置执行的控制的切换，当、至少是当下降速度的检测值等于或小于比第一特定值小的第二特定值。
8.根据权利要求5的挖掘机控制器，其中选择装置切换到下降速度控制装置执行的速度控制，当贯穿力的检测值等于或小于第一特定贯穿力值时；切换到贯穿力控制装置执行的贯穿力控制，当贯穿力的检测值在速度控制过程中超过第一特定贯穿力值时；完成向下降速度控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值在贯穿力控制过程中超过第一特定值时；完成向贯穿力控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值等于或小于比第一特定速度值小的第二特定速度值并且贯穿力的检测值等于或大于比第一特定贯穿力值大的第二特定贯穿力值时。
9.一种挖掘机控制器包括一种液压源，用于输出压力油；一种绞盘液压马达，通过第一油路和第二油路与液压源相连；一种控制阀，位于第一油路和第二油路的中间；一种反向平衡阀，位于第二油路，当挖掘机降低时该油路作为回边；一种压力调节装置，用于调节反向平衡阀和液压马达间的第二油路中的压力；一种贯穿力检测装置，用于检测挖掘机的贯穿力；一种贯穿力控制装置，用于控制压力调节装置使贯穿力检测装置检测到的贯穿力和贯穿力的预定值间的差值为零；一种下降速度检测装置，用于检测挖掘机的下降速度；一种下降速度控制装置，用于控制压力调节装置使下降速度检测装置检测到的下降速度和下降速度的预定值间的差值为零；和一种选择装置，完成向下降速度控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值在贯穿力控制装置执行的控制过程中超过特定值时；其中下降速度控制装置通过比例积分控制控制下降速度，贯穿力控制装置通过比例差分控制控制贯穿力。
10.根据权利要求9的挖掘机控制器，其中贯穿力检测装置由挖掘载荷检测装置构成，挖掘载荷检测装置在挖土时检测施加到挖掘机上的、称为贯穿力的挖掘载荷真值。
11.根据权利要求9的挖掘机控制器，其中选择装置完成向下降速度控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值在贯穿力控制装置执行的控制过程中超过第一特定值时；选择装置完成向贯穿力控制装置执行的控制的切换，当、至少是当下降速度的检测值等于或小于比第一特定值小的第二特定值时。
12.根据权利要求9的挖掘机控制器，其中选择装置切换到下降速度控制装置执行的速度控制，当贯穿力的检测值等于或小于第一特定贯穿力值时；选择装置切换到贯穿力控制装置执行的贯穿力控制，当贯穿力的检测值在速度控制过程中超过第一特定贯穿力值时；选择装置完成向下降速度控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值在贯穿力控制过程中超过第一特定值时；选择装置完成向贯穿力控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值等于或小于比第一特定速度值小的第二特定速度值并且贯穿力的检测值等于或大于比第一特定贯穿力值大的第二特定贯穿力值时。
13.一种挖掘机控制器，包括一种绞盘，用于提升和降低挖掘机；一种贯穿力检测装置，用于检测挖掘机的贯穿力；一种贯穿力控制装置，用于控制绞盘使贯穿力检测装置检测到的贯穿力达到贯穿力的预定值；一种下降速度检测装置，用于检测挖掘机的下降速度；一种下降速度控制装置，用于控制绞盘使下降速度检测装置检测到的下降速度达到下降速度的预定值；和一种选择装置，完成向下降速度控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值在贯穿力控制装置执行的控制过程中超过第一特定值时；选择装置完成向贯穿力控制装置执行的控制的切换，当、至少是当下降速度的检测值等于或小于比第一特定值小的第二特定值时。
14.根据权利要求13的挖掘机控制器，其中贯穿力检测装置由挖掘载荷检测装置构成，挖掘载荷检测装置在挖土时检测施加到挖掘机上的、称为贯穿力的挖掘载荷真值。
15.挖掘机控制器包括一种绞盘，用于提升和降低挖掘机；一种挖掘载荷检测装置，用于在挖土时检测施加到挖掘机上的挖掘载荷真值；一种挖掘载荷控制装置，用于控制绞盘使挖掘载荷检测装置检测到的挖掘载荷达到挖掘载荷的预定值；一种下降速度检测装置，用于检测挖掘机的下降速度；一种下降速度控制装置，用于控制绞盘使下降速度检测装置检测到的下降速度达到下降速度的预定值；和一种选择装置，完成向下降速度控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值在挖掘载荷控制装置执行的控制过程中超过特定值时。
16.一种挖掘机控制器，包括一种绞盘，用于提升和降低挖掘机；一种挖掘载荷检测装置，用于在挖土时检测施加到挖掘机上的挖掘载荷真值；一种挖掘载荷控制装置，用于控制绞盘使挖掘载荷检测装置检测到的挖掘载荷达到挖掘载荷的预定值；一种下降速度检测装置，用于检测挖掘机的下降速度；一种下降速度控制装置，用于控制绞盘使下降速度检测装置检测到的下降速度达到下降速度的预定值；和一种选择装置，切换到下降速度控制装置执行的速度控制，当贯穿力的检测值等于或小于第一特定贯穿力值时；切换到贯穿力控制装置执行的贯穿力控制，当贯穿力的检测值在速度控制过程中超过第一特定贯穿力值时；完成向下降速度控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值在贯穿力控制过程中超过第一特定速度值时；完成向贯穿力控制装置执行的控制的切换，当下降速度的检测值等于或小于比第一特定速度值小的第二特定速度值并且贯穿力的检测值等于或大于比第一特定贯穿力值大的第二特定贯穿力值时。
全文摘要
为了提高挖掘机齿边的寿命及其挖掘效率，贯穿力控制装置(70)控制液压绞盘HWD使检测到的贯穿力达到设定值，由此控制挖掘机(10)的速度。下降速度控制单元(50)用于控制液压绞盘HWD使检测到的下降速度达到设定值，由此控制挖掘机10的速度。当下降速度的检测值在贯穿力控制单元(70)的控制操作过程中超过预定值时，选择单元(80)从控制操作切换到下降速度控制单元(50)控制的速度操作。下降速度控制单元(50)通过比例积分控制操作控制下降速度，同时贯穿力控制单元(70)通过比例差分控制操作控制贯穿力。
文档编号E02F3/18GK1166191SQ96191257
公开日1997年11月26日 申请日期1996年8月30日 优先权日1995年8月31日
发明者船渡孝次 申请人:日立建机株式会社