专利名称：补偿旋转力的有效负载系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及一种有效负载计算系统，更特别是，涉及一种由围绕垂直枢轴旋 转的作业机引起的作业机的离心力、惯性力和摩擦力的有效负载计算系统。
背景技术：
各种类型的机器可采用作业机从工地转移材料并将该材料装载至运输车辆(例 如卡车和有轨车)上。这些机器包括挖掘机、轮式装载机、锄耕机、和其它运送材料的机器。 通过机器装载的运输车辆可具有由制造商的最大负载定额值和/或其它因素例如高速公 路车辆的重量限制所决定的特定负载容量。为促使最大程度地利用运输车辆，期望尽可能 接近其负载容量地装载每辆运输车辆。但是超载运输车辆具有负面后果。特别是，在运输 车辆上放置过多重量将大大提高运输车辆的维护成本或者如果在运输之前去除超出的材 料则造成昂贵的延迟。为监控放置在每辆运输车辆上的材料重量，机器制造商开发了有效负载计算系 统。有效负载计算系统可确定作业机当前运载的材料重量(例如挖掘机铲斗中的材料重 量)、以及在特定循环或者时间段期间装载至运输车辆上的材料的总重量。为改进生产率， 有效负载计算系统可在机器和/或作业机运动中确定机器和/或作业机运载的材料重量 (而非进行静态计算)。在 Tafazoli 等人 的"Identification of Inertial and Friction Parametersfor Excavator Arms”中公开了一种确定作业机运载质量的方法，(该出版物) 发表于1999年10月。Tafazoli出版物公开了一种具有仪表和计算机控制的微型挖掘机。 计算机控制器包括微型挖掘机的硬链接操纵器的动态模型。该模型预测微型挖掘机在静态 和动态状况下的共同扭矩并计算动态状况下的库仑和粘滞摩擦。Tafazoli出版物的结果连 同开发的算法可用于动态有效负载监控。尽管Tafazoli出版物的微型挖掘机可计算动态状况下的库仑和粘滞摩擦，但其 仍然不是最佳的。具体地，Tafazoli出版物模型可能不能计算某些旋转力(即由操纵器围 绕基本上垂直于微型挖掘机下表面的轴的旋转所引起的离心力和惯性力)。忽略这些旋转 力可为有效负载质量的计算带来误差。所公开的机器系统旨在克服上面列出的一个或多个问题。
发明内容
—方面，本发明涉及一种和作业机一起使用的有效负载计算系统。有效负载计算 系统可具有配置为测量作业机状态的状态传感器。有效负载计算系统还可具有配置为计算 作业机所移动的有效负载质量的处理设备。处理设备可配置为采用所测量的状态对质量的 计算补偿由围绕垂直枢轴旋转的作业机引起的作业机的离心力、惯性力和摩擦力。另一方面，本发明涉及一种计算有效负载的方法。该方法包括致动作业机以移动 有效负载。该方法还可包括测量作业机的状态。该方法还可包括采用测量的状态计算作业机所运送的有效负载质量以及对质量的计算补偿由围绕基本垂直于工作面的轴旋转的作 业机引起的作业机的离心力、惯性力和摩擦力。
图1图示了示例性公开的机器；图2图示了可以和图1的机器一起使用的示例性公开的有效负载计算系统；图3图示了示例性公开的作业机；以及图4为描述在图2中所示出的有效负载系统示例性运行的流程图。
具体实施例方式图1示出了示例性机器10。机器10可以为进行某种和产业例如采矿、建筑、农业、 运输或者任何其它本领域已知的产业相关的操作的作业机。例如，机器10可以为运土机 器，例如挖掘机、轮式装载机、锄耕机、或者任何本领域已知的合适运土机器。机器10可包 括平台12，平台旋转耦合至其上的底架14、电源16和耦合至平台12的作业机18。平台12可以为支持操作员站20 (操作员站20可以为操作员可控制机器10的位 置)的结构部件。平台12可经垂直枢轴19耦合至底架14。垂直枢轴19可使得平台12相 对于底架14围绕轴50旋转。换言之，垂直枢轴19可使得作业机18在基本上平行于机器 10下的工作面的平面上摆动或者旋转(轴50可基本上垂直于工作面)。在可选结构(未 示出)中，平台12和底架14可固定地耦合，并且垂直枢轴或者球型接合点可将作业机18 耦合至平台12。该可选结构的垂直枢轴或者球型接合点还可使得作业机18摆动或者旋转 (轴50现在位于垂直枢轴或者球型接合点上)。底架14可以为一个或多个牵引装置22的结构支架。牵引装置22可包括位于机 器10每侧上配置为使得机器10可经工作面平移运动的轨道。可选地，牵引装置22可包括 轮子、皮带或者本领域已知的其它牵引装置。任何牵引装置22都可驱动和/或可操控。认 为作业机18的摆动或者旋转还可通过沿第一方向致动一个牵引装置22同时沿与第一方向 总体相反的第二方向致动第二牵引设备22实现。电源16可为机器10的运行提供电力。电源16可具体化为内燃机，例如柴油机、 汽油机、气体燃料发动机(例如天然气发动机)、或者任何其它类型的本领域已知的内燃 机。电源16可选择地具体化为电力的非燃烧式源，例如燃料电池或者耦合至电动机的其它 电力储存设备。电源16可为致动牵引装置22提供旋转输出，从而驱动机器10。电源16还 可提供电力以相对于底架14旋转平台12。作业机18可包括一个或多个设计为完成特殊任务的链接部件24。具体地，链接部 件24可具体化为悬臂部件28、操纵杆部件30、和作业工具32。悬臂部件28的第一端可旋 转连接至平台12，而悬臂部件28的第二端可旋转连接至操纵杆部件30的第一端。作业工 具32可旋转连接至操纵杆部件30的第二端。认为作业工具32例如可具体化为铲斗、抓钩 器、抓斗、吊钩或者任何其它本领域已知的合适作业工具。每个链接部件24可包括一个或 多个致动器26并被其致动。认为链接部件24可在基本上与工作面正交的平面上旋转。如图2所示，每个致动器26可以为例如包括活塞组件36和管道38的液压缸。活 塞组件36可包括两个液压表面，一个表面与第一腔室相连，另一个表面与第二腔室相连。第一和/或第二腔室被选择性地供应加压流体并排出加压流体以在两个液压表面上产生 力的不平衡。力的不平衡可造成活塞组件36在管道38内轴向移动。还认为致动器26可 选择地具体为电动机、气动机、或者本领域已知的任何其它致动设备。液压系统40可提供加压流体以驱动每个致动器26。具体地，液压系统40可包括 泵(未示出)和多个控制阀(未示出)。泵(被电源16的旋转输出驱动)可对与多个控制 阀连通的液压流体加压。该多个控制阀可选择地经一条或者多条液压管路41向致动器26 的第一和/或第二腔室提供加压流体，从而使得活塞组件36轴向移动。认为液压系统40 可包括其它的或者不同的元件，例如蓄电池、止回阀、减压或者增压阀、压力补偿元件、限制 孔口、以及本领域已知的其它液压元件。还如图2所示，机器10可包括配置为计算或者评估作业机18所运送质量(或者 重量)的有效负载计算系统42。有效负载计算系统42可包括一个或多个状态传感器44、 方位传感器45、一个或多个力传感器46、和处理设备48。状态传感器44可以为位于链接部件24的一个或多个接合点附近的角度检测设备 (即作业工具32和操纵杆部件30之间的接合点、操纵杆部件30和悬臂部件28之间的接合 点，和悬臂部件28和平台12之间的接合点)。状态传感器44可包括旋转编码器、电位计、 或者其它角度或者位置检测设备(例如状态传感器44可位于线性致动器上并且可配置为 采用致动器位置确定接合角度)。状态传感器44的输出信号可用于确定作业机18的状态， 例如每个链接部件24的位置、速度、加速度、角度、角速度、或者角加速度。一个或多个状态 传感器44还可位于平台12和底架14之间的旋转接合点附近并且可配置为测量平台12相 对于底架14的角度、角速度、或者角加速度。力传感器46可配置为输出可用于确定致动器26和/或链接部件24所产生或者 经受的力的信号。例如，力传感器46可具体为设置并配置为测量致动器26的第一和/或 第二腔室中或者供应至其中的加压流体压力的压力传感器。认为可以使用测量的压力以及 致动器26和链接部件24的物理尺寸以确定链接部件24的接合点扭矩。还认为力传感器 46可可选择地具体为应变计、压电换能器、或者其它位于链接点、致动器接合点、或者其它 合适位置的力测量设备。方位传感器45可测量机器10的斜度和滚动。方位传感器可位于机器10上的任 何合适位置，例如操作员站20。方位传感器45可具体为一个或多个陀螺仪、加速度计、重力 倾斜仪、或者其任意组合。处理设备48可监视和/或更改机器10及其组件的性能。处理设备48可经一条 或多条通信线路43 (或者无线地)与状态传感器44、方位传感器45、和力传感器46通信。 认为处理设备48还可与电源16、操作员站20、液压系统40、和/或机器10的其它元件通信 (未示出)。处理设备48可具体为单个微处理器或者多个微处理器。多种市场购买的微处理 器可配置为执行处理设备48的功能，而且应当理解处理设备48可容易具体为能够监视和/ 或控制多种机器功能的通用机器微处理器。处理设备48可包括存储器、次存储设备、处理 器、和任何其它运行应用的元件。各种其它电路可以和处理设备48相关，例如电源电路、信 号调节电路、数据采集电路、信号输出电路、信号放大电路、和本领域已知的其它类型的电 路。处理设备48可包括一个或多个存储在处理设备48的内存储器中的地图。这些地图每张可包括表格、图形和/或方程形式的数据收集。处理设备48可包括动态模型、校准步骤 和评估步骤。动态模型可包括使得接合点扭矩T和其它可测量和/或可计算项相关的方程。T 可以为包括作业机18每个接合点例如Tb。、Tst和Twt处的接合点扭矩值的向量或者矩阵(参 见图3)。认为动态模型可包括本领域已知的任何合适模型(例如基于数学或者逻辑的关 系)。一个可接受的动态模型为
权利要求
一种和作业机(18)一起使用的有效负载计算系统(42)，包括状态传感器(44)，其被配置为测量作业机的状态；以及处理设备(48)，其被配置为计算由所述作业机移动的有效负载的质量，所述处理设备被配置为采用所测量的状态对质量的计算补偿由围绕垂直枢轴(19)旋转的所述作业机引起的所述作业机的离心力、惯性力和摩擦力。
2.根据权利要求1的有效负载计算系统，其中所述作业机还包括 至少一个链接部件(24)，其具有致动器(26)；以及力传感器(46)，其被配置为测量致动器处的力，其中所述处理设备与所述力传感器通 信，所述处理设备被配置为采用测量状态以及测量力计算有效负载的质量。
3.根据权利要求2的有效负载计算系统，其中所测量状态包括所述至少一个链接部件 的角度、角速度、或者角加速度中的至少一个。
4.根据权利要求3的有效负载计算系统，其中所述处理设备被配置为 采用测量的力确定接合点扭矩；确定由所述作业机的离心力和惯性力所产生的一个或多个力矩；以及 通过从接合点扭矩减去所述力矩而补偿质量的计算。
5.根据权利要求4的有效负载计算系统，其中所述处理设备被配置为更改根据所述至 少一个链接部件的角速度变化的力矩的值。
6.一种计算有效负载质量的方法，包括 致动作业机(18)以移动有效负载；测量所述作业机的状态；采用所测量的状态计算由所述作业机移动的有效负载的质量；以及 对质量的计算补偿由围绕基本垂直于工作面的轴旋转的作业机引起的所述作业机的 离心力、惯性力和摩擦力。
7.如权利要求6的方法，还包括确定在至少一个链接部件的接合点作用的扭矩，其中 计算质量包括采用所述测量的状态以及扭矩。
8.如权利要求7的方法，其中所述测量的状态包括所述至少一个链接部件的角度、角 速度、或者角加速度中的至少一个。
9.如权利要求8的方法，其中补偿包括从所述扭矩减去一个或多个力矩，该力矩由离 心力和惯性力产生。
10.一种机器(10)，包括: 底架(14)；耦合到所述底架的平台(12)； 耦合到所述平台的作业机(18)；电源(16)，其被配置为相对于所述底架旋转所述平台；以及 如权利要求1-5任一项所述的有效负载计算系统。
全文摘要
本发明涉及一种用于和作业机(18)一起使用的有效负载计算系统(42)。有效负载计算系统可具有配置为测量作业机状态的状态传感器(44)。有效负载计算系统还可具有配置为计算作业机所移动的有效负载质量的处理设备(48)。处理设备可配置为采用所测量的状态对质量的计算补偿由围绕垂直枢轴(19)旋转的作业机引起的作业机的离心力、惯性力和摩擦力。
文档编号G01G19/08GK101999069SQ200880118164
公开日2011年3月30日 申请日期2008年11月25日 优先权日2007年11月30日
发明者B·米恩塔, E·G·布兰特, J·K·贝里, K·D·金, R·J·普莱斯, V·加纳德汉, 户泽昌司 申请人:卡特彼勒公司