一种挖掘机铲斗随动控制系统及方法与流程

本发明涉及一种随动控制系统及方法，尤其涉及一种挖掘机铲斗随动控制系统及方法。

背景技术：

挖掘机是用铲斗挖掘土壤、煤、泥沙等物料，并把物料转运到堆料场、运输车辆等的土方机械。铲斗是挖掘机挖掘物料、承运物料的关键装置，现有技术在挖掘好物料后，依靠挖掘机司机依靠观察和操作经验，通过操纵手柄控制铲斗油缸、斗杆油缸等工作装置，调平铲斗，使物料转运过程中不易洒落。

但是现有技术方案存在两点不足：一、在铲斗挖掘起物料后挖掘机行驶前，通过操纵手柄控制铲斗油缸、斗杆油缸等工作装置，调平铲斗，由于挖掘机司机经验不同、观察视觉误差等，铲斗调平差异性大，操纵过程复杂；二、在铲斗挖掘起物料后挖掘机行驶过程中，铲斗会因挖掘机行驶路面不平产生倾斜，造成物料洒落。综上，现有技术对挖掘机司机技能要求高，操作复杂，物料洒落严重，制约挖掘机的使用效率。

技术实现要素：

发明目的：本发明目的是提供一种挖掘机铲斗随动控制系统及方法，在挖掘机转运物料行驶时，根据铲斗倾角控制铲斗自动调平，减小依靠经验调平造成的滞后性、调平偏差，降低物料洒落，提升作业效率。

技术方案：本发明包括设置在挖掘机上的动臂油缸和斗杆油缸，所述的动臂油缸与动臂连接，动臂端部连接有斗杆，所述的斗杆顶部与斗杆油缸连接，底部连接有铲斗，斗杆一侧安装有铲斗油缸，所述的挖掘机上设有车载控制器和液压阀组，挖掘机的司机室内设有操纵手柄，挖掘机的行驶传动链上安装有车速传感器，所述的铲斗上连接有倾角传感器，所述的倾角传感器、车速传感器及操作手柄均与车载控制器连接；所述的液压阀组与动臂油缸、斗杆油缸和铲斗油缸连接。

所述的操纵手柄包括左操纵手柄和右操纵手柄，所述的操纵手柄采用电比例手柄。

所述的倾角传感器为单轴传感器。

所述的车速传感器安装在行驶驱动马达的输出端。

所述的液压阀组包括多个电磁阀，所述的电磁阀采用电液比例控制阀、开关电磁阀或电液伺服阀。

一种挖掘机铲斗随动控制方法，包括以下步骤：

(1)车载控制器读取铲斗实时倾角值、当前车速、其他能够反映挖掘机的运动姿态变量和操纵参数；

(2)启动铲斗随动工作模式；

(3)挖掘机在行驶状态下，根据当前铲斗倾角判定是否需要进行铲斗自动调平；

(4)通过控制第一执行机构或/和第二执行机构进行铲斗调平。

所述步骤(3)中判定是否启动自动调平的方法为，挖掘机在行驶状态下，通过当前铲斗倾角α1与铲斗调平误差阈值的设定值δα比较：

1)如果|α1|＞δα，则铲斗需要自动调平；

2)如果|α1|≤δα，则铲斗已经调平，无需再次调平。

所述步骤(4)中铲斗自动调平包括以下步骤：

1)根据铲斗倾角，判定铲斗自动调平的运动方向及达到小于等于δα需要调整的角度；

2)本次调平实施后铲斗倾角α2与自动调整前倾角值α1比较，如果|α1|＞|α2|，控制第一执行机构调平铲斗有效，进行调平，直到铲斗倾角小于等于设定值δα或挖掘机停止行驶；

3)如果|α1|≤|α2|，控制第一执行机构调平铲斗无效，启动第二执行机构进行铲斗的调平，直到铲斗倾角小于等于设定值δα或挖掘机停止行驶。

所述步骤(4)中的第一执行机构为铲斗油缸，第二执行机构为斗杆油缸。

有益效果：

(1)本发明能够根据倾角传感器测量铲斗的倾角并控制铲斗自动调平，挖掘机行驶时无需关注铲斗是否调平及铲斗调平操作，避免了挖掘机司机人为观察带来的视觉偏差及人工经验调平的调平偏差，降低劳动强度，提高挖掘机的物料搬运效率；

(2)无论挖掘机行驶在起伏地面还是在操纵动臂时，系统控制铲斗始终随动、自动调平，无需挖掘机分散注意力，边操纵行驶系统边操纵铲斗调平，减少物料洒落，对挖掘机司机技能要求低，操作简单，适用性广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括设置在挖掘机上的动臂油缸3和斗杆油缸6，其中动臂油缸3与动臂4连接，动臂4端部连接有斗杆7，斗杆7顶部与斗杆油缸6连接，底部连接有铲斗10，斗杆7一侧安装有铲斗油缸8。挖掘机上设有车载控制器5和液压阀组12，挖掘机的司机室内设有操纵手柄，包括左操纵手柄1和右操纵手柄2，挖掘机的行驶传动链上安装有车速传感器11，铲斗10上连接有倾角传感器9，其中，倾角传感器9、车速传感器11及操作手柄均与车载控制器5连接；液压阀组12与动臂油缸3、斗杆油缸6和铲斗油缸8连接。

设置在挖掘机司机室内的左操纵手柄1和右操纵手柄2，结合车载控制器5通过倾角传感器9、车速传感器11等信号的分析，控制液压阀组12，继而控制挖掘机行驶和作业。动臂油缸3的伸缩能够实现动臂4的起升或降落，继而改变斗杆7和铲斗10的空间位置。通过控制斗杆油缸6的伸缩能够控制斗杆7的倾角，继而改变铲斗10的空间位置和倾角。铲斗油缸8的伸缩能够改变铲斗10的倾角、挖掘力。

其中，左操纵手柄1和右操纵手柄2为电比例手柄，使用机械操控手柄、液控操纵手柄，也能达到相似的控制效果。每个手柄双轴(x轴、y轴)输出(输出信号为0.5∽4.5vdc)控制挖掘机的两个动作，不仅可以通过操纵手柄的倾角改变挖掘机的工作速度，还可以操纵一个手柄同时完成一个单独动作或两个动作。

车载控制器5为可编程控制器(plc)，通过其计数器输入端口(pi)读取车速传感器11的信号，通过其模拟量信号输入端口(ai)读取倾角传感器9的信号，通过其模拟量信号输入端口(ai)读取左操纵手柄1和右操纵手柄2为电比例输入信号。车载控制器5能够通过其脉宽调制信号(pwm)控制液压阀组12，继而改变铲斗10、斗杆7等工作装置的运动速度和方向。

因挖掘机铲斗左右方向没有液压或电气机构能够调平，本实施例倾角传感器9为单轴传感器，测量铲斗的前后倾角，传感器量程0∽180°，输出为4∽20ma电流型信号。考虑挖掘机铲斗10的恶劣工作条件，倾角传感器9具有防尘、防水、防撞击的物理保护结构。倾角传感器9在挖掘机产品出厂前，或者在挖掘机使用过程中，或者更换传感器后，都需要标定。标定的方法可以借助挖掘机上的液晶显示屏，也可以借助笔记本电脑等工具软件。

车速传感器11安装在挖掘机行驶系统的传动链上，用于检测挖掘机的行驶速度。本实施例中，车速传感器11安装在行驶驱动马达的输出端，通过检测马达输出轴转速，计算出当前车速。

液压阀组12包括控制挖掘机行驶和作业的主要电磁阀，包括铲斗油缸伸缩电磁阀、斗杆油缸伸缩电磁阀、动臂油缸伸缩电磁阀、回转电磁阀、行驶马达电磁阀，这些电磁阀均为电液比例控制阀，不仅能够控制运动的方向，还能够控制运动的速度。液压阀组12采用电液比例控制阀以外，采用开关电磁阀、电液伺服阀，或者开关电磁阀与液压阀组合，也能达到同样的控制效果。

如图2所示，本发明实施例的挖掘机铲斗随动控制方法的程序主流程图，该流程主要在车载控制器5中完成，主要包括以下步骤：

(1)车载控制器读取挖掘机姿态变量和操纵需求(步骤s502)：根据车速传感器11计算挖掘机是否行驶以及当前实际车速；根据倾角传感器9读取铲斗的倾角；根据左操纵手柄1和右操纵手柄2的输出，判定挖掘机司机希望挖掘机执行的操作。

其中，倾角传感器9测量的铲斗倾角值，在挖掘机行驶过程中会随行驶地面的凸凹不平、操纵挖掘机的机构等产生改变。本实施例中，无论挖掘机处于何种状态，都能够测量出铲斗的倾角，并进行自动调平。

(2)判定挖掘机司机是否希望铲斗随动使能(步骤s503)：如果挖掘机司机不希望行驶过程中铲斗随动，程序结束；如果挖掘机司机希望行驶过程中铲斗随动，执行下一步操作。挖掘机司机操作铲斗随动使能，可以通过挖掘机上的显示器进行设置，也可以通过挖掘机司机室内的开关设置，本实施例是通过挖掘机显示屏进行设置的，并且能够记忆司机的操作，下次启动默认为上次操作时司机的选择。

(3)判定挖掘机是否行驶(步骤s504)。本实施例中根据车速传感器11的计数值及传递比，计算出当前实际车速。考虑到挖掘机在原地挖掘可能会慢速移动，不作为挖掘机行驶工况，本实施例中车速大于0.5km/h时，判定为挖掘机行驶，执行步骤s505；如果车速不大于0.5km/h，判定为挖掘机原地作业，程序结束。

(4)判定当前铲斗倾角是否需要随动调整(步骤s505)。当前铲斗倾角α1与设定调平目标值δα进行比较：

1)如果|α1|＞δα，铲斗倾角大，需要进一步调整，执行步骤s506；

2)如果|α1|≤δα，铲斗倾角小，不需要进一步调整，程序结束。

另外，由于挖掘机在挖掘等作业时，铲斗倾角会随挖掘机工作产生振动，本实施例中为放置反复无效调整，δα设为0.5°。

(5)自动控制第一执行机构调平铲斗倾角(步骤s506)。车载控制器5根据铲斗10的倾角大小和方向，控制第一执行机构的工作方向和速度，继而控制铲斗10向减小倾角的方向运动，其中，第一执行机构为铲斗油缸8。

(6)判断通过铲斗油缸伸缩调平铲斗的操作是否有效(步骤s507)。车载控制器5把当前铲斗倾角α2与调整前值进行α1比较：

1)如果|α1|＞|α2|，说明通过铲斗油缸8伸缩调平铲斗10的操作有效，能够减小铲斗10的倾角，循环执行步骤s502；

2)如果|α1|≤|α2|，说明可能由于结构限位、机构行程等原因，造成通过铲斗油缸8伸缩调平铲斗10的操作无效，不能减小铲斗10的倾角，需要借助铲斗油缸8以外的装置进行铲斗调平，转步骤s508。

(7)控制第二执行机构调平铲斗(步骤s508)。车载控制器5根据铲斗10的倾角大小和方向，控制第二执行机构的工作方向和速度，继而控制铲斗10向减小倾角的方向运动，本实施例中的第二执行机构为斗杆油缸6。

(8)控制程序进行循环控制，跳至步骤s502，直至铲斗倾角小于等于δα。

另外，挖掘机在使用铲斗随动自动控制挖掘机进行施工的过程中，如果中途取消该工作模式，或者挖掘机从运动转变为停止，或者铲斗倾角小于等于δα，铲斗随动调平将终止，直至从步骤s502开始的条件都满足为止。本发明在挖掘机转运物料行驶时，根据铲斗倾角控制铲斗随动调平，减小依靠经验调平造成的滞后性、调平偏差，降低物料洒落，提升作业效率。

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