專利名稱：挖掘機的控制方法和控制裝置與挖掘機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工程機械領域，具體而言，涉及一種挖掘機的控制方法和控制裝置與挖掘機。
背景技術：
挖掘機執(zhí)行挖掘動作時，需要經(jīng)常完成復合運動，比如在許多工程現(xiàn)場都需要在回轉的同時提升動臂，現(xiàn)有技術中執(zhí)行這類的復合運動，一般是操作人員根據(jù)經(jīng)驗，實時觀察挖掘機的執(zhí)行機構動作情況，相應控制操作手柄，實現(xiàn)典型動作的協(xié)調性運動。比如，操作人員雙手分別操作回轉控制手柄和動臂控制手柄，利用控制手柄的操作幅度相應控制執(zhí)行動作的速度，以實現(xiàn)兩個動作的協(xié)調運行。操作人員依靠經(jīng)驗手工實現(xiàn)協(xié)調性運動，存在的主要問題包括操作員工作強度 大，疲勞程度高；操作員反應延長了工作循環(huán)時間，降低生產效率；需要經(jīng)常調整操作手柄，加大了故障點的產生幾率、動作執(zhí)行質量受到操作人員經(jīng)驗和工作狀態(tài)的影響大。針對現(xiàn)有技術中挖掘機需要依靠操作人員根據(jù)經(jīng)驗控制操作手柄導致操作人員的工作量大的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

發(fā)明內容
本發(fā)明旨在提供一種挖掘機的控制方法和控制裝置與挖掘機，以解決現(xiàn)有技術中挖掘機需要依靠操作人員根據(jù)經(jīng)驗控制操作手柄導致操作人員的工作量大的問題。為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種挖掘機的控制方法。該挖掘機的控制方法，包括實時測量挖掘機的回轉角度和動臂提升高度；按照預設的回轉角度與動臂提升高度的映射關系查詢得出測量得出的回轉角度對應的目標提升高度；根據(jù)測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量。進一步地，根據(jù)測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量包括計算測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值ΛΗ;根據(jù)差值△ H使用閉環(huán)反饋調節(jié)回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量。進一步地，根據(jù)差值Λ H使用閉環(huán)反饋調節(jié)回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量包括根據(jù)差值ΛΗ使用閉環(huán)反饋調節(jié)液壓比例換向閥的控制電流，該液壓比例換向閥用于控制回轉馬達和動臂油缸的液壓流量。進一步地，根據(jù)差值Λ H使用閉環(huán)反饋調節(jié)回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量包括當差值ΛΗ > 0，保持回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量不變；當差值ΛΗ〈0，控制回轉馬達的液壓流量減小，并控制動臂液壓缸的液壓流量增大。進一步地，在實時測量挖掘機的回轉角度和動臂提升高度之前還包括根據(jù)挖掘機的工況選擇符合工況要求的預設回轉角度與動臂提升高度的映射關系。進一步地，實時測量挖掘機動臂提升高度包括實時測量動臂與車架之間的夾角α ;按照H=L*sin α計算得出動臂的提升高度，在式中，H為動臂的提升高度，L為動臂的長度。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種挖掘機的控制裝置。該挖掘機的控制裝置包括測量模塊，用于實時測量挖掘機的回轉角度和動臂提升高度；計算模塊，用于按照預設的回轉角度與動臂提升高度的映射關系查詢得出測量得出的回轉角度對應的目標提升高度，并計算測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值；流量控制模塊，用于根據(jù)測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量。進一步地，上述挖掘機的控制裝置還包括存儲模塊，用于存儲預設的多種回轉角度與動臂提升高度的映射關系；選擇模塊，用于根據(jù)挖掘機的工況從多種回轉角度與動臂提升高度的映射關系中選擇挖掘機的符合工況要求的回轉角度與動臂提升高度的映射關系O
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種挖掘機。該挖掘機中包括上述任一種挖掘機的控制裝置。進一步地，該挖掘機的動臂上設置有角度傳感器，用于測量動臂與車架之間的夾角α，測量模塊還用于按照H=L*sina計算得出動臂的提升高度，在式中，H為動臂的提升高度，L為動臂的長度。應用本發(fā)明的技術方案，根據(jù)回轉角度和動臂提升高度的測量值，對比預設的回轉角度與動臂提升高度的映射關系，相應控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量，使回轉的速度與動臂動作的速度匹配，實現(xiàn)回轉和動臂提升的協(xié)調運動，動作過程中不需要操作人員的實時操控，只需要按照實際工況選擇合適的映射關系，就可以實現(xiàn)動作的自動操作，降低了操作人員勞動強度，高效而且節(jié)能。


構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中圖I是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的控制裝置的示意圖；圖2A是根據(jù)本發(fā)明實施例的回轉平臺的轉速曲線；圖2B是根據(jù)本發(fā)明實施例的動臂提升高度的目標曲線；圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的控制裝置的控制框圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的控制裝置的電流控制信號與轉速的對應關系圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機動臂提升的示意圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機動臂提升的測量曲線與目標曲線的對比圖；圖7A為根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的動力系統(tǒng)與回轉液壓系統(tǒng)示意圖；圖7B為根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的動力系統(tǒng)與動臂液壓系統(tǒng)示意圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的動作執(zhí)行流程的示意圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的控制方法的示意圖。
具體實施例方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發(fā)明。本發(fā)明實施例提供了一種挖掘機的控制裝置，圖I是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的控制裝置的示意圖，如圖I所示，該挖掘機的控制裝置包括測量模塊11，用于實時測量挖掘機的回轉角度和動臂提升高度；計算模塊13，用于按照預設的回轉角度與動臂提升高度的映射關系查詢得出測量得出的回轉角度對應的目標提升高度；流量控制模塊15，用于根據(jù)測量得到的動臂提升高度與查詢得出的目標提升高度的差值控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量。本發(fā)明實施例的挖掘機的控制裝置，根據(jù)回轉角度和動臂提升高度的測量值，對比預設的回轉角度與動臂提升高度的映射關系，相應控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量，使回轉的速度與動臂動作的速度匹配，實現(xiàn)回轉和動臂提升的協(xié)調運動，動作過程中不 需要操作人員的實時操控，只需要按照實際工況選擇合適的映射關系，就可以實現(xiàn)動作的自動操作，降低了操作人員勞動強度，高效而且節(jié)能。測量模塊11可以利用安裝在回轉平臺上的編碼器直接測量得到挖掘機的回轉角度。而動臂提升高度的測量可以使用多種方式，比如在動臂上設置測距裝置等。在本實施例中，挖掘機的控制裝置可以利用安裝在動臂上的角度傳感器來測量動臂與車架之間的夾角α，然后按照H=L*sina的公式計算得出動臂的提升高度，在式中，H即為動臂的提升高度，L為動臂的長度。利用這種方式測量動臂提升高度，只需要在挖掘機動臂上設置一個角度傳感器就可以簡單的得出動臂提升高度。在不同的工作環(huán)境下，回轉與動臂協(xié)調動作的要求是不一致的，也就是挖掘機的協(xié)調動作需要滿足不同工況的要求，在挖掘機的設計階段，可以模擬不同工況預先設置多個映射關系。從而，本實施例的挖掘機的控制裝置還可以包括存儲模塊和選擇模塊，其中，存儲模塊用于存儲預設的多種回轉角度與動臂提升高度的映射關系；選擇模塊，用于根據(jù)挖掘機的工況從上述多種回轉角度與動臂提升高度的映射關系中選擇符合該工況的回轉角度與動臂提升高度的映射關系。這樣操作人員可以按照工況直接選擇事先依據(jù)測量得出的不同回轉角度與動臂提升高度的映射關系，得到計算模塊13中使用的預設的回轉角度與動臂提升高度的映射關系。回轉角度與動臂提升高度的映射關系的得出過程可以具體為根據(jù)液壓系統(tǒng)的特性和回轉要求，模擬現(xiàn)場的回轉與提升協(xié)調動作情況，根據(jù)已知的回轉平臺的轉速曲線，亦即回轉角度相對于時間的曲線Θ (t)，根據(jù)動臂與回轉的協(xié)調性運動需求，在不同的工作條件下，要求在某一時刻h，當回轉到某一角度θ (t0)時，要求動臂提升離地高度Hatl)應不小于某一值HJtci)，根據(jù)這一關系，即可得出利用幾個點即可以擬合出動臂提升離地高度的目標曲線艮(0。圖2A是根據(jù)本發(fā)明實施例的回轉平臺的轉速曲線；圖2B是根據(jù)本發(fā)明實施例的動臂提升高度的目標曲線。在圖2A中，第一縱坐標軸ns代表回轉速度，曲線22是回轉速度曲線，表示了回轉從啟動至穩(wěn)定速度后逐漸停止的過程，其中η。就是回轉的穩(wěn)定速度；第二縱坐標軸Θ為回轉角度，曲線21為回轉的角度。圖2Β是與回轉速度曲線對應的動臂提升高度曲線，在挖掘機回轉過程中，動臂協(xié)調提升，在回轉結束時對應提升到一定高度。挖掘機在設計測試時，可以模擬不同的施工環(huán)境，預先設置多條回轉曲線和動臂提升曲線的映射關系。在實際施工時，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境進行選擇使用具體的映射關系。流量控制模塊15進行流量控制的具體步驟可以包括計算測量得到的動臂提升高度H(t)與目標提升高度H* (t)的差值Λ H，也就是AH=H(t)-H*(t);根據(jù)該差值ΛΗ使用閉環(huán)反饋調節(jié)回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量，閉環(huán)反饋可以使用常見的閉環(huán)反饋控制算法，例如PID (Proportional Integral and Derivative,比例、積分、微分)控制算法。圖3是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的控制裝置的控制框圖，PID反饋控制器根據(jù)提升高度差值△ H相應發(fā)出控制動臂液壓控制信號和回轉液壓控制信號。以上動臂提升高度H和目標提升高度H*是與時間相關的變量，因此，使用H(t)和艮(0進行表示。挖掘機的回轉液壓系統(tǒng)和動臂液壓系統(tǒng)均可以使用電磁比例進行控制，此時反饋控制器可以改變液壓比例換向閥的控制電流來控制回轉速度和動臂提升速度。具體地，流量控制模塊15可以使用閉環(huán)反饋調節(jié)液壓比例換向閥的控制電流，該液壓比例換向閥用于控制回轉馬達和動臂油缸的液壓流量，當差值AHS 0，保持回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量不變，此時保持原來的狀態(tài)即可以實現(xiàn)協(xié)調性運動；當差值△ ()，控制回轉馬達的液壓流量減小，并控制動臂液壓缸的液壓流量增大，具體的減小和增大幅度可以根據(jù)差值 ΛΗ的大小確定?？梢詫⒎答伩刂破骺刂苹剞D與動臂的主比例閥的控制電流比值定義為R，即R=Is/Ib，其中13為回轉主比例閥的控制電流，Ib為動臂主比例閥的控制電流。以上控制過程也就是因為當AH(t) ^ O時，R保持不變，此時控制器不起作用，保持原來的狀態(tài)即可實現(xiàn)協(xié)調性運動；當Λ H(t) < O時，R減小，控制Is減小Ib增大。圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的控制裝置的電流控制信號與轉速的對應關系圖，由圖所示，由圖4可知，根據(jù)電流控制信號I (t)，可得出液壓系統(tǒng)的流量曲線Q(t)，進而得出回轉馬達的轉速曲線nsp(t)，根據(jù)變速箱的減速比，即可得到回轉平臺的轉速曲線ns(t)，從而回轉速度即可得到控制。本發(fā)明實施例還提供了一種挖掘機，包括本發(fā)明實施例上述內容所提供的任一種挖掘機的控制裝置。該挖掘機動臂長度為L，在動臂上設置有角度傳感器，用于測量動臂與車架之間的夾角α，測量模塊11還用于按照H=L*sina計算得出動臂的提升高度，在式中，H為動臂的提升高度，L為動臂的長度。圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機動臂提升的示意圖，如圖所示，動臂提升離地高度H=L*sin(a)，其中，α為角度傳感器實時測量值，從而根據(jù)角度傳感器實時測量α即得到一條H(t)曲線。圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機動臂提升的測量曲線與目標曲線的對比圖。在圖中，曲線62表示目標曲線，曲線61表示實際提升的高度高于目標值，曲線63表示實際提升的高度低于目標值。圖7A為根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的動力系統(tǒng)與回轉液壓系統(tǒng)不意圖，圖7B為根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的動力系統(tǒng)與動臂液壓系統(tǒng)示意圖，在圖中，發(fā)動機71通過變速箱72帶動多個液壓泵73、74、75、76工作，其中，多個液壓泵包括有回轉液壓泵73和動臂液壓泵74。圖7B示出了動臂液壓泵74連接由電控主閥781，通過該電控主閥781在比例電磁閥782的控制下，調節(jié)動臂油缸783的流向和流量，從而改變動臂提升的速度和方向。反饋控制器79通過角度傳感器實時測量的動臂與平臺之間的夾角計算動臂的提升高度，從而相應地獲取比例電磁閥782。圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的動作執(zhí)行流程的示意圖。如圖所示，本挖掘機的動作執(zhí)行流程為反饋控制器獲取經(jīng)過A/D轉換后的動臂角度傳感器測量的動臂與車架的夾角，計算為動臂提升高度H(t)與目標提升高度H*(t)的差值△ H，相應控制控制回轉與動臂的主比例閥的控制電流比值R，經(jīng)過D/Α轉換后由執(zhí)行模塊控制液壓系統(tǒng)?；剞D和動臂的液壓系統(tǒng)的液壓比例換向閥在反饋控制器輸出的控制信號下，改變動臂液壓缸和回轉馬達的速度，從而控制動臂提升和回轉運動。本發(fā)明實施例的挖掘機通過控制回轉與動臂的電流控制信號，經(jīng)過液壓系統(tǒng)中的數(shù)值關系，控制回轉平臺的回轉速度，使動臂提升的離地高度始終與由回轉速度得出的目標曲線扎(0保持一致。在這一過程中，由于回轉馬達和液壓泵的流量Q實時變化，功率P=P*Q (壓力P可通過壓力傳感器測量得出)也實時變化，根據(jù)系統(tǒng)的需求供能，高效而且節(jié)能。本發(fā)明實施例還提供了一種挖掘機的控制方法，該挖掘機的控制方法可以通過本發(fā)明上述實施例所提供的任一種挖掘機的控制裝置來執(zhí)行，并且，該挖掘機的控制方法可以應用于包括以上控制裝置的挖掘機，圖9是根據(jù)本發(fā)明實施例的挖掘機的控制方法的示意圖，如圖所示，該挖掘機的控制方法包括步驟S91，實時測量挖掘機的回轉角度和動臂提升高度；·步驟S93，按照預設的回轉角度與動臂提升高度的映射關系查詢得出測量得出的回轉角度對應的目標提升聞度；步驟S95，根據(jù)測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量。優(yōu)選地，步驟S95可以包括計算測量得到的動臂提升高度與目標提升高度的差值Λ H;根據(jù)差值△ H使用閉環(huán)反饋調節(jié)回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量。其中，根據(jù)差值ΛΗ使用閉環(huán)反饋調節(jié)回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量具體可以包括根據(jù)差值ΛΗ使用閉環(huán)反饋調節(jié)液壓比例換向閥的控制電流，該液壓比例換向閥用于控制回轉馬達和動臂油缸的液壓流量。其中一種方式為當差值ΛΗ3 0，保持回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量不變；當差值△ ()，控制回轉馬達的液壓流量減小，并控制動臂液壓缸的液壓流量增大。步驟S91之前還可以包括根據(jù)挖掘機的工況選擇符合該工況要求的回轉角度與動臂提升聞度的映射關系。步驟S91可以利用動臂與車架之間的夾角計算得出，從而步驟S91包括實時測量動臂與車架之間的夾角α ;按照H=L*sina計算得出動臂的提升高度，在式中，H為動臂的提升高度，L為動臂的長度。應用本發(fā)明的技術方案，根據(jù)回轉角度和動臂提升高度的測量值，對比預設的回轉角度與動臂提升高度的映射關系，相應控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量，使回轉的速度與動臂動作的速度匹配，實現(xiàn)回轉和動臂提升的協(xié)調運動，動作過程中不需要操作人員的實時操控，只需要按照實際工況選擇合適的映射關系，就可以實現(xiàn)動作的自動操作，降低了操作人員勞動強度，高效而且節(jié)能。顯然，本領域的技術人員應該明白，上述的本發(fā)明的各模塊或各步驟可以用通用的計算裝置來實現(xiàn)，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網(wǎng)絡上，可選地，它們可以用計算裝置可執(zhí)行的程序代碼來實現(xiàn)，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執(zhí)行，或者將它們分別制作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟制作成單個集成電路模塊來實現(xiàn)。這樣，本發(fā)明不限制于任何特定的硬件和軟件結合。以上所述僅為本發(fā)明的 優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種挖掘機的控制方法，其特征在于，包括 實時測量挖掘機的回轉角度和動臂提升高度； 按照預設的回轉角度與動臂提升高度的映射關系查詢得出測量得出的回轉角度對應的目標提升聞度； 根據(jù)測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量。
2.根據(jù)權利要求I所述的挖掘機的控制方法，其特征在于，根據(jù)測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量包括 計算測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值ΛΗ ; 根據(jù)所述差值△ H使用閉環(huán)反饋調節(jié)所述回轉馬達和所述動臂液壓缸的液壓流量。
3.根據(jù)權利要求2所述的挖掘機的控制方法，其特征在于，根據(jù)所述差值ΛΗ使用閉環(huán)反饋調節(jié)所述回轉馬達和所述動臂液壓缸的液壓流量包括 根據(jù)所述差值△ H使用閉環(huán)反饋調節(jié)液壓比例換向閥的控制電流，該液壓比例換向閥用于控制回轉馬達和動臂油缸的液壓流量。
4.根據(jù)權利要求2所述的挖掘機的控制方法，其特征在于，根據(jù)所述差值ΛΗ使用閉環(huán)反饋調節(jié)所述回轉馬達和所述動臂液壓缸的液壓流量包括 當所述差值AHS O，保持所述回轉馬達和所述動臂液壓缸的液壓流量不變； 當所述差值△ ()，控制所述回轉馬達的液壓流量減小，并控制所述動臂液壓缸的液壓流量增大。
5.根據(jù)權利要求I所述的挖掘機的控制方法，其特征在于，在實時測量挖掘機的回轉角度和動臂提升高度之前還包括 根據(jù)所述挖掘機的工況選擇符合所述工況要求的預設回轉角度與動臂提升高度的映身寸關系。
6.根據(jù)權利要求I所述的挖掘機的控制方法，其特征在于，實時測量挖掘機動臂提升高度包括 實時測量所述動臂與車架之間的夾角α ; 按照H=L*sin α計算得出所述動臂的提升高度，在式中，H為所述動臂的提升高度，L為所述動臂的長度。
7.一種挖掘機的控制裝置，其特征在于，包括 測量模塊，用于實時測量挖掘機的回轉角度和動臂提升高度； 計算模塊，用于按照預設的回轉角度與動臂提升高度的映射關系查詢得出測量得出的回轉角度對應的目標提升高度，并計算所述測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值； 流量控制模塊，用于根據(jù)測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量。
8.根據(jù)權利要求7所述的挖掘機的控制裝置，其特征在于，還包括 存儲模塊，用于存儲預設的多種回轉角度與動臂提升高度的映射關系； 選擇模塊，用于根據(jù)所述挖掘機的工況從所述多種回轉角度與動臂提升高度的映射關系中選擇所述挖掘機的符合所述工況要求的回轉角度與動臂提升高度的映射關系。
9.一種挖掘機，其特征在于，包括如權利要求7或8所述的挖掘機的控制裝置。
10.根據(jù)權利要求9所述的挖掘機，其特征在于，該挖掘機的動臂上設置有角度傳感器，用于測量所述動臂與車架之間的夾角α，所述測量模塊還用于按照H=L*sina計算得出所述動臂的提升高度，在式中，H為所述動臂的提升高度，L為所述動臂的長度。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種挖掘機的控制方法和控制裝置與挖掘機。該挖掘機的控制方法包括實時測量挖掘機的回轉角度和動臂提升高度；按照預設的回轉角度與動臂提升高度的映射關系查詢得出測量得出的回轉角度對應的目標提升高度；根據(jù)測量得到的動臂提升高度與查詢得到的目標提升高度的差值控制回轉馬達和動臂液壓缸的液壓流量。從而使回轉的速度與動臂動作的速度匹配，實現(xiàn)回轉和動臂提升的協(xié)調運動，動作過程中不需要操作人員的實時操控，只需要按照實際工況選擇合適的映射關系，就可以實現(xiàn)動作的自動操作，降低了操作人員勞動強度，高效而且節(jié)能。
文檔編號E02F3/42GK102912816SQ20121046991
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權日2012年11月19日
發(fā)明者單曉寧, 楊超, 趙晗, 陳冠軍, 尚景山 申請人:中聯(lián)重科股份有限公司渭南分公司, 中聯(lián)重科股份有限公司