專利名稱：補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)力的有效負(fù)載系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及一種有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)，更特別是，涉及一種由圍繞垂直樞軸旋 轉(zhuǎn)的作業(yè)機(jī)引起的作業(yè)機(jī)的離心力、慣性力和摩擦力的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
各種類型的機(jī)器可采用作業(yè)機(jī)從工地轉(zhuǎn)移材料并將該材料裝載至運(yùn)輸車輛(例 如卡車和有軌車)上。這些機(jī)器包括挖掘機(jī)、輪式裝載機(jī)、鋤耕機(jī)、和其它運(yùn)送材料的機(jī)器。 通過(guò)機(jī)器裝載的運(yùn)輸車輛可具有由制造商的最大負(fù)載定額值和/或其它因素例如高速公 路車輛的重量限制所決定的特定負(fù)載容量。為促使最大程度地利用運(yùn)輸車輛，期望盡可能 接近其負(fù)載容量地裝載每輛運(yùn)輸車輛。但是超載運(yùn)輸車輛具有負(fù)面后果。特別是，在運(yùn)輸 車輛上放置過(guò)多重量將大大提高運(yùn)輸車輛的維護(hù)成本或者如果在運(yùn)輸之前去除超出的材 料則造成昂貴的延遲。為監(jiān)控放置在每輛運(yùn)輸車輛上的材料重量，機(jī)器制造商開(kāi)發(fā)了有效負(fù)載計(jì)算系 統(tǒng)。有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)可確定作業(yè)機(jī)當(dāng)前運(yùn)載的材料重量(例如挖掘機(jī)鏟斗中的材料重 量)、以及在特定循環(huán)或者時(shí)間段期間裝載至運(yùn)輸車輛上的材料的總重量。為改進(jìn)生產(chǎn)率， 有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)可在機(jī)器和/或作業(yè)機(jī)運(yùn)動(dòng)中確定機(jī)器和/或作業(yè)機(jī)運(yùn)載的材料重量 (而非進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算)。在 Tafazoli 等人 的"Identification of Inertial and Friction Parametersfor Excavator Arms”中公開(kāi)了一種確定作業(yè)機(jī)運(yùn)載質(zhì)量的方法，(該出版物) 發(fā)表于1999年10月。Tafazoli出版物公開(kāi)了一種具有儀表和計(jì)算機(jī)控制的微型挖掘機(jī)。 計(jì)算機(jī)控制器包括微型挖掘機(jī)的硬鏈接操縱器的動(dòng)態(tài)模型。該模型預(yù)測(cè)微型挖掘機(jī)在靜態(tài) 和動(dòng)態(tài)狀況下的共同扭矩并計(jì)算動(dòng)態(tài)狀況下的庫(kù)侖和粘滯摩擦。Tafazoli出版物的結(jié)果連 同開(kāi)發(fā)的算法可用于動(dòng)態(tài)有效負(fù)載監(jiān)控。盡管Tafazoli出版物的微型挖掘機(jī)可計(jì)算動(dòng)態(tài)狀況下的庫(kù)侖和粘滯摩擦，但其 仍然不是最佳的。具體地，Tafazoli出版物模型可能不能計(jì)算某些旋轉(zhuǎn)力(即由操縱器圍 繞基本上垂直于微型挖掘機(jī)下表面的軸的旋轉(zhuǎn)所引起的離心力和慣性力)。忽略這些旋轉(zhuǎn) 力可為有效負(fù)載質(zhì)量的計(jì)算帶來(lái)誤差。所公開(kāi)的機(jī)器系統(tǒng)旨在克服上面列出的一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
—方面，本發(fā)明涉及一種和作業(yè)機(jī)一起使用的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)。有效負(fù)載計(jì)算 系統(tǒng)可具有配置為測(cè)量作業(yè)機(jī)狀態(tài)的狀態(tài)傳感器。有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)還可具有配置為計(jì)算 作業(yè)機(jī)所移動(dòng)的有效負(fù)載質(zhì)量的處理設(shè)備。處理設(shè)備可配置為采用所測(cè)量的狀態(tài)對(duì)質(zhì)量的 計(jì)算補(bǔ)償由圍繞垂直樞軸旋轉(zhuǎn)的作業(yè)機(jī)引起的作業(yè)機(jī)的離心力、慣性力和摩擦力。另一方面，本發(fā)明涉及一種計(jì)算有效負(fù)載的方法。該方法包括致動(dòng)作業(yè)機(jī)以移動(dòng) 有效負(fù)載。該方法還可包括測(cè)量作業(yè)機(jī)的狀態(tài)。該方法還可包括采用測(cè)量的狀態(tài)計(jì)算作業(yè)機(jī)所運(yùn)送的有效負(fù)載質(zhì)量以及對(duì)質(zhì)量的計(jì)算補(bǔ)償由圍繞基本垂直于工作面的軸旋轉(zhuǎn)的作 業(yè)機(jī)引起的作業(yè)機(jī)的離心力、慣性力和摩擦力。


圖1圖示了示例性公開(kāi)的機(jī)器；圖2圖示了可以和圖1的機(jī)器一起使用的示例性公開(kāi)的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)；圖3圖示了示例性公開(kāi)的作業(yè)機(jī)；以及圖4為描述在圖2中所示出的有效負(fù)載系統(tǒng)示例性運(yùn)行的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出了示例性機(jī)器10。機(jī)器10可以為進(jìn)行某種和產(chǎn)業(yè)例如采礦、建筑、農(nóng)業(yè)、 運(yùn)輸或者任何其它本領(lǐng)域已知的產(chǎn)業(yè)相關(guān)的操作的作業(yè)機(jī)。例如，機(jī)器10可以為運(yùn)土機(jī) 器，例如挖掘機(jī)、輪式裝載機(jī)、鋤耕機(jī)、或者任何本領(lǐng)域已知的合適運(yùn)土機(jī)器。機(jī)器10可包 括平臺(tái)12，平臺(tái)旋轉(zhuǎn)耦合至其上的底架14、電源16和耦合至平臺(tái)12的作業(yè)機(jī)18。平臺(tái)12可以為支持操作員站20 (操作員站20可以為操作員可控制機(jī)器10的位 置)的結(jié)構(gòu)部件。平臺(tái)12可經(jīng)垂直樞軸19耦合至底架14。垂直樞軸19可使得平臺(tái)12相 對(duì)于底架14圍繞軸50旋轉(zhuǎn)。換言之，垂直樞軸19可使得作業(yè)機(jī)18在基本上平行于機(jī)器 10下的工作面的平面上擺動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)(軸50可基本上垂直于工作面)。在可選結(jié)構(gòu)(未 示出)中，平臺(tái)12和底架14可固定地耦合，并且垂直樞軸或者球型接合點(diǎn)可將作業(yè)機(jī)18 耦合至平臺(tái)12。該可選結(jié)構(gòu)的垂直樞軸或者球型接合點(diǎn)還可使得作業(yè)機(jī)18擺動(dòng)或者旋轉(zhuǎn) (軸50現(xiàn)在位于垂直樞軸或者球型接合點(diǎn)上)。底架14可以為一個(gè)或多個(gè)牽引裝置22的結(jié)構(gòu)支架。牽引裝置22可包括位于機(jī) 器10每側(cè)上配置為使得機(jī)器10可經(jīng)工作面平移運(yùn)動(dòng)的軌道。可選地，牽引裝置22可包括 輪子、皮帶或者本領(lǐng)域已知的其它牽引裝置。任何牽引裝置22都可驅(qū)動(dòng)和/或可操控。認(rèn) 為作業(yè)機(jī)18的擺動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)還可通過(guò)沿第一方向致動(dòng)一個(gè)牽引裝置22同時(shí)沿與第一方向 總體相反的第二方向致動(dòng)第二牽引設(shè)備22實(shí)現(xiàn)。電源16可為機(jī)器10的運(yùn)行提供電力。電源16可具體化為內(nèi)燃機(jī)，例如柴油機(jī)、 汽油機(jī)、氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)(例如天然氣發(fā)動(dòng)機(jī))、或者任何其它類型的本領(lǐng)域已知的內(nèi)燃 機(jī)。電源16可選擇地具體化為電力的非燃燒式源，例如燃料電池或者耦合至電動(dòng)機(jī)的其它 電力儲(chǔ)存設(shè)備。電源16可為致動(dòng)牽引裝置22提供旋轉(zhuǎn)輸出，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)器10。電源16還 可提供電力以相對(duì)于底架14旋轉(zhuǎn)平臺(tái)12。作業(yè)機(jī)18可包括一個(gè)或多個(gè)設(shè)計(jì)為完成特殊任務(wù)的鏈接部件24。具體地，鏈接部 件24可具體化為懸臂部件28、操縱桿部件30、和作業(yè)工具32。懸臂部件28的第一端可旋 轉(zhuǎn)連接至平臺(tái)12，而懸臂部件28的第二端可旋轉(zhuǎn)連接至操縱桿部件30的第一端。作業(yè)工 具32可旋轉(zhuǎn)連接至操縱桿部件30的第二端。認(rèn)為作業(yè)工具32例如可具體化為鏟斗、抓鉤 器、抓斗、吊鉤或者任何其它本領(lǐng)域已知的合適作業(yè)工具。每個(gè)鏈接部件24可包括一個(gè)或 多個(gè)致動(dòng)器26并被其致動(dòng)。認(rèn)為鏈接部件24可在基本上與工作面正交的平面上旋轉(zhuǎn)。如圖2所示，每個(gè)致動(dòng)器26可以為例如包括活塞組件36和管道38的液壓缸?；?塞組件36可包括兩個(gè)液壓表面，一個(gè)表面與第一腔室相連，另一個(gè)表面與第二腔室相連。第一和/或第二腔室被選擇性地供應(yīng)加壓流體并排出加壓流體以在兩個(gè)液壓表面上產(chǎn)生 力的不平衡。力的不平衡可造成活塞組件36在管道38內(nèi)軸向移動(dòng)。還認(rèn)為致動(dòng)器26可 選擇地具體為電動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)機(jī)、或者本領(lǐng)域已知的任何其它致動(dòng)設(shè)備。液壓系統(tǒng)40可提供加壓流體以驅(qū)動(dòng)每個(gè)致動(dòng)器26。具體地，液壓系統(tǒng)40可包括 泵(未示出)和多個(gè)控制閥(未示出)。泵(被電源16的旋轉(zhuǎn)輸出驅(qū)動(dòng))可對(duì)與多個(gè)控制 閥連通的液壓流體加壓。該多個(gè)控制閥可選擇地經(jīng)一條或者多條液壓管路41向致動(dòng)器26 的第一和/或第二腔室提供加壓流體，從而使得活塞組件36軸向移動(dòng)。認(rèn)為液壓系統(tǒng)40 可包括其它的或者不同的元件，例如蓄電池、止回閥、減壓或者增壓閥、壓力補(bǔ)償元件、限制 孔口、以及本領(lǐng)域已知的其它液壓元件。還如圖2所示，機(jī)器10可包括配置為計(jì)算或者評(píng)估作業(yè)機(jī)18所運(yùn)送質(zhì)量(或者 重量)的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)42。有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)42可包括一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)傳感器44、 方位傳感器45、一個(gè)或多個(gè)力傳感器46、和處理設(shè)備48。狀態(tài)傳感器44可以為位于鏈接部件24的一個(gè)或多個(gè)接合點(diǎn)附近的角度檢測(cè)設(shè)備 (即作業(yè)工具32和操縱桿部件30之間的接合點(diǎn)、操縱桿部件30和懸臂部件28之間的接合 點(diǎn)，和懸臂部件28和平臺(tái)12之間的接合點(diǎn))。狀態(tài)傳感器44可包括旋轉(zhuǎn)編碼器、電位計(jì)、 或者其它角度或者位置檢測(cè)設(shè)備(例如狀態(tài)傳感器44可位于線性致動(dòng)器上并且可配置為 采用致動(dòng)器位置確定接合角度)。狀態(tài)傳感器44的輸出信號(hào)可用于確定作業(yè)機(jī)18的狀態(tài)， 例如每個(gè)鏈接部件24的位置、速度、加速度、角度、角速度、或者角加速度。一個(gè)或多個(gè)狀態(tài) 傳感器44還可位于平臺(tái)12和底架14之間的旋轉(zhuǎn)接合點(diǎn)附近并且可配置為測(cè)量平臺(tái)12相 對(duì)于底架14的角度、角速度、或者角加速度。力傳感器46可配置為輸出可用于確定致動(dòng)器26和/或鏈接部件24所產(chǎn)生或者 經(jīng)受的力的信號(hào)。例如，力傳感器46可具體為設(shè)置并配置為測(cè)量致動(dòng)器26的第一和/或 第二腔室中或者供應(yīng)至其中的加壓流體壓力的壓力傳感器。認(rèn)為可以使用測(cè)量的壓力以及 致動(dòng)器26和鏈接部件24的物理尺寸以確定鏈接部件24的接合點(diǎn)扭矩。還認(rèn)為力傳感器 46可可選擇地具體為應(yīng)變計(jì)、壓電換能器、或者其它位于鏈接點(diǎn)、致動(dòng)器接合點(diǎn)、或者其它 合適位置的力測(cè)量設(shè)備。方位傳感器45可測(cè)量機(jī)器10的斜度和滾動(dòng)。方位傳感器可位于機(jī)器10上的任 何合適位置，例如操作員站20。方位傳感器45可具體為一個(gè)或多個(gè)陀螺儀、加速度計(jì)、重力 傾斜儀、或者其任意組合。處理設(shè)備48可監(jiān)視和/或更改機(jī)器10及其組件的性能。處理設(shè)備48可經(jīng)一條 或多條通信線路43 (或者無(wú)線地)與狀態(tài)傳感器44、方位傳感器45、和力傳感器46通信。 認(rèn)為處理設(shè)備48還可與電源16、操作員站20、液壓系統(tǒng)40、和/或機(jī)器10的其它元件通信 (未示出)。處理設(shè)備48可具體為單個(gè)微處理器或者多個(gè)微處理器。多種市場(chǎng)購(gòu)買的微處理 器可配置為執(zhí)行處理設(shè)備48的功能，而且應(yīng)當(dāng)理解處理設(shè)備48可容易具體為能夠監(jiān)視和/ 或控制多種機(jī)器功能的通用機(jī)器微處理器。處理設(shè)備48可包括存儲(chǔ)器、次存儲(chǔ)設(shè)備、處理 器、和任何其它運(yùn)行應(yīng)用的元件。各種其它電路可以和處理設(shè)備48相關(guān)，例如電源電路、信 號(hào)調(diào)節(jié)電路、數(shù)據(jù)采集電路、信號(hào)輸出電路、信號(hào)放大電路、和本領(lǐng)域已知的其它類型的電 路。處理設(shè)備48可包括一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)在處理設(shè)備48的內(nèi)存儲(chǔ)器中的地圖。這些地圖每張可包括表格、圖形和/或方程形式的數(shù)據(jù)收集。處理設(shè)備48可包括動(dòng)態(tài)模型、校準(zhǔn)步驟 和評(píng)估步驟。動(dòng)態(tài)模型可包括使得接合點(diǎn)扭矩T和其它可測(cè)量和/或可計(jì)算項(xiàng)相關(guān)的方程。T 可以為包括作業(yè)機(jī)18每個(gè)接合點(diǎn)例如Tb。、Tst和Twt處的接合點(diǎn)扭矩值的向量或者矩陣(參 見(jiàn)圖3)。認(rèn)為動(dòng)態(tài)模型可包括本領(lǐng)域已知的任何合適模型(例如基于數(shù)學(xué)或者邏輯的關(guān) 系)。一個(gè)可接受的動(dòng)態(tài)模型為
權(quán)利要求
一種和作業(yè)機(jī)(18)一起使用的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)(42)，包括狀態(tài)傳感器(44)，其被配置為測(cè)量作業(yè)機(jī)的狀態(tài)；以及處理設(shè)備(48)，其被配置為計(jì)算由所述作業(yè)機(jī)移動(dòng)的有效負(fù)載的質(zhì)量，所述處理設(shè)備被配置為采用所測(cè)量的狀態(tài)對(duì)質(zhì)量的計(jì)算補(bǔ)償由圍繞垂直樞軸(19)旋轉(zhuǎn)的所述作業(yè)機(jī)引起的所述作業(yè)機(jī)的離心力、慣性力和摩擦力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)，其中所述作業(yè)機(jī)還包括 至少一個(gè)鏈接部件(24)，其具有致動(dòng)器(26)；以及力傳感器(46)，其被配置為測(cè)量致動(dòng)器處的力，其中所述處理設(shè)備與所述力傳感器通 信，所述處理設(shè)備被配置為采用測(cè)量狀態(tài)以及測(cè)量力計(jì)算有效負(fù)載的質(zhì)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)，其中所測(cè)量狀態(tài)包括所述至少一個(gè)鏈接部件 的角度、角速度、或者角加速度中的至少一個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)，其中所述處理設(shè)備被配置為 采用測(cè)量的力確定接合點(diǎn)扭矩；確定由所述作業(yè)機(jī)的離心力和慣性力所產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)力矩；以及 通過(guò)從接合點(diǎn)扭矩減去所述力矩而補(bǔ)償質(zhì)量的計(jì)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)，其中所述處理設(shè)備被配置為更改根據(jù)所述至 少一個(gè)鏈接部件的角速度變化的力矩的值。
6.一種計(jì)算有效負(fù)載質(zhì)量的方法，包括 致動(dòng)作業(yè)機(jī)(18)以移動(dòng)有效負(fù)載；測(cè)量所述作業(yè)機(jī)的狀態(tài)；采用所測(cè)量的狀態(tài)計(jì)算由所述作業(yè)機(jī)移動(dòng)的有效負(fù)載的質(zhì)量；以及 對(duì)質(zhì)量的計(jì)算補(bǔ)償由圍繞基本垂直于工作面的軸旋轉(zhuǎn)的作業(yè)機(jī)引起的所述作業(yè)機(jī)的 離心力、慣性力和摩擦力。
7.如權(quán)利要求6的方法，還包括確定在至少一個(gè)鏈接部件的接合點(diǎn)作用的扭矩，其中 計(jì)算質(zhì)量包括采用所述測(cè)量的狀態(tài)以及扭矩。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中所述測(cè)量的狀態(tài)包括所述至少一個(gè)鏈接部件的角度、角 速度、或者角加速度中的至少一個(gè)。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中補(bǔ)償包括從所述扭矩減去一個(gè)或多個(gè)力矩，該力矩由離 心力和慣性力產(chǎn)生。
10.一種機(jī)器(10)，包括: 底架(14)；耦合到所述底架的平臺(tái)(12)； 耦合到所述平臺(tái)的作業(yè)機(jī)(18)；電源(16)，其被配置為相對(duì)于所述底架旋轉(zhuǎn)所述平臺(tái)；以及 如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于和作業(yè)機(jī)(18)一起使用的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)(42)。有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)可具有配置為測(cè)量作業(yè)機(jī)狀態(tài)的狀態(tài)傳感器(44)。有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)還可具有配置為計(jì)算作業(yè)機(jī)所移動(dòng)的有效負(fù)載質(zhì)量的處理設(shè)備(48)。處理設(shè)備可配置為采用所測(cè)量的狀態(tài)對(duì)質(zhì)量的計(jì)算補(bǔ)償由圍繞垂直樞軸(19)旋轉(zhuǎn)的作業(yè)機(jī)引起的作業(yè)機(jī)的離心力、慣性力和摩擦力。
文檔編號(hào)G01G19/08GK101999069SQ200880118164
公開(kāi)日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日
發(fā)明者B·米恩塔, E·G·布蘭特, J·K·貝里, K·D·金, R·J·普萊斯, V·加納德漢, 戶澤昌司 申請(qǐng)人:卡特彼勒公司