CN100408468C - 用于负载处理设备中的控制*** - Google Patents

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CN100408468C CNB038218062A CN03821806A CN100408468C CN 100408468 C CN100408468 C CN 100408468C CN B038218062 A CNB038218062 A CN B038218062A CN 03821806 A CN03821806 A CN 03821806A CN 100408468 C CN100408468 C CN 100408468C
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Abstract

一种用于包括负载处理设备(14)的机器(10)中的控制***(40)，负载(L)可在负载处理设备(14)作用下相对于机器的主体(12)运动，这种机器(10)包括负载(L)绕其产生倾斜力矩的枢轴(C)，负载处理设备(L)包括致动器(24)并且能够将负载(L)移动至倾斜力矩处于预定阈值的位置上，这种控制***(40)包括用于检测倾斜力矩并且在使用时向控制器(32)提供输入的传感器(30)，控制器(32)响应于输入而影响致动器(24)的操作以便在如果传感器(30)检测到倾斜力矩的值正在接近阈值时，逐渐地减小负载(L)的运动速度。

Description

用于负载处理设备中的控制***
本发明涉及一种用于包括负载处理设备的这类机器中的控制***，负载可在负载处理设备作用下相对于机器的主体运动。
这类机器的一个实例为具有主体的轮式负载处理机，地面接合结构包括一对各自承载着轮子的轴，并且这种机器包括负载处理设备，这种负载处理设备包括升降臂。升降臂可在一个或多个致动器作用下运动以便移动负载，负载绕着这对轮子之一的旋转轴线中的任何一个产生倾斜力矩，或者绕着另一枢轴产生，其中例如使用稳定器来在负载处理操作中使主体相对于地面保持稳定。
在每一种情况下，升降臂都可将负载移至倾斜力矩处于机器可能变得不稳定的阈值的位置上。
因此，已知的做法是要在倾斜力矩到达临界阈值时检测倾斜力矩，例如通过检测远离枢轴的这对轮子上的递减负载而进行，以便操作安全装置来停止致动器的进一步操作。
此类设置可令人满意地用以实现某些升降臂/负载运动，但是除非将阈值设定成带有有效的安全限度，否则对于某些负载运动而言，由于负载和升降臂的惯性，突然停止运动可导致机器不稳定。当升降臂在长度范围和高度上已经加载之后降低时，由于升降臂的降低，倾斜力矩的增加和运动的突然停止就可能导致机器向前倾斜。
已知的做法是为机器操作者提供对倾斜力矩值的可视显示，因此熟练、专心的操作者就可能够确定倾斜力矩何时接近阈值并且操作者可因此采取如收回负载之类的动作，在这里升降臂能够进行此类操作，以避免机器不稳定。然而，这依赖于操作者的技术和专心程度，而且当机器并没有操作者时，例如由机器人控制或遥控时，这种依赖性将不合时宜。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于包括负载处理设备的机器中的控制***，负载可在负载处理设备作用下相对于机器的主体运动，这种机器包括负载绕其产生倾斜力矩的枢轴，负载处理设备包括致动器并且能够将负载移动至倾斜力矩处于预定阈值的位置上，这种控制***包括用于检测倾斜力矩并且在使用时向控制器提供输入的传感器，控制器响应于输入而影响致动器的操作以便在如果传感器检测到倾斜力矩的值正在接近阈值时，逐渐地减小负载的运动速度。
因此，利用本发明，就可以在否则可能会引起不稳定的负载运动过程中自动地保持机器的稳定性并且不需要依赖于操作者的技术。
在一个优选实施例中，负载处理设备为可相对于机器的主体绕着基本上水平的轴线运动的升降臂，因此该臂能够在第一致动器操作时升高和降低负载，当倾斜力矩接近阈值时，控制器就影响第一致动器的操作。升降臂可包括多个可相对运动的部分，它们可为例如伸缩式，并且当倾斜力矩接近阈值时，控制器可替代地或者另外地影响第二致动器的操作，该第二致动器使得臂部分相对运动。此外，臂可承载着负载处理器具，例如升降叉，其可通过操作第三致动器而在臂上运动，并且当倾斜力矩接近阈值时，控制器可另外地或替代地影响第三致动器的操作。
在每一种情况下，负载的运动速度都被逐渐地减小并且按照需要在倾斜力矩处于阈值时完全地停止，该阈值优选地被设定成使得避免了机器的不稳定性。
机器可包括地面接合结构，机器通过其支承于地面上。这种结构可包括一对支承件，倾斜力矩绕着由支承件之一所建立的枢轴线产生。倾斜力矩可由用于检测支承件之一的加载情况的传感器来检测。
在一个实例中，机器为所谓的轮式负载处理机，其具有包括一对支承件的地面接合结构，支承件由各自承载着轮子的轴来提供。因此，倾斜力矩可绕着多对轮子之一的旋转轴线产生，而传感器可检测另一对轮子上的加载情况。
当倾斜力矩的值接近阈值时，位于另一对轮子上的加载将会减小，而这种加载情况的减小将由传感器检测到。
其操作受到影响的致动器可为流体操作的致动器，例如双作用式线性液压缸。控制器可通过减小进出致动器的流体流来影响致动器的操作，而不管例如来自机器操作者的任何控制输入，因此控制器通过不顾任何此类控制信号而对来自检测倾斜力矩的传感器的输入做出响应。
因此，这种***可包括受到操作者或机器人/远程控制的用于向致动器提供流体的主控制阀，以及独立于控制阀但是对控制器做出响应以便在所检测到的倾斜力矩接近阈值时减小进出致动器的流体流的阀。
传感器可为向控制器提供电输入信号的变换器，同时用于影响致动器操作的控制信号可为电信号或流体信号。
在负载处理设备包括多个致动器的情况下，例如在负载处理设备为可升降的升降臂的情况下，其中升降臂可为伸缩式并且/或者可包括安装于臂上的负载处理器具，其各自由相应的流体操作的致动器来操作，则当倾斜力矩的值接近阈值时，控制器可例如通过减小所容许的来自致动器的流体流而影响致动器之一的操作，并且如果倾斜力矩值到达阈值时，可防止进出其余致动器或其余致动器中的至少一个的流体流动，同时容许只有另一个致动器矫正操作，而这将会导致倾斜力矩的减小。
然而，例如在负载处理器具为升降叉的情况下，则在任何容许的矫正致动器操作过程中，升降叉相对于地面的姿态可以得到保持。
例如，机器可包括位移致动器，其在升降臂升高和降低以便与第三致动器交换流体时操作，该第三致动器控制着负载处理器具相对于地面的姿态，并且在矫正致动器操作过程中，当第三致动器可被隔离时，可以保持包括第三和位移致动器的回路中的流体压力。
控制器可根据一种算法来操作，这种算法使得控制器能够忽略由传感器检测到的由于改变机器动力学或者由于对初始升降臂运动的反应而造成的加载的瞬时改变。
根据本发明的第二方面，提供了一种具有根据本发明的第一方面的控制***的机器。
根据本发明的第三方面，提供了一种由根据本发明的第一方面的控制***控制的负载处理设备。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于操作根据本发明的第三方面的负载处理***的方法，其包括响应于机器不稳定性的增加而逐渐地减小降低负载的速度。
现在将借助于附图对本发明的实施例进行描述，图中：
图1为实现了本发明的机器的侧视图；
图2为图1所示的机器的后视图；
图3为图1和2的机器的示例性液压回路图，其包括本发明的控制***的特征。
参看附图，负载处理机10包括主体11，其在本实例中包括操作者的操作室12，位于主体12的纵向一侧，以及位于主体12的相对侧的升降臂14所用的安装件13，安装件13在本实例中朝向主体12的后部，以便使得升降臂14沿着操作室12从枢轴线B向前延伸。
主体12支承于地面接合结构上并且可在其上受到驱动以在地面上移动，这种地面接合结构包括一对承载于前轴上的前轮16和同样承载于一根轴19上的一对后轮17，该前轴通常相对于主体12固定，但是可根据需要从其悬下，该后轴19在这个实例中通过枢轴20联接于主体12上，枢轴20容许后轴19相对于主体12绕着枢轴线A进行振动运动。
在本实例中的升降臂14包括两个相对伸缩部分22、23，这些部分22的内部由安装件13安装，而这些部分的外部23承载着负载处理器具26，其在本实例中为一对升降叉。在另一个实例中，臂14可包括多于两个伸缩式或者可相对延伸的部分，或者只有单个部分。
臂14可通过操作升降致动器24而升高和降低，该升降致动器24为双作用式液压线性致动器。臂14的外侧部分23可在另一个双作用式液压线性延伸致动器25作用下相对于内侧部分22伸出/缩回，该双作用式液压线性延伸致动器25如图所示安装于臂14的外部，但是实际上可以安装于臂14的内部。负载处理器具26可在另一个双作用式线性液压叉致动器27作用下绕着枢轴线D运动。
致动器24、25和26在本实例中全部都由操作室12中的操作者控制，该操作者操作着控制以便操作主控制阀44，该主控制阀44示于图3中，但是在另一个实施例中，致动器可由计算机遥控，即可由机器人控制。
应当理解，由臂14承载的负载L将绕着枢轴线C产生倾斜力矩。在升降臂14安装于后部并且向前延伸的轮式负载处理机10的这种实例中，枢轴C将与前轮16的旋转轴线重合。然而，在例如提供了稳定器32以便可能会将前轮16抬离地面时，其中该稳定器32在某些负载处理操作中可降低至与地面形成接触，枢轴线可以具有其它定位。
即使负载L的重量受到机器10的质量的平衡，特别是在本实例中受到可如图所示位于主体12后部处或位于其它地方的机器发动机E的平衡，但如果负载L在倾斜轴线C前方移出一定位置之外，根据负载大小而定，则应当理解，机器10的稳定性将会降低，因为机器10将会易于绕着倾斜轴线C倾斜。举例来说，当升降臂14延伸时，或者与本发明有关，当负载L从如虚线所示的高位降低至如虚线所示的低位时，这种负载L运动就可能会发生。
所造成的绕着倾斜轴线C的倾斜力矩的增大通常通过检测支承着主体12的后轴19上的加载的减小而测定。
因此，就提供了倾斜力矩传感器30，例如测力传感器或者其它变换器，以便检测轴19上的加载，在本实例中检测位于后轴19与主体12的枢轴20连接处的加载。传感器30用于向控制器32提供输入，以显示后轴19加载情况进而显示绕着倾斜轴线C的倾斜力矩。
在已知设置结构中，当控制器32的输入显示倾斜力矩将要增加至使得机器10将要绕着倾斜轴线C向前倾斜的程度时，控制器32就作用以便防止负载L继续相对于主体12向前运动。举例来说，可防止延伸致动器25继续延伸，并且/或者，可防止升降致动器24继续降低升降臂14。
在后一种情况中，因为所加载的升降臂和负载L的惯性可能会很大，所以突然停止臂14的向下运动可能会导致机器10绕着倾斜轴线C倾斜，除非所容许的倾斜力矩的阈值被设定成不能实现的可接受安全限。
特别参看图3，示出了控制***40，其部分地集成于用于操作和控制致动器24、25、27的液压***内。
当例如预期要处理较重负载而启动控制***40时，电磁阀41就例如***作着操作室12内的开关的机器10操作者所关闭，以便当升降臂14降低时，通过限流器43将从主控制阀44流至升降致动器24的杆侧24a的流体限制成流过比例阀42。限流器43使得容许流量从在控制***40未作用时所容许的流量减小。因此，升降臂14的降低速度在任何情况下都会受到限制。
然而，如后文中所述，流向升降致动器24的杆侧24a的流体流可进一步由比例阀42限制，以便将机器绕着轴线C的倾斜力矩值保持于阈值下方。
背压阀45与比例阀42相平行，当本发明的控制***不起作用时，其容许在需要降低升降臂14时使得来自主控制阀44的流体被导向致动器24的杆侧24a。
如果根据来自传感器30的输入，控制器32确定了绕着枢轴C的倾斜力矩的值正在接近预定阈值，例如约为容许倾斜力矩阈值的65％，则控制器32就作用以便防止倾斜力矩的值超过阈值。
如果升降臂14正在降低，则控制器32就向比例阀42发信号以随着升降臂14继续降低而逐渐地减小容许的流向致动器24的杆侧24a的流体流，直到当倾斜力矩的值到达阈值时倾斜力矩完全防止了升降臂14继续降低为止，因为所有流向致动器24的杆侧24a的流体流已被完全或者基本上完全关闭的比例阀42阻止。
可以看到，在本实例中，比例阀42为电磁操作式，因此控制器32向比例阀42提供电命令信号，但是在其它实例中，控制器32可提供流体压力信号。
操作室12中的机器操作者可颠倒升降致动器24的操作，这通过操作主阀44以将流体引向致动器24的缸侧24b从而升高升降臂14并因而减小绕着轴线C的倾斜力矩来实现，并且/或者可缩回延伸致动器25以移动负载L更靠近倾斜轴线C，这通过操作主控制阀44以将流体引向延伸致动器25的杆侧25a来实现。
当到达倾斜阈值时，这时将防止升降臂14继续降低，控制器32还用于打开回路中的另一个电磁操作阀48，以便防止延伸致动器25进行任何操作，其将会移动负载L更加远离倾斜轴线，并且将致动器27完全隔离，否则的话，致动器就会移动升降叉26。
由于另一个电磁操作阀48在打开时为罐T提供了旁路，这点就得以实现。因此，如果主控制阀44操作以避免否则的话将会延伸升降臂14，则线路50中的流体将会经线路52通过止回阀51和阀48被释放至罐T，而否则的话其将会流至延伸致动器25的缸侧25b以将延伸致动器25延伸。
而且，如果操作者操作主阀44以避免否则的话将会操作致动器27从而使得升降叉26绕着臂14上的轴线D运动，则同样，线路55、56中任何一条中的流体将会经线路52通过标为59、60的止回阀中的不管哪一个和阀48被释放至罐T，而否则的话其将会用于操作致动器27。
如果需要，在机器10具有可在某些作业操作过程中降低以与地面接合的稳定器S时，可提供标为62的安全阀，其在稳定器S并未降低时限制了升降臂14可升高至的角度。例如，当机器10在稳定器S升高的情况下正在执行作业操作，因此使得机器10更加可能发生不稳定时，则当臂14升高至角度45°时，可通过例如操作控制器32而打开安全阀62，以便使得从主控制阀44被引向升降致动器24的杆侧24a的更多流体被释放至罐T。
再次参看图1，可以看到，机器10包括位于机器的升降臂14与主体12之间的位移致动器64。位移致动器64为双作用式液压致动器，当升降臂14升高时，致动器64的活塞64a相对于其缸64b延伸，而当臂14降低时，则缩回至缸64b中。
如图3中所示，在正常操作时，位移致动器64与用于使得升降叉26绕着轴线D运动的致动器27平行，并且只要臂14被升高和降低，则叉26或其它负载处理装置26相对于地面的姿态就可得以保持，而不会干涉正在操作着主控制阀44以操作叉致动器27的操作者。
这种设置结构已知，但是应当理解，利用本发明的控制***，如果打开安全阀48以便释放位于包含着叉致动器27的那部分回路中的流体，则将会失去这种自动姿态保持方式。因此，如果操作者操作升降致动器24以便通过升高升降臂14来矫正机器10的不平衡，直到安全阀48再次被控制器32关闭，则叉26相对于地面的姿态将不会保持。
然而，为了与此相适应，在每条出自叉致动器27和位移致动器64的流体线路55和56中，分别提供了背压阀70、71，其在线路55、56中的压力随着安全阀48打开而失去时自动地关闭，同时容许被截留于位于背压阀70、71上游的那部分流体回路中的流体在叉致动器27与柱塞64之间移动。
控制回路40的其它特征如下。
在进出叉致动器27和位移致动器64的线路55、56中，提供了电磁操作的节流阀80、81，当它们随着控制***启动而由控制器32操作时，就可通过与由负载传感器30所检测的机器10的不稳定程度成比例限制进出致动器27、64的流体流，从而限制叉致动器27的操作速度。
可以提供其它例如标为85、86和87的止回阀等等来保证回路正确操作。
据发现，在某些情况下，当开始例如从高位降低负载L时，就有一个通过机器10传送至负载传感器30的初始反应，其表示后轴19上的加载的突然增加。为了防止控制***对这种瞬时情况做出反应，优选地，控制器32适于按照忽略了此类瞬时情况的算法而操作。例如，当开始降低升降臂14时，控制器32可被设置成在大约一两秒钟内不对传感器30的输入做出响应，经过这段时间之后接着就会进入稳定状态。
另外，应当理解，在某些负载处理操作过程中，例如在升降叉26的加载/卸载过程中，由于改变机器10的动力学，因此可能会从传感器30收到关于即将发生的机器10的不稳定性的错误显示。可对控制器32进行编程以便能够识别此类不规则显示，例如通过只对平滑地、逐渐地改变的倾斜力矩做出响应，而不对加载的突然变化做出响应来实现。
优选地，控制器32在操作者的操作室12中的显示器上向操作者提供关于机器10的稳定性的可视显示，因此熟练的操作者仍然可以参照显示器33运用他的技术来避免不稳定情况。例如，此类显示器可包括灯阵列，例如LED灯的阵列，随着机器10的不稳定性的增加，该阵列逐渐加亮。
本发明所属领域的普通技术人员应当清楚，在不背离本发明的范围的情况下，可进行各种其它改型。
上述内容或以下权利要求或附图中所公开的各个特征，无论是表达为其特定形式，还是按照用于执行所公开的功能的装置或者用于获得所公开的结果的方法或过程来表达，适当地，都可单独地或者按照此类特征的任意组合来以各种形式用于实现本发明。

Claims (13)

1. 一种用于包括负载处理设备(14)的机器(10)中的控制***(40)，负载(L)可在负载处理设备(14)作用下相对于机器(10)的主体(12)运动，负载处理设备(14)为可相对于机器(10)的主体(12)绕着基本上水平的轴线(B)运动的升降臂，因此该臂(14)能够在流体操作的致动器(24)操作时升高和降低负载(L)，这种机器(10)包括负载(L)绕其产生倾斜力矩的枢轴(C)，负载处理设备(14)能够将负载(L)降低至倾斜力矩处于预定阈值的位置上，这种控制***(40)包括用于检测倾斜力矩值何时接近阈值并且向做出响应的控制器(32)提供输入的传感器(30)，控制器(32)响应于输入而操作比例流体阀(42)以便减少流向致动器(24)的流体流，从而在升降臂(14)继续降低时，逐渐地减小负载(L)的运动速度。
2. 根据权利要求1所述的***(40)，其特征在于，机器(10)的升降臂(14)包括多个可相对运动的部分(22、23)，并且当倾斜力矩接近阈值时，控制器(32)影响第二致动器(25)的操作，该第二致动器(25)使得臂部分(22、23)相对运动。
3. 根据权利要求2所述的***，其特征在于，机器(10)的臂(14)的可相对运动的部分(22、23)为伸缩式，并且当倾斜力矩接近阈值时，控制器(32)影响第二致动器(25)的操作。
4. 根据权利要求1所述的***，其特征在于，臂(14)承载着负载处理器具(26)，其可通过操作第三致动器(27)而在臂(14)上运动，并且当倾斜力矩接近阈值时，控制器(32)影响第三致动器(27)的操作。
5. 根据权利要求4所述的***，其特征在于，负载处理器具(26)为升降叉。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的***，其特征在于，负载的运动速度被逐渐地减小并且在倾斜力矩处于阈值时完全地停止。
7. 根据权利要求1所述的***，其特征在于，机器(10)包括地面接合结构，机器通过其支承于地面上，地面接合结构包括一对支承件(19)，倾斜力矩绕着由支承件之一所建立的枢轴线(C)产生，并且倾斜力矩由用于检测支承件中的另一个(19)的加载情况的传感器(30)来检测。
8. 根据权利要求7所述的***，其特征在于，机器(10)为轮式负载处理机(10)，其具有包括一对支承件(19)的地面接合结构，支承件(19)由各自承载着轮子(16、17)的轴来提供，并且倾斜力矩绕着多对轮子之一(16)的旋转轴线(C)产生，而传感器(30)检测另一对轮子(17)上的加载情况。
9. 根据前述权利要求6所述的***，其特征在于，负载处理设备(14)包括多个致动器(24、25、27)，如果当倾斜力矩的值接近阈值时，控制器(32)防止进出升高和降低致动器(24)的流体流动，则控制器(30)就容许其它致动器(25、27)中的一个或多个进行操作以便执行矫正操作，而这将会导致倾斜力矩的减小。
10. 根据权利要求9所述的***，其特征在于，在负载处理器具为升降叉(26)的情况下，并且在任何容许的矫正致动器操作过程中，升降叉(26)相对于地面的姿态自动地得到保持。
11. 根据权利要求10所述的***，其特征在于，机器(10)包括位移致动器(64)，其在升降臂(14)升高和降低以便与控制着负载处理器具(26)相对于地面的姿态的致动器(27)交换流体时操作，并且在矫正致动器操作过程中，当升高和降低致动器(24)被隔离时，包括姿态控制和位移致动器(27、64)的回路中的流体压力得以保持。
12. 根据权利要求1所述的***，其特征在于，控制器(32)根据一种算法来操作，这种算法使得控制器(32)能够忽略由传感器(30)检测到的由于改变机器动力学或者由于对初始升降臂(14)运动的反应而造成的加载的瞬时改变。
13. 一种机器(10)，其具有根据权利要求1所述的控制***。
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