CN114353924B - 一种液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，包括：实时获取斗杆液压缸的压力值P₁及铲斗的液压缸的压力值P₂；以挖掘机底座和动臂的铰接点的中心为原点，水平前进方向为x轴，垂直于x轴方向为y轴，实时获取斗杆相对于水平面的倾角θ，θ在X轴上方为正，下方为负；实时获取斗杆液压缸的长度l_AB与铲斗液压缸的长度l_DE；然后物料称重模块的数据处理器将获取的数据带入公式，即可获得铲斗内物料重量。该称重方法考虑了挖掘机各个部件和物料的重心以及工作面非水平面时对于铲斗内物料重量在线计量的影响，使得物料重量计量的结果更加准确，从而实现了施工过程挖掘机铲斗挖掘物料重量的在线计量与工程施工中挖掘机挖掘物料总量统计计量，为数字化、智能化施工的实现奠定了基础。

Description

一种液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法

技术领域

本发明涉及一种液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，具体是一种在线实时精确计量液压挖掘机铲斗内物料重量的称重装置及方法。

背景技术

液压挖掘机被广泛应用于建筑施工、资源开采等领域。在液压挖掘机的使用过程中，当施工方对于液压挖掘机所挖掘的物料有重量要求时，传统的液压挖掘机不具备对铲斗内所挖掘的物料进行在线实时精确称量的功能，解决这一问题的传统方法为将液压挖掘机每次挖掘的物料集中装载，通过地磅等装置进行称量。这种方式不仅浪费了人力资源，同时也常因无法实现实时计量铲斗内的物料重量而造成欠载或者过载，从而导致返工，浪费了大量的时间。

目前市面上存在的一些应用于液压挖掘机上的铲斗内物料称重装置及方法，中国发明专利2021年6月22日公开的公开号为CN 113008345A的一种挖掘机的称重***及方法，其通过动臂位置传感器、斗杆位置传感器、铲斗位置传感器及油压传感器采集数据，通过控制器利用主油箱油压与挖掘机挖取重量的函数关系计算出挖取重量，本方法虽然简单实用，但称重时需要将挖掘机运行至固定的姿态，从而无法实现实时的物料重量在线计量。中国发明专利2014年11月05日公开的公开号为CN 104132721A的一种矿用挖掘机物料自动称重方法，其利用角度传感器采集各部件之间的转角用于计算各部件之间的实时位置，进而通过微分计算出各部件的速度、加速度等运动学参数，本方法虽然动态稳定性好，但是利用转角进行一次、二次积分时会引入大量误差，同时也没有考虑物料重心对于称重测量的影响。中国发明专利2021年6月22日公开的公开号为CN 113010979A的一种挖掘机称重方法及其***，其利用角度传感器及油缸压力传感器检测斗杆倾斜角、连杆倾斜角及铲斗油缸的推力，利用三角几何参数通过计算简单精确的获得物料的重量，但其仅考虑了挖掘机在水平工作面上的工作情况，而没有考虑挖掘机在有一定坡度的工作面上的工作情况，故适用范围受到了很大的限制。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，该装置可以在线实时精确计量液压挖掘机铲斗内物料重量。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，如下：

实时获取斗杆液压缸的压力值P₁及铲斗的液压缸的压力值P₂；

以挖掘机底座和动臂的铰接点的中心为原点，水平前进方向为x轴，垂直于x轴方向为y轴，实时获取斗杆相对于水平面的倾角θ，θ在X轴上方为正，下方为负；

实时获取斗杆液压缸的长度l_AB与铲斗液压缸的长度l_DE；

然后物料称重模块将传感器获取的数据带入下面公式，即可获得铲斗内物料重量；

其中，参数l_AC、l_BC、l_DF、l_EF、l_CG、l_GF均可由厂家提供的尺寸测量得到，

l_EG根据余弦定理得到；C₁、C₂通过挖掘机在空载情况下进行动态标定获得。

作为进一步的技术方案，所述的压力值P₁通过设置在斗杆上的压力传感器测得。

作为进一步的技术方案，所述的压力值P₂通过设置在铲斗上的压力传感器测得。

作为进一步的技术方案，所述的倾角θ通过设置在斗杆上的角度传感器测得。

作为进一步的技术方案，所述的斗杆液压缸的长度l_AB由设置在斗杆液压缸上的激光位移传感器测得。

作为进一步的技术方案，铲斗液压缸的长度l_DE由设置在铲斗液压缸上的激光位移传感器测得。

作为进一步的技术方案，还包括安装在挖掘机机身上的坐标转换单元。

作为进一步的技术方案，当挖掘机所处的工作面为倾斜面时，可以依靠坐标转换单元测量挖掘机工作面相对于水平面的倾角γ，建立当挖掘机位于倾斜工作面时的坐标系X’OY’,坐标系X’OY’与坐标系XOY之间的夹角为γ，则两坐标系上对应点的坐标转换公式为：

其中(x，y)为挖掘机上某一点m在坐标系XOY中的坐标，(x’，y’)为该点在坐标系X’OY’中的坐标；根据坐标转换公式，将挖掘机处于倾斜工作面时机身上的各个点映射水平面坐标系中，从而根据水平面坐标系上的挖掘机物料计量方法进行物料重量的在线计量。

作为进一步的技术方案，所述动态标定过程如下：

首先将液压挖掘机的动臂抬升至一定高度以保证铲斗及斗杆在动态标定过程中不会与地面相接触，而后通过控制斗杆液压缸使斗杆先后伸长和收缩到极限位置，分别记录下极限位置的斗杆倾斜角θ₁、θ₂；

在θ₁、θ₂范围区间内平均取十个角度值Angle₁……Angle₁₀，将斗杆依次伸缩到Angle₁……Angle₁₀，并在每一个角度值处匀速升降动臂记录数据，而后通过递推最小二乘法动态的标定出在不同状态下有关动臂重心位置的两个未知参数C₁、C₂。

作为进一步的技术方案，还包括有基于数据存储模块的历史记录功能。

本发明的有益效果如下：

与传统的液压挖掘机相比较，本发明所提供的一种液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，可实现液压挖掘机铲斗内物料的实时准确测量功能。

与市面上目前存在的具有铲斗内物料称重功能的液压挖掘机相比较，本发明所提供的一种液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法只需在挖掘机进行挖掘之前进行动态标定便可在挖掘时完成铲斗内物料的实时重量计量，而无需在挖掘时将挖掘机动臂、铲斗、斗杆运行至固定姿态才能进行计量，节约了大量的时间，大幅提高了工作效率。同时本发明所提供的一种液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法考虑了挖掘机各个部件和物料的重心以及工作面非水平面时对于铲斗内物料重量在线计量的影响(参见称重公式)，使得物料重量计量的结果更加准确，使得施工过程更加精确化、智能化，减少因挖掘机所挖掘的物料重量过多或过少而带来的不必要的返工。同时挖掘机挖掘量均可通过数据传输模块在操作者的手机、电脑或者IPAD上进行显示，可实现挖掘机工作过程及施工信息的可视化，从而实现精准施工、智慧施工。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1：挖掘机工作流程图；

图2：挖掘机各功能模块图；

图3：物料在线称重方案图；

图4：铲斗与斗杆受力分析图；

图5：挖掘机工作装置简图；

图6：工作面坐标转换示意图；

图中：1.车轮；2.回转机构；3.控制仓；4.动臂；5.斗杆液压缸；6.斗杆；7：铲斗液压缸；8.铲斗；9.动臂液压缸。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法。

本发明的一种典型的实施方式中，如图3所示，为该称重方法对应的挖掘机结构，在现有挖掘机上粘贴有铲斗压力测量单元、铲斗液压缸长度测量单元、斗杆压力测量单元、斗杆倾角测量单元、斗杆液压缸长度测量单元和坐标转换单元；通过这些测量单元可对挖掘机铲斗中的物料重量进行实时在线检测，实现液压挖掘机铲斗内物料的在线称重；

进一步的，本实施例中所述斗杆压力测量单元与铲斗压力测量单元分别为第一压力传感器、第二压力传感器；所处斗杆倾斜角测量单元，坐标转换单元分别为第一角度传感器、第二角度传感器；所述斗杆液压缸长度测量单元及铲斗液压缸长度测量单元分别为第一激光位移传感器、第二激光位移传感器。

这些传感器将数据采集完毕传送给物料称重模块之后，采用最小二乘法来进行数据处理，使测量的精度更加准确。同时处理器还具有历史记录功能，通过数据存储模块可以记录挖掘机每一次挖掘时铲斗中物料的质量以及在整个挖掘过程所挖掘的物料总质量，并通过数据通讯模块将数据发送至终端、该终端可为操作者的手机、电脑或者IPAD等。

下面对对应的测量方法进行详细介绍如下：

如附图3所示，以挖掘机底座和动臂的铰接点的中心为原点，水平前进方向为x轴，垂直于x轴方向为y轴，通过安装在挖掘机斗杆及铲斗液压缸上的斗杆压力测量单元及铲斗压力测量单元，测量斗杆及铲斗的液压缸的压力值P₁、P₂，通过安装在斗杆上的斗杆倾斜角测量单元，测得斗杆相对于水平面的倾角θ(注意θ在X轴上方为正，下方为负)，通过安装在斗杆液压缸与铲斗液压缸上的斗杆液压缸长度测量单元及铲斗液压缸长度测量单元，实时测量斗杆液压缸与铲斗液压缸的长度l_AB，l_DE。当液压挖掘机的工作面为非水平面时，通过安装于机身上的坐标转换单元进行坐标转换。

进一步的，首先对挖掘机进行静力学分析，通过以上所述安装于斗杆、铲斗液压缸上的第一压力传感器、第二压力传感器测得斗杆与铲斗液压缸的压力P₁、P₂，通过设置在斗杆上的第一角度传感器可以测得斗杆倾角θ，通过安装在斗杆与铲斗液压缸上的第一激光位移传感器、第二激光位移传感器来实时监测斗杆与铲斗液压缸的长度l_AB，l_DE,同时利用挖掘机各组件的长度尺寸参数，基于三角形原理求解未知的长度参数，并对动臂与斗杆的连接点C取矩，由力矩平衡原理可得：

式中：

为斗杆自身重力对连接点C的力矩，

为铲斗自身重力对连接点C的力矩，

为物料重力对连接点C的力矩，

为斗杆液压缸压力对连接点C的压力。

l_AC、l_BC的长度可以由厂家提供，l_AB的长度可由斗杆液压缸长度测量单元获得，由余弦定理可以求得∠ABC

所以:

α₁为斗杆质心与斗杆边缘之间的夹角，其中斗杆质心可由称重法或悬挂法获得，进而可以得到斗杆质心与斗杆边缘之间的夹角α₁，θ为斗杆的倾斜角，故可计算得：

所以斗杆重力对C点的力矩为：

同理，由于l_EF、l_DF均可由厂家提供的尺寸参数得到，l_DE可以通过铲斗液压缸长度测量单元得到，所以可由余弦定理求得∠DEF：

由余弦定理得：

其中l_EF、l_FG可由厂家提供的尺寸得到，l_EG可在△FEG中由余弦定理得到。

∠GEP₂＝π-∠DEF-∠FEG (8)

所以：

铲斗重力m₂g与负载重力m₃g对C点的力矩和为：

铲斗重力m₂g、负载重力m₃g、铲斗液压缸压力P₂对G点的力矩和为0：

将(11)式与(13)式带入(12)式可得：

将(3)(5)(10)式带入(1)得：

将(11)式化简为：

令：

当m₃g＝0时即空载时，进行动态标定，可得：

将式(2)、(6)、(7)、(15)、(16)带回(12)式化简可得：

式17中，P₁、P₂、θ、l_AB、l_DE可分别有由斗杆压力测量单元、铲斗压力测量单元、斗杆倾斜角测量单元、斗杆液压缸长度测量单元、铲斗液压缸长度测量单元实时测得，它们均为时间t的函数。参数l_AC、l_BC、l_DF、l_EF、l_CG、l_FG均可由厂家提供的尺寸测量得到,l_EG可在△FEG中由余弦定理得到。所以m₃g为关于P₁(t)、P₂(t)、θ(t)、l_AB(t)、l_DE(t)的函数，故(19)式可化简为：

F(P₁(t)、P₂(t)、θ(t)、l_AB(t)、l_DE(t))＝m₃g (20)

将由各个传感器所测得的斗杆油缸实时压力、铲斗油缸实时压力、斗杆实时角度、斗杆油缸实时长度、铲斗油缸实时长度带入上式(20)中可计算得负载重量m₃g。

进一步的，挖掘机在进行称量之前的空载情况下要进行动态标定，以确定液压挖掘机的称重参数C₁、C₂。所述动态标定过程首先将液压挖掘机的动臂抬升至一定高度以保证铲斗及斗杆在动态标定过程中不会与地面相接触，而后通过控制斗杆液压缸使斗杆先后伸长和收缩到极限位置，分别记录下极限位置的斗杆倾斜角θ₁、θ₂。在θ₁、θ₂范围区间内平均取十个角度值Angle₁……Angle₁₀(此处省略角度值Angle₂-Angle₉)，将斗杆依次伸缩到Angle₁……Angle₁₀(此处省略角度值Angle₂-Angle₉)，并在每一个角度值处匀速升降动臂记录数据，而后通过递推最小二乘法动态的标定出在不同状态下有关动臂重心位置的两个未知参数C₁、C₂。

进一步的，当挖掘机所处的工作面为倾斜面时，可以依靠安装于挖掘机机身上的角度传感器2测量挖掘机工作面相对于水平面的倾角γ，如附图6所示，建立当挖掘机位于倾斜工作面时的坐标系X’OY’,坐标系X’OY’与坐标系XOY之间的夹角为γ，则两坐标系上对应点的转换关系为：

其中(x，y)为挖掘机上某一点m在坐标系XOY中的坐标，(x’，y’)为该点在坐标系X’OY’中的坐标。根据如上坐标转换公式(21)，可将挖掘机处于倾斜工作面时机身上的各个点映射水平面坐标系中，从而根据水平面坐标系上的挖掘机物料计量方法进行物料重量的在线计量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，其特征在于，如下：

实时获取斗杆液压缸的压力值P₁及铲斗的液压缸的压力值P₂；

以挖掘机底座和动臂的铰接点的中心为原点，水平前进方向为x轴，垂直于x轴方向为y轴，实时获取斗杆相对于水平面的倾角θ，θ在X轴上方为正，下方为负；

实时获取斗杆液压缸的长度l_AB与铲斗液压缸的长度l_DE；

然后物料称重模块将传感器获取的数据带入下面公式，即可获得铲斗内物料重量；

其中，参数l_AC、l_BC、l_DF、l_EF、l_CG、l_GF均可由厂家提供的尺寸测量得到，l_EG根据余弦定理得到；C₁、C₂通过挖掘机在空载情况下进行动态标定获得；

所述动态标定过程如下：首先将液压挖掘机的动臂抬升至一定高度以保证铲斗及斗杆在动态标定过程中不会与地面相接触，而后通过控制斗杆液压缸使斗杆先后伸长和收缩到极限位置，分别记录下极限位置的斗杆倾斜角θ₁、θ₂；在θ₁、θ₂范围区间内平均取十个角度值Angle₁…Angle₁₀，将斗杆依次伸缩到Angle₁……Angle₁₀，并在每一个角度值处匀速升降动臂记录数据，而后通过递推最小二乘法动态的标定出在不同状态下有关动臂重心位置的两个未知参数C₁、C₂。

2.如权利要求1所述的液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，其特征在于，所述的压力值P₁通过设置在斗杆上的压力传感器测得。

3.如权利要求1所述的液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，其特征在于，所述的压力值P₂通过设置在铲斗上的压力传感器测得。

4.如权利要求1所述的液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，其特征在于，所述的倾角θ通过设置在斗杆上的角度传感器测得。

5.如权利要求1所述的液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，其特征在于，所述的斗杆液压缸的长度l_AB由设置在斗杆液压缸上的激光位移传感器测得。

6.如权利要求1所述的液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，其特征在于，所述的铲斗液压缸的长度l_DE由设置在铲斗液压缸上的激光位移传感器测得。

7.如权利要求1所述的液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，其特征在于，还包括安装在挖掘机机身上的坐标转换单元。

8.如权利要求7所述的液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，其特征在于，当挖掘机所处的工作面为倾斜面时，依靠坐标转换单元测量挖掘机工作面相对于水平面的倾角γ，建立当挖掘机位于倾斜工作面时的坐标系X’OY’,坐标系X’OY’与坐标系XOY之间的夹角为γ，则两坐标系上对应点的坐标转换公式为：

其中(x，y)为挖掘机上某一点m在坐标系XOY中的坐标，(x’，y’)为该点在坐标系X’OY’中的坐标；根据坐标转换公式，将挖掘机处于倾斜工作面时机身上的各个点映射水平面坐标系中，从而根据水平面坐标系上的挖掘机物料计量方法进行物料重量的在线计量。

9.如权利要求1所述的液压挖掘机铲斗内物料的在线称重方法，其特征在于，还包括有基于数据存储模块的历史记录功能。

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