CN205917745U - 一种反铲挖掘机挖力引导装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种反铲挖掘机挖力引导装置，包括反铲挖掘机机械臂姿态测量部件、反铲挖掘机底座姿态测量部件和最大挖掘力量引导部件，反铲挖掘机机械臂姿态测量部件包括动臂传感器、斗杆传感器和铲斗传感器，反铲挖掘机底座姿态测量部件包括倾斜传感器，最大挖掘力量引导部件包括姿态传感器数据采集单件等。应用本实用新型技术方案，效果是：结构精简；动臂传感器、斗杆传感器等各传感器能精确读取当前反铲挖掘机机械臂的相关参数，对相关参数进行处理后得到斗杆与动臂的夹角以及铲斗齿间与切削面之间的夹角，继而通过进行图形化显示和语音提醒，排除人为误差，大大提高操作的精准度。

Description

一种反铲挖掘机挖力引导装置

技术领域

本实用新型涉及反铲挖掘机技术领域，具体涉及一种反铲挖掘机挖力引导装置。

背景技术

反铲挖掘机在露天矿山开采以及民用工程中应用十分广泛。

反铲挖掘机的作业过程存在一个最大挖力的操作问题，作为一个业界公认的经验参数，即当动臂与斗杆成90°夹角，铲斗斗齿与地面成30°切削时，挖掘力量最大，且在这种角度模式下对挖机的液压和动力***伤害最小。

因此，有经验的反铲挖掘机操作员在挖掘硬度较高的地面时都会注意以上的角度模式，以发挥最大挖掘力量，降低对反铲挖掘机液压和动力***的伤害。

现有技术中有以下两种方式：

方式一、通过操作员人工判断动臂与斗杆所成夹角和铲斗斗齿与地面所成夹角，此种方式的准确度是根据操作员的操作经验不同而差异很大，因此，此种方式精准度不高，误差大。

方式二、申请号为201410114023.5的发明专利公开了一种的铲斗定位装置及方法，该铲斗定位装置包括：定位装置，用于接收挖掘机的转动机座在一定的大地参考框架下的空间位置；方向测量装置，用以测量该反铲挖掘机的转动机座的航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息；铲斗位置测量装置，用于测量该反铲挖掘机的铲斗的空间位置信息；以及计算装置，根据该空间位置信息、该在一定的大地参考框架下的空间位置、该航向角、俯仰角以及横滚角的角度信息，计算该铲斗的经纬度和高程。该方法可行性不强，原因如下：第一，该方法中提到，用于计算最终位置必须有“液压测量装置，用于测量该铲斗液压缸的活塞杆的伸缩长度；第一姿态测量装置，用于测量该斗杆相对该动臂的转动角度；以及第二姿态测量装置，用于测量该动臂相对该转动机座的转动角度。”，而活塞杆的伸缩长度随着反铲挖掘机作业不断在变化，需要实时测量，目前尚且没有任何手段能够测量该长度；机械臂的转动角度在反铲挖掘机作业过程中实时在变化，需要实时测量，他想获得的是转动角速度和角加速度，进而获得该值，要么实施安装过于复杂，要改装反铲挖掘机。综上，本发明技术方案实施起来非常麻烦，可行性低。

综上所述，急需一种结构精简、操作方便、能准确控制动臂与斗杆所成夹角和铲斗斗齿与地面所成夹角的装置以解决现有技术中存在的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种结构精简、操作方便、能准确控制动臂与斗杆所成夹角和铲斗斗齿与地面所成夹角的反铲挖掘机挖力引导装置，具体技术方案如下：

一种反铲挖掘机挖力引导装置，包括反铲挖掘机机械臂姿态测量部件、反铲挖掘机底座姿态测量部件以及最大挖掘力量引导部件；

所述反铲挖掘机机械臂姿态测量部件包括安装在动臂上且其测量方向与动臂两端的两个节点之间的连线平行的动臂传感器、安装在斗杆上且其测量方向与斗杆两端的两个节点之间的连线平行的斗杆传感器以及安装在铲斗上且其测量方向与铲斗的齿部两端的两个节点之间的连线平行的铲斗传感器；

所述反铲挖掘机底座姿态测量部件包括安装在反铲挖掘机驾驶室的顶部且能测量反铲挖掘机的俯仰角和翻滚角的倾斜传感器；

所述最大挖掘力量引导部件包括姿态传感器数据采集单件、与所述姿态传感器数据采集单件连接的倾斜传感器角度换算单件、与所述倾斜传感器角度换算单件连接的最大挖掘力量角度计算单件以及最大挖掘力量引导提示单件，所述最大挖掘力量引导提示单件包括用于图形化显示的显示屏以及用于进行语音提醒的扩音器；

所述动臂传感器、斗杆传感器、铲斗传感器以及倾斜传感器均与所述姿态传感器数据采集单件连接。

为了达到更好的技术效果，还包括微处理器，所述动臂传感器、斗杆传感器、铲斗传感器、倾斜传感器、姿态传感器数据采集单件、倾斜传感器角度换算单件、最大挖掘力量角度计算单件、显示屏以及扩音器均与所述微处理器连接。

以上技术方案中优选的，所述倾斜传感器为双轴倾斜传感器，其型号为德国的TILTIX Inclinometers ACS-080-2或者倾角传感器SST200系列。

以上技术方案中优选的，所述动臂传感器、斗杆传感器以及铲斗传感器均采用德国的TILTIX Inclinometers ACS-360-1或者静态倾角传感器SST300。

以上技术方案中优选的，动臂两端的两个节点为A点和B点，B点位于动臂和斗杆的连接处；斗杆两端的两个节点为B点和C点，C点位于斗杆与铲斗的连接处；铲斗的齿部两端的两个节点为D点和E点，C点、E点和D点连接组成反铲挖掘机的铲斗的外轮廓；

所述动臂传感器的测量方向与A点和B点之间的连线的方向相同；所述斗杆传感器的测量方向与B点和C点之间的连线的方向相同；所述铲斗传感器的测量方向与E点和D点之间的连线的方向相同。

以上技术方案中优选的，所述动臂传感器、斗杆传感器、铲斗传感器以及倾斜传感器分别采用RS-485、RS-232、CANBUS或SPI通信协议与所述姿态传感器数据采集单件连接。

应用本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本实用新型的反铲挖掘机挖力引导装置包括反铲挖掘机机械臂姿态测量部件、反铲挖掘机底座姿态测量部件以及最大挖掘力量引导部件，所述反铲挖掘机机械臂姿态测量部件包括动臂传感器、斗杆传感器以及铲斗传感器，反铲挖掘机底座姿态测量部件包括倾斜传感器，所述最大挖掘力量引导部件包括姿态传感器数据采集单件、倾斜传感器角度换算单件、最大挖掘力量角度计算单件以及最大挖掘力量引导提示单件，所述最大挖掘力量引导提示单件包括显示屏以及扩音器。整体结构精简；动臂传感器、斗杆传感器、铲斗传感器和倾斜传感器能精确读取当前反铲挖掘机机械臂的相关参数，并依次通过最大挖掘力量角度计算单件和最大挖掘力量引导提示单件对参数数据进行处理后得到斗杆与动臂的夹角以及铲斗齿间与切削面之间的夹角，继而通过显示屏显示当前反铲挖掘机的机械臂的状态以及要达到最大挖掘力量的目标状态，且同时通过扩音器对操作人员对机械臂的调节进行实时语音提醒，排除人为误差，大大提高操作的精准度。

(2)本实用新型中还包括微处理器，所述动臂传感器、斗杆传感器、铲斗传感器、倾斜传感器、姿态传感器数据采集单件、倾斜传感器角度换算单件、最大挖掘力量角度计算单件、显示屏以及扩音器均与所述微处理器连接。本实用新型中根据实际需求，可以将微处理器、姿态传感器数据采集单件、倾斜传感器角度换算单件、最大挖掘力量角度计算单件、显示屏以及扩音器集成为一体化结构，便于使用。微处理器的设计，实现整个动作的自动化操作，进一步提高操作的精准度。

(3)本实用新型中所述倾斜传感器为双轴倾斜传感器，其型号为德国的TILTIXInclinometers ACS-080-2或者倾角传感器SST200系列；所述动臂传感器、斗杆传感器以及铲斗传感器均采用德国的TILTIX Inclinometers ACS-360-1或者静态倾角传感器SST300。各传感器的精度高，能满足现实中对反铲挖掘机的机械臂进行调节的精度需求。

(4)本实用新型中动臂传感器、斗杆传感器以及铲斗传感器的安装位置选择适当，所测数据能够真实获得当前反铲挖掘机的机械臂的状态，提高操作精确度。

(5)本实用新型中所述动臂传感器、斗杆传感器、铲斗传感器以及倾斜传感器分别采用RS-485、RS-232、CANBUS或SPI通信协议与所述姿态传感器数据采集单件连接。此处采用有线连接方式，确保各数据传输的顺畅。现实中，可以根据实际需求考虑采用无线连接方式，便于远距离操作。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是实施例1中反铲挖掘机的机械臂的结构示意图；

图2是实施例1中反铲挖掘机挖力引导装置的使用方法的结构示意图；

图3是图2中斗杆与动臂的夹角以及铲斗齿间与切削面之间的夹角获得的原理图；

其中，1、反铲挖掘机机械臂姿态测量部件，1.1、动臂传感器，1.2、斗杆传感器，1.3、铲斗传感器，2、反铲挖掘机底座姿态测量部件，2.1、倾斜传感器，3、最大挖掘力量引导部件，3.1、姿态传感器数据采集单件，3.2、倾斜传感器角度换算单件，3.3、最大挖掘力量角度计算单件，3.4、最大挖掘力量引导提示单件，3.41、显示屏，3.42、扩音器；

Q1、动臂，Q2、斗杆，Q3、铲斗。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

使用时，反铲挖掘机的机械臂的结构详见图1，机械臂包括依次连接的动臂Q1、斗杆Q2以及铲斗Q3，动臂Q1两端的两个节点为A点和B点，B点位于动臂Q1和斗杆Q2的连接处；斗杆Q2两端的两个节点为B点和C点，C点位于斗杆Q2与铲斗Q3的连接处；铲斗Q3的齿部两端的两个节点为D点和E点，C点、E点和D点连接组成反铲挖掘机的铲斗Q3的外轮廓。

一种反铲挖掘机挖力引导装置，详见图1和图2，包括反铲挖掘机机械臂姿态测量部件1、反铲挖掘机底座姿态测量部件2以及最大挖掘力量引导部件3。

所述反铲挖掘机机械臂姿态测量部件1包括安装在动臂Q1上且其测量方向与动臂Q1两端的A点和B点之间的连线的方向相同的动臂传感器1.1、安装在斗杆Q2上且其测量方向与斗杆Q2两端的B点和C点之间的连线的方向相同的斗杆传感器1.2以及安装在铲斗Q3上且其测量方向与铲斗Q3的齿部两端的D点和E点之间的连线的方向相同的铲斗传感器1.3。所述动臂传感器1.1、斗杆传感器1.2以及铲斗传感器1.3均采用德国的TILTIXInclinometersACS-360-1或者静态倾角传感器SST300。动臂传感器1.1、斗杆传感器1.2和铲斗传感器1.3的读数记为ε₁、ε₂和ε₃。

所述反铲挖掘机底座姿态测量部件2包括安装在反铲挖掘机驾驶室的顶部且能测量反铲挖掘机的俯仰角和翻滚角的倾斜传感器2.1，所述倾斜传感器2.1为双轴倾斜传感器，其型号为德国的TILTIX InclinometersACS-080-2或者倾角传感器SST200系列。双轴倾斜传感器测量两个垂直方向的倾斜度(即X方向和Y方向)，其中：X方向上的倾斜度就是反铲挖掘机的俯仰角α，Y方向上的倾斜度就是反铲挖掘机的翻滚角β。具体使用时：要求双轴倾斜传感器的X测量方向平行于反铲挖掘机基座坐标系中指向动臂的方向，或者实际操作过程中只要保证双轴倾斜传感器的X测量方向平行于反铲挖掘机驾驶室顶部的边沿即可。

所述最大挖掘力量引导部件3包括姿态传感器数据采集单件3.1、与所述姿态传感器数据采集单件3.1连接的倾斜传感器角度换算单件3.2、与所述倾斜传感器角度换算单件3.2连接的最大挖掘力量角度计算单件3.3以及最大挖掘力量引导提示单件3.4，所述最大挖掘力量引导提示单件3.4包括用于图形化显示的显示屏3.41以及用于进行语音提醒的扩音器3.42。姿态传感器数据采集单件3.1、倾斜传感器角度换算单件3.2和最大挖掘力量角度计算单件3.3可以是置入相应计算公式的现有模块。

所述动臂传感器1.1、斗杆传感器1.2、铲斗传感器1.3以及倾斜传感器2.1分别采用RS-485、RS-232、CANBUS或SPI通信协议与所述姿态传感器数据采集单件3.1连接。也可以根据实际需求采用无线方式连接，满足不同的需求。

应用本实施例的反铲挖掘机挖力引导装置，其具体使用方法如下，包括以下步骤：

第一步、安装好动臂传感器1.1、斗杆传感器1.2、铲斗传感器1.3以及倾斜传感器2.1；

第二步、姿态传感器数据采集单件3.1采集所述动臂传感器1.1、斗杆传感器1.2、铲斗传感器1.3以及倾斜传感器2.1的读数，并将数据传递给倾斜传感器角度换算单件3.2；

第三步、倾斜传感器角度换算单件3.2将收到的数据进行角度转换，得到动臂、斗杆和铲斗的真实值；并将动臂、斗杆和铲斗的真实值传递给最大挖掘力量角度计算单件3.3，此步中角度转换过程具体如下：

所述动臂传感器1.1、斗杆传感器1.2以及铲斗传感器1.3的读数分别为ε₁、ε₂和ε₃，所述倾斜传感器2.1测得的反铲挖掘机的俯仰角和翻滚角分别为α和β；

所述倾斜传感器角度换算单件3.2进行角度转换后所得动臂、斗杆和铲斗的真实值分别为θ₁、θ₂和θ₃，角度换算公式详见表达式1)、表达式2)和表达式3)：

${\mathrm{\θ}}_1={\sin }^{-1}\left(\frac{-sin\mathrm{\α}.{\mathrm{cos\ϵ}}_1+\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}-{\sin }^2\mathrm{\β}).({\cos }^2\mathrm{\β}-{\cos }^2{\mathrm{\ϵ}}_1)}}{{\cos }^2\mathrm{\β}}\right)---1);$

${\mathrm{\θ}}_2={\sin }^{-1}\left(\frac{-sin\mathrm{\α}.{\mathrm{cos\ϵ}}_2+\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}-{\sin }^2\mathrm{\β})\·({\cos }^2\mathrm{\β}-{\cos }^2{\mathrm{\ϵ}}_2)}}{{\cos }^2\mathrm{\β}}\right)---2);$

${\mathrm{\θ}}_3={\sin }^{-1}\left(\frac{-sin\mathrm{\α}.{\mathrm{cos\ϵ}}_3+\sqrt{({\cos }^2\mathrm{\α}-{\sin }^2\mathrm{\β}).({\cos }^2\mathrm{\β}-{\cos }^2{\mathrm{\ϵ}}_3)}}{{\cos }^2\mathrm{\β}}\right)---3);$

表达式1)、表达式2)以及表达式3)中：ε₁、ε₂和ε₃分别为动臂传感器、斗杆传感器以及铲斗传感器的读数；α和β分别为反铲挖掘机的俯仰角和翻滚角；

第四步、最大挖掘力量角度计算单件3.3计算得到斗杆与动臂的夹角以及铲斗齿间与切削面之间的夹角；并将斗杆与动臂的夹角以及铲斗齿间与切削面之间的夹角传递给最大挖掘力量引导提示单件3.4；

此步骤中最大挖掘力量角度计算单件3.3的具体计算方法如下：

详见图3，斗杆与动臂的夹角为γ，具体通过表达式4)得到：

γ＝180°-(θ₂-θ₁) 4)；

其中：θ₁为倾斜传感器角度换算单件进行角度转换后所得动臂的真实值；θ₂为倾斜传感器角度换算单件进行角度转换后所得斗杆的真实值；

铲斗齿间与切削面之间的夹角为δ，具体通过表达式5)得到：

δ＝90°-θ₃ 5)；

其中：θ₃为倾斜传感器角度换算单件进行角度转换后所得铲斗的真实值；

第五步、最大挖掘力量引导提示单件3.4中的显示屏3.41显示当前反铲挖掘机的机械臂的状态以及要达到最大挖掘力量的目标状态，同时扩音器3.42进行语音提醒。

本实施例中语音提醒的方式很多，具体可以是以下方式：当动臂与斗杆之间的夹角γ刚好成90°时，扩音器发出确认提示音；当铲斗齿间与切削面之间的夹角δ刚好成30°时，扩音器发出确认提示音。

实施例2：

与实施1不同之处在于：本实施例反铲挖掘机挖力引导装置还可以包括微处理器，所述动臂传感器1.1、斗杆传感器1.2、铲斗传感器1.3、倾斜传感器2.1、姿态传感器数据采集单件3.1、倾斜传感器角度换算单件3.2、最大挖掘力量角度计算单件3.3、显示屏3.41以及扩音器3.42均与所述微处理器连接。通过微处理器的控制实现自动化控制，进一步提高操作精准度。

微处理器、姿态传感器数据采集单件、倾斜传感器角度换算单件、最大挖掘力量角度计算单件、显示屏以及扩音器集成为一体化结构。

以反铲挖掘机的机械臂由原始状态调制成最佳状态下，现有技术和本实用新型方法的比较详见表1。

机械臂的原始状态：斗杆与动臂的夹角γ为15°，铲斗齿间与切削面之间的夹角δ为75°

机械臂的最佳状态：斗杆与动臂的夹角γ为90°，铲斗齿间与切削面之间的夹角δ为30°。

表1现有技术和本实用新型的效果比较表

应用本实用新型技术方案，无需对反铲挖掘机进行改装，既可排除人为误差，又可大大提高操作的精准度。

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

Claims (6)

1.一种反铲挖掘机挖力引导装置，其特征在于，包括反铲挖掘机机械臂姿态测量部件(1)、反铲挖掘机底座姿态测量部件(2)以及最大挖掘力量引导部件(3)；

所述反铲挖掘机机械臂姿态测量部件(1)包括安装在动臂上且其测量方向与动臂两端的两个节点之间的连线平行的动臂传感器(1.1)、安装在斗杆上且其测量方向与斗杆两端的两个节点之间的连线平行的斗杆传感器(1.2)以及安装在铲斗上且其测量方向与铲斗的齿部两端的两个节点之间的连线平行的铲斗传感器(1.3)；

所述反铲挖掘机底座姿态测量部件(2)包括安装在反铲挖掘机驾驶室的顶部且能测量反铲挖掘机的俯仰角和翻滚角的倾斜传感器(2.1)；

所述最大挖掘力量引导部件(3)包括姿态传感器数据采集单件(3.1)、与所述姿态传感器数据采集单件(3.1)连接的倾斜传感器角度换算单件(3.2)、与所述倾斜传感器角度换算单件(3.2)连接的最大挖掘力量角度计算单件(3.3)以及最大挖掘力量引导提示单件(3.4)，所述最大挖掘力量引导提示单件(3.4)包括用于图形化显示的显示屏(3.41)以及用于进行语音提醒的扩音器(3.42)；

所述动臂传感器(1.1)、斗杆传感器(1.2)、铲斗传感器(1.3)以及倾斜传感器(2.1)均与所述姿态传感器数据采集单件(3.1)连接。

2.根据权利要求1所述的反铲挖掘机挖力引导装置，其特征在于，还包括微处理器，所述动臂传感器(1.1)、斗杆传感器(1.2)、铲斗传感器(1.3)、倾斜传感器(2.1)、姿态传感器数据采集单件(3.1)、倾斜传感器角度换算单件(3.2)、最大挖掘力量角度计算单件(3.3)、显示屏(3.41)以及扩音器(3.42)均与所述微处理器连接。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的反铲挖掘机挖力引导装置，其特征在于，所述倾斜传感器(2.1)为双轴倾斜传感器，其型号为德国的TILTIX Inclinometers ACS-080-2或者倾角传感器SST200系列。

4.根据权利要求3所述的反铲挖掘机挖力引导装置，其特征在于，所述动臂传感器(1.1)、斗杆传感器(1.2)以及铲斗传感器(1.3)均采用德国的TILTIX InclinometersACS-360-1或者静态倾角传感器SST300。

5.根据权利要求3所述的反铲挖掘机挖力引导装置，其特征在于，动臂两端的两个节点为A点和B点，B点位于动臂和斗杆的连接处；斗杆两端的两个节点为B点和C点，C点位于斗杆与铲斗的连接处；铲斗的齿部两端的两个节点为D点和E点，C点、E点和D点连接组成反铲挖掘机的铲斗的外轮廓；

所述动臂传感器(1.1)的测量方向与A点和B点之间的连线的方向相同；所述斗杆传感器(1.2)的测量方向与B点和C点之间的连线的方向相同；所述铲斗传感器(1.3)的测量方向与E点和D点之间的连线的方向相同。

6.根据权利要求3所述的反铲挖掘机挖力引导装置，其特征在于，所述动臂传感器(1.1)、斗杆传感器(1.2)、铲斗传感器(1.3)以及倾斜传感器(2.1)分别采用RS-485、RS-232、CANBUS或SPI通信协议与所述姿态传感器数据采集单件(3.1)连接。