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專利名稱：具有重心補(bǔ)償?shù)挠行ж?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，涉及一種用于作業(yè)機(jī)鏈接部 件重心變化的有效負(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)。2003年2月11日授予Crane III等人的美國專利6，518，519 (’ 519專利)公開了 確定作業(yè)機(jī)所運(yùn)送質(zhì)量的一種方法。’ 519專利公開了一種具有底架、和底架耦合的司機(jī)室、 以及和司機(jī)室耦合的懸臂。第一致動器與懸臂和司機(jī)室耦合，并相對于司機(jī)室移動懸臂。該 機(jī)器具有和懸臂耦合的操縱桿，和與操縱桿和懸臂耦合相對于懸臂移動操縱桿的第二致動 器。機(jī)器還具有用于接收有效負(fù)載的鏟斗。鏟斗與操縱桿耦合，第三致動器與鏟斗和操縱 桿耦合并相對于操縱桿移動鏟斗。采用各種檢測設(shè)備確定懸臂相對于司機(jī)室的第一接合角，操縱桿相對于懸臂的第 二接合角，鏟斗相對于操縱桿的第三接合角，施加至第一致動器的第一致動器力，施加至第 二致動器的第二致動器力，以及施加至第三致動器的第三致動器力。例如還可通過訪問存 儲器中的數(shù)據(jù)集確定機(jī)器的多個(gè)物理特征。處理設(shè)備及時(shí)地在至少兩個(gè)距離從測量設(shè)備接 收信號，并采用動態(tài)方程確定鏟斗的質(zhì)量或者重量以及其中的根據(jù)所接收的信號以及機(jī)器 的預(yù)定物理特征的任何有效負(fù)載。在動態(tài)方程中，鏟斗的質(zhì)心位置以未知參數(shù)表示，但是操 縱桿和懸臂的質(zhì)心位置(在固定的xy坐標(biāo)系統(tǒng)中)都假定為已知項(xiàng)。鏟斗和有效負(fù)載的 質(zhì)量/重量的確定可在懸臂、操縱桿和鏟斗中的一個(gè)或者全部處于運(yùn)動狀態(tài)時(shí)進(jìn)行。盡管現(xiàn)有技術(shù)機(jī)器可在懸臂、操縱桿、和鏟斗的一個(gè)或者全部運(yùn)動時(shí)確定有效負(fù) 載的質(zhì)量/重量，但是鏈接的質(zhì)心位置的改變可產(chǎn)生所確定質(zhì)量的誤差。所公開的機(jī)器系統(tǒng)旨在克服上面列出的一個(gè)或多個(gè)問題。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明涉及一種和具有至少兩個(gè)鏈接部件的作業(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)可具有至少一個(gè)配置為測量該至少兩個(gè)鏈接部件的狀態(tài)的狀 態(tài)傳感器。有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)還可具有和至少一個(gè)狀態(tài)傳感器通信的處理設(shè)備。處理設(shè)備 可計(jì)算該至少兩個(gè)鏈接部件每個(gè)的重心變化。處理設(shè)備還可配置為采用該至少一個(gè)狀態(tài)傳 感器確定作業(yè)機(jī)所運(yùn)送的質(zhì)量。另一方面，本發(fā)明涉及一種計(jì)算有效負(fù)載的方法。該方法包括致動至少兩個(gè)鏈接 部件的其中一個(gè)以移動有效負(fù)載并測量該至少兩個(gè)鏈接部件上的力。該方法還可包括測量 該至少兩個(gè)鏈接部件的狀態(tài)。該方法還可包括采用測量的力和測量的狀態(tài)計(jì)算負(fù)載的質(zhì) 量，同時(shí)考慮該至少兩個(gè)鏈接部件每個(gè)的重心變化。


圖1圖示了示例性公開的機(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的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)；圖3圖示了示例性公開的作業(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12，底架14、電源16和作業(yè)機(jī)18。平臺12可以可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在底架14上并且可提供與作業(yè)機(jī)18相連的底部部件 (未示出)。平臺12還可包括操作員可從其控制機(jī)器10的運(yùn)行的操作員站20。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)動和/或可操控。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)動機(jī)(例如天然氣發(fā)動機(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機(jī)的其它 電力儲存設(shè)備。電源16可為驅(qū)動牽引裝置22提供旋轉(zhuǎn)輸出，從而驅(qū)動機(jī)器10。電源16還 可提供電力以相對于底架14旋轉(zhuǎn)平臺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 器26并被其致動。認(rèn)為鏈接部件24可在基本上與工作面正交的平面上平移或旋轉(zhuǎn)。如圖2所示，每個(gè)致動器26可以為例如包括活塞組件36和管道38的液壓缸。活塞組件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/或第二腔室可選擇地供應(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。還認(rèn)為致動器26可選 擇地具體為電動機(jī)、氣動機(jī)、或者本領(lǐng)域已知的任何其它致動設(shè)備。液壓系統(tǒng)40可提供加壓流體以驅(qū)動每個(gè)致動器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)可對與多個(gè)控制 閥連通的液壓油加壓。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。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設(shè)備(例如狀態(tài)傳感器44可位于線性致動器上并且可配置為 采用致動器位置確定接合角度)。狀態(tài)傳感器44的輸出信號可用于確定作業(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。力傳感器46可配置為輸出可用于確定致動器26和/或鏈接部件24所產(chǎn)生或者 經(jīng)受的力的信號。例如，力傳感器46可具體為設(shè)置并配置為測量致動器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)為處理設(shè)備可以使用測量的 壓力以及致動器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。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)、致動器接合點(diǎn)、或者其 它合適位置的力測量設(shè)備。方位傳感器45可測量機(jī)器10的斜度和滾動。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可無線地 或者經(jīng)一條或多條通信線路43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。多種市場購買的微處理 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可包括存儲器、次存儲設(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 號調(diào)節(jié)電路、數(shù)據(jù)采集電路、信號輸出電路、信號放大電路、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)存儲在處理設(shè)備48的內(nèi)存儲器中的地圖。這些地圖每 張都包括表格、圖形和/或方程形式的數(shù)據(jù)收集。處理設(shè)備48可包括動態(tài)模型、校準(zhǔn)步驟和評估步驟。動態(tài)模型可包括使得接合點(diǎn)扭矩T和其它可測量和/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上的接合點(diǎn)扭矩值的向量或者矩陣(參 見圖3)。認(rèn)為動態(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)可接受的動態(tài)模型為
權(quán)利要求
一種和具有至少兩個(gè)鏈接部件(24)的作業(yè)機(jī)(18)一起使用的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)(42)，包括至少一個(gè)狀態(tài)傳感器(44)，其被配置為測量所述至少兩個(gè)鏈接部件的狀態(tài)；以及處理設(shè)備(48)，其與所述至少一個(gè)狀態(tài)傳感器通信，其中所述處理設(shè)備計(jì)算所述至少兩個(gè)鏈接部件每個(gè)的重心變化，所述處理設(shè)備被配置為采用所述至少一個(gè)狀態(tài)傳感器確定由所述作業(yè)機(jī)運(yùn)送的有效負(fù)載質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)，其中所述至少兩個(gè)鏈接部件的每個(gè)包括致動 器(26)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)，還包括配置為測量所述致動器處的力的一個(gè) 或多個(gè)力傳感器(46)，其中所述處理設(shè)備與所述一個(gè)或多個(gè)力傳感器通信，并且所述處理 設(shè)備被配置為采用一個(gè)或多個(gè)力傳感器確定有效負(fù)載的質(zhì)量。
4.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)備包括模型，并且所述處理 設(shè)備利用該模型確定有效負(fù)載的質(zhì)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求5的有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)，其中所述處理設(shè)備被配置為通過在從所述一 個(gè)或多個(gè)力傳感器和所述至少一個(gè)狀態(tài)傳感器接收測量值時(shí)改變所述至少兩個(gè)鏈接部件 的每個(gè)的角度而校準(zhǔn)模型。
6.一種計(jì)算有效負(fù)載質(zhì)量的方法，包括致動至少兩個(gè)鏈接部件(24)的其中一個(gè)以移動負(fù)載；測量所述至少兩個(gè)鏈接部件處的力；測量所述至少兩個(gè)鏈接部件的狀態(tài)；以及采用所述測量的力和測量的狀態(tài)計(jì)算負(fù)載的質(zhì)量，同時(shí)考慮所述至少兩個(gè)鏈接部件每 個(gè)的重心變化。
7.如權(quán)利要求6的方法，其中所述至少兩個(gè)鏈接部件包括懸臂部件(28)、操縱桿部件 (30)和作業(yè)工具(32)。
8.如權(quán)利要求7的方法，其中所述狀態(tài)包括角度、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，還包括校準(zhǔn)，其中在移動負(fù)載之前進(jìn)行校準(zhǔn)，并包括在測量力 和測量狀態(tài)的同時(shí)改變所述至少兩個(gè)鏈接部件每個(gè)的角度。
10.一種機(jī)器(10)，包括作業(yè)機(jī)(18)，所述作業(yè)機(jī)(18)具有懸臂部件(28)和如權(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)明涉及一種用于和具有至少兩個(gè)鏈接部件(24)的作業(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)可具有配置為測量該至少兩個(gè)鏈接部件狀態(tài)的至少一個(gè)狀態(tài)傳感器(44)。有效負(fù)載計(jì)算系統(tǒng)還可具有和該至少一個(gè)狀態(tài)傳感器通信的處理設(shè)備(48)。處理設(shè)備可計(jì)算該至少兩個(gè)鏈接部件每個(gè)的重心變化。處理設(shè)備還可配置為采用該至少一個(gè)狀態(tài)傳感器確定作業(yè)機(jī)所移動的有效負(fù)載質(zhì)量。
文檔編號G01G19/08GK101999070SQ200880118195
公開日2011年3月30日 申請日期2008年11月24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 申請人:卡特彼勒公司