沟渠挖掘机及其挖掘方法 本发明涉及到一种用于挖掘沟渠的挖掘机及其挖掘沟渠的方法。
在基础土建工程中有许多挖掘沟渠作业，并且存在如何在挖掘时保证沟渠壁平直性的问题。
日本公开特许公报平11-93202号就是提高这种平直性的一个例子。下文用挖掘垂直于地面的沟渠来解释传统的挖掘机。图5为这种挖掘机的正视图，图6a为将地下测角仪连接在连接杆上的状态视图，图6b为挖掘立柱内刀具支柱的截面图，图7分别为测角仪和数据处理方式的框图，图8为显示屏内容的示例。
挖掘机1包括由移动部分2a和其上面的旋转部分2b组成的挖掘装置主体2。旋转部分2b上安装有门形框架3，框架3由导杆4支撑，导杆4由滑动缸4a推动大致成水平地滑动。导杆4上装在由油缸推动上下平移的旋转驱动装置7上，在驱动装置7内装有能按顺时针或逆时针方向转动的驱动链轮6b。
所述驱动装置7地壳体底端连接在带有许多刀具的刀具支柱6a上，并且在该刀具支柱底端，装有从动链轮。在所述驱动链轮和从动链轮之间装上循环挖掘链6d就形成了挖掘立柱6。装有挖掘刀具或挖掘刃6e的挖掘链6d与驱动链轮和从动链轮一起转动，从而，挖掘立柱6在地下横向移动并挖掘沟渠100。
地下测角仪11-14装在所述刀具支柱6a内，地上测角仪15装在移动部分2a上。如图6a所示，地下测角仪由从上至下连接在连接杆16的多个测角仪组成。连接杆16上的长度标尺成为了地下测角仪之间的间距。连通这些测角仪的电线17绕在所述连接杆16上。
如图6b所示，刀具支柱6a内不仅仅有由上至下的(图6b中的深度方向)输气孔18等，还有与所述输气孔平行的测角仪插入孔19，如图6a所示，测角仪组件就插在该孔里。
如图7所示的数据处理装置40装在所述旋转部分2b的操纵箱2c里。数据处理装置40由数据记录器41和个人电脑42(下文中称为‘PC’)组成。所述数据记录器41与地下和地上测角仪11-15通过电线17相连，并将各个测角仪输出的模拟信号输入到PC42中。所述PC42根据数据记录器41记录的数据计算刀具支柱6a的倾角或弯曲度，并在每一时刻都将其在显示屏上显示出来。
下面参考图8来对所述PC42的显示屏的内容加以说明。显示屏上显示的内容有，深度51，刀具支柱6a的弯曲曲线52，刀具支柱6a内表面和外表面在预定深度的倾角53A和53B，刀具支柱6a在预定深度沿内表面方向和外表面方向的弯曲量54A和54B。通过这些数据，就可以知道刀具支柱6a当前的倾斜或弯曲情况。
不过，所述传统挖掘机只能测量某个孔位而不是整个沟渠壁的倾角或偏移量，也不具备对整个沟渠壁的倾角数据进行实时处理的功能。
为了挖掘出具有地下垂直性更好的高精度沟渠壁的沟渠，不仅有必要得到挖掘立柱当前位置的沟渠壁的倾角数据，而且有必要得到沟渠壁的全部位置的数据(整个过程的倾角数据)。不过，对于传统的挖掘机，由于不能了解整个沟渠壁的形状，很难挖掘出沟渠壁精度很高的沟渠。
因此，本发明的目的之一是提供一种沟渠挖掘机以及通过了解整个沟渠壁的形状挖掘出沟渠壁平直性更好且精度很高的沟渠的挖掘方法。
本发明的挖掘机包括如下部分：
挖掘立柱，该挖掘立柱包括挖掘刀具和测角仪，该测角仪用来检测挖掘出的沟渠侧壁的倾角；
移动距离记录器，该装置用来测量挖掘机移动距离；
计算器，该计算器根据所述测角仪输出的倾角信号和所述移动距离记录器输出的移动距离信号来计算和累积所述挖掘机每一移动距离单位的倾角信号；
显示装置，该显示装置用来显示由所述计算机输出的累积起来的所述倾角信号。
在这种情况下，由于累积起来的倾角信号在显示器上显示出比如说沟渠壁的形状。所以操纵者能根据显示器中时刻都在改变的整个沟渠壁的形状来操纵挖掘机。从而，就可以挖掘出沟渠壁平直性很高的沟渠。
图1为根据本发明一个实施例的沟渠挖掘机的示意性正视图；
图2为图1中挖掘机从箭头A方向看去得到的视图；
图3为根据本发明实施例的沟渠壁形状显示装置的框图；
图4为根据本发明实施例所显示的沟渠壁的图像；
图5为现有技术的挖掘机的示意性正视图；
图6a显示了现有技术中将地下测角仪连接在连接杆上的情形；
图6b为挖掘立柱内的刀具支柱的截面图；
图7为现有技术中测角仪和数据处理装置的框图；
图8为现有技术中数据处理装置显示内容的一个示例。
下面，将参考图1到图4对根据本发明一个实施例的沟渠挖掘机加以说明。不过，本发明并不局限于此实施例。
图1为根据本发明一个实施例的沟渠挖掘机的示意性正视图。图2为图1中挖掘机从箭头A方向看去得到的视图。图3为沟渠壁形状显示装置的框图。图4为显示沟渠壁的图像。下文中，将参考这些附图，以挖掘垂直于地面的沟渠作为例子加以描述。不过，在本实施例和现有技术的挖掘机的主要组成部分中，只要二者结构相同以及在两种挖掘机中功能相同，将用同样的名称对其加以说明。
见图1和图2，数字1代表沟渠挖掘机。挖掘机1设有挖掘装置主体2，所述挖掘装置主体2由可在地面移动的移动部分2a和移动部分2a上面的旋转部分2b组成。主体装置2的旋转部分2b上装有由支撑缸4驱动、绕作为转动中心的支撑销3b转动并与挖掘装置主体2的移动方向平行的门形框架3。该门形框架3由导杆5支撑，该导杆5由滑动缸6推动，在大致水平方向(平行于地面)作往复移动。
在导杆5上装有旋转驱动装置7，该旋转驱动装置7由未示出的油缸驱动上升或下降。在该旋转驱动装置7上装有驱动链轮8b。该驱动链轮8b由装置7驱动在顺时针方向或逆时针方向旋转。行程表22测量所述滑动缸6的活塞杆行程(见图3)，再如后面所述将活塞行程信号作为沟渠壁的形状信息输往显示装置。
所述装置7的壳体底部连着向下延伸的刀具支柱8a。刀具支柱8a由上至下包括连接起来的许多刀具。刀具支柱8a的底端装有能自由转动的从动链轮8c。循环挖掘链8d装在所述链轮8b和8c之间，从而就形成了挖掘立柱8。旋转驱动装置7和刀具支柱8a的机罩形成了可转动地支承驱动链轮8b和从动链轮8c的挖掘立柱机壳。
挖掘链8d的表面装有许多挖掘刀具8e。当挖掘链8d随着驱动链轮8b和从动链轮8c一起转动时，挖掘立柱8在地下水平移动，从而就可沿前进方向挖掘出沟渠100。
在所述刀具支柱8a中按上下方向布置着多个地下测角仪(本实施例中有4个)11、12、13及14。此外，在移动部分2a上还有一个地上测角仪15。测角仪11到15探测地表面的倾角，也即当移动部分2a移动时与各个测角仪接触的沟渠壁的倾角。测角仪11到15，也即倾角传感器，可为以下类型：变形应变计型传感器，电位计型传感器，静电容量型传感器，等等。
测角仪11到14中最下面或最深的地下测角仪近乎处于刀具支柱8a的底端。从最深的地下测角仪11起，地下测角仪12，13和14按次序朝着地面方向以合适的间距布置。
测角仪11到15中的每一个既可以探测与平行于挖掘单位8移动方向的倾角(图1中的左右方向；下文中用‘内表面方向’指代)，又可以探测与垂直于挖掘单位8移动方向的倾角(图1中的深度方向；下文中用‘外表面方向’指代)。
在本实施例中，测角仪11到15具备基本上同时探测与平行于挖掘单位8移动方向的内表面方向倾角和与垂直于挖掘单位8移动方向的外表面方向倾角的能力。由测角仪11到15检测到的沟渠壁的倾角信模拟号被输入到后面介绍的沟渠壁形状显示装置中去。
不过，几乎同步地检测挖掘单位8内表面方向和外表面方向的倾角确有效果。那就是，通过测角仪11到15在内表面方向的测量结果，可以知道在挖掘过程中，刀具支柱8a在沟渠壁横断面内须更加用力地压入较硬的土壤中，这样，就可以选择更为有效的挖掘方式。而且，这对于定量地弄清楚由滑动缸6的水平推力产生的刀具支柱8a的弯曲量也有帮助。并且，在外表面方向的测量结果对于精确地控制沟渠壁的形状也是必要的信息。在本实施例中，因为可以几乎同步地得到内表面方向的测量结果和外表面方向的测量结果，所以就可以高效地挖掘出侧壁非常精确且平直性很好的沟渠。
后面将要讲到的位移记录器21装在本实施例的挖掘机1中。位移记录器21包括一个用来在地上滚动的轮子、一个通过所述轮子的滚动来测量所述挖掘装置主体2的水平移动距离的编码器、一根将所述轮子的滚动传递到所述编码器的链条、一个装有所述编码器并同时可转动地支承所述轮子的盒状支座，和一个让所述轮子接触和脱离地面的旋转臂。其中，该旋转臂从所述盒状支座中伸出来并且可转动地安装在一个挖掘装置主体2上的装配支架上。由位移记录器21检测到的挖掘装置主体2的水平移动距离信号被输入到后面将作说明的沟渠壁显示装置。
利用位移记录器21，就可以测量到挖掘装置主体2的水平移动距离信号，而不需要在挖掘机1之外安装特殊的额外设备。因此，测量挖掘机1移动距离的准备工作也变得很容易。
不过，在使用位移记录器21时，会出现对挖掘装置主体2的水平移动距离信号进行连续的检测而导致的累积误差。因此，就必须每天都改正或修改这样的累积误差。同时，采用分离型的记录器，即位移记录器21的轮子可以与地面接触也可以离开地面，的原因是如果只在施工现场范围内移动，就没有必要去测量挖掘装置主体2的水平移动距离。
本实施例的挖掘机1采用了有一个轮子和一个通过轮子的滚动来测量水平移动距离的编码器的位移记录器21。不过，除了这种记录器，还可采用自动跟踪系统或全球定位测量系统。
自动跟踪系统是在挖掘装置主体2上装一个目标棱镜，在挖掘机1之外的地方装一个自动跟踪测距仪。该自动测距仪从与目标棱镜成一定距离和角度的地方测量该目标棱镜的三维位置。
全球定位测量系统是装一个全球定位系统天线，并使全球定位系统天线(参考点)处于挖掘机1外表面的一个位置，同时通过该全球定位系统天线(参考点)从全球定位系统卫星上接受信号，然后测量在挖掘装置主体2上的全球定位系统天线的位置。因此，这种系统可高精度地测量挖掘装置主体2的三维动作。
与采用这些系统相一致的是，该系统也可以极高的精度来测量挖掘装置主体2的水平移动距离。
旋转部分2b上的操纵箱2c内装有沟渠壁形状显示装置30，该显示装置30输入并显示如下信号及类似信号：测角仪11到15分别测到的沟渠壁倾角模拟信号、由行程表22测到的滑动缸6的活塞杆行程长度信号以及由所述位移记录器21测量的挖掘装置主体2的水平移动距离信号。
沟渠壁形状显示装置30包括一个模拟/数字转换器31、一台其实是计算器的带显示器32a的个人电脑32(下文称为PC)。
地下测角仪11到14通过电线17连接在模拟/数字转换器31上，地上测角仪15通过电线17’也连接在模拟/数字转换器31上。从测角仪11到15来的沟渠壁倾角模拟信号经模拟/数字转换器31转换成倾角数字信号，然后再输入到PC 32中。另外，由位移记录器21测量的挖掘装置主体2的水平移动距离模拟信号以及由行程表22测到的滑动缸6的伸缩式活塞行程长度模拟信号经位移信号转换器(模拟/数字转换器)转换成数字信号，然后分别作为水平移动距离数字信号和活塞杆行程长度数字信号与所述倾角数字信号一起被输入到PC32中。
所述PC32处理的所述倾角数字信号是在对应于预定的采样时间内挖掘立柱8的水平移动距离单位的经三维处理的倾角数据。同时，PC32将横向的经过三维处理的倾角数据累积起来。横向的累积起来的倾角数据实时地在显示器32a上显示成挖掘的沟渠的横向侧壁形状。同时，横向的累积起来的倾角数据被储存在数据存储装置40中。相应地，如果需要的话，存储的倾角数据也可被输入到PC32中并在显示器32a上重新显示出来。通过这些，操作者就可以弄清每时每刻都在变化的整个的沟渠壁形状。同时，在挖掘完成之后，还可确认一下整个沟渠壁形状的好坏。另外，在本实施例中，尽管PC32与显示器32a做成一个整体，但它们也可以分开。
如上所述，本实施例的挖掘机1可以在显示器32a上显示挖掘中的沟渠壁形状，也可显示早已存储好的沟渠壁形状。PC32也可以连接打印机(未示出)。在这种情况下，沟渠壁形状既可由显示器32a显示出来，也可由打印机打印出来。在本实施例的挖掘机1中，装在刀具支柱8a内的为4个地下测角仪11到14，当然，也可以为1个，5个或更多。本发明并不局限于所提出来的地下测角仪数目。下文将对挖掘立柱8的刀具支柱8a内只装有一个测角仪的挖掘情况加以说明。此时，PC32不仅能通过对挖掘立柱8的刀具支柱8a的刚度和弯曲曲线的分析来估计和计算前面所述地下测角仪所处深度处沟渠的形状，还能估计和计算某一具体深度处的沟渠壁形状以及任意深度处的沟渠壁形状。
挖掘机1挖掘沟渠的整个过程如下：
1)首先，将挖掘机1固定在预先确定的目标位置；
2)使挖掘链8d沿泥土挖上来的方向转动并且挖掘立柱8插入地下；
3)当挖掘立柱8到达预定的深度，滑动缸6活塞杆伸出并处于驱动挖掘链8d的状态。从而，挖掘链8d在平行于地表的横向方向和导杆5一起水平地移动，这样，就挖出长度等同于所述滑动缸6活塞杆行程的沟渠；
4)然后，挖掘装置主体2沿挖掘方向前进配合滑动缸6活塞杆回位；
5)然后，在预定位置固定好之后，挖掘链8d沿将泥土挖上来的方向转动，所述滑动缸6活塞杆伸出并施压。从而，挖掘链8d在平行于地表的横向方向和导杆5一起水平地移动；
2)重复上面步骤就可以挖掘出长的沟渠。
在这种挖掘工作中，挖掘立柱8的地下部分的沿沟渠深度方向的倾角由布置在刀具支柱8a内的地下测角仪11到14测量。该测得的倾角模拟信号被输入到模拟/数字转换器31中并被模拟/数字转换器31转换成数字信号之后再送往PC32。由位移记录器21和行程表22测量的挖掘立柱8的水平移动距离模拟信号被位移信号转换器23转换成水平移动距离数字信号，并与倾角数字信号一起被输往PC32。
在本实施例中，用到了两个位移探测器，即位移记录器21和行程表22。如上所述，这是因为本实施例采用的挖掘方式是通过滑动缸6的活塞杆的伸出并施压使得挖掘立柱8水平移动以及在滑动缸6的活塞杆伸达整个行程后挖掘机1自身水平移动来进行的。
从模拟/数字转换器31出来的倾角数字信号和从距离信号转换器23来的水平移动距离数字信号被输往PC32。然后，PC32累积横向方向的沟渠壁的倾角数据，其中，所述数字倾角信号是从相应于预先设定的采样时间内挖掘立柱8的各水平移动距离单位的倾角数据经三维处理而得到。
利用这种方式，如图4所示，以对应于预先设定的从一次挖掘到下一次挖掘的采样时间内挖掘立柱8的各水平移动距离单位所累积的倾角数据显示为沟渠壁的倾斜情况。也就是，对应于一次挖掘开始到下一次挖掘开始，累积的倾角数据在显示器32a上实时显示为整个沟渠的沟渠壁形状。从而，操纵者就可以在了解时刻都在变化的整个沟渠壁形状的情况下挖掘沟渠。也就是说，可以操纵挖掘机1使得挖掘出的沟渠壁具有高精度的平直性。
挖掘工作中的一系列的步骤完成后，在横向方向累积的沟渠壁的倾角数据从数据存储装置40中输送到PC32中。在显示器32上将输入的倾角数据显示成沟渠壁形状，同时检查整个沟渠壁形状的好坏，或者通过将沟渠壁的形状用打印机打印出来检查其平直性的好坏。
如果要对沟渠壁形状进行修正，应使挖掘机回到挖掘的初始位置再开始下一步工作。也就是说，根据显示器32上的或打印出来的沟渠壁的形状，将挖掘立柱8向着挖掘装置主体2的中央或外侧倾斜，在将挖掘立柱8压在沟渠壁上的同时横向方向移动，这样，挖掘完的沟渠壁的倾斜表面就得到了修整。因此，就可以挖掘出沟渠壁平直性更为优良的高精度沟渠。
当然，修正沟渠壁形状和在地上挖掘沟渠一样，滑动缸6的活塞杆伸出推动挖掘立柱8水平移动以及在滑动缸6的活塞杆伸出达到其整个行程之后挖掘机1自身移动，这些步骤周而复始。
如上所述，在刀具支柱8a中只装有一个地下测角仪的情况中，PC32能根据挖掘立柱8或刀具支柱8a的刚度和弯曲曲线估计和计算出一个具体深度的沟渠壁形状而不仅仅是前面所述多个地下测角仪所处的深度的沟渠壁形状，从而得出任意深度的沟渠壁形状。在沟渠深度是10米的情况下，对根据本实施例在刀具支柱8a中装有四个测角仪的挖掘结果和只装有一个测角仪的挖掘结果作了比较，结果证实二者的沟渠壁的平直度只相差2厘米。刀具支柱8a中只装有一个测角仪的方式可用于实际当中，因为测角仪的数目变少了，所以这种情况下，挖掘机的成本也就降低了。
在上面的实施例中，对挖掘机1的说明是以挖掘垂直于地面的沟渠为例，但可以通过缩短支撑缸4的活塞杆的伸出量并在与地面成预定的倾角的情况下移动挖掘立柱8来挖掘倾斜的沟渠。因此，本发明的技术思想不仅仅能应用于垂直挖掘上。另外，本发明的技术领域也不局限在本实施例上。