工程机械设备、可移动式配重系统及控制方法.pdf

一种用于工程机械设备的可移动式配重系统包括：配重；信息采集装置，用于采集工程机械设备的工作状态信息；计算模块，所述计算模块内预存有工程机械设备的特征参数信息，所述计算模块根据所述工作状态信息及特征参数信息计算得出所述配重的理想配重位置；控制模块，将所述理想配重位置和所述配重的实际配重位置进行比较，并输出控制信号；调节装置，接收所述控制模块输出的控制信号，并将所述配重调整至所述理想配重位置。本发明还提出一种工程机械设备及可移动式配重控制方法，本发明的工程机械设备、可移动式配重系统及控制方法，可实现对配重位置的调节，改善工程机械设备工作的稳定性和安全性。

权利要求书

工程机械设备、可移动式配重系统及控制方法
技术领域
本发明是涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种工程机械设备、可移动式配重系统及控制方法。
背景技术
一些工程机械设备（例如起重机、挖掘机等）上往往设有配重，配重可使工程机械设备的重心尽量靠近车体的回转中心，以保证车体的动态稳定性，减小回转支撑的转动阻力，并实现快速平稳回转。以挖掘机为例，为保证挖掘机的正常工作，在挖掘机配重的设计与布局中，需要考虑挖掘机的稳定性和安全性问题。挖掘机稳定性和安全性考虑不当，可导致挖掘机在挖掘过程中晃动严重甚至翻车。
目前国内外挖掘机普遍采用的固定式配重，配重箱位于挖掘机回转平台的尾部，配重箱与回转平台的联接采用止口挂钩及镶条定位、螺栓联接的方式。挖掘机的配重重量是在整机全部组装完成后，根据铲斗型号不同以及现场作业对象密度不同而选择。铲斗型号相同的情况下，作业对象密度大时，需要增加配重重量。采用这种固定式配重，在挖掘机作业过程中，工作装置的重心位置实时变化，却无法调整配重位置。
另外使用固定式配重装置时，配重的位置和重量在挖掘机作业过程中已经限定，挖掘机整机稳定性也就确定。然而随作业半径加大，挖掘机工作装置会产生相当大的倾翻力矩，会大大降低挖掘机整机的稳定性和安全性。而且在挖掘过程中，惯性载荷，作业对象改变以及外部突发性载荷等情况无法避免，若超出固定配重所能达到的稳定性性能范围，将造成挖掘机晃动，严重时甚至翻车。由于挖掘机整机失去稳定性，造成挖掘机不能充分发挥挖掘力，将造成资源浪费和不可挽回的损失。
发明内容
本发明目的在于提供一种可移动式配重系统、方法及工程机械设备，其可实现对配重位置的调节，改善工程机械设备工作的稳定性和安全性。
为达上述优点，本发明提供一种可移动式配重系统，所述可移动式配重系统包括：配重；信息采集装置，用于采集工程机械设备的工作状态信息；计算模块，所述计算模块内预存有工程机械设备的特征参数信息，所述计算模块根据所述工作状态信息及特征参数信息计算得出所述配重的理想配重位置；控制模块，将所述理想配重位置和所述配重的实际配重位置进行比较，并输出控制信号；调节装置，接收所述控制模块输出的控制信号，并将所述配重调整至所述理想配重位置。
在本发明的一个实施例中，所述的可移动式配重系统还包括传输模块，所述传输模块将所述信息采集装置采集得到的工作状态信息传输至所述计算模块。
在本发明的一个实施例中，所述的计算模块先根据所述工作状态信息及特征参数信息更新各部件的姿态变换矩阵，计算工程机械设备各部件在工程机械设备整机参考坐标系下的重心位置矢量，然后根据所述重心位置矢量、所述工作状态信息及所述特征参数信息，利用工程机械设备整机力矩平衡方程求解得到所述配重的理想配重位置。
在本发明的一个实施例中，所述的工程机械设备为挖掘机，所述计算模块还根据所述挖掘机的工作状态信息及特征参数信息对挖掘机进行工况判定，并利用当前工况下的挖掘机整机力矩平衡方程求解所述配重的理想配重位置。
在本发明的一个实施例中，所述信息采集装置包括布置于所述挖掘机上的多个传感器，所述传感器至少包括各一个用于实时感测挖掘机作业时所处位置的坡度的倾角传感器、用于实时感测所述挖掘机的回转平台及工作装置转角的角度传感器及用于实时感测所述挖掘机的配重的实际坐标位置的位移传感器。
在本发明的一个实施例中，所述的调节装置包括导轨支架、齿条、驱动马达及齿轮，所述导轨支架固定于所述工程机械设备的回转平台上，所述齿条固定于所述工程机械设备的回转平台上且与所述导轨支架上的滑轨平行，所述齿轮安装于所述配重的底部，所述配重设于所述导轨支架上，所述驱动马达接收所述控制模块的控制信号并驱动所述齿轮转动，所述齿轮与所述齿条啮合并带动所述配重沿着所述导轨支架滑动，以将所述配重调整至所述理想配重位置。
本发明还提出一种可移动式配重控制方法，所述方法包括以下步骤：采集工程机械设备的工作状态信息；根据所述工作状态信息及所述工程机械设备的特征参数信息计算得出所述配重的理想配重位置；将所述理想配重位置和所述配重的实际配重位置进行比较，并输出控制信号；根据所述控制信号将所述配重调整至所述理想配重位置。
在本发明的一个实施例中，所述的可移动式配重控制方法还包括以下步骤：根据所述工作状态信息及特征参数信息更新工程机械设备各部件的姿态变换矩阵，计算工程机械设备各部件在工程机械设备整机参考坐标系下的重心位置矢量；根据所述重心位置矢量、所述工作状态信息及所述特征参数信息，利用工程机械设备整机力矩平衡方程求解得到所述配重的理想配重位置。
在本发明的一个实施例中，所述工程机械设备为挖掘机，所述的可移动式配重控制方法还包括根据所述工作状态信息及特征参数信息对所述挖掘机进行工况判定的步骤，在不同工况下，所述的挖掘机整机力矩平衡方程不同。
此外，本发明还提出一种工程机械设备，其包括上述任意一种可移动式配重系统。
在本发明的工程机械设备、可移动式配重系统及控制方法中，先根据工作状态信息及特征参数信息计算得出配重的理想配重位置，再将理想配重位置与实际配重位置作比较，以输出用于调节配重位置的控制信号，从而可实现对配重位置的调节，改善工程机械设备工作的稳定性和安全性。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明实施例的可移动式配重系统的架构示意图。
图2所示为图1的可移动式配重系统所应用的挖掘机的示意图。
图3所示为图1的可移动式配重系统的配重位置控制原理图。
图4所示为图1的可移动式配重系统的配重及调节装置的结构示意图。
图5所示为本发明实施例的可移动式配重控制方法的步骤流程图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
图1所示为本发明实施例的可移动式配重系统的架构示意图。请参见图1，本实施例的可移动式配重系统10以应用于挖掘机中为例进行说明，但本发明的应用不以此为限，其还可应用于需要调节配重位置的其他工程机械设备（例如起重机）中。可移动式配重系统10包括信息采集装置12、传输模块13、计算模块14、控制模块15、调节装置16及配重17。
信息采集装置12用于采集挖掘机的工作状态信息，具体地，信息采集装置12包括布置于挖掘机上的多个传感器，这些传感器包括倾角传感器122、角度传感器123、压力传感器124、风速传感器125、加速度传感器126、角加速度传感器127、位移传感器128及角速度传感器129。这些传感器用于实时感测相关信息并传送至传输模块13。
具体地，图2所示为图1的可移动式配重系统所应用的挖掘机的示意图。请一并参见图2，挖掘机20包括底盘22、回转平台23、动臂24、斗杆25及铲斗26，回转平台23配置于底盘22上，并可相对于底盘22转动，配重17可移动地设置于回转平台23上。动臂24的一端铰接于回转平台23上，另一端铰接于斗杆25上，铲斗26铰接于斗杆25的与动臂24相对的一端。请参见图2，倾角传感器122用于实时感测挖掘机20作业时所处位置的坡度θ₀。角度传感器123用于实时感测挖掘机20的回转平台及工作装置的转角θ₁、θ₂、θ₃、θ₄，θ₁指回转平台23的回转角度，θ₂、θ₃、θ₄指工作装置转动关节转角，其中，θ₂指动臂24相对于回转平台23平面的转角，θ₃指斗杆25相对于动臂24的转角，θ₄指铲斗26相对于斗杆25的转角。所述工作装置一般包括动臂24、斗杆25及铲斗26。
压力传感器124用于实时感测挖掘机20的斗杆油缸溢流阀进口压力P₁和铲斗油缸溢流阀进口压力P₂。风速传感器125用于实时感测挖掘机20工作时的风速V_wind。加速度传感器126用于实时感测挖掘机20的行进或启制动加速度。角加速度传感器127安装于回转平台23上，用于实时感测挖掘机20的回转平台23的回转加速度。位移传感器128用于实时感测挖掘机20的配重17的实际坐标位置（x_a，y_a）。角速度传感器129安装于回转平台23上，用于实时感测挖掘机20的回转平台23的回转角速度。
传输模块13连接于信息采集装置12与计算模块14之间，用于将信息采集装置12采集得到的挖掘机20的工作状态信息传输至计算模块14。传输模块13在将挖掘机20的工作状态信息传输至计算模块14之前，还可以对信息采集装置12采集到的数据进行模拟/数字转换、放大及过滤等处理。图3所示为图1的可移动式配重系统的配重位置控制原理图。请参见图3，计算模块14接收挖掘机20的工作状态信息，且其内部预存有挖掘机20的特征参数信息，计算模块14根据挖掘机20的工作状态信息及特征参数信息通过挖掘机20的部件重心位置计算及动力学方程求解，得到配重17的理想配重位置（x_b，y_b）。计算模块14还从挖掘机20的工作状态信息中获取实际配重位置（x_a，y_a），并将理想配重位置（x_b，y_b）及实际配重位置（x_a，y_a）传输至控制模块15。控制模块15将实际配重位置（x_a，y_a）与理想配重位置（x_b，y_b）作比较，并输出控制信号至调节装置16，调节装置16根据控制信号调节配重17的位置。在调节装置16调节配重17的位置的过程中，信息采集装置12的位移传感器128还实时感测配重17的实际配重位置并传送至控制模块15，控制模块15再将此时的实际配重位置与理想配重位置（x_b，y_b）作比较，并输出控制信号，直至实际配重位置与理想配重位置相同，即完成配重位置的调节。
例如，在本实施例中，将实际配重位置（x_a，y_a）与理想配重位置（x_b，y_b）作比较，当y_b‑y_a<0时，控制模块15输出控制信号使调节装置16的驱动马达165（请参见图4）正转，使得配重17向后运动逐渐靠近理想配重位置；当y_b‑y_a>0时，控制模块15输出信号使调节装置16的驱动马达165反转，使得配重17向前运动逐渐靠近理想配重位置；当y_b‑y_a=0时，实际配重位置与理想配重位置相同，此时计算模块14输出信号控制驱动马达165停止工作。需要说明的是，在本实施例中，实际配重位置（x_a，y_a）与理想配重位置（x_b，y_b）是在回转平台23的局部坐标系x₂ y₂z₂下的坐标。从图2中可以看出，在回转平台23的局部坐标系x₂ y₂z₂下，配重17在x₂轴上的位置是不变的，即x_a=x_b，因此只需调整配重17在y₂轴上的位置即可实现对配重17位置的调节。但本发明不以此为限，在其他实施例中，若需要配重17沿着两个坐标轴的方向移动，也可采用类似的方式调整配重17的位置。驱动马达转速的控制方式可采用PID控制算法。
如图3所示，为了获得理想配重位置，需进行部件重心位置矢量计算、工况判定及动力学计算。
计算模块14根据挖掘机20的工作状态信息及特征参数信息更新挖掘机20各部件的姿态变换矩阵，计算挖掘机20各部件在挖掘机20整机参考坐标系下的重心位置矢量。请参见图2，挖掘机20整机参考坐标系的坐标原点位于挖掘机20停机面上，回转中心线与停机面的交点，x₀轴沿水平方向向前，y₀轴垂直水平面向上，z₀轴垂直于x₀轴与y₀轴共同所在的平面。如图2所示，x₀ y₀ z₀为挖掘机20整机参考坐标系，x₁ y₁z₁为设定于底盘22底部表征挖掘机20整机位姿的局部坐标系，x₂ y₂ z₂为设定于回转平台23表征回转平台23位姿的局部坐标系，x₃ y₃ z₃为设定于动臂24与回转平台23铰接点的局部坐标系，x₄ y₄ z₄为设定于动臂24与斗杆25铰接点用于表征动臂24位姿的局部坐标系，x₅ y₅ z₅为设定于斗杆25与铲斗26铰接点用于表征斗杆25位姿的局部坐标系，x₆ y₆ z₆为设定于铲斗26齿尖用于表征铲斗26位姿的局部坐标系。利用坐标系转换关系，可将挖掘机上各个部件的重心位置坐标转化至挖掘机整机参考坐标系中。坐标系i相对于i‑1的变换记为则第n个部件相对于挖掘机20整机参考坐标系的姿态变换矩阵为：