挖掘机、用于挖掘机的控制装置和控制挖掘机的方法

摘要

挖掘机、用于挖掘机的控制装置和控制挖掘机的方法。所述挖掘机具有用于移动挖掘机部件的多个液压缸，以便在工作场地利用挖掘机铲斗或其它挖掘机工具完成挖掘，所述控制装置包括：多个液压控制阀，所述液压控制阀中的每一个均与液压缸中的相应一个相连，用于控制施加到液压缸中的相应一个的液压流体压力；和多个手动致动的操纵杆阀，用于将液压流体压力供应至相应的液压控制阀，以控制液压缸的运动。所述控制装置包括用于感测一个或多个挖掘机部件的位置的传感器部件。

说明书

相关领域的交叉引用

无

关于联邦资助研究或开发的声明

不适用

背景技术

本发明涉及一种用于挖掘机的控制装置，在所述挖掘机中，操作 者手动致动的操纵杆阀以将液压流体供应到液压控制阀。然后，液压 控制阀又将液压流体供应至液压缸或者马达，以移动各种挖掘机部件。 在典型的挖掘机中，吊杆从挖掘机底架延伸并且枢转连接到铲斗柄。 铲斗柄枢转地连接到挖掘机铲斗或者其它挖掘机工具。挖掘机底架典 型地通过液压马达在挖掘机底盘上枢转。液压缸使吊杆相对于底架枢 转，使铲斗柄相对于吊杆枢转，并且使铲斗或者其它挖掘机工具相对 于铲斗柄枢转。另一种常见的挖掘机构造包括第二吊杆部件，所述第 二吊杆部件允许吊杆弯曲。这通常称为可变角度吊杆或者VA吊杆， 并且允许室内工作或者在具有建筑接近限制（clearance restriction） 的区域（例如在电力线下方）中工作。

这种挖掘机的操作者操作操纵控制杆，所述操纵控制杆致动操纵 杆阀，以利用挖掘机铲斗进行挖掘。挖掘机驾驶室中的显示装置可以 辅助操作者进行这种操作，所述显示装置显示出挖掘机铲斗的当前高 度和工作场地的期望高度。多种传感器已经用于确定铲斗的高度，所 述多种传感器包括激光传感器，所述激光传感器感测由定位成与挖掘 机相距一定距离的激光发射器提供的参考激光束。GPS接收器还已经 用于确定挖掘机高度。由于激光接收器和GPS接收器通常不直接安装 在挖掘机铲斗上，所以这些接收器通常已经用于确定挖掘机上的参考 点的位置，然后来自其它传感器（例如角编码器和倾斜计）的输出已 经用于确定铲斗相对于该参考点的位置。工作场地的期望轮廓的图通 常贮存在与挖掘机控制装置相连的存储器中，以便能够为操作者提供 表示到达期望高度所需的额外的挖掘量的连续显示。

挖掘机操作者的技能和经验差别很大，技能最好的操作者能够比 技能较差更快地挖掘到最终均夷面（grade level）。先前提供挖掘机控 制装置的尝试在操作者控制挖掘机中的一个或多个构件的同时使系统 主动控制挖掘机中的其它构件。操作者难以与比操作者慢的自动系统 协调运动，并且实际上，结果是不如操作者不使用自动控制时挖掘有 效。为了挖掘到期望的轮廓或者线，需要操作者协调且不断变化地调 整多种构件，以保持切割刃与期望的路径相切。经验欠缺的挖掘机操 作者难以适当地同时协调多个构件的动作，并且在工作场地的某些区 域中可能会挖掘地太深，从而需要稍后将填埋材料回填到工作场地的 那些区域中。应当理解的是，将填埋材料回填到工作场地的低洼区域 比较耗费时间。而且，在一些情况下有必要压实填埋材料，从而增加 了挖掘操作成本。需要能够提高机器操作效率的挖掘机控制装置和方 法。

发明内容

挖掘机具有：挖掘机底架，所述挖掘机底架枢转地安装在挖掘机 底盘上；吊杆，所述吊杆枢转地安装在挖掘机底架上；铲斗柄，所述 铲斗柄枢转地安装在吊杆上；和枢转地安装在铲斗柄上的挖掘机工具， 例如挖掘机铲斗。挖掘机还具有：第一液压装置，所述第一液压装置 用于使铲斗相对于铲斗柄运动；第一液压控制阀，所述第一液压控制 阀用于控制施加到第一液压装置的液压流体；和第二液压装置，所述 第二液压装置用于使铲斗柄相对于吊杆运动；第二液压控制阀，所述 第二液压控制阀用于控制施加至第二液压装置的液压流体；第三液压 装置，所述第三液压装置用于使吊杆相对于挖掘机底架运动；第三液 压控制阀，所述第三液压控制阀用于控制施加到第三液压装置的液压 流体；第四液压装置，所述第四液压装置用于使底架相对于底盘旋转； 和第四液压控制阀，所述第四液压控制阀用于控制施加到第四液压装 置的液压流体。另外，挖掘机具有手动致动的操纵杆阀，用于将液压 流体压力供应到第一、第二、第三和第四液压控制阀，以分别控制第 一、第二、第三和第四液压装置的运动。挖掘机包括：用于感测位置 的多个传感器；存储器，所述存储器贮存工作场地在挖掘地点处的期 望高度；和处理器，所述处理器响应传感器和存储器，用于确定铲斗 的位置。处理器比较铲斗位置与工作场地的期望高度，并且当铲斗接 近期望高度时供给运动减速信号。歧管向第一、第二、第三和第四液 压控制阀提供来自手动致动的操纵杆阀的液压流体压力，以致动第一、 第二、第三和第四液压控制阀。当铲斗接近需要高度时，响应来自处 理器的运动减速信号，歧管还向第一、第二、第三和第四液压控制阀 提供来自手动致动的操纵杆阀的液压流体压力的一部分，以抵制第一、 第二、第三和第四液压控制阀的致动。通过这种布置方案，阻止铲斗 在期望高度下方运动。

歧管可以包括：第一运动减速阀，所述第一运动减速阀响应运动 减速信号，用于从手动致动的操纵杆阀转移液压流体压力的一部分， 以抵制第一液压控制阀的致动；第二运动减速阀，所述第二运动减速 阀响应运动致动信号，用于从手动制动的操纵杆阀转移液压流体压力 的一部分，以抵制第二液压控制阀的致动；第三运动减速阀，所述第 三运动减速阀响应运动减速信号，用于从从手动制动的操纵杆阀转移 液压流体压力的一部分，以抵制第三液压控制阀的致动；和第四运动 减速阀，所述第四运动减速阀响应运动减速信号，用于从手动制动的 操纵杆阀转移液压流体压力的一部分，以抵制第四液压控制阀的致动。 第一、第二、第三和第四运动减速阀每个都可以电致动的比例阀。施 加用于减速运动的压力部分由施加到电气阀的电流大小确定，并且能 够通过设定处理器中的最大电流限值来限制所述压力部分。

当铲斗接近期望高度时，第一、第二、第三和第四运动减速阀可 以转移从手动致动的操纵杆阀可以获得的最大液压流体压力的一部 分，使得液压装置的运动减速，但不必停止。随着铲斗接近期望高度， 由传感器数据的评估确定，运动减速阀转移的液压流体压力的那部分 可以增加或者减小。

用于挖掘机的控制装置，所述挖掘机具有：多个液压缸，用于移 动挖掘机部件，以在工作场地处利用挖掘机工具（例如挖掘机铲斗） 完成挖掘或其它操作；多个液压控制阀，每个液压控制阀均与液压缸 中的相应一个相连，用于控制施加到液压缸的相应一个的液压流体； 和多个手动致动的操纵杆阀，用于向相应的液压控制阀供应液压流体 压力，以控制液压缸的运动。所述控制装置包括传感器部件，所述传 感器部件用于感测一个或多个挖掘机部件的位置，使得可以确定挖掘 机铲斗在工作场地处的高度。存储器贮存工作场地的期望高度，并且 处理器响应传感器部件和存储器，确定挖掘机铲斗的高度。处理器比 较挖掘机铲斗的高度与工作场地的期望高度，并且当挖掘机铲斗接近 期望高度时提供运动减速信号。歧管将来自手动致动的操纵杆阀的液 压流体压力提供给多个液压控制阀，以致动液压控制阀，并且当铲斗 接近期望高度时，响应来自处理器的运动减速信号，将来自手动致动 的操纵杆阀的液压流体压力的一部分提供至液压控制阀，以抵制液压 控制阀的致动。通过这种部件，抵制但不阻止铲斗在期望高度下方运 动。

歧管可以包括多个运动减速阀，所述运动减速阀响应运动减速信 号，用于从手动致动的操纵杆阀转移液压流体压力的一部分，以抵制 （oppose）多个液压控制阀的致动。多个运动减速阀中的每个均可以 包括电致动的比例阀。随着铲斗接近期望高度，多个运动减速阀从手 动致动的操纵杆阀转移液压流体压力的一部分，使得液压缸的运动减 速而不停止，以最优化所产生的液压缸运动和（sum）。液压流体压力 的由运动减速阀转移的部分能够随着铲斗接近期望高度而改变，以最 优化每个液压缸的速度，使得铲斗不会进入到期望地平面下面。

控制挖掘机的方法可以包括感测一个或多个挖掘机部件的位置， 使得可以确定挖掘机铲斗在工作场地处的高度；确定挖掘机铲斗的高 度；比较挖掘机铲斗的高度与工作场地的期望高度；当挖掘机铲斗接 近期望高度时，供应运动减速信号；将液压流体压力从手动致动的操 纵杆阀提供至多个液压控制阀，以致动液压控制阀；以及，当铲斗接 近期望高度时，响应运动减速信号，向液压控制阀提供来自手动致动 的操纵杆阀的一部分液压流体压力，以抵制对液压控制阀的致动，由 此抵制而不阻止铲斗在期望高度下方运动，其中所述挖掘机包括：多 个液压缸，所述液压缸用于移动挖掘机部件，使得利用挖掘机铲斗或 其它挖掘机工具在工作场地处完成挖掘或者其它挖掘机操作；多个液 压控制阀，所述多个液压控制阀中的每一个均与液压缸中的相应一个 相连，以控制施加至液压缸中的相应的一个的液压流体压力；和多个 手动制动的操纵杆阀，所述操纵杆阀用于将液压流体压力供应至相应 的液压控制阀，以控制液压缸的运动。

抵制液压控制阀的致动提供的来自手动致动的操纵杆阀的液压流 体压力的所述一部分可以随着铲斗接近期望高度而增加。抵制液压控 制阀的致动提供的来自手动致动的操纵杆阀的液压流体压力的所述一 部分可以随着铲斗接近期望高度而线性地增加。当铲斗接近期望高度 时，可以从手动致动的操纵杆阀转移最大液压流体压力的一部分（通 常小于一半），使得液压缸的运动减速，但不停止。随着铲斗接近期望 高度，由运动减速阀转移的那部分液压流体压力还可以基本恒定。

附图说明

图1是挖掘机的侧视图，其图解了本发明的一个实施例；

图2是图解了用于图1的挖掘机的控制系统的简图；和

图3是更为详细地示出了图2的控制系统中的歧管的简图。

具体实施方式

挖掘机通常使用多种传感器，以监测多种机械元件的位置，并且 显示这些位置以辅助机械操作者。在一个典型布置方案中，工作场地 处的激光发射器射出细激光束，所述细激光束围绕大体竖直轴线快速 旋转，以限定激光参考平面。如果激光参考平面是水平的，并且如果 挖掘机承载检测光束和其相对于挖掘机的位置的激光接收器，则对于 挖掘机控制而言能够确定接收器的高度。通过参考挖掘机上的监测挖 掘机部件的倾角或者各种挖掘机部件（例如吊杆（boom）和铲斗柄） 之间的夹角的其它传感器，能够确定挖掘机铲斗的挖掘齿的高度和由 挖掘机铲斗所形成的切口（cut）。如果在整个工作场地上期望的高度 不是一致的，则必须知道挖掘机铲斗在三维空间中的位置，以确定铲 斗是位于期望工作场地轮廓上方还是下方，并且确定位于上方或者下 方的程度。这可以以多种方式中的任意一种来完成，所述方式包括利 用安装在挖掘机上的GPS接收器进行三维定位。可替代地，这可以利 用追踪挖掘机的运动的精确定位的智能型全站仪（robotic total  station）来完成，或者利用发射倾斜的扇状多光束的精确定位的激光 发射器以及挖掘机上的检测器来完成。陀螺传感器和磁罗盘传感器也 可以应用在系统中，以提高系统的精确度。

图1描绘了包含本发明的实施例的挖掘机10。所述挖掘机包括底 架11；枢转在第一枢转接合部14处固定到底架11的吊杆12；在第二 枢转接合部18处枢转固定到吊杆12的铲斗柄16；和铲斗20，所述铲 斗20在第三枢转接合部22处枢转固定到铲斗柄16。设置有包括第一、 第二和第三液压缸24、26和28的第一、第二和第三液压装置，以使 吊杆12、铲斗柄16和铲斗20运动。铲斗20包括切削刃30，所述切 削刃30可以具有锯齿状的齿，以辅助挖掘。底架11承载操作者驾驶 室31。驾驶室31支撑在底盘支架和运输机32上，所述底盘支架和运 输机32可以包括履带，所述履带有助于挖掘机10在工作场地上运动。 底架11及其承载的部件能够通过第四液压装置（例如液压马达33） 围绕大体竖直轴线相对于底盘支架和运输机32旋转，以将铲斗20放 置在挖掘所需的精确位置。应当理解的是，尽管本实施例示出为具有 整体吊杆，但也适用的是，挖掘机具有可变角度的吊杆。而且，尽管 挖掘机示出为具有挖掘机铲斗，但是还可以使用诸如螺旋钻、挖沟装 置和压实装置的其它挖掘机工具。

在图解的挖掘机中，使用GPS定位系统和磁罗盘35确定关于机 器的位置和定向的信息。所述系统还包括激光接收器36，所述激光接 收器36接收来自激光发射器38的参考激光束37。通过角编码器39 可以确定吊杆12、柄16和铲斗20的相对位置。可替代地，通过参考 安装到构件12、16和20的基于重力的倾角计或者与枢转接合部14、 18和22相连的其它传感器，或者通过与液压缸24、26和28相连的 柱编码器（string encoder），或者通过这些传感器的某些组合，能够 提供所述信息。挖掘机10相对于真垂线的定向可以由安装在底架11 上的倾角计40确定。倾角计40（图2）在两条轴上操作，并且提供底 架11的横摇角和俯仰角。所述系统包括处理器电路50，所述处理器 电路50具有相连的存储器52（图2），所述存储器52在挖掘操作期间 响应所有传感器34、35、36、39和40，用于确定铲斗20的高度。处 理器50还通过参考贮存在存储器52中的限定工作场地的期望地形结 构的数据来确定铲斗20的高度和工作场地上的挖掘地点处的期望高 度之间的差。

参照图2和图3，所述图2和图3图解了用于挖掘机10的控制。 如将指出的那样，第一、第二、第三和第四液压装置24、26、28和 33分别由第一、第二、第三和第四液压控制阀60、62、64和66控制。 控制阀60、62、64和66被弹性偏压至中心位置，并且由先导压力致 动，以便以与施加的先导压力相应的水平将液压流施加到任一个输出 管路。先导压力通过手动致动的操纵杆阀70、72、74和76分别向液 压控制阀60、62、64和66提供，以便分别控制第一、第二、第三和 第四液压装置的运动，其中通常每根操纵杆安装有成对的所述操纵杆 阀70、72、74和76。

如图2所示，多个传感器（包括GPS接收器34、磁罗盘35、激 光接收器36、角编码器39和倾角计40）向处理器50提供输出。处理 器50还响应存储器52。处理器50确定完成挖掘的铲斗20和齿30的 位置。处理器50比较铲斗位置和工作场地的期望高度，并且将数据供 应给显示装置78。操作者在驾驶室31中使用控制装置控制挖掘机， 所述控制装置包括一对操纵杆，所述操纵杆致动操纵杆阀70、72、74 和76。第一操纵杆的前后运动致动阀70，以根据操纵杆的运动方向将 液压流体压力施加至管路78或80。这通过歧管81作为先导压力施 加至阀60的一侧或另一侧。明显的是，施加至阀60的一侧的先导压 力将致使液压流体流入到管路82和84中的一条，而施加至阀60的另 一侧的先导压力将致使液压流体流入到管路82和84中的另一条。结 果，根据先导压力施加至阀60的哪一侧，能够驱动图1中示出为液压 缸的液压装置24伸出或者收回。此外，施加到液压缸24的液压流的 水平，并且因此液压缸24的运动速度，与阀60被致动的程度有关， 并且因此与从操纵杆阀70施加到阀60的先导压力的水平有关。在挖 掘机的大部分操作期间，将以这种方式致动液压装置24。

以类似的方式致动其它液压装置26、28和33中的每一个。第一 操纵杆的左右（side to side）运动致动阀72，以根据第一操纵杆的运 动方向将液压流体压力施加到管路86或88。这通过歧管81作为先导 压力施加到阀62的一侧或另一侧。施加至阀62的一侧的先导压力将 致使液压流流入到管路92和94中的一条，而施加至阀62的另一侧的 先导压力将致使液压流流入到管路92和94中的另一条。结果，根据 先导压力施加至阀62的哪一侧，能够驱动图1中示出为液压缸的液压 装置26伸出或者收回。而且，施加到缸体26的液压流的水平，并且 因此缸体26的运动速度，与阀62被致动的程度有关，并且因此与从 操纵杆阀72施加到阀62的先导压力的水平有关。在挖掘机的大部分 操作期间，将以这种方式致动液压装置26。类似地，第二操纵杆的前 后运动和第二操纵杆的左右运动分别致动阀74和76，以便将液压流 体压力分别施加到管路94或96和98或100。阀74和76通过歧管81 将液压压力作为先导压力施加至阀64和66的一侧或另一侧。施加到 阀64的一侧的先导压力将致使液压流流入到管路102和104中的一 条，而施加到阀64的另一侧的先导压力将致使液压压力施加到管路 102和104中的另一条。类似地，施加到阀66的一侧的先导压力将致 使将压力被施加到管路106和108中的一条，而施加到阀66的另一侧 的先导压力将致使液压压力被施加到管路106和108中的另一条。结 果，能够分别驱动液压装置28和33、液压缸和马达沿着任一方向运 动。而且，施加到液压缸28和马达33的液压流的水平，并且因此液 压缸28和马达33的运动速度，与阀64和66被致动的程度有关，并 且因此与从操纵杆阀74和76施加到阀64和66的先导压力的水平有 关。在挖掘机的大部分操作期间，将以这种方式致动液压装置28和 33。

然而，在挖掘机正在挖掘的高度接近工作场地在这个位置的期望 高度时，操作模式改变。处理器50响应传感器34、35、36、39和40 并且响应存储器52，用于比较铲斗20的位置与工作场地的期望高度， 并且用于在铲斗20接近期望高度时运动减速信号（如果管路110、112 和114上需要的话）供应到歧管81。如上所述，歧管81从手动致动 的操纵杆阀70、72和74将液压流体压力分别供应到第一、第二和第 三液压控制阀60、62和64，以致动那些控制阀。当铲斗20接近期望 高度时，并且歧管81接收到管路110、112和114中的任意一条或者 所有上的运动减速信号时，歧管81还将来自那些手动致动的操纵杆阀 的液压流体压力的一部分施加至第一、第二和第三液压控制阀60、62 和64中的任意一个或所有，以抵制阀的致动。结果，供应到液压装置 24、26和28的液压流体流在一定程度上减小，并且液压装置的运动 速度降低。然而，重要的是，液压装置继续沿着由操纵杆阀的操作所 确定的方向运动。使液压缸24、26和28的运动减速允许操作者在周 围快速地移动挖掘机的铲斗，然后帮助操作者放慢由液压缸移动的适 当构件，使得在期望高度附近挖掘时最优化铲斗运动，并且不会由于 一个构件的速度相对于其它构件的速度过快而导致过度切削。歧管81 的操作不会阻止铲斗运动到位于期望工作场地高度的上方或下方的任 意位置，这是因为操作者能够施加的先导压力大于阀81所能够施加的 减缓特定信号的先导压力。操作者必须主动地移动操纵杆，使得与没 有阀81施加的相反的压力的情况相比，操纵杆的位置显著更远离它们 的中心位置。阀系统的由操纵杆76、从管路98和100至绕短管阀 （spool）66构成并且控制马达33的部分可以通过EH阀126改变， 以便使马达33降速，以防止通过旋转将机器定位在在设计模型中基于 各种原因确定但假定是为了在设计范围内在卸载或者定位在校准 （alignment）特征期间的安全性或者校准的区域中。此外，由于使装 置24、26、28和33的运动减速是通过从操纵杆阀转移一些液压流体 压力而实现的，所以在没有致动操纵杆阀70、72、74和76中的一个 或多个的情况下，歧管不会无意地导致控制阀60、62、64或66被致 动。

歧管81包括多个运动减速阀，每个所述运动减速阀响应来自处理 器50的针对管路110、112、114和116的运动减速信号中的一个，以 从手动致动的操纵杆阀70、72、74和76转移一部分液压流体压力， 以抵制多个液压控制阀60、62、64和66的致动。更具体地，歧管81 包括第一运动减速阀120，所述第一运动减速阀120响应针对管路110 的运动减速信号，以从手动致动的操纵杆阀70转移一部分液压流体压 力，以便抵制第一液压控制阀60的致动。歧管81包括第二运动减速 阀122，所述第二运动减速阀122响应针对管路112的运动减速信号， 以从手动致动的操纵杆阀72转移一部分液压流体压力，以抵制第二液 压控制阀62的致动。歧管81包括第三运动减速阀124，所述第三运 动减速阀124响应针对管路114的运动减速信号，以从手动致动的操 纵杆阀74转移一部分液压流体压力，以抵制第三液压控制阀64的致 动。最后，歧管81包括第四运动减速阀126，所述第四运动减速阀126 响应针对管路116的运动减速信号，以从手动致动的操纵杆阀76转移 一部分液压流体压力，以抵制第四液压控制阀66的致动。运动减速阀 120、122、124和126中的每一个都包括电致动的比例阀。当铲斗接 近期望高度或者对准时，运动减速阀120、122、124和126中的每一 个从相关的手动致动的操纵杆阀转移一部分液压流体压力，使得液压 装置的运动减速。随着铲斗接近期望高度或者对准，液压流体压力的 由运动减速阀120、122、124和126转移的部分可以逐渐增加，从而 大致线性地降低装置24、26、28和33的运动速度。可替代地，在铲 斗20处于与期望高度相距特定预定距离范围内时，液压装置被减速的 程度可以是恒定的。作为再一个替代方案，针对具体设计，随着铲斗 20接近期望高度或者对准，液压装置被减速的程度可以逐步发生变 化。

参照图3，可以看到的是，与运动减速阀120、122、124和126 中的每一个相连的液压管路和阀均相同，因此解释阀120的操作将足 以解释所有阀的操作。假设致动操纵杆阀70，使得将压力施加到管路 78。换向阀130将被偏压至右侧，并且液压流体压力将通过换向阀132 施加到控制阀60的左侧，结果是控制阀60将抵抗定心弹簧偏压力移 动到右侧。继而，这将致使液压流体p流入到管路82中。然而，如果 关于管路110的信号致动比例阀120，则来自管路78的液压流体压力 的一部分将通过换向阀130、通过EH阀120和换向阀134，并且施加 到阀60的右侧。这个液压流体压力抵制从而减少但不阻止管路78中 的压力对阀60的致动，从而减小经由管路82施加到液压装置24的流 体流。然而，当铲斗20以使得其将不会运动到比工作场地的期望高度 更深的的方式运动时，可以终止关于管路110的运动减速信号，结果 是不再抵制阀60的致动，并且液压装置24以更高的速度继续运动。

可以看到的是，这种布置方案允许操作者控制挖掘机，使得铲斗 例如在将铲斗旋转到将装载的泥土倾倒到卡车中的位置时快速运动。 当操作者移动铲斗以在期望的最后地平面（grade）处或者附近挖切或 者朝向工作场地的对准特征旋转运动时，所述系统仅精细地减缓挖掘 操作。这提高了挖掘机的操作速度和效率。