相關申請的交叉引用

本申請要求于2015年12月15日提交的、第62/267,732號美國臨時專利申請的優先權，其全部內容通過引用而并入本申請。

本申請涉及工業機械，更具體地，涉及用于估計工業機械的有效負載的系統和方法。工業機械包括但不限于：電動鋼絲繩或動力鏟挖掘機(electricropeorpowershovel)、索鏟挖掘機(dragline)、液壓機械以及反鏟挖掘機(backhoe)。

背景技術：

工業機械，例如電動鋼絲繩或動力鏟挖掘機、索鏟挖掘機、液壓機械以及反鏟挖掘機等，被用于執行操作，例如通過挖掘而從礦堆移除物料。這些工業機械和/或它們的部件一般由促動器驅動，促動器包括但不限于：馬達、液壓系統等。

技術實現要素：

有效負載數據可以被確定，有效負載數據例如可以是機械的鏟斗內開采物料的估計量。通常來說，可以使用機械的各種促動器(例如，一個或多個馬達或者促動器)的一個或多個扭矩估計值來確定有效負載數據。這種估算有效負載數據的方法和系統是有問題的，因為扭矩被估計的促動器常常位于遠離實際有效負載(例如，容納開采物料的鏟斗)的位置。此外，對于某些類型的促動器，例如某些類型的馬達，扭矩估計可能是不精確的，因此基于該種扭矩估計的任何有效負載估計也是不精確的。

相應地，需要一種用于估計工業機械的有效負載的新方法和系統。因此，在某一實施例中，本申請提供的工業機械包括基部。所述工業機械還包括可旋轉地耦接至基部的鏟柄，以及通過銷和促動器可旋轉地耦接至所述鏟柄的鏟斗。所述工業機械進一步包括第一傳感器、第二傳感器、旋轉傳感器和控制器。所述第一傳感器配置成檢測促動器力。所述第二傳感器配置成檢測提升力。所述旋轉傳感器配置成檢測所述鏟斗的旋轉角。所述控制器配置成接收所述促動器力、提升力和旋轉角，并且用所述促動器力、提升力和旋轉角確定有效負載數據。

在另一實施例中，本申請提供了一種確定工業機械的有效負載數據的方法，所述工業機械具有鏟斗和鏟柄，所述鏟斗和鏟柄通過銷和促動器可旋轉地耦接。所述方法包括：通過第一傳感器檢測與所述促動器相關的第一力；通過位置靠近銷的第二傳感器檢測與所述鏟斗相關的第二力；通過位置靠近所述銷的第三傳感器檢測所述鏟斗的旋轉角；以及基于所述第一力、第二力和旋轉角，確定所述有效負載數據。

通過考慮具體說明和附圖，本申請的其它方面將變得更加明顯。

附圖說明

圖1展示了根據本申請的一些實施例的工業機械。

圖2是根據本申請的一些實施例的圖1所示工業機械的鏟柄和鏟斗的側視圖。

圖3是根據本申請的一些實施例的圖1所示工業機械的控制系統的方框圖。

圖4是展示了圖1所示工業機械的隨時間變化的各種力的圖表。

圖5是根據本申請一些實施例的圖1所示工業機械運行的流程圖。

圖6是根據本申請一些實施例的圖1所示工業機械的鏟斗的側視圖，其中鏟斗的方向相對于參考點。

具體實施方式

在詳細解釋本發明的任何實施例之前，應當理解，本發明的應用不限于在以下說明中所闡述的和在以下附圖中所示出的結構細節和部件排布。本發明能夠具有其它實施例，并且能夠以各種不同的方式來實現或實施本發明。另外，應當明白，本申請中使用的措辭和術語只用于描述目的，并且不應當作為限制。本申請中使用的“包括”、“包含”或“具有”及其變形不僅包括其后列明的項目和其等同物，還包括其它項目。術語“安裝”、“連接”和“耦接”及其變形被廣義地使用，并且包括直接和間接的安裝、連接和耦接。進一步，“連接”和“耦接”不限于物理或機械的連接或耦接，它們還可包括電連接和電耦接，不管是直接地還是間接地。此外，可以使用任何已知的方法執行電子通信和通知，這些方法包括直接連接、無線連接等。

應當注意，可以使用多個基于硬件和軟件的裝置，以及多個不同結構的部件來實施本申請。另外，可以理解的是，本發明的實施例可以包括硬件、軟件以及電子元件或模塊，為了討論目的，它們被展示和描述成如同只以硬件實施大部分元件。然而，本領域技術人員在閱讀具體實施方式的基礎上可以認識到，在至少一個示例中，可以在能夠被一個或多個處理器執行的軟件(例如，存儲在非易失性計算機可讀介質中)中實施本發明的基于電子的方面。此外，如下述段落所述，附圖中展示的具體機械結構只意在舉例說明本發明的實施例。然而，可能有其它可供選擇的機械結構。例如，說明書中描述的“控制器”可以包括標準處理部件，例如一個或多個處理器、一個或多個計算機可讀介質模塊、一個或多個輸入/輸出接口、以及連接各部件的各種連接(例如，系統總線)。

雖然各種工業機械(例如，采掘機、鋼絲繩鏟挖掘機、具有提升或拖拉運動的索鏟挖掘機、液壓機械、反鏟挖掘機等)可以應用、執行或結合使用在此描述的申請，但是關于電動鋼絲繩或動力鏟挖掘機，例如圖1中展示的工業機械，來描述在此描述的本申請的實施例。圖1所示的實施例展示了采掘機，例如作為鋼絲繩鏟挖掘機(ropeshovel)的電采礦鏟挖掘機(electricminingshovel)100，然而在其它實施例中，采礦鏟挖掘機100可以是其它類型的工業機械，例如混合動力采礦鏟挖掘機、索鏟挖掘機等。采礦鏟挖掘機100包括履帶105，履帶105用于將采礦鏟挖掘機100向前和向后推進，以及用于使采礦鏟挖掘機100轉向(即，通過改變左履帶和右履帶相對彼此的速度和/或方向)。履帶105支撐基部110，基部110包括駕駛室115。基部110能夠繞著擺動軸125擺動或旋轉，例如，從挖掘位置移動至傾倒位置。在一些實施例中，擺動軸垂直于水平軸127。對于擺動運動而言，履帶105的移動不是必需的。采礦鏟挖掘機100還包括懸臂130，懸臂130支撐可樞轉的鏟柄135(鏟柄135)以及附接物。在某一實施例中，附接物是鏟斗140。鏟斗140包括門145，門145用于將容納物從鏟斗140中傾倒在傾倒位置，例如料斗、傾倒貨車或者運輸車輛。鏟斗140進一步包括鏟斗齒147，鏟斗齒147用于掘入挖掘位置的礦堆中。應當理解，各種工業機械可以具有各種附接物(例如，具有鏟子的反鏟挖掘機、具有鏟斗的挖掘機、具有鏟斗的裝載機等)。雖然在此描述的各種實施例討論了采礦鏟挖掘機100的鏟斗140的使用，但是工業機械的任何附接物可以與所描述的本申請結合使用。

采礦鏟挖掘機100還包括：張緊懸索150，張緊懸索150被耦接在基部110和懸臂130之間以用于支撐懸臂130；一個或多個起重索155，起重索155被附接至基部110內的絞盤(未顯示)，以用于纏繞起重索155而提升或降低鏟斗140；以及鏟斗門索160，鏟斗門索160被附接至另一絞盤(未顯示)，以用于打開鏟斗140的門145。采礦鏟挖掘機100可進一步包括被可旋轉地耦接至懸臂130的懸臂末端滑輪162。懸臂末端滑輪162可被配置成支撐一個或多個起重索155。

鏟斗140可操作而基于三種控制動作進行運動：提升、推擠(crowd)和擺動。提升控制通過纏繞和退繞起重索155來提升和降低鏟斗140。推擠控制延伸和回縮鏟柄135和鏟斗140的位置。在某一實施例中，鏟柄135和鏟斗140通過使用齒條和齒輪系統來進行推擠。在另一實施例中，鏟柄135和鏟斗140通過使用液壓驅動系統進行推擠。擺動控制使基部110繞著擺動軸125相對于履帶105旋轉。在一些實施例中，鏟斗140可相對于鏟柄135旋轉或傾斜至各種鏟斗角度。在其它實施例中，鏟斗140所包括的角度例如相對于鏟柄135是固定的。

圖2展示了采礦鏟挖掘機100的鏟柄135和鏟斗140的側視圖。鏟斗140可通過鏟斗-鏟柄銷200被可樞轉地附接至鏟柄135。鏟斗140可通過促動器205而相對于鏟柄135可樞轉地運動。如圖所示，促動器205通過鏟柄-促動器銷210可旋轉地耦接至鏟柄135。此外，如圖所示，促動器205通過鏟斗-促動器銷215可旋轉地耦接至鏟斗140。在一些實施例中，促動器205是液壓促動器。在另一實施例中，促動器205包括一個或多個馬達，包括但不限于，直流(dc)馬達、交流(ac)馬達、開關磁阻(sr)馬達。

如圖3所示，圖1的采礦鏟挖掘機100包括控制系統300。可以理解，除了采礦鏟挖掘機100之外，控制器300可以被用于各種工業機械(例如，索鏟挖掘機、液壓機械、施工機械、反鏟挖掘機等)。控制系統300包括控制器305、操作員控制310、鏟斗控制315、傳感器320、用戶界面325以及其它輸入/輸出(i/o)330。控制器305包括處理器335和存儲器340。存儲器340存儲能夠被處理器335執行的指令，以及用于諸如允許控制器305與操作員之間或者控制器305與傳感器320之間進行通信的各種輸入/輸出。在一些情況下，控制器305包括微處理器、數字信號處理器(dsp)、現場可編程門陣列(fpga)、專用集成電路(asic)等中的一個或多個。

控制器305接收來自操作員控制310的輸入。操作員控制310包括推擠控制或驅動345、擺動控制或驅動350、提升控制或驅動355以及門控制360。推擠控制345、擺動控制350、提升控制355以及門控制360例如包括：操作員所控制的輸入裝置，比如操縱桿、杠桿、腳踏板和其它促動器。操作員控制310通過輸入裝置接收操作員輸入，并且向控制器305輸出數字運動命令。運動命令包括：例如，吊起、吊落、推擠延伸、推擠回縮、順時針擺動、逆時針擺動、鏟斗門釋放、左履帶向前、左履帶倒退、右履帶向前以及右履帶倒退。

一旦接收到運動命令，控制器305通常會如同操作員命令的那樣控制鏟斗控制315。鏟斗控制315控制采礦鏟挖掘機100的多個馬達316。多個馬達316包括但不限于：一個或多個推擠馬達365、一個或多個擺動馬達370以及一個或多個提升馬達375。例如，如果操作員通過擺動控制350指示逆時針轉動基部110，那么控制器305通常會控制擺動馬達370而使基部110逆時針旋轉。然而，在本申請的一些實施例中，控制器305可操作而限制操作員運動命令，并且在獨立于操作員輸入的情況下生成運動命令。

馬達316可以是施加力的任何促動器。在一些實施例中，馬達316可以是，但不限于，交流馬達、交流同步馬達、交流異步馬達、直流馬達、換向器直流馬達(例如永磁直流馬達、勵磁直流馬達等)、磁阻馬達(例如開關磁阻馬達)、線性液壓馬達(即液壓缸)、以及徑向柱塞式液壓馬達等。在一些實施例中，馬達316可以但不限于是扭矩控制的、速度控制的、或者依照固定的扭矩-速度曲線的特征。可以根據各個馬達的能力連同采礦鏟挖掘機100所需的失速力(stallforce)來確定馬達316的扭矩極限。

控制器305還與一些傳感器320通信。例如，控制器305與一個或多個推擠傳感器380、一個或多個擺動傳感器385、一個或多個提升傳感器390、促動器傳感器392以及銷傳感器395通信。推擠傳感器380檢測與采掘機的推擠運行相關的物理特性，并且將檢測的物理特性轉換成將被傳輸至控制器305的數據或電子信號。推擠傳感器380例如包括多個位置傳感器、多個速度傳感器、多個加速度傳感器和多個扭矩傳感器。多個位置傳感器向控制器305指示出鏟斗140延伸或回縮的水平。多個速度傳感器向控制器305指示鏟斗140延伸或回縮的速度。多個加速度傳感器向控制器305指示鏟斗140延伸或回縮的加速度。多個扭矩傳感器向控制器305指示通過鏟斗140的延伸或回縮所產生的扭矩量。

擺動傳感器385檢測與采掘機的擺動運動相關的物理特性，并且將檢測的物理特性轉換成將被傳輸至控制器305的數據或電子信號。擺動傳感器385例如包括多個位置傳感器、多個速度傳感器、多個加速度傳感器和多個扭矩傳感器。位置傳感器向控制器305指示基部110圍繞擺動軸125相對于履帶105的擺動角，而速度傳感器指示擺動速度，加速度傳感器指示擺動加速度，并且扭矩傳感器指示擺動運動所產生的扭矩。

提升傳感器390檢測與采掘機的擺動運動相關的物理特性，并且將檢測的物理特性轉換成將被傳輸至控制器305的數據或電子信號。提升傳感器390例如包括多個位置傳感器、多個速度傳感器、多個加速度傳感器和多個扭矩傳感器。位置傳感器基于起重索155的位置，向控制器305指示鏟斗140的高度，而速度傳感器指示提升速度，加速度傳感器指示提升加速度，并且扭矩傳感器指示提升運動所產生的扭矩。在一些實施例中，扭矩提升傳感器可以被用于確定吊鉤拉力(bailpullforce)和提升力。在一些實施例中，加速度傳感器、擺動傳感器385、提升傳感器390是振動傳感器，其可包括壓電材料。在一些實施例中，傳感器320還包括門閂傳感器，所述門閂傳感器首先指示鏟斗們145是否打開或關閉，并且測量鏟斗140中容納的載荷的重量。在一些實施方式中，位置傳感器、速度傳感器、加速度傳感器和扭矩傳感器中的一個或多個被直接結合到馬達316內，并且檢測馬達的各種特性(例如，馬達電壓、馬達電流、馬達功率、馬達功率因數等)，以便確定加速度。

促動器傳感器392檢測促動器205的位移和/或由促動器205施加的力。在促動器205是液壓促動器的實施例中，促動器傳感器392通過測量液壓促動器的壓力來測量促動器205施加的力。在促動器205是馬達的另一實施例中，促動器傳感器292可以是扭矩傳感器，該傳感器測量由促動器205施加的扭矩。

銷傳感器395檢測鏟斗140相對于鏟柄135的角位置或旋轉角。在一些實施例中，施加在銷傳感器395的位置處的質量或重量等價于采礦鏟挖掘機100的吊鉤拉力或提升力。在一些實施例中，銷傳感器395可額外地測量鏟斗140相對于鏟柄135的角速度和角加速度。

用戶界面325向操作員提供有關采礦鏟挖掘機100以及與采礦鏟挖掘機100通信的其它系統的狀態信息。用戶界面325包括下述的一個或多個：顯示器(例如液晶顯示器(lcd))；一個或多個發光二極管(led)或其它發光裝置；平視顯示器(例如，投射到駕駛室115的窗戶上)；用于聲音反饋的揚聲器(例如，嗶嗶聲、口頭信息等)；觸覺反饋裝置，例如能夠使操作員的椅子或者操作員控制310振動的振動裝置；或者其它反饋裝置。

在操作過程中，控制系統300可被配置成確定有效負載數據，例如但不限于鏟斗140的填充因數(fillfactor)。填充因數是鏟斗140所填充的物料的百分比(例如，0％至100％)。隨著填充因數的變化，鏟斗140的重心會發生變化。通過知道重心，可以確定精確的有效負載數據(例如，精確的有效填充因數)。

圖4是展示采礦鏟挖掘機100隨時間405變化的各種力的圖表400。圖表400被分成多個操作。在展示的實施例中，多個操作包括但不限于：挖掘操作410、擺向貨車操作415、擺動減速和傾倒操作420、傾倒和擺動操作425、以及返回貨車操作430。在一些實施例中，在擺動減速和傾倒操作420的期間確定有效負載數據(例如鏟斗140的填充因數)。然而，在其它實施例中，可以在不同的操作期間或者在多于一個的操作期間確定有效負載數據。

圖5是展示根據本申請一些實施例的方法或操作500的流程圖。應當理解，操作500中公開的步驟的順序是可以變化的。其它的步驟也可以添加到控制序列中，并且不是所有步驟都是需要的。控制系統300監控鏟斗140的擺動運動(框圖505)。通過確定擺動運動是否在減速，控制系統300確定采礦鏟挖掘機100是否處于擺動減速和傾倒操作420(框圖510)中。如果擺動運動不在減速，那么操作500回到框圖505。如果擺動運動在減速，那么控制系統300從銷傳感器395接收負載銷數據(例如，力、重量等)，從促動器傳感器392接收促動器數據(例如，促動器力和促動器位移)，以及接收位置數據(框圖515)。控制系統300然后使用接收到的數據來估計有效負載數據(框圖520)。控制系統300然后輸出有效負載數據(方框525)。在一些實施例中，負載銷數據可以被替換成來自提升扭矩傳感器390的提升扭矩數據。

圖6展示了與鏟斗140有關的多個向量。鏟斗140的局部原點o，以及全局原點g，被用于確定與鏟斗140有關的多個向量。使用來自提升傳感器390和推擠傳感器380中的一個或多個的傳感信息，以及來自促動器傳感器392的促動器的傳感位移，連同懸臂130、鏟柄135、鏟斗140以及懸臂末端滑輪162的已知幾何結構，可以計算局部原點o。在一些實施例中，如圖1所示，全局原點g位于水平軸127和擺動軸125的交點處。在另一實施例中，全局原點g位于鏟柄135被可旋轉地耦接至基部110的點上。在其它實施例中，全局原點g可以是采礦鏟挖掘機100上的任何預先確定的點。第一向量r是從鏟斗-促動器銷215至局部原點o的向量。第一全局原點向量r1是從全局原點g至鏟斗-促動器銷215的向量。第二全局原點向量r2是從全局原點g至局部原點o的向量。正交向量r’是與第一向量r正交的向量。

可以使用下面的等式估計有效負載數據：

∑mhdllug＝iα[等式1]

其中：

m＝繞銷200的力矩

i＝鏟斗140的慣性

α＝鏟斗140繞銷200的角加速度

等式1可以被改寫成下面的等式2：

(fhst)d1+(fcyl)d2-(fbucket)d3-(fmaterial)d4＝(ibucket+material)αbucket[等式2]

其中：

fhst＝提升力(例如，由銷傳感器395或提升扭矩傳感器390檢測的質量)

fcyl＝由促動器傳感器392檢測的促動器力

fbucket＝空鏟斗的鏟斗重力

fmaterial＝物料的重力

ibucket+material＝圍繞銷200的物料和鏟斗慣性

αbucket＝由銷傳感器395檢測的鏟斗繞銷200的角加速度

d1＝從銷200到起重繩的法線距離

d2＝從銷200到擺缸軸(tiltcylinderaxis)的法線距離(例如，由促動器傳感器392檢測的促動器位移)

d3＝從銷200到鏟斗重力的法線距離

d4＝從銷200到物料重力的法線距離

在一些實施例中，基于促動器的傳感位移和工業機械部件的大小，可以確定鏟斗140的旋轉角。在這樣的實施例中，工業機械部件的大小可以是鏟斗和銷之間的第一連接部(例如，在鏟斗-鏟柄銷200處)與促動器和鏟斗之間的第二連接部(例如，鏟斗-缸銷215)之間的距離。鏟斗140相對于水平軸127的旋轉角可以被表示成θ，其中當鏟斗-鏟柄銷200軸和鏟斗-缸銷215在同一垂直線上時，θ等于0。可以通過下列的等式3-7來確定cosθ和sinθ：

r＝r2-r1[等式4]

通過使用下面的等式8-10，等式2可以被進一步改寫成等式11：

fmaterial＝c1gx[等式8]

d4＝d5cosθ-d6sinθ[等式9]

imaterial＝c6x+c7[等式10]

其中：

d5＝在鏟斗沒有旋轉的情況下，物料的重心距離鏟柄與鏟斗連接點(例如，銷200)的x-距離

d6＝在鏟斗沒有旋轉的情況下，物料的重心距離鏟柄與鏟斗連接點(例如，銷200)的y-軸距離

在等式5-8中，x是填充因數。如上所述，填充因數x與鏟斗140填充的物料的百分比(例如，0等于填滿的0％，而1等于填滿的100％)有關。此外，在等式5-8中，c1是鏟斗容量(例如，如果鏟斗容量是100t，那么c1等于100t)，而c2至c7是與鏟斗140填充的物料的百分比有關的常系數。在一些實施例中，常系數c2至c7是預先確定的。在這類實施例中，可以通過實證檢驗來預先確定常系數。此外，可以通過實證檢驗來預先確定距離d5和d6。

如等式12所示，等式11可以被改寫而求出x的解。

其中：

a＝c1g[c4sinθ-c2cosθ]

b＝c1g(c5sinθ-c2cosθ)-c6αbucket

c＝(fhst)d1+(fcyl)d2-(fbucket)d3-(ibucket+c7)αbucket

并且：

(b²-4ac)>0

因此，通過上面的等式12可以確定有效負載數據(例如，鏟斗140的填充因數)。

因此，除了其它之外，本申請提供了一種用于精確確定采掘機的有效負載數據的系統和方法，例如但不限于，采掘機的鏟斗的填充因數。該系統和方法在不需要估算推擠馬達的推擠扭矩的情況下，精確地確定有效負載數據。此外，通過精確確定采掘機的有效負載數據，可以確定采掘機的效率以及采掘機的操作。在權利要求書中將詳述本申請的各種特征和優點。