專利名稱：挖掘測量裝置及類似設(shè)備的制作方法
挖掘測量裝置及類似設(shè)備本發(fā)明涉及一種用于已知挖掘和土方移動設(shè)備的測量裝置，所述挖掘和土方移動設(shè)備包括如下部件吊臂、斗桿、斗桿延伸部和鏟斗，這些部件相對于彼此且相對于地面呈可移動的關(guān)系，所述測量裝置包括超聲波發(fā)射器和接收器，以測量斗桿-鏟斗接頭相對于吊臂-斗桿接頭的位置。本申請中的術(shù)語“包括”旨在傳達(dá)本發(fā)明相關(guān)條目的集合的概念，但這并不排除可能出現(xiàn)和/或相關(guān)更多的條目。術(shù)語“包括”并非意在傳達(dá)排除其它項目的窮舉概念，該窮舉可用“由……組成”的表述方式更好地描述出來。一個必需部件是安裝到斗桿上的鏟或鏟斗，斗桿的長度可能會改變，且斗桿的另一端連接到吊臂上。所有的運動通常是通過液壓缸產(chǎn)生的。鏟斗及其前緣是與地面的接觸面，其通過土方移動設(shè)備的動作來改變或盛裝待從一個地方移動到另一個地方的土方。鏟斗的運動必須精確控制，通常精度為O. 01米。參考坐標(biāo)系經(jīng)常是全球坐標(biāo)格網(wǎng)(GPS)或局 部坐標(biāo)網(wǎng)格，例如包括旋轉(zhuǎn)激光平面。鏟斗的深度通常是最需要的測量值。已知的構(gòu)造要求斗桿的長度最短，以便利用深度測量系統(tǒng)。直接監(jiān)控鏟斗前緣的運動是不可能的，相反依靠間接的方法。當(dāng)已知所有元件之間的角度關(guān)系和已經(jīng)調(diào)整了斗桿長度時，用幾何學(xué)和三角學(xué)方法計算鏟斗前緣的位置是可能的。通過在旋轉(zhuǎn)軸上的分角器可以直接確定角度關(guān)系，并且通過線性編碼器也可以直接確定斗桿的長度。上述元件必須在制造時構(gòu)造到設(shè)備中，因為上述元件不適合翻新。在監(jiān)控用于翻新的設(shè)備的情況下，通常通過安裝在各種部件上的傾斜傳感器來間接得到角度關(guān)系。在處理獲得的傾斜信號和關(guān)于各種各樣距離的認(rèn)知中，運用三角學(xué)關(guān)系?？赏ㄟ^超聲波場測量一些距離，在超聲波場中，超聲波發(fā)射器發(fā)射連續(xù)波，并由超聲波接收器接收的信號的相位測量提供所需的數(shù)據(jù)。在W0/03088136A2中，這個解決方案針對一般性的應(yīng)用被描述。如JP2001064992A中描述的，為了在這種土方移動設(shè)備的不同部件的運動中提供安全性，以超聲波發(fā)射器和接收器的形式的接近度傳感器確保這些部件不發(fā)生碰撞。在W02010/003636A1中描述了一種線性階梯或支腳延伸的測量，其中通過測量支腳的延伸程度的相同超聲波元件來測量所建立的參考距離，從而執(zhí)行溫度和壓力影響的補償。超聲波元件的使用被描述為僅限于簡單的元件，這是由需要窄波束超聲波能量的寄生反射造成的。其它方法依賴于微波或激光進(jìn)行距離測量。具體地，激光系統(tǒng)很容易出現(xiàn)故障，這歸咎于在光學(xué)表面和窗口上的污垢沉淀以及歸咎于發(fā)射器與接收器之間的視場中斷。鑒于此，聲波或超聲波是優(yōu)選的。上面描述的解決方案自身不適合簡單的翻新和校準(zhǔn)，而本發(fā)明的目的在于提供簡單的翻新和校準(zhǔn)。在如下裝置中獲得這種簡單的翻新和校準(zhǔn)，該裝置具體地在于斗桿設(shè)置有超聲波發(fā)射器和第一傳感器，所述第一傳感器采用傾斜傳感器的形式并且提供表示斗桿相對于基準(zhǔn)的傾斜的輸出信號；并且斗桿延伸部裝備有第二傳感器，所述第二傳感器采用超聲波接收器的形式并且提供如下信號，所述信號以所述超聲波接收器與所述超聲波發(fā)射器之間的即時距離延遲；并且所述信號被傳輸?shù)皆O(shè)置有存儲器的信號處理器，所述存儲器用于存儲在安裝所述測量裝置后的任何時刻獲得的校準(zhǔn)值，所述信號處理器提供表示所述斗桿-鏟斗接頭位置的輸出。本發(fā)明一個優(yōu)選具體實施例具體地在于，所述斗桿還設(shè)置有用于校正空氣壓力、空氣溫度、空氣濕度的裝置，以便建立在實際使用狀況下由所述超聲波脈沖覆蓋的距離與所述超聲波脈沖的發(fā)射和接收之間的相應(yīng)延遲之間的關(guān)系。本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的具體實施例具體地在于，來自于所述超聲波接收器的表示所述超聲波發(fā)射器和所述超聲波接收器之間的即時距離的信號被聲速校正，所述聲速由從所述發(fā)射器經(jīng)反射器在所述發(fā)射器用作接收器的時間窗口中反射回到所述發(fā)射器的往返信號的傳輸時間來確定，以便提供表示斗桿-鏟斗接頭相對于吊臂-斗桿接頭的位置的校正信號。進(jìn)一步優(yōu)選的具體實施例具體地在于，通過獲得當(dāng)所述斗桿-鏟斗接頭與所述吊臂-斗桿接頭之間的距離被調(diào)節(jié)到最小值時來自所述超聲波接收器的校正信號，測量所述 斗桿-鏟斗接頭與所述吊臂-斗桿接頭之間的實際距離并且手動地輸入到所述存儲器中，這樣獲得與最小參考距離相關(guān)的數(shù)據(jù)。在調(diào)整該設(shè)備的校準(zhǔn)時，所述斗桿-鏟斗接頭與所述吊臂-斗桿接頭之間的實際距離被測量并且手動地輸入到所述存儲器中。這個特征是這種形式的翻新的要求。進(jìn)一步優(yōu)選的具體實施例具體地在于，通過獲得當(dāng)所述斗桿-鏟斗接頭與所述吊臂-斗桿接頭之間的距離被調(diào)節(jié)到最大值時來自所述超聲波接收器的校正信號，測量所述斗桿-鏟斗接頭與所述吊臂-斗桿接頭之間的實際距離并且手動地輸入到所述存儲器中，這樣獲得與最大參考距離相關(guān)的數(shù)據(jù)。在對該設(shè)備的校準(zhǔn)調(diào)整時，所述斗桿-鏟斗接頭與所述吊臂-斗桿接頭之間的實際距離被測量并且手動地輸入到所述存儲器中。這個特征是這種形式的翻新的要求。本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的具體實施例具體地在于，絕對高度傳感器被放置在斗桿的頂部上，絕對高度信號從所述絕對高度傳感器被獲得，并且被所述信號處理器用于確定所述斗桿-鏟斗接頭的絕對高度。本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的具體實施例具體地在于，所述斗桿-鏟斗接頭與所述鏟斗的尖端之間的距離在所述信號處理器的用于確定所述鏟斗的尖端的絕對深度計算中，被認(rèn)為是存儲在所述存儲器中的半徑。該測量設(shè)備的使用在于，將測量設(shè)備部件和所需功率以及連接布線裝配到挖掘和土方移動設(shè)備的部件上，在簡單校準(zhǔn)之后，該設(shè)備準(zhǔn)備好被使用。如果一個或多個參數(shù)的漂移而可疑，可以在任何時刻簡單地實施重新校準(zhǔn)。如果一個部件被損壞并且被更換，同樣實施簡單的校準(zhǔn)程序。參照附圖
，本發(fā)明將被更詳細(xì)地描述，在附圖中圖I示出了安裝在反鏟牽引機上的土方移動設(shè)備中的功能元件；圖2示出了功能元件在兩個位置之間的幾何關(guān)系的示意圖；以及圖3示出了為了得到斗桿-鏟斗接頭的位置測量而進(jìn)行的信號處理的框圖。圖I中可以看到反鏟挖掘設(shè)備的完整組件。車輛本身沒有被示出。吊臂I可以借助未被示出的機構(gòu)而圍繞軸承或樞軸2被提升和下降(這表示吊臂在豎直平面內(nèi)沿圓弧移動)，所述吊臂也可以由其他機構(gòu)在水平面內(nèi)移動，從而繞豎直軸線擺動。吊臂I借助軸承或接頭4連接于斗桿3上，并且所述吊臂可以借助液壓缸5而在豎直平面內(nèi)擺動。絕對高度探測器可以被放置在斗桿的最高點T。所述探測器可以例如通過探測激光平面的豎直位置而獲得其信息或依賴于全球定位系統(tǒng)。在斗桿3上，借助滑動軸承連接到其上的是裝配的斗桿延伸部6，所述斗桿延伸部由附圖中未示出的驅(qū)動機構(gòu)前后移動，但所述驅(qū)動機構(gòu)通常是液壓的。如圖所示，斗桿延伸處于既不是最大、也不是最小的任意狀態(tài)。在斗桿延伸部6的端部上裝配有鏟斗7，所述鏟斗可以在接頭或軸承8上旋轉(zhuǎn)。鏟斗可以借助液壓缸9前后擺動。在一個極限位置，鏟斗7可以包含用鏟收集的土方，并且在另一極限位置，鏟斗倒空，它的前緣(尖端)10可以用于刮削，并且，鏟斗的前面表面水平時，所述前緣可以用于鏟土。為了能夠?qū)⑼练皆O(shè)置成想要的形狀，知道尖端10在與土方相接觸的任何地方的精確深度是很重要的。當(dāng)建造斜面和水平面時，使用該信息。對于組件中元件的任何位置以及還當(dāng)車輛移動時，也都必須獲知該深度。為了確定該測量，進(jìn)行許多間接測量。斗桿3的角度以及斗桿延伸部6的延伸程度被測量，這些測量足以計算當(dāng)鏟斗7延伸到其最大值時從吊臂-斗桿接頭4到鏟斗7的尖端10的距離。結(jié)合絕對高度的確定，可以直接計算深 度。為了實施上述測量，一套測量元件被安裝在土方移動設(shè)備上。這在構(gòu)造時發(fā)生，但是能同樣地且有利地作為翻新而發(fā)生。傾斜儀11被安裝在斗桿3上，其給出相對于豎直方向的傾斜度的測量。在斗桿3上安裝有超聲波發(fā)射器12X，其具有門控功能，超聲波發(fā)射器12X在其不發(fā)射超聲波時能作為超聲波接收器12R使用。在距發(fā)射器有的確定距離處，放置有超聲波反射器13，其用于提供關(guān)于從發(fā)射器12X發(fā)射的超聲波脈沖借助反射器13反射并回到隨后被用作接收器的發(fā)射器12R的傳播時間的信息。周圍空氣的溫度和壓力是傳播時間的主要影響因素，但是確定距離能夠使該傳播時間被用作參考，以補償上述影響。很顯然，可以使用超聲波接收器來代替反射器13，提供用于處理的單獨的電信號。本質(zhì)的問題是超聲波部件12和13之間的參考距離是公知的絕對值。在另選方案中，來自于超聲波接收器的代表超聲波發(fā)射器和超聲波接收器之間即時距離的信號被聲速校正，所述聲速借助提供給處理單元的來自溫度和壓力傳感器的信號來確定，在所述處理單元中存儲有與聲速的這種測量值相關(guān)的列表數(shù)據(jù)。這種溫度和壓力傳感器可以被放置在傾斜儀11中，并且數(shù)據(jù)被傳送到信號處理單元16。斗桿延伸部6設(shè)置有超聲波接收器14，并且因為所述超聲波接收器與反射器13相比離發(fā)射器更遠(yuǎn)，因此接收到發(fā)射器的超聲波信號較晚。中間元件(如液壓軟管，如用15示意性表示的)不阻礙該接收，并且在此，演示了具有更寬分布圖的發(fā)射器相比于由例如激光源提供的窄光錐更具有優(yōu)勢。只要分布圖足夠?qū)?，那么中間元件15的干擾就能被忽略。借助參考傳播時間來校正時間延遲，因此能夠高精度地確定發(fā)射器12X與接收器14之間的距離。也就是說，雖然其本身不太重要，但是接頭4和8之間的距離具有這樣的價值在換算表中與接收器14的時間延遲相關(guān)聯(lián)。圖2是這樣的示意圖，該示意圖將各種機械元件簡化成末端帶有樞軸的桿。斗桿延伸是最小的，這意味著樞軸4和8a之間的距離是最小值。還示出了斗桿延伸最大值,樞軸4和Sb之間的距離是最大值。將注意到的是，樞軸4不位于由斗桿3和斗桿延伸部6限定的直線上，這意味著樞軸4與8之間的距離不會以超聲波發(fā)射器/接收器12與接收器14之間的距離的增加所示的量增加，而是必須使用三角學(xué)方法來計算。來自于傾斜傳感器11的代表角度A的信號對于簡單深度測量是重要的。樞軸4與斗桿3的中心線之間的距離在圖2中被放大。在翻新測量元件后，測量系統(tǒng)通過如下方式來校準(zhǔn)將土方移動設(shè)備元件放置在特定的方位上，進(jìn)行簡單的長度和角度的測量，以及將測量值輸入到系統(tǒng)的存儲器中。圖3是如上所述用于測量傳感器的處理器和控制器16的示意圖。所述處理器和控制器包括來自傾斜傳感器 11、超聲波傳感器12R和14以及絕對高度傳感器T接收輸入的輸入。所述處理器和控制器包括超聲波發(fā)射器12X的輸出以及用于該超聲波元件12的控制輸出C，以便將超聲波發(fā)射器12X從發(fā)射轉(zhuǎn)換成接收。在內(nèi)部，處理器和控制器16包含存儲器17，所述存儲器存儲了用于計算中間值和列表數(shù)據(jù)(例如在如上所述的校準(zhǔn)過程中得到的數(shù)據(jù))的中間值。其他轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)(例如三角計算表)能夠與用于計算的專用軟件一起在工廠就被燒入存儲器中。還示出了用于將處理器設(shè)置成校準(zhǔn)模式的控制輸入。輸出V針對測量單位(米或英尺和英寸)是數(shù)字的，并且適合于視覺顯示。主要計算結(jié)果是斗桿-斗鏟接頭8的位置，然而，該結(jié)果可以進(jìn)一步用于計算鏟斗尖端10的位置。還存在用于數(shù)據(jù)輸出D的設(shè)施，其用于土方移動操作(例如挖掘或使水平)的自動控制器中。存在若干個供放置處理器和控制器的地方。其中一個有利的位置與超聲波發(fā)射器/接收器12接頭相關(guān)。另一位置與絕對高度傳感器T相關(guān)，所述絕對高度傳感器已經(jīng)被提供了計算能量，以便利用其依賴的參考信號?？偠灾?，在反鏟挖掘機的使用中，需要鏟斗的精確深度的指示。這可以通過測量反鏟元件的角度和伸展并且通過計算該結(jié)果來完成。這通常通過分角器和線性編碼器來完成。這種設(shè)備的翻新和校準(zhǔn)是非常困難的，而根據(jù)本發(fā)明，同樣的數(shù)據(jù)可借助傾斜儀和基于脈沖超聲波的長度測量設(shè)備來獲得。上述具體實施例的前述說明如此充分地展示了本發(fā)明的本質(zhì)，以致于本領(lǐng)域技術(shù)人員通過應(yīng)用現(xiàn)有知識，能夠容易地修改或調(diào)整該具體實施例以用于各種應(yīng)用，無需過量的實驗也不違背一般觀念，因此，這種調(diào)整和修改應(yīng)當(dāng)并旨在理解為包含在所公開實施例的等同含義和范圍內(nèi)。應(yīng)當(dāng)理解，本文采用的措辭和術(shù)語只是為了說明，并不是為了進(jìn)行限制。在不脫離本發(fā)明的情況下，用于實施各種已公開功能的方法、材料和步驟可以采取各種形式。因此，正如在上述說明書和/或下述權(quán)利要求書中可能出現(xiàn)的后面跟著功能性說明的表達(dá)方式“用來…的機構(gòu)”和“用于…的裝置”或者任何方法步驟語言都旨在限定和涵蓋所有的構(gòu)造上的、物理的、化學(xué)的或電的元件或結(jié)構(gòu)，或者所有的方法步驟，其可能存在于實施所述功能的當(dāng)前或未來的，無論是否正好等同于上述說明書中公開的實施例；也就是說，能使用用于實現(xiàn)相同功能的其他裝置或步驟；而且這樣的表述意圖作最寬的解釋。
權(quán)利要求
1.一種用于已知的挖掘和土方移動設(shè)備的測量裝置，所述挖掘和土方移動設(shè)備包括下述部件吊臂(I)、斗桿(3)、斗桿延伸部(6)和鏟斗(7)，這些部件相對于彼此且相對于地面可移動，所述測量裝置包括超聲波發(fā)射器(12X)和接收器(12R，14)，用于測量斗桿-鏟斗接頭(8)相對于吊臂-斗桿接頭(4)的位置，其特征在于，所述斗桿(3)設(shè)置有超聲波發(fā)射器(12)和第一傳感器，所述第一傳感器采用傾斜傳感器(11)的形式，用于提供表示所述斗桿(3)相對于基準(zhǔn)的傾斜的輸出信號；并且，所述斗桿延伸部(6)設(shè)置有第二傳感器，所述第二傳感器采用所述超聲波接收器(14)的形式，用于提供以所述超聲波接收器與所述超聲波發(fā)射器(12)之間的即時距離延遲的信號；并且，所述信號被傳輸?shù)皆O(shè)置有存儲器(17)的信號處理器(16)，所述存儲器用于存儲在安裝所述測量裝置后的任何時刻獲得的校準(zhǔn)值，所述信號處理器(16)提供表示斗桿-鏟斗接頭位置的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述斗桿(3)還設(shè)置有用于校正空氣壓力、空氣溫度、空氣濕度的裝置，以便建立在實際使用狀況下由超聲波脈沖覆蓋的距離與所述超聲波脈沖的發(fā)射和接收之間的相應(yīng)延遲之間的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，來自于所述超聲波接收器(14)的表示所述超聲波發(fā)射器(12)和所述超聲波接收器(14)之間的所述即時距離的信號由聲速校正，所述聲速由從所述發(fā)射器(4)經(jīng)反射器(13)在所述發(fā)射器用作接收器(12R)的時間窗口中反射回到所述發(fā)射器的往返信號的傳輸時間來確定，以便提供表示所述斗桿-鏟斗接頭(8)相對于所述吊臂-斗桿接頭(4)的位置的校正信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，通過獲得當(dāng)所述斗桿-鏟斗接頭(8)與所述吊臂-斗桿接頭(2)之間的距離被調(diào)節(jié)到最小值時來自所述超聲波接收器(14)的校正信號，測量所述斗桿-鏟斗接頭與所述吊臂-斗桿接頭之間的實際距離并且手動地輸入到所述存儲器(17)中，這樣獲得與最小參考距離(4-8a)相關(guān)的數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，通過獲得當(dāng)所述斗桿-鏟斗接頭(8)與所述吊臂-斗桿接頭(2)之間的距離被調(diào)節(jié)到最大值時來自所述超聲波接收器(14)的校正信號，測量所述斗桿-鏟斗接頭與所述吊臂-斗桿接頭之間的實際距離并且手動地輸入到所述存儲器(17)中，這樣獲得與最大參考距離(4-8b)相關(guān)的數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，在所述斗桿(3)的頂部上放置絕對高度傳感器(T)，從所述絕對高度傳感器(T)獲得絕對高度信號，并且所述絕對高度信號被所述信號處理器(16)用于確定所述斗桿-鏟斗接頭(8)的絕對高度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述斗桿-鏟斗接頭(8)與所述鏟斗的尖端(10)之間的距離在所述信號處理器(16)的用于確定所述鏟斗的尖端(10)的絕對深度計算中，被認(rèn)為是存儲在所述存儲器(17)中的半徑。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置的使用方法，其特征在于，所述挖掘和土方移動設(shè)備的部件設(shè)置有包括所需的功率和信號布線的如下裝置部件 a)傾斜傳感器(11)安裝到所述斗桿(3)上； b)超聲波發(fā)射器(12)安裝到所述斗桿(3)上，所述超聲波發(fā)射器能夠轉(zhuǎn)換以用作超聲波接收器； c)超聲波反射器(13)安裝到所述斗桿(3)上； d)超聲波接收器(14)安裝到所述斗桿延伸部(3)上；e)設(shè)置有存儲器(17)的信號處理器(16)根據(jù)所需的功率和信號布線被安裝在所述挖掘和土方移動設(shè)備的合適部分上； 其特征還在于，執(zhí)行一系列校準(zhǔn)并且輸入到所述存儲器(17)中，這包括如下步驟 f)豎直地放置所述斗桿⑶和所述斗桿延伸部(6)，將所述傾斜傳感器(11)的傾斜讀數(shù)以零值設(shè)置到所述存儲器(17)中； g)借助手動裝置來測量所述斗桿-斗鏟接頭與所述吊臂-斗桿接頭之間的最小距離(8-4)，并將所述最小距離以對應(yīng)于超聲波測量值的方式輸入到所述存儲器(17)中； h)借助手動裝置 來測量所述斗桿-斗鏟接頭與所述吊臂-斗桿接頭之間的最大距離(8-4)，并將所述最大距離以對應(yīng)于超聲波測量值的方式輸入到所述存儲器(17)中； 其特征還在于，在使用具有相關(guān)存儲器(17)的所述信號處理器(16)提供所述鏟斗的尖端(10)的位置的校正數(shù)據(jù)的同時，對所述挖掘和土方移動設(shè)備執(zhí)行操作。
全文摘要
在反鏟挖掘機的使用中，需要指示出鏟斗的精確深度。這可通過測量反向鏟元件的角度和延伸并計算結(jié)果來獲得。這通常通過分角器和線性編碼器來完成。這種設(shè)備的翻新和校準(zhǔn)是非常困難的，而根據(jù)本發(fā)明，同樣的數(shù)據(jù)可借助傾斜儀和基于脈沖超聲波的長度測量設(shè)備來獲得。
文檔編號E02F3/43GK102918209SQ201180019513
公開日2013年2月6日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月18日
發(fā)明者A·林德斯科夫 申請人:米克洛夫伊恩股份公司