CN1088488C - 一种建筑机械的控制方法和控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑机械用的和在建筑机械中的控制技术，其中设置在建筑机械主体上的联合式臂机械由一油缸型驱动器驱动，该驱动器连接在一个有一泵(51，52)的流体压力流路上，泵的输出压力可以根据操作部件(8)的操作量而变化，该臂机构由泵(51，52)的输出压力操作，当操作部件(8)处于油缸型驱动器的非驱动位置中时，泵(51，52)的输出压力也保持等于或高于一预定值，因此，即使紧接在开始驱动臂机构之后，也可以抑制泵(51，52)的响应延迟或死区的增大，可以提高工作部件的最终精度。

Description

一种建筑机械的控制方法和控制设备

技术领域

本发明涉及一种建筑机械，如挖掘地面用的液压挖掘机，更具体地涉及一种上述类型的建筑机械用的控制方法和控制设备。

一种建筑机械如液压挖掘机的构造，例如图13中示意地示出的，包括一个带有操作室600的上旋转装置100，该装置设置在具有履带部件500A的下移动主体500上，其次，在上旋转装置100上设置一个包括悬臂200、杆臂300和挖斗400的联合式臂机构。

同时，以例如通过行程传感器210、220和230获得的悬臂220、杆臂300和挖斗400的伸展/收缩位移信息为基础，可以通过液压缸120、121和122分别合适地驱动悬臂200、杆臂300和挖斗400，来进行挖掘操作而固定挖斗400的前进方向或挖斗400的姿势，从而精确而稳定地控制一个工作部件如挖斗400的位置和姿势。

另外，在这样一种如上所述的普通液压挖掘机中，当通过一个控制器自动地进行一个线性地移动挖斗400的顶部的操作(倾斜)例如调整水平高度的操作时，在向液压缸120、121和122供给工作油和从其中排放工作油的液压流路中的电磁阀受到电反馈控制，以控制液压缸120、121和122的伸展/收缩操作，从而控制悬臂200、杆臂300和挖斗400的姿势。

在这种情况下，液压缸120、121和122连接在液压流路上并受从泵来的输出压力的操作，当操作人员操作一个操作杆时，通过液压流路进行对液压缸120至122输送工作油或从其中排放工作油，从而操作悬臂200、杆臂300和挖斗400。

同时，紧接在开始驱动联合式臂机构之前，操作杆安置在一中性位置(非驱动位置)，而上述泵处于很少输出工作油的状态(空转状态)。如果操作杆从所述状态操作，那么随着操作杆的操作量，泵的输出压力逐渐上升。

因此，紧接在操作杆从泵的空转状态操作到开始自动控制之后(紧接在驱动开始之后)，因为泵的输出压力不呈现足够的上升，所以出现泵的响应延迟，此外，由于泵的负荷低于液压缸120至122的负荷，因此死区增大，导致挖斗400的姿势控制精度变坏。因此，很难在紧接开始驱动之后就通过挖斗400来改进调整水平面之类的最终精度。

本发明是着眼于上述主题而完成的，本发明的目的是提供一种建筑机械用的控制方法和控制设备，通过它们，即使紧接在开始驱动臂机构之后，泵的响应延迟和死区的增大也受到抑制，从而通过一个工作部件达到最终精度的改善。

发明概述

为了达到上述目的，根据本发明，一种建筑机械用的控制方法，所述建筑机械包括：(1)一个联合式臂机构；(2)一个油缸型驱动器，可操作地连接在流体压力流路上以驱动所述联合式臂机构；(3)一个设置于所述流体压力流路上的泵，根据操作者通过一操作部件的动作可以改变输出压力，所述油缸型驱动器可以驱动所述联合式臂机构、并利用该泵的输出压力被驱动，其特征在于：所述方法包括如下步骤：a.检测所述操作部件是否在中性位置，在该中性位置，该泵的驱动力不再传至该油缸型驱动器中，b.根据该操作者的动作，触发一控制信号以改变该泵的输出压力，c.监控在该油缸型驱动器中的负荷值；d.以及根据所述油缸型驱动器的负荷的监控值，当所述检测步骤的结果为所述操作部件在所述中性位置时，保持该泵的输出压力等于或高于从多个不同的压力值选出的一个压力值。

在上述建筑机械的控制方法中，当操作部件处于对油缸型驱动器的非驱动位置中时，该输出压力也保持等于或高于该预定值，因此，即使紧接在操作部件从非驱动位置操作以便操作联合式臂机构之后(紧接在开始驱动之后)，也能得到足够的泵输出压力，从而能够抑制泵的响应延迟或死区的增大。

因此，即使紧接在开始驱动臂机构之后，也能够防止工作部件的姿势控制精度的变坏，从而可以显著提高工作部件的最终精度。

同时，本发明的一种建筑机械用的控制设备，该设备包括：(1)一个建筑机械主体；(2)一个联合式臂机构，其一端枢轴式安装在所述建筑机械主体上，其另一端有一工作部件；(3)一个油缸型驱动机构，可操作地与所述联合式臂机构连接，用于进行伸展/收缩操作，以驱动所述臂机构；(4)一个由操作者操作的操作部件，用于通过所述油缸型驱动机构操作所述臂机构；(5)一个流体压力流路，该流路有一个泵，其输出压力可根据操作者通过所述操作部件发出的请求，改变输出压力，以使所述油缸型驱动机构完成伸展/收缩操作，其特征在于：所述设备还包括：a.检测机构，用于检测所述操作部件是否处于中性位置，在该位置，泵的驱动力不再传至该油缸型驱动机构，b.触发机构，对于操作者的请求，触发一控制信号以改变该泵的输出压力，c.监控机构，用于监控在所述油缸型驱动机构的负荷值，以及d.泵控制机构，根据所述检测机构所检测到的负荷值，当所述检测机构检测到所述操作部件处于所述中性位置时，对所述触发机构的触发响应，并使所述泵的输出压力保持等于或高于一个预定值。

可以注意到，如果该检测机构检测到该操作部件处于对该油缸型驱动机构的非驱动位置和检测到已经完成由控制起动触发操作部件进行的控制起动触发操作，那么上述泵控制机构可以做成使泵的输出压力保持等于或大于该预定值。

其次，上述泵控制机构可以做成它能根据作用在该油缸型驱动机构上的负荷的状态而改变待保持的输出压力，在此种情况下，泵控制机构可以做成它包括存储机构，其中存储根据作用在该油缸型驱动机构上的负荷的状态而被改变的所保持的输出压力。

在上述本发明的建筑机械用的控制设备中，如果上述检测机构检测到操作部件处于对油缸型驱动器的非驱动位置中，那么泵的输出压力由于泵控制机构而保持等于或大于该预定值，因此，即使紧接在操作部件从非驱动位置操作以便操作联合式臂机构之后(紧接在开始驱动之后)，也能得到足够的泵输出压力，从而能够抑制泵的响应延迟或死区的增大。

因此，同时在该情况下，即使紧接在开始驱动臂机构之后，也能够防止工作部件的姿势控制精度的变坏，从而可以显著提高工作部件的最终精度。

可以注意到，当上述检测机构检测到该操作部件处于对该油缸型驱动机构的非驱动位置和检测到已经完成由控制起动触发操作部件进行的控制起动触发操作时，泵控制机构使泵的输出压力保持等于或大于该预定值，当该操作部件处于非驱动位置时，可以通过控制起动触发操作部件的控制起动触发操作来选择泵控制机构的控制操作是否用于使泵的输送压力保持等于或高于该预定值。

因此，只有当操作人员或类似人员需要时，泵控制机构的控制操作才能够完成，而泵的输出压力不需要保持在不必要的高的压力状态，并能够获得高效的操作。

其次，在泵控制机构根据作用在油缸型驱动机构上的负荷的状态而改变待保持的输出压力的场合，可以确定地抑制由于泵负荷小于对油缸型驱动机构的负荷而产生的死区的增大，因此，建筑机械的控制设备极大地提高了工作部件的最终精度。

在此种情况下，根据作用在油缸型驱动机构上的负荷的状态而改变的所保持的输出压力被预先存储在存储机构中，只要泵控制机构从该存储机构读出与作用在油缸型驱动机构上的负荷的状态相对应的待保持的输出压力，该泵控制机构就能获得一个最佳的泵的待保持的输出压力，并完成泵的输出压力的变化控制。

附图简述

图1是一种其上安装了本发明实施例的控制设备的液压挖掘机；

图2是表示本发明实施例的控制设备的基本构造(电系统和液压系统)的示意图；

图3是示意表示本发明实施例的控制设备基本构造的框图；

图4是说明本发明实施例的整个控制设备功能结构用的框图；

图5是本发明实施例的控制设备关键部分的控制框图；

图6是说明本发明实施例的控制设备特征功能和与该功能有关的关键部分构造用的框图；

图7是表示本实施例的液压挖掘机的操作部件(一种联合型臂机构和一种挖斗)的侧视立面图；

图8是示意表示液压挖掘机以便说明该实施例的液压挖掘机的操作的侧视立面图；

图9是示意表示液压挖掘机以便说明该实施例的液压挖掘机的操作的侧视立面图；

图10是示意表示液压挖掘机以便说明该实施例的液压挖掘机的操作的侧视立面图；

图11是示意表示液压挖掘机以便说明该实施例的液压挖掘机的操作的侧视立面图；

图12是示意表示液压挖掘机以便说明该实施例的液压挖掘机的操作的侧视立面图；

图13是示意表示一种普通液压挖掘机的基本构造的侧视立面图。

实施本发明的最佳方案

下面参照附图描述本发明的一个实施例。

作为该实施例的建筑机械的液压挖掘机，例如图1中示意示出的，包括一个带有操作室600的上旋转装置(建筑机构主体)100，以便在下移动主体500上的水平面中旋转，该下移动主体500在其左面和右面有履带部件500A。

在上旋转装置100上设置一个悬臂(臂部件)200，该悬臂的一端连接以便摆动，在悬臂200上设置一个杆臂(臂部件)300，在其一端处连接，以便通过一联合部件摆动。

在杆臂300上设置一个挖斗(工作部件)400，在其一端处连接，以便通过一联合部件摆动，并能用其顶端挖掘地面及容纳砂土。

以此种方式，联合式臂机构包括悬臂200、杆臂300和挖斗400，该臂机构的一端安装在上旋转装置100上以便枢轴式转动，其另一端上具有挖斗400，还有悬臂200和杆臂300作为一对通过联合部件彼此连接的臂部件。

其次，设有作为油缸型驱动器的悬臂液压缸120、杆臂液压缸121和挖斗液压缸122(在下列描述中，悬臂液压缸120可以称为悬臂缸120或只称为缸120，杆臂液压缸121可以称为杆臂缸121或只称为缸121，而挖斗液压缸122可以称为挖斗缸122或只称为缸122)。

此处，悬臂缸120的一端连接在上旋转装置100上以便摆动，而其另一端连接在悬臂200上以便摆动，或者换一句话说，悬臂缸120介于上旋转装置100和悬臂200之间，使得当对置两端间的距离伸展或收缩时，悬臂200可以相对于上旋转装置100摆动。

杆臂缸121的一端连接在悬臂200上以便摆动，而其另一端连接在杆臂300上以便摆动，或者换一句话说，杆臂缸121介于悬臂200和杆臂300之间，使得当对置两端间的距离伸展或收缩时，杆臂300可以相对于悬臂200摆动。

挖斗缸122的一端连接在杆臂300上以便摆动，而其另一端连接在挖斗400上以便摆动，或者换一句话说，挖斗缸122介于杆臂300和挖斗400之间，使得当对置两端间的距离伸展或收缩时，挖斗400可以相对于杆臂300摆动。可以注意到，在挖斗液压缸122的自由端部处设有一个连杆130。

以此种方式，一个具有多个油缸型驱动器的油缸型驱动机构用于通过进行伸展或收缩操作来驱动臂机构，该驱动机构包括上述油缸120至122。

可以注意到，虽然图中未示出，但是还设有驱动左右履带部件500A用的液压马达和驱动上旋转装置100旋转用的旋转马达。

另外，如图2中所示，设有一个供上述油缸120至122、液压马达和旋转马达用的液压流路(流体压力流路)，而且除了受发动机E驱动的可变输出压力型泵51和52以外，在液压流路中设有悬臂主控制阀(控制阀)13、杆臂主控制阀(控制阀)14、挖斗主控制阀(控制阀)15等等。可变输出压力型的泵51和52每个这样构造，使得营地板角(倾角)受以后说明的发动机泵控制器27控制，因此通往液压流路的工作油的输出压力可以变化。

可以注意到，图2中连接不同元部件的实线表示电力系统，而连接不同元部件的虚线表示液压系统。

其次，为了控制主控制阀13、14和15，提供一个辅助液压流路(pilot hydraulic circuit)，而且除了由发动机E驱动的辅助泵(pilot pump)50以外，在辅助液压流路中设有电磁比例阀3A、3B和3C，电磁定向开关阀4A、4B和4C，分配阀18A、18B和18C等。

在该实施例的液压挖掘机中，提供一种控制器1，用于通过电磁比例阀3A、3B和3C来控制主要控制阀13、14和15，从而根据一种应当控制下列各部件的方式来控制悬臂200、杆臂300和挖斗400，使它们可以具有所需的延伸/收缩位移。应当注意到，控制器1由微处理器、ROM和RAM之类存储器、合适的输入/输出接口等组成。

从各种不同的传感器来的检测信号(包括设定信号)输入控制器1，而控制器1根据从传感器来的检测信号执行上述控制。可以注意到，控制器1的此种控制称为半自动控制，而即使在半自动控制下的挖掘期间(半自动挖掘方式)，也可以手动地精细调整挖斗角度和目标坡面高度。

作为上述的这样一种半自动控制方式(半自动挖掘方式)，可以获得挖斗角度控制方式(参见图8)、坡面挖掘方式(挖斗顶端线性挖掘方式或倾斜方式；参见图9)、一种为坡面挖掘方式和挖斗角度控制方式的组合的平滑方式(参见图10)、一种挖斗角度自动返回方式(自动返回方式；参见图11)等等。

此处，挖斗角度控制方式是这样一种方式，其中，即使杆臂300和悬臂200如图8中所示地运动，挖斗400相对于水平方向(垂直方向)的角度(挖斗角度)也始终保持恒定，如果监控板10(下面描述)上的挖斗角度控制开关为“通”，那么该方式被执行。可以注意到，当挖斗400手动移动时，该方式取消，而当挖斗400停止时，处于一个时间点的挖斗角度被作为新的挖斗保持角度而存储。

坡面挖掘方式是这样一种方式，其中挖斗400的顶端112(该顶端有时可称之为挖斗顶端112)如图9中所示地线性移动。但是，挖斗缸122并不移动。其次，当挖斗400移动时，挖斗角φ变化。

坡面挖掘方式+挖斗角度控制方式(平滑方式)是这样一种方式，在如图10中所示地挖掘期间，挖斗400的顶端1 12线性移动，而挖斗角度φ同时保持恒定。

挖斗自动返回方式是这样一种方式，其中挖斗角度自动地返回到一个预先设定的角度，如图11中所示，而返回挖斗角度由监控板10设定。当悬臂/挖斗操作杆6上的挖斗自动返回起动开关7被接通时，该方式起动。当挖斗400返回到预先设定的角度时，该方式在一个时间上被取消。

当监控板10上的半自动控制开关接通和杆臂操作杆8上的坡面挖掘开关9接通而且杆臂操作杆8和悬臂/挖斗操作杆6两者或两者之一移动时，就进入上述坡面挖掘方式和平滑方式。可以注意到，目标坡面角度由监控板10上的开关操作设定。

其次，在坡面挖掘方式和平滑方式中，杆臂操作杆8的操作量提供一个与目标坡面角度方向平行的挖斗顶端移动速度，而悬臂/挖斗操作杆6的操作量提供一个方向垂直的挖斗顶端移动速度。因此，如果杆臂操作杆8移动，那么挖斗顶端112开始其沿目标坡面角度的线性运动，而且通过在挖掘期间移动悬臂/挖斗操作杆6而能够手动操作完成目标坡面高度的精细调整。

其次，在坡面挖掘方式和平滑方式中，通过操作悬臂/挖斗操作杆6，不仅可以在挖掘期间精细地调整挖斗角度，而且可以变化目标坡面高度。

可以注意到，在该系统中，也可以用手动方式，而且在该手动方式中，不仅可以采用与普通液压挖掘机等价的操作，而且可以有挖斗顶端112的坐标指示。

同时准备了一种完成整个半自动系统的检修维护用的检修方式，通过将外终端2连接在控制器1上能够使用该检修方式。而且，通过该检修方式，可以完成控制增益的调整、各种传感器的初始安置等。

另外，如图2中所示，作为连接到控制器1的各种传感器，设置了压力开关16、压力传感器19、28A和28B、分解器(角度传感器，姿势检测机构)20至22、一个车辆倾斜角度传感器24等。其次，在控制器1上连接了发动机泵控制器27、一个通断开关(上述挖斗自动返回起动开关)7、另一个通断开关(上述坡面挖掘开关)9、带有目标坡面角度设定装置的监控板(显示开关板)10。可以注意到，在调整控制增益、初始安置传感器等时，外终端2连接在控制器1上。

发动机泵控制器27接受从发动机速度传感器23来的发动机速度信息，并控制上述可变输出压力型的发动机E与泵51、52的凸轮板角度(倾斜角度)。发动机泵控制器27可以与控制器1交换坐标信息。

压力传感器19附接在与操作杆6和8连接的辅助管(pilotpipe)上并检测辅助管中的辅助液压压力，操作杆6和8用于使杆臂300延伸/收缩并用于使悬臂200向主控制阀13、14和15向上/向下移动。因为此种辅助管中的辅助液压压力是通过操作杆6和8的操作量变化的，所以通过测量液压压力，控制器1根据测得的液压压力可以估算操作杆6和8的操作量。

压力传感器28A和28B分别检测悬臂缸120和杆臂缸121的伸展/收缩状态，而作用在缸120和121上的负荷状态可分别通过压力传感器28A和28B检测。

可以注意到，在上述半自动控制的情况下，杆臂操作杆8用于测定与设定的挖掘倾斜面方向平行的挖斗顶端移动速度，而悬臂/挖斗操作杆6用于测定与设定的倾斜面方向垂直的挖斗顶端移动速度。因此，当杆臂操作杆8和悬臂/挖斗操作杆6同时操作时，挖斗顶端的移动方向和移动速度由一个相对于设定的倾斜面沿平行方向和沿垂直方向的复合矢量决定。

压力开关16附接在供悬臂200、杆臂300和挖斗400用的操作杆6和8的辅助管上，带有安置在其间的分配阀17或类似部件，压力开关并被用于检测操作杆6和8是否处于中间状态。特别是，当操作杆6或8处于中间状态时，压力开关16的输出为断开，但当操作杆6或8被使用时，压力开关16的输出为接通。可以注意到，用于检测中间位置的压力开关16也用于检测压力传感器19的不正常状态和用于在手动/半自动方式之间切换。

分解器20设置在建筑机械主体100上悬臂200的一个枢轴式安装部分(联接部分)处，在该处可以监控悬臂200的姿势，并起姿势检测机构的作用，以便检测悬臂200的姿势。分解器21设置在悬臂200上杆臂300的一个枢轴式安装部分(联接部分)处，在该处可以监控杆臂300的姿势，并起姿势检测机构的作用，以便检测杆臂300的姿势。其次，分解器22设置在一个连杆枢轴式安装部分上，在该处可以监控挖斗400的姿势，并起姿势检测机构的作用，以便检测挖斗400的姿势。通过那些分解器20至22，组成检测臂机构在角度信息中的姿势用的角度检测机构。

一个信号转换器26将分解器20获得的角度信息转换成悬臂缸120的伸展/收缩位移信息，将分解器21获得的角度信息转换成杆臂缸121的伸展/收缩位移信息，并将分解器22获得的角度信息转换成挖斗缸122的伸展/收缩位移信息，也就是，将分解器20至22获得的角度信息转换成缸120至122的相应的伸展/收缩位移信息。

为此，信号转换器26包括一个用于容纳从分解器20至22来的信号的输入接口26A、一个存储器26B、一个主运算装置(CPU)26C和一个输出接口26D，该存储器26B包括一个查找表26B-1，用于存储与由分解器20至22得到的角度信息相对应的缸120至122的伸展/收缩位移信息，该主运算装置26C可以计算与由分解器20至22得到的角度信息相对应的缸120至122的伸展/收缩位移信息，并与控制器1交流油缸伸展/收缩位移信息，而该输出接口26D用于从CPU26C送出油缸伸展/收缩位移信息。

与上述由分解器20至22得到的角信息θbm、θst和θbk相对应的缸120至122的伸展/收缩位移信息λbm、λst和λbk，可以利用按照下述表达式(1)至(3)的余弦定理来计算：

λbm＝(L² _101/102+L² _101/111-2L_101/102·L_101/111COS(θbm+Axbm))^1/2    ……(1)

λst＝(L² _103/104+L² _104/105-2L_103/104·L_104/105COSθst)^1/2……(2)

λbk＝(L² _106/107+L² _107/109-2L_106/107·L_107/109COSθbk)^1/2…(3)

此处，在上述表达式中，Li/j表示一固定长度，Axbm表示一固定角度，而L的下标具有节点i和j之间的信息。例如，L_101/102表示节点101和节点102之间的距离。可以注意到，节点101是作为xy坐标系统的原点来确定的(参见图7)。

当然，每次角度信息θbm、θst和θbk由分解器20至22得到，上述表达式可以由运算机构(如CPU26C)计算。在该情况下，CPU26C形成运算机构，以由分解器20至22得到的角度信息为基础，该运算机构计算与通过计算得到的角度信息相对应的缸120至122的伸展/收缩位移信息。

可以注意到，由信号转换器26的转换得到的信号不仅用于半自动控制时的反馈控制，而且用来测量挖斗400的顶端112位置的测量/指示用的坐标。

半自动系统中的挖斗顶端112的位置(该位置此后可称作挖斗顶端位置112)是利用液压挖掘机的上旋转装置100的某个点作为原点的。但是，当上旋转装置100沿前连杆方向倾斜时，为了控制计算，需要使坐标系统旋转一个车辆倾斜的角度。车辆倾斜角度传感器24被用于使坐标系统校正坐标系统的一个转动量。

虽然电磁比例阀3A至3C根据从控制器1来的电信号控制从辅助泵50供给的液压，而该被控制的液压通过开关阀4A至4C或分配阀18A至18C作用在主控制阀13、14和15上以控制主控制阀13、14和15的阀芯位置，从而可以获得目标油缸速度，但是如果控制阀4A至4C设定到手动方式一侧，那么可以手动地控制油缸120至122。

可以注意到，杆臂合流控制比例阀11调整两个泵51和52的合流比，以便获得一个对应于目标油缸速度的油量。

其次，上述通断开关(坡面挖掘开关)9安装在杆臂操作杆8上，而当操作人员操作该开关9时，可以选择或不选择半自动方式。然后，如果选择半自动方式，那么可以线性地移动挖斗400的顶端112。

其次，上述通断开关(挖斗自动返回起动开关)7安装在悬臂/挖斗操作杆6上，而当操作人员接通开关7时，挖斗400可以自动地返回一个预先设定的角度。

安全阀5被设置用来接通或断开供给到电磁比例阀3A至3C上的辅助压力，而且只有当安全阀5位于接通状态时，辅助压力才供给到电磁比例阀3A至3C上。因此，当半自动控制中出现某些故障或类似情况时，可以通过将安全阀5转换到断开状态而迅速停止连杆的自动控制。

发动机E的速度是不同的，取决于操作人员设定的发动机节流阀〔该位置通过操作一个节流度盘(未示出)来设定〕，其次，即使发动机节流阀的位置是固定的，发动机速度也随负荷而变化。因为泵50、51和52直接连接在发动机E上，所以如果发动机速度变化，那么泵的排放(泵输出压力)也变化，因此，即使主控制阀13、14和15的阀芯位置是固定的，油缸速度也会由于发动机速度的变化而变化。为了校正这些，安装了发动机速度传感器23，当发动机速度变慢时，挖斗400的顶端112的目标移动速度调慢。

带有目标坡面角度设定装置的监控板10(该板有时被简单地称为监控板10)不仅被用作目标坡面角度α(参考图7和12)和挖斗返回角度的设定装置，而且被用作挖斗顶端112的坐标、测得的坡面角度或两个测量点坐标之间距离的指示器。可以注意到，监控板10与操作杆6和8一起设置在操作室600中。

特别是，在该实施例的系统中，压力传感器19和压力开关16被联接在普通的辅助液压线中，以检测操作杆6和8的操作量，而反馈控制利用分解器20、21和22实现，同时多个自由度的反馈控制可以对每个缸120、121和122独立实现。因此，不需要增加油装置如压力补偿阀。其次，利用车辆倾斜角度传感器24校正上旋转装置100的倾斜影响，并使用电磁比例阀3A至3C，以便利用从控制器1来的电信号驱动缸120、121和122。可以注意到，操作人员可以利用手动/半自动方式变换开关9来任意地选择方式，此外还可设定一目标坡面角度。

在下面，描述一种由控制器1完成的半自动系统的控制算法。由控制器1实现的半自动控制方式(除了挖斗自动返回方式以外)的控制算法基本上如图4中所示。

特别是，挖斗400的顶端112的移动速度和移动方向是首先以目标坡面设定角度、控制杆臂缸121和悬臂缸120用的辅助液压压力、车辆倾斜角度及发动机速度的信息为基础而计算的。然后，以计算的信息(挖斗400的顶端112的移动速度和移动方向)为基础计算缸120、121和122的目标速度。在该情况下，需要发动机速度来确定油缸速度的上限。

其次，如图3和4中所示，控制器1包括互相独立地为缸120、121和122设置的控制部分1A、1B和1C，而控制做成如图4中所示的独立控制反馈环路，使得它们可以彼此不干扰。

此处，描述该实施例的控制设备的关键部分。图4中所示的闭合环路控制中的补偿构造在每个控制部分1A、1B和1C中有一个多个自由度的构造，该构造相对于图5中所示的位移和速度包括一反馈环路和一前馈环路，并包括具有可变控制增益(控制参数)的反馈环路型补偿机构72和具有可变控制增益(控制参数)的前馈环路型补偿机构73。

特别是，如果给定一个目标速度，那么由反馈环路型补偿机构72完成按照一条路线、另一条路线和又一条路线的反馈环路过程，在该一条路线中，目标速度和速度反馈信息之间的偏差乘以预定增益Kvp(参照标号62)，在该另一条路线中，目标速度积分(integrated)一次(参照图5的积分元件61)而目标速度积分信息和位移反馈信息之间的偏差乘以预定增益Kpp(参照标号63)，而该又一条路线中，目标速度积分信息(integrationinformation)和位移反馈信息之间的偏差乘以预定增益Kpi(参照标号64)并进一步积分(参照标号66)，同时，由前馈环路型补偿机构73完成一个通过一条其中目标速度乘以预定增益Kf(参照标号65)的路线的前馈环路过程。

在上述各过程中，反馈环路过程叙述更详细。如图5中所示，该设备包括操作信息检测机构91，用于检测油缸120至122的操作信息，而控制器1接收从操作信息检测机构91来的检测信息和由目标值设定机构80设定的目标操作信息(如目标移动速度)作为输入信息，并设定和输出控制信息，使得臂部件如悬臂200和挖斗(工作部件)400可以显示目标操作状态。其次，操作信息检测机构91特定地是油缸位置检测机构83，它可以检测油缸120至122的位置，而在该实施例中，油缸位置检测机构83由上述分解器20至22和信号转换器26组成。

可以注意到，增益Kvp、Kpp、Kpi和Kf的数值可以由增益程序机70变化。

其次，虽然提供一个非线性清除表71来清除电磁比例阀3A至3C、主控制阀13至15等的非线性性能，但是，一种其中使用非线性清除表71的过程是在高速下通过计算机利用表查找技术来进行的。

另外，在该实施例的控制设备中，发动机泵控制器27和控制器1互相配合，来提供可变地控制泵51和52的输出压力的功能(作为泵控制机构的功能)。这些功能中主要的是下述功能①和另一功能②：

功能①：根据杆臂操作杆(操作部件)8的操作量来可变地控制泵51和52的输出压力的功能。由于这种控制功能，当操作杆6或8从这样一种状态(空转状态)操作时，在这样状态中操作杆6或8安置在其中性位置(非驱动位置)而泵51和52很少传送工作油，此时控制泵51和52的凸轮板角度因而泵51和52的输出压力可以根据操作杆6或8的操作量而逐渐升高。

功能②：该功能控制泵51和52的凸轮板角度，使得随着一个由为杆臂操作杆8提供的按钮开关8a(参照图6)的控制起动触发操作、一个从中性位置检测传感器(检测机构)8b来的用于检测杆臂操作杆8是否位于对油缸120和121的非驱动位置(中性位置，在一个其中泵51和52处于空转状态的位置中)的信号以及从压力传感器28A和28B来的信号(油缸120和121的负荷状态)，泵51和52的输出压力可以保持等于或高于一预定值(到一高压状态)。更特别的是，由于该控制功能，当杆臂操作臂8位于其中性位置而按钮开关8a被压下时，可以维持泵51和52的凸轮板角度因而也维持对应于油缸120和121的负荷状态的输出电压。

后一功能②是本发明的特征功能，下面参照图6更详细地描述。

如图6中所示，在该实施例中，对杆臂操作杆8设置了中性位置检测传感器(检测机构)8b和按钮开关(控制起动触发操作部件)8a，传感器8b用于检测杆臂操作杆8是否处于其对油缸120和121的非驱动位置(中性位置)，而按钮开关8a是在起动半自动控制时被操作的。

控制器1有一个将在后面描述的泵凸轮板角度设定表(存储机构)，而当中性位置检测传感器8b检测到杆臂操作杆8位于其中性位置和按钮开关8a被压下(控制起动触发操作)时，控制器1向发动机泵控制器27输出一个泵凸轮板指令值，以控制缸120和121的输出压力，使得该输出压力可以保持在与由压力传感器28A和28B检测到的缸120和121的负荷状态(缸负荷压力的最大值)相对应的输出压力(高压状态)。

然后，从控制器1接受泵凸轮板指令值的发动机泵控制器27通过调整泵51和52而实际上完成泵51和52的控制，使得它们的凸轮板角度可以等于泵凸轮板指令，以维持泵51和52的输出压力等于或高于预定值。

泵凸轮板角度设定表60被用来输出一个与由压力传感器28A和28B检测到的缸120和121的负荷状态(沿油缸驱动方向的负荷最大值)相对应的泵凸轮板角度(泵凸轮板指令值)，并存储在一个存储器(例如一个ROM或一个RAM)中，该存储器组成控制器1的一部分，利用表查找技术预先读出与油缸负荷压力的最大值相对应的泵凸轮板角度。

在泵凸轮板角度设定表60中，这样设定泵凸轮板角度，使得当由压力传感器28A和28B检测的油缸负荷压力最大值如图6中所示地增大时，每个泵51和52的输出压力也增大。

可以注意到，在该实施例中，虽然作为控制起动触发操作部件的按钮开关8a和中性位置检测传感器8b是对杆臂操作部件8设置的，但它们也可对悬臂/挖斗操作杆6设置。其次，在该实施例中，虽然泵凸轮板角度设定表60和以表60为基础的输出一个泵凸轮板指令值的功能设置在控制器1中，但该表60和泵凸轮板指令值输出功能也可设置在发动机泵控制器27中。

在具有上述构造的该实施例中，当利用液压挖掘机半自动地完成如图12中所示的这样一种目标坡面角度α的坡面挖掘操作时，在根据该发明的系统中，上述这样的半自动控制功能可以用电子液压系统实现，与普通的手动控制系统相反，该电子液压系统按照挖掘速度自动地调整悬臂200和杆臂300的合成移动量。

特别是，检测信号(包括目标坡面角度的设定信息)是从各种传感器输入到安装在液压挖掘机上的控制器1上的，而控制器1以从传感器来的检测信号(包括通过信号转换器26收到的分解器20至22的检测信号)为基础通过电磁比例阀3A、3B和3C来控制主控制阀13、14和15，以实现此种控制，使得悬臂200、杆臂300和挖斗400可以显示所需的伸展/收缩位移，以便实现如上所述的此种半自动控制。

然后，在半自动控制时，挖斗400的顶端112的移动速度和移动方向是从目标坡面设定角度的信息计算的，而控制杆臂缸121和悬臂缸120的辅助液压压力、车辆倾斜角和发动机速度、以及缸120、121和122的目标速度是以计算的信息(挖斗400的顶端112的移动速度和移动方向)为基础来计算的。在该情况下，油缸速度的上限是以发动机速度的信息为基础来确定的。其次，因为反馈环路对缸120、121和122是彼此独立的而且互相并不干扰，所以这些控制能够完成。

特别在该实施例的控制设备中，当利用中性位置检测传感器8b检测到杆臂操作杆8位于其中性位置和检测到按钮开关8a的按压操作已经完成时，一个对应于油缸负荷压力最大值的泵凸轮板角度由控制器1从泵凸轮板角度设定表60读出，并作为泵凸轮板指令值输出到发动机泵控制器27，如上面参照图6所述。

因此，在紧接开始驱动系统之前的状态中的泵51和52的凸轮板角度由发动机泵控制器27调整，使得其输出压力被控制而保持等于或高于与油缸负荷压力最大值相对应的预定输出压力。

可以注意到，半自动系统中的目标坡面角度的设定可以通过下述三种方法之一来完成：一种以通过监控板10上的开关来输入数值为基础的方法，一种两点坐标输入法，或一种利用挖斗角度的输入法；同样，为了在半自动系统中设定挖斗返回角度，采用一种以通过监控板10上的开关来输入数值为基础的方法或一种以挖斗移动为基础的方法。对于所有这些，均使用已知技术。

其次，上述半自动方式的控制方法是以下述方式以油缸伸展/收缩位移信息为基础而实现的，这种位移信息是用信号转换器26转换由分解器20至22检测的角度信息而得到的。

首先，在挖斗角度控制方式中，挖斗缸122的长度被控制，使得挖斗400和x轴之间形成的角度(挖斗角度)φ可以固定在每个任意的位置上。在该情况下，如果确定了悬臂缸长度λbm、杆臂缸长度λst和上述角度φ，那么就确定了挖斗缸长度λbk。

在平滑方式中，因为挖斗角度φ保持固定，所以挖斗顶端位置112和一个节点108平行移动。首先，考虑其中节点108平行于x轴(水平挖掘)地移动的情况。特别是，在该情况下，当挖掘开始时连杆姿势中节点108的坐标用(x₁₀₈，y₁₀₈)代表，而该情况下连杆姿势中悬臂缸120和杆臂缸121的油缸长度被计算出，同时悬臂200和杆臂300的速度被计算出，因而x₁₀₈可以水平移动。可以注意到，节点108的移动速度取决于杆臂操作杆8的操作量。

另一方面，在考虑节点108平行移动的场合，节点108的坐标在极短时间Δt后用(x₁₀₈+Δx，y₁₀₈)代表。Δx是一个取决于移动速度的极小位移。因此，通过将Δx考虑进x₁₀₈，可以计算出Δt之后悬臂缸和杆臂缸的目标长度。

在坡面挖掘方式中，可以完成类似于平滑方式中的控制。但是，移动的点从节点108变为挖斗顶端位置112，其次，控制考虑到挖斗缸长度是固定的。

其次，在用车辆倾斜传感器24校正最终倾斜角时，前连杆位置的计算是在xy坐标系统上完成的，其原点为图7的节点101。因此，如果车辆主体相对于xy平面倾斜，那么xy坐标旋转，而目标倾斜角度相对于地面是变化的。为了校正这一点，车辆倾斜角度传感器24安装在车辆上，当利用车辆倾斜角度传感器24检测到车辆主体相对于xy平面转动β时，应当用一个在目标倾斜角度上增加β而获得的值来代替目标倾斜角度从而校正目标倾斜角度。

用发动机速度传感器23防止控制精度变坏是如下所述进行的。特别是，关于校正目标挖斗顶端速度，该目标挖斗顶端速度取决于操作杆6和8的位置与发动机速度。同时，因为液压泵51和52直接连接在发动机E上，所以当发动机速度低时，泵的排放也小，而油缸速度也低。因此，发动机速度被检测到，而目标挖斗顶端速度被计算出，从而符合泵排放的变化。

同时，关于目标油缸速度的最大值的校正，进行校正时要考虑到，目标油缸速度通过连杆姿势和目标坡面倾斜角度而变化，而且当发动机速度降低而泵的排放降低时，最大油缸速度也必然降低。可以注意到，如果目标油缸速度超过其最大油缸速度，那么目标挖斗顶端速度降低，因而目标油缸速度可能不超过最大油缸速度。

虽然上面叙述了各种控制方式和控制方法，但它们全都利用一种技术，其中它们是以油缸伸展/收缩位移信息为基础而完成的，而根据该技术的控制内容是众所周知的。特别是，在根据该实施例的系统中，因为角度信息是通过分解器20至22来检测的，然后该角度信息由信号转换器26转换成油缸伸展/收缩位移信息，所以已知的控制技术可以用于以后的处理。

虽然各种控制通过控制器1以此种方式完成，但是在根据该实施例的系统中，因为，在压下按钮开关8a之后但在开始驱动系统的紧前面(例如，在开始自动控制线性挖掘的紧前面)，凸轮板角度受到调整，使得泵51和52的输出压力可以符合沿油缸驱动方向的负荷最大值，而且输出压力可以保持在高的压力状态，所以即使紧接在杆臂操作杆8从其中性位置操作以便操作联合式臂机构之后，也能获得充分的泵输出压力，并能确定地抑制泵的响应延迟或死区的增大。因此，即使紧接在开始驱动臂机构之后，也能够避免挖斗400的姿势控制精度的变坏，并显著地增大挖斗400的水平面之类的最终精度。

在这种情况下，因为，在该实施例中，可以利用按钮开关8a的一次操作来选择是否应当完成通过上述功能②的控制操作，所以只有当操作人员之类需要时才完成通过功能②的控制操作，而每个泵51和52的输出压力不需要保持在不必要的高压状态。因此，也能获得该系统的高效操作方面的优点。

其次，因为，在该实施例中，待保持的输出压力随控制器1(发动机泵控制器27)作用在油缸120和121上的负荷状态(油缸负荷压力的最大值)而变化，所以可以较肯定地抑制死区的增大，这种死区是由于泵负荷小于油缸120和121上的负荷而产生的，而且本发明能进一步提高挖斗400的水平面之类的最终精度。

在该情况下，在被保持的待变化的输出压力根据油缸负荷压力的最大值作为表60预先存储的场合，还有一个优点，就是只有与油缸负荷压力的最大值相对应的待保持的输出压力才从表60读出，控制器1能够得到泵51和52的待保持的最佳输出压力并完成泵51和52的输出压力的变化控制。

同时，对于根据本发明的系统，因为由分解器20至22检测的角度信息信号由信号转换器26转变为油缸位移信息而后输入控制器1，所以即使不使用先有技术中的昂贵的行程传感器来检测悬臂200、杆臂300和挖斗400的每个油缸的伸展/收缩位移，也能进行其中使用普通控制系统中用的油缸伸展/收缩位移的控制。因此，虽然费用降低很多，但可以精确而稳定地控制挖斗400的位置和姿势。

其次，因为反馈控制环路对油缸120、121和122是彼此独立的而控制算法是位移、速度和前馈的多自由度控制，所以控制系统可以简化。其次，因为液压设备的非线性可以在高速下用表查找技术转换为线性，所以该系统也能增大控制精度。

其次，因为由于发动机节流阀的位置和负荷变化而产生的控制精度变坏通过用倾斜角度传感器24或发动机速度的读数校正车辆倾斜影响而得到校正，所以该系统有助于实现更精确的控制。

其次，因为也可以使用外终端2来进行增益调整之类维修，所以也可以获得易于调整之类优点；再次，因为操作杆6和8的操作量是利用压力传感器19之类以辅助压力的变化为基础来测定的，而且因为还使用一个普通的开放中心阀液压系统，所以具有不需要增加压力补偿阀之类的优点，而且也可以利用目标坡面角度设定装置在监控板10上实时地显示挖斗顶端的坐标。其次，由于使用安全阀5的构造，当系统不正常时，可以避免一种不正常的系统操作。

可以注意到，虽然在上述实施例中谈到本发明应用于液压挖掘机，但本发明不限于此。本发明也可以同样应用于诸如拖拉机、装载机或推土机之类的建筑机械中，只要该建筑机械具有用油缸型驱动器驱动的联合式臂机构，而在任何建筑机械中，均可获得与上述效果相类似的效果。

其次，虽然在上述实施例中谈到操作油缸型驱动器的流体压力流路是一种液压流路，但本发明不限于此，而可以使用任何利用非工作油的液体压力或气动压力的流体压力流路，只要该流路有一个泵，其输出压力可随操作部件的操作量而变化，同时在该情况下，可以获得与上述实施例相似的操作和效果。

再次，虽然上述实施例中谈到该发动机E例如是一种柴油机，但本发明可以使用一种原动机(任何各种内燃机等)，只要它能驱动一个产生输出压力而作用在流体压力流路上的泵，而该发动机E不限于柴油机等。

而且，本发明不限于上述实施例，它可以以各种改变的形式实施而并不偏离本发明的精神。

本发明在工业上的可应用性。

如上所述，根据本发明，因为，即使紧接在开始驱动一个建筑机械的臂机构之后，也可以避免工作部件的姿势控制精度的变坏，而显著地提高工作部件的水平面之类的最终精度，所以本发明的建筑机械的控制设备在一个所要工作地点如建筑工地大大缩短了工作周期等，而该控制设备对建筑机械的有用性是非常高的。

Claims (3)

1.一种建筑机械用的控制方法，所述建筑机械包括：

(1)一个联合式臂机构；

(2)一个油缸型驱动器，可操作地连接在流体压力流路上以驱动所述联合式臂机构；

(3)一个设置于所述流体压力流路上的泵，根据操作者通过一操作部件的动作可以改变输出压力，

所述油缸型驱动器可以驱动所述联合式臂机构、并利用该泵的输出压力被驱动，

其特征在于：所述方法包括如下步骤：

a.检测所述操作部件是否在中性位置，在该中性位置，该泵的驱动力不再传至该油缸型驱动器中，

b.根据该操作者的动作，触发一控制信号以改变该泵的输出压力，

c.监控在该油缸型驱动器中的负荷值，以及

d.根据所述油缸型驱动器的负荷的监控值，当所述检测步骤的结果为所述操作部件在所述中性位置时，保持该泵的输出压力等于或高于从多个不同的压力值选出的一个压力值。

2.一种建筑机械用的控制设备，该设备包括：

(1)一个建筑机械主体(100)；

(2)一个联合式臂机构(200，300)，其一端枢轴式安装在所述建筑机械主体(100)上，其另一端有一工作部件(400)；

(3)一个油缸型驱动机构(120，121)，可操作地与所述联合式臂机构连接，用于进行伸展/收缩操作，以驱动所述臂机构(200，300)；

(4)一个由操作者操作的操作部件(8)，用于通过所述油缸型驱动机构(120，121)操作所述臂机构(200，300)；

(5)一个流体压力流路，该流路有一个泵(51，52)，其输出压力可根据操作者通过所述操作部件(8)发出的请求，改变输出压力，以使所述油缸型驱动机构(120，121)完成伸展/收缩操作，

其特征在于：所述设备还包括：

a.检测机构(8b)，用于检测所述操作部件(8)是否处于中性位置，在该位置，泵的驱动力不再传至该油缸型驱动机构，

b.触发机构，对于操作者的请求，触发一控制信号以改变该泵的输出压力，

c.监控机构，用于监控在所述油缸型驱动机构的负荷值，以及

d.泵控制机构，根据所述检测机构所检测到的负荷值，当所述检测机构(8b)检测到所述操作部件(8)处于所述中性位置时，对所述触发机构的触发响应，并使所述泵(51，52)的输出压力保持等于或高于一个预定值。

3.如权利要求2中所述的建筑机构用的控制设备，其特征在于，所述泵控制机构包括存储机构(60)，其中存储多种参考压力值，所述泵控制机构从其中选出所述的预定压力。

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