[发明专利]单斗电铲称重方法

摘要

本发明公开了一种单斗电铲称重方法，通过获取提升钢丝绳拉力和由铲杆传递给铲斗的力来获取作用于铲斗的合力，再通过获取铲斗加速度在水平面方向和垂直方向的投影、提升钢丝绳拉力和由铲杆传递给铲斗的力之间的角度、作用于铲斗的合力与水平面的角度以及铲斗线速度与水平面的角度来获取铲斗和物料的重力，从而获取物料的质量。本发明能够让操作员在电铲处于挖掘过程中，从显示屏中看到所铲取物料的重量，实现完全实时动态称量；避免运输车辆超载造成的安全隐患，同时避免运输车辆欠载造成的浪费。此外，将运输车辆上进行的称重方法转移到电铲铲斗上来，使企业不必在每台运输车辆上安装称重系统，从而大幅降低矿山企业的采购成本。

主权项

1.一种单斗电铲称重方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1，以铲杆处于水平位置且与铲斗连接侧提升钢丝绳垂直于铲杆的位置为初始位置；在该初始位置时，以鞍座中心轴为坐标原点O、过该原点且平行于水平面的直线为X轴、过该原点且垂直于该X轴的直线为Y轴，X轴上指向铲斗方向为其正方向，Y轴上指向天空的方向为其正方向，建立直角坐标系1；在该初始位置时，以铲杆中心线为X′轴，垂直于地面的提升钢丝绳为Y′轴，二者的交点为原点O′，指向铲斗方向为X′轴正方向，指向天空的方向为Y′轴正方向，建立直角坐标系2；步骤2，在PLC中输入非时变参数，包括m₁、m₂、L、r₁、x₁₁、y₁₁、x₁₃、y₁₃、C_o1、C_o2、C_n1、C_n2、l₁、l₂、l₃、L₀₁、L₀₀₁、L₀₂、L₀₀₂；m₁为铲杆质量；m₂为铲斗质量；L为所述初始位置时鞍座中心轴至铲斗中心的距离；r₁为天轮半径；点(x₁₁，y₁₁)为提升钢丝绳与铲斗上挂锁连接点在直角坐标系1中初始位置时的坐标；点(x₁₃，y₁₃)为天轮圆心在直角坐标系1中的坐标；C_o1为铲杆向背离司机室侧拉伸至最长时推压卷筒上绝对值编码器所对应的数值；C_n1为铲杆向司机室侧拉伸至最长时推压卷筒上绝对值编码器所对应的数值；C_o2为提升钢丝绳向上缩回至最小时提升卷筒上绝对值编码器所对应的数值；C_n2为提升钢丝绳向下放至最长时提升卷筒上绝对值编码器所对应的数值；l₁为在直角坐标系1下并且是初始位置时，铲杆中心线与动臂中心线的交点到天轮与铲斗侧提升钢丝绳交点的长度；l₂为在直角坐标系1下并且是初始位置时，天轮与铲斗侧提升钢丝绳的交点与提升钢丝绳从天轮到挂锁并且向下延长至铲杆中心线的延长线的交点之间的长度；l₃为在直角坐标系1下并且是初始位置时，铲杆中心线与动臂中心线的交点到提升钢丝绳从天轮到挂锁并且向下延长至铲杆中心线的延长线的交点之间的长度；L₀₁为铲杆从向司机室侧拉至最长到铲杆向铲斗侧拉伸至最长所跨越的长度；L₀₀₁为初始位置时铲杆到铲杆向电铲铲斗侧拉伸至最长的位移；L₀₂为提升钢丝绳向下放至最长时到向上缩回至最小时的长度改变量；L₀₀₂为初始位置时提升钢丝绳相对于提升钢丝绳向上缩回至最短时的长度改变量；步骤3，PLC读取在依次递增的三个采样时刻t₁₁、采样时刻t₁₂、采样时刻t₁₃推压卷筒上绝对值编码器所对应的采样数值C_i11、采样数值C_i12、采样数值C_i13，并存入存储器中；采样数值C_i13为推压卷筒上绝对值编码器当前时刻的采样数值；获取提升卷筒上绝对值编码器在当前采样时刻t₁₃发出的采样数值C_i2并存入存储器中；获取铲杆与水平面的倾斜角度α，该倾斜角度α是矢量，当铲杆逆时针向上转动时，该倾斜角度α取正值，铲杆顺时针向下转动时，该倾斜角度α取负值；获取在依次递增的三个采样时刻t₁₁、采样时刻t₁₂、采样时刻t₁₃时分别对应的倾斜角度α₁₁、倾斜角度α₁₂、倾斜角度α₁₃，并存入存储器中；倾斜角度α₁₃为当前时刻铲杆的倾角值；获取提升钢丝绳的拉力T并存入存储器中；步骤4，获取铲杆相对于初始位置时的铲杆移动量Δx；按照先后顺序在三个采样时刻t₁₁、采样时刻t₁₂、采样时刻t₁₃根据步骤3中三个采样数值C_i11、采样数值C_i12、采样数值C_i13，依次获取铲杆相对于初始位置的铲杆移动量Δx₁₁、铲杆移动量Δx₁₂、铲杆移动量Δx₁₃；铲杆移动量Δx₁₃为当前时刻铲杆相对于初始位置时的移动量；按下式获取与铲斗连接侧提升钢丝绳长度相对于初始位置的改变量Δx₂，Δx₂=L_i2-L₀₀₂，并存入存储器中；其中，L_i2为当前时刻提升钢丝绳相对于向上缩回至最小时的长度改变量，C_i2为当前提升卷筒上绝对值编码器所对应的采样数值；Li2=Ci2-Co2Cn2-Co2×L02;]]>步骤5，根据当前时刻所述铲杆移动量Δx₁₃和所述倾斜角度α₁₃判定当前时刻铲斗位于直角坐标系2中所在的象限，当Δx₁₃≥0，α₁₃≥0，铲斗处于第I象限，当Δx₁₃＜0，α₁₃≥0，铲斗处于第II象限，当Δx₁₃＜0，α₁₃＜0，铲斗处于第III象限，当Δx₁₃≥0，α₁₃＜0，铲斗处于第IV象限；步骤6，获取当前时刻铲斗的转动半径R并存入存储器中；该转动半径R为铲斗中心到鞍座中心轴的距离，R=(R₁+R₂)/2，其中采样时刻t₁₂对应的转动半径R₁=L+Δx₁₂，采样时刻t₁₃对应的转动半径R₂=L+Δx₁₃；获取当前时刻铲斗沿铲杆方向加速度a₁并存入存储器中；a1=v12-v11t13-t12]]>式中，v₁₁是采样时刻t₁₂时铲斗沿铲杆方向的瞬时速度，v₁₂是采样时刻t₁₃时铲斗沿铲杆方向的瞬时速度；v11=s11t12-t11,]]>v12=s12t13-t12;]]>其中，s₁₁是铲杆在时间t₁₁～t₁₂范围内的位移量，s₁₂是铲杆在时间t₁₂～t₁₃范围内的位移量；获取当前时刻铲斗沿铲斗切线方向的加速度a₂并存入存储器中；a2=ω22-ω21t13-t12×R]]>式中，ω₂₁是采样时刻t₁₂时铲斗的角速度，ω₂₂是采样时刻t₁₃时铲斗的角速度；ω21=α12-α11t12-t11,]]>ω22=α13-α12t13-t12;]]>获取与铲斗连接侧提升钢丝绳与垂直水平面的直线的夹角θ并存入存储器中；步骤7，按下式计算出铲斗在当前时刻沿铲杆方向的速度v₁₂与铲斗在当前时刻的合速度v₃之间的角度μ并存入存储器中；μ=|arccosv12v3|]]>式中，其中v₂是铲斗沿运动切线方向的线速度，v₂=ω₂₂×R；当v₂>0，μ取正，v₂<0，μ取负；按下列公式计算出铲斗水平面方向的加速度投影a_x及其垂直于水平面方向的加速度投影a_y，并存入存储器中；a_x=a₁×cosα₁₃+a₂×cos(α₁₃+90°)，a_y=a₁×sinα₁₃+a₂×sin(α₁₃+90°)；根据牛顿第二定律计算出由铲杆传递给铲斗的力F₁，F₁=m₁×a₁并存入存储器中；根据当前时刻所述倾斜角度α₁₃与所述夹角θ，按照下面的公式计算出提升钢丝绳的拉力T和由铲杆传递给铲斗的力F₁之间的角度β；在所述直角坐标系2下，当铲斗位于坐标系2的第Ⅰ象限时，当铲斗向司机室侧缩回时β=90°-θ+α₁₃；当铲斗向背离司机室侧伸出时，β=90°+θ-α₁₃；当铲斗位于坐标系2的第Ⅱ象限时，当铲斗向司机室侧缩回时β=α₁₃+θ+90°；当铲斗向背离司机室侧伸出时，β=90°-α₁₃-θ；当铲斗位于坐标系2的第Ⅲ象限时，当铲斗向司机室侧缩回时β=α₁₃+θ+90°；当铲斗向背离司机室侧伸出时，β=90°-α₁₃-θ；当铲斗位于坐标系2的第Ⅳ象限时，当铲斗向司机室侧缩回时β=90°-θ+α₁₃；当铲斗向背离司机室侧伸出时，β=90°+θ-α₁₃；步骤8，按下列公式计算出所述合速度v₃与所述坐标系1中X轴正方向或所述坐标系2中X′轴正方向的角度ε并存入存储器中，当铲杆向铲斗侧伸出时，ε=μ+α₁₃，当铲杆向司机室侧缩回时，ε=180°+α₁₃+μ；根据余弦定理以及力的矢量合成，按下列公式计算出作用于铲斗的合力F并存入存储器中，步骤9，确定铲斗所受阻力的方向；铲斗所受阻力包括运动阻力f和法相阻力f₀；运动阻力f的方向与铲斗合运动方向相反，法相阻力f₀的方向与运动阻力f的相互垂直，并且法相阻力f₀与所述坐标系1中X轴正方向的角度比运动阻力的小90°；运动阻力f在所述坐标系1中与X轴正方向的角度为ε+180°，法相阻力f₀在所述坐标系1中与X轴正方向的角度为ε+90°；步骤10，根据余弦定理计算出作用于铲斗的合力F与由铲杆传递给铲斗的力F₁之间的角度γ并存入存储器中；cosγ=F2+F12-T22×F×F1;]]>步骤11，按下列公式计算出作用于铲斗的合力F在所述坐标系1中与X轴正方向的角度δ并存入存储器中，铲杆向铲斗侧伸出时，δ=γ+α₁₃，铲杆向司机室缩回时，δ=180°+α₁₃-γ；步骤12，根据牛顿第二定律计算铲斗和物料的重量G并存入存储器中，G=F×g×(k×cosδ×cosϵ+sinδ×cosϵ-cosδ×sinϵ+k×sinδ×sinϵ)cosϵ(ay+ax×k+g)+sinϵ×(ay×k-ax+g×k)]]>式中，k为阻力系数，当k=0时，为不考虑与运动阻力f方向相互垂直的法相阻力f₀作用于铲斗的情况；该法相阻力f₀=k×f，式中k的取值与铲斗切入的土壤有关，在一定工作周期内不变，当铲斗变钝或者所挖掘的土壤性质发生改变再更改，则铲斗和物料的重量G′为，G′=F×g×sinδ×cosϵ-cosδ×sinϵay×cosϵ-ax×sinϵ+g×cosϵ]]>步骤13，将铲斗和物料的重量减去铲斗自重m₂g即为物料的重量mg，取g=9.8N/kg，获得物料的质量m，并存入存储器，同时将这一结果显示在显示屏上。