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专利名称：一种5G电铲提升机构限位保护方法及5G电铲

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410819046.X

专利申请（专利权）人：攀钢集团矿业有限公司
权利人地址：四川省攀枝花市东区瓜子坪

专利发明（设计）人：吴丹,何义华,车长路,普发兵,付豪,谢晓斌

专利摘要：本发明公开了一种5G电铲提升机构限位保护方法及5G电铲，该方法包括：标定编码器信号与铲斗位置之间的关系；设定限位阈值，当编码器反馈的信号所代表的铲斗位置达到限位阈值时进入限位保护区间；所述限位保护区域包括提升限位保护区间和下放限位保护区间；所述提升限位保护区间分为若干级，每级限位保护区间对应一个铲斗驱动力矩；若干力矩由大至小逐级递减。所述下放限位保护区间分为若干级，每级限位保护区间对应一个铲斗驱动力矩；若干力矩由小至大逐级递增。在限位保护区内，驱动铲斗的力矩逐级递减或者递增，用于逐渐平衡铲斗的重力，使得铲斗缓慢靠近提升上限位和提升下限位，有效避免因为铲斗速度过快位置过高或者过低造成的风险。

主权利要求：
1.一种5G电铲提升机构限位保护方法，其特征在于包括：
标定编码器信号与铲斗位置之间的关系，具体又包括：
安装编码器；
将铲斗提升至接近天轮位置，标定为提升上限位；
将铲斗下放至正常挖货的近地面位置，标定为提升下限位；
将铲斗由提升下限位至提升上限位的行程由编码器转换为0 100%的行程百分比；
~
设定限位阈值，当编码器反馈的信号所代表的铲斗位置达到限位阈值时进入限位保护区间；所述限位保护区间包括提升限位保护区间和下放限位保护区间，具体又包括：铲斗提升过程中，总行程的90% 100%段为提升限位保护区间；每级限位保护区间对应~一个铲斗驱动力矩；若干力矩由大至小逐级递减；当铲斗驱动力矩降低到最低级时，驱动力矩与铲斗重力平衡行程到达100%后对铲斗的提升指令不响应；
铲斗下放过程中，总行程的10% 0%段为下放限位保护区间；所述下放限位保护区间分~为若干级，每级限位保护区间对应一个铲斗驱动力矩；若干力矩由小至大逐级递增；行程到达0%后铲斗对下放指令不响应。
2.根据权利要求1所述的一种5G电铲提升机构限位保护方法，其特征在于：所述5G电铲的铲斗由驱动装置驱动提升；所述驱动装置包括提升电动机以及利用提升一轴与提升电动机连接的提升减速箱；所述提升减速箱的输出端利用提升二轴与提升小齿轮连接；还包括与提升小齿轮啮合的提升卷筒大齿轮；所述提升卷筒大齿轮固定安装在提升卷筒上，所述提升卷筒上绕卷有用于提升铲斗的钢绳；所述编码器安装在提升二轴左侧轴头中心。
3.根据权利要求1所述的一种5G电铲提升机构限位保护方法，其特征在于：所述提升限位保护区间内的行程平均分为四级，并且每一级提升限位保护区间的铲斗驱动力矩比上一级减少25%。
4.根据权利要求1所述的一种5G电铲提升机构限位保护方法，其特征在于：所述下放限位保护区间内的行程平均分为四级，并且每一级提升限位保护区间的铲斗驱动力矩比上一级增加25%。
5.根据权利要求1所述的一种5G电铲提升机构限位保护方法，其特征在于：将编码器反馈的铲斗行程与铲斗的主令控制器中的铲斗行程进行实时对比，若二者不一致则停机。
6.根据权利要求5所述的一种5G电铲提升机构限位保护方法，其特征在于：在主令控制器上设置若干铲斗行程节点，当铲斗达到所述行程节点时，与编码器反馈的铲斗行程进行对比。
7.根据权利要求1所述的一种5G电铲提升机构限位保护方法，其特征在于：所述编码器通过CAN总线与PDC控制器通信；所述PDC控制器通过CAN总线连接工控机，所述工控机与边缘计算中心通过5G网络进行通信；用于驱动铲斗的提升电机与PDC控制利用模拟信号进行通信。
8.根据权利要求7所述的一种5G电铲提升机构限位保护方法，其特征在于：所述PDC控制器通过CAN总线读取编码器数据，并将编码器数据转换为铲斗的位置信息下发到边缘计算中心；所述边缘计算中心将铲头的实时位置与目标位置进行对比，将提升所需的扭矩发送给工控机通过PDC控制器转换成模拟量输入提升电机用于控制电铲的提升。
9.一种5G电铲，其特征在于：所述5G电铲采用权利要求1 8中任意一项所述的5G电铲提~升机构限位保护方法对铲斗进行提升限位保护。 说明书 : 一种5G电铲提升机构限位保护方法及5G电铲技术领域[0001] 本发明属于电铲技术领域，尤其涉及一种5G电铲提升机构限位保护方法及5G电铲。背景技术[0002] 电铲是目前国内外大型露天采矿最常用的采装设备。该类型电铲主要由行走、回转、提升、推压四大工作机构组成。其中提升机构是电铲的主要工作部件，它依靠提升卷扬钢丝绳在提升卷筒上的回收或释放实现上升或下降，铲斗上的挖掘力来自于提升卷筒传递给卷扬钢丝绳的拉力在垂直方向的分力。但该型号电铲在实际作业过程中，电铲提升机构常会因电铲出现电器失控故障或电铲司机操作失误引发下述风险：[0003] 1、铲斗提升过高兜在天轮上，轻则兜断天轮轴或崩断提升卷扬大绳，重则将起重臂拉翻后倾倒在车棚上；[0004] 2、铲斗下落过多过快，致使铲斗后壁碰撞地面或砸在电铲履带板上，或铲斗上的提梁出现下堆，导致提升卷扬钢丝绳乱绕的现象。发明内容[0005] 有鉴于此，本发明提供一种5G电铲提升机构限位保护方法及5G电铲，避免其提升过高过快或者下落过低过快导致的风险。[0006] 为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种5G电铲提升机构限位保护方法，包括：[0007] 标定编码器信号与铲斗位置之间的关系；[0008] 设定限位阈值，当编码器反馈的信号所代表的铲斗位置达到限位阈值时进入限位保护区间；所述限位保护区间包括提升限位保护区间和下放限位保护区间；[0009] 所述提升限位保护区间分为若干级，每级限位保护区间对应一个铲斗驱动力矩；若干力矩由大至小逐级递减；[0010] 所述下放限位保护区间分为若干级，每级限位保护区间对应一个铲斗驱动力矩；若干力矩由小至大逐级递增。[0011] 作为一种改进，于标定编码器信号与铲斗位置之间的关系的方法包括：[0012] 安装编码器；[0013] 将铲斗提升至接近天轮位置，标定为提升上限位；[0014] 将铲斗下放至正常挖货的近地面位置，标定为提升下限位；[0015] 将铲斗由提升下限位至提升上限位的行程由编码器转换为0 100%的行程百分比。~[0016] 作为一种进一步的改进，所述5G电铲的铲斗由驱动装置驱动提升；所述驱动装置包括提升电动机以及利用提升一轴与提升电动机连接的提升减速箱；所述提升减速箱的输出端利用提升二轴与提升小齿轮连接；还包括与提升小齿轮啮合的提升卷筒大齿轮；所述提升卷筒大齿轮固定安装于提升卷筒上，所述提升卷筒上绕卷有用于提升铲斗的钢绳；所述编码器安装在提升二轴左侧轴头中心。[0017] 作为另一种更进一步的改进，铲斗提升过程中，总行程的90% 100%段为提升限位~保护区间；所述提升限位保护区间内的行程平均分为四级，并且每一级提升限位保护区间的铲斗驱动力矩比上一级减少25%；行程到达100%后对铲斗提升指令不响应。[0018] 作为一种改进，铲斗在下放过程中，总行程的10% 0段为下放限位保护区间；所述~下放限位保护区间内的行程平均分为四级，并且每一级提升限位保护区间的铲斗驱动力矩比上一级增加25%；行程到达0%后铲斗对下放指令不响应。[0019] 作为一种改进，将编码器反馈的铲斗行程与铲斗的主令控制器中的铲斗行程进行实时对比，若二者不一致则停机。[0020] 作为一种改进，在主令控制器上设置若干铲斗行程节点，当铲斗达到所述行程节点时，与编码器反馈的铲斗行程进行对比。[0021] 作为一种改进，所述编码器通过CAN总线与PDC控制器通信；所述PDC控制器通过CAN总线连接工控机，所述工控机与边缘计算中心通过5G网络进行通信；用于驱动铲斗的提升电机与PDC控制器利用模拟信号进行通信。[0022] 作为一种改进，所述PDC控制器通过CAN总线读取编码器数据，并将编码器数据转换为铲斗的位置信息下发到边缘计算中心；所述边缘计算中心将铲斗的实时位置与目标位置进行对比，将提升所需的扭矩发送给工控机通过PDC控制器转换成模拟量输入提升电机用于控制电铲的提升。[0023] 本发明还提供一种5G电铲，所述5G电铲采用上述5G电铲提升机构限位保护方法对铲斗进行提升限位保护。[0024] 本发明的有益之处在于：[0025] 本发明通过安装在提升二轴左侧轴头中心的编码器感知铲斗的位置，并为铲斗设立提升限位保护区和下放限位保护区。在限位保护区内，驱动铲斗的力矩逐级递减或者递增，用于逐渐平衡铲斗的重力，使得铲斗缓慢靠近提升上限位和提升下限位，有效避免因为铲斗速度过快位置过高或者过低造成的风险。附图说明[0026] 图1为编码器安装位置示意图。[0027] 图2为提升上限位的示意图。[0028] 图3为提升下限位的示意图。[0029] 图4为本发明的控制原理图。[0030] 图中标记：1提升电机、2提升一轴、3提升减速箱、4提升二轴、5轴承、6编码器、7提升小齿轮、8提升卷筒大齿轮、9提升卷筒、10铲斗、11天轮。具体实施方式[0031] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。[0032] 本发明是基于“5G”智慧矿山的研发思路而来，传统的采矿作业需要大量的人力物力，并且工作环境恶劣，没有合理的规划，采矿效率低下。所以结合目前5g技术进行采矿作业的技术研发尤为重要，为采矿作业大幅提升效率及安全性起到至关重要的作用。目前露天矿山的主要作业是“钻、铲、车”，其中无人驾驶电铲为其中重要的组成部分。[0033] 5G电铲采用远程控制的方式进行操作，相较于现有电铲其安全性得到了极大的保证。但由于操作人员不在现。诓僮鞯南殖「猩匣嵊幸欢ǖ牟畋，有可能会造成背景技术中所述的速度过快位置过高或者过低的问题。[0034] 针对该技术问题，本发明提供一种5G电铲提升机构限位保护方法，包括：[0035] S1标定编码器信号与铲斗位置之间的关系。[0036] 编码器记录的是旋转角度、速度以及旋转的圈数，其并不能直接测量出铲斗的具体位置。因此需要对二者进行标定。[0037] 本发明中，标定编码器信号与铲斗位置之间的关系的方法包括：[0038] S11安装编码器。[0039] 如图1所示，本实施中，所述5G电铲的铲斗由驱动装置驱动提升；所述驱动装置包括提升电动机1以及利用提升一轴2与提升电动机1连接的提升减速箱3；所述提升减速箱3的输出端利用提升二轴4与提升小齿轮7连接；还包括与提升小齿轮7啮合的提升卷筒大齿轮8；所述提升卷筒大齿轮8固定套与提升卷筒9上，所述提升卷筒9上绕卷有用于提升铲斗的钢绳；所述编码器6安装在提升二轴4的轴头中心。[0040] 之所以选择该位置，主要基于以下考虑：一是提升电机输出的动力经提升减速箱3减速后，转速在提升二轴4处较提升一轴2得到大幅下降，有利于降低编码器的工作强度。二是提升二轴4采用轴承5和瓦盖固定，较提升卷筒9大轴的运转更平稳，轴向串动和径向摆动。欣谘映け嗦肫6使用寿命。[0041] 另外如图4所示，本发明中所述编码器通过CAN总线与PDC控制器通信；所述PDC控制器通过CAN总线连接工控机，所述工控机与边缘计算中心通过5G网络进行通信；用于驱动铲斗的提升电机与PDC控制器利用模拟信号进行通信。所述PDC控制器通过CAN总线读取编码器数据，并将编码器数据转换为铲斗的位置信息下发到边缘计算中心；所述边缘计算中心将铲头的实时位置与目标位置进行对比，将提升所需的扭矩发送给工控机通过PDC控制器转换成模拟量输出（AO）至提升电机用于控制电铲的提升。从而完成了对铲头提升的闭环控制。[0042] S12将铲斗提升至接近天轮位置，标定为提升上限位。[0043] 铲斗的提升上限位如图2所示。铲斗10接近天轮11，但与天轮还需要间隔一段距离。铲斗10在提升电机的驱动下会有一定的惯性，需要一定的距离进行缓冲。当然如果铲斗10提升上限位距离天轮11过远会减少铲斗10的行程。因此提升上限位可根据需求进行适应性调整。[0044] S13将铲斗下放至正常挖货的近地面位置，标定为提升下限位。[0045] 铲斗的提升下限位如图3所示。同理，提升下限位时铲斗10和地面同样有一定的距离，用于缓冲惯性。但距离过大会减小行程降低实用性，因此可根据具体需求进行适应性调整。[0046] S14将铲斗由提升下限位至提升上限位的行程由编码器转换为0 100%的行程百分~比。[0047] 设定好铲斗的提升上限位和提升下限位后，需要将编码器采集到的信号与铲斗的位置进行对应。本实施例中，采用的标定方式是通过将铲斗的行程通过百分比的形式与编码器采集到的电磁信号进行对应。0为铲斗位于提升下限位，而100%为铲斗位于提升上限位。铲斗的中间位置也与0 100%之间的位置一一对应。而编码器采集到的圈数和角度也转~换为百分比从而建立与铲斗位置的联立关系。[0048] S2设定限位阈值，当编码器反馈的信号所代表的铲斗位置达到限位阈值时进入限位保护区间；所述限位保护区间包括提升限位保护区间和下放限位保护区间。[0049] 铲斗的提升限位不仅要考虑到其提升的上限位处的限位，还要考虑到下放时候的提升下限位处的限位。以下对两处限位进行分别介绍。[0050] S21所述提升限位保护区间分为若干级，每级限位保护区间对应一个铲斗驱动力矩；若干力矩由大至小逐级递减。[0051] 铲斗的提升依靠提升电机，通过提升电机提供的力矩来对抗重力。可以预见的是，提升电机提供的力矩大于重力时，铲斗就会上升。[0052] 本实施中，提升限位保护区在铲斗总行程的90% 100%段。也就是说，当铲斗位于总~行程的90%的位置时，就进入提升限位保护区。[0053] 提升限位保护区的行程被平均分为四级，即90 92.5%、92.5 95%、95% 97.5%、~ ~ ~97.5% 100%分别为一级 四级保护区。每个保护区都对应一个铲斗驱动力矩，并且每一级提~ ~升限位保护区间的铲斗驱动力矩比上一级降低25%；行程到达100%后铲斗对提升指令不响应。例如在提升保护区外铲斗的驱动力矩是100%，那么进入一级保护区后驱动力矩降低到75%，进入二级保护区后降低到50%以此类推，到四级保护区后降低到0。而一旦铲斗位置到达提升上限位，铲斗将不再响应提升命令。当然，铲斗的驱动力矩降低到0并非指的不对铲斗提供任何驱动力矩，而是将驱动力矩与铲斗的重力平衡，即驱动力矩?铲斗重力=0。[0054] S22所述下放限位保护区间分为若干级，每级限位保护区间对应一个铲斗驱动力矩；若干力矩由小至大逐级递增。[0055] 铲斗的下放依靠的是重力进行的，而提升电机提供的驱动力矩主要目的在于降低铲斗的下落速度。[0056] 本实施中，下落限位保护区在铲斗总行程的10% 0%段。也就是说，当铲斗位于总行~程的10%的位置时，就进入下落限位保护区。[0057] 下放限位保护区的行程被平均分为四级，即10% 7.25%、7.25% 5%、5% 2.5%、2.5%~ ~ ~ ~0%分别为一级 四级保护区。每个保护区都对应一个铲斗驱动力矩，并且每一级提升限位保~护区间的铲斗驱动力矩比上一级增加25%；行程到达0%后铲斗对下放指令不响应。例如在下放保护区外铲斗的驱动力矩是0%，那么进入一级保护区后驱动力矩增加到25%，进入二级保护区后增加到50%以此类推，到四级保护区后增加到100%。而一旦铲斗位置到达提升下限位，铲斗将不再响应下放命令。在下放过程中，铲斗的驱动力矩增加到100%是将驱动力矩与铲斗的重力平衡，即驱动力矩?铲斗重力=0。[0058] 在5G电铲中，实际上是通过主令控制器来控制铲斗的提升下放。主令控制器通过软件的方式获取铲斗的位置，其原理与编码器直接测量不同。为了避免编码器误差导致限位失效，本发明中将编码器反馈的铲斗行程与铲斗的主令控制器中的铲斗行程进行实时对比，若二者不一致则停机。其目的在于通过二者相互印证，避免误差的产生。[0059] 为了节约算力，本发明中并非整个行程都在实时对比，而是在主令控制器上设置若干铲斗行程节点，当铲斗达到所述行程节点时，与编码器反馈的铲斗行程进行对比。例如铲斗行程的0%、10%、50%、90%、100%作为对比的节点，当铲斗达到上述行程节点后进行对比，一旦对比结果不一致则停机报警。[0060] 另外，本发明还提供一种5G电铲，所述5G电铲采用上述5G电铲提升机构限位保护方法对铲斗进行提升限位保护。[0061] 通过上述本发明提供的5G电铲提升机构限位保护方法，确保提升机构的安全可靠性，以有效避免电铲在远程及自动状态下出现误动作而引发安全和设备事故。所以该装置的运用为5G智慧矿山建设和露天采矿事业的高质量发展具有重要的推广意义。[0062] 以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

专利地区：四川

专利申请日期：2024-06-24

专利公开日期：2024-09-13

专利公告号：2024-09-13