Землеройная машина с автоматизированным наведением ковша на место разгрузки

 

Изобретение относится к автоматизированному управлению экскаваторами-драглайнами. Цель изобретения - увеличение производительности при выгрузке содержимого ковша в приемные сосуды ограниченных габаритов при одновременном снижении потерь при загрузке приемных сосудов за счет прицельного наведения стрелы и ковша на место разгрузки. На поворотной платформе машины закреплена стрела и кабина. На стреле на расстоянии 0,82±0,04 ее длины от основания устанавливается поворотный блок 14 с дистанционным управлением, на который крепится передающая телевизионная камера 13. Внутри кабины машиниста установлен соединенный с камерой 13 телевизионный монитор 16, на экране которого нанесена визирная измерительная сетка 15 с угловой шкалой. На лобовом стекле кабины в центре поля зрения машиниста нанесена вертикальная линейная шкала 20. Прицельное наведение ковша в заданную точку осуществляется машинистом путем контроля положения ковша 7 по экрану телевизионного монитора 16 /в горизонтальной плоскости/ и по вертикальной линейной шкале 20 /в вертикальной плоскости/. 9 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5цs Е 02 F 9/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4392968/24-03 (22) 18. 03. 88 (46) 30.10.90. Вюл. Р 40 (71) Институт горного дела им.А.А.Скочинского (72) И.Л. Геихман, К.Е. Виницкий, С.М. Гвоздев, С.А, Кнышев, В.(д, Лузаков, Д.П. Мелехов и A.È. Шендеров (53) 622.022.74(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1270226, кл . Е 02 F 3/48, 1986.

Международная заявка РСТ

N- 85/03096, кл. Е 02 F 9/26, опуолик.

1986.. (54) ЗЕМЛЕРОЙНАЯ МАШИНА С АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ НАВЕДЕНИЕМ КОВША НА МЕСТО

РАЗГРУЗКИ (57) Изобретение относится к автоматизированному управлению экскаваторамидраглайнами. Цель изобретения — увеличение производительности при выгрузке содержимого ковша в приемные сосуды

„„SU„,. 0 4 А1

2 ограниченных габаритов при одновременном снижении потерь при загрузке приемных сосудов за счет прицельного на- . ведения стрелы и ковша на место разгрузки На поворотной платформе машины закреплена стрела и кабина. На стреле на расстоянии 0,.82>0,04 ее длины от основания устанавливается поворотный блок 14 с дистанционным управлением, на который крепится передающая телевизионная камера 13. Внутри кабины машиниста установлен соединенный с камерой 13 телевизионный монитор 16, на экране которого нанесена визирная измерительная сетка 15 с углавой шкалой. На лобовом стекле кабины в центре поля зрения машиниста нанесена вертикальная линейная шкала

20. Прицельное наведение ковша в заданную точку осуществляется машинистом путем контроля положения ковша 7 по экрану телевизионного монитора 16 (в горизонтальной плоскости) и по вертикальной линейной шкале 20 (в вертикальной плоскости). 9 ил. (60298) 7

Пзобретение относится к землеройным машинам, а именно к автоматизированному управлению экскагаторовдраглайнов применительно к технологии работы, включающеи процессы погрузки вскрышных пород экскаватором-драглайном в думпкары и другие средства колесного транспорта, а также в приемные бункеры технологических агрега- 10 тов ограниченных габаритов, Цель изобретения — увеличение производительности при выгрузке содержимого ковша в приемные сосуды ограниченных габаритов при одновременном 15 снижении потерь при загрузке приемных сосудов за счет прицельного наведения стрелы и ковша на месте разгрузки.

На фиг. 1 приведен экскаватор-драг-20 лайн с дополнительным канатом для фиксации ковша над местом разгрузки с установленной на стреле через посредство поворотного Ьлока телекамерой, оЬщии вид; на фиг, 2 — блок-схема ос- 25 новных элементов устройства для автоматическо=о управления землеройной машиной; на фиг. 3 — схема поворотного ьлока; на фиг. 4 (а, б) — шкалы на панели пульта наведения телевизионной 30 системы для управления работои поворотного блока; на фиг. 5 — план-схема расположения экскаватора-драглайна относительно забОя и приемных сосудов; на фиг, 6 — геометрические пост35 роения для определения зоны разгрузки ковша и оптимальной точки на стреле для установки телевизионной камеры; на фиг. 7 — изображения на экране монитора в кабине машиниста, даваемые „0 телекамерой в положениях I u II c наложенными на них визирной сеткой и угловой шкалои; на фиг. 8 и 9 — геометрические построения для определения расстояния от телекамеры до наблюдаемого оЬъекта и расстояния между ковшом и приемным сосудом. !

Землеройная машина с автоматизированным наведением ковша на место разгрузки (фиг. 1., 2) содержит стрелу 1, закрепленную на поворотной платформе 2 с раcIIQJIQKPHHblMH на ней лебедками тяги 3 и подъема 4 с тяговым 5 и подъемным 6 канатами. Ковш 7 свя>5 зан с коромыслом 8, разгрузочным канатом 9 и разгрузочным блоком 10.

Дополнительный канат 11 прикреплен одним концом к коромыслу 8, а дру- гим связан с механизмом фиксации ковша 12. .(елевизионная камера 13 с поворотным блоком 14 расположена на стреле драглайна по ее оси на расстоянии от основания стрелы, составляющем 0,82 длины ее вылета. Визирная сетка с угловой шкалой 15 нанесены на экране установленного в кабине машиниста телевизионного монитора 16. Пульт наведения телевизионной системы 17, установленныи в каЬине машиниста, через выходы а и б электрически связан с поворотным блоком 14> а через выход в— с малогаьаритным электродвигателем 18 в составе телекамеры, осуществляющим через редуктор 19 фокусировку объектива телекамеры, Перед машинистом на ло-, бовом стекле в центре его поля зрения установлена вертикальная линеиная шкала 20 для определения высоты зависания ковша над местом разгрузки, Поворотный ьлок 14 (фиг. 3) содержит 2 сельсинприемники 21 и 22, корпус вертикально установленного сельсин-приемника 21 жестко прикреплен к стрелке драглайна, а ротор соединен с каркасом, на котором горизонтально установлен второй сельсин-приемник 22, ротор которого жестко соединен с корпусом телекамеры

13, Сельсин-датчики 23 и 24, управляющие работой сельсин-приемников 21 и

22, соответственно входят в состав пульта наведения 17 в кабине машиниста, при этом на их валы жестко посажены ручки с контрольной меткой, а на панели пульта наведения установлена с возможностью поворот-. и фиксирования стопорными винтами угловая шкала для контроля машинистом углов поворота роторов сельсин-датчиков (фиг. 4).

Углы поворота первой (вертикальной) сельсин †па 21 и 23, отвечающей за поворот телекамеры вокруг вертикальо ной оси, лежат в пределах от (-180) о до 180 (канал а), а второй сельсинпары 22 и 24, отвечающей за..поворот о вокруг горизонтальной оси — от (-90) о до 90 (канал б). Нулевая отметка при отсчете углов выставляется соответствующей положению телекамеры, когда ее оптическая ось направлена вертикально. вниз, а граница пространства, соответствующая нижней части изображения на видеомониторе в кабине машиниста, максимально приближена к основанию стрелы драглайна ° Установка нулевой отметки осуществляется враще40 ) ОЕ = 1 cos Ыо, ОР = (1-OAF t ) созс „;;1)

1 созо о =(1-)AFI ) сов „„,„+ Ь, 5

16О нием угловой шкалы на панели пульта наведения до совмещения нулевой отметки шкалы с меткой на ручке. После этого шкала стопорится винтами на панели пульта наведения, Определим граничные точки зоныразгрузки на оси стрелы экскаваторадраглайна как вертикальные проекции центра масс ковша экскаватора-драглаина на ось стрелы в крайних положениях ковша при разгрузке, Точка оси стрелы, равноудаленная от граничных точек зоны разгрузки, является оптимальной для установки телекамеры. Пбложение граничных точек зоны загрузки на стреле экскаватора-драглайна определяется по расчету зоны для выгрузки ковша на поверхности земли (фиг. 5,6). На фиг. 6 ОХ вЂ” направление -проведения выемки грунта из забоя драглайном (направление перемещения драглайна), Π— точка, через которую проходит вертикальная ось, вокруг которой драглаин поворачивается; MN граница максимально возможной приближенности подъездных путей к оси ОХ, MN//ОХ, Ось OA определяет предельный угол поворота стрелы o(, с,, при превышении которого ковш драглайна не

"вписывается" в габариты приемного сосуда при "косои" укладке разгружаемого грунта (фиг. 5). Величина oL зависит от соотношения габаритов ковша и приемного сосуда,- Дуга AN определяет максимально возможный вынос ковша для разгрузки в пределах допустимого угла между проекцией оси стрелы на горизонтальную плоскость и направлением движения приемного сосуда вдоль прямой EF параллельной границе

MN и проходящей через зону разгрузки ковша AMN. Из фиг, 6 видно, что если прямая El максимально приближена к границе MN, машинист драглайна имеет больший диапазон для угла между проекцией оси стрелы .на горизонтальную плоскость и направлением движения приемного сосуда. Ковш при этом при загрузке будет находиться в пределах отрезка, определяемого на стреле точками F и А. Поэтому телекамеру целесообразно установить на стреле в точ— ке S ñîîòâåòñòâóþùåé середине отрезка РА.

С другой стороны, глубина копания при такой технологии ведения работ не может превышать некоторой величины, определяемой величиной h расстояния

2947 6 между серединой подъездных путеи и осью ОХ, вдоль которой происходит перемещение драглайна по мере выемки

5 грунта, величиной сектора OPQ выемки грунта драглайном и характеристиками вынимаемой породы (угол естественного откоса борта забоя и расстояние удаления подъездных путей от края откоса, исключающее их сползание), Таким образом, допустимые глубина копания и сектор копания и границы области разгрузки находятся во взаимной зависимости между собой, при этом последние зависят также от соотношений между габаритами ковша и приемного сосуда.

Рассчитывают по построениям на фиг. 6 расстояние от конца стрелы до

20 места на стреле, где установка телекамеры наиболее целесообразна. Предполагают, что приемный сосуд находится целиком в зоне разгрузки, при этом

его концы лежат на дуге AN и на отрез25 ке АМ, и его положению соответствует отрезок EF. Длина сосуда известна—

Ь. Предполагают также известными максимальный радиус разгрузки, соответствующий отрезкам ОА, ОЕ, ON, его

30 обозначают через 1, и предельный угол поворота стрелы 0 „„,„„.

Вспомогательные элементы: точки

F, Š— проекции точек F, Е на прямую, проходящую через направление

35 ОХ; 0 Π— минимальный угол поворота стрелы, при котором возможна выгрузка породы из ковша в приемный сосуд.

Из геометрических соображений (EE = 1 sinKо, 45 )FF l = (1 И ) sink „zь (2)

h = ЕЕ (= (FF I = 1 sinful = (1- !АР 1 ) sink „.

Система из двух уравнений (1)-(2) содержит две неизвестные величины— минимальный угол Мо между направлением движения приемного сосуда и проекцией оси стрелы, когда ковш на конце стрелы AF, в пределах которого про-. изводится разгрузка. Решая ее, нахо55

-Ьс1дК„,щ+ 1 (1+ctg 0,„о„)-Ь*

oL, =d.resin (1 (1+ctg о о „) 7 l 602947

1(sink +cosg,„сtg6, )+ЬсС8 «, „— 1 (1+ctg ф -Ъ (4) 4 ах предметов, находящихся в поле зрения по их угловым размерам, если известны габариты ковша драглайна, думпкара, железнодорожных путей и т.nL В pe"-,óëüòsòå этого по получаемому изображению можно оценить, например, высоту зависания ковша над думпкаром.

Находят расстояние от телекамеры до объекта на земле с известными размерами (фиг. 8). Предполагая, что по земле проложены железнодорожные пути, ооозначают расстояние Mc" ду рельсами

PT через х. Повернем ст елу драглайна в такое положение, чт бы вертикально расположенная оптическая ось телекамеры пересекала один из рельсов, При этом проекция оси стрелы PS на горизонтальную плоскость пересекает пути под некоторым углом 6,который измеряется по круговой угловой шкале, наложенной на изображение, даваемое видеомонитором. Точка пересечения второго- рельса горизонтальной проекциеи оси стрелы видна телекамерой под углом . Тогда расстояние вдоль оптической оси телекамеры от камеры до рельса »ЦР» будет равно

» х

ОР»

tg («SiII g

s1n М щд«+ соя 5 m; x ct

На основании полученных зависимостей оценивают расстояние от конца стрелы до предполагaeMoro места установки телекамеры на стреле, Если взять в качестве базового шагающий 1О драглайн Э1Л-13/50, для него 1=46,5 м при длине стрелы 50 м, Длина приемного сосуда Ъ равна длине железнодорожного думпкара, Ь = 13 м. Приближенно

К „„ 40 . Подставив значения 1, 15

b, с „ в формулы (3-4), получают

Ф о 30, » АЕ » = 10,72 м, Таким образом, с учетом того, что максимальный радиус разгрузки несколько меньше длины вылета стрелы, 20 оптимальной для данных соотношений, будет установка телекамеры на стреле на расстоянии 8,86 м от ее конца.

Если для наведения на место разгруз25 ки стрелы и ковша использовать телекамеру;- с широкоугольным объективом, то ковш при разгрузке в пределах зоны разгрузки заведомо попадает в ее поле зрения при направленной вертикально вниз оптической оси .Поэтому установ- 30 ку телекамеры на стреле можно производить в достаточно широких пределах допуска на ее удаленность от основания стрелы, которые для сделанных вычислений 0 82L от основания 35 стрелы, где L — длина стрелы.

На фиг. 5 окружности Т и II — поля зрения объектива телекамеры на уровне верхних кромок бортов вагонов при разных углах разворота драглаина, 40

На фиг. 7 представлены изображения на экране видеомонитора, соответствующие этим положениям телекамеры, при этом изображение на видеомониторе выреза,ет только часть поля зрения объек-45 тива, На фиг. 7 изображена также наложенная на изображение визирная сетка в виде двух перекрещивающнхся . в центре кадра под прямым углом линий с метками, соответствующими углам отклонения направлений наблюдения телекамеры от направления, задаваемого оптической осью телекамеры, и угловая шкала, нанесенная по окружности с центром в точке пересечения

>5 визирных линий. С помощью этой визирной сетки и угловой шкалы машинист может определять на изображении видеомонитора расстояние от телекамеры до

Аналогичным образом, зная габариты и угловые размеры вагона или ковша, можно оценить расс:. .ояние до них.

Кроме того, расстояние до вагона, зная его высоту, можно определить путем вычитания этой высоты из расстояния от камеры до путей.

Точное прицеливание.ковша драглайна на место разгрузки осуществляют следующим образом (фиг. 9). Стрела драглайна поворачивается в такое положение, чтобы вертикальная, линия ви.зирной сетки на изображении на видеомониторе точно проходила через место разгрузки, При этом на изображении засекают точку пересечения угловой шкалы с бортом приемного сосуда (точка М) и считывают со шкалы значение угла pC, под которым телекамера "видит" выделенную точку. При зависании нагруженного породой ковша драглайна над местом разгрузки точка N, выде1602947

1О ленная на уровне верхнего борта ковша и являющаяся вертикальной проекцией точки M на высоту h между верхними бортами приемного сосуда и ковша, "наблюдается" телекамерой под углом

Расстояние по вертикали QK от телекамеры до уровня бортов приемного сосуда — 1, оно легко устанавливается из угловых размеров приемного сосуда при известных габаритах последнего.

Связь между углами и /3 дается соотноше ием

1 tg oC = (1-h) tg P; h=l (1 — - -) . (5) 15 М

tgp

Вычитая из полученного значения h высоту ковша, получают величину зазора между приемным сосудом и ковыом.

Однако такой способ определения 2р величины зазора между ковшом и прием ным сосудом неудобен, гораздо проще

:вести визуальный контроль машинистом из кабины драглайна величины зазора между ковшом и приемным сосудом с помощью вертикальнои линейн и шкалы

20, которую, если лобовое стекло ка— бины машиниста вертикально, наносят на его поверхность в центре поля зрения машиниста, или, в противном слу- 30 чае, ее наносят на узкой полосе про.зрачного материала (стекло, оргстекло и т.п.) и крепят перед каоиной в вертикальном положении. Зная высоту приемного сосуда, а также габариты по высоте ковша, и полагая, что

Ь ОАВ э Ь ОА В, (ОВСс АОВ С .а,ОСД Э Ь ОС Д (фиг. 9), можно записать АВ1 I А a I icgI Ic g I и ° (6)

IBc1 !В с I вс 1в с J

НеоЬходимым условием справедливости этой оценки является условие 45

/ параллельности прямых АД и А Д что приблизительно выполняется при нахождении ковш.а над приемным сосудом. Найдя из соотношений (б) величину зазора ВС и лрибавив к ней высоту 5р

Ьорта ковша, получают h.

Землеройная машина с автоматизированным наведением на место разгрузки paboTaeT следующим образом. Ковш

7, наполненный грунтом, отрывается от забоя, после чего корпус со стрелой . 1 начинает поворачиваться вокруг поворотной платформы 2 к месту разгрузки.

Одновременно ведется транспортирование ковша с грунтом в сторону конца стрелы за счет отпускания тягового каната 5 с барабана лебедки тяги 3 и наматывания подъемного каната на барабан лебедки подъема 4. Дополнительный канат 11 при этом находится в натянутом с небольшим усилием положении, При подходе стрелы к приемному сосуду, находящемуся в пределах допустимои .зоны разгрузки, машинист с помощью телекамеры 13 оценивает степень загрузки приемного сосуда, выбирает место для разгрузки ковша и останавливает стрелу драглайна в таком положении, чтобы вертикальная линия визирной сетки 15 на изображении проходила через центр предполагаемого места выгрузки. При этом телекамера 13 должна Ьыть ориентирована поворотным блоком 1Й таким образом, чтобы вертикальная линия визирной сетки совпадала на иэображении с направлением оси стрелы драглайна.

После останова стрелы машинист подводит ковш к месту разгрузки и, как только тот, с учетом угловых поправок на искажения изображения из-эа разницы углов наблюдения различных элементов ковша и приемного сосуда, а также на ориентацию телекамеры, окажется над местом разгрузки, лебедки тяги и подъема 3 и и останавливаются, и происходит проверка допустимых пределов высоты зависания ковша над местом разгрузки с помощью вертикальной линейной шкалы 20. При необходимости машинист с помощью лебедок подъема и тяги производит коррекцию положения ковша до полного соответствия как его ориентации относительно приемного сосуда, так и высоты зависания для про-. ведения разгрузки породы в приемный, сосуд. Если ковш на изображении находится над местом разгрузки, и высота

его з;.висания над приемным сосудом не выходит за допустимые пределы, машинист производит фиксацию дополнительного каната 11 с помощью механизма 12, после чего осуществляет отпуск тягового каната 5 с тяговой лебедки 3, ковш 7 под действием груза, поворачиваясь вокруг коромысла 8, начинает разгружаться в приемный сосуд, После разгрузки ковша в приемный сосуд тяговая лебедка 3 начинает наматывать тяговый канат до тех пор, пока ковш 7 не примет первоначальное

I положение. После этого механизм фикl l 1б029 садил ковша 12 растормаживает дополнительный канат 11 и рабочий цикл повторяется.

В процессе работы машинист драглайна при необходимости с помощью блоков 17, 18 и 19 (канал в) осуществляет подфокусировку телекамеры, а также с помощью поворотного блока 14 1(} ее поворот в интересующем машиниста направлении с одновременным отсчетом иа пульте 17 углов поворота телекамеры от первоначального положения (каналы а и б}. 15

Формула и з обретения

Землеройная машина с автоматизированным наведением ковша на место раз20 грузки, содержащая поворотную платформу с закрепленной на ней стрелой и кабиной, объектив, обращенный к зо(47 l2 не работы, монитор, установленный внутри кабины и соединенный с телевизионной передающей камерой, закрепленной на стреле, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью увеличения производительности при выгрузке содержимого ковша в приемные сосуды ограниченных габаритов при одновременном снижении потерь при загрузке приемных сосудов за счет прицельного наведения ковша на месте разгрузки, она снабжена закрепленным на стреле поворотным блоком, на котором укреплены телевизионная передающая камера, причем на экране монитора нанесена визирная измерительная .сетка с угловой шкалой, а на лобовом стекле кабины в центре поля зрения машиниста нанесена вертикальная линейная шкала, при этом поворотный блок закреплен на стреле на расстоянии» составляющем

0,82+0,04 ее длины от основания.

1602947

Фиг.4

1602947

1602947

)

Ф Ь

1602947

Фиг. У

Составитель А, Мартынов l

Текред Л.Олийнык Корректор Т. Палий

Редактор М. Товтин

Заказ 33б4

Тираж 541

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Латент", r Ужгород, ул. Гагарина, 101