DD247937A1 - Verfahren und vorrichtung zur fuehrung von arbeitsgeraeten auf beliebigen, mathematisch formulierbaren bewegungsbahnen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf alle technischen Probleme, bei denen Arbeitsgeraete bzw. Punkte von Arbeitsgeraeten auf beliebigen, mathematisch formulierbaren Bewegungsbahnen gefuehrt werden muessen. Die erfindungsgemaesse Loesung ermoeglicht die Fuehrung von Arbeitsgeraeten auf beliebigen, im Aktionsbereich der Anlage liegenden mathematisch formulierbaren Bewegungsbahnen. Durch die sinnvolle Anordnung und Verknuepfung einer Vorrichtung auf der Grundlage eines Schrittfolgeverfahrens wird erfindungsgemaess die exakte Fuehrung eines Arbeitsgeraetes auf beliebigen, mathematisch formulierbaren Bewegungsbahnen ermoeglicht. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus Istwertgebern, Bedieneinrichtung und Sollwertregler, die mit der Zentraleinheit verbunden sind. Die erfindungsgemaesse Loesung ist prinzipiell in fast allen Bereichen der Technik anwendbar. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung ist prinzipiell bei allen technischen Problemen anwendbar, bei denen Arbeitsgeräte bzw. Punkte von Arbeitsgeräten auf beliebigen, mathematisch formulierbaren Bewegungsbahnen geführt werden müssen.

Ein vorzugsweises Anwendungsgebiet ist die Führung von Arbeitsgeräten an Flurförderzeugen oder Manipulatoren mit hydraulisch oder elektrisch angetriebenen Mechanismen.

Die Führung erfolgt unabhängig vom Neigungswinkel der gesamten Anlage.

Durch die Kombination verschiedener Kurven können Bewegungsabläufe im Arbeitszyklus programmiert werden, wobei sowohl die Absolutwinkel als auch die Relativwinkel, bestimmt durch die Lage der Stellglieder, die Grundlage für die jeweilige Winkelzuordnung sein können. Die Führung kann durch die Steuerung von 2,3 oder mehr Auslegerteilen erfolgen.

Die erfindungsgemäße Lösung einer Baggersteuerung ermöglicht z. B. die automatische Herstellung geometrisch festgelegter Erdaushübe in mehreren sinnvoll festgelegten Schritten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für die Führung von Arbeitsgeräten auf vorgegebenen Bewegungsbahnen gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten:

— Führung durch entsprechend gestaltete Mechanismen und

— Führung mittels einer geeigneten Steuerung der Antriebe.

a) Führung durch entsprechend gestaltete Mechanismen

Durch komplizierte Führungsmechanismen, Teleskopeinrichtungen, Zwanglaufgetriebe zwischen den Auslegern u.a. werden die Arbeitsgeräte auf z.T. nur angenäherten Geraden geführt.

Nachteilig ist dabei der hohe konstruktive Aufwand für die Mechanismen und daß die Führung nur auf Geraden möglich ist. Die Geraden lassen sich nur in bestimmten Teilen des Bewegungsbereiches abfahren und der Neigungswinkel des Grundgerätes muß berücksichtigt werden.

Z. B. E 02 F 3/32 DE 1634978

DE 1800045

3/38 DE 2501779

b) Positionswiedergabe des Arbeitsgerätes

Mittels eines komplizierten Lenkermechanismus oder mit einem „Depth Monitoring System", das durch Messung der Neigungswinkel der Ausleger mit einer einfachen geometrischen Gleichung die Höhe des Arbeitsgerätes ermittelt, wird dem Baggerführer ständig die Bahn bzw. die Höhe des Arbeitsgerätes angezeigt.

Nachteilig ist, daß die Position des Arbeitsgerätes nur angezeigt wird und nicht automatisch steuerbar ist. Z.B. E02 F5/02 WO81/02904 E02F 3/32 DE 2851942

c) Führung mittels geeigneter Steuerung der Antriebe

Für die Steuerung der Antriebe gilt es mehrere Möglichkeiten:

— Die Geradführung wird mit einem an die Ausleger angelenkten Doppelschiebersystem für die Steuerung der hydraulischen Arbeitszylinder erreicht.

Nachteilig ist die nur annähernde Geradführung in stark eingeschränkten Teilen des Bewegungsbereiches der Anlage. Z.B. E02 F3/42 GB 1004162

— Das Arbeitsgerät wird an einem Laserstrahl zwischen einem außerhalb der Anlage stehenden Lasersender und einem Laserempfänger in der Anlage mittels eines komplizierten Regelsystems geführt. Der hohe Aufwand für die Lasertechnik und das separat notwendige Weiterbewegen des Lasersenders sind nachteilig.

Es ist nur eine Geradführung mit eingeschränkt variablem Neigungswinkel möglich (Lasersender steht außerhalb der Anlage).

Z.B. EO02F3/28 DE 3032821

— Die Neigungswinkel α, β und γ sowie die Winkelgeschwindigkeiten #' β und y der Auslegerteile einer An lage werden ermittelt. Die Steuerung für die Geradführung erfolgt über die Differenz zwischen den Ist- und den errechneten Sollgeschwindigkeiten unter den Bedingungen a + β + γ = konst, ά + β + γ = 0. Nachteilig ist, daß nur eine Geradführung möglich ist.

Z. B. E 02 F 3/42 DE 2940445

Ziel der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Lösung soll eine Möglichkeitzur direkten Winkelzuordnung der Auslegerteile bei der Führung von Arbeitsgeräten auf beliebigen, im Aktionsbereich der Anlage liegenden Bewegungsbahnen geschaffen werden. Diese Winkelzuordnung ist die Grundlage für eine Führung von Arbeitsgeräten, die unabhängig von der Geschwindigkeit, Getriebestellung und der Belastung am Arbeitsgerät ist und nach einer lastbedingten Abweichung von der vorgegebenen Bahn ein Rückstellen des Arbeitsgerätes auf die Bahn gestattet. Die o. g. Winkelzuordnung soll die Durchführung eines Verfahrens zur Führung des Arbeitsgerätes auf beliebigen Bahnen, z. B. zur Herstellung geometrisch festgelegter Erdaushübe, ermöglichen. Dabei soll der Kompliziertheitsgrad der Mechanismen verringert werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Zum besseren Verständnis dienen folgende Zeichnungen:

Fig. 1: Bahnboschreibung für beliebige Kurven Fig.2: Vorrichtung zur Führung von Arbeitsgeräten Fig.3: Bahnbeschreibung für die Gerade

An einem Grundgerät (10), z. B. Bagger, sind in bekannter Weise ein oder mehrere Ausleger (1,2) im Punkt (A) in Reihe angelenkt, die durch Stellglieder (4, 5), z. B. hydraulische Arbeitszylinder, bewegt werden. Am äußeren Ausleger (2) ist ein Arbeitsgerät (3) im Punkt (L) drehbar gelagert. Das Arbeitsgerät (3) wird direkt oder über den Mechanismus (11) durch das Stellglied (6), z.B.

hydraulischer Arbeitszylinder, bewegt.

Dabeisind die Neigungswinkel der Ausleger (1,1₁) (2,1₂) und des Arbeitsgerätes (3,1₃) (α), (/3) und (δ).

Am Ausleger (2) und am Arbeitsgerät (3) sind je ein Istwertgeber (7), ζ. B. Neigungswinkelmesser, angebracht, die mit der Zentraleinheit (9) verbunden sind.

Am Ausleger (1) ist der Sollwertregler (8) befestigt, der von der Zentraleinheit (9) angesteuert wird.

Zum Führen des Führungspunktes (P) des Arbeitsgerätes (3) auf einer beliebigen, mathematisch formulierbaren Bewegungsbahn (B), wiez. B. in Fig. 1 angedeutet, werden die Daten der Bewegungsbahn (B) im X-Y-Koordinatensystem mit den Nullpunktkoordinaten (X₀), (Y₀) mit der Bedieneinrichtung (12) in die Zentraleinheit (9) eingegeben, mit den Istwertgebern (7), ζ. B. Neigungswinkelmesser, die Absolut- bzw. Relativwinkel des Auslegers (2) und des Arbeitsgerätes (3) in bekannter Weise ermittelt und an die Zentraleinheit (9) weitergegeben. In der Zentraleinheit (9) wird mit der Beziehung für die jeweilige zu beschreibende Kurve mit

y = f(x) I

Y₀ + I₁ sin α - I₂ cos/3 - I₃ cos δ - I₄... = f(li cosa + I₂sin/3 + l₃sinö + I₄... - X₀)

der den Winkeln (/3), (δ)... entsprechend zugeordnete Winkel (α) ermittelt. Dabei entspricht die Anzahl (I,) der bis zum zu führenden Punkt, z. B. (P, L), vorhandenen Auslegerzahl.

Für einfache Kurven kann die Beziehung (II) direkt nach (α) aufgelöst werden. Generell wird zur Suche der Nullstelle (α) der Gleichung (II) ein Näherungsverfahren mit

f{a) = f(x) - y = 0 (III)

verwendet. Da die Führung in kleinen Schritten erfolgt, ist mit dem (a) des vorhergehenden Schrittes jeweils eine gute Anfangsnäherung gegeben. Der so ermittelte Winkel (α) wird vom Sollwertregler (8) eingestellt. Nach dieser Sollwerteinstellung wird beispielsweise der Winkel (/3) geringfügig verändert, mit den Istwertgebern (7) ζ. B. Neigungswinkelmesser, werden die Absolut- bzw. Relativwinkel des Auslegers (2) und des Arbeitsgerätes (3) ermittelt usw...., bis die Bewegungsbahn (B) im Aktionsbereich abgefahren ist.

Die Punkte (K,), ζ. B. in Fig. 1 (Κι) bis (K₄), sind die Anfangs- bzw. Endpunkte der entsprechenden Bah η abschnitte. Der Anfangspunkt (K₁) wird im ersten Schritt des Verfahrens wie oben beschrieben durch die entsprechende Winkelzuordnung mit dem zu führenden Punkt (P) angefahren.

Danach wird der erste Bahnabschnitt bis zum Punkt (K₂) entsprechend der dafür festgelegten Beziehung (I) durchfahren, wobei ständig anhand der (x)- oder (y)-Koordinate (a) oder (h) geprüft wird, ob der Punkt (K₂) erreicht ist. Daraufhin wird der nächste Bahnabschnitt durchfahren usw., bis die Bewegungsbahn (B) absolviert ist. Dieser Vorgang wird manuell oder mit einem Rechenprogramm, das in der Zentraleinheit (9) implementiert ist, gesteuert.

Die gleiche Verfahrensweise gilt auch für β = f(a, δ), δ = f(a, ß) und die Relativwinkelzuordnung mit entsprechend umgestellten Gleichungen. Bei der Relativwinkelzuordnung ergibt sich der Nachteil, daß der Neigungswinkel des Grundgerätes (10) mit berücksichtigt werden muß.

Eine direkte Lösung der Gleichung (II) für die Gerade mit der Nullhöhe (n) und dem Neigungswinkel (γ) entsprechend Fig.3 wird im Aüsführungsbeispiel beschrieben.

Ausführungsbeispiel

Eine Form der Realisierung der erfindungsgemäßen Lösung zeigt Fig. 2. Dabei sind in bekannter Weise an einem Grundgerät 10, z.B. Bagger, im Punkt Azwei Ausleger 1,2 mit den Längen I₁ und I₂ und den Neigungswinkeln α und /3 angelenkt, die mit den hydraulischen Arbeitszylindern 4, 5 angetrieben werden. Im Punkt L des Auslegers 2 ist das Arbeitsgerät 3, Länge I₃, Neigungswinkel δ, gelagert und wird mit dem Stellglied 6, z. B. hydraulischer Arbeitszylinder, über den Mechanismus 11 angetrieben. Am Ausleger 2 und am Arbeitsgerät 3 sind je ein Istwertgeber 7, z. B. Neigungswinkelmesser, zur Ermittlung der Absolutwinkel angebracht. Am Ausleger 1 ist der von der Zentraleinheit 9 gesteuerte Sollwertregler 8 befestigt. Soll nun eine beliebige Bewegungsbahn B,z. B. eine Gerade, entsprechend Fig. 3 mit der Nullhöhe η gegenüber dem Punkt A und dem Neigungswinkel y vom Punkt P, abgefahren werden, die Daten werden mit der Bedieneinrichtung eingegeben, geben die Istwertgeber 7, z. B. Neigungswinkelmesser, die Absolutwinkel β und δ des Auslegers 2 und des Arbeitsgerätes 3 an die Zentraleinheit 9. In der Zentraleinheit 9 wird z. B. mit einer direkten Lösung der Gleichung Il für die Gerade

= 2 arc tan

I ·* V-/

- tan

der entsprechende Winkel α ermittelt und an den Sollwertregler 8 gegeben, der diesen Wert einstellt. Danach wird z. B. mit dem Stellglied 5, z. B. hydraulischer Arbeitszylinder, der Winkel β geringfügig verändert, die Istwertgeber 7, z. B.

Neigungswinkelmesser, geben die Absolutwinkel β und S an die Zentraleinheit 9 ... usw., bis der durch die entsprechenden Punkte K, bestimmte Teil der Bewegungsbahn B durchfahren ist. Dabei wird wie oben erwähnt bei jedem Schritt mit dem Abstand a oder der Höhe h das Erreichen des jeweiligen Endpunktes K, geprüft.

Für die Bewegung auf Horizontalen Höhe = h und Vertikalen Abstand = a kann durch die weitere Vereinfachung der Beziehung Il Operationszeit eingespart werden.

Es ergibt sich

ίρ cos/3 + 1-, coscf- h '

CL = arc sin -= η *

und ""

— - viii

a - Ip sin/b - 1_ sin σ

oL - arc cos * <

Zur Führung des Punktes Lfallen in den Gleichungen entsprechend Terme mit I3 weg.

Claims (12)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Führung von Arbeitsgeräten auf beliebigen, mathematisch formulierbaren Bewegungsbahnen (B), dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungswinkel von Auslegern in entsprechender Abhängigkeit voneinander in verschiedenen Bahnabschnitten gesteuert werden.
2. 2. Verfahren zur Führung von Arbeitsgeräten nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Arbeitszyklus die Bewegungsbahn (B) in gegebenenfalls mehreren sinnvoll festgelegten Schritten verändert wird.
3. 3. Verfahren zur Führung von Arbeitsgeräten nach den Punkten 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel der Bewegungsbahnabschnitte an vorher festgelegten Anfangs- bzw. Endpunkten (Kj) erfolgt.
4. 4. Verfahren zur Führung von Arbeitsgeräten nach den Punkten 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Erreichen der Anfangs- bzw. Endpunkte (Kj) bei jedem Steuerschritt mit einer einfachen geometrischen Gleichung für den Abstand (a) und die Höhe (h) überprüft wird.
5. 5. Verfahren zur Führung von Arbeitsgeräten nach den Punkten 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei i Auslegerteilen i - 1 Absolut- oder Relativwinkel ermittelt werden und ein Winkel entsprechend bei jedem Steuerschritt eingestellt wird.
6. 6. Verfahren zur Führung von Arbeitsgeräten nach den Punkten 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Winkeleinstellung entsprechend Punkt 5 bei jedem Steuerschritt ein anderer Winkel in für die Durchführung des Verfahrens geeigneter Weise geändert wird.
7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Punkten 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwertgeber (7), ζ. B. Neigungswinkelmesser, die Bedieneinrichtung (12) und der Sollwertregler (8) mit der Zentraleinheit (9) verbunden sind.
8. 8. Vorrichtung nach Punkt 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zentraleinheit (9) entsprechende Berechnungsvorschriften für den zu steuernden Winkel, den Abstand (a), und die Höhe (h) sowie ein Steuerprogramm für den Ablauf des Arbeitszyklus implementiert sind.
9. 9. Vorrichtung nach den Punkten 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwertgeber (7), ζ. Β. Neigungswinkelmesser, sowohl als Absolut- als auch als Relativwinkelmesser ausgeführt sein können.
10. 10. Vorrichtung nach den Punkten 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Sollwertregler (8) einzustellende Winkel sowohl ein Absolut- als auch ein Relativwinkel sein kann.
11. 11. Vorrichtung nach den Punkten 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungspunkt (P) mit dem Anlenkpunkt (A) durch eine Reihenschaltung aus beliebig vielen Auslegern (T, 2,3, ...) verbunden sein kann.
12. 12. Vorrichtung nach den Punkten 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungspunkt (P) auch ein Koppelpunkteines Koppelgetriebes sein kann.