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Die
Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine mit einer Arbeitsausrüstung, welche
zu ihrer Betätigung
wenigstens zwei hydraulisch vom Bediener gesteuerte Funktionen für wenigstens
ein erstes und ein zweites Element der Arbeitsausrüstung aufweist.
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Arbeitsmaschinen
mit einer Arbeitsausrüstung,
die mehrere Elemente aufweist, die mittels hydraulischer Funktionen
bewegt oder verstellt werden können,
sind in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt. So werden beispielsweise
Radlader mit Frontladeausrüstung
oder Bagger in großem
Umfang in der Praxis eingesetzt.
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Moderne
Radlader werden in heutiger Zeit verstärkt in verschiedenen Einsatzbereichen
verwendet. Ausgehend von der klassischen Erdbewegung werden sie
vor allem auch im Industrieeinsatz und zunehmend auch in der Landwirtschaft
verwendet. Im Bereich der Erdbewegung geht es dabei am häufigsten
um das Lösen
und Transportieren von Material. Dabei ist der Radlader mit einer
Schaufel ausgerüstet.
Im Industrieeinsatz, wenn Güter
und Paletten transportiert werden sollen, werden Schnellwechsler mit
Traggabeln verwendet. Weitere Arbeitswerkzeuge sind Leichtgutschaufeln,
Hochkippschaufeln, Schaufeln mit Niederhaltern und Klammergabeln
in vielen Aus führungen.
Neben den Hauptfunktionen zur Bewegung des Hubwerkes (nämlich Heben
und Senken), des Kippwerkes (Ankippen, Auskippen) und zum Betrieb
von Sonderanbaugeräten
mit einer weiteren Ventilblockeinheit hat dieses breite Einsatzspektrum
zur Entwicklung einer Vielzahl von Sonderfunktionen geführt, um
die Maschinen optimal an ihre Arbeitsaufgaben anzupassen. Herstellerseitig
bedeutet dies jedoch einen hohen Aufwand, da bisher unterschiedliche
Kinematiksysteme und Hydraulikbaugruppen entsprechend den jeweiligen
Anforderungen vorgehalten und montiert werden müssen. Bei diesen verschiedenen
Kinematiksystemen herrschen bisher die sogenannte Z-Kinematik und die PZ-Kinematik
vor.
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Bei
der Z-Kinematik wird in Bodenlage der Schaufel eine hohe Reißkraft erzeugt.
Diese Kraft resultiert aus der Druckbeaufschlagung der gesamten Kolbenfläche des
Kippzylinders und deren Weiterleitung über entsprechend abgestimmte
Armlängen
des Kipphebels an die Schaufelschneide. Während des Hubvor-ganges soll die Schaufel
weiter angekippt werden. Dadurch wird der Füllvorgang der Schaufel an der
Wand unterstützt
und der Nutzlastschwerpunkt wird möglichst weit nach hinten verlagert. Wenn
die Schaufel geleert werden soll, ergibt sich in vorteilhafter Weise
eine große
Auskippgeschwindigkeit, da die Kolbenringfläche mit Druck beaufschlagt wird
und hier nur der kleinere Kolbenstangenraum gefüllt werden muss.
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Im
Industrieeinsatz sind beispielsweise eine exakte Parallelführung der
Traggabel über
den gesamten Hubbereich und hohe Haltekräfte des Kippwerkes bei Verwendung
von Rohr- oder Baumklammern
wesentlich. Das führt
insbesondere bei negativen Auskippwinkeln zu einem enormen Kraftbedarf (Haltekraft),
da der Schwerpunkt der Nutzlast sehr weit vor dem Anlenkpunkt am
Hubrahmen liegt bzw. zu hohen Rückdrehkräften, um
die Transportstellung zu erreichen. Die PZ-Industriekinematik wird
der Parallelführung
der Traggabel durch eine entsprechende Parallelogrammanordnung der
Elemente der kinematischen Kette gerecht und ihr Reißkraftpotential
ist besonders im Ankippbereich an die Erfordernisse angepasst worden.
Daneben stellt die PZ-Industriekinematik auch im Sinne der Standardisierung
bereits einen Entwicklungsschritt dar, da sie mit gleichen Anlenkpunkten
ausgestattet und damit am gleichen Vorderrahmen anbaubar ist, wie
die Z-Kinematik.
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Unter
der Zielstellung des universellen Einsatzes der Maschine sowohl
mit Ladeschaufel für
die Erdbewegung als auch mit Traggabel für den Palettentransport im
Industriebereich ist eine Radladerkinematik bekannt geworden (
DE 198 00 164 A1 der Anmelderin),
die die Vorzüge
beider Systeme vereint bzw. verbindet. Neben Vorteilen, wie einem
dem Z-System vergleichbar einfachen Aufbau, verbesserter Sichtverhältnisse
für den
Fahrer, eines größeren Kippwinkelbereiches,
sind es vor allem die Reißkraftverhältnisse,
die über
den gesamten Hubbereich nahezu unverändert hoch bleiben. Damit konnte
ein wesentlicher Nachteil, insbesondere der Z-Kinematik, kompensiert
werden, nämlich
die Abnahme der Reißkraft
mit der Hubhöhe.
Während
diese zweckmäßige Kinematik
in der Druckschrift bereits im Einzelnen beschrieben ist, ist nichts
darüber
ausgesagt, wie steuerungstechnisch ein solcher Radlader geeignet
betrieben werden kann.
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Aus
DE 197 26 821 A1 sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Werkzeuges
einer Arbeitsmaschine bekannt, die ebenfalls ein anderes Kinematiksystem
aufweist. Verfahrensmäßig ist
dabei im wesentlichen die Verwendung von Winkelsensoren zur Erfassung
der Kinematikstellung, eines Joysticks zur Vorgabe des Bedienersignals
und die Modifikation des Bedienersignals in Abhängigkeit der Kinematikstel-lung unter Verwendung von
Daten aus Nachschautabellen vorgesehen. Diese Nachschautabellen
sind festliegende Kennfelder der Kinematikstellungen, in deren Abhängigkeit
bestimmte Signalmodifikationen erfolgen. Das Steuerungsverfahren
basiert somit wesentlich auf diesen festliegenden Nachschautabellen
und ist dadurch sehr unflexibel.
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Während bei
Radladern häufig,
abgesehen von etwaigen Sonderfunktionen, nur zwei hydraulische Funktionen
(Hydraulikzylinder für
den Hubrahmen und Kippzylinder für
den Kipphebel) vorhanden sind, sind beispielsweise bei Baggern grundsätzlich wenigstens
drei hydraulische Funktionen (ohne Sonderfunktionen) notwendig,
nämlich
das Anheben bzw. Absenken des Auslegers, die Bewegung des Stiels
und die Bewegung des Löffels.
Bei derartigen relativ komplizierten Kinematiksystemen ist die Steuerung
der einzelnen hydraulischen Funktionen der Arbeitsmaschine noch
aufwendiger.
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Aus
WO 99/27197 A ist eine Arbeitsmaschine mit einer Arbeitsausrüstung bekannt,
welche zwei hydraulische Funktionen, nämlich Hubrahmen und Schaufel,
aufweist. Diese Arbeitsmaschine ist mit einer komplizierten Regelung
ausgerüstet,
mittels derer die beiden hydraulischen Funktionen, die kinematisch
nicht miteinander gekoppelt sind, in ihrer Bewegung im Prinzip getrennt
voneinander geregelt werden, wobei aufwendig dafür Sorge getragen wird, dass
bei der Hubbewegung die Schaufel nicht ungewollt in eine Auskippposition
gelangt, und zwar im Prinzip dadurch, dass der Hubrahmen und die Schaufel
mit prinzipiell identischer, aber gegenläufiger Drehgeschwindigkeit
angetrieben werden. Dies bedingt eine sehr aufwendige Regelung,
da ständig die
Drehgeschwindigkeiten überwacht
und ggf. nachgeregelt werden müssen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
universell einsetzbare Arbeitsmaschine zu schaffen, deren Hydraulik funktionen
möglichst
einfach und flexibel bedient werden können.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Arbeitsmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
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Eine
solche Arbeitsmaschine ist sehr einfach und flexibel einsetzbar
und läßt sich
besonders einfach vom Bediener bedienen, da der Bediener nur die erste
hydraulische Funktion betätigen
muss, indem er beispielsweise mit Hilfe eines Joysticks als Signalgeber
den Hubzylinder des Hubrahmens eines Radladers betätigt. Basierend
auf diesem Bediensignal für
die erste hydraulische Funktion wird dann, ohne dass ein weiteres
Bediensignal vom Bediener erzeugt werden muss, basierend auf dem
Signalgeber, von einer geeigneten elektronischen Steuerung die zweite
hydraulische Funktion und ggf. weitere hydraulische Funktionen automatisch
ohne weiteren Eingriff des Bedieners betätigt. Die Handhabung der Arbeitsmaschine
wird dadurch für
den Bediener wesentlich vereinfacht, durch Modifikation der elektronischen
Steuerung (d.h. der zugehörigen
gespeicherten Funktionen) ist die Arbeitsmaschine für viele
Anwendungsfälle
geeignet.
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Gegenüber der
aus WO 99/27197 A bekannten Lösung
wird somit ein vergleichbares Ziel mit sehr viel einfacheren Mitteln
erreicht, was vor allem dadurch bedingt ist, dass die beiden durch
die hydraulischen Funktionen betätigten
Elemente der Arbeitsausrüstung
(Hubrahmen, Arbeitswerkzeug) kinematisch zwangsgekoppelt sind, wodurch
schon aufgrund der Kinematik das Arbeitswerkzeug gegenüber dem
Hubrahmen eine definierte Bewegung bei der Bewegung des Hubrahmens
ausführt,
die durch einen mathematisch oder graphisch darstellbaren kinematischen
Zusammenhang erfasst wird, der die Basis für die Mitsteuerung der zweiten
Funktion und damit eine einfache Steuerung und keine komplizierte
Regelung ermöglicht.
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Um
zeitweise oder über
einen längeren
Zeitraum auch für
die wenigstens zweite hydraulische Funktion eine manuelle Bedienung
durch den Bediener zu ermöglichen,
ist vorteilhaft vorgesehen, dass die wenigstens zweite hydraulische
Funktion durch einen zweiten Signalgeber vom Bediener durch Übersteuerung
der elektronischen Steuerung wenigstens zeitweise direkt steuerbar
ist.
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Ferner
ist bevorzugt vorgesehen, dass in den Speichermitteln mehrere mathematisch
und/oder graphische Funktionen für
mehrere kinematische Zusammenhänge
zwischen der ersten und der wenigstens zweiten hydraulischen Funktion
abgelegt sind, welche vom Bediener wahlweise aktivierbar sind. So kann
beispielsweise bei einem Radlader der kinematische Zusammenhang
zwischen dem Kipphebel und dem Hubrahmen in den Speichermitteln
abgelegt sein, worauf dann, basierend auf dem Steuer signal des Signalgebers
für die
erste hydraulische Funktion (z.B. Hubrahmen), vom Controller auf
der Basis des kinematischen Zusammenhanges das Steuersignal für die zweite
hydraulische Funktion, beispielsweise den Kippzylinder, ermittelt
wird und diese dann entsprechend gesteuert wird. Durch die Auswahlmöglichkeit
zwischen mehreren mathematischen und/oder graphischen Funktionen
lassen sich auf sehr einfache Weise auch hydraulische Sonderfunktionen
verwirklichen und dgl.
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Besonders
zweckmäßig ist
es weiterhin, dass zur Modifikation der mathematischen und/oder graphischen
Funktionen in den Speichermitteln "teach-in"-Eingabetasten vorgesehen sind. Dadurch lassen
sich vom Bediener auf einfache, Weise Modifikationen vornehmen und
erhalten.
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Ferner
ist besonders bevorzugt weiterhin vorgesehen, dass der wenigstens
eine Signalgeber als Joystick ausgebildet ist. Ein solcher Joystick
kann dann auch noch als Signalgeber für ein etwaiges zweites Signal
dienen.
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Eine
erfindungsgemäße Arbeitsmaschine kann
beispielsweise als Bagger ausgebildet sein. Ein solcher Bagger weist üblicherweise
drei hydraulische Funktionen auf, nämlich Anheben/Senken des Auslegers,
Bewegung des Stiels und Bewegung des Löffels. Außerdem sind weitere Sonderfunktionen
möglich.
Erfindungsgemäß wird dann
als erste hydraulische Funktion lediglich das Anheben bzw. Absenken des
Auslegers vom Bediener gesteuert, die weiteren hydraulischen Funktionen
werden basierend darauf von der elektronischen Steuerung gesteuert.
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In
ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine
als mobiler Lader mit Frontladeausrüstung ausgebildet. Die erste
hydraulische Funktion wird dann vom Hubzylinder des Hubrahmens gebildet,
die zweite beispielsweise vom Kippzylinder des Kipphebels, ferner sind
weitere, beispielsweise Sonderfunktionen, möglich.
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Wenn
die Arbeitsmaschine als mobiler Lader verwirklicht wird, ist ganz
besonders bevorzugt vorgesehen, dass der mobile Lader in Übereinstimmung mit
den Merkmalen des Patentanspruches 8 ausgebildet ist, d.h. eine
Universalkinematik enthält,
wie diese grundsätzlich
aus
DE 198 00 164
A1 bekannt ist. Dabei ist dann aufgrund des linearen Zusammenhanges
zwischen dem Hubwinkel und dem Kippwinkel des Laders die Ermittlung
des jeweiligen Steuersignales für
die zweite hydraulische Funktion (Kippzylinder) in der elektronischen
Steuerung besonders einfach. Bei dieser Ausgestaltung steht dann
ein universell einsetzbarer Radlader zur Verfügung, der sowohl in der Erdbewegung,
der Industrie, der Agrarwirtschaft als auch in anderen Anwendungsfeldern verwendet
werden kann, ohne dass die Kinematik geändert werden muss. Dies ist
mit der elektronischen Steuerung steuerungstechnisch leicht zu realisieren,
da die Kinematik selbst einen nahezu linearen Zusammenhang zwischen
dem Hub- und Kippwinkel aufweist. Dies ermöglicht ein einfaches und gleichzeitig
robustes Regelungskonzept, insbesondere für die Parallelführung des
Arbeitswerkzeuges beim Industrieeinsatz.
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Der
universelle Einsatzbereich eines solchen Radladers läßt sich
noch dadurch erweitern, dass neben der ersten und der zweiten hydraulischen
Funktion wenigstens eine weitere hydraulische Funktion für eine weitere
Laderfunktion vorgesehen ist. Hierbei kann es sich z.B. um Sonderanbaugeräte, wie Hochkippschaufel,
Baumklammer, Rotationscleaner, Kehrbesen und dergl. handeln.
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Bei
einem solchen Lader ist vorteilhaft auch ein Load-Sensing-System
vorgesehen, welches bei Unterversorgung des Hydrauliksystems die
Bewegungsunterbrechung einzelner Verbraucher (Zylinder- oder Hydromotoren)
verhindert.
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Ein
derart ausgestalteter Lader bietet eine Vielzahl von Vorteilen,
die nachfolgend beispielhaft angegeben werden.
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Ein
erfindungsgemäß ausgestalteter
Lader bietet eine Vielzahl von Vorteilen, die nachfolgend beispielhaft
angegeben werden. So lassen sich beispielsweise die in der Landwirtschaft
geforderten Schüttelbewegungen
der Schaufel durch die elektronische Steuerung realisieren. Die
Charakteristik des Joysticks ist modifizierbar (aggresiv, weich)
und die Kinematik erlaubt hohe Auskippwinkel und Streugeschwindigkeiten.
Ferner erlaubt die Steuerung eine automatische Erkennung der gewünschten
Schüttelbewegung
(Frequenz) sowie eine Einstellung des Auskippanteiles zum gleichmäßigen Ausschütten von
Material. Ferner ist es möglich,
die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors im unteren Drehzahlbereich
zur Vermeidung einer Motorüberlastung
bei der Beladung von Fahrzeugen im Leerlauf der Motors (Stillstand
des Fahrzeuges) durch Reduzierung der Strömungsquerschnitte im Steuerschieber
(Volu menströme)
zu verringern.
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Außerdem kann
die maximale Motordrückung
beim Befahren von Steigungen und gleichzeitigem Heben von Lasten
begrenzt werden. Dazu wird die Fördermenge
zu den Hydraulikzylindern reduziert, das Leistungsangebot durch
die verringerte Motordrückung
erhöht
und zu Gunsten des Fahrantriebes umverteilt. Ferner ist es möglich, die
maximale Fördermenge
größer als üblich auszulegen,
da die Steuerung der Leistungsverteilung zwischen Fahrantrieb und
Arbeitshydraulik, je nach Einsatz, möglich ist.
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Durch
das Vorsehen der "teach-in"-Eingabetasten kann
eine hohe Flexibilität
sowohl für
eine Hubendabschaltung als auch für eine Schaufelanschlagdämpfung als
auch für
eine Rückführautomatik der
Schaufel oder der Traggabel erreicht werden. Durch die Schaufelanschlagdämpfung können harte Ankipp- und/oder Auskippanschläge vermieden
werden, bei Felseinsatz kann das Erreichen der Anschläge grundsätzlich vermieden
werden, da das Material allein ausrollt. Durch die "teachin"-Eingabetasten kann
vom Fahrer bzw. Bediener zudem jederzeit eine individuelle Einstellung
vorgenommen werden, was beispielsweise einen erheblichen Vorteil
gegenüber der
aus
DE 197 26 821
A1 bekannten Lösung
mit festen Nachschautabellen darstellt.
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Ferner
wird durch die "teach-in"-Eingabetasten eine
höhere
Flexibilität
für etwa
vorgesehene weitere Laderfunktionen gewährleistet. Mit einem zusätzlichen
Joystick kann der gewünschte
Sollwert eingestellt und durch die Betätigung der "teach-in"-Taste für den Dauerbetrieb gespeichert werden.
Der Dauerbetrieb bleibt dann solange erhalten, bis er vom Bediener
geändert
wird.
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Ferner
kann die Hubgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Hubhöhe variabel
gestaltet werden, was auch eine Endlagendämpfung der Zylinder ermöglicht.
Dadurch können
auch Zylinder ohne integrierte hydraulisch-mechanische Endlagendämpfung mit
diesem Merkmal ausgestattet werden, auch jeder andere Bewegungshalt
wird durch diese Funktion komfortabler. Ferner ist es möglich, durch
Reduzierung der Strömungsquerschnitte
im Steuerschieber bei großen
Lasten eine lastunabhängige
Senkgeschwindigkeit zu realisieren. Das Fahrzeug ist dadurch für den Fahrer
sicherer zu führen.
Weiterhin ist eine aktive Schaufeldämpfung durch den Einsatz von Drucksensoren
in den Hubzylindern und Steuerung der Ventilfunktionen Heben/Senken
derart möglich, dass
Schwingungen zwischen den Schaufeln und dem Fahrzeug minimiert werden.
Vorteilhafterweise ist bei Verwendung eines Load-Sensing-Systems
die Pumpensteuerung von einer Druckregelung über das Load-Sensing-Signal auf ein Konstantpumpenverhalten
umzustellen.
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Ferner
ist es möglich,
bei Verwendung von Drucksensoren auch eine einfache Wägefunktion
zu realisieren. Mit Hilfe von Druck- und Winkelsensoren läßt sich
auch eine Füllautomatik
für die
Schaufeln im Erdeinsatz bereitstellen, so dass beispielsweise die Schaufel
derart gesteuert werden kann, dass an einer Wand ein gleichmäßiger Span
von unten nach oben abgetragen wird. Bei Verwendung der Drucksensoren
kann ferner eine Rohrbruchsicherheit gewährleistet werden, bei plötzlichem
Druckverlust lassen sich die Steuerschieber schließen.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese
zeigt in:
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1 in Seitenansicht einen
mobilen Lader im Schaufelbetrieb für Erdbewegung,
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2 den Lader nach 1 im Gabelbetrieb für Industrieeinsatz,
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3 die Hub-/Kippwinkel-Charakteristik der
Kinematik des Laders nach 1 und 2,
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4 in vereinfachter Darstellung
die elektrohydraulische Steuerungsstruktur der Arbeitshydraulik
des Laders,
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5 eine Darstellung der Steuerungskomponenten
mit Funktionsverteilung und Verknüpfung,
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6 eine beispielhafte Darstellung
der Ein- und Ausgangssignale eines Controllers für die Steuerung,
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7 eine beispielhafte Darstellung
einer Ablaufstruktur der Ladersteuerung und
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8 ein Funktionsprinzip einer
Gabel-Parallelführung
mit Reglerstruktur derselben.
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Eine
erfindungsgemäße Arbeitsmaschine wird
nachstehend anhand eines speziellen Ausführungsbeispieles, nämlich eines
mobilen Laders mit Frontladeausrüstung,
beschrieben, die Arbeitsmaschine kann grundsätzlich aber auch anders ausgebildet
sein, sie kann beispielsweise als Bagger oder dergl. verwirklicht
sein.
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In
den
1 und
2 ist ein mobiler Lader als Arbeitsmaschine
allgemein mit dem Bezugszeichen
1 bezeichnet. Dieser Lader
1 weist
ein vorderes Rahmenteil
2 auf, an dem eine Universalkinematik
angelenkt ist, deren grundsätzlicher
Aufbau detaillierter in
DE
198 00 164 A1 beschrieben ist.
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Diese
Universalkinematik weist zunächst
einen ein erstes Element der Arbeitsausrüstung bildenden Hubrahmen 3 auf,
der mit seinem hinteren Ende verschwenkbar am Rahmenteil 2 angelenkt
ist. Dieser Hubrahmen 3 besteht üblicherweise aus zwei parallelen
Rahmenteilen, die über
ihrer Länge
geeignet miteinander verbunden sind. Am Rahmenteil 2 des Laders 1 ist
darüber
hinaus drehbar wenigstens ein der Übersichtlichkeit halber nicht
dargestellter, die erste hydraulische Funktion des Laders bildender Hubzylinder
gelagert, der mit seinem anderen Ende in einem Anlenkpunkt 4 am
Hubrahmen 3 angelenkt ist. Durch Betätigung des Hubzylinders ist
somit der Hubrahmen 3 mit veränderbarem Hubwinkel zwischen
Hubrahmen 3 und Rahmenteil 2 um den Hubrahmendrehpunkt 5 verschwenkbar,
d.h. heb- und senkbar.
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Am
vorderen Ende des Hubrahmens 3 ist in einem Schaufeldrehpunkt 6 ein
Arbeitswerkzeug verschwenkbar angelenkt, beim Ausführungsbeispiel nach 1 eine Schaufel 7 und
beim Ausführungsbeispiel
nach 2 eine Gabel 7'. Im Bereich
des vorderen Endes weist der Hubrahmen 3 zwischen seinen
beiden Rahmenteilen eine gestrichelt angedeutete Quertraverse 8 auf,
an der zwei parallele Kipphebelhalterungen 9 angeordnet
sind, an deren freien Enden in einem Kipphebeldrehpunkt 10 ein
ein zweites Element der Arbeitsausrüstung bildender Kipphebel 11 angelenkt
ist. Das untere Ende des Kipphebels 11 ist in einem Kippzylinderanlenkpunkt 12 gelenkig
mit einem die zweite hydraulische Funktion des Laders bil denden
Kippzylinder 13 verbunden, der an seinem anderen Ende in
einem Kippzylinderdrehpunkt 14 am vorderen Rahmenteil 2 angelenkt
ist. Das obere Ende des Kipphebels 11 ist in einem Kippstangendrehpunkt 15 an
einer Kippstange 16 angelenkt, die mit ihrem anderen Ende
oberhalb des Schaufeldrehpunktes 6 in einem Kippstangenanlenkpunkt 17 an
der Arbeitsschaufel 7 bzw. der Gabel 7' angelenkt ist.
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Während durch
die Betätigung
des Hubzylinders (erste hydraulische Funktion) der Hubrahmen 3 gehoben
oder gesenkt werden kann, kann durch Aus- bzw. Einfahren der Kolbenstange
des Kippzylinders 13 (zweite hydraulische Funktion) der
Kipphebel 11 mit der Kippstange 16 bewegt werden
und damit die Schaufel 7 bzw. die Gabel 7' verschwenkt
werden.
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Wesentlich
für den
dargestellten Lader ist nun, wie dies die 3 zeigt, dass die Anordnung des Kipphebels 11 gegenüber dem
Hubrahmen 3 derart ist, dass ein im wesentlichen linearer
Zusammenhang zwischen dem Hubwinkel (dem Winkel zwischen dem Hubrahmen 3 und
dem Rahmenteil 2) und dem Kippwinkel (dem Winkel zwischen
dem Kipphebel 11 und dem Hubrahmen 3) besteht.
Diese lineare Charakteristik ermöglicht
es, mit einfachen regelungs- und steuerungstechnischen Mitteln die Nachführung des
Kippwinkels umzusetzen. Der Zusammenhang zwischen dem Hub- und dem
Kippwinkel ist im Einzelnen in 3 dargestellt.
Diese Darstellung geht von einer Null stellung bei waagerechtem Hubrahmen 3 und
einer in dieser Lage parallel liegenden Traggabel 7' aus. Die Kinematik
zeigt eine über
den gesamten Hubbereich weitgehend lineare Charakteristik und keine
Bewegungsumkehr, wie sie bei Z-Kinematiken für den Kippzylinder auftritt,
wenn man eine Parallelführung
realisieren will.
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Neben
dieser linearen Charakteristik zwischen dem Kippwinkel und dem Hubwinkel
der Kinematik zeichnet sich der erfindungsgemäß ausgebildete Lader durch
eine elektronische (elektrohydraulische) Steuerung der Kinematik
aus, die von dieser linearen Charakteristik Gebrauch macht.
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Die
wesentlichen Komponenten einer derartigen elektronischen Steuerung
sind in 4 dargestellt.
Bei größeren Radladern
mit einem Maschinengewicht von 8 t bis 13 t werden häufig zwei
Pumpen 18 für
die Versorgung der Arbeitshydraulik (Hubzylinder, Kippzylinder)
und der hydraulischen Lenkung 19 eingesetzt.
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Vorzugsweise
ist die Elektrohydraulik mit einem nicht dargestellten Load-Sensing-System
ausgerüstet,
so dass beide Pumpen 18 von den LS-Drücken der Lenkung bzw. der Arbeitshydraulik
gesteuert werden. Um ein Maximum an Volumenstrom für die Funktion
Heben/Senken des Hubzylinders und/oder Ankippen/Auskippen des Kippzylinders 13 zur
Verfügung
zu haben, wird die Lenkpumpe auch zur Versorgung der Arbeitshydraulik
herangezogen. Mit diesem Steuerungsprinzip sind schnellere Arbeitsspiele
des Laders im Einsatz möglich.
Im Falle der benötigten
Lenkfunktion gewährleistet
eine Prioritätsschaltung
(Prio-Ventil 20) die vorrangige Versorgung der Lenkung.
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Die
Elektrohydraulik weist einen allgemein mit 21 bezeichneten
elektrohydraulischen Ventilblock auf, der mit nicht dargestellten
elektrohydraulischen Pilotventilen ausgestattet ist. Deren elektrische
Ansteuerung erfolgt durch einen Controller 22. In Abhängigkeit
dieser Ansteuersignale werden die Stirnflächen der Hauptsteuerschieber
im Ventilblock 21 mit einem entsprechenden Vorsteuerdruck
beaufschlagt und gegen eine Federkraft verschoben. Bei Ausfall des
Pilotsystems bewirkt die Federkraft die Rückstellung der Hauptsteuerschieber
in Neutralstellung. In der Grundausstattung eines Laders werden vom
Ventilblock 21 der Hub- und der Kippzylinder angesteuert.
Optional wird eine weitere Ventilsektion angeflanscht, diese ist
in 4 als dritte Funktion
bezeichnet und mit dem Bezugszeichen 24 angedeutet. In
Einzelfällen
können
auch noch weitere Anschlüsse vorgesehen
sein, um einsatzspezifische Sondergeräte zu steuern. Die LS-Steuerblöcke können auch noch
mit nachgeschalteten Kompensatoren ausgestattet sein, um das Verhältnis der
Verbrauchergeschwindigkeiten in Phasen der Unterversorgung durch
die Pumpen 18 beizubehalten und damit den Stillstand eines
Ver brauchers zu vermeiden. Weiterhin sind primär- und sekundärseitige
Druckabsicherungen in den Ventilblock 21 integriert und
sowohl die Auswahl als auch die Begrenzung des LS-Signals erfolgt
im Steuerblock.
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Zur
Bedienung der Steuerung durch den Fahrer bzw. Bediener ist ein mit
dem Controller 22 verbundener erster Signalgeber, vorzugsweise
in Form eines Joysticks 23, vorgesehen, welcher an sich
bekannt ist. In diesem elektronischen Joystick 23 werden
entsprechende Steuersignale generiert, die an den Mobilcontroller 22 weitergeleitet
werden.
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Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel
werden durch die kreuzweise Bedienung eines sogenannten Multifunktions-Joysticks
die Steuersignale der Grundfunktionen Heben/Senken und An-/Auskippen
generiert und durch eine Reihe von Tastern Sonderfunktionen aktiviert
bzw. Signale an die Steuereinheit des Lastschaltgetriebes für die Gang-
oder Fahrtrichtungswahl gegeben. Ein weiterer separater elektronischer
Joystick wird optional für
die Steuerung der dritten Funktion (Bezugszeichen 24) genutzt.
Beide Joysticks kommunizieren über
eine integrierte CAN-Schnittstelle mit dem Controller 22 bzw.
den anderen dargestellten CAN-fähigen
Steuerungskomponenten. 5 zeigt
in vereinfachter Darstellung die Verknüpfung der CAN-fähigen Komponenten.
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Die
aktuelle Stellung des Hubrahmens 3 und des Kipphebels 11 wird
ständig
von zwei am Hubrahmen 3 bzw. am Kipphebel 11 angeordneten
Winkelsensoren ermittelt und ebenfalls über CAN-Bus an den Mobilcontroller 22 gemeldet.
Die Stellung der Laderkinematik ist für eine Vielzahl von Sonderfunktionen
bzw. ihre Überwachung
die notwendige Eingangsinformation. Je nach Ausstattungsumfang des Laders
mit Sonderfunktionen wurde bei herkömmlicher Steuerung bisher die
Stellung der Kinematik über
eine unterschiedliche Anzahl von Initiatoren an das Bedienpult gemeldet,
von dem aus entsprechende Magnetventile angesteuert wurden. Diese
Magnetventile wurden in Verbindung mit kleinen Zusatzkolben am Steuerblock
installiert, um beispielsweise im Falle einer Hubendabschaltung
den Steuerkolben Heben bei Erreichen der durch den Initiator definierten
Hubhöhe
zwangsweise in Neutralstellung zurückzuschalten und somit den
Hubvorgang zu begrenzen. Eine gewünschte Hubhöhenänderung erforderte immer eine
montageseitige Änderung
der Initiatorposition.
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Durch
das erfindungsgemäße elektronische Steuersystem
lassen sich Sonderfunktionen, wie Hubendabschaltung, Schaufelrückführautomatik
oder Schaufelanschlagdämpfung
ohne zusätzliche
hydraulische Magnetventile und Zusatzkolben realisieren, da softwareseitig
eine einfache Übersteuerung der
Joysticksignale und damit eine Steuerung der Steuerkolbenhübe in Abhängigkeit
der Winkelsensordaten möglich
ist. Im Falle der Hub endabschaltung bedeutet das eine ständige Überwachung
des Hubvorganges in Form der Daten des Hubwinkelsensors. Wird durch
den Bediener eine bestimmte Hubhöhe überschritten,
reduziert der Controller 22 automatisch die Hubgeschwindigkeit
und schaltet bei Erreichen der Grenzhöhe ab. Es lassen sich aber
auch algorithmische Möglichkeiten
schaffen, um die Hubbegrenzung bewusst überfahren zu können. Neben
der Reduzierung notwendiger hydraulischer Ventile, Initiatoren und
Zusatzsteuereinrichtungen läßt sich gleichzeitig
ein höheres
Maß an
Flexibilität
schaffen. Zum Einstellen einer neuen gewünschten Grenzhöhe fährt der
Bediener eben diese an, betätigt
eine "teach-in"-Taste und der Controller 22 speichert
die neue Grenzhöhe
ab. Die Grenzhöhe
kann ohne mechanischen Aufwand beliebig oft und sehr einfach vom
Bediener geändert
werden.
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Durch
die Möglichkeit,
die meisten Sonderfunktionen direkt mit dem elektrohydraulischen
Ventilblock 21 zu steuern sowie dem Vorliegen der Winkelwerte
(Hub- und Kippwinkel), die zur Überwachung,
Aktivierung und Regelung der Funktionen erforderlich sind, verschiebt
sich dieser Funktionsumfang vom Bedienpult herkömmlicher Steuerungen zum Controller 22.
Neben der gesamten Fahrzeugelektrik verbleiben nur noch einfache
Ein-/Aus-Funktionen, wie beispielsweise Schnellwechsler und Feststellbremse
im Softwareumfang des Bedienpultes. Alle anderen Sonderfunktionen
(siehe 5) sind im Vergleich
mit der bisherigen Steuerungsstruktur an den Mobilcontroller 22 übergegangen.
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Neben
der Gliederung der Steuerungssoftware in zwei verschiedene Aufgabengruppen,
eine Maintask und eine Task 1 sind in 6 die
Ein- und Ausgangsbeziehungen des Controllers 22 dargestellt. Über die
CAN-Verbindung werden die Signale der Joysticks 23 und
der Winkelsensoren eingelesen. Ebenfalls über die CAN-Schnittstelle erfolgt
eine Parametrierung von Softwarefunktionen, beispielsweise mit einem
Service Laptop. Die Aktivierung der Sonderfunktionen durch den Maschinenbediener
erfolgt über
eine Reihe von Tastern, die im Bedienpult oder in der Seitenkonsole
angeordnet sind. Diese Taster werden über digitale Eingänge des
Controllers 22 eingelesen. Die CAN-Signale und die Signale
der digitalen Eingänge
(Taster) werden in der Task 1 und der Maintask verarbeitet und führen zur
Aktivierung und Abarbeitung von Steuerungsroutinen. Gemäß den Softwareroutinen
werden über
PWM-Ausgänge Proportionalmagnete
der elektrohydraulischen Pilotventile des Steuerblockes 22 oder
Schaltmagnete der Laststabilisierungsbaugruppe bzw. des Schwimmstellungsventils
angesteuert. LEDs signalisieren verschiedene Zustände der
Sonderfunktionen.
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Im
Steuerungsablauf sind die Steuerungsroutinen in zwei Gruppen gegliedert,
eine Gruppe zeitkritischer und eine Gruppe nichtzeitkritischer Routinen. 7 veranschaulicht in vereinfachter Weise
die Zuordnung der Steuerungsalgorithmen zur Maintask bzw. zur Task
1. In der Task 1 werden alle zeitkritischen Routinen abgearbeitet,
wobei auch hier zur besseren zeitlichen Synchronisation eine weitere Untergliederung
in vier Gruppen erfolgt. Die Task 1 wird im 5 ms-Takt aufgerufen,
wobei nacheinander je eine Routinegruppe abgearbeitet wird. Nach
Abarbeitung einer Gruppe in der Task 1, die zwischen 3–4 ms erfordert,
wird in die Maintask zurückgesprungen und
die hier zugeordneten Steuerroutinen weiter abgearbeitet. Für die Task
1 bedeutet das, dass jede Steuerfunktion im 20 ms Takt durchlaufen
wird.
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Neben
controllerinternen Sicherheitsfunktionen zählen zu den zeitkritischen
Steueranteilen die Synchronisation und das Einlesen der Daten der Winkelsensoren,
das Einlesen der Joy stickdaten und deren Bearbeitung in Bezug auf
Kennliniengestaltung sowie alle Grundfunktionen Heben/Senken, An-/Auskippen,
dritte und evtl. vierte Funktion zur Betätigung von Hubwerk und Anbaugeräten.
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Von
den Sonderfunktionen sind die Gabelparallelführung und die Rückführautomatik
in die Task 1 eingegliedert. Die geregelte Nachführung des Kippwinkels für die Parallelität der Traggabel 7' wie auch die
ständige
Berechnung der Kippzylinderlänge
für die
Schaufelrückführung sind
Routinen, die de finierte Taktraten erfordern.
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In 8 ist am Beispiel der Parallelführung der
Traggabel 7' die
erfindungsgemäße Steuerung im
Einzelnen dargestellt.
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Über den
als Joystick 23 ausgebildeten Signalgeber wird die erste
hydraulische Funktion, nämlich
der Hubzylinder, direkt hydraulisch gesteuert. Die zweite hydraulische
Funktion (Kippzylinder 13) wird über die elektronische Steuerung
mit dem Signalgeber der ersten hydraulischen Funktion (Hubzylinder) verbunden.
Dazu wird das entsprechende Signal abgegriffen (mit dem Bezugszeichen 25 angedeutete Stelle)
und von der elektronischen Steuerung bzw. vom Controller 22 bearbeitet.
Dazu greift der Controller 22 auf einen in Speichermitteln
der elektronischen Steuerung abgelegten kinematischen Zusammenhang
zwischen der ersten und der zweiten hydraulischen Funktion zu, nämlich beim
Ausführungsbeispiel
gemäß 3 auf den linearen Zusammenhang zwischen
dem Kippwinkel des Kippzylinders 13 und dem Hubwinkel des
Hubrahmens. Daraus abgeleitet ermittelt der Controller 22 dann
das Steuersignal für die
zweite hydraulische Funktion, d.h. den Kippzylinder 13 und
steuert diesen entsprechend.
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Beim
dargestellten Lader mit Parallelführung der Traggabel 7' ist eine definierte
Nachführung
des Kipphebels 11 in Abhängigkeit vom Hubrahmen 3 erforderlich.
Der Bediener erwar tet auch in diesem Betriebsmodus eine unmittelbar
einsetzende Bewegung der Kinematik bei Betätigung des Joysticks 23.
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Die
Grundidee besteht in einer Geschwindigkeitssteuerung des Kipphebels 11,
deren Fehler durch eine Lageregelung korrigiert werden. Eine Sollwertaufschaltung
ermöglicht
bei niederfrequenten Systemen ein gutes Folgeverhalten mit einer
ausreichenden Stabilität.
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Mit
dem Joysticksignal liegt ein Geschwindigkeitssignal für die Hubbewegung
vor. Davon wird unter Berücksichtigung
der kinematischen Zusammenhänge
und der Ventilcharakteristik ebenfalls ein Sollgeschwindigkeitssignal
für den
Kipphebel 11 abgeleitet. Dieser Geschwindigkeitssteuerung
des Kipphebels 11 wird eine korrigierende Lageregelung aufgeschaltet.
Der von der Position des Hubrahmens 3 abhängige Sollwert
für den
Kippwinkel wird über
ein Kinematikmodell berechnet. Der Ist-Wert des Hubwinkels bildet
die Eingangsgröße für die Berechnung des
Kippwinkelsollwertes der Lageregelung. Nach Bestimmung der Regelabweichung
wird in einem PID-Regler die Regelgröße erzeugt, die der Sollwertaufschaltung überlagert
wird. Der I-Anteil des Reglers arbeitet als schaltender Integrierer.
Die Ausgangsgröße wird
begrenzt und vorzeichenabhängig den
beiden Pilotventilen zugeordnet.
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Für die Transportfahrt
mit eingeschalteter Parallelführung der
Traggabel 7' und
aufliegender Last ist eine Korrekturfunktion gegeben. Sollte sich während der
Fahrt die Neigung der Längsachse
des Radladers so verändern,
dass für
die Last die Gefahr des Abrutschens besteht, kann der Fahrer durch
die Betätigung
der Joystickfunktion An- oder Auskippen die Stellung der Traggabel 7' korrigieren.
Wird dem Controller 22 während aktiver Parallelführung ein
An- oder Auskippsignal zugeleitet, deaktiviert er automatisch die
Parallelführungsroutine
für den
Korrekturvorgang. Mit Beendigung der Korrekturbewegung übernimmt
der Controller 22 die neue Stellung der Traggabel 7' und ermittelt
aus den vorliegenden Winkelsensorsignalen ein Offset für den Kippwinkelsollwert.
Dieser Offset wird in die Sollwertberechnung des Kippwinkels eingebunden
und die Parallelführungsroutine
wieder aktiviert. Diese Funktion gestattet Korrekturen während der
Transportfahrt wie auch das "teach-in" von gewünschten
Traggabelstellungen für
die Parallelführung.
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Natürlich ist
die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, weitere Ausgestaltungen
sind möglich,
ohne den Grundgedanken zu verlassen. So kann die Arbeitsmaschine natürlich auch
auf andere Weise verwirklicht sein, sie kann beispielsweise in Form
eines Baggers realisiert sein oder in Form eines anders gestalteteten
Radladers und dergl. mehr.