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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein System und auf ein Verfahren zur
Steuerung der Bewegung eines Arbeitswerkzeuges und insbesondere
auf ein System und ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung des
Arbeitswerkzeuges entlang einer vordefinierten Grabgrenze.
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Hintergrund
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Grabarbeiten
auf einer Baustelle mit einer Arbeitsmaschine, um eine erwünschte Konfiguration zu
erhalten, können
oft ein komplexer Prozess sein. Die erwünschte Oberflächenkonfiguration
kann eine Grenzfläche
mit beispielsweise symmetrischen oder nicht symmetrischen Wänden, Böden, Rampen
oder Kurven aufweisen. Ein Bediener kann die Bewegung der Arbeitsmaschine
steuern, um das Volumen herauszuschneiden, welches von den Grenzflächen definiert
wird. Abhängig
von der Natur der Grabarbeiten, kann es schwierig sein, diesen Grenzflächen mit einer
Arbeitswerkzeuganordnung der Arbeitsmaschine zu folgen. Entsprechend
benötigt
man einen ausgebildeten Bediener, um sorgfältig und genau eine Aushöhlung mit
solchen Grenzflächen
ausgraben zu können.
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Einige
Arbeitsmaschinen haben ein Computersystem, welches die erwünschten
Grenzflächen als
eine vordefinierte Grabgrenze speichern kann. Das Computersystem
kann die Position der Arbeitswerkzeuganordnung überwachen und die Bewegung der
Arbeitswerkzeuganordnung begrenzen, so dass sie nicht durch die
vordefinierte Grabgrenze läuft. Wenn
man dies so tut, kann ein Bediener leicht der Grabgrenze mit der
Arbeitswerkzeuganordnung folgen, ohne durch diese hindurch zu graben.
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Eine
Arbeitsmaschine, die die Bewegung der Arbeitswerkzeuganordnung begrenzen
kann, wird beschrieben in dem US-Patent 6 415 604 von Moto mura u.a..
Diese Arbeitsmaschine kann programmiert sein, eine Höhenbegrenzungsposition,
eine Reichweitenbegrenzungsposition und eine Tiefenbegrenzungsposition
aufzuweisen. Wenn die Arbeitswerkzeuganordnung zu diesen Grenzpositionen
bewegt wird, werden die Ventile, die die Arbeitswerkzeuganordnung
steuern, automatisch geschlossen, um eine weitere Bewegung zu verhindern.
Entsprechend kann die Arbeitswerkzeuganordnung sich nicht über die
eingerichteten Grenzpositionen hinaus erstrecken.
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Obwohl
es nützlich
ist, wenn man sicherstellt, dass die Arbeitswerkzeuganordnung nicht über eine
zuvor ausgelegte Grenze hinausläuft,
können Arbeitsmaschinen
des Standes der Technik, die ein Steuersystem aufweisen, wie es
in dem '604-Patent beschrieben
wird, den Wirkungsgrad der Arbeitsmaschine verringern, wenn das
Arbeitswerkzeug nahe der vorausgelegten Grenze arbeitet. Wenn das
Arbeitswerkzeug sich der vorbestimmten Grenze nähert, und die Ventile geschlossen
werden, kann der Bediener eine neue Eingabeanweisung erzeugen müssen, um
die Grabarbeiten auf der Baustelle fortzusetzen. Entsprechend können diese
Arten von Steuersystemen die Arbeit des Bedieners unterbrochen und
verhindern, dass sich das Arbeitswerkzeug leicht entlang der Grenzposition
oder Grenze bewegt.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
einen oder mehrere der Nachteile des Standes der Technik.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren zur Steuerung
der Bewegung eines Arbeitswerkzeuges gerichtet. Das Verfahren weist
den Schritt auf, eine vordefinierte Grabgrenze zu identifizieren
und die gegenwärtige
Position des Arbeitswerkzeuges zu bestimmen. Ein Steuersignal wird
erzeugt, um die Position des Arbeitswerkzeuges zu verändern. Ein
angeforderter Bewegungsvektor wird für das Arbeitswerkzeug basierend auf
dem Steuersignal bestimmt. Eine bestimmte Kraft wird erzeugt, um
diese auf das Arbeitswerkzeug aufzubringen. Die bestimmte Kraft
wird basierend auf dem angeforderten Bewegungsvektor bestimmt und hat
eine Normale bzw. senkrechte Komponente, die skaliert ist, um zu
verhindern, dass das Arbeitswerkzeug die vordefinierte Grabgrenze überschreitet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Steuersystem
für ein
Arbeitswerkzeug an einer Arbeitswerkzeuganordnung gerichtet. Das
System weist mindestens einen Sensor auf, der mit der Arbeitswerkzeuganordnung
assoziiert ist und geeignet ist, einen Parameter abzufühlen, der
die gegenwärtige
Position des Arbeitswerkzeuges anzeigt. Eine Eingabevorrichtung
ist betreibbar, um ein Steuersignal zu erzeugen, um die Position
des Arbeitswerkzeuges zu verändern.
Ein Steuermodul hat einen Speicher, der geeignet ist, eine vordefinierte
Grabgrenze zu speichern. Das Steuermodul ist geeignet, eine gegenwärtige Position
des Arbeitswerkzeuges zu bestimmen, das Steuersignal von der Eingabevorrichtung
aufzunehmen und einen angeforderten Bewegungsvektor für das Arbeitswerkzeug
basierend auf dem Steuersignal zu bestimmen, welches von der Eingabevorrichtung
aufgenommen wurde. Das Steuermodul ist weiter geeignet, eine bestimmte
Kraft zur Aufbringung auf das Arbeitswerkzeug zu erzeugen. Die bestimmte
Kraft basiert auf dem angeforderten Bewegungsvektor und hat eine
senkrechte Komponente, die skaliert ist, um zu verhindern, dass
das Arbeitswerkzeug die vordefinierte Grabgrenze kreuzt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine bildliche Darstellung eines Teils einer Arbeitsmaschine, die
zur Anwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
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2 ist
ein Blockdiagramm, welches eine beispielhafte Steuervorrichtungen
zum Betrieb einer Arbeitswerkzeuganordnung veranschaulicht.
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3 ist
ein Flussdiagramm, welches ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung
des Arbeitswerkzeuges der Arbeitsmaschine der 1 zeigt.
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4 ist
eine diagrammartige Darstellung einer Arbeitswerkzeugan- Ordnung, die sich
entlang einer Grabgrenze bewegt.
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Detaillierte
Beschreibung
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1 veranschaulicht
ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel
eines relevanten Teils einer Arbeitsmaschine 100. Die Arbeitsmaschine 100 kann für eine große Vielzahl
von Erdbewegungs- und Bauanwendungen verwendet werden. Obwohl die
Arbeitsmaschine 100 als ein Baggerlader gezeigt ist, sei
bemerkt, dass andere Arten von Arbeitsmaschinen 100, wie
beispielsweise Bagger, Frontschaufellader, Materialhandhabungsvorrichtungen
usw. mit Ausführungsbeispielen
des offenbarten Systems verwendet werden könnten.
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Die
Arbeitsmaschine 100 weist einen Körper 101 und eine
Arbeitswerkzeuganordnung 102 mit einer Anzahl von Komponenten
auf, die beispielsweise einen Ausleger 104, einen Vorderausleger 106,
einen ausfahrbaren Vorderausleger 108 (E-Vorderausleger)
und ein Arbeitswerkzeug 110 aufweisen, die alle steuerbar
an der Arbeitsmaschine 100 angebracht sind. Der Ausleger 104 ist
schwenkbar mit dem Körper 101 verbunden,
der Vorderausleger 106 ist schwenkbar an dem Ausleger 104 angebracht,
der ausfahrbare Vorderausleger 108 ist verschiebbar mit dem
Vorderausleger 106 assoziiert, und das Arbeitswerkzeug 110 ist
schwenkbar an dem ausfahrbaren Vorderausleger 108 angebracht,
wie es in der Technik bekannt ist. Die Arbeitswerkzeuganordnung 102 kann
relativ zum Körper 101 in
einer im wesentlichen horizontalen und im wesentlichen vertikalen
Richtung schwenken.
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Betätigungsvorrichtungen 112 können mit
jeder der Komponenten der Arbeitswerkzeuganordnung 102 verbunden
sein. Jede der Betätigungsvorrichtungen 112 kann
angepasst sein, um eine Bewegung zwischen schwenkbar und/oder verschiebbar verbundenen
Komponenten vorzusehen. Die Betätigungsvorrichtungen 112 können beispielsweise
Hydraulikzylinder sein. Wie es in der Technik bekannt ist, kann
die Bewegung der Betätigungsvorrichtungen 112 gesteuert
werden durch Steuerung der Rate und Richtung des Strömungsmittelflusses
zu den Betätigungsvorrichtungen 112.
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Wie
in 2 gezeigt, können
Hydraulikzylinderventile 214 in Strömungsmittelleitungen angeordnet
sein, die zu den Betätigungsvorrichtungen 112 führen. Die
Ventile 214 können
geeignet sein, den Strömungsmittelfluss
zu und von den Betätigungsvorrichtungen
zu steuern. Die Position der Ventile 214 kann eingestellt
sein, um den Strömungsmittelfluss
zu koordinieren, um die Rate und Richtung der Bewegung der assoziierten
Betätigungsvorrichtungen 112 und
der Komponenten der Arbeitswerkzeuganordnung 102 zu steuern.
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2 zeigt
eine beispielhafte Steuervorrichtung 200, die geeignet
ist, um die Bewegung der Arbeitswerkzeuganordnung 102 zu
steuern. Die Steuervorrichtung 200 kann einen oder mehrere
Positionssensoren 202, einen oder mehrere Kraftsensoren 204,
eine Eingabevorrichtung 206 und ein Steuermodul 208 aufweisen.
Die Steuervorrichtung 200 kann andere Komponenten aufweisen,
wie es leicht dem Fachmann offensichtlich wäre.
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Die
Positionssensoren 202 können
konfiguriert sein, die Bewegung der Komponenten der Arbeitswerkzeuganordnung 102 abzufühlen. Die
Positionssensoren 102 können
betriebsmässig
beispielsweise mit den Betätigungsvorrichtungen 112 gekoppelt
sein. Alternativ können
die Positionssensoren 202 betriebsmässig mit den Verbindungen bzw.
Gelenken gekoppelt sein, die die verschiedenen Komponenten der Arbeitswerkzeuganordnung 102 verbinden.
Die Sensoren können
beispielsweise Längenpotentiometer,
Funkfrequenzresonanzsensoren, Drehpotentiometer, Winkelpositionssensoren
oder ähnliches
sein.
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Die
Kraftsensoren 204 können
geeignet sein, äußere Belastungen
zu messen, die auf die Arbeitswerkzeuganordnung 102 aufgebracht
werden. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel können die
Kraftsensoren 204 Drucksensoren zur Messung des Druckes
des Strömungsmittels
innerhalb irgendeiner der Betätigungsvorrichtungen 112 sein. Der
Druck des Strömungsmittels
innerhalb der Betätigungsvorrichtungen 112 kann
verwendet werden, um die Größe der aufgebrachten
Lasten zu bestimmen. In diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel können die
Kraftsensoren 204 aus zwei Drucksensoren bestehen, die
mit jeder Betätigungsvorrichtung 112 assoziiert
sind, wobei ein Drucksensor an jedem Ende der Betätigungsvorrichtung 112 gelegen
ist. In einem anderen beispielhaften Ausführungsbeispiel können die
Kraftsensoren 204 eine einzige Dehnmessstreifenlastzelle
(Kraftmessdose) in einer Linie mit jeder Betätigungsvorrichtung 112 sein.
Die Positionssensoren 202 und die Kraftsensoren 204 können mit
einer (nicht gezeigten) Signalkonditionierungsvorrichtung kommunizieren,
und zwar zur herkömmlichen
Signalerregungsskalierung und Signalfilterung. In einem beispielhaften
Ausführungsbeispiel kann
jeder einzelne Positions- und Kraftsensor 202, 204 eine
Signalkonditionierungsvorrichtung innerhalb seines Sensorgehäuses enthalten.
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Die
Steuervorrichtung 200 kann auch eine Eingabevorrichtung 206 aufweisen,
die verwendet wird, um Informationen oder eine Bedieneranweisung
einzugeben, um Komponenten der Arbeitsmaschine 100 zu steuern,
wie beispielsweise die Arbeitswerkzeuganordnung 102. Die
Eingabevorrichtung 206 kann beispielsweise verwendet werden,
um Steuersignale zu erzeugen, die eine angeforderte Bewegung der
Arbeitswerkzeuganordnung 102 darstellen. Die Eingabevorrichtung 206 könnte irgend eine
Standardeingabevorrichtung sein, die in der Technik bekannt ist,
einschließlich
beispielsweise einer Tastatur, eines Joysticks bzw. Steuerhebels,
eines Tastenfeldes, einer Maus oder ähnlichem.
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Die
Positionssensoren 202, die Kraftsensoren 204 und
die Eingabevorrichtung 206 können in elektrischer Verbindung
mit dem Steuermodul 208 sein. Das Steuermodul 208 kann
an der Arbeitsmaschine 100 angeordnet sein oder kann alternativ
von der Arbeitsmaschine 100 entfernt sein und mit der Arbeitsmaschine 100 durch
eine Fernverbindung in Verbindung stehen.
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Das
Steuermodul 208 kann einen Prozessor 210 und einen
Speicher 212 enthalten. Der Prozessor kann ein Mikroprozessor
oder ein anderer Prozessor sein und kann konfiguriert sein, einen
computerlesbaren Code oder eine Computerprogrammierung auszuführen, um
Funktionen auszuführen,
wie es in der Technik bekannt ist. Der Speicher 212 kann in
Verbindung mit dem Prozessor 210 sein und kann einen Speicher
für Computerprogramme
und ausführbaren
Code vorsehen, und zwar einschließlich Algorithmen und Daten,
die bekannten Spezifikationen der Arbeitswerkzeuganordnung 102 entsprechen.
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Bei
einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
ist der Speicher 212 geeignet, um eine vordefinierte Grabgrenze
zu speichern. Die vordefinierte Grabgrenze kann die erwünschte Konfiguration
eines Grabungsgeländes
bzw. einer Baustelle darstellen, und kann eine ebene Grenze oder
eine willkürlich
geformte Oberfläche
sein. Die vordefinierte Grabgrenze kann beispielsweise aus Plänen erhalten
werden und in das Steuermodul 208 programmiert werden,
und zwar erzeugt durch eine grafische Schnittstelle, oder kann aus
Daten erhalten werden, die durch ein CAD/CAM-Programm oder durch
ein ähnliches
Programm erzeugt wurden.
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Weiterhin
kann der Speicher 212 geeignet sein, eine Schwellengrenze
zu speichern. Die Schwellengrenze kann in das Steuermodul 208 programmiert
sein, um eine Grenze vorzusehen, die um eine festgelegte Distanz
von der vordefinierten Grabgrenze versetzt ist. Wie genauer unten
beschrieben kann die Steuerung der Arbeitswerkzeuganordnung 102 variiert
werden, wenn das Arbeitswerkzeug 110 innerhalb der Schwellengrenze
und in enger Position zu der vordefinierten Grabgrenze ist.
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Das
Steuermodul 208 kann konfiguriert sein, Informationen zu
verarbeiten, die von den Positionssensoren 202 und den
Kraftsensoren 204 erhalten werden, um die gegenwärtige Position
des Arbeitswerkzeuges 110 und die gegenwärtige Kraft
zu bestimmen, die auf diesem aufgebracht wird. Es kann auch konfiguriert
sein, die gegenwärtige
Kraft in Komponenten umzurechnen, einschließlich einer gegenwärtigen normalen
bzw. senkrechten Kraft und einer gegenwärtigen parallelen Kraft im
wesentlichen senkrecht bzw. parallel zu der vordefinierten Grabgrenze.
Das Steuermodul 208 kann eine Standard-Kinematikanalyse
oder eine inverse Kinematikanalyse verwenden, um die Position des
Arbeitswerkzeuges 110 und die Kraft auf diesem zu bestimmen.
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Das
Steuermodul 208 kann auch geeignet sein, Steuersignale
von der Eingabevorrichtung 206 aufzunehmen und zu interpretieren,
die eine Bewegung der Arbeitswerkzeuganordnung 102 anfordern. Wenn
die Steuersignale Anforderungen für eine Bewegungsrate sind,
kann das Steuermodul 208 geeignet sein, diese Raten in
Distanzen umzuwandeln. Basierend auf diesen Steuersignalen kann
das Steuermodul 208 einen angeforderten Bewegungsvektor
für die
Arbeitswerkzeuganordnung 102 basierend auf dem Steuersignal
von der Eingabevorrichtung 206 bestimmen. Genauso kann
das Steuermodul 208 konfiguriert sein, den angeforderten
Bewegungsvektor in eine angeforderte senkrechte Komponente und eine
angeforderte parallele Komponente umzuwandeln. Diese Komponenten
können
jeweils senkrecht zu der vordefinierten Grabgrenze bzw. parallel
dazu sein.
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In
einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann
das Steuermodul 208 die angeforderte senkrechte Komponente
skalieren, um eine modifizierte oder skalierte normale Grenze gegen
die vordefinierte Grabgrenze zu erzeugen. Die Größe der angeforderten senkrechten
Komponente kann skaliert werden, um sicherzustellen, dass das Arbeitswerkzeug 110 eng
der Grabgrenze folgt. Das Ausmaß der
Skalierung kann auf der Nähe
der Grabgrenze zum Arbeitswerkzeug 110 basieren und kann
weiter durch das Steuersignal von der Eingabevorrichtung 206 definiert
sein. Das Steuermodul kann geeignet sein, eine erforderliche senkrechte
Kraft zu berechnen, die die Kraft darstellt, die erforderlich ist,
um die Kraft auf dem Arbeitswerkzeug 110 einzustellen,
so dass sich die gegenwärtige
senkrechte Kraft mit der Zeit verändert, um enger zu der skalierten
senkrechten Kraft zu passen.
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Das
Steuermodul 208 kann geeignet sein, Informationen zu verarbeiten,
die von den Sensoren 202, 204 erhalten wurden,
weiter das Steuersignal von der Eingabevorrichtung 206 und
den angeforderten Bewegungsvektor, um eine Bewegungsanforderung
zu erzeugen. Die Bewegungsanforderung kann das Steuersignal nach
der Verarbeitung darstellen, welches zu den Ventilen 214 gesandt
werden kann, um die Betätigungsvorrichtungen 112 zu
bewegen.
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Das
Steuermodul 208 kann geeignet sein, die Steuersignale unterschiedlich
basierend auf einem Steuersignal von der Eingabevorrichtung 206 zu verarbeiten.
Beispielsweise kann das Steuermodul 208 Steuersignale in
einer ersten Weise verarbeiten, wenn es in einem koordinierten Betriebszustand
ist, und kann die Steuersignale in unterschiedlicher Weise verarbeiten,
wenn es nicht in dem koordinierten Betriebszustand arbeitet. Anders
gesagt kann die Aktivierung oder Deaktivierung des koordinierten
Betriebszustandes die Art und Weise verändern, in welcher Steuersignale
verarbeitet werden. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann der koordinierte
Betriebszustand verwendet werden, um ein Skalierungsmerkmal zu aktivieren
und zu deaktivieren, welches die angeforderte senkrechte Komponente
skaliert, um die skalierte senkrechte Kraft zu erzeugen. Die Eingabevorrichtung 206 kann
den koordinierten Betriebszustand oder das Skalierungsmerkmal durch ein
Signal aktivieren, welches beispielsweise von einem Knopf, einem
Auslöser
und/oder einer Schiebevorrichtung erzeugt wurde. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
ist der koordinierte Betriebszustand nur solange aktiv, wie der
Druckknopf auf der Eingabevorrichtung 206 heruntergedrückt wird.
Die Programmierung oder ein ausführbarer
Code, der den koordinierten Betriebszustand steuert, können in dem
Speicher 212 gespeichert sein und von dem Prozessor 210 verarbeitet
werden.
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In
einem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann
die Steuervorrichtung 200 auch Geschwindigkeitswandler
aufweisen, die mit der Arbeitswerkzeuganordnung 102 assoziiert
sind. In diesem Ausführungsbeispiel
kann das Steuermodul 208 eine Geschwindigkeitskinematikanalyse
verwenden und die Geschwindigkeit der Komponenten der Arbeitswerkzeuganordnung 102 steuern,
um dadurch die Bewegung des Arbeitswerkzeuges 110 zu steuern.
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3 veranschaulicht
ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung der Arbeitswerkzeuganordnung 102. 3 zeigt
ein Flussdiagramm 300 mit Schritten, die von der Steuervorrichtung 200 ausgeführt werden. 4 zeigt
ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel
einer Arbeitswerkzeuganordnung 102, die sich entlang einer
vordefinierten Grabgrenze bewegt.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die
folgende Besprechung beschreibt den Betrieb und die Funktionsweise
des oben beschriebenen Systems zur Steuerung des Arbeitswerkzeuges 110. 3 zeigt
ein Flussdiagramm 300, welches in einem Schritt 302 startet.
Der Schritt 302 kann die Speicherung einer vordefinierten
Grabgrenze innerhalb des Steuermoduls 208 aufweisen, und zwar
zusammen mit einer Grenzschwelle, wie oben beschrieben. Der Start-Schritt 302 kann
auch das Einschalten der Arbeitsmaschine aufweisen oder kann alternativ
das Umschalten in einen gewissen Betriebszustand oder in eine vorprogrammierte
Abfolge aufweisen, die in dem Speicher 212 des Steuermoduls 208 in
der Arbeitsmaschine 100 gespeichert ist.
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In
einem Schritt 304 überwacht
das Steuermodul 208 die Position der Betätigungsvorrichtungen 112 und
die auf das Arbeitswerkzeug 110 aufgebrachten Kräfte unter
Verwendung der Positionssensoren 202 und/oder der Kraftsensoren 204.
Die Sensoren 202, 204 kommunizieren elektronisch
mit dem Steuermodul 208, wobei sie Signale senden, die
die gemessenen Informationen darstellen. In einem Schritt 306 bestimmt
das Steuermodul 208 die gegenwärtige Position des Arbeitswerkzeuges 110 und die
gegenwärtige
Kraft, die auf das Arbeitswerkzeug 110 aufgebracht wird,
und zwar als eine gegenwärtige
Arbeitswerkzeugkraft basierend auf den Signalen, die von den Positionssensoren 202 und
den Kraftsensoren 204 empfangen wurden und basierend auf gespeicherten
geometrischen und kinematischen Rechnungen. In einem Schritt 307 überträgt das Steuermodul
die gegenwärtige
Arbeitswerkzeugkraft in eine gegenwärtige senkrechte Kraft und
eine gegenwärtige
parallele Kraft mit Bezug zu der vordefinierten Grabgrenze. Die
ge genwärtige
senkrechte Kraft ist die Komponente der gegenwärtigen Arbeitswerkzeugkraft,
die senkrecht zu der vordefinierten Grabgrenze weist, während die
gegenwärtige
parallele Kraft die Komponente der gegenwärtigen Arbeitswerkzeugkraft
ist, die in der Richtung parallel zu der vordefinierten Grabgrenze
weist.
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In
einem Schritt 308 betätigt
ein Bediener der Arbeitsmaschine 100 die Eingabevorrichtung 206 zur Erzeugung
eines Steuersignals, welches von der Eingabevorrichtung 206 zum
Steuermodul 208 gesandt wird. Das Steuersignal kann eine
Anforderung zur Bewegung der Arbeitswerkzeuganordnung 102 darstellen,
wie beispielsweise die Bewegung der Arbeitswerkzeuganordnung 102 aus
ihrer gegenwärtigen
Position in eine neue Position. Die Eingabevorrichtung 206 kann
geeignet sein, ein Steuersignal vorzusehen, welches von keinem Signal
bis zu einem maximalen Steuersignal reicht. Das Steuersignal kann
eine angeforderte Geschwindigkeit sein, wie beispielsweise 300 mm/s,
die dann von dem Steuermodul 208 zu einer Positionsänderung
umgewandelt werden kann, d. h. eine kleine Bewegung, die in einem
Berechnungszyklus des Flussdiagrammes 300 erreicht werden
kann. Beispielsweise kann die Anforderung einer Bewegung von 300
mm/s in eine Anforderung für
3 mm umgewandelt werden, und zwar bei einer Berechnungszykluszeit
von 0,01 s.
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In
einem Schritt 310 berechnet das Steuermodul 208 einen
angeforderten Bewegungsvektor basierend auf dem Steuersignal, welches
von der Eingabevorrichtung 206 gesandt wird. Der angeforderte
Bewegungsvektor hat eine Größe und Richtung,
die von dem Steuersignal angezeigt wird. Beispielsweise hat eine
kleine Bewegung der Eingabevorrichtung 206 einen angeforderten
Bewegungsvektor mit einer kleinen Größe zur Folge, während eine relativ
größere Bewegung
der Eingabevorrichtung 206 einen angeforderten Bewegungsvektor
mit einer relativ größeren Größe zur Folge
hat. Das Steuermodul 208 verarbeitet weiter den angeforderten
Bewegungsvektor, indem es ihn in eine angeforderte senkrechte Komponente
und eine angeforderte parallele Komponente umwandelt, und zwar mit
Bezug zur vordefinierten Grab grenze. Die angeforderte senkrechte
Komponente ist die Komponente des angeforderten Bewegungsvektors,
die senkrecht zu der vordefinierten Grabgrenze ist, während die
angeforderte parallele Komponente die Komponente des angeforderten
Bewegungsvektors, die zu der Richtung parallel zu der vordefinierten
Grabgrenze weist.
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4 veranschaulicht
einen angeforderten Bewegungsvektor 402 zur Bewegung der
Arbeitswerkzeuganordnung 102 entlang einer vordefinierten Grabgrenze 408.
Wie oben bemerkt basiert der angeforderte Bewegungsvektor 402 im
allgemeinen auf Steuersignalen von der Eingabevorrichtung 206.
Das Steuermodul 208 verarbeitet den angeforderten Bewegungsvektor 402,
wobei es ihn in eine angeforderte senkrechte Komponente 404 und
eine angeforderte parallele Komponente 406 umwandelt. Eine Schwellengrenze 410 kann
auch in das Steuermodul 208 einprogrammiert sein, wobei
eine Grenze vorgesehen wird, die um eine festgelegte Distanz von
der vordefinierten Grabgrenze 408 versetzt ist. Diese Schwellengrenzendistanz
kann verwendet werden, um eine abwechselnde Steuerung der Arbeitswerkzeuganordnung 102 aufgrund
der Nähe
des Arbeitswerkzeuges 110 zur vordefinierten Grabgrenze 408 zu
aktivieren. Auf diese Weise kann das Steuermodul 208 sicherstellen,
dass das Arbeitswerkzeug 110 nicht durch die Grabgrenze 408 läuft.
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Mit
Bezug auf 3 kann in einem Schritt 312 das
Steuermodul 208 bestimmen, ob der angeforderte Bewegungsvektor
eine angeforderte senkrechte Komponente aufweist, die zu der vordefinierten
Grabgrenze zeigt. Wenn der angeforderte Bewegungsvektor keine senkrechte
Komponente aufweist, die zu der vordefinierten Grabgrenze weist,
dann ist die angeforderte Bewegung entweder parallel zu der vordefinierten
Grabgrenze oder weg von dieser. Weil es keine Chance gibt, dass
das Arbeitswerkzeug 110 durch die vordefinierte Grabgrenze
läuft,
erzeugt das Steuermodul 208 eine Bewegungsanforderung,
die gleich dem angeforderten Bewegungsvektor ist, und zwar in einem
Schritt 314. Wie oben bemerkt stellt eine Bewegungsanforderung
das Steuersignal dar, welches nach der Verarbeitung zu den Ven tilen 214 gesandt
werden kann, um die Betätigungsvorrichtungen 112 zu
bewegen. Wenn in dem Schritt 312 der angeforderte Bewegungsvektor
keine Komponente senkrecht zu der vordefinierten Grabgrenze und
in diese hinein aufweist, dann wird entsprechend die Bewegungsanforderung,
die von dem Steuermodul 208 zum Ventil 214 gesandt
wird, äquivalent
dem angeforderten Bewegungsvektor sein.
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Wenn
im Schritt 312 der angeforderte Bewegungsvektor eine angeforderte
senkrechte Komponente aufweist, die zu der vordefinierten Grabgrenze zeigt,
fragt das Steuermodul 208 ab, ob die gegenwärtige Position
des Arbeitswerkzeuges 110 zwischen der Schwellengrenze 410 und
der vordefinierten Grabgrenze 408 ist, und zwar in einem
Schritt 316. Wie oben mit Bezug auf 4 bemerkt,
ist die Schwellengrenze 410 eine Grenze parallel zu der vordefinierten
Grabgrenze 408 und versetzt von dieser. Sie kann verwendet
werden, um eine abwechselnde Steuerung der Arbeitswerkzeuganordnung 102 aufgrund
der Nähe
des Arbeitswerkzeuges 110 zu der vordefinierten Grabgrenze 408 zu
aktivieren.
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In
einem Schritt 316 fragt dann das Steuermodul 208 in
einem Schritt 318, ob der koordinierte Betriebszustand
aktiv ist, wenn die gegenwärtige
Position des Arbeitswerkzeuges 110 zwischen der Schwellengrenze
und der vordefinierten Grabgrenze ist. Wie oben erklärt kann
der koordinierte Betriebszustand ein Betriebszustand sein, der in
das Steuermodul 208 einprogrammiert ist, um das Steuersignal von
der Eingabevorrichtung 206 in gewisser Weise zu verarbeiten.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
kann der koordinierte Betriebszustand verwendet werden, um ein Skalierungsmerkmal
zu aktivieren und zu deaktivieren, welches die angeforderte senkrechte
Komponente skaliert, um die skalierte senkrechte Kraft zu erzeugen.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
ist der koordinierte Betriebszustand solange aktiviert, bis ein
Druckknopf der Eingabevorrichtung 206 heruntergedrückt wird.
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Wenn
im Schritt 318 der koordinierte Betriebszustand nicht aktiv
ist, dann erzeugt das Steuermodul 208 eine Bewegungsanforderung
gleich der gegenwärtigen
Position der Arbeitswerkzeuganordnung 102 in einem Schritt 320.
Weil die Bewegungsanforderung gleich der gegenwärtigen Position ist, weist
die Bewegungsanforderung keine Anfrage zur Bewegung aus der gegenwärtigen Position
auf, und daher wird das Arbeitswerkzeug 110 in seiner gegenwärtigen Position
bleiben. Dies kann als eine Anforderung für keine Bewegung angesehen
werden. Dies ermöglicht
dem Steuermodul 208, sicherzustellen, dass das Arbeitswerkzeug 110 nicht über die
vordefinierte Grabgrenze läuft.
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Wenn
im Schritt 318 der koordinierte Betriebszustand aktiv ist,
kann das Steuermodul 208 eine Kraft bestimmen, die auf
das Arbeitswerkzeug 110 aufgebracht werden soll, und zwar
durch Skalierung der angeforderten senkrechten Komponente des angeforderten
Bewegungsvektors zu einer skalierten senkrechten Kraft im Schritt 322,
und zwar unter Verwendung eines Skalierungsfaktors für die senkrechte
Komponente. Die skalierte senkrechte Kraft bzw. normale Kraft stellt
eine skalierte Kraftgröße dar,
die eingestellt wird, um der Größe der angeforderten
senkrechten Komponente des angeforderten Bewegungsvektors zu entsprechen.
Es sei bemerkt, dass der Skalierungsfaktor für die senkrechte Komponente
eine Karte bzw. ein Kennfeld, ein linearer Ausdruck oder ein nichtlinearer
Ausdruck sein kann, und auf der Distanz des Arbeitswerkzeuges 110 von
der vordefinierten Grabgrenze basieren kann. Ein Beispiel, auf welches
während
der nächsten
paar Schritte des Flussdiagramms 300 Bezug genommen wird,
veranschaulicht die Manipulationen durch das Steuermodul 208.
In diesem Fall ist die angeforderte senkrechte Komponente gleich
3 mm und der Skalierungsfaktor für
die senkrechte Komponente ist 200 lb/mm. Somit ist die skalierte
senkrechte Kraft gleich 600 lb.
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In
einem Schritt 323 kann das Steuermodul 208 die
skalierte senkrechte Kraft mit der gegenwärtigen senkrechten Kraft vergleichen,
die im Schritt 307 bestimmt wurde. Dieser Vergleich kann
das Auffinden einer Differenz zwischen der skalierten senkrechten
Kraft und der gegenwärtigen
senkrechten Kraft aufweisen. Wenn die gegenwärtige senkrechte Kraft 100
lb ist, dann hat folgend dem Beispiel der Vergleich der skalierten
senkrechten Kraft von 600 lb und der gegenwärtigen senkrechten Kraft von
100 lb einer Differenz von 500 lb zur Folge.
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Dann
berechnet das Steuermodul 208 in einem Schritt 324 die
erforderliche senkrechte Bewegung. Die erforderliche senkrechte
Bewegung kann das Ausmaß der
Bewegung des Arbeitswerkzeuges 110 darstellen, um die gegenwärtige senkrechte
Kraft so umzustellen, dass sie der skalierten senkrechten Kraft
entspricht. Dies kann auf einem Bewegungsskalierungsfaktor basieren,
der eine Karte (Kennfeld), ein linearer Ausdruck oder ein nichtlinearer Ausdruck
sein kann. Unter Verwendung des Beispiels stellt die erforderliche
senkrechte Bewegung das Ausmaß der
Bewegung dar, das nötig
ist, um die gegenwärtige
senkrechte Kraft um 500 lb zu steigern, so dass sie der skalierten
senkrechten Kraft von 600 lb entspricht. In diesem Beispiel ist
der Bewegungsskalierungsfaktor 0,001. Um die gegenwärtige senkrechte
Kraft um 500 lb zu steigern berechnet entsprechend das Steuermodul 208 eine
erforderliche senkrechte Bewegung von 0,5 mm. Es sei bemerkt, dass der
Bewegungsskalierungsfaktor, der zur Umwandlung der Differenz der
skalierte senkrechten Kraft und der gegenwärtigen senkrechten Kraft verwendet wird,
geringer ist als der Kehrwert des Skalierungsfaktors für die senkrechte
Komponente, der verwendet wurde, um die angeforderte senkrechte
Komponente in die zulässige
Kraftanforderung umzuwandeln, d. h. beispielsweise 0,001 < 1/200. Dies stellt
sicher, dass das System nicht zu stark korrigiert und das Arbeitswerkzeug 110 über die
vordefinierte Grabgrenze hinaus treibt. Abhängig von der gegenwärtigen Position
des Arbeitswerkzeuges 110 kann das Steuermodul 208 auch
zusätzliche
Korrekturwerte anwenden, um sicherzustellen, dass das Arbeitswerkzeug 110 nicht
durch die vordefinierte Grabgrenze läuft, oder wenn es durch die
Grenze gelaufen ist, zu der vordefinierten Grabgrenze zurückkehrt.
In dem Fall, dass die skalierte senkrechte Kraft erreicht wird,
bevor das Arbeitswerkzeug 110 sich über die Distanz der erforderlichen
senkrechten Bewegung bewegt hat, wird die Differenz zwischen der
gegenwärtigen
senkrechten Kraft und der angeforderten senk rechten Kraft gleich
Null. Somit ist keine zusätzliche
senkrechte Bewegung erforderlich.
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In
einem Schritt 325 erzeugt das Steuermodul eine Bewegungsanforderung
gleich der Kombination der angeforderten parallelen Komponente und der
angeforderten senkrechten Bewegung. Somit steigert die Bewegungsanforderung
die gegenwärtige
senkrechte Kraft zu der skalierten senkrechten Kraft.
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Mit
erneutem Bezug auf den Schritt 316 fragt das Steuermodul 208 dann
in einem Schritt 326 ab, ob der koordinierte Betriebszustand
aktiv ist, wenn die gegenwärtige
Position des Arbeitswerkzeuges 110 nicht zwischen der Schwellengrenze
und der vordefinierten Grabgrenze ist. Wenn im Schritt 326 der koordinierte
Betriebszustand nicht aktiv ist, dann erzeugt das Steuermodul 208 eine
Bewegungsanforderung gleich dem angeforderten Bewegungsvektor im
Schritt 314. Dies kommt daher, dass das Arbeitswerkzeug 110 um
eine gewisse beträchtliche
Distanz entfernt von der vordefinierten Grabgrenze sein kann, und
eine enge Steuerung der Bewegung des Arbeitswerkzeuges 110 nicht
erforderlich ist. Entsprechend kann die Arbeitswerkzeuganordnung 102 vollständig uneingeschränkt in ihrer
Bewegung sein.
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Wenn
im Schritt 326 der koordinierte Betriebszustand aktiv ist,
kann das Steuermodul 208 eine Bewegungsanforderung gleich
der angeforderten parallelen Komponente in einem Schritt 328 erzeugen.
Entsprechend kann in dem Schritt 328 die angeforderte senkrechte
Komponente vollständig ausgelöscht werden,
was nur die angeforderte parallele Komponente übrig lässt. Somit ist die daraus resultierende
Bewegungsanforderung eine Anforderung zur Bewegung des Arbeitswerkzeuges 110 parallel
zu der vordefinierten Grabgrenze.
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Im
Schritt 330 wandelt das Steuermodul 208 die Bewegungsanforderung
um, egal ob gegenüber dem
angeforderten Bewegungsvektor verändert oder unverändert, und
zwar zu einer neuen erwünschten Position
des Arbeits werkzeuges 110. Das Steuermodul 208 kann
dann die erwünschte
Position des Arbeitswerkzeuges 110 umwandeln, um eine erforderliche
Veränderung
der Ausfahrposition der Betätigungsvorrichtungen 112 in
einem Schritt 332 vorzusehen. Diese Umwandlung kann erreicht
werden durch Anwendung von umgekehrten Kinematikgleichungen. Die
erforderliche Veränderung
der Ausfahrposition ist die notwendige Veränderung zur Bewegung des Arbeitswerkzeuges 110 in
die erwünschte Position.
In einem Schritt 334 gibt das Steuermodul 208 die
erforderliche Veränderung
der Ausfahrposition an eine Steuervorrichtung (closed-loop) zur
Betätigung
der Ventile 214, um die Betätigungsvorrichtungen 112 zu
bewegen. In einem Schritt 336 endet das Verfahren.
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Das
vorliegende Verfahren ermöglicht
es einem Bediener einer Arbeitsmaschine leicht entlang einer vordefinierten
Grabgrenze zu graben. Weiterhin gestattet die vorliegende Erfindung
dem Bediener, eine erwünschte
senkrechte Kraft zu der vordefinierten Grabgrenze aufzubringen.
Die senkrechte Kraft gestattet, dass der Bediener den Erdboden entlang der
Grabgrenze ergreift, oder das Arbeitswerkzeug 110 entlang
der Grabgrenze gleiten lässt,
und zwar abhängig
von den Einstellungen der Skalierung. Entsprechend kann der Bediener
sauber an der Grabgrenze entlang graben, ohne durch die Grabgrenze hindurch
zu laufen.
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Das
offenbarte System kann mit anderen Arbeitswerkzeugen als Grabwerkzeugen
verwendet werden. Beispielsweise kann das offenbarte System verwendet
werden, wenn man eine Oberfläche
mit angetriebenen Werkzeugen bürstet
oder verdichtet, und kann mit Arbeitswerkzeuganordnungen verwendet
werden, die überhaupt
nicht die Komponenten aufweisen, die in der vorliegenden Offenbarung
beschrieben wurden.
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Obwohl
das offenbarte System mit Bezug auf eine Arbeitsmaschine mit einer
Arbeitswerkzeuganordnung beschrieben wird, die an einem Baggerlader verwendet
wird, kann die vorliegende Erfindung an irgend einer Arbeitsmaschine
verwendet werden, die konfiguriert ist, um entlang einer Grenze
zu graben oder auszuhöhlen,
wie beispielsweise bei Baggern, Baggerladern, Schaufelladern, Bulldozern,
Ladern und anderen Arbeitsmaschinen, wobei diese jedoch nicht darauf
eingeschränkt
sind. Andere Ausführungsbeispiele
werden dem Fachmann bei einer Betrachtung dieser Beschreibung und
bei der praktischen Ausführung
des hier offenbarten Systems offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt,
dass die Beschreibung und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen
werden, wobei ein wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden
Ansprüche
gezeigt wird.