-
Hintergrund
der Erfindung
-
1. Gebiet
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine hydraulisch mit Leistung versorgte
Einrichtung, wie etwa Off-Road-Bau- und -Landwirtschaftsfahrzeuge, und
mehr im Einzelnen ein Gerät
zum Reduzieren einer Schwingung oder einer Schüttelbewegung, wenn ein hydraulisch
angetriebenes Element an der Einrichtung verzögert, abgestoppt oder in der
Richtung umgekehrt wird.
-
2. Beschreibung des relevanten
Standes der Technik
-
Es
wird auf die 1 Bezug genommen; ein Hecklöffelbagger 2 ist
eine übliche
Art einer Erdbewegungseinrichtung; sie hat eine Auslegeranordnung 3 mit
einer Schaufel 4, die an dem Ende eines Armes 5 befestigt
ist, der seinerseits über
einen Ausleger 6 mit dem Rahmen eines Traktors 7 gekoppelt
ist. Drei hydraulische Zylinder 11 bilden Aktuatoren, welche
unabhängig
voneinander betätigt
werden, um die Schaufel, den Arm und den Ausleger zu bewegen. Eine
Schwenkverbindung 8 ermöglicht
es der Auslegeranordnung 3, gegenüber der Rückseite des Traktors 7 nach
links und rechts zu schwenken. Ein hydraulischer Auslegerschwenkzylinder 9 ist
an einer Seite des Traktors 7 an dem Ausleger 6 befestigt,
und er erzeugt die Antriebskraft, welche die Auslegeranordnung 3 schwenkt.
Bei größeren Hecklöffelbaggern
ist ein Paar hydraulischer Zylinder an zwei einander abgewandten
Seiten des Traktors 7 befestigt, um den Ausleger zu schwenken.
Ein Hydraulikfluid wird über
Ventile, die von dem Hecklöffelbaggerbediener
gesteuert werden, dem Auslegerschwenkzylinder 9 zugeführt.
-
Wenn
der Auslenker in einer Richtung schwenkt, wird Druckfluid in eine
Kammer des Auslegerschwenkzylinders 9 eingeführt, die
als die "Antriebskammer" bezeichnet wird,
und aus der anderen Zylinderkammer, als "Ausstoßkammer" bezeichnet, wird Fluid ausgestoßen. Wenn
der Ausleger in der entgegengesetzten Richtung schwenkt, dann kehrt
sich die Bezeichnung der Antriebskammer und der Ausstoßkammer um.
Wenn der Bediener die Schwenkbewegung plötzlich stoppt, dann bewirkt
die Trägheitskraft,
dass die Bewegung der Hecklöffelbagger-Auslegeranordnung 3 in
der zuvor vorgegebenen Richtung fortfährt. Der Betrag der Trägheitskraft
ist eine Funktion der Masse und der Ausfahrposition der Auslegeranordnung 3 sowie
der Masse des von der Schaufel 4 getragenen Materials.
Diese infolge der Trägheitskraft
fortgesetzte Bewegung komprimiert das Hydraulikfluid in der zuvor
als Ausstoßkammer
des Auslegerschwenkzylinders 9 dienenden Kammer und kann
eine Kavitation in der zuvor als Antriebszylinderkammer dienenden
Kammer erzeugen. Typischerweise sind Antikavitationsventile in dem
Hydrauliksystem vorgesehen, um diesem letzteren Problem zu begegnen.
-
Weil
die Steuerventile für
den Zylinder jetzt geschlossen sind, steigt der Druck in der zuvor
als Ausstoßkammer
dienenden Kammer schließlich
auf eine Größe an, die
bewirkt, dass die Bewegung der Auslegeranordnung 3 stoppt
und in eine Bewegung in der entgegengesetzten Schwenkrichtung zurück schwingt.
Diese nachfolgende Bewegung erzeugt eine Umkehrung der Druckverhältnisse,
bei der die zuvor als An triebskammer dienende Kammer des Auslegerschwenkzylinders 9 unter
Druck gesetzt wird. Wenn die Auslegerbewegung in der entgegengesetzten
Schwenkrichtung einen ausreichend hohen Druck in der zuvor als Antriebskammer
dienenden Kammer erzeugt, dann erfolgt eine weitere Umkehr der Schwenkbewegung.
Als Ergebnis dessen oszilliert die Schwenkbewegung der Auslegeranordnung,
bis eine durch andere Kräfte
bewirkte inhärente
Dämpfung
schließlich
die Anordnung zum Anhalten bringt. Dieses Phänomen ist als "bounce" (Aufprallen) oder "wag" (Schütteln) bekannt,
und es erhöht
die Zeit, die erforderlich ist, um den Ausleger 6 korrekt
zu positionieren, womit die Produktivität der Einrichtung nachteilig
beeinflusst wird. Das Schütteln
irritiert außerdem
den Maschinenbediener. Ein ähnliches
Bewegungsphänomen
tritt auf, wenn andere Arten hydraulisch angetriebener Elemente
stoppen.
-
Im
Wesentlichen ist das Schütteln
eine Manifestierung der Unfähigkeit,
dass die Auslegergeschwindigkeit unmittelbar auf Änderungen
in der Position des Ventils, welches den Fluidstrom zu dem Schwenkzylinder
steuert, reagiert bzw. diesen folgt. Mit anderen Worten schließt das Ventil,
wenn eine Bewegung des Auslegers beendet werden soll; die auf den
Ausleger wirkende Lastkraft erlaubt jedoch nicht, dass die Geschwindigkeit
des Auslegers schnell genug abnimmt.
-
Es
wurden viele Bemühungen
unternommen, dieses Schütteln
zu minimieren. Beispielsweise verwendet US-Patent Nr. 4,757,685
ein separates Entlastungsventil für jede hydraulische Leitung,
die mit den Schwenkzylinderkammern verbunden ist, um Fluid in eine
Tankleitung abzuleiten, wenn ein übermäßiger Druck in der zugeordneten
Kammer auftritt. Zusätzliches
Fluid wird von der Zuführleitung über Ausgleichsventile
zugeführt,
um einer Kavitation in dem Zylinder entgegen zu wirken, wenn die
Schwenkbewegung stoppt.
-
US-Patent
Nr. 5,025,626 beschreibt einen gepufferten Schwenkschaltkreis, welcher
auch Entlastungs- und Ausgleichsventile besitzt, die mit den Hydraulikleitungen
für den
Auslegerschwenkzylinder verbunden sind. Dieser Schaltkreis umfasst
auch ein Pufferventil, welches in einer offenen Stellung einen Fluidweg
zwischen den Zylinder-Hydraulikleitungen zur Verfügung stellt.
Dieser Weg umfasst eine Strömungsbegrenzungsblende.
Das Pufferventil ist durch eine Feder elastisch in die Schließposition
vorgespannt, und ein Mechanismus öffnet das Pufferventil für eine vorgegebene
Zeitperiode, wenn der Druckunterschied zwischen den Zylinderkammern
eine vorgegebene Schwelle überschreitet.
Beide dieser früheren
Lösungsansätze benötigten zusätzliche
Ventile und andere Komponenten.
-
US-Patent
Nr. 6,705,079 beschreibt eine andere Lösung für das Schwenkschüttelproblem,
bei welcher ein Sensor einen Druck in dem hydraulischen Aktuator
detektiert. Dieses Drucksignal von dem Sensor wird dazu verwendet,
die Rate zu bestimmen, mit der der Druck in dem hydraulischen Aktuator
sich ändert.
Wenn die Rate der Änderung
des Druckes nach dem Empfang eines Stoppbefehls geringer als eine
definierte Schwelle ist, dann wird der Druck in dem hydraulischen
Aktuator entlastet, etwa durch Öffnen
eines Steuerventils, welches mit dem hydraulischen Aktuator verbunden
ist.
-
Allerdings
gibt es immer noch einen Bedarf dafür, die Reaktionsfähigkeit
der Auslegergeschwindigkeit auf Änderungen
bei der Position des Ventils und den sich ergebenden Fluidstrom
zu dem zugeordneten hydraulischen Zylinder zu verbessern, und insbesondere
dafür,
einen vereinfachten Mechanismus zum Reduzieren des Schüttelns zu
schaffen.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Das
vorliegende Verfahren steuert die Verzögerung eines hydraulisch angetriebenen
Maschinenteils. Die Bewegung eines hydraulischen Aktuators, welcher
mit dem Maschinenteil verbunden ist, wird durch einen Befehl angegeben,
welcher beispielsweise eine gewünschte
Geschwindigkeit spezifizieren kann. Ein Parameterwert wird erzeugt,
welcher die Fähigkeit
der Maschinenteilbewegung angibt, auf einen Wechsel bei dem dem
hydraulischen Aktuator zugeführten
Fluidstrom zu reagieren, ein Wechsel, welcher aus der Änderung
der Position eines diesen Strom steuernden Ventils resultiert. Diese
Fähigkeit
wird durch die Größe einer
Lastkraft repräsentiert,
die durch das Maschinenteil auf den hydraulischen Aktuator aufgebracht
wird, und sie wird insbesondere durch den Fluiddruck von dem hydraulischen
Aktuator gekennzeichnet. Der Parameterwert wird verwendet, eine
auf den Befehl angewendete variable Filterfunktion zu konfigurieren,
um einen gefilterten Befehl zu erzeugen, welcher dazu verwendet
wird, einen Fluidstrom zu dem hydraulischen Aktuator zu steuern. Die
Filterfunktion steuert die Rate, mit der der Bewegungsbefehl auf
Null geht, um das Maschinenteil so zu stoppen, dass der Befehl das
zugeordnete Ventil nicht schneller schließt als einer Rate entspricht,
mit der der Aktuator und das Maschinenteil in der Lage sind, zu
operieren.
-
Gemäß einem
Aspekt des Steuerungsverfahrens wird der Betrag einer auf den hydraulischen
Aktuator wirkenden Lastkraft dazu verwendet, eine Filterfrequenz
abzuleiten, die die Rate definiert, mit der der Bewegungsbefehl
auf Null abnimmt. Die Filterfrequenz variiert umgekehrt zu Änderungen
bei der Lastkraft. Allerdings wird die Filterfrequenz vorzugsweise
auf einen vorgegebenen konstanten Wert eingestellt, wenn die Größe der Lastkraft
geringer als eine erste Schwelle ist. Die Filterfrequenz kann auch
auf einen anderen vorgegebenen konstanten Wert eingestellt werden,
wenn die Größe der Lastkraft
größer als
eine zweite Schwelle ist.
-
Ein
anderer Aspekt ist, einen digitalen Filter zu verwenden, in welchem
Falle das Konfigurieren des Filters eine Bestimmung eines Satzes
von Filterkoeffizienten umfasst. In der bevorzugten Ausgestaltung
werden die Filterkoeffizienten in Abhängigkeit von den ausgewählten Filterfrequenzen
abgeleitet.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine Seitenansicht eines Hecklöffelbaggers,
welche die vorliegende Erfindung beinhaltet;
-
2 ist
eine Schemazeichnung des hydraulischen Systems für den Hecklöffelbagger;
-
3 ist
ein Steuerdiagramm für
das hydraulische System;
-
4 zeigt
als Grafikzeichnung eine Filterfunktion, die auf einen Schwenkbefehl
für einen
Hecklöffelbagger-Ausleger angewendet
wird, um das Auslegerschütteln
beim Abstoppen zu verhindern; und
-
5 ist
ein Flussdiagramm einer Software-Routine, die die Filterfunktion
implementiert.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Wenn
auch die vorliegende Erfindung in dem Kontext einer Verwendung bei
einem Hecklöffelbagger beschrieben
wird, wie er in 1 gezeigt ist, so findet sie
doch auch Anwendung bei anderen Maschinentypen, bei denen Maschinenfunktionen
mit großer
Massenträgheit
auf den hydraulischen Aktuator übertragen
werden und Schwierigkeiten bei der Steuerbarkeit zeigen.
-
Zu
Anfang wird auf die 2 Bezug genommen; die Elemente
der Auslegeranordnung 3 des Hecklöffelbaggers 2 werden
durch ein neuartiges hydraulisches System 10 bewegt, welches
die hydraulischen Aktuatoren, wie etwa den Auslegerschwenkzylinder 9 umfasst.
Das hydraulische System 10 hat eine Verdrängerpumpe 12,
die von einem Motor oder einer Antriebsmaschine (nicht gezeigt)
angetrieben wird und ein Fluid aus einem Tank 15 saugt
und das Fluid unter Druck in eine Zuführleitung 14 speist.
Ein Entladeventil 17 (wie etwa ein Proportional-Druckentlastungsventil)
ist zwischen der Zuführleitung 14 und
einer Tank-Rückleitung 18 angeschlossen,
die zu dem Tank 15 des Systems führt. Der Betrieb des Entladeventils 17 reguliert
den Druck in der Zuführleitung 14.
Die neuartige Technik zum Reduzieren des Schüttelns, die hier beschrieben
wird, kann auch in ein hydraulisches System implementiert werden,
welches eine Verstellpumpe oder andere Arten hydraulischer Aktuatoren
verwendet.
-
Die
Zuführleitung 14 und
die Tank-Rückleitung 18 sind
an einer Vielzahl von hydraulischen Funktionen 19 und 20 an
dem Hecklöffelbagger
angeschlossen. Separate hydraulische Funktionen sind vorgesehen,
um den Ausleger 6 zu schwenken, den Ausleger anzuheben,
den Arm 5 zu bewegen und die Schaufel 4 zu schwenken.
Die hydraulische Funktion 20 zum Schwenken des Auslegers
ist im Detail dargestellt, und andere Funktionen 19 haben ähnliche
Komponenten und Betriebsweisen. Das hydraulische System 10 ist
vom verteilten Typ, bei dem die Ventile für jede Funktion und Steuerschaltung
für den
Betrieb dieser Ventile in unmittelbarer Nähe zu dem zugeordneten hydraulischen
Aktuator angeordnet sind. Beispielsweise sind diese Komponenten
zum Steuern der Auslegerschwenkung an oder nahe bei dem Schwenkzylinder 9 oder
der Schwenkverbindung 8 angeordnet.
-
Bei
der Auslegerschwenkfunktion 20 ist die Zuführleitung 14 mit
dem Knoten "s" einer Ventilanordnung 25 verbunden,
die auch einen Knoten "t" hat, welcher mit
der Tank-Rückleitung 18 verbunden
ist. Die Ventilanordnung 25 umfasst einen Arbeitsportknoten "a", welcher über eine erste hydraulische
Leitung 30 mit der Kopfkammer 26 des Auslegerschwenkzylinders 9 verbunden
ist, und sie hat einen anderen Arbeitsportknoten "b", welcher über eine zweite Leitung 32 mit
der Kolbenstangenkammer 27 des Auslegerschwenkzylinders 9 gekoppelt
ist. Vier elektrohydraulische proportionale (EHP)-Ventile 21, 22, 23 und 24 steuern
den Strom des hydraulischen Fluides zwischen den Knoten der Ventilanordnung 25,
und sie steuern so den Fluidstrom zu und von dem Auslegerschwenkzylinder 9.
Das erste EHP-Ventil 21 ist zwischen Knoten "s" und "a" angeschlossen, und
es steuert den Fluidstrom zwischen der Zuführleitung 14 und der
Kopfkammer 26 des Auslegerschwenkzylinders 9.
Das zweite EHP-Ventil 22 ist zwischen den Knoten "s" und "b" angeschlossen,
und es steuert den Strom des Fluides zwischen der Zuführleitung 14 und
der Zylinder-Kolbenstangenkammer 27. Das dritte EHP-Ventil 23 ist
zwischen dem Knoten "a" und dem Knoten "t" angeschlossen, und es steuert einen EHP-Strom
zwischen der Kopfkammer 26 und der Rückleitung 18. Das
vierte EHP-Ventil 24 zwischen den Knoten "b" und "t" steuert
den Fluidstrom zwischen der Kolbenstangenkammer 27 und
der Rückleitung 18.
-
Die
hydraulischen Komponenten für
die Auslegerschwenkfunktion 20 umfassen auch zwei Drucksensoren 36 und 38,
welche jeweils die Drücke
Pa und Pb in der Kopfkammer 26 bzw. der Kolbenstangenkammer 27 des
Auslegerschwenkzylinders 9 detektieren. Ein anderer Drucksensor 40 misst
den Pumpenzuführdruck Ps
am Knoten "s", während ein
Drucksensor 42 den Rückleitungsdruck
Pr am Knoten "t" detektiert. Die
Drucksensoren 40 und 42 müssen nicht bei allen hydraulischen
Funktionen vorhanden sein.
-
Die
Drucksensoren 36, 38, 40 und 42 für die Auslegerschwenkfunktion 20 liefern
Eingangssignale an eine Funktionssteuerung 44, welche Signale
erzeugt, die die vier elektrohydraulischen Proportionalventile 21 bis 24 betreiben.
Die Funktionssteuerung 44 ist ein auf einem Mikrocomputer
basierender Schaltkreis, welcher andere Eingangssignale von einer
computerisierten Systemsteuerung 46 empfängt, wie
noch beschrieben wird. Ein von der Funktionssteuerung 44 ausgeführtes Softwareprogramm
reagiert auf diese Eingangssignale durch Erzeugen von Ausgangssignalen,
welche wahlweise die vier elektrohydraulischen Proportionalventile 21 bis 24 entsprechend
den gewünschten
Beträgen öffnen, um
den Auslegerschwenkzylinder 9 korrekt zu betreiben.
-
Die
Systemsteuerung 46 überwacht
die gesamte Operation des hydraulischen Systems, indem sie Bedienereingangssignale
von Joysticks 47 empfängt
und Signale mit den Funktionssteuerungen 44 und einer Drucksteuerung 48 austauscht.
Die Signale werden zwischen diesen Steuerungen über ein Kommunikationsnetzwerk 55 ausgetauscht,
welches ein herkömmliches
Message-Protokoll verwendet. Das ermöglicht es, die Steuerungsfunktionen
für das
hydraulische System 10 auf die verschiedenen Steuerungen 44, 46 und 48 zu verteilen.
-
Es
wird Bezug genommen auf die 3 und die
Auslegerschwenkfunktion 20; der Maschinenbediener betätigt einen Joystick 47,
um eine gewünschte
Schwenkbewegung für
die Auslegeranordnung 3 vorzugeben. Das Ausgangssignal
von dem Joystick 47 wird an einen Eingang einer Mapping-Routine 50 in
der Systemsteuerung 46 gegeben, welche das die Joystickposition
anzeigende Signal in ein Signal umwandelt, welches eine gewünschte Geschwindigkeit
für den
angesteuerten hydraulischen Aktuator angibt. Die Mapping-Funktion kann
linear sein oder andere Formen haben, je nach Wunsch. Die Mapping-Routine kann durch
einen arithmetischen Ausdruck implementiert werden, welcher durch
den Computer innerhalb der Systemsteuerung 46 gelöst wird,
oder das Mapping kann durch eine Nachschlagetabelle, die in dem
Speicher der Systemsteuerung abgelegt ist, vervollständigt werden.
Die Ausgabe der Mapping-Routine 50 ist ein Geschwindigkeitsbefehl,
welcher die Richtung und Geschwindigkeit angibt, mit denen der Schwenkzylinder 9 wunschgemäß die Auslegeranordnung
bewegen soll.
-
Die
Geschwindigkeitsbefehle für
den Schwenkzylinder 9 und die anderen hydraulischen Aktuatoren 11 werden
an eine Sollwert-Routine 62 (englisch: setpoint routine)
geschickt, welche die gewünschten
Drücke
für die
Zuführ-
und Rück-
leitungen 14 bzw. 18 bestimmt. Genauer setzt die
Sollwert-Routine 62 einen
Zuführdruck fest,
welcher von jeder hydraulischen Funktion 19 bzw. 20 gefordert
wird, und wählt
den größten dieser
Drücke als
den Zuführleitungsdruck-Sollwert
Ps. Die Sollwert-Routine 62 bestimmt auch einen Rückleitungsdruck-Sollwert
Pr in einer ähnlichen
Weise. Diese Druck-Sollwerte
Ps und Pr werden als Eingaben der Drucksteuerung 48 zugeführt, die
auch Signale von einem Zuführleitungsdrucksensor 49 an
dem Auslass der Pumpe, einem Rückleitungsdrucksensor 51 und
einem Tankdrucksensor 53 empfängt. Die Drucksteuerung 48 reagiert
auf diese Eingaben durch Betätigen
des Entladeventils 17 zum Regulieren des Zuführleitungsdruckes und des
Tanksteuerventils 16 zum Steuern des Rückleitungsdruckes, um die gewünschten
Sollwertdrücke
zu erhalten.
-
Der
Geschwindigkeitsbefehl für
den Schwenkzylinder 9 wird auch von der Mapping-Routine 50 an
die zugeordnete Funktionssteuerung 44 geschickt, wo sie
auf ein Ventilöffnungsprogramm 56 angewandt
wird, welches eine Software enthält,
die bestimmt, wie die EHP-Ventile 21-24 in der
Anordnung 25 zu betätigen
sind, um die vorgegebene Geschwindigkeit der Kolbenstange 43 zu
erreichen. Die Schwenkrichtung, die durch den Geschwindigkeitsbefehl
angezeigt wird, gibt an, welche beiden der EHP-Ventile 21-24 aktiviert
werden, sowie einen Betrag, entsprechend dem diese Ventile zu öffnen sind,
um Fluid zu dem Schwenkzylinder 9 hin und von diesem fort
zu führen.
Genauer werden die Ventile 21 und 24 geöffnet, um
die Kolbenstange 43 von dem Schwenkzylinder auszufahren,
und die Ventile 22 und 23 werden geöffnet, um
die Kolbenstange einzufahren.
-
Das
Ausmaß des
Geschwindigkeitsbefehls und die gemessenen Drücke (Pa, Pb, Pr, Ps) werden
von der Ventilöffnungs-Routine genutzt,
um den Betrag zu bestimmen, entsprechend dem jedes der ausgewählten Ventile
zu öffnen
ist, um die Menge des Fluidstromes zu befördern, die nötig ist,
um die gewünschte
Geschwindigkeit des Kolbens 28 zu erreichen. US-Patent Nr. 6,775,974
beschreibt eine Ausgestaltung des Ventilöffnungsprogramms 56.
Die resultierenden Signale, die den Betrag angeben, entsprechend
dem die EHP-Ventile 21-24 zu öffnen sind, werden einem Satz
Ventiltreiber 58 zugeführt,
welche die angemessene Stärke
des elektrischen Stromes anlegen, um jedes der beiden ausgewählten Ventile
zu betätigen.
-
Das
Ventilöffnungsprogramms 56 umfasst
eine Software-Routine,
welche ein Schütteln
der Auslegeranordnung 3 vermin dert, welches andernfalls
auftreten könnte,
wenn der Schwenkzylinder gestoppt werden soll. Es wird auf die 2 und 3 Bezug
genommen; angenommen, der Hecklöffelbaggerfahrer
hat die Auslegeranordnung 3 in einer Richtung verschwenkt.
In diesem Fall gibt das Signal von dem Joystick 47 für diese
Maschinenoperation eine gewünschte
Geschwindigkeit für
die Schwenkaktion an. Der Geschwindigkeitsbefehl wird von der Systemsteuerung 46 an
die Funktionssteuerung 44 übertragen, welche den Betrieb des
hydraulischen Schwenkzylinders 9 steuert. Die Funktionssteuerung 44 erzeugt
demnach Signale, welche entweder die ersten und vierten EHP-Ventile 21 bzw. 24 oder
die zweiten und dritten EHP-Ventile 22 und 23 öffnen, abhängig von
der Richtung der Schwenkung.
-
Wenn
der Hecklöffelbaggerfahrer
die Auslegerschwenkung stoppen will, dann wird der Joystick 47 losgelassen,
so dass er in seine zentrale, neutrale Position zurückkehren
kann. In dieser Position erzeugt die Mapping-Routine 50 einen
Null-Geschwindigkeitsbefehl,
welcher an die Funktionssteuerung 44 für die Schwenkoperation übertragen
wird. Wenn die Funktionssteuerung 44 auf den Null-Geschwindigkeitsbefehl einfach
durch plötzliches
Schließen
der Ventile reagieren würde,
dann könnte
eine Schwenkschüttelbewegung auftreten,
insbesondere wenn die Auslegeranordnung 3 eine relativ
große
Massenträgheit
aufweisen würde. Diese
Funktionssteuerung 44 ist jedoch so programmiert, dass
sie eine Schwenkschüttelbewegung
reduziert, indem sie den Geschwindigkeitsbefehl tiefpassfiltert
und dadurch die Rate steuert, mit der die EHP-Ventile in Reaktion
auf den Geschwindigkeitsbefehl schließen. Eine dynamisch variierende
Filterfunktion wird verwendet, so dass die Schwenkbewegung sich
in einer kontrollierten Weise sowohl unter einer relativ kleinen
als auch unter einer sehr großen
Last verzögert.
Vorzugsweise wird eine digitale Filterfunktion zweiter Ordnung verwendet.
-
Damit
der Filtervorgang über
einen weiten Bereich der Lastkräfte
zufriedenstellend abläuft,
wird der Filter außer
Funktion gesetzt, wenn der zunehmende Druck in der Zylinderkammer,
welcher dazu tendiert, die Schwenkbewegung zu bremsen, einen vorgegebenen
Schwellenwertpegel überschreitet.
Wenn das passiert, dann wird die Frequenz des Tiefpassfilters auf
einen beinahe eingefrorenen Zustand verringert, was den Effekt hat,
die EHP-Filter 21-24 in der existierenden offenen
Position zu halten. Der Filter und damit die EHP-Ventile verbleiben
in dem "eingefrorenen
Zustand", bis der
(die Schwingbewegung) abbrechende Zylinderkammerdruck unter den
vorgegebenen Schwellenwertpegel fällt, zu welchem Zeitpunkt der
Filter wieder in Funktion gesetzt wird und fortfährt, auf Null abzufallen. Indem
man den Filter außer
Funktion setzt, wenn die hydraulische Funktion über eine Entlastungsdruckeinstellung
für den
hydraulischen Zylinder geht, ist die Position der EHP-Ventile eng
an die Geschwindigkeit des Kolbens 28 gebunden. Mit anderen
Worten, die Ventile schließen nur
mit einer Rate, die das Maschinensystem unterstützt. Ein Hauptvorteil ist,
dass diese Lösung
des Schwenkschüttelproblems
keine zusätzlichen
Komponenten für
das hydraulische System 10 erfordert, sondern vielmehr
eine Programmierung der Funktionssteuerung mit der geeigneten Software-Routine
einbezieht.
-
4 stellt
graphisch die Filterfunktion 68 in der Form einer Beziehung
zwischen der Filterfrequenz und einer Belastungsdruckdifferenz (ΔP Belastung)
zwischen den beiden Kammern 26 und 27 des Schwenkzylinders 9 dar.
Diese Zylinderkammerdrücke
werden durch Sensoren 36 und 38 in 2 gemessen.
Diese Druckdifferenz entspricht der Belastungskraft, die die Auslegeranordnung 3 auf
den Schwenkzylinder 9 ausübt, welche ihrerseits der Reaktionsfähigkeit
der Auslegerbewegung auf Veränderungen
der auf einen hydraulischen Aktuator aufgebrachten Fluidströmung infolge
von Änderungen
in der Position des jeweiligen Steuerventils entspricht. Wie noch
beschrieben wird, wird die Filterfrequenz als eine Funktion von Änderungen
bei der Belastungsdruckdifferenz variiert, wie sie durch die in 4 dargestellte
Funktion für
den Filter definiert ist. Allerdings sollte man verstehen, dass
die dargestellte Filterfunktion mehr exemplarisch ist, und es können andere
Funktionen und Haltepunkte verwendet werden, ohne dass man dadurch
das Konzept der vorliegenden Erfindung verlässt. Im Hinblick darauf wurden
die oberen bzw. unteren Grenzen der Filterfrequenz bei jeweils 1,1
Hz bzw. 0,05 Hz ausgewählt.
Wenn man diese Frequenzgrenzen auf die Filterfunktion anwendet, werden
zwei Druckdifferenzschwellen definiert. Die erste ist eine untere
Druckschwelle, ΔP
Belastung1, unterhalb derer die Filterfrequenz konstant bei der
maximalen Filterfrequenz (FREQ MAX) bleibt. Die zweite Druckschwelle,
die als ΔP
Belastung2 bezeichnet ist, ist eine obere Schwellengrenze, oberhalb
derer die Filterfrequenz konstant bei einer minimalen Frequenz (FREQ
MIN) bleibt. Für
Werte der Belastungsdruckdifferenz zwischen der ersten und zweiten
Schwelle variiert die Filterfrequenz, wie es durch die gekrümmte Linie
in dem Diagramm angegeben ist.
-
Es
wird auf die 5 Bezug genommen; nach dem Empfang
eines Geschwindigkeitsbefehls wendet die Funktionssteuerung 44 eine
Antischüttel-Filter-Routine 70 auf
diesem Befehl an. Es versteht sich, dass ein Schwenken der Auslegeranordnung 3 in
einer Richtung willkürlich
als eine positive Geschwindigkeit aufweisend definiert ist, während eine
Schwenkbewegung in der entgegengesetzten Richtung als negative Geschwindigkeit
bezeichnet wird. Eine Kenntnis der Richtung der Schwenkbewegung
ist notwendig, um einen Zylinderdruckdifferenzwert zu bestimmen,
welcher das korrekte arithmetische Vorzeichen zur Verwendung in nachfolgenden
Berechnungen durch die Filterfunktion hat. Die Filter-Routine 70 beginnt
beim Schritt 71, wo die Richtung der gegenwärtigen Schwenkbewegung
festgesetzt wird durch die Bestimmung, ob der Geschwindigkeitsbefehl
kleiner als der frühere
gefilterte Geschwindigkeitsbefehl ist, welcher durch die Filter-Routine 70 erzeugt
wird. Wenn diese Beziehung zutrifft, dann verzweigt sich der Programmablauf
zum Schritt 72, bei welchem der Wert des gemessenen Druckes
Pb innerhalb der Kolbenstangenkammer 27 des Schwenkzylinders von
dem gemessenen Druck Pa innerhalb der Kopfkammer 26 subtrahiert
wird, um einen Differenzdruckwert ΔP Belastung zu erzeugen. Wenn
andererseits der Ausdruck im Schritt 71 falsch ist, dann
verzweigt sich der Programmablauf zum Schritt 74, bei welchem
der gemessene Kopfkammerdruck Pa von dem Kolbenstangenkammerdruck
Pb subtrahiert wird, um den Differenzdruckwert ΔP Belastung zu erzeugen.
-
Sodann
wird beim Schritt 76 eine Bestimmung durchgeführt, ob
der neu berechnete Wert für ΔP Belastung
kleiner als die erste oder niedrigere Schwelle ΔP Belastung1 ist (siehe 4).
Wenn das der Fall ist, dann verzweigt sich der Programmablauf zum
Schritt 78, bei welchem ein Wert für die Antischüttel-Filterfrequenz
(A WFREQ) auf den maximalen Frequenzwert (FREQ MAX) eingestellt
wird, welcher beispielsweise gleich 1,1 Hz ist. Der Programmablauf
springt sodann zum Schritt 86. Wenn jedoch der Wert von ΔP Belastung nicht
kleiner als die erste Schwelle ist, dann schreitet der Programmablauf
zum Schritt 80 fort, bei welchem eine Bestimmung vorgenommen
wird, ob dieser Wert größer als
die zweite oder obere Schwelle ΔP Belastung2
ist. In diesem letzteren Fall verzweigt sich der Programmablauf
zum Schritt 82, bei welchem die Antischüttel-Filterfrequenz (A WFREQ)
auf den minimalen Frequenzwert (FREQ MIN) eingestellt wird, welcher beispiels weise
gleich 0,05 Hz ist. Danach springt der Programmablauf zum Schritt 86.
-
Wenn
jedoch keiner der Ausdrücke
beim Schritt 76 oder 80 zutrifft, was bedeutet,
dass der Wert von ΔP
Belastung zwischen den beiden Druckdifferenzschwellen einschließlich derselben
liegt, dann schreitet der Programmablauf zum Schritt 84 fort,
um einen Wert für
die Filterfrequenz zu berechnen. Diese Frequenz wird erzeugt, indem
eine Reihe von Gleichungen gelöst
wird, deren erste einen Wert erzeugt, welcher als TEMP1 bezeichnet
wird, und welcher gleich dem Wert von ΔP Belastung minus dem ersten
Schwellenwert ΔP Belastung1
ist. Ein anderer Wert, welcher mit TEMP2 bezeichnet wird, gleicht
der Differenz zwischen den beiden Druckdifferenzschwellen, und er
wird abgeleitet, indem man die erste Schwelle ΔP Belastung1 von der zweiten
Schwelle ΔP
Belastung2 subtrahiert. Als nächstes
wird ein Verhältnis
berechnet, indem man TEMP1 durch TEMP2 teilt und das Ergebnis quadriert.
Ein zeitweiliger Frequenzwert (FREQ TEMP) wird erzeugt, indem man
zuerst den maximalen Frequenzwert (FREQ MAX) von dem minimalen Frequenzwert
(FREQ MIN) subtrahiert, was einen negativen Wert erzeugt, welcher
sodann mit dem zuvor berechneten Verhältnis multipliziert wird. Die
Antischüttel-Frequenz
(A WFREQ) wird beim letzten Berechnungsschritt erzeugt, indem man die
maximale Frequenz (FREQ MAX) und den negativen Wert der variablen
FREQ TEMP summiert. Der Programmablauf schreitet sodann zum Schritt 86 fort.
Wenn der hydraulische Aktuator (beispielsweise der Schwenkzylinder 9)
sich verlangsamt, dann ändert
sich die Druckdifferenz ΔP
Belastung, und der Schritt 84 ändert dynamisch die Antischüttel-Frequenz
(A WFREQ) in einer entsprechenden Weise, bis die Auslegeranordnung 3 stoppt.
-
Beim
Eintreten in den Schritt
86 der Filterfunktion
68 wird
der neu abgeleitete Wert für
die Antischüttel-Frequenz
(A WFREQ) verwendet, um die Koeffizienten für die Filterfunktion zu bestimmen.
Vorzugsweise wird ein biquadratischer Digitalfilter eingesetzt,
um den Geschwindigkeitsbefehl zu filtern. Die Filterfunktion für einen
biquadratischen Filter ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:
wobei
y(n) der Filterfunktions-Ausgangswert ist, der als gefilterter Geschwindigkeitsbefehl
bezeichnet wird, wobei ferner die Ausdrücke A1, A2, B0, B1 und B2 Filterkoeffizienten
sind, x(n) der gegenwärtige
Wert des Geschwindigkeitsbefehls ist, x(n-1) und x(n-2) die früheren zwei
Werte des Geschwindigkeitsbefehls sind, und wobei y(n-1) und y(n-2)
die früheren
beiden Werte der Ausgabe des Filters sind.
-
Die
Filterkoeffizienten werden entsprechend den Gleichungen definiert,
die bei diesem Schritt 86 in 5 vorgegeben
werden. Insbesondere wird der Wert für den Koeffizienten A0 erzeugt,
indem man die Antischüttel-Frequenz
(A WFREQ) mit einem Verstärkungsfaktor
multipliziert und indem ein Offset-Wert addiert wird. Allerdings
versteht es sich für
den Fachmann auf diesem Gebiet, dass nicht nur die Filterkoeffizienten
für einen
biquadratischen Filter auf andere Weisen definiert werden können, sondern
dass andere Filtertypen und andere Filterfunktionen verwendet werden
können,
um die Effekte eines Schwenkschüttelns
zu reduzieren. Als nächstes
werden die definierten Filterkoeffizienten im Schritt 88 an
den herkömmlichen
digitalen biquadratischen Filter übergeben, um diesen Filter
zu konfigurieren. Sodann wird beim Schritt 90 die Filterfunktion
auf den vorliegenden Geschwindigkeits befehl angewendet, um den gefilterten
Geschwindigkeitsbefehl zu erzeugen, welcher durch das Ventilöffnungsprogramm 56 in 2 verwendet
wird, um die Signale zum Betätigen der
vier elektrohydraulischen Ventile 21-24 zu erzeugen.
-
So
variiert die Filter-Routine die Filterfrequenz in Abhängigkeit
von der Belastungskraft, die die Hecklöffelbagger-Auslegeranordnung 3 auf
den hydraulischen Aktuator, d.h. den Schwenkzylinder 9 und
den Kolben 28 aufbringt. Diese Frequenzänderung entspricht der Filterfunktion,
die in 4 graphisch dargestellt ist in dem Sinne, dass,
je größer die
Belastungskraft ist, umso geringer die Filterfrequenz und damit
umso langsamer die Reaktion der Ventilanordnung 25 auf Änderungen
des Geschwindigkeitsbefehls. Indem man die Filterfunktion an die
Größe der Belastungskraft
anpasst, die auf den Schwenkzylinder 9 wirkt, wird die
Befehlsfilterung optimiert. Unter Bedingungen einer relativ kleinen
Belastungskraft, welche eine diesen angemessene niedrige Trägheitskraft
erzeugt, wird eine relativ hohe Filterfrequenz verwendet. Wenn die
Belastungskraft und die daraus resultierende Trägheitskraft ansteigen, dann
nimmt die Filterfrequenz ab, um die Ventilanordnung 25 entsprechend
zu steuern und den Ausleger ausreichend schnell zu verzögern, um
ein Schütteln
zu vermeiden.
-
Die
vorangehende Beschreibung war primär auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung gerichtet. Auch wenn einige Aufmerksamkeit auf verschiedene
Alternativen innerhalb des Umfanges der Erfindung gelenkt wurde,
wird unterstellt, dass ein Fachmann auf diesem Gebiet in ähnlicher
Weise zusätzliche
Alternativen realisieren wird, die jetzt aus der Offenbarung von
Ausführungsbeispielen
der Erfindung nahegelegt werden. Demnach sollte der Umfang der Erfindung
aus den nachfolgenden Ansprüchen
bestimmt und nicht durch die oben stehende Offenbarung begrenzt
werden.
