DE102009037880B4

DE102009037880B4 - Mobile Arbeitsmaschine mit einer Regelvorrichtung mit einem Arbeitsarm und Verfahren zur Arbeitspunktregelung eines Arbeitsarms einer mobilen Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE102009037880B4
Application number: DE102009037880.4A
Authority: DE
Inventors: Sönke Jessen; Steffen Klein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-08-18
Filing date: 2009-08-18
Publication date: 2021-12-30
Anticipated expiration: 2029-08-19
Also published as: DE102009037880A1; US20120201640A1; US8620534B2; WO2011020561A1; CN102575453B; CN102575453A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine (1) mit einer Regeleinrichtung (3) mit einem Arbeitsarm (4) und Verfahren zur Arbeitspunktregelung eines Arbeitsarms (4) einer mobilen Arbeitsmaschine (1). Dazu weist die mobile Arbeitsmaschine (1) mit Regeleinrichtung (3) mit einem Arbeitsarm (4), einen Arbeitsarm auf, der mit einem ersten Ende (5) an einem Oberwagen (6) der Arbeitsmaschine (1) gelenkig angeordnet ist. Ein Werkzeug (7) ist an einem zweiten Ende (8) des Arbeitsarms (4) an einen Arbeitspunkt (10) beweglich angeordnet. Mindestens ein erster Neigungssensor (9) ist an dem Oberwagen (6) und mindestens ein zweiter Neigungssensor (11) ist an dem Arbeitsarm (4) angeordnet. Außerdem ist mindestens ein Hydraulikzylinder (12) der zum Lageändern (ΔP) des Arbeitspunktes (10) gelenkig zwischen Oberwagen (6) und Arbeitsarm (4) angeordnet ist, vorgesehen. Weiterhin ist ein Steuergerät (15) zur Verarbeitung von Signalen der mindestens zwei Neigungssensoren (9, 11) zur Bestimmung eines Arbeitspunktes (10) als Referenzarbeitspunkt (P1) und zur Ermittlung einer Lageänderung (ΔP) des Arbeitspunktes (10) mittels Berechnung eines Zylinderweges (s) anhand eines Volumenstroms (Q) in den oder aus dem Hydraulikzylinder (12) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine, beispielsweise einen Bagger, einen LKW mit einem Anbau oder ein land- oder forstwirtschaftliches Gerät, mit zumindest einem Arbeitsarm. Arbeitsarme derartiger Arbeitsmaschinen können auch mehrere gelenkig miteinander verbundene Segmente aufweisen, wobei ein erstes Ende des Arbeitsarms an einem Oberwagen der Arbeitsmaschine gelenkig angeordnet ist und ein zweites Ende des Arbeitsarms ein Werkzeug wie eine Schaufel, einen Greifer oder einen Hammer aufweist.
Oftmals wird dem Bediener einer solchen Arbeitsmaschine die aktuelle Position und Stellung des Arbeitsarms und insbesondere auch des Werkszeugs als Arbeitspunkt auf einem Display angezeigt, wodurch der Bediener in die Lage versetzt wird, Arbeiten nach genau vorgegebenen Plänen zu verrichten, und eine unmittelbare Rückmeldung über erreichte Höhen, Längen, Tiefen oder Neigungen z.B. eines bewegten Schüttguts oder Erdreichs oder des zu formenden oder bereits geformten Untergrundes in Relation zu dem Arbeitspunkt des Arbeitsarms zu bekommen.
Derartige Bedieneranzeigen sind beispielsweise aus der DE 201 16 666 U1 und aus der US 5 854 988 A bekannt.
Dabei werden der Arbeitspunkt und die Stellung des Werkzeugs auch wegen der guten Nachrüstbarkeit oftmals durch Neigungssensoren bestimmt, wobei mindestens ein erster Neigungssensor an dem Oberwagen und ein zweiter Neigungssensor an dem Arbeitsarm angeordnet sind. Aus den Neigungen von Arbeitsarm und Oberwagen kann die Position und Stellung des Werkzeugs bzw. der Arbeitspunkt berechnet werden.
Da als Neigungssensoren aber auf dem Trägheitsmessprinzip beruhende Sensoren wie beispielsweise gravitationsempfindliche Pendel eingesetzt werden, sind sie auch gegen Beschleunigungen aufgrund von Erschütterungen und Vibrationen empfindlich, wie sie beim Einsatz derartiger Arbeitsmaschinen unvermeidlich auftreten. Insbesondere ergeben sich beim Beschleunigen und Abbremsen des angebauten Werkzeugs Messfehler. Derartige bewegungsbedingte Beschleunigungen können die Messung des Arbeitspunktes des Werkzeugs erheblich stören oder zeitweise unmöglich machen.
Dennoch können bei Stillstand des Werkzeugs exakte Referenzwerte zur Berechnung des Istwertes eines Arbeitspunktes beim Start und am Ende einer Änderung des Arbeitspunktes durch die Neigungssensoren unter Auswertung in einem zentralen Steuergerät ermittelt werden. Für eine Arbeitspunktregelung zur Verfolgung und Regelung von Änderungen der Position bzw. des Arbeitspunktes des Werkzeugs sind Neigungssensoren jedoch ungeeignet, da sie nur bei Stillstand der Arbeitsmaschine exakte Messwerte der Neigungen liefern.
Aus anderen technischen Gebieten ist es bekannt, beispielsweise zur Positionsregelung eines Roboters, eines Flugkörpers oder eines Fahrzeugs eine Kombination aus beschleunigungsbasierten Neigungs- und Drehratensensoren einzusetzen. Die WO 01/57474 A1 offenbart ein derartiges Verfahren, in dem eine Quaternionendarstellung zur Berechnung eines Arbeitspunktes eingesetzt wird. Derartige Systeme sind vom hoher Komplexität und mit hohen Kosten verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine mobile Arbeitsmaschine mit einer Vorrichtung zur Positionserkennung und Arbeitspunktregelung für Anbaugeräte anzugeben, die mit wenigen einfach zu integrierenden Bauteilen ein automatisches Anfahren eines Arbeitspunktes ermöglicht. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für eine derartige Arbeitspunktregelung anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Eine erfindungsgemäße mobile Arbeitsmaschine weist einen Arbeitsarm auf, der mit einem ersten Ende an einem Oberwagen der Arbeitsmaschine gelenkig angeordnet ist. Ein Werkzeug ist an einem zweiten Ende des Arbeitsarms an einen Arbeitspunkt beweglich angeordnet. Mindestens ein erster Neigungssensor ist an dem Oberwagen und mindestens ein zweiter Neigungssensor ist an dem Arbeitsarm angeordnet. Außerdem ist mindestens ein Hydraulikzylinder der zum Lageändern des Arbeitspunktes gelenkig zwischen Oberwagen und Arbeitsarm angeordnet ist, vorgesehen. Weiterhin ist ein Steuergerät zur Verarbeitung von Signalen der mindestens zwei Neigungssensoren zur Bestimmung eines Arbeitspunktes als Referenzarbeitspunkt und zur Ermittlung einer Lageänderung des Arbeitspunktes mittels Berechnung eines Zylinderweges anhand eines Volumenstroms in den oder aus dem Hydraulikzylinder vorgesehen.
Diese mobile Arbeitsmaschine hat den Vorteil, dass durch Überwachung der Istposition vor einer Lageänderung als Referenzposition und während der Lageänderung durch eine Zylinderwegstrecke mit einfachen Regel- und Messkomponenten verwirklicht werden kann, wobei die Änderung des Zylinderweges eine neue Istposition ermöglicht, die bei Stillstand des Arbeitsarms durch eine genaue Lageposition überprüft werden kann und die Differenz zu einem Sollwert durch Rückführung der exakt gemessenen Istposition in das Steuergerät über einen Rückkopplungszweig die Differenz zwischen Istposition und Sollposition ausgeglichen werden kann.
Somit sind für die Regelvorrichtung lediglich mindestens zwei Neigungssensoren vorzusehen. Der erforderliche Zylinderweg für eine Lageänderung kann hingegen durch den bekannten Volumenstrom und die bekannten Zylinderabmaße über eine Zeiterfassung oder eine Zeitvorgabe bestimmt werden. Damit wird eine preiswerte Lösung für die Überwachung und Regelung der Positionsänderungen des Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine erreicht. Somit wird die Realisierung einer Positionserkennung für die Anbaugeräte einer mobilen Arbeitsmaschine mit einfachen, wenigen, integrierbaren Bauteilen möglich und durch die nun gegebene Möglichkeit eines automatischen Anfahrens von Arbeitspositionen wird in vorteilhafter Weise die Umschlagleistung der mobilen Arbeitsmaschine , verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Arbeitsarm eine Anzahl von gelenkig miteinander verbundenen Segmenten auf. Dabei ist jedes dieser Segmente mit einem zusätzlichen Hydraulikzylinder ausgestattet, um es gegenüber den anderen Segmenten des Arbeitsarms zu bewegen. Jedes der Segmente des Arbeitsarms benötigt dann zur Referenzpunktbestimmung einen zusätzlichen Neigungssensor und für die Lageveränderung eines derartigen Segmentes kann wiederum der Zylinderweg herangezogen werden, der über den Volumenstrom in den entsprechenden zusätzlichen Hydraulikzylindern berechenbar ist.
Wenn der Oberwagen mit einem Fahrwerk starr verbunden ist, wie es bei einem Traktor der Fall ist, kann mit den erfindungsgemäßen Komponenten der Arbeitspunkt des Werkzeugs relativ zum Traktor bestimmt werden. Bei Baggern jedoch ist der Oberwagen gegenüber dem Fahrwerk horizontal drehbar gelagert, so dass ineiner weiteren Ausführungsform der Erfindung zusätzlich eine Drehwinkelerfassung zur Arbeitpunktermittlung vorgesehen ist. Diese Drehwinkelerfassung des Oberwagens gegenüber dem Fahrwerk ermöglicht nun in vorteilhafter Weise räumlich den Arbeitspunkt in einem dreidimensionalen Koordinatensystem und dessen Lageänderung zu erfassen.
Vorzugsweise weisen die Neigungssensoren, die den Referenzarbeitspunkt der mobilen Arbeitsmaschine in einer Ausgangsruhestellung exakt erfassen können und auch die Istposition einer Lageänderung durch den Hydraulikzylinder erfassen, Pendelkörper, refraktierende Flüssigkeitsspiegel, mikromechanische oder konduktometrische oder kapazitivwirkende Strukturen auf. In diesem Zusammenhang werden als mobile Arbeitsmaschinen Bagger, Traktoren mit Frontlader, Teleskoplader, Baggerlader, Radlader, Forstmaschinen, kommunale Arbeitsmaschinen, Landmaschinen und/oder Ladekräne vorgesehen.
Ein Verfahren zur Arbeitspunktregelung eines Arbeitsarms einer mobilen Arbeitsmaschine weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst werden Neigungen von Oberwagen und von einem am Oberwagen mit einem ersten Ende gelenkig angeordneten Arbeitsarm mittels Neigungssensoren gemessen. Danach wird eine erste Referenzposition des Arbeitspunktes an einem zweiten ein Werkzeug tragendem Ende des Arbeitsarms unter Berücksichtigung der Messergebnisse der gemessenen Neigungen berechnet. Schließlich erfolgt eine Lageänderung des Arbeitspunktes in eine vorgegebene Sollposition mittels eines Hydraulikvolumenstroms während eines begrenzten Zeitintervalls. Die Lageänderung wird anschließend unter Ermitteln einer Istposition des Arbeitspunktes durch die Neigungssensoren überprüft. Durch Vergleich der Istposition mit der vorgegebenen Sollposition, in die der Arbeitsarm geschwenkt werden soll, ergibt sich eine Differenz in Form einer Regelabweichung zwischen Soll- und Istpostion, die anschließend durch mehrfaches Wiederholen der ersten vier Verfahrensschritte zu einem Verringern einer Differenz zwischen Soll- und Istposition führt.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass durch wenige iterative Schritte erreicht werden kann, dass die Istposition nahezu die Sollposition erreicht, ohne dass komplexe Berechnungen oder komplexe Aufbauten oder komplexe Messtechniken erforderlich werden, um einen vorbestimmten geänderten Arbeitspunkt exakt zu erreichen. Dabei werden zur Berechnung der Lageänderung des Arbeitspunktes der bekannte Volumenstrom, die wirksame Kolbenfläche und die Zeitspanne berücksichtigt. Aus dem zu verfahrenden Weg für eine Lageänderung kann der Ölstrom und die Betätigungsdauer berechnet und die Arbeitsmaschine entsprechend gesteuert werden, um beispielsweise ein automatisches Anfahren von Arbeitspunkten zu ermöglichen. Erste Ergebnisse zeigen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hohe Positionsgenauigkeit des geänderten Arbeitspunktes erreichbar ist. Die Abweichungen zwischen Istposition und Sollposition kann schließlich durch iterative Schritte vermindert werden.
Vorzugsweise wird ein Speichern von Fehlerabweichungen für geänderte Arbeitspositionen in der Recheneinheit gespeichert, so dass diese Fehlerabweichung bereits bei der Lageänderung berücksichtigt werden kann, um den Nachregelaufwand zu verkleinern.
Außerdem ist es möglich, Sicherheitspositionen für die Arbeitspunkte zu erfassen und mittels eines Teaching-Verfahrens kritische Arbeitspunkte zu speichern, die von der mobilen Arbeitsmaschine mit Arbeitsarm dann nicht mehr überschritten werden. Weiterhin ist es möglich, gleichbleibende Lageänderungen zu erfassen und mittels eines Teaching-Verfahrens so zu speichern, dass eine Nachregelung nicht erforderlich wird.
Bei all diesen Verfahrensvarianten ist es jedoch wichtig, dass die Messung der jeweiligen Referenzposition und der Istposition mittels der Neigungssensoren in einer Ruhestellung der mobilen Arbeitsmaschine und des Arbeitsarms erfolgen.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer mobilen Arbeitsmaschine einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt eine schematische Darstellung einer mobilen Arbeitsmaschine einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
3 zeigt ein schematisches Diagramm zu einer Lageänderung eines Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine mit abgewinkeltem Arbeitsarm;
4 zeigt schematische Darstellungen zur Berechnung des Zylinderweges über den Volumenstrom zu einem Hydraulikzylinder mit einem Einlass vor und einem Einlass hinter dem Zylinderkolben;
5 zeigt ein Blockschaltbild einer Regelvorrichtung zur Lageänderung eines Arbeitspunktes eines Arbeitsarms einer mobilen Arbeitsmaschine.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer mobilen Arbeitsmaschine 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese Arbeitsmaschine 1 ist ein Bagger 11, der einen Oberwagen 6 auf einem Fahrwerk 13 aufweist, wobei der Oberwagen 6 gegenüber dem Fahrwerk 13 um einen horizontalen Drehwinkel geschwenkt werden kann. An dem Oberwagen 6 ist ein Aufbaugerät 22 mit einem Arbeitsarm 4 angeordnet, der mit einem ersten Ende 5 gelenkig an dem Oberwagen 6 angebracht ist und der an einem zweiten Ende 8, das gleichzeitig als Arbeitspunkt 10 betrachtet werden kann, ein Werkzeug 7 aufweist, das in dieser Ausführungsform eine Baggerschaufel 24 ist.
Der Arbeitsarm 4 ist abgewinkelt in einem festen Winkel a, so dass sich aus den Längen l₁ und l₂ der zueinander in dem Winkel a abgewinkelten Schenkel des Arbeitsarms 4 eine wirksame Arbeitsarmlänge l₃ ergibt. Um eine exakte Messung beispielsweise für den Arbeitspunkt 10 am Anfang einer Lageänderung exakt zu bestimmen, weist der Oberwagen 6 einen ersten Neigungssensor 9 und der Arbeitsarm 4 einen zweiten Neigungssensor 11 auf. Aus der Geometrie des Arbeitsarms 4 und mit Hilfe der Neigungswinkel der Neigungssensoren 9 und 11 kann eine Referenzposition des Arbeitspunktes 10 im Stillstand der mobilen Arbeitsmaschine 1 exakt ermittelt werden.
Nach einer Lageänderung des Arbeitspunktes 10 kann ein Istwert des Arbeitspunktes 10 wiederum im Stillstand der Arbeitsmaschine 1 ermittelt werden. Während der Lageänderung kann diese durch einen Zylinderweg s unter Berücksichtigung eines Volumenstroms für den Zeitraum der Änderung von Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikzylinder 12 oder aus dem Hydraulikzylinder 12 heraus bestimmt werden. Diese Istposition kann einerseits bei Stillstand der mobilen Arbeitsmaschine 1 erneut durch die Neigungssensoren 9 und 11 exakt bestimmt werden und die Differenz zu einem Sollwert kann iterativ durch mehrfaches Lageverändern und Bestimmen der Istposition nach der Lageänderung erfolgen.
Die Auswertung der Messsignale der Neigungssensoren 9 und 11 werden einem Steuergerät 15 zugeführt, das gleichzeitig die Volumenströme in den Hydraulikzylinder 12 und von dem Hydraulikzylinder 12 auswertet und daraus den Zylinderweg s bzw. den Verfahrweg des Kolbens berechnet, um während der gesamten Lageänderung fortlaufend basierend auf einen zu Beginn gemessenen Arbeitspunkt die Lageänderung zu registrieren. Nach Lageänderung des Arbeitspunktes 10 kann im Stillstand die Istposition dieses Arbeitspunktes 10 exakt durch die Neigungssensoren 9 und 11 überprüft und bestimmt werden. Durch Bestimmung der Regelabweichung kann der Fehler zwischen Ist- und Sollwert iterativ vermindert werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer mobilen Arbeitsmaschine 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese mobile Arbeitsmaschine 2 ist ein Traktor 16 mit einem Frontlader 17, der einen abgewinkelten Arbeitsarm 4 aufweist, wobei wiederum die Schenkel des Arbeitsarms 4 zueinander in einem festen Winkel a stehen und eine effektive Länge l₃ aus den Längen l₁ und l₂ der abgewinkelten Schenkel des Arbeitsarms berechnet werden kann. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Im Unterschied zur 1 ist hier ein Oberwagen auf dem Fahrwerk 13 angeordnet, der nicht gegenüber dem Fahrwerk 13, sondern nur mit dem Fahrwerk 13 gedreht werden kann.
3 zeigt ein schematisches Diagramm zu einer Lageänderung eines abgeknickten Arbeitsarms 4 mit den Schenkellängen l₁ und l₂, die in einem Winkel a zueinander abgeknickt sind, wobei der Knickpunkt P₁ bei einer Lageänderung zu dem Knickpunkt P₁' wandert und der Arbeitspunkt 8 in Form des Endpunktes P₂ des Arbeitsarms 4 zu dem geänderten Arbeitspunkt 8' bzw. P₂' wandert. Dabei ändert sich der Neigungswinkel β, der als Referenzwinkel angegeben ist, in den Neigungswinkel β' nach der Lageänderung, wobei β und β' über der Abszisse eines kartesischen Koordinatensystems mit xund y-Achse angeordnet sind. Der Neigungswinkel β bezeichnet die Differenz zwischen Fahrzeugreferenz FREF und der Referenz des Anbaugeräts REFAG. Während der Neigungswinkel β in den Neigungswinkel β' übergeht, kann der Knickpunkt P₁ in den Knickpunkt P₁' wandern, wobei der Knickpunkt P₁' eine Abszisse von P_1x = sin β'·I₁ aufweist und eine Koordinatenlänge von P_1y = cos β'·I₁.
Die Lageänderung des zweiten Punktes P₂, der gleichzeitig ein Arbeitspunkt 10 sein kann, verschiebt sich in den Punkt P₂' mit der Abszisse P_2x = sin d·I₃ und mit der Ordinate P_2y = cos d·I₃, wobei sich die Länge l₃ aus l₃ = I₁ ²+I₂ ²-2·I₁·I₂·cos a ergibt. Der Winkel d ergibt sich aus der Beziehung d = γ-β', wobei γ = β ist, wenn es sich um einen starren, abgewinkelten Arbeitsarm 4 handelt und sich a nicht ändert. Besteht jedoch der Arbeitsarm 4 aus zwei Segmenten, die den abgewinkelten Schenkeln des Arbeitsarms 4 entsprechen können, dann ergeben sich weitere Winkel und Längenzusammenhänge, die hier im Einzelnen nicht aufgeführt werden, die jedoch aus den geometrischen Randbedingungen jederzeit ableitbar sind. Dabei ist der Winkel β die Differenz zwischen der Fährzeugreferenz, die praktisch eine Arbeitsebene sein kann und der Referenz des Anbaugeräts in Bezug auf einen ersten Schenkel des abgewinkelten Arbeitsarms 4. 3 macht damit deutlich, dass mit Hilfe der Neigungssensoren bei Stillstand der mobilen Arbeitsmaschine die Arbeitspunktänderung sowohl in einer Ausgangsposition als auch in einer Endposition exakt bestimmbar sind.
4 zeigt schematische Darstellungen zur Berechnung des Zylinderweges s über den Volumenstrom Q zu einem Hydraulikzylinder 12 mit Einlässen E₁ und E₂ vor bzw. hinter dem Zylinderkolben 23. Erfolgt ein Volumenstrom Q₁ in den Hydraulikzylinder 12 über die Öffnung E₁, so ist die wirksame Kolbenfläche A₁ eine Kreisfläche, die dem Innendurchmesser D des Zylinders 23 entspricht und ergibt sich aus A₁ = D²·p/4. Daraus folgt eine Kolbengeschwindigkeit v₁ = Q₁/A₁ in beispielsweise cm pro Sekunde (cm/s). Wird ein Volumenstrom Q₂ über den Eingang E₂ in den Zylinder 12 gepresst, so ergibt sich die Kolbengeschwindigkeit v₂ = Q₂/A₂ mit der wirksamen Kolbenfläche A₂ = (D₂ ²-d₂ ²)·p/4, was einem Kreisring entspricht.
Somit ergeben sich unterschiedliche Kolbengeschwindigkeiten bei gleichem Volumenstrom, je nachdem ob der Volumenstrom über den Eingang E₁ oder über den Eingang E₂ dem Zylinder 12 zugeführt wird. Da die Kolbengeschwindigkeit v der Kolbenweg bzw. Zylinderweg s geteilt durch t ist, d.h. v = s/t, und die Volumengeschwindigkeit Q = v·A und damit Q = s·A/t ist, mit dem Volumenstrom Q in cm³/s, die Zeitdifferenz t in s und die Fläche A in cm², ergibt sich der Zylinderweg, der dem Kolbenweg entspricht als s = Q·t/A, woraus ein Kennlinienfeld für den Zylinder erstellt werden kann, aus dem dann der Zylinderweg bzw. der Verfahrweg des Kolbens resultiert.
Somit ist es möglich, während der Lageänderung des Arbeitsarms die Änderung des Arbeitspunktes ständig zu verfolgen und einen ersten Istwert für die geänderte Lage des Arbeitspunktes auszugeben, die dann mit Hilfe der Neigungssensoren im Stillstand der Arbeitsmaschine als gesicherter Istwert erfasst und die Differenz zwischen Istwert und einem Sollarbeitspunkt kann dann als Regelgröße zurückgekoppelt werden, um iterativ den Sollwert des Arbeitspunktes für Anbaugeräte einer mobilen Arbeitsmaschine zu erreichen.
5 zeigt ein Blockschaltbild einer Regelvorrichtung 3 zur Lageänderung eines Arbeitspunktes eines Arbeitsarms einer mobilen Arbeitsmaschine. Von einem Bedienpult 18 aus wird ein Lagesollwert P_S vorgegeben, um den sich der Arbeitspunkt des Arbeitsarms der mobilen Arbeitsmaschine verändern soll. Dazu wird zunächst eine Referenzpositiön P_ref mit Hilfe des Lagekontrollblockes 19 ermittelt, in den die Messwerte der Neigungssensoren 9 und 11 an einem Oberwagen der Arbeitsmaschine und am Arbeitsarm eingehen.
Von diesem Referenzwert Pref aus wird gleichzeitig über den Lageänderungsblock 20 die Lageänderung um ΔP in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz Δt und dem Volumenstrom Q erfasst und ein erster Lageistwert bzw. eine erste Stellgröße P_i1 ermittelt, die mit Hilfe des Lagekontrollblockes 19 bei Stillstand der mobilen Arbeitsmaschine kontrolliert und als P_i2 festgestellt wird, so dass mit dem Regelblock 21 die Abweichung der kontrollierten Lageposition als Istwert P_i2 mit dem Sollwert P_S verglichen werden kann und über einen Rückkopplungszweig 25 nun erneut der Lageänderungsblock 20 angesteuert werden kann, um die Differenz zwischen dem Sollwert P_S und dem exakten Istwert P_i2 zu verringern.
Bezugszeichenliste

1: mobile Arbeitsmaschine (1. Ausführungsform)
2: mobile Arbeitsmaschine (2. Ausführungsform)
3: Regelvorrichtung
4: Arbeitsarm
5: erstes Ende des Arbeitsarms
6: Oberwagen
7: Werkzeug
8: zweites Ende des Arbeitsarms
9: erster Neigungssensor
10: Arbeitspunkt
11: zweiter Neigungssensor des Arbeitsarms
12: Hydraulikzylinder
13: Fahrwerk
14: Bagger
15: Steuergerät
16: Traktor
17: Frontlader
18: Bedienpult
19: Lagekontrollblock
20: Lageänderungsblock
21: Regelblock
22: Aufbaugerät
23: Zylinderkolben
24: Baggerschaufel
25: Rückkopplungszweig
A1: wirksame Kolbenfläche für Q₁
A2: wirksame Kolbenfläche für Q₂
Pi: Istposition
Ps: Sollposition
P1: Referenzarbeitspunkt
P1': zweiter Arbeitspunkt
ΔP: Lagedifferenz bzw. Lageänderung
Q: Volumenstrom
s: Zylinderweg
Δt: Zeitdifferenz
ΔQ: Volumenstromdifferenz

Claims

Mobile Arbeitsmaschine mit Regelvorrichtung (3) mit einem Arbeitsarm (4), aufweisend: - einen Arbeitsarm (4), der mit einem ersten Ende (5) an einem Oberwagen (6) der Arbeitsmaschine (1) gelenkig angeordnet ist; - ein Werkzeug (7), das an einem zweiten Ende (8) des Arbeitsarms (4) um einen Arbeitspunkt (10) beweglich angeordnet ist; - mindestens einen an dem Oberwagen (6) angeordneten ersten Neigungssensor (9); - mindestens einen an dem Arbeitsarm (4) angeordneten zweiten Neigungssensor (11); - mindestens einen Hydraulikzylinder (12) der zum Ändern des Arbeitspunktes (10) gelenkig zwischen Oberwagen (6) und Arbeitsarm (4) angeordnet ist; - ein Steuergerät (15) zur Verarbeitung der Signale der mindestens zwei Neigungssensoren (9, 11) zur Bestimmung eines ersten Arbeitspunktes (10) als Referenzarbeitspunkt (P₁) und zur Ermittlung einer Lageänderung (ΔP) des Arbeitspunktes (10) mittels Berechnung eines Zylinderweges (s) anhand eines Volumenstroms (Q) in den oder aus dem Hydraulikzylinder (12) zu einem zweiten Arbeitspunkt (P₁') für ein begrenztes Zeitintervall (Δt).
Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, wobei der Arbeitsarm (4) eine Anzahl von gelenkig miteinander verbundenen Segmenten aufweist.
Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Oberwagen (6) gegenüber einem Fahrwerk (13) drehbar gelagert ist und eine Drehwinkelerfassung zur Arbeitpunktermittlung vorgesehen ist.
Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Neigungssensoren (9, 11) Pendelkörper, refraktierende Flüssigkeitsspiegel, mikromechanische oder konduktometrische oder kapazitivwirkende Strukturen aufweisen.
Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mobile Arbeitsmaschine (1) als Bagger (14), als Traktor (16) mit Frontlader (17), als Teleskoplader, als Baggerlader, als Radlader, als Forstmaschine, als kommunale Arbeitsmaschine, als Landmaschine oder als Ladekran ausgebildet ist.
Verfahren zur Arbeitspunktregelung eines Arbeitsarms (4) einer mobilen Arbeitsmaschine (1), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: a) Messen der Neigungen von einem Oberwagen (6) und von einem am Oberwagen (6) mit einem ersten Ende (5) gelenkig angeordneten Arbeitsarm (4) mittels Neigungssensoren (9, 11); b) Berechnen einer ersten Referenzposition (P₁) des Arbeitspunktes (10) an einem zweiten ein Werkzeug (7) tragendem Ende (8) des Arbeitsarms (4) unter Berücksichtigung der Messergebnisse der gemessenen Neigungen; c) Lageändern (ΔP) des Arbeitspunktes (10) in eine vorgegebene Sollposition (P_s) mittels eines Hydraulikvolumenstroms (Q) während eines begrenzten Zeitintervalls (Δt) in oder aus einem Hydraulikzylinder (12), der zwischen Oberwagen (6) und dem Arbeitsarm (4) gelenkig angeordnet ist; d) Ermittlung der Lageänderung (ΔP) des Arbeitspunktes (10) mittels Berechnung eines Zylinderweges (s) anhand eines Volumenstroms (Q) in den oder aus dem Hydraulikzylinder (12) zu einem zweiten Arbeitspunkt (P1´), als geänderte Arbeitsposition (P1´), für das begrenzte Zeitintervall (Δt) e) Überprüfen der geänderten Arbeitsposition (P₁') unter Ermitteln einer Istposition (P_i) (P₁') durch die Neigungssensoren (9, 11); f) Mehrfaches Durchführen der Schritte a) bis e) zum Verringern einer Differenz (ΔP) zwischen Soll- (P_s) und Istposition (P_i).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei zur Berechnung der Lageänderung (ΔP) des Arbeitspunktes (10) die wirksame Kolbenfläche (A₁, A₂) des Hydraulikzylinders (12) und das Zeitintervall (Δt) während der Lageänderung (ΔP) des Arbeitspunktes (10) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei zunächst ein Drehwinkel zwischen dem Oberwagen (6) und einem Fahrwerk (13) der Arbeitsmaschine (1) erfasst wird und nach Lageänderung (ΔP) der Arbeitsposition (P₁) ein geänderter Drehwinkel in der Berechnung der geänderten Arbeitsposition (P₁') berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Arbeitsarm (4) aus einer Mehrzahl von gelenkig miteinander verbundenen Segmenten zusammengesetzt wird und an jedem Segment ein Neigungssensor angeordnet wird und der Volumenstrom mindestens eines zugehörigen weiteren Hydraulikzylinders bei der Lageänderung (ΔP) des Arbeitspunktes (10) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei ein Speichern von Fehlerabweichungen für geänderte Arbeitspositionen (P₁') in der Recheneinheit und ein Berücksichtigen derselben in dem Verfahrensschritt c) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei Sicherheitspositionen für den Arbeitspunkt (10) erfasst und mittels eines Teaching-Verfahrens für kritische Arbeitspunkte gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei gleichbleibende Lageänderungen (ΔP) erfasst und mittels eines Teaching-Verfahrens gespeichert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Messung der Istposition (P_i) mittels der Neigungssensoren (9, 11) in einer Ruhestellung der mobilen Arbeitsmaschine (1, 2) und des Arbeitsarms (4) erfolgt.