DE102013019937A1 - Control device for controlling a cantilever arm - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines Auslegerarmes vorgestellt, einen Auslegerarm mit definierter Kinematik der Teilarme, Stellglieder und Positionssensoren aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass ein maßstäblich verkleinertes Modell der Kinematik des Auslegerarms manuell bewegbar ist, die Lage der Teilarme des verkleinerten Modells erfassbar ist und die Lage der Teilarme des verkleinerten Modells mittels der Stellglieder und Positionssensoren auf den Auslegerarm übertragbar ist.A control device for controlling a cantilever arm is presented, having a cantilever arm with defined kinematics of the partial arms, actuators and position sensors, characterized in that a scaled-down model of the kinematics of the cantilever arm is manually movable, the position of the partial arms of the miniaturized model can be detected and Location of the arms of the miniature model by means of the actuators and position sensors on the boom is transferable.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Auslegerarms insbesondere einer Land-Forst oder Baumaschinen. Darüber hinaus sind auch stationäre Anlagen an Land oder Ausleger auf Schiffen mit der erfindungsgenmäßen Steuereinheit steuerbar.The invention relates to a method for controlling a boom arm in particular a land forestry or construction machinery. In addition, stationary systems on land or outriggers on ships with the erfindungsgenmäßen control unit are controllable.

Auslegerarme sind in vielen Varianten bekannt. An Forstmaschinen werden häufig Auslegerarme zur Manipulation von Fäll- oder Ernteköpfen oder zum Laden von Holz verwendet. Die Auslegerarme weisen unterschiedliche Geometiren auf, weit verbreitet sind Linear- oder Ladekräne. Für Landmaschinen sind speziell Frontlader entwickelt worden, die im Frontbereich des Fahrzeugs angebracht sind. Ebenso verfügen Landmaschinen über Lader im Heckbereich die fest angebaut oder anbaubar sind. Baumaschinen insbesondere Bagger weisen meist einen Hubarm und einen mit diesem gelenkig verbunden Löffelstiel auf. Hierbei kann der Hubarm noch weitere Gelenke, insbesondere bei mobilen Radbaggern aufweisen, um eine Abnahme entsprechend der Straßenverkehrsordnung zu erhalten oder um Sonderwerkzeuge oder Schnellwechselvorrichtungen betrieben zu können.Extension arms are known in many variants. Forestry machines often use cantilever arms to manipulate felling or harvesting heads or to load timber. The cantilever arms have different geometics, widespread are linear or loading cranes. For agricultural machines especially front loaders have been developed, which are mounted in the front of the vehicle. Likewise, agricultural machines have loaders in the rear area that are permanently attached or attachable. Construction machines, in particular excavators, usually have a lifting arm and a dipper stick connected to it in an articulated manner. Here, the lift arm may have other joints, especially in mobile wheeled excavators to obtain a decrease according to the Highway Code or to operate special tools or quick change devices.

All diesen unterschiedlichen Auslegerarmen ist gemeinsam, dass sie von einem Bediener über Steuergeräte bedien- und steuerbar sind. Bei den Steuergeräten handelt es sich meist um Joysticks deren Auslenkung ein Maß für die Bewegungsgeschwindigkeit eines Teilarms des Auslegerarmes ist, dessen Bewegungsrichtung mehr oder weniger selbsterklärend dem des Joysticks folgt.All these different boom arms have in common that they can be operated and controlled by an operator via control units. The controllers are usually joysticks whose deflection is a measure of the speed of movement of a part of the boom arm, the direction of movement more or less self-explanatory follows the joystick.

So ist beispielsweise aus der Gebrauchsmusterschrift DE 21 2010 000 120 U1 ein Bagger, insbesondere Ladeschaufel- oder Löffelbagger, mit einem Unter- oder Fahrgestell, einem auf diesem verschwenkbar gelagerten Oberwagen, einer am Oberwagen angeschlossenen, heb- und senkbaren und/oder vor- und zurückziehbaren Auslegervorrichtung angeordneten, betätigbaren Grabgefäß, wobei diese relativ zueinander beweglichen Bauelemente oder Bauelementgruppen mittels steuerbaren, vorzugsweise elektrischen, hydraulischen und/oder pneumatischen Antrieben betätigbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe mittels eines gemeinsamen Einhand-Steuerhebels in Form eines mittels einer einzigen Hand einer Bedienperson manipulierbaren Kreuzhebel-Joysticks steuerbar sind.For example, from the utility model DE 21 2010 000 120 U1 an excavator, in particular loading bucket or backhoe, with a lower or chassis, a pivotally mounted on this superstructure, a connected to the superstructure, raised and lowered and / or forward and retractable boom device arranged, operable grave vessel, which are relatively movable Components or component groups by means of controllable, preferably electrical, hydraulic and / or pneumatic actuators are actuated, characterized in that the drives are controllable by means of a common one-hand control lever in the form of a manipulated by a single hand of an operator joystick joystick.

Eine weitere bekannte Möglichkeit einen Auslegerarm zu steuern basiert auf der Eintragung einer Kraft oder eines Moments in einen Joystick.Another known way to control a boom is based on the entry of a force or moment into a joystick.

Aus der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2004 018 299 U1 ist eine Baumaschine wie Bagger, Raupe Radlader oder dergleichen bekannt, mit zumindest einem Arbeitswerkzeug, das mittels einer elektronischen Steuerung betätigbar ist, wobei die Steuerung einen vorzugsweise mehrachsig bewegbaren Steuergriff, insbesondere- knüppel, zur Erzeugung von Steuerbefehlen für das Arbeitswerkzeug aufweist, wobei an dem Steuergriff zumindest ein Betätigungselement angeordnet ist, dessen Betätigung mittels einer Sensoreinrichtung erfasst und in ein Steuersignal umgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensoreinrichtung ein Kraft- und/oder Momentenmesser vorgesehen ist, der mit dem Betätigungselement ausgeübte Betätigungskräfte und/oder -momente erfasst.From the utility model DE 20 2004 018 299 U1 a construction machine such as excavator, tracked wheel loader or the like is known, with at least one working tool which is actuated by means of an electronic control, wherein the controller has a preferably multi-axially movable control handle, in particular billet, for generating control commands for the working tool, wherein the Control handle is arranged at least one actuating element, the actuation of which is detected by means of a sensor device and converted into a control signal, characterized in that a force and / or torque meter is provided as a sensor device, which detects actuation forces and / or torques exerted with the actuating element.

Die Ansteuerung mittels eines indirekt funktionierenden Joysticks legt nahe, dass einzelne Arbeitsabläufe automatisiert werden, was wiederum die Kenntnis der Position des Auslegerarm voraussetzt.The control by means of an indirectly functioning joystick suggests that individual work processes are automated, which in turn requires the knowledge of the position of the boom.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2008 012 301 A1 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung und Regelung der Position eines beweglichen Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine, welches folgende Schritte aufweist: Es wird zumindest eine Größe A zu einem Zeitpunkt ti gemessen, wobei A eine Aussage über die Position des Arbeitsarms erlaubt. Außerdem wird die Größe A zu einem Zeitpunkt ti+1 gemessen. Der Messwert A(ti+1) wird an ein Empfangsgerät gesendet, falls |A(ti) – A(ti+1)| = s gilt, wobei s ein festgelegter Schwellenwert ist.The publication DE 10 2008 012 301 A1 describes a method for controlling and regulating the position of a movable working arm of a working machine, comprising the following steps: At least one size A is measured at a time t i , wherein A allows a statement about the position of the working arm. In addition, the quantity A is measured at a time t i + 1 . The measured value A (t i + 1 ) is sent to a receiving device if | A (t i ) -A (t i + 1 ) | = s, where s is a set threshold.

Bei allen Eingabeverfahren bleibt jedoch für den Bediener immer die Schwierigkeit, die Bewegungsmöglichkeiten des Joysticks auf die Kinematik des Auslegerarms umlegen zu müssen. Insbesondere Drehbewegungen des Auslegerarms sind durch Joysticks nicht darstellbar. Ebenso wie Zusatzfunktionen, die auf dem Joystick beispielsweise durch Drucktaster umgesetzt werden.In all input methods, however, the operator always has the difficulty of having to move the movement possibilities of the joystick to the kinematics of the cantilever arm. In particular, rotational movements of the cantilever arm can not be represented by joysticks. As well as additional functions, which are implemented on the joystick, for example by push buttons.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines Auslegerarms vorzustellen, der dem Bediener intuitiv die Steuerung des Auslegerarms ermöglicht.The object of the invention is therefore to introduce a control device for controlling a cantilever arm, which allows the operator to intuitively control the cantilever arm.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 5 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is solved by the characterizing features of independent claims 1, 5 and 6. Advantageous embodiments are described in the subclaims.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein maßstäblich verkleinertes Modell des Auslegerarms manuell bewegbar ist. Das Modell besitzt alle Bewegungsmöglichkeiten der Kinematik des Auslegerarms inklusive der Endanschläge. Es bleibt dahingestellt um welche Arten von Auslegerarme es sich handelt. Beispielhaft seien hier die weite Palette der Ladekräne, Linearkräne, Gestänge, beispielsweise für landwirtschaftliche Feldspritzen, oder einfache Räum- und/oder Planierschilde erwähnt. Ebenso können geeignete Werkzeuge wie beispielweise Hoch- oder Tieflöffel, Schalengreifer oder forstwirtschaftliche Ernteköpfe, sofern diese anlenkbare Kinematiken aufweisen, Bestandteil des verkleinerten Modells sein.The advantage of the invention is that a scaled down model of the cantilever arm is manually movable. The model has all the possibilities of movement of the kinematics of the boom including the end stops. It remains to be seen what types of cantilever arms it is. Exemplary here are the wide range of loading cranes, linear cranes, linkage, for example, agricultural sprayers, or simple clearing and / or dozer blades mentioned. Likewise, suitable tools such as high or backhoes, claw grabs or forestry harvesting heads, if they have articulated kinematics, be part of the reduced model.

Voraussetzung der Teilarme des Auslegerarms um als Bestandteil des verkleinerten Modells zu gelten ist die durch Stellglieder, vorzugsweise hydraulische oder pneumatische Linearzylinder, aber auch Drehmotoren, definierbare Lage zueinander. Diese Lage der Teilarme zueinander wird im verkleinerten Modell vorteilhaft durch Winkel- oder Lagesensoren aufgenommen. Die Winkel der Teilarme zueinander entsprechen dabei den Winkeln der Teilarme des Auslegerarms, wohingegen die Entfernungen der Teilarme zueinander maßstäblich einer Umrechnung bedürfen.The requirement of the partial arms of the cantilever arm to be considered part of the scaled-down model is the position which can be defined by actuators, preferably hydraulic or pneumatic linear cylinders, but also rotary motors. This position of the partial arms relative to one another is advantageously accommodated in the reduced model by angle or position sensors. The angles of the partial arms to one another correspond to the angles of the partial arms of the cantilever arm, whereas the distances of the partial arms to each other in scale require a conversion.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist in Patentanspruch 2 beschrieben. Als vorteilhaft für die Manipulation von Auslegerarmen haben sich pneumatische und/oder hydraulische Linearzylinder durchgesetzt. Rotatorische Bewegungen sind beispielsweise durch Drehmotoren oder Zahnstangen-Schwenkwerke realisierbar, die ebenfalls pneumatisch oder hydraulisch antreibbar sind. Alle Varianten sind einfach durch entsprechende Ventile ansteuerbar und durch Pumpen mit der notwendigen Energie versorgbar.An advantageous embodiment is described in claim 2. As advantageous for the manipulation of boom arms pneumatic and / or hydraulic linear cylinders have prevailed. Rotary movements can be realized for example by rotary motors or rack and pinion swivels, which are also pneumatically or hydraulically driven. All variants can be easily controlled by appropriate valves and powered by pumps with the necessary energy.

Die Lagebestimmung der Teilarme zueinander und damit letztendlich die Bestimmung der Lage des Auslegerarmes, eventuell mit angebauten Werkzeugen, wird vorteilhaft durch Winkelgeber oder Abstandsmesser ermittelt. Die Winkelgeber, die an den gelenkig verbundenen Teilarmen angebracht sind nehmen an dem verkleinerten Modell die Winkel der Teilarme zueinander auf und zeigen am Auslegerarm die Lage der Teilarme zueinander an. Abstandsmesser messen Abstände von definierten Punkten an den Teilarmen des verkleinerten Modells und zeigen am Auslegerarm die Lage identischer definierter Punkte, entsprechend der maßstäblichen Umrechnung, an. Diese vorteilhafte Ausgestaltung ist in Patentanspruch 3 beschrieben.The orientation of the arms to each other and thus ultimately the determination of the position of the boom, possibly with attached tools, is advantageously determined by angle encoder or distance meter. The angle encoders, which are attached to the articulated sub-arms take on the scaled-down model, the angle of the sub-arms to each other and indicate the position of the arms on the boom to each other. Distance meters measure distances from defined points on the partial arms of the reduced model and indicate the position of identical defined points on the extension arm, according to the scale conversion. This advantageous embodiment is described in claim 3.

Das verkleinerte Modell behält nach einer manuellen durchgeführten Bewegung die Endlage bei um Aufschluss darüber zu gebe welche Sollwerte eingenommen werden sollen. Im Gegensatz zu Joysticks, die nach einer Betätigung wieder in ihre Nullstellung zurückschwenken, wird das verkleinerte Modell nicht in eine Nullstellung zurückbewegt, sondern die Stellung bietet ständig Aufschluss über die Solllage des Auslegerarms. Die Solllage des Auslegerarms ist ein wichtiger Hinweis für den Bediener, besonders dann, wenn die Werkzeuge am Auslegerarm aus der Bedienerposition heraus nicht einsehbar sind.The reduced model retains the end position after a manual movement in order to provide information about which setpoints should be taken. In contrast to joysticks, which pivot back to their zero position after an actuation, the reduced model is not moved back to a zero position, but the position provides constant information about the desired position of the boom. The desired position of the cantilever arm is an important tip for the operator, especially if the tools on the cantilever arm from the operator position are not visible.

Der nebengeordnete Anspruch 5 beschreibt einen Auslegerarm mit einer Steuereinrichtung, die als verkleinertes Modell des Auslegerarms dargestellt ist. Bewegungen, die manuell an der Steuereinrichtung – dem verkleinerten Modell – durchgeführt werden, wird der erfindungsgemäße Auslegerarm sklavisch folgen. Die Position der einzelnen Teilarme des Auslegerarms und des verkleinerten Modells – der Steuereinrichtung – sind zu jeder Zeit identisch.The independent claim 5 describes a boom with a control device, which is shown as a reduced model of the boom. Movements that are performed manually on the control device - the reduced model - will follow slavish arm according to the invention slavishly. The position of the individual arms of the boom and the miniature model - the controller - are identical at all times.

Anspruch 6 beschreibt ein Verfahren zur Steuerung eines Auslegerarms bei dem ein Bediener manuell ein verkleinertes Modell bewegt und die Bewegungen auf den Auslegerarm übertragen werden. Es ist für den Bediener nicht erforderlich über Geschwindigkeiten und Wirkrichtungen der Stellglieder informiert zu sein, die für die entsprechende Bewegung notwendig sind. Die Konzentration kann vollends auf beispielsweise ein Grabwerkzeug und dessen Manipulation im Raum gerichtet sein. Dabei ist lediglich vom Bediener das Grabwerkzeug des verkleinerten Modells manuell zu bewegen. Das Grabwerkzeug des Auslegerarms folgt sklavisch.Claim 6 describes a method for controlling a cantilever arm in which an operator manually moves a miniature model and the movements are transmitted to the cantilever arm. It is not necessary for the operator to be informed about the speeds and effective directions of the actuators necessary for the corresponding movement. The concentration can be completely directed to, for example, a grave tool and its manipulation in space. It is merely the operator to manually move the digging tool of the reduced model. The digging tool of the jib follows slavishly.

Die manuelle Bewegung der Teilarme des verkleinerten Modells ergibt den Sollwert der Lage des Auslegerarms. Der Auslegerarm wird mittels der Stellglieder dem Sollwert durch einen Soll-Istwertvergleich nachgeführt. Die Nachführung wird beendet wenn der Sollwert des verkleinerten Modells mit dem Istwert des Auslegers übereinstimmt.The manual movement of the partial arms of the reduced model gives the desired value of the position of the boom. The extension arm is tracked by means of the actuators the setpoint by a reference actual value comparison. The tracking is ended when the setpoint of the reduced model matches the actual value of the boom.

Es zeigt 1 ein erfindungsgemäßes verkleinertes Model eines Baggerauslegers und einen Baggerausleger in der Seitenansicht.It shows 1 an inventive miniature model of an excavator boom and an excavator boom in the side view.

Es zeigt 1 ein verkleinertes Modell 1 eines Baggerauslegers 2. An dem drehbaren Oberwagen 3 ist ein Hubarm 4 angeschlossen, an dem ein Löffelstiel 5 gelenkig gelagert ist. Am freien Ende des Löffelstiels 5 ist ein Tieflöffel 6 angebracht. Die jeweiligen Teilarme (4, 5) und das Werkzeug (6) weisen um die Gelenkpunkte 7 Verzahnungen 8 auf. Die Verzahnungen kämmen mit Zahnrädern von Servo-Verstellmotoren 9 die mit den jeweils korrespondierenden Teilarmen (4, 5) verbunden sind. Die Bewegungen der Teilarme zueinander werden über die Verzahnungen 8 auf die Servo-Verstellmotoren 9 übertragen. Die Servo-Verstellmotoren 9 sind mit einem Mikrocontroller 10 verkabelt. Für Bewegungen der Teilarme die über die Aufnahmekapazitäten der Servo-Verstellmotoren 9 hinausgehen, weist die Verzahnung 8 eine Übersetzung auf. Der Mikrocontroller 10 ist weiterhin mit den Winkelaufnehmer 11 des Auslegerarmes 12 verbunden. Ausgangsseitig steuert der Mikrocontroller 10 die Stellglieder 13 des Auslegerarms 12.It shows 1 a miniature model 1 an excavator boom 2 , On the revolving superstructure 3 is a lift arm 4 connected to which a dipper stick 5 is hinged. At the free end of the dipper 5 is a backhoe 6 appropriate. The respective partial arms ( 4 . 5 ) and the tool ( 6 ) point around the points of articulation 7 gearing 8th on. The gears mesh with gears of servo-adjusting motors 9 with the respective corresponding partial arms ( 4 . 5 ) are connected. The movements of the sub-arms to each other via the teeth 8th on the servo-adjusting motors 9 transfer. The servo-adjusting motors 9 are with a microcontroller 10 wired. For movements of the partial arms over the capacity of the servo-adjusting motors 9 go out, has the teeth 8th a translation on. The microcontroller 10 is still with the angle sensor 11 of the cantilever arm 12 connected. On the output side, the microcontroller controls 10 the actuators 13 of the extension arm 12 ,

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  • DE 102008012301 A1 [0008] DE 102008012301 A1 [0008]

Claims (7)

Steuereinrichtung zur Steuerung eines Auslegerarmes, einen Auslegerarm mit definierter Kinematik der Teilarme, Stellglieder und Positionssensoren aufweisend, dadurch gekennzeichnet, dass ein maßstäblich verkleinertes Modell der Kinematik des Auslegerarms manuell bewegbar ist, die Lage der Teilarme des verkleinerten Modells erfassbar ist und die Lage der Teilarme des verkleinerten Modells mittels der Stellglieder und Positionssensoren auf den Auslegerarm übertragbar ist.Control device for controlling a cantilever arm, having a cantilever arm with defined kinematics of the partial arms, actuators and position sensors, characterized in that a scaled down model of the kinematics of the cantilever arm is manually movable, the position of the partial arms of the reduced model can be detected and the position of the partial arms of the reduced model is transferable by means of the actuators and position sensors on the boom. Steuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellglieder hydraulische und/oder pneumatische Linearzylinder sind.Control device according to claim 1, characterized in that the actuators are hydraulic and / or pneumatic linear cylinders. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionssensoren Winkelgeber oder Abstandsmesser sind.Control device according to one of claims 1 and 2, characterized in that the position sensors angle encoder or distance meter. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilarme des verkleinerten Modells nach einer manuell durchgeführten Bewegung in der Endposition verbleiben.Control device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the partial arms of the reduced model remain after a manually performed movement in the end position. Auslegerarm mit einer Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung ein maßstäblich verkleinertes Modell der Kinematik des Auslegerarm ist und die Teilarme des Auslegerarms der Position der manuell bewegbaren Teilarme des verkleinerten Modells sklavisch folgen.Boom with a control device, characterized in that the control device is a scaled down model of the kinematics of the boom and the arms of the boom arm slavishly follow the position of the manually movable arms of the reduced model. Verfahren zur Steuerung eines Auslegerarms, dadurch gekennzeichnet, dass ein verkleinertes Modell einer Kinematik eines Auslegerarms manuell bewegt wird und der Auslegerarm sklavisch den Bewegungen des verkleinerten Modells folgt.Method for controlling a cantilever arm, characterized in that a reduced model of kinematics of a cantilever arm is moved manually and the cantilever arm slavishly follows the movements of the reduced model. Verfahren zur Steuerung eines Auslegerarms nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Winkelgeber am verkleinerten Modell eines Auslegerarms die Winkel der Teilarme zueinander aufnehmen, die Informationen an die Stellglieder des Auslegerarms als Sollwerte übermittelt werden ein Soll-Istvergleich durch die Winkelaufnehmer am Auslegerarm durchgeführt wird und die Stellglieder die Teilarme des Auslegerarmes bis zur Übereinstimmung des Soll- mit dem Istwert bewegen.Method for controlling a cantilever arm according to claim 7, characterized in that angle encoders on the reduced model of a cantilever arm receive the angles of the partial arms to each other, the information is transmitted to the actuators of the cantilever arm as setpoints, a target-actual comparison is performed by the angle sensor on the cantilever and the Actuators move the arms of the boom to match the setpoint with the actual value.
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