DE102016106427B3 - Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Gelenkschlauchträgers eines Saugbaggers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Gelenkschlauchträgers (40, der mindestens n > 2 Glieder (45) besitzt, wobei zwischen benachbarten Gliedern jeweils mithilfe eines zugeordneten Antriebs (47) eine Winkeländerung bewirkbar ist. Dabei werden folgende Schritte ausgeführt: a) Ermitteln der Ausgangsstellung der n Glieder (45) mithilfe von Sensoren (48); b) Einlesen eines Richtungsvektors und eines Geschwindigkeitsparameters; c) Bestimmen einer Zielposition, welche eine Saugkrone (43) am freien Ende des letzten Glieds einnehmen soll; d) Bestimmen von n Winkeländerungen, die an den n Gliedern (45) ausgeführt werden müssen, um die Zielposition zu erreichen, unter Einhaltung folgender Bedingung: d.i. die Saugkrone (43) verfährt entlang einer geraden Bewegungsbahn in die Zielposition; e) Ansteuern der den n Gliedern (45) zugeordneten Antriebe (47), um die zuvor bestimmte Winkeländerung an den n Gliedern (45) vorzunehmen; f) zyklisches Wiederholen der genannten Verfahrensschritte, bis der Richtungsvektor und/oder der Geschwindigkeitsparameter gleich Null sind. Die Erfindung betrifft auch einen Saugbagger (01) dessen Steuereinheit so konfiguriert ist, dass das zuvor genannte Verfahren ausgeführt werden kann.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Gelenkschlauchträgers, welcher den Saugschlauch eines Saugbaggers trägt und positioniert. Ein solcher Gelenkschlauchträger besitzt mindestens n > 2 Glieder, zwischen denen jeweils mithilfe eines zugeordneten Antriebs eine Winkelveränderung bewirkbar ist. Die Erfindung betrifft außerdem einen Saugbagger mit einer Steuerung, die zur Ausführung eines solchen Verfahrens konfiguriert ist.
• Bei einem Saugbagger handelt es sich um ein Fahrzeug mit einem Fahrzeuggestell, welches einen vorzugsweise auskippbaren Materialsammelbehälter trägt. In zweckmäßigen Ausführungen besitzt ein solcher Saugbagger eine Teleskopiereinrichtung, die zwei Teleskoparme aufweist, deren behälterseitiges Ende jeweils an einer Kippachse angeordnet ist, um welche der Materialsammelbehälter drehbar ist, wobei das gestellseitige Ende jedes Teleskoparms jeweils am Fahrzeuggestell angeordnet ist.
• Aus der DE 38 37 670 A1 ist ein Saugbagger bekannt, umfassend einen pneumatischen Saugrüssel, einen Sammelbehälter für das aufgesaugte Erdreich, in den der Saugrüssel mündet und in dem das Erdreich aus dem Saugluftstrom abgeschieden wird, sowie ein an den Sammelbehälter angeschlossenes Sauggebläse zur Erzeugung des Saugluftstroms. Zu den weiteren üblichen Bestandteilen der Saugbagger gehören Führungselemente für den Saugrüssel und Filter zum Reinigen der Saugluft, bevor diese den Sammelbehälter wieder verlässt und an die Umgebung abgegeben wird.
• Die DE 198 51 111 C1 beschreibt einen Saugbagger mit einer im Materialsammelbehälter in Fahrtrichtung vorn angeordneten Sammelkammer und in Fahrtrichtung hinten liegendem Filter.
• Auch in der DE 299 02 562 U1 ist ein Saugbagger beschrieben. Dieser arbeitet nach dem Dünnstrom-Förderprinzip und ist hauptsächlich zum Aufnehmen von Bodenaushub konfiguriert.
• Die DE 44 41 574 A1 beschreibt eine Räumeinrichtung für den Rüssel eines Saugbaggers, welche ein relativ zum Rüssel rotierend antreibbares Werkzeug umfasst. Das Werkzeug ist der Saugöffnung des Rüssels vorgelagert und am Rüssel gelagert. Insbesondere wird der Arbeitsbereich, der durch das nachrüstbare Werkzeug über den Rüsselquerschnitt hinausgeht, erweitert.
• Für die Führung des Saugschlauches eines Saugbaggers haben sich zwei Varianten etabliert, der Teleskopschlauchträger und der Gelenkschlauchträger. Der Teleskopschlauchträger führt den Schlauch nur teilweise, sodass der Saugstutzen, an welchem das Material aufgenommen wird, durch einen Bediener manuell geführt werden muss. Seit einigen Jahren wird deshalb der Gelenkschlauchträger, auch als Kraftarm, Führungsarm oder Gelenkausleger bezeichnet, bevorzugt. Er bietet den Vorteil einer vollständigen hydraulischen Führung und guter Stabilität. Dies ermöglicht eine genauere Ansteuerung der Arbeitsbewegungen ohne manuellen Kraftaufwand und unter Nutzung einer bevorzugt vom Bediener tragbaren Fernsteuerung.
• Aus der DE 90 16 448 U1 ist ein Saugbagger mit einem fernbedienbaren Gelenkausleger bekannt. Durch einzelne Lenker lässt sich der Saugkopf mittels hydraulischer Druckzylinder per Fernsteuerung in eine gewünschte Saugstellung steuern.
• Die DE 10 2011 119 924 A1 zeigt einen Saugbagger zum Aufnehmen von Sauggut, wie Erdreich oder Schlämme, mit einer pneumatischen Saugturbine zur Erzeugung eines Saugluftstromes, die an einem Sammelbehälter angeschlossen ist, in welchen ein Saugschlauch mündet. Der Saugschlauch ist an einem Führungsarm in der Art eines Gelenkschlauchträgers angeordnet, welcher an einer vertikalen Drehachse befestigt ist, um den Arbeitsbereich des Saugbaggers zu erweitern. An dem Materialsammelbehälter sind zwei Saugschlauchanschlüsse vorgesehen, die jeweils am äußeren Seitenbereich einer hinteren Stirnwand in den Sammelbehälter münden. Der über die Drehachse befestigte Schwenkarm gestattet zwar eine Erweiterung des Arbeitsbereichs an den beiden Fahrzeugseiten, führt allerdings zu einer wesentlichen Verlängerung der Gesamtlänge des Saugbaggers und zu einer Verschlechterung der Lage des Schwerpunkts des Fahrzeugs.
• Bisherigen Ansteuerungen der Gelenkschlauchträger ist der wesentliche Nachteil gemeinsam, dass der Bediener bis zu fünf Antriebe einzeln manuell ansteuern muss. Dies ist sehr umständlich und erfordert erfahrenes Bedienpersonal sowie viel Übung, um den Saugschlauch schnell an das gewünschte Ziel zu steuern. Durch unpräzise Ansteuerung kommt es des Öfteren zum Anschlagen des Saugstutzens am Erdreich und damit zu übermäßiger mechanischer Beanspruchung des Gelenkschlauchträgers. Zudem besteht eine erhöhte Gefahr der Beschädigung von Leitungen.
• In der EP 1 939 134 A2 ist eine intelligente Steuerung für einen Schwenkarm, der an einer rotierenden Plattform angebracht ist, beschrieben. Die Steuerung ermöglicht das Ansteuern mehrerer Aktuatoren in Abhängigkeit von Steuerbefehlen, um das Schwenkarmende in einem definierten Koordinatensystem zu bewegen.
• Aufgabe der Erfindung ist es ausgehend von der EP 1 939 134 A2 , ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines Gelenkschlauchträgers, welcher den Saugschlauch eines Saugbaggers trägt, bereit zu stellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, einen Saugbagger bereit zu stellen, der mithilfe eines derartigen Steuerverfahrens die Bedienbarkeit des Gelenkschlauchträgers erleichtert und sicherer gestaltet.
• Diese und weitere Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Gelenkschlauchträgers gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Außerdem wird die genannte Aufgabe durch einen Saugbagger gemäß dem beigefügten Anspruch 10 gelöst.
• Ein Gelenkschlauchträger für einen Saugschlauch eines Saugbaggers umfasst n Glieder, wobei n > 2 ist und die Anzahl der die Glieder koppelnden Gelenke n – 1 beträgt. Benachbarte Glieder sind jeweils über ein gemeinsames Gelenk in einer Ebene schwenkbar miteinander verbunden. Jedem dieser Gelenke ist ein Antrieb zugeordnet, bevorzugt ein Hydraulikzylinder, mit welchem die Winkellage der an das Gelenk angrenzenden Glieder (Trägerabschnitte) zueinander verändert werden kann, um den Gelenkschlauchträger zu strecken oder den Krümmungsradius der Gliederkurve zu verkleinern, wodurch der Saugstutzen am freien Ende des Saugschlauches eine bestimmte Position einnimmt.
• Vorzugsweise besitzt der Gelenkschlauchträger fünf Gelenke. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet grundsätzlich unabhängig von der Anzahl der zu steuernden Glieder und Gelenke, wobei die Vorteile ab drei Gliedern zum Tragen kommen. Denn zwei Gelenke bzw. deren Antriebe können von geübten Bedienern noch durch die gleichzeitige Bedienung von zwei Steuerhebeln (Joystick) manuell gut navigiert werden, jedoch ab dem dritten Gelenk sind komplexe Bewegungsabläufe erforderlich, die manuelle nicht mehr optimal und schnell gefahren werden können. Durch die erfindungsgemäße Steuerung ist es nicht mehr erforderlich, jeden Antrieb bzw. Hydraulikzylinder einzeln anzusteuern. Stattdessen ist ein intuitiv steuerbarer Gelenkschlauchträger bereitgestellt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient letztlich dem Bewegen des letzten Gliedes (auch Saugkrone oder Saugstutzen genannt) des Gelenkschlauchträgers zu einer vorgegebenen Position (X, Y).
• Das Verfahren setzt dafür u. a. Sensoren ein, die die Neigung sowie bevorzugt auch die Winkelgeschwindigkeit des jeweiligen Gliedes als Sensormesswerte erfassen können, wobei eine Auswerteelektronik die Sensormesswerte in eine Bewegungsabfolge für den jeweiligen Antrieb derart umsetzt, dass eine stetige, harmonische Bewegung vorzugsweise aller Glieder des Gelenkschlauchträgers erfolgt, indem alle Antrieb entsprechend sinnfällig angesteuert werden und zwar so lange, bis das letzte Glied (Saugkrone) die vorgegebene Position (X, Y) erreicht hat. Die Saugkrone selbst bewegt sich dabei stetig differenzierbar, was vorzugsweise auch für die anderen Glieder des Gelenkschlauchträgers gilt.
• Beim Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zunächst die folgenden Schritte ausgeführt: In einem ersten Schritt wird die Ausgangsstellung der n Glieder mithilfe von Sensoren ermittelt. Es ist darauf hinzuweisen, dass nicht alle Glieder des Schlauchträgers in die Steuerung einbezogen werden müssen, wenngleich dies bevorzugt ist. Erfindungsgemäß werden drei oder mehr Glieder durch die Steuerung automatisch angesteuert. Im nächsten Schritt werden mindestens ein Richtungsvektor und ein Geschwindigkeitsparameter eingelesen. Richtungsvektor und Geschwindigkeitsparameter werden bevorzugt aus einer Bedieneinheit abgeleitet, an welcher ein Benutzer einen Joystick betätigt und diesen z. B. in X-Richtung zu 50% auslenkt.
• Nachfolgend wird von einem den Bewegungsraum beschreibenden Zylinderkoordinatensystem ausgegangen, wobei die X-Achse horizontal verläuft, die Y-Achse vertikal verläuft und die Lage der X-Y-Ebene im Raum durch einen Drehwinkel x um die Y-Achse beschrieben wird. Soweit nicht anders angegeben, wird nachfolgend davon ausgegangen, dass der Gelenkschlauchträger in der X-Y-Ebene liegt, die vertikal im Raum steht, wobei der Saugstutzen innerhalb dieser Ebene Zielpositionen anfahren kann.
• Im nächsten Schritt wird aus dem Richtungsvektor und dem Geschwindigkeitsparameter eine Zielposition bestimmt, welche der Saugstutzen am freien Ende des Saugschlauchs einnehmen soll. Dazu soll der Saugstutzen den durch den Richtungsvektor vorgegebenen linearen Weg abfahren mit der durch den Geschwindigkeitsparameter vorbestimmten Geschwindigkeit. Im einfachsten Fall ist der Geschwindigkeitsparameter ein fest vorbestimmter Wert. Bevorzugt gibt der Bediener an der Bedieneinheit den Geschwindigkeitsparameter vor, insbesondere durch geringe Auslenkung des Joysticks (geringe Geschwindigkeit) oder starke Auslenkung (hohe Geschwindigkeit). Die Zielposition kann mit dem Fachmann bekannten Methoden aus dem Richtungsvektor und der Geschwindigkeit bestimmt werden.
• Ausgehend von der ermittelten Ausgangsstellung und der bestimmten Zielposition werden dann durch die Steuerung mithilfe von entsprechenden Regelgliedern die n Winkeländerungen bestimmt, die an den n – 1 Gelenken ausgeführt werden müssen, um die Zielposition zu erreichen. Die Winkeländerungen lassen sich auf unterschiedliche Weise ermitteln, beispielsweise durch Anwendung mathematischer Methoden unter Zugrundelegung einer Inversen Kinematik, wie sie weiter unten noch näher beschrieben werden. Wesentlich ist dabei, dass folgende Bedingung eingehalten wird: der Saugstutzen soll immer entlang einer geraden Bewegungsbahn in die Zielposition verfahren.
• Alternativ ist es aber auch möglich, eine Wertetabelle in der Steuerung zu hinterlegen, in welcher für alle anfahrbaren Zielpositionen die Sollstellungen aller n – 1 Gelenke abgelegt sind, wobei jeweils die der aktuellen Position nächstliegende Zielposition entlang des Richtungsvektors angefahren wird.
• In einem weiteren Schritt werden die den n – 1 Gelenken zugeordneten Antriebe so angesteuert, um die zuvor bestimmte Winkeländerung an jedem der n Glieder vorzunehmen. Die Aktivierung der Antriebe erfolgt im Wesentlichen gleichzeitig, um auch während der Bewegung die zuvor genannte Bedingung der linearen Bewegung des Saugstutzens sicherzustellen.
• In einem abschließenden Schritt wird geprüft, ob die Zielposition bereits erreicht ist, d. h. der Richtungsvektor ist Null bzw. die Zielposition ist gleich der aktuellen Ausgangsstellung. Dieser Zustand tritt ein, wenn der Benutzer keinen Richtungsvektor mehr vorgibt bzw. der Geschwindigkeitsparameter auf Null gesetzt wird und die zuvor bestimmte Zielposition angefahren wurde. Gibt der Benutzer stattdessen z. B. durch fortdauerndes Auslenken des Joysticks an der Bedieneinheit weiter einen Richtungsvektor vor, so werden die genannten Verfahrensschritte zyklisch wiederholt und die Bewegung des Gelenkschlauchträgers dauert an. Es wird dann die nächste Zielposition bestimmt. In welchen Schritten die Zielpositionen neu bestimmt werden, lässt sich als Parameter vorgeben, beispielsweise in Millimeterschritten was für die Anwendung an einem Saugbagger völlig ausreichend ist.
• Durch das automatische Abfahren einer linearen Bewegungsbahn wird die Bedienung des Gelenkschlauchträgers extrem vereinfacht. Im einfachsten Fall gibt der Benutzer durch Auslenken eines Joysticks an einer Fernbedieneinheit den Richtungsvektor z. B. in X-Richtung an. Die Auslenkweite korrespondiert dabei mit der gewünschten Geschwindigkeit. Die erfindungsgemäße Steuerung übernimmt nun die Ansteuerung sämtlicher der n Gelenke des Gelenkschlauchträgers und bewirkt eine lineare, stetige Bewegung des Saugstutzens in X-Richtung. Dies ermöglicht es beispielsweise, mit nur einer Joystickauslenkung den Saugstutzen ohne Höhenveränderung linear über eine Fläche zu führen, um entlang dieses Weges Material aufzusaugen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der vorgebbare Richtungsvektor in einer vertikal aufgespannten X-Y-Ebene. Der Richtungsvektor ist dazu aus zwei eindimensionalen Teilvektoren in X- bzw. Y-Richtung zusammengesetzt. Die Zielposition liegt dadurch innerhalb der vertikal aufgespannten X-Y-Ebene. Bevorzugt besitzt die Bedieneinheit des Saugbaggers dafür einen zweiten Bedienhebel (Joystick), der in der zweiten Richtung auslenkbar ist. Ebenso kann ein Joystick genutzt werden, der in zwei Richtungen (X, Y) ausgelenkt werden kann (Zweiachsjoystick). Die erfindungsgemäße Steuerung gestattet es unter Anwendung derselben Schritte für die zweite Bewegungsrichtung, dass der Saugstutzen entlang einer geraden Bewegungsbahn in der X-Y-Ebene verfahren wird. Wird vom Bediener der Richtungsvektor ausschließlich in Y-Richtung vorgegeben, so verfährt der Saugstutzen vertikal nach unten oder oben (Y-Richtung), ohne dass die manuelle Nachsteuerung einzelner Gelenkantriebe notwendig ist. Der Saugstutzen kann daher leicht in schmale Löcher eingefahren werden, ohne die Gefahr des Anstoßens an den Seitenwänden.
• Auch kann die Bewegung in X-Ebene mit einer Bewegung in Y-Bewegung überlagert werden. So kann die Saugkrone auch entlang einer beispielsweise ansteigenden oder abfallenden Gerade in der X-Y-Ebene verfahren werden. Dazu kann ein zweiachsiger, proportionaler Joystick verwendet werden.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird für das Bestimmen der n Winkeländerungen eine weitere Bedingung vorgegeben, die einzuhalten ist. Während der Bewegung sollen demnach alle Gelenke so eingestellt werden, dass eine statisch optimale Form des Schlauchträgers resultiert. Statisch ungünstig sind weitgehend gestreckte Gelenke, während der Gelenkschlauchträger bei gleichmäßig verteilten kleineren Winkeln zwischen den Gliedern die wirkenden Kräfte besser aufnehmen kann. Als statisch optimal lässt sich daher eine Form des Schlauchträgers ansehen, die einer Bogenform mit gleichbleibendem Radius möglichst nahe kommt.
• Weiterhin ist eine Ausführungsform besonders vorteilhaft, bei welcher beim Bestimmen der Winkeländerungen folgende weitere Bedingung eingehalten wird: die Summe aller Winkeländerungen an den n – 1 Gelenken wird minimal. Damit ist gewährleistet, dass der Übergang zur jeweils folgenden Zielposition mit nur kleinen Stellwegen der einzelnen Antriebe an den n – 1 Gelenken erreicht wird. Insbesondere bei der Verwendung von hydraulischen Antrieben hat dies auch den Vorteil, dass der benötigte Gesamtvolumenstrom für die entsprechende Gesamtbewegung möglichst klein ist.
• Bevorzugt kann die Steuerung auch zum automatischen Abfahren vorgegebener Bewegungszyklen genutzt werden. Dazu sind aufeinanderfolgende Zielpositionen bzw. die korrespondierenden Richtungsvektoren sowie die Geschwindigkeitsparameter gespeichert. Beispielsweise das Entfalten aus der Transportstellung des Gelenkschlauchträgers in eine Arbeitsausgangsstellung kann damit automatisiert ablaufen, ohne dass der Bediener den Bewegungsablauf jedes Mal neu eingeben muss. Ebenso kann eine vom Bediener gesteuerte Bewegungsbahn aufgezeichnet und dann mehrfach abgerufen werden. Vorteilhaft ist es auch, wenn in der Steuerung bestimmte Grenzwerte festgelegt werden können, die Sperrbereiche definieren, in denen der Schlauchträger nicht bewegt werden soll, beispielsweise um ein zu hohes Ausfahren zu unterbinden, wenn die Umgebungsbedingungen nur eine begrenzte Arbeitshöhe gestatten.
• Bei einer weitergebildeten Ausführungsform des Verfahrens werden für die Ansteuerung der Antriebe der n Gelenke neben den Winkeländerungen zusätzlich n Winkelgeschwindigkeiten bestimmt, mit denen die Winkeländerungen an den Gelenken dann ausgeführt werden.
• Eine nochmals abgewandelte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass ein Drehwinkel eingelesen wird, welcher die gewünschte Winkelposition der vertikal aufgespannten X-Y-Ebene um eine Drehachse des Gelenkschlauchträgers definiert, und dass der Gelenkschlauchträger von einem Drehantrieb in diese Winkelposition gefahren wird.
• Der Gelenkschlauchträger umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform mehrere Tragwerkselemente, vorzugsweise fünf oder sechs Glieder (auch als Trägerabschnitte bezeichnet), Hydraulikzylinder zum Antrieb der einzelnen Trägerabschnitte, sowie eine Aufnahme am Rahmen des Saugbaggeraufbaus. Des Weiteren ist vorteilhaft ein Schwenkantrieb vorgesehen, zum Erzeugen des Arbeitsradius.
• Ein erfindungsgemäßer Saugbagger zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Steuereinheit zur Steuerung der Bewegung des Gelenkschlauchträgers umfasst, die konfiguriert ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Vorzugsweise ist ein Materialsammelbehälter so am Saugbagger befestigt, dass er ausgekippt werden kann. Insbesondere ist ein Auskippen des Materialsammelbehälters auf beiden Fahrzeugseiten ermöglicht. Gleichzeitig ist es zweckmäßig, wenn eine erhöhte Position der Kippachse vorgesehen ist, um ein Entleeren des Materialsammelbehälters auf unterschiedlich hohe Flächen, beispielsweise ein nebenstehendes Fahrzeug zu gestatten. Bevorzugt ist der Anschluss für den Saugschlauch derart am Materialsammelbehälter vorgesehen, dass ein im Wesentlichen symmetrischer Eintrag des eingesaugten Materials erfolgt, und die Luftabfuhr aus dem Sammelbehälter ebenfalls symmetrisch erfolgt.
• Mit anderen Worten ist ein Saugbagger, der das beschriebene Verfahren zur Steuerung der Bewegung des Gelenkschlauchträgers bzw. dessen Saugkrone ausführt dadurch charakterisiert, dass jedem Glied des Gelenkschlauchträgers einen Sensor zuordnet, der direkt oder indirekt zur Bestimmung des Winkels geeignet ist, der sich einstellt, wenn zwei einander benachbarte Glieder sich um das zwischen ihnen liegende Gelenk unter der Einwirkung eines zugeordneten Antriebs bewegen. Die Ansteuerung der Antriebe mittels einer Steuer- oder Auswerteelektronik erfolgt dabei derart, dass sich Einstell-Winkel ergeben, die im Rahmen einer sogenannten inversen Kinematik es erlauben, dass das letzte Glied oder die Saugkrone frei mindestens in einer X-Y-Ebne bewegt werden kann. Eine Vorgabe über die Steuerung für eine Änderung der Position der Saugkrone erfolgt bevorzugt in einem entsprechenden Koordinatensystem an einer Bedieneinheit.
• Dergestalt lässt sich mit nur einem Joystick und einer Steuereingabe an diesem durch die Bedienperson zielgerichtet und auf direktem Weg die Saugkrone bzw. das letzte Glied des Gelenkschlauchträgers an die gewünschte, vorgegebene Position bringen.
• Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
• 1 eine vereinfachte seitliche Schnittansicht eines Saugbaggers;
• 2 den Saugbagger in einer Ansicht von hinten mit einem für den Transport eingefahrenen und am Heck des Saugbaggers angeordneten Gelenkschlauchträger;
• 3 den Saugbagger in einer perspektivischen Ansicht mit vollständig gestrecktem Gelenkschlauchträger;
• 4 den am Saugbagger ausgefahrenen Gelenkschlauchträger in einer Ansicht von hinten;
• 5 eine Prinzipdarstellung des Gelenkschlauchträgers;
• 6 ein Blockschaltbild einer Regelung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 1 zeigt in einer vereinfachten, teilweise geschnittenen Seitenansicht einen Saugbagger 01, der zunächst in herkömmlicher Weise ein Fahrzeuggestell 02 sowie mehrere Fahrzeugräder 03 umfasst. Weiterhin umfasst der Saugbagger einen Materialsammelbehälter 05, der auf dem Fahrzeuggestell 02 bzw. einem Hilfsrahmen montiert ist. An der Heckseite des Materialsammelbehälters 05 ist ein Sauganschluss 06 vorgesehen, an welchem ein Saugschlauch 20 angeschlossen ist. Am freien Ende des Saugschlauchs 20 kann ein Saugstutzen (nicht dargestellt) angebracht werden, über welchen Material eingesaugt wird, mithilfe eines Saugstroms 21, der durch Strömungspfeile symbolisiert ist.
• Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform verläuft der Saugstrom 21 zunächst im oberen Bereich des Materialsammelbehälters 05 in einem oberen Luftkanal 27 bis zu einem Prallblech 22 und wird dort in eine Sammelkammer 23 gelenkt. Aufgrund der Volumenvergrößerung verringert sich in der Sammelkammer 23 die Strömungsgeschwindigkeit, sodass sich Material 24 in der Sammelkammer absetzt. Der Saugstrom verläuft dann in eine Filtereinheit 25, in welcher kleinere Partikel, die sich noch im Saugstrom befinden, herausgefiltert werden. Bei der dargestellten Ausführungsform befindet sich die Sammelkammer 23 in Fahrtrichtung vor der Filtereinheit 25. Der Saugbagger 01 trägt außerdem ein Sauggebläse 26, welches den Luftstrom zur Ausbildung des Saugstroms 21 erzeugt und in Fahrtrichtung vor dem Materialsammelbehälter 05 positioniert ist.
• 2 zeigt eine Rückseitenansicht des Saugbaggers 01, der an seinem Heck einen Gelenkschlauchträger 40 im eingefahrenen Zustand trägt. In dieser Ansicht ist der Saugschlauch nicht dargestellt, welcher aber üblicherweise am Gelenkschlauchträger 40 befestigt ist und von diesem bewegt wird, um in die gewünschte Arbeitsstellung gebracht zu werden. Insbesondere für den Transport muss der Gelenkschlauchträger 40 in diese Transportstellung am Saugbagger gebracht werden. In der dargestellten Ausführungsform stehen dabei mehrere Glieder 45 des Schlauchträgers in 90° Winkeln zueinander. Der Winkel zwischen den beiden letzten Gliedern ist größer 90° damit das letzte Glied an einem Haltehaken 44 eingehängt werden kann.
• Der Gelenkschlauchträger ist drehbar an einer Konsole 41 befestigt, welche mit dem Fahrzeuggestell 02 verbunden ist. Ein Schwenkantrieb 42 ermöglicht ein Schwenken des gesamten Gelenkschlauchträgers 40 um ca. 180° um eine Y-Achse, wenn der Gelenkschlauchträger ausgefahren wurde. Der Schwenkantrieb 42 umfasst bevorzugt eine Kugeldrehverbindung mit integriertem Schneckengetriebe.
• 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Saugbaggers 01 mit vollständig gestrecktem Gelenkschlauchträger 40. Zum Arbeiten muss der Gelenkschlauchträger 40 zuerst aus der Transportstellung (2) in eine arbeitsfähige Position gebracht werden. Da diese Bewegung vom Bediener ein hohes Maß an Fingerfertigkeit verlangen würde und eine Fehlbedienung relativ große Schäden hervorrufen kann, erfolgt diese Ausfahrbewegung bevorzugt automatisiert. Die benötigten Winkeländerungen der einzelnen Glieder und deren zeitliche Abfolge in die definierte Startposition sind fest vorgegeben.
• Am freien Ende des Saugschlauchs 20 befindet sich eine Saugkrone 43, an welche bei Bedarf zur Verlängerung in negativer Y-Richtung ein Saugstutzen angebracht sein kann (nicht dargestellt). Für die nachfolgend noch im Detail beschriebene Steuerung der Bewegung des Gelenkschlauchträgers bildet vorzugsweise der Mittelpunkt im Querschnitt der Saugkrone 43 den Bezugspunkt für die Position des freien Endes des Saugschlauchs bzw. des daran geradlinig anschließenden Saugstutzens. In 3 sind außerdem Bewegungspfeile eingezeichnet, welche die möglichen Bewegungen an diesem Bezugspunkt verdeutlichen. Es sind geradlinige Bewegungen in X- und Y-Richtung möglich, sowie ein Schwenken um einen Drehwinkel x, welches durch Aktivierung des Schwenkantriebs 42 hervorgerufen wird. Damit ist ein Zylinderkoordinatensystem beschrieben.
• 4 zeigt in einer vereinfachten Ansicht von hinten den Saugbagger 01 mit vollständig gestrecktem Gelenkschlauchträger 40. Im dargestellten Beispiel umfasst der Gelenkschlauchträger sechs Trägerabschnitte oder Glieder 45a–45f. Zwischen den Gliedern 45 befindet sich jeweils ein Gelenk 46a–46e. Die Winkelstellung der benachbarten Glieder zueinander kann durch jeweils zugeordnete Antriebe, im dargestellten Beispiel Hydraulikzylinder 47a–47e verändert werden. In 4 haben beispielsweise die an die Gelenke 46c und 46d angrenzenden Glieder zueinander eine Winkelstellung von 180° eingenommen, bei vollständig ausgefahrenen Hydraulikzylindern 47c, 47d. In 2 haben dieselben Glieder zueinander eine Winkelstellung von 90°.
• An jedem Glied 45 ist ein System zur Positionsbestimmung angeordnet. In einer bevorzugten Variante werden hierfür Neigungssensoren 48 verwendet. Auch ein Einsatz von Winkelsensoren in den Gelenkpunkten ist möglich. Der Gelenkschlauchträger 40 wird erfindungsgemäß mithilfe einer Steuerung angesteuert, die das erfindungsgemäße Verfahren ausführt.
• Jeder Sensor 48, der auch an einer anderen Stelle am jeweiligen Glied platziert sein kann, ermöglicht die Feststellung der Neigung sowie bevorzugt auch der Winkelgeschwindigkeit (Drehrate) des jeweiligen Gliedes 45. Als besonders geeignet für die dahingehende Messwerterfassung erweisen sich sogenannte Neigungsgeber. Diese Neigungsgeber dienen der präzisen, schnellen und langzeitstabilen Erfassung der aktuellen Neigungen respektive Neigungswinkel der Glieder in zwei Achsen X, Y. Die Neigungsgeber als Sensoren 48 basieren dabei auf einem Multisensorsystem, das die Messwerte von sechs Freiheitsgraden erfasst. Anschließend werden die erfassten Messdaten digitalisiert und über ein sogenanntes CANopen-Protokoll einem CAN-Feldbussystem zur Weiterverarbeitung durch eine Auswerteelektronik zur Verfügung gestellt. Die Neigungs-Messwerterfassung des jeweiligen Sensors 48 erfolgt dabei über eine Beschleunigungswerterfassung in drei Achsen bezogen auf das Erdschwerefeld, und die Winkelgeschwindigkeiten für die einzelnen Glieder werden über ein sogenanntes Gyroskop in drei Achsen erfasst.
• Das letzte Glied 45f, an welchem der Saugstutzen angebracht ist, ist immer parallel zur Y-Achse ausgerichtet, um ein optimales Arbeitsergebnis zu erreichen. Mit einer Fernsteuerung können die Bewegungsrichtungen Aus- bzw. Einfahren in X-Richtung und Auf- bzw. Abfahren in Y-Richtung linear angesteuert werden. Es werden dafür maximal zwei Joysticks auf der Fernsteuerung benötigt. Das Schwenken kann separat gesteuert werden.
• Das Verfahren, welches bevorzugt durch Ausführen eines Datenverarbeitungsprogramms ablaufen kann, bestimmt aus den von den Sensoren 48 gelieferten Positionssignalen der einzelnen Glieder 45 zyklisch die Ausgangsstellung der n = 6 Glieder. Damit ist auch die Lage des Bezugspunktes 43 (Saugkrone) am freien Ende des letzten Glieds 45f als aktuelle Position bekannt. Anschließend werden ein Richtungsvektor und ein Geschwindigkeitsparameter eingelesen, bevorzugt aus den Bewegungsbefehlen, die der Bediener an einer Bedieneinheit über einen oder zwei Joysticks eingibt. Aus dem Richtungsvektor und dem Geschwindigkeitsparameter können nun die notwendigen Ansteuerungsbefehle der einzelnen Hydraulikzylinder bestimmt werden, um an den n Gelenken die erforderlichen Winkeländerungen einzustellen.
• Die Bestimmung der Winkeländerungen wird nachfolgend beispielhaft beschrieben. Dazu wird Bezug genommen auf 5 und 6. In 5 ist der Gelenkschlauchträger sehr vereinfacht im verwendeten Zylinderkoordinatensystem dargestellt, während 6 wesentliche Verknüpfungen und Systemelemente einer verwendbaren Regelung zeigt.
• Zunächst wird die Inverse Kinematik des Gelenkschlauchträgers betrachtet. Für die betrachtete Ausführungsform sind die allgemeinen Systemanforderungen wie folgt definiert:
• – der Gelenkschlauchträger besitzt n > 2 Glieder;
• – zwischen benachbarten Gliedern sind zugeordnete Hydraulikzylinder als Antriebe vorhanden, um die Winkellagen der Glieder zueinander zu verändern;
• – jedes Glied besitzt einen Positionssensor, bevorzugt einen Neigungssensor;
• – jeder Neigungssensor gibt den absoluten Winkel bezogen auf den Horizont aus und leitet diesen beispielsweise über einen CAN-Bus an eine zentrale Steuereinheit weiter;
• – jeder Neigungssensor gibt zusätzlich die Winkelgeschwindigkeit über den CAN-Bus aus, mit welche die Winkeländerung ausgeführt wird;
• – die zentrale Steuereinheit übernimmt die Sollwertgenerierung über eine inverse Kinematik sowie die Regelung der einzelnen Hydraulikzylinder.
• Wie sich unter Heranziehung der in 5 dargestellten Koordinaten am Gelenkschlauchträger mit n > 2 Gliedern erkennen lässt, kann man die Position P des Bezugspunktes an der Saugkrone 43 wie folgt berechnen:

  
• In der mathematischen Beschreibung entspricht l₁ dem ersten Glied 45a, l₂ dem zweiten Glied 45b usw. Das erste Glied l₁ ist an seinem unteren Ende über den Schwenkantrieb 42 innerhalb des Koordinatensystems X, Y schwenkbar.
• Ziel der Ansteuerung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, durch Vorgabe von X und Y die Winkel ϕ₁...ϕ_n so zu erhalten, dass der Gelenkschlauchträger eine stetige Bewegung ausführt. Eine analytische Lösung von (1) ist hier nicht möglich, da nur zwei Gleichungen zur Verfügung stehen um n Unbekannte zu bestimmen. Um diesem Problem zu begegnen, wird jedes Gelenk 46 angesehen als Feder mit der Steifigkeit s₁, ..., s_n und gehalten in den Positionen ϕ_1,0, ..., ϕ_n,0. Die Bewegung von P wird realisiert durch die Kräfte F_x und F_y, die in P angreifen. Unter Vernachlässigung von Reibung und Gewicht der Elemente ergeben sich die Bewegungsgleichungen:

  
• Im stationären Zustand gilt:

  
• Zusammen mit den Gleichungen aus (1) erhält man so ein Gleichungssystem mit n + 2 Gleichungen und den n + 2 Unbekannten ϕ₁, ..., ϕ_n, F_x und F_v. Zur Reduktion des Systems auf Ordnung n löst man die beiden letzten Gleichungen aus (3) nach F_x und F_y. Dazu bringt man sie in die Form: 0 = a₁ + F_xa₂ – F_ya₃ 0 = b₁ + F_xb₂ – F_yb₃ (4) mit
• 
• Die Kräfte ergeben sich dann zu:

  
• Die Divisionen sind jederzeit durchzuführen, denn Resubstituieren und Anwenden der Additionstheoreme ergibt für den Nenner:

  
• Da durch die Winkelbegrenzung des Gelenkschlauchträgers ϕ_n ≠ 0 gilt, ist der Nenner von Null verschieden.
• Das Gleichungssystem lautet nun:

  

  mit F_x und F_y aus (6) und x = [ϕ₁...ϕ_n]^T.
• Dieses Gleichungssystem ist analytisch nicht lösbar, weshalb bei der Lösung ein Newton Verfahren (oder ein anderes adäquates Verfahren) angewandt werden soll. Dazu ersetzt man die Funktion f(x + Δ) in der Gleichung durch eine Taylor-Reihen-Entwicklung 1. Ordnung:

  

  und erhält daraus die Iterationsvorschrift:

  

  mit der Jacobi Matrix J von f. Statt der Berechnung der inversen der Jacobimatrix wird das Gleichungssystem: JΔ = –f (11) mit Hilfe einer Gauß Elemination (oder einem anderen adäquaten Verfahren) nach Δ gelöst.
• Zur Vorsteuerung der Winkelgeschwindigkeit in den einzelnen Elementen kann durch Ableitung von (8) nach der Zeit berechnet werden:

  
• Durch Lösen des linearen Gleichungssystems:

  

  nach ẋ können aus den zeitlichen Änderung der Positionen Ẋ und Ẏ die Winkeländerung

  

  berechnet werden.
• Es ist darauf hinzuweisen, dass die zuvor angegebenen mathematischen Methoden nur eine Möglichkeit aufzeigen, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Der Fachmann wird erkennen, dass abgewandelte Methoden ebenfalls genutzt werden können.
• Zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens kann ein Regler verwendet werden, der prinzipiell in 6 dargestellt ist. Die Eingangsgrößen für die Regelstrecke sind:
• – Soll-Winkelgeschwindigkeit für jedes Segment (aus der zuvor beschriebenen inversen Kinematik)
• – Soll-Winkel für jedes Segment (aus der zuvor beschriebenen inversen Kinematik)
• – Ist-Winkelgeschwindigkeit von jedem Glied (Messgröße vom Sensor)
• – Ist-Winkel von jedem Segment (Messgröße vom Sensor)
• Der Fachmann wird erkennen, dass der Regler angepasst werden kann, beispielsweise wenn bestimmte Grenzwerte mit berücksichtigt werden sollen, wie dies oben bereits beschrieben wurde.
• Vorzugsweise besitzt jedes Glied 45 einen eigenen Regler, welcher anhand von Soll- und Istgröße den Hydraulikzylinder 47 (Antrieb) so stellt, dass sich der Soll-Winkel sowie die Soll-Winkelgeschwindigkeit am Glied einstellen.
• Der Gelenkschlauchträger 40 wird vorzugsweise immer in der optimalen statisch kinematischen Position ausgerichtet. Da die Bewegung des Bezugspunktes 43 möglichst geradlinig sein soll, ist eine komplexe Überlagerung der Bewegungen der einzelnen Glieder des Gelenkschlauchträgers notwendig. Bevorzugt kann eine nachgeschaltete Positionsregelung permanent die von der Steuerung initiierten Bewegungen glätten. Es können zusätzlich Sperrebereiche definiert werden, mit denen der Bewegungsbereich eingeschränkt werden kann. Dies betrifft zum Beispiel den Bereich, in welchem sich das Fahrzeug befindet, um Kollisionen des Gelenkschlauchträgers mit den sonstigen Fahrzeugteilen zu vermeiden.
• Bezugszeichenliste

01

Saugbagger

02

Fahrzeuggestell

03

Fahrzeugräder

05

Materialsammelbehälter

06

Sauganschluss

20

Saugschlauch

21

Saugstrom

22

Prallblech

23

Sammelkammer

24

abgelagertes Material

25

Filtereinheit

26

Sauggebläse

27

oberer Luftkanal

40

Gelenkschlauchträger

41

Konsole

42

Schwenkantrieb

43

Saugkrone/Bezugspunkt

44

Haltehaken

45

Glieder des Gelenkschlauchträgers

46

Gelenke

47

Antriebe/Hydraulikzylinder

48

Sensoren

Claims (10)

1. Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Gelenkschlauchträgers (40), welcher den Saugschlauch (20) eines Saugbaggers (01) trägt, wobei der Gelenkschlauchträger (40) mindestens n > 2 Glieder (45) besitzt, wobei zwischen benachbarten Gliedern jeweils mithilfe eines zugeordneten Antriebs (47) eine Winkeländerung bewirkbar ist, wobei folgende Schritte ausgeführt werden: a) Ermitteln der Ausgangsstellung der n Glieder (45) mithilfe von Sensoren (48); b) Einlesen eines Richtungsvektors und eines Geschwindigkeitsparameters; c) Bestimmen einer Zielposition, welche eine Saugkrone (43) am freien Ende des letzten Glieds einnehmen soll; d) Bestimmen von n Winkeländerungen, die an den n Gliedern (45) ausgeführt werden müssen, um die Zielposition zu erreichen, unter Einhaltung folgender Bedingung: d.i. die Saugkrone (43) verfährt entlang einer geraden Bewegungsbahn in die Zielposition; e) Ansteuern der den n Gliedern (45) zugeordneten Antriebe (47), um die zuvor bestimmte Winkeländerung an den n Gliedern (45) vorzunehmen; f) zyklisches Wiederholen der genannten Verfahrensschritte, bis der Richtungsvektor und/oder der Geschwindigkeitsparameter gleich Null sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt d) beim Bestimmen der n Winkeländerungen folgende weitere Bedingung eingehalten wird: d.ii. die Summe aller Winkeländerungen an den n Gliedern (45) wird minimal.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt d) zusätzlich n Winkelgeschwindigkeiten bestimmt werden, mit denen im Schritt e) die Winkeländerungen ausgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der einzulesende Richtungsvektor und vorzugsweise auch der Geschwindigkeitsparameter aus der von einem Benutzer vorgegebenen Auslenkung mindestens eines Bedienhebels ermittelt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eines der n Glieder (45) Grenzwerte vorgebbar sind, die beim Bestimmen der Winkeländerung und/oder der Winkelgeschwindigkeit eingehalten werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkeländerungen bestimmt werden unter Anwendung der Bewegungsgleichungen einer inversen Kinematik des Gelenkschlauchträgers (40) unter Berücksichtigung der Winkellage jedes der n Glieder (45), die von den Sensoren (48) aufgezeichnet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Winkeländerungen bestimmt werden durch Zugriff auf eine Wertetabelle, in welcher für alle anfahrbaren Zielpositionen die Sollstellung aller n Glieder (45) abgelegt sind, wobei jeweils die der aktuellen Position nächstliegende Zielposition entlang des Richtungsvektors angefahren wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Richtungsvektor aus zwei eindimensionalen Teilvektoren zusammengesetzt ist und die Zielposition in einer vertikal aufgespannten X-Y-Ebene liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehwinkel eingelesen wird, welcher die gewünschte Winkelposition der vertikal aufgespannten X-Y-Ebene um eine Drehachse des Gelenkschlauchträgers (40) definiert, und dass der Gelenkschlauchträger von einem Schwenkantrieb (42) in diese Winkelposition gefahren wird.
10. Saugbagger (01) mit: – einem Fahrzeuggestell (02); – einem Materialsammelbehälter (05); – einem Sauggebläse (26); – einem Gelenkschlauchträger (40), der einen Saugschlauch (20) mit einer Aufnahmeöffnung an einer Saugkrone (43) trägt und mindestens n > 2 Glieder (45) besitzt, zwischen denen jeweils mithilfe eines zugeordneten Antriebs (47) eine Winkelveränderung bewirkbar ist; – eine Steuereinheit zur Steuerung der Bewegung des Gelenkschlauchträgers (40); dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit konfiguriert ist, um ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 auszuführen.

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