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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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NICHT ZUTREFFEND
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GEBIET DER OFFENBARUNG
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Arbeitsmaschine.
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HINTERGRUND
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In der Forstwirtschaft können z. B. Zangenskidder für den Transport von geernteten, stehenden Bäumen von einem Standort zum anderen eingesetzt werden. Dieser Transport erfolgt typischerweise vom Ernteort zu einem Verarbeitungsort. Alternativ können in der Bauwirtschaft Bagger zum Transport von Kies, Erde oder anderen beweglichen Materialien eingesetzt werden. Bei beiden Arbeitsmaschinen ist ein Anbaugerät zum Tragen einer Nutzlast an eine Auslegerbaugruppe gekoppelt, die mehrere Schwenkvorrichtungen aufweist. An der Auslegerbaugruppe können Stellglieder so angeordnet werden, dass die Ausleger relativ zueinander geschwenkt und damit das Anbaugerät bewegt werden kann.
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Falls mehrere Ausleger in einer Auslegerbaugruppe angeordnet sind, kann die kontrollierte Bewegung des Anbaugeräts mitunter relativ schwierig sein, was erhebliche Investitionen in die Schulung des Bedienpersonals erfordert. Besonders bei den variablen Nutzlasten und den physikalischen Grenzen der Stellglieder kann sich das Manövrieren als schwierig erweisen. Bei herkömmlichen Steuersystemen kann ein Bediener zum Beispiel einen Joystick entlang einer Achse bewegen, um ein weiteres Stellglied zu bewegen, das einen ersten Auslegerabschnitt schwenkt, und den Joystick entlang einer weiteren Achse bewegen, um Stellglieder zu bewegen, die einen zweiten Auslegerabschnitt schwenken. Prinzipiell kann ein Bediener die beiden Ausleger so steuern, dass die Gesamtbewegung aller Stellglieder die gewünschte Bewegung des Anbaugeräts mit einer Nutzlast in eine gewünschte Position bewirkt. Abhängig vom Grad der Nutzlast, dem relativen Masseschwerpunkt der Nutzlast und der sich ändernden Geometrie der beiden Ausleger, sofern sie sich relativ zueinander und zum Fahrzeug bewegen, führt die sich ändernde Geometrie jedoch zu einer erheblichen Komplexität der Beziehungen zwischen der Bewegung des Stellglieds und der Bewegung des Anbaugeräts. Genauer gesagt können Grenzen der Belastbarkeit eines Stellglieds aufgrund der variablen Nutzlast die präzise Steuerung des Anbaugeräts beeinträchtigen und werden sich ohne erhebliches Können und Übung als relativ schwierig erweisen.
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Die Bewegung des Auslegers kann je nach der Position der Auslegerbaugruppekomponenten in Bezug auf den Rahmen der Arbeitsmaschine stark variieren. Zudem kann die Bewegung der Auslegerbaugruppe je nach der Neigung der Oberfläche, auf der sich eine Arbeitsmaschine befindet, stark variieren, da sie die relative Ausrichtung der nach unten gerichteten Schwerkraft der Nutzlast und/oder des Anbaugeräts im Verhältnis zur gerichteten Zugkraft der an die Auslegerbaugruppe gekoppelten Stellglieder verändert. Diese Veränderlichkeit in der Ausrichtung der Nutzlast macht es für den Benutzer letztendlich schwierig, den Auslegerbetrieb genau zu steuern, insbesondere beim Fahren durch unwegsames Gelände. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit für ein Steuersystem mit verbesserter Auslegersteuerung zum Bewegen von Nutzlasten.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Diese Zusammenfassung wird bereitgestellt, um eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die im Folgenden in der ausführlichen Beschreibung und den dazugehörigen Zeichnungen beschrieben sind. Diese Zusammenfassung ist weder als Festlegung von Schlüsselmerkmalen oder wesentlichen Eigenschaften der beigefügten Ansprüche auszulegen, noch zur Verwendung als Hilfe bei der Festlegung des Anwendungsbereichs dieser Ansprüche.
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Die vorliegende Offenbarung beinhaltet ein intelligentes mechanisches Gestängeleistungssystem für eine Arbeitsmaschine während eines Nutzlastbewegungsvorgangs.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann eine Arbeitsmaschine einen Rahmen, einen Bodeneingriffsmechanismus, der so konfiguriert ist, dass er den Rahmen auf einer Oberfläche stützt, eine Auslegerbaugruppe, eine Lastmessvorrichtung, einen Stift und eine Steuerung enthalten. Die mit dem Rahmen der Arbeitsmaschine gekoppelte Auslegerbaugruppe kann einen ersten Abschnitt, der schwenkbar mit dem Rahmen gekoppelt und durch ein erstes Stellglied relativ zum Rahmen beweglich ist, und einen zweiten Abschnitt, der schwenkbar mit dem ersten Abschnitt gekoppelt und relativ zum ersten Abschnitt beweglich ist, umfassen. Ein erster Auslegerpositionssensor kann mit dem ersten Abschnitt gekoppelt werden. Ein zweiter Auslegerpositionssensor kann mit dem zweiten Abschnitt gekoppelt werden. Die Lastmessvorrichtung kann mit der Auslegerbaugruppe gekoppelt und so konfiguriert sein, dass ein Lastsignal ausgelöst wird, das eine Nutzlast anzeigt. Der Stift kann bildlich mit dem zweiten Abschnitt an einer Stelle distal von dem ersten Abschnitt gekoppelt sein. Der Stift kann eine Hüllkurve aufweisen, durch die der Stift durch den ersten Abschnitt und den zweiten Abschnitt bewegbar ist. Der Kontroller kann so konfiguriert werden, dass er ein erstes Positionssignal vom ersten Gestängepositionssensor, ein zweites Gestängepositionssignal vom zweiten Gestängepositionssensor und das Lastsignal von der Lastmessvorrichtung empfängt. Der Kontroller kann außerdem so konfiguriert werden, dass er eine Karte der hydraulischen Kapazitäten innerhalb der Hüllkurve für ein oder mehrere der ersten und zweiten Stellglieder auf der Grundlage des ersten Positionssignals, des zweiten Positionssignals und des Lastsignals berechnet. Der Kontroller kann weiterhin eine Bewegungshüllkurve der Bewegung des Stifts durch mindestens einen Teil der Hüllkurve basierend auf den hydraulischen Kapazitäten erzeugen. Die Bewegungshüllkurve kann kleiner als die Hüllkurve sein.
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Der Stift kann ein Anbaugerät an den zweiten Abschnitt koppeln.
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Die Karte der hydraulischen Kapazitäten kann aus einer Reihe von Knoten bestehen, welche die hydraulischen Kapazitäten von einem oder mehreren der ersten und zweiten Stellglieder über die gesamte Hüllkurve in Echtzeit darstellen.
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Die Bewegungshüllkurve kann einen Hubweg des Stifts von einer ersten Stiftposition zu einer zweiten Stiftposition durch Knoten mit ausreichender hydraulischer Kapazität beinhalten.
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Die Hüllkurve kann auf einer Benutzereingabeoberfläche durch einen Farbcode angezeigt werden. Der Farbcode kann auf einem Grad an Hydraulikkapazität basieren.
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Die Lastmessvorrichtung kann aus einem ersten Lastmesssensor bestehen, der mit dem ersten Abschnitt gekoppelt ist, und einem zweiten Lastmesssensor, der mit dem zweiten Abschnitt gekoppelt ist.
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Der Kontroller kann außerdem ein Neigungssignal von einem an die Arbeitsmaschine gekoppelten Neigungssensor erhalten, während er die Karte der hydraulischen Kapazitäten berechnet. Der Neigungssensor kann die Neigung der horizontalen Längsachse der Arbeitsmaschine bestimmen und der Kontroller kann das Lastsignal auf der Grundlage des Neigungssignals modifizieren.
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Der Kontroller kann außerdem so konfiguriert werden, dass er die Bewegung des Stifts zu einer Vielzahl von Knoten innerhalb der Hüllkurve verhindert, deren hydraulische Kapazität für eine Nutzlast nicht ausreicht.
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Diese und andere Funktionen werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, wobei verschiedene Funktionen zur Veranschaulichung gezeigt und beschrieben werden. Die vorliegende Offenbarung kann andere und unterschiedliche Konfigurationen haben und ihre verschiedenen Details können in verschiedener anderer Hinsicht modifiziert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend sind die detaillierte Beschreibung und die dazugehörigen Zeichnungen als veranschaulichend und nicht als beschränkend oder einschränkend anzusehen.
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Figurenliste
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Die detaillierte Beschreibung der Zeichnungen bezieht sich auf die beigefügten Figuren, in denen:
- 1 eine Seitenansicht einer ersten beispielhaften Ausführungsform einer Arbeitsmaschine mit intelligentem mechanischem Gestängeleistungssystem ist.
- 2 eine detaillierte Seitenansicht der Auslegerbaugruppe der ersten beispielhaften Ausführungsform ist, die in 1 gezeigt wird, soweit sie sich auf einen Teil des intelligenten Leistungssteuermoduls bezieht.
- 3 ein Linienschema der ersten in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht, in der die Bewegungshüllkurve dargestellt ist.
- 4 eine Detailansicht eines Greifers der ersten beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht, wie in 1 gezeigt.
- 5 einige Bedienelemente für die erste beispielhafte Ausführungsform veranschaulicht, wie in 1 gezeigt.
- 6A eine Ausführungsform einer Karte der hydraulischen Kapazitäten innerhalb einer Bewegungshüllkurve für den/die Auslegerhydraulikzylinder der in 1 dargestellten Ausführungsform darstellt.
- 6B eine Ausführungsform einer Karte der hydraulischen Kapazitäten innerhalb einer Bewegungshüllkurve für den/die Bogenhydraulikzylinder der in 1 dargestellten Ausführungsform darstellt.
- 7A eine Ausführungsform einer Karte der hydraulischen Kapazitäten innerhalb einer Bewegungshüllkurve für den/die Auslegerhydraulikzylinder darstellt, die einen Hubweg der in 1 dargestellten Ausführungsform enthält.
- 7B eine Ausführungsform einer Karte der hydraulischen Kapazitäten innerhalb einer Bewegungshüllkurve für den/die Bogenhydraulikzylinder darstellt, die einen Hubweg der in 1 dargestellten Ausführungsform enthält.
- 8 das Linienschema der ersten beispielhaften Ausführungsform darstellt, welche die Wirkung einer Steigung auf das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem demonstriert.
- 9 ein detailliertes Schema des intelligenten mechanischen Gestängeleistungssystems darstellt, wie es sich auf die erste beispielhafte Ausführungsform in 1 bezieht.
- 10 eine Seitenansicht einer zweiten beispielhaften Ausführungsform einer Arbeitsmaschine mit einem intelligenten mechanischen Gestängeleistungssystem darstellt.
- 11 ein Linienschema der zweiten beispielhaften Ausführungsform in 10 darstellt, in der die Bewegungshüllkurve dargestellt ist.
- 12 ein detailliertes Schema des intelligenten mechanischen Gestängeleistungssystems in Bezug auf die zweite beispielhafte Ausführungsform in 10 darstellt.
- 13 eine Methode darstellt, die im Zusammenhang mit dem intelligenten mechanischen Gestängeleistungssystem steht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden werden eine oder mehrere beispielhafte Implementierungen des offenbarten Systems zur intelligenten Steuerung des Anbaugeräts beschrieben, wie in den begleitenden Figuren der Zeichnungen dargestellt. Im Allgemeinen ermöglichen die offenbarten Steuersysteme (und die Arbeitsmaschinen, auf denen sie implementiert sind) eine verbesserte Bedienersteuerung der Bewegung des Anbaugeräts im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.
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Wie hierin verwendet, bezeichnen Aufzählungen mit Elementen, die durch konjunktive Ausdrücke (z. B. „und“) getrennt sind und denen auch der Ausdruck „einer/eine/eines oder mehrere von“ oder „mindestens einer/eine/eines von“ vorangestellt ist, Konfigurationen oder Anordnungen, die möglicherweise einzelne Elemente der Aufzählung oder eine Kombination davon enthalten. Zum Beispiel zeigt „mindestens eines von A, B und C“ oder „eines oder mehrere von A, B und C“ die Möglichkeiten von nur A, nur B, nur C oder einer beliebigen Kombination von zwei oder mehr von A, B und C (z. B. A und B; B und C; A und C; oder A, B, und C) an.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und unter besonderer Berücksichtigung von 1 kann ein Anbaugerät 105 mit einer Arbeitsmaschine 100 durch eine Auslegerbaugruppe 110 gekoppelt werden und die Auslegerbaugruppe 110 kann durch verschiedene Stellglieder 120 bewegt werden, um Aufgaben mithilfe des Anbaugeräts 105 zu erfüllen. Es ist zu beachten, dass die Stellglieder 120 elektrisch oder hydraulisch sein können. Obwohl auf den Hydraulikzylinder immer wieder Bezug genommen wird, kann ein elektrisches Stellglied gegen ein hydraulisches Stellglied austauschbar sein. Im Mittelpunkt der Diskussion steht hierbei manchmal die Beispielanwendung des Bewegens eines Anbaugeräts 105, bei der die Arbeitsmaschine 100 in einer ersten beispielhaften Ausführungsform (wie in 1 gezeigt) als Zangenskidder 200 und in einer zweiten beispielhaften Ausführungsform (wie in 10 gezeigt) als Bagger 900 konfiguriert ist, wobei die Stellglieder 120 im Allgemeinen als Hydraulikzylinder 125 zum Bewegen eines Anbaugeräts 105 konfiguriert sind. Im Fall eines Zangenskidders 200, wie in 1 dargestellt, wird ein Greifer 107 zum Bewegen einer Nutzlast 140 eingesetzt. Zangenskidders 200 werden im Allgemeinen zum Bewegen von forstwirtschaftlichen Nutzlasten wie gefällten Bäumen und verarbeiteten Stämmen unter Verwendung eines Anbaugeräts 105, dem Greifer 107, verwendet, wobei der Greifer eine Zangenbewegung nachahmen kann. Bei einem Bagger 900 wird, wie in 10 dargestellt, eine Schaufel 905 zum Bewegen einer Nutzlast 140 eingesetzt. In anderen Anwendungen sind weitere Konfigurationen möglich. In einigen Ausführungsformen können z. B. Gabeln, Fällköpfe oder andere Anbaugeräte mit einer Nutzlasttragfähigkeit auch in anderen Konfigurationen des Auslegers konfiguriert werden. Im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung können Arbeitsmaschinen in einigen Ausführungsformen als Bagger, Raupen, Lader, Fäller-Bündler, Betonbrecher und ähnliche Maschinen oder verschiedene andere Ausführungsformen konfiguriert sein.
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Wie in den 2 bis 8 gezeigt, kann das offenbarte intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300, mit fortgesetztem Bezug auf 1, verwendet werden, um Positionssignale 305 eines Anbaugeräts 105 zu empfangen, die auf Echtzeitpositionen der Stellglieder 120 relativ zu einem Rahmen 130 basieren, und Lastsignale 288 der vom Anbaugerät 105 getragenen Nutzlast 140, die auf einer in Echtzeit erfassten Last basieren. In der vorliegenden Offenbarung kann der Rahmen 135 als der Rahmen der Arbeitsmaschine 100 dargestellt werden. Der Rahmen 130 kann aber auch ein beliebiger Punkt auf der Arbeitsmaschine 100 oder im digitalen/elektronischen Raum sein, um einen oder mehrere Punkte zu erzeugen, an denen die relativen Positionen der Stellglieder 120 gemessen werden können. Bei einem hydraulischen Stellglied kann dies beispielsweise die relative Position des Zylinders über die Länge der Stange sein.
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Das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300 kann anschließend Positionsbefehle für verschiedene Stellglieder 120 so bestimmen, dass die befohlene Bewegung der Stellglieder 120 einen optimalen Weg (im Folgenden als Hubweg 710 bezeichnet) der befohlenen Bewegung des Anbaugeräts 105 in Abhängigkeit von der theoretischen Belastbarkeit des jeweiligen Stellglieds 120 entlang verschiedener Positionen innerhalb einer Bewegungshüllkurve 400 und den tatsächlichen Lastanforderungen für die Bewegung der Nutzlast 140 von einer ersten Position 720 in der Bewegungshüllkurve 400 zu einer zweiten Position 730 in der Bewegungshüllkurve 400 relativ zum Rahmen 130 bietet. Dabei ist zu beachten, dass es sich bei der ersten Position 720 und der zweiten Position 730 nicht um vordefinierte Positionen handelt. Vielmehr kann die erste Position eine aktuelle Position oder Startposition der Auslegerbaugruppe innerhalb oder entlang des Umfangs 312 (mit gepunkteter Linie dargestellt) der Bewegungshüllkurve 400 sein, die der Greifer 107 zu diesem Zeitpunkt oder vor dem Eingriff mit einer Nutzlast 140 aufweisen kann. Die zweite Position 730 kann eine gewünschte Position innerhalb oder entlang des Umfanges 312 der Bewegungshüllkurve 400 sein. Die zweite Position 730 im Zangenskidder kann eine Transportposition sein, in welcher der Greifer 107 die Nutzlast 140 (höchstwahrscheinlich eine Gruppe gefällter Bäume) ausreichend angehoben hat, um entweder vom Boden angehoben oder zum nächsten Zielort geschleppt zu werden.
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Die Bewegungshüllkurve 400 kann durch den Bereich einer möglichen Bewegung des distalen Endes 115 der Auslegerbaugruppe 110 definiert werden, an die ein Anbaugerät 105 gekoppelt sein kann. Dieser Umfang 312 der Bewegungshüllkurve 400 wird durch einen oder mehrere Hydraulikzylinder 125 definiert, die an die Auslegerbaugruppe 110 gekoppelt sind, die sich in einer vollständig ausgefahrenen oder zurückgezogenen Position befindet. Auf diese Weise kann eine optimierte geplante Bewegung entlang eines begrenzten Pfades im Bereich der Bewegungshüllkurve 400 in Positionsbefehle für die relativ komplexe Bewegung multipler Stellglieder 120 umgewandelt werden, wodurch eine optimale Bewegung des Anbaugeräts 105 mit der gegebenen Nutzlast 140 ermöglicht wird. Dies reduziert auf vorteilhafte Weise die Abhängigkeit von der Wahrnehmung des Bedieners oder dessen Fachwissen, da der Bediener eine gewünschte Bewegung für die Nutzlast 140 in Bezug auf mindestens ein Stellglied 120 in Richtung der zweiten Position 730 direkt vorgeben kann und das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300 einen vorgeschlagenen Hubweg 710 (d. h. geplante Bewegung entlang eines begrenzten Pfads durch die Bewegungshüllkurve 400) für nachfolgende Stellglieder 120 relativ zum Rahmen 130 auf der Grundlage der Nutzlast 140 abbildet. Die verfügbare Kapazität des Hydrauliksystems 310 kann in erster Linie durch die verbleibende Stangenlänge in einem Hydraulikzylinder bestimmt werden. Das Volumen der Hydraulikflüssigkeit, der Antriebsdruck, die Anordnung der Ventile innerhalb des Hydrauliksystems, die Architektur des Systems, wie z. B. geschlossene oder offene Systeme, sind jedoch einige weitere mögliche Variablen, die in die Berechnung der verfügbaren Kapazität einfließen können. Diese können jeweils einzeln oder zusammenfassend die Position des Stellglieds 120 anzeigen.
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Der Hubweg 710 definiert Teile der Bewegungshüllkurve 400, wobei das jeweilige Stellglied 120 ausreichend Kapazität zur Bewegung der gemessenen Nutzlast 140 besitzt. Zum Beispiel kann ein Fall auftreten, in dem das Einfahren eines Stellglieds 120 eine zu geringe Stangenlänge für ein nachfolgendes Stellglied hinterlässt, um die Zug- oder Hubkraft zu erzeugen, die für die Bewegung der Nutzlast 140 benötigt wird. Mit dem intelligenten mechanischen Gestängeleistungssystem 300 kann ein Bediener eine relativ präzise Bewegung des jeweiligen Stellglieds 120 mit der detaillierten Orientierungshilfe für die Bewegung eines einzelnen Stellglieds 120 und damit des Anbaugeräts 105 im Bereich der Bewegungshüllkurve 400 oder eventuell die Zuordnung eines Hubwegs 710 im Bereich der Bewegungshüllkurve 400 bewirken. Alternativ dazu kann die Steuerung die Bewegung der Stellglieder und/oder des Stifts 215 auf eine Bewegungshüllkurve beschränken, wobei die Bewegungshüllkurve kleiner als die Bewegungshüllkurve 400 ist. Im halbautomatischen Steuerungsmodus 365 bietet das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300 dem Bediener lediglich eine Orientierungshilfe mit optischer und/oder haptischer Rückmeldung.
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Durch Anwendung des oben genannten auf einen Zangenskidder 200 kann das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300 in einem Automatikmodus 375 funktionieren, in dem der Bediener die Bewegung eines ersten Abschnitts 112 einer Auslegerbaugruppe 110 veranlassen kann und der Controller 255 reagiert, indem es automatisch den/die jeweiligen Stellglieder(n) 120 eines zweiten Abschnitts 114 der Auslegerbaugruppe 110 und somit das Anbaugerät 105 in der Bewegungshüllkurve 400 bewegt oder einen Hubweg 710 innerhalb der Hüllkurve 400 von der ersten Position 720 in die zweite Position 730 abbildet.
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Im Allgemeinen kann eine Auslegerbaugruppe 110 aus mindestens zwei Abschnitten bestehen, die durch jeweils unterschiedliche Stellglieder 120 separat beweglich sind. Zum Beispiel kann ein erster Abschnitt 112 einer Auslegerbaugruppe 110 an einen Rahmen 135 der Arbeitsmaschine 100 gekoppelt werden und durch ein erstes Stellglied 131 relativ zum Rahmen 135 der Arbeitsmaschine 100 bewegt (z. B. geschwenkt) werden. Ein zweiter Abschnitt der Auslegerbaugruppe 114 kann mit dem ersten Abschnitt 112 der Auslegerbaugruppe 110 gekoppelt und bewegt werden (z. B. relativ zum ersten Abschnitt 112 mittels eines zweiten Stellglieds 136). Ein Anbaugerät 105 kann an den zweiten Abschnitt 114 gekoppelt werden und in einigen Ausführungsformen durch ein drittes Stellglied 945 relativ zum zweiten Abschnitt 114 bewegt (z. B. geschwenkt) werden (z. B. wie in 10 dargestellt). Auf diese Weise können die Bewegungen des ersten 131, des zweiten 136 und eventuell des dritten Stellglieds 945 den unterschiedlichen Bewegungen des ersten Abschnitts 112 der Auslegerbaugruppe 110, des zweiten Abschnitts 114 der Auslegerbaugruppe 110 bzw. eines Anbaugeräts 105 entsprechen. Ferner kann aufgrund der Konfiguration der Auslegerbaugruppe 110 eine Bewegung des ersten Abschnitts 112 eine entsprechende Bewegung des zweiten Abschnitts 114 und des Anbaugeräts 105 in Bezug auf den Rahmen 135 der Arbeitsmaschine 100 bewirken, und eine Bewegung des zweiten Abschnitts 114 kann eine entsprechende Bewegung des Anbaugeräts 105 in Bezug auf den ersten Abschnitt 112 und/oder den Rahmen 135 der Arbeitsmaschine 100 bewirken.
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Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ist der Zangenskidder 200 (hier auch als „Skidder“ bezeichnet) nun mit einem intelligenten mechanischen Gestängeleistungssystem 300 (wie in den 2 und 8 gezeigt) dargestellt. Ein Skidder 200 kann für den Transport von geernteten Bäumen über natürliches Gelände wie z. B. einen Wald eingesetzt werden. Es ist zu beachten, dass sich die Abbildungen und Beschreibungen in dieser ersten beispielhaften Ausführungsform zwar auf einen vierrädrigen Skidder beziehen können, dass der Umfang dieser Offenbarung jedoch über einen vierrädrigen Skidder, wie oben erwähnt, hinausgeht und auch einen sechsrädrigen Skidder oder ein sonstiges Fahrzeug umfassen kann, wobei auch der Begriff „Arbeitsmaschine“ oder „Fahrzeug“ verwendet werden kann. Dabei sollte der Begriff „Arbeitsmaschine“ allgemeiner gefasst werden und neben einem Skidder 200 auch weitere Arbeitsmaschinen umfassen, wie z. B. die zweite, später besprochene beispielhafte Ausführungsform eines Baggers.
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Der Skidder 200 besteht aus einem vorderen Fahrzeugrahmen 210, der an einen hinteren Fahrzeugrahmen 220 gekoppelt ist. Die Vorderräder 212 tragen den vorderen Fahrzeugrahmen 210, und der vordere Fahrzeugrahmen 210 trägt einen Motorraum 224 und eine Bedienerkabine 226. Die Hinterräder 222 tragen den hinteren Fahrzeugrahmen 220, und der hintere Fahrzeugrahmen 220 trägt wiederum eine Auslegerbaugruppe 110. Obwohl der Bodeneingriffsmechanismus in dieser Ausführungsform als Räder beschrieben wird, können in einer alternativen Ausführungsform Ketten oder Kombinationen aus Rädern und Ketten verwendet werden. Der Motorraum 224 beherbergt einen Fahrzeugmotor oder -antrieb, wie z. B. einen Dieselmotor, der die Antriebskraft für den Antrieb der Vorder- und Hinterräder (212, 222) und für den Betrieb der anderen mit dem Skidder 200 verbundenen Komponenten, wie z. B. die Stellglieder 120 zur Bewegung der Auslegerbaugruppe 110, bereitstellt. Die Bedienerkabine 226, in der ein Bediener während der Bedienung der Arbeitsmaschine 100 sitzt, enthält eine Vielzahl von Bedienelementen (z. B. Joysticks, Pedale, Tasten, Hebel, Bildschirme usw.), die zur Steuerung der Arbeitsmaschine 100 während ihres Betriebs dienen.
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Die Auslegerbaugruppe 110 ist mit dem Rahmen 135 gekoppelt. In der Ausführungsform eines Skidders 200 kann der Rahmen 135 aus einem oder mehreren der vorderen Fahrzeugrahmen 210, dem hinteren Fahrzeugrahmen 220 und/oder einem beliebigen, im Kontroller 205 gespeicherten (nicht abgebildeten) Koordinatensystem bestehen. In der hier offenbarten Ausführungsform wird der Rahmen 135 der Einfachheit halber als hinterer Fahrzeugrahmen 220 bezeichnet. Die Auslegerbaugruppe 110 besteht aus einem ersten Abschnitt 112 (d. h. Bogenabschnitt 230), der schwenkbar mit dem Rahmen 135 gekoppelt und durch ein erstes Stellglied 131 relativ zum Rahmen 135 beweglich ist, wobei ein erster Auslegerpositionssensor 132 mit dem ersten Abschnitt der Auslegerbaugruppe 112 gekoppelt ist. Der erste Auslegerpositionssensor 132 kann einen oder mehrere Sensoren umfassen, welche die Position des ersten Abschnitts 112 angeben. Die Detailansicht des Ausschnitts der ersten beispielhaften Ausführungsform in 2 zeigt, dass der erste Auslegerpositionssensor 132 aus mehreren, strategisch angeordneten Sensoren besteht.
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Die Auslegerbaugruppe 110 umfasst ferner einen zweiten Abschnitt 114 (d. h. den Auslegerabschnitt 240), der schwenkbar mit dem ersten Abschnitt 112 gekoppelt und durch ein zweites Stellglied 136 relativ zum ersten Abschnitt 112 beweglich ist, wobei ein zweiter Auslegerpositionssensor 138 mit dem zweiten Abschnitt 114 gekoppelt ist. Der zweite Auslegerpositionssensor 138 kann aus einem oder mehreren Sensoren bestehen, welche die Position des zweiten Abschnitts 114 anzeigen. Der zweite Auslegerpositionssensor 138 umfasst ebenfalls mehrere Sensoren, die strategisch positioniert sind.
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Die Anordnung der Positionssensoren kann von der Gestängekinematik der Auslegerbaugruppe 110 oder von Komponenten, die an der Auslegerbaugruppe 110 einer jeweiligen Arbeitsmaschine 100 eingreifen, sowie von der Art des Positionssensors abhängen. Die Positionssensoren (132, 138) speisen erste und zweite Positionssignale (236, 238) in den Positions-/Winkeldatenprozessor 290 ein.
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2 zeigt ein Schema der Auslegerbaugruppe 110 eines Skidders 200 in Bezug auf den Kontroller 205 des Skidders im intelligenten mechanischen Gestängeleistungssystem 300 (ebenfalls in 9 dargestellt). Wie bereits erwähnt, enthält die Auslegerbaugruppe 110 einen Bogenabschnitt 230 (d. h. den ersten Abschnitt 112 der Auslegerbaugruppe 110), der an den hinteren Fahrzeugrahmen 220 gekoppelt ist, einen Auslegerabschnitt 240 (den zweiten Abschnitt 114 der Auslegerbaugruppe 110), der an den Bogenabschnitt 230 gekoppelt ist, und einen Greifer 207 (das Anbaugerät 105). Ein proximales Ende 256 des Bogenabschnitts 230 ist schwenkbar mit dem hinteren Fahrzeugrahmen 220 und ein distales Ende 258 des Bogenabschnitts 230 ist schwenkbar mit dem Auslegerabschnitt 240 verbunden. In dieser speziellen Ausführungsform sind ein oder mehrere Bogenhydraulikzylinder 260 vom Bediener so steuerbar, dass der Bogenabschnitt 230 bewegt werden kann. Ein proximaler Teil 266 des Auslegerabschnitts 240 ist schwenkbar mit dem Bogenabschnitt 230 und ein distaler Teil 268 des Auslegerabschnitts 240 ist schwenkbar mit dem Greifer 207 verbunden. Ein oder mehrere Auslegerhydraulikzylinder 242 sind an den proximalen Teil 266 des Auslegerabschnitts 240 gekoppelt und können vom Bediener zum Bewegen des Auslegerabschnitts 240 gesteuert werden. Ein proximaler Teil 276 des Greifers 107 ist mit dem distalen Teil 268 des Auslegerabschnitts 240 gekoppelt.
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Die vollständige Bewegung oder das vollständige Aus- und Einfahren des/der Bogenhydraulikzylinder(s) 260 und des/der Auslegerhydraulikzylinder(s) 242 bildet die Bewegungshüllkurve 400 (nachfolgend detailliert beschrieben) für den Greifer 207, wobei der Greifer 207 eine Nutzlast 140 wie z. B. Baumstämme aufnimmt.
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Der Skidder 200 kann weiterhin eine Lastmessvorrichtung(en) (280a, 280b, im Folgenden zusammenfassend als 280 bezeichnet) umfassen, die mit der Auslegerbaugruppe 110 gekoppelt ist, wobei die Lastmessvorrichtung (280a, 280b) so konfiguriert ist, dass sie ein Lastsignal(e) 288 erzeugt, das eine Nutzlast 140 anzeigt. Obwohl in der vorliegenden Offenbarung zwei Positionen für Lastmessvorrichtungen angegeben sind, besteht die Lastmessvorrichtung 280 aus einem ersten Lastmesssensor 280a und einem zweiten Lastmesssensor 280b. Der erste Lastmesssensor 280a kann aus einem oder mehreren Sensoren bestehen, die am oder in der Nähe des Greiferkastens am Kreuzkopfdrehgelenk 158 angebracht sind. Der zweite Lastmesssensor 280b kann an der Position angebracht werden, an der der Auslegerabschnitt 240 mit dem Bogenabschnitt 230 gekoppelt ist. Die tatsächlich benötigte Auslegerabschnitthub- und Bogenabschnittzuglast wird mit dem/den Lastmesssensor(en) 280a bzw. 280b gemessen. Das (Die) Lastsignal(e) 288 werden von dem Kontroller 205 empfangen, der ein Protokollmodul der tatsächlichen Lastmessdaten 285 mit Echtzeitdaten erstellt, wobei die Datenbank die schematischen Darstellungen der Bewegungshüllkurve 400 mit Knoten 610, die Lasten an den jeweiligen Positionen (in den 6A-6B dargestellt) anzeigen, durch Extrapolation aus einem Modul der theoretischen Leistungsdaten 293 auffüllt.
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Die Arbeitsmaschine oder der Skidder 200 kann außerdem einen Stift 215 aufweisen, wobei sich der Stift 215 an einem distalen Teil des Auslegerabschnitts 268 befindet. Der Stift 215 kann einen Punkt aufweisen, der die Kopplung des Greifers 207 mit dem distalen Teil des Auslegerabschnitts 268 darstellt, der das Kreuzkopfdrehgelenk 158 beinhalten kann. Alternativ dazu kann der Stift 215 einen zentralen Teil des Kreuzkopfdrehgelenkes bilden. Bei der Berechnung der Last an einer beliebigen Stelle innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 durch den Kontroller 205 stellt der Stift 215 die Nutzlast dar (d. h. die Gravitationszugkraft der Last am distalen Teil des Auslegerabschnitts 268). Der Kontroller 205 kann den gemessenen/bekannten Lastwert und die bekannten relativen Positionen des/der Auslegerhydraulikzylinder(s) 242 und des/der Bogenhydraulikzylinder(s) 260 verwenden, um die relative Lasthubkraft, die der Auslegerhydraulikzylinder 242 benötigt, und die Zugkraft, die der Bogenhydraulikzylinder 260 benötigt, um die nächste Position innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 zu erreichen, zu extrapolieren.
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3 zeigt ein Linienschema des Skidders 200, wobei die Bewegungshüllkurve 400 durch einen möglichen Bewegungsbereich des Stifts 215 definiert ist. Die Position des Stifts 215 wird durch die Längen des/der Bogenhydraulikzylinder(s) 260 und des/der Auslegerhydraulikzylinder(s) 242 bestimmt. Die gemeinsame Bewegung der Bogenhydraulikzylinder 260 und des Auslegerhydraulikzylinders 242 bestimmen die Position des Stifts 215. Der durch den Stift 215 gezogene Umfang 312 der Bewegungshüllkurve 400 wird dadurch definiert, dass sich ein oder mehrere Bogenhydraulikzylinder 260 und der Auslegerhydraulikzylinder 242 in voll ausgefahrener oder eingezogener Position befinden. Der Umfang der Bewegung des Bogenhydraulikzylinders wird durch eine erste dreieckige Konfiguration 330 dargestellt, die durch das mechanische Gestänge der Auslegerbaugruppe 110 bestimmt wird (siehe 1). Die erste dreieckige Konfiguration 330 wird durch einen Punkt auf dem distalen Teil des/der Bogenhydraulikzylinder(s) 260 gezeichnet, wobei der/die Bogenhydraulikzylinder 260 zwischen einem vollständigen Ausfahren und einem vollständigen Einfahren und die Auslegerhydraulikzylinder 242 zwischen einem vollständigen Ausfahren und einem vollständigen Einfahren drehen. Der Umfang der Bewegung des Auslegerhydraulikzylinders wird durch eine zweite dreieckige Konfiguration 320 dargestellt, die durch das mechanische Gestänge der Auslegerbaugruppe 110 mit dem/den Auslegerhydraulikzylinder(n) 242, die sich zwischen dem vollständigen Ausfahren und dem vollständigen Einfahren drehen, und den Bogenhydraulikzylindern 260, die sich zwischen dem vollständigen Ausfahren und dem vollständigen Einfahren drehen, definiert ist.
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In 4 wird nun eine detaillierte, beispielhafte Ausführungsform des Greifers 107 gezeigt. Der Greifer 107 kann eine Basis 410, eine linke und rechte Zange 420, 430 und linke und rechte Hydraulikzylinder 440, 450 beinhalten. Die Basis 410 ist mit dem distalen Teil des Auslegerabschnitts 268 gekoppelt. Die proximalen Enden der linken und rechten Zange 420, 430 sind durch den linken und rechten Hydraulikzylinder 440, 450 zum Öffnen und Schließen des Greifers 207 steuerbar. Der linke Hydraulikzylinder 440 hat ein Kopfende, das mit der Basis 410 gekoppelt ist, und ein Kolbenende, das mit dem proximalen Ende der linken Zange 420 gekoppelt ist. Der rechte Hydraulikzylinder 450 hat ein Kopfende, das mit der Basis 410 gekoppelt ist, und ein Kolbenende, das mit dem proximalen Ende der rechten Zange 430 gekoppelt ist. Der Bediener kann das Aus- und Einfahren der linken und rechten Hydraulikzylinder 440, 450 zum Öffnen und Schließen des Greifers 107 steuern. Beim Einfahren des linken und rechten Hydraulikzylinders 440, 450 werden die proximalen Enden der linken und rechten Zange 420, 430 näher zueinander gebracht, wodurch die distalen Enden der linken und rechten Zange 420, 430 auseinandergezogen werden, wodurch der Greifer 107 geöffnet wird. Beim Ausfahren des linken und rechten Hydraulikzylinders 440, 450 werden die proximalen Enden der linken und rechten Zange 420, 430 auseinander geschoben, so dass die distalen Enden der linken und rechten Zange 420, 430 zusammengeführt werden, wodurch der Greifer 207 geschlossen wird. Der Bediener kann die linke und rechte Zange 420, 430 einfahren, um den Greifer 207 zu öffnen, um eine Nutzlast 140 (z. B. Bäume oder anderes Gehölz) zu umschließen, und anschließend den linken und rechten Zangenzylinder 440, 450 ausfahren, um den Greifer 207 zu schließen, damit die Nutzlast gegriffen, gehalten und angehoben werden kann, so dass die Maschine sie an einen anderen gewünschten Ort bewegen kann. Der Stift 215 kann sich direkt über der Basis 410 des Greifers 207 befinden (in 4 mit einem Kreuz 215 gekennzeichnet).
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5 zeigt ein schematisches Beispiel der Benutzereingabeoberfläche 500 für die Bogenhydraulikzylinder 260, die Auslegerhydraulikzylinder 242 und die Zangenhydraulikzylinder (440, 450), die vom Bedienplatz aus bedient werden können. In dieser ersten beispielhaften Ausführungsform kann die Benutzereingabeoberfläche 500 aus diskreten Steuerelementen für die Auslegersteuerung 502, der Bogensteuerung 504 und einer Greifersteuerung 506 bestehen. Als diskret kann ein einzelnes Steuerelement interpretiert werden, oder die Bewegung eines Steuerelements in eine Richtung ergibt die Bewegung eines ersten Stellglieds 131 und die Bewegung des Steuerelements in eine andere Richtung ergibt die Bewegung eines zweiten Stellglieds 136. Die Auslegersteuerung 502 ermöglicht einem Bediener das Aus- und Einfahren der Auslegerhydraulikzylinder 242 zu regulieren, um den Auslegerabschnitt 240 relativ zum Bogenabschnitt 230 zu bewegen. Die Bogensteuerung 504 steuert das Aus- und Einfahren des/der Bogenhydraulikzylinder(s) 260 zum Absenken und Anheben des Bogenabschnitts 230 relativ zum hinteren Fahrzeugrahmen 220. Die Greifersteuerung 506 steuert das Aus- und Einfahren der Zangenhydraulikzylinder (440, 450) zum Öffnen und Schließen des Greifers 207. Die Auslegersteuerung 502, die Bogensteuerung 504 und die Greifersteuerung 506 senden die Benutzereingabesignale 550 an den Kontroller 205 und der Kontroller sendet die Befehlssignale 580 zur Steuerung der Ausleger-, Bogen- und Zangenhydraulikzylinder (260, 242, 440, 450) über die Steuerleitungen 520 (Hinweisbefehle können auch drahtlos kommuniziert werden 590). Die Benutzereingabeoberfläche 500 kann ferner ein Leistungsanzeige-Grafikmodul 530 (das auch einfach als Display bezeichnet werden kann) enthalten, wie nachfolgend näher beschrieben wird.
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Bei der Rückkehr zu 2 mit Bezug auf 1 ist der Kontroller 205 des Skidders 200 (Arbeitsmaschine 100) nun so konfiguriert, dass er ein erstes Positionssignal 236 (kennzeichnend für die Position und den Winkel des Bogenabschnitts 230) vom ersten Auslegerpositionssensor 132, ein zweites Positionssignal 238 (kennzeichnend für die Position und den Winkel des Auslegerabschnitts 240) vom zweiten Auslegerpositionssensor 138 und das Lastsignal 288 (kennzeichnend für die Nutzlast) von der Lastmessvorrichtung 280 erhält. In dieser Ausführungsform können der erste Gestängepositionssensor 232 und der zweite Gestängepositionssensor 138 aus einem oder mehreren Positionssensoren bestehen, wie in 2 beispielhaft dargestellt. Darüber hinaus können der erste Auslegerpositionssensor 132 und der zweite Auslegerpositionssensor Positionssensoren 138 mit ihren jeweiligen Stellgliedern (131, 136) gekoppelt werden, wobei die Positionssensoren es dem Kontroller 205 ermöglichen, die hydraulischen Kapazitäten oder alternativ das Lasthub-/Zugvermögen des jeweiligen Stellgliedes (131, 131) zu bestimmen. Der Kontroller 205 besteht aus einem Protokollmodul der tatsächlichen Lastmessdaten 285 zum Empfang des/der Lastsignal(e) 288 von der/den Lastmessvorrichtung(en) 280 und einem Positions-/Winkeldatenprozessor 290 zum Empfang des/der ersten Positionssignal(e) 236 und des/der zweiten Positionssignal(e) 238. Jede Art von Signal (288, 236, 238) kann in Echtzeit empfangen werden, um ein Datenprotokoll zu erstellen. Der Positions-/Winkeldatenprozessor 290 kann die bekannte Gestängegeometrie verwenden, um die jeweilige Position des Stifts 215 in der Bewegungshüllkurve 400 zu berechnen.
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Nun zu den 6A und 6B übergehend, ist der Kontroller 205 weiterhin so konfiguriert, dass er eine Karte der hydraulischen Kapazitäten 600 innerhalb einer Bewegungshüllkurve 400 für ein oder mehrere der ersten und zweiten Stellglieder (131, 136) auf der Grundlage des ersten Positionssignals 236, des zweiten Positionssignals 238 und des Lastsignals 288 berechnet, und einen Hubweg 710 zum Betätigen jedes jeweiligen Hydraulikzylinders innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 (in den 7A und 7B als gestrichelte Linien dargestellt) der Bewegung des Stifts 215 durch mindestens einen Teil der Bewegungshüllkurve 400 basierend auf den hydraulischen Kapazitäten erzeugt, wobei die verfügbare hydraulische Kapazität zum Heben und Ziehen der Nutzlast 140 innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 kleiner ist als die Bewegungshüllkurve ohne Nutzlast 140. Die Karte der hydraulischen Kapazitäten 600 kann dem Bediener auf einem Leistungsanzeige-Grafikmodul 530 auf einem Bediengerät, wie z. B. einem Bildschirm in der Bedienerkabine, oder auf einem alternativen Gerät, wie z. B. einem Tablet, einer mobilen Elektronik, einem Telefon, einer Windschutzscheibenprojektion und einem entfernten Bedienstand, um nur einige zu nennen, übertragen werden. Eine alternative oder ergänzende Option kann die haptische Rückmeldung an den Bediener durch das jeweilige Bedienelement sein, das für eine optimierte Steuerung bewegt werden muss. Sowohl die Nutzung des Leistungsanzeige-Grafikmoduls 530 als auch die haptische Rückmeldung können vorteilhaft als Orientierungshilfe und zur Schulung des Bedieners beitragen. Da das Auslegersteuerelement 502 und das Bogensteuerelement 504 bei einem Zangenskidder 200 getrennt voneinander angeordnet sind, ist eine haptische Rückmeldung einfach zu realisieren.
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Die Karte der hydraulischen Kapazitäten 600 umfasst eine Reihe von Knoten 610 (nur einer von mehreren ist angegeben), welche die hydraulischen Kapazitäten eines oder mehrerer der ersten und zweiten Stellglieder (131, 136) über die gesamte Bewegungshüllkurve 400 in Echtzeit darstellen. 6A stellt die hydraulische Kapazität des/der Auslegerhydraulikzylinder(s) 242 über die gesamte Bewegungshüllkurve 400 durch eine Reihe von Knoten 610 dar, oder die Auslegerhubkapazität (d. h. die Kapazität oder das Defizit der Auslegerhubkraft, dargestellt durch eine positive oder negative Zahl) über die gesamte Bewegungshüllkurve 400 in Echtzeit. Die x-Achse und die y-Achse stellen relative Positionen zum Rahmen 135 dar (d. h. basierend auf der aktuellen Position der anderen entsprechenden Stellglieder auf der Auslegerbaugruppe 110). 6B stellt die hydraulische Kapazität des/der Bogenhydraulikzylinder(s) 260 (d. h. die Kapazität oder das Defizit der Bogenzugkraft in der gesamten Bewegungshüllkurve 400) in Echtzeit dar (d. h. basierend auf der aktuellen Position der anderen entsprechenden Stellglieder auf der Auslegerbaugruppe 110). Da die Bewegung des/der Auslegerhydraulikzylinder(s) 242 und der Bogenhydraulikzylinder 260 über einzelne Steuerelemente (502 bzw. 504) von der Benutzereingabeoberfläche 500 aus gesteuert werden, kann die befohlene Bewegung der Hydraulikzylinder (242, 260) anhand der in den 6A und 6B dargestellten Karte der hydraulischen Kapazitäten 600 leicht interpretiert werden. Die Kapazität oder das Defizit kann durch eine positive oder negative Zahl angegeben werden, die numerisch an jedem Knoten 610 angegeben wird, und/oder durch eine physikalische Darstellung, bei der die Größe oder der Umfang jedes jeweiligen Knotens 610 (z. B. ein Kreis, der in dieser beispielhaften Ausführungsform gezeigt wird) die Größe der verbleibenden hydraulischen Kapazität auf der Grundlage der aktuellen Stellgliedpositionen angibt. So kann z. B. ein kleiner Knoten wenig oder gar keine hydraulische Kapazität innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 an der jeweiligen Stelle anzeigen. Dagegen kann ein großer Knoten eine ausreichende Kapazität an der jeweiligen Position anzeigen. Die aktuelle Position eines Stifts 215 innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 kann auch durch einen Knoten mit einer anderen Farbe oder einem anderen Symbol gekennzeichnet werden, so dass der Bediener seine Position in Echtzeit verfolgen kann. Eine Reihe von nebeneinander liegenden Knoten 610 mit ausreichender Kapazität in der Bewegungshüllkurve 400 kann einen optimalen und/oder sicheren Bewegungsweg (in den 7A und 7B auch als Hubweg 710 bezeichnet) des Stifts 215 anzeigen. In einer alternativen Ausführungsform können an den Knoten 610 nur die Knoten 610 mit Kapazität durch grafische Darstellungen bezeichnet werden. In der in den 6A und 6B dargestellten Ausführungsform können die Knoten 610 in Echtzeit in den Werten schwanken, wenn sich ein Hydraulikzylinder (242 oder 260) durch die Bewegungshüllkurve 400 bewegt. Manipuliert der Bediener z. B. die Bewegung der Auslegerhydraulikzylinder 242, um eine Hubkraft für die in 6A gezeigte Nutzlast 140 zu erzeugen, werden die hydraulischen Kapazitäten der Bogenhydraulikzylinder 260 in 6B jeden Knoten 610 auf der Grundlage der neuen Daten (Position) neu füllen. Obwohl die 6A und 6B eine beispielhafte Anzahl von Knoten 610 innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 für einen Zangenskidder 200 zeigen, kann die Anzahl der Knoten 610 je nach gewünschter Detailgranularität modifiziert werden. Andererseits können auch die Einheiten entlang der x- und y-Achse je nach Nutzlast 140 oder Land, in dem sie eingesetzt werden, manipuliert werden. In der vorliegenden Ausführungsform ist die hydraulische Leistung entlang der x-Achse und y-Achse in Kilonewton angegeben.
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Nun zu den 7A und 7B übergehend, besteht das dargestellte Schema aus einer Bewegungshüllkurve 400 mit einem Hubweg 710 (gekennzeichnet durch die gestrichelte Linie) des Stifts 215 von einer ersten Position 720 zu einer zweiten Position 730 über Knoten 610 mit ausreichender hydraulischer Kapazität zur Aufnahme der jeweiligen Nutzlast 140, die mit der Lastmessvorrichtung 280 gemessen werden kann. Es ist zu beachten, dass mehr als ein Hubweg 710 gleichzeitig gezeigt sein kann, wie in der gezeigten Ausführungsform veranschaulicht.
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Die in den 7A und 7B dargestellte Bewegungshüllkurve 400 kann weiter verbessert werden, sofern sie auf einer grafischen Benutzereingabeoberfläche angezeigt wird, wobei Teile der Bewegungshüllkurve 400 farb- oder mustercodiert sind. Die Farbcodierung basiert auf dem Grad der hydraulischen Kapazität des jeweiligen Hydraulikzylinders, dem die Bewegungshüllkurve 400 zugeordnet ist, sofern sich der Stift 215 an der vorgesehenen Stelle innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 befindet. In einer Ausführungsform der Bewegungshüllkurve 400 kann die Farbe Grün eine hydraulische Kapazität über 20 % anzeigen, die Farbe Rot ein Defizit an hydraulischer Kapazität anzeigen, die Farbe Gelb eine Kapazität zwischen 0 % und 5 % anzeigen und die Farbe Violett eine Kapazität zwischen 5 % und 20 % anzeigen, um die Nutzlast 140 zu bewegen. Es ist zu beachten, dass die hydraulische Kapazität auch mit dem verbleibenden Hub eines Pistolenteils im Zylinder eines Hydraulikzylinders korrelieren kann. Der Hubweg 710 zeigt eine optimierte Trajektorie für die Bewegung des Stifts 215 von einer ersten Position 720 zu einer zweiten Position 730 durch eine Reihe von Knoten 610 mit ausreichender hydraulischer Kapazität für das jeweilige Stellglied 120 an. In der Ausführungsform eines Zangenskidders 200 zeigt die erste Position 720 die aktuelle Position des Stifts 215 an, und die zweite Position 730 kann die gewünschte Endposition anzeigen, zum Beispiel eine Transportposition, in der eine Nutzlast 140 in Vorbereitung auf den Transport ausreichend über den Boden gehoben wird. Über die Benutzereingabeoberfläche 500 kann der Bediener zwischen der Karte der hydraulischen Kapazitäten mit Knoten 610 und der Karte der hydraulischen Kapazitäten mit einem vorgeschlagenen Hubweg 710 (mit oder ohne Farbcodierung) umschalten.
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Um auf die 1 und 2 zurückzukommen und um nun auch auf die 8 und 9 zu verweisen, kann der Kontroller 205 der Arbeitsmaschine 100 bei der Berechnung der Karte der hydraulischen Kapazitäten 600 (in 6 dargestellt) weiterhin ein Neigungssignal 295 von einem Neigungssensor 160 erhalten, der an die Arbeitsmaschine 100 gekoppelt ist. 8 zeigt ein Linienschema der Arbeitsmaschine 100, einem Zangenskidder 200, auf einer geneigten Fläche 810. Der Neigungssensor 160 kann die Neigung der horizontalen Längsachse 850 der Arbeitsmaschine 100 relativ zum Boden bestimmen (dargestellt als α) und der Kontroller 205 kann das/die Lastsignal(e) 288 basierend auf diesem Neigungssignal 295 modifizieren. Mit anderen Worten, die Neigung entspricht dem Vektor 820, der die Nutzlast 140 von einem Punkt an oder in der Nähe des Stifts 215 relativ zum Rahmen 130 repräsentiert, sofern die Richtungsänderung der Gravitationskraft aufgrund des Neigungswinkels α berücksichtigt wird. Das heißt, dass der Kontroller 205 an einem steilen Hang die Bewegungshüllkurve 400 mit hydraulischen Kapazitäten füllt und dabei die gerichtete Zugkraft der Nutzlast, wie sie von der Schwerkraft beeinflusst wird, in Bezug auf die gerichtete Zugkraft auf die Stellglieder 120, wie in 8 dargestellt, berücksichtigt. Der Vektor 805 stellt eine erste die gerichtete Zugkraft der Last 140 dar, sofern sich die Arbeitsmaschine auf einer ebenen Bodenfläche befindet. Der Vektor 820 stellt eine zweite gerichtete Zugkraft der Nutzlast 140 mit der Arbeitsmaschine dar, die sich auf der geneigten Fläche 810 befindet. Der Neigungswinkel α entspricht der Änderung des relativen Winkels der Nutzlast 140.
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9 stellt ein detailliertes Schema des intelligenten mechanischen Gestängeleistungssystems 300 in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel, wie in 1 gezeigt, dar. Genauer gesagt wird das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300, wie es beim Zangenskidder 200 zum Einsatz kommt, dargestellt. In einem nicht einschränkenden Beispiel umfasst das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300 einen ersten Auslegerpositionssensor 132, der mit dem ersten Abschnitt der Auslegerbaugruppe 110 der Arbeitsmaschine 100 gekoppelt ist, um ein erstes Positionssignal 236 zu erzeugen, das eine Position des ersten Stellglieds 131 anzeigt. Das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300 besteht aus einem zweiten Auslegerpositionssensor 138, der mit einem zweiten Abschnitt der Auslegerbaugruppe 114 der Arbeitsmaschine 100 gekoppelt ist, um ein zweites Positionssignal 238 zu erzeugen, das eine Position des zweiten Stellglieds 136 anzeigt. Das erste Positionssignal 236 und das zweite Positionssignal 238 werden von einem Positions-/Winkeldatenprozessor 290 empfangen, der sich auf dem Kontroller 205 befinden kann, um die relativen Positionen und/oder Winkel des ersten Abschnitts der Auslegerbaugruppe 110, des zweiten Abschnitts der Auslegerbaugruppe 114 und schließlich des Stifts 215 zum Rahmen 130 zu bestimmen.
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Eine Lastmessvorrichtung 280 ist mit der Auslegerbaugruppe 110 gekoppelt, wobei die Lastmessvorrichtung 280 so konfiguriert ist, dass sie ein Lastsignal 288 erzeugt, das die Nutzlast 140 anzeigt, wobei das Lastsignal 288 vom Kontroller 205 empfangen wird. Das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300 umfasst ferner den Stift 215 (oben erwähnt), der mit dem zweiten Abschnitt der Auslegerbaugruppe 114 an einer vom ersten Abschnitt der Auslegerbaugruppe 110 entfernten Stelle gekoppelt ist, wobei die Bewegung des Stifts 215 eine Bewegungshüllkurve 400 erzeugt, in welcher der Stift 215 durch den ersten Abschnitt 112 und den zweiten Abschnitt 114 beweglich ist. Ein Anbaugerät 105 kann an den Stift gekoppelt werden, wobei das Anbaugerät so konfiguriert ist, dass es die Nutzlast aufnimmt. Wie bereits erwähnt, wird der Umfang 312 der Bewegungshüllkurve 400 durch einen oder mehrere Hydraulikzylinder 125 bestimmt, die an die Auslegerbaugruppe 110 gekoppelt sind, die sich in einer vollständig ausgefahrenen oder eingefahrenen Position befindet. Das heißt, der Umfang 312 wird durch den gesamten möglichen Bewegungsbereich mit jedem Stellglied 120 bestimmt, das bei der Gestängegeometrie der Arbeitsmaschine 100 aus- oder eingefahren wird. Das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300 umfasst ferner eine mit der Arbeitsmaschine 100 gekoppelten Kontroller 205, wobei der Kontroller so konfiguriert ist, dass er ein erstes Positionssignal 238 von dem ersten Auslegerpositionssensor 138 empfängt; ein zweites Positionssignal 238 von dem zweiten Bogenpositionssensor 136 empfängt; und das Lastsignal 288 empfängt. Der Kontroller 205 besteht aus einem Protokollmodul der tatsächlichen Lastmessdaten 285, einem Modul der theoretischen Leistungsdaten 293 und einem Leistungsanzeige-Grafikmodul 530. Der Positions-/Winkeldatenprozessor 290 empfängt die Positionssignale (236, 238) vom ersten Auslegerpositionssensor 132 und vom zweiten Bogenpositionssensor 138 sowie die Lastsignale 288 in Echtzeit. Der Kontroller 205 erkennt beim Empfang dieser Information den Knoten 610 in der Bewegungshüllkurve 400, in der sich der Stift 215 befindet. Der Kontroller 205 analysiert und optimiert anschließend die Kraftanforderungen des ersten Abschnitts 112 (Bogenzugkraft des Zangenskidders) und des zweiten Abschnitts 114 (Auslegerhub des Zangenskidders) über die gesamte Geometrie der Bewegungshüllkurve 400 basierend auf den Lastsignalen 288 und den ersten und zweiten Positionssignalen (236, 238), indem er den ermittelten Knoten 660 (d. h. der Knoten, der die aktuelle Position repräsentiert) innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 mit dem Modul der theoretischen Leistungsdaten 293 korreliert. Das Modul der theoretischen Leistungsdaten 293 kann aus theoretischen Lastkapazitäten innerhalb der gesamten Bewegungshüllkurve 400 bestehen und ist mit hydraulischen Kapazitäten der jeweiligen hydraulischen Stellglieder für jeden jeweiligen Knoten innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 bei vorgegebener Nutzlast (z. B. könnte die Nutzlast Null oder eine andere Mindestlast sein) bereits gefüllt. Sobald der Knoten 610 erkannt ist, extrapoliert der Kontroller 205 anschließend aus dem Modul der theoretischen Leistungsdaten 293, wobei er das Verhältnis zwischen dem erkannten Knoten 660 und dem entsprechenden Knoten im Modul der theoretischen Leistungsdaten 293 kennt, und füllt die verbleibende Bewegungshüllkurve 400, wobei er eine Karte der hydraulischen Kapazitäten für das erste Stellglied oder sowohl für das erste als auch für das zweite Stellglied auf der Grundlage der Nutzlast 140 berechnet. Es ist zu beachten, dass das Lastsignal 288 jederzeit schwanken kann, da ein Teil der Nutzlast 140 über den Boden schleifen kann, da ein Zangenskidder 200 in der Regel hohe gefällte Bäume bewegt. Wie in den 6A und 6B zu sehen ist, besteht die Karte der hydraulischen Kapazitäten innerhalb der gesamten Bewegungshüllkurve aus einer Reihe von Knoten, welche die verfügbare Lastversorgung durch das hydraulische System der Arbeitsmaschine für das jeweilige Stellglied darstellen. Dies kann durch eine positive Zahl (dargestellt als +) wie bei einer verfügbaren Kraftversorgung, oder eine negative Zahl (dargestellt als -) wie bei einem Kraftdefizit (d. h. unzureichende Kraft, um die Nutzlast 140 von der aktuellen Position (wobei die aktuelle Position auch der identifizierte Knoten 660 sein kann) in eine zweite Position zu ziehen, wobei die zweite Position im Allgemeinen als die Transportposition erkannt wird) bezeichnet werden.
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Zusätzlich kann der Bediener das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300 zwischen Automatikbetrieb 375 und Halbautomatikbetrieb 365 umschalten. Im Auto-Modus kann der Kontroller 205 so konfiguriert werden, dass die Bewegung des Stifts 215 zu einer Vielzahl von Knoten 610 innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 verhindert wird, sofern die hydraulische Kapazität für die Bewegung der Nutzlast 140 nicht ausreicht. Darüber hinaus kann der Kontroller im Automatikmodus 375 die Auslegerbaugruppe automatisch auf dem berechneten Hubweg 710 bewegen, wie er z. B. durch die gestrichelten Linien in den 7A und 7B gekennzeichnet ist, während der Bediener der Bewegung auf dem Leistungsanzeige-Grafikmodul 530 folgt. Der Hubweg 710 kann sich in Echtzeit ändern, sobald sich der Stift 215 bewegt. Dies kann daran liegen, wie die Nutzlast 140 in die Bodenfläche oder die geneigte Fläche 810 der Bodenfläche eingreift, um nur einige zu nennen. Alternativ dazu zeigt das Display im halbautomatischen Modus 365 die Bewegungshüllkurve 400 in Echtzeit an, visuell kodiert (Farbe oder Muster), um dem Bediener die verfügbare Lastversorgung des Hydrauliksystems auf der Grundlage der Nutzlast 140 für jeden Knoten 610 über die gesamte Bewegungshüllkurve 400 zu übertragen. Der Bediener kann anschließend über die Benutzereingabeoberfläche 500 den Stift 215 und schließlich die Nutzlast 140 in eine Transportposition manövrieren, wobei er sich am vorgeschlagenen Hubweg 710 orientieren kann. Darüber hinaus kann der Kontroller im halbautomatischen Modus 365 dem Bediener eine haptische Rückmeldung als Orientierungshilfe geben (z. B. eine Vibration des zu bewegenden Steuerelements).
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10 ist eine Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Arbeitsmaschine 100 mit einem intelligenten mechanischen Gestängeleistungssystem 300. Die Arbeitsmaschine 100 ist als Bagger 900 ausgeführt, der einen oberen Rahmen 910 beinhaltet, der schwenkbar an einem Fahrgestell 915 angebracht ist. Der obere Rahmen 910 kann mittels eines Schwenkzapfens schwenkbar am Fahrgestell 915 befestigt werden. Das Fahrgestell 915 kann auf den gegenüberliegenden Seiten des Fahrgestells 915 ein Paar von Bodeneingriffsketten 920 für die Bewegung entlang der Bodenoberfläche enthalten. Der obere Rahmen 910 beinhaltet eine Bedienerkabine, in welcher der Bediener den Bagger 900 steuert. Der Bediener kann eine oder mehrere Bedienelemente des Kontrollers 205 für die Bedienung des Baggers 900 betätigen. Diese Bedienelemente können aus einem Lenkrad, Bedienungshebeln, Steuerpedalen, Steuertasten oder einer grafischen Benutzereingabeoberfläche mit Display bestehen. Der Bagger 900 umfasst eine Auslegerbaugruppe 110 mit einem großen Ausleger 925 (erster Abschnitt der Auslegerbaugruppe 112), der sich vom oberen Rahmen 910 (Rahmen 130) neben der Bedienerkabine 226 erstreckt, und einem Schaufelarm 935 (zweiter Abschnitt der Auslegerbaugruppe 114). Der große Ausleger 925 ist durch Betätigung des/der großen Auslegerhydraulikzylinder 930 (erstes Stellglied) um einen vertikalen Bogen relativ zum oberen Rahmen 910 drehbar. Der Schaufelarm 935 ist mit dem großen Ausleger 925 gekoppelt und mittels eines Schaufelarmhydraulikzylinders 940 (zweites Stellglied) relativ zum großen Ausleger 925 schwenkbar. Am Ende des Schaufelarms 935 ist ein Anbaugerät 105 (dargestellt als Schaufel 905) angekuppelt, wobei das Anbaugerät 105 durch einen Anbaugerätehydraulikzylinder 945 relativ zum Schaufelarm 935 schwenkbar ist.
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11 stellt ein Linienschema der zweiten beispielhaften Ausführungsform in 10 dar, in der die Bewegungshüllkurve 400 für einen Bagger 900 dargestellt ist. Die Bewegungshüllkurve 400 ist über einen Bereich der möglichen Bewegung von Stift 215 definiert. Die Position des Stifts 215 wird durch die Längen der großen Auslegerhydraulikzylinder und des/der Schaufelarmhydraulikzylinder(s) 940 definiert. Der (durch die durchgezogene schwarze Linie gekennzeichnete) Umfang der durch den Stift 215 gezogenen Bewegungshüllkurve 400 wird durch einen oder mehrere der großen Auslegerhydraulikzylinder 930 und den/die Schaufelarmhydraulikzylinder 940 in voll ausgefahrener oder eingezogener Position definiert. Der Umfang der Bewegung des großen Auslegerhydraulikzylinders wird durch eine Reihe von ersten geometrischen Konfigurationen 950 dargestellt, die durch das mechanische Gestänge der Auslegerbaugruppe 110 definiert sind (siehe 10). Die erste geometrische Konfiguration 950 wird durch einen Punkt am distalen Teil des/der großen Auslegerhydraulikzylinder(s) 930 gezeichnet, wobei der/die großen Auslegerhydraulikzylinder 930 zwischen vollem Ausfahren und vollem Einfahren und der/die Schaufelarmhydraulikzylinder 940 zwischen vollem Ausfahren und vollem Einfahren drehen. Der Umfang der Bewegung des Schaufelarmhydraulikzylinders wird durch eine Reihe von zweiten dreieckigen Konfigurationen 955 dargestellt, die durch das mechanische Gestänge der Auslegerbaugruppe 110 mit dem/den großen Auslegerhydraulikzylinder(n) 930, die sich zwischen vollem Ausfahren und vollem Einfahren drehen, und den Schaufelarmhydraulikzylindern 940, die sich zwischen vollem Ausfahren und vollem Einfahren drehen, definiert sind.
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12 ist ein detailliertes Schema des intelligenten mechanischen Gestängeleistungssystems 300 in Bezug auf die zweite beispielhafte Ausführungsform, einen Bagger 900, wie in 10 dargestellt. Das System ähnelt dem in 9 gezeigten intelligenten mechanischen Gestängeleistungssystem 300, mit Ausnahme der beschreibenden Eingaben der Benutzereingabeoberfläche 500 (d. h. Steuerung des großen Auslegers 925, Steuerung des Schaufelarms 935 und Steuerung der Schaufel 905) und der Ausgaben auf einem Leistungsanzeige-Grafikmodul 530 (d. h. die Bewegungshüllkurve 400 und die berechneten relevanten Daten spiegeln die Konfiguration des Baggers 900 wider, wie in 11 besprochen). Da die Längen und die Gestängegeometrie des Stellglieds 120 unterschiedlich sind, variiert auch die Bewegungshüllkurve 400. Das System und das Verfahren zur Optimierung der Leistung können jedoch identisch sein. Außerdem kann der Kontroller weiter so konfiguriert werden, dass er einen Masseschwerpunkt der Nutzlast 380 identifiziert. Der Masseschwerpunkt der Nutzlast 380 kann auf einem dritten Positionssignal basieren, das von einem dritten Stellglied 945 empfangen wird, wobei das Anbaugerät 105 durch das dritte Stellglied 945 bewegt werden kann. Der Kontroller 205 modifiziert das Lastsignal 288 in Abhängigkeit vom Masseschwerpunkt der Nutzlast 380.
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13 stellt ein Verfahren eines Steuersystems für eine Auslegerbaugruppe 110 einer Arbeitsmaschine 100 zur intelligenten Steuerung der Auslegerbaugruppe während eines Bewegungsvorgangs mit einer Nutzlast 140 dar. In einem ersten Block 970 erzeugt ein erstes Stellgliedsensorsystem 132, das mit einem ersten Abschnitt der Auslegerbaugruppe 112 der Arbeitsmaschine 100 gekoppelt ist, ein erstes Positionssignal 236, das die Position des ersten Stellglieds 131 anzeigt; ein zweites Stellgliedsensorsystem 138, das mit dem zweiten Abschnitt der Auslegerbaugruppe 114 gekoppelt ist, erzeugt ein zweites Positionssignal 238, das die Position des zweiten Stellglieds 136 anzeigt; und eine Lastmessvorrichtung 280 erzeugt ein Lastsignal 288, das die Nutzlast 140 anzeigt. In einem zweiten Block 975 erhält der Kontroller 205 diese Signale (d. h. das erste Positionssignal 236, das zweite Positionssignal 238 sowie das Lastsignal 288). In einem dritten Block 980 ermöglicht der Empfang des ersten und zweiten Positionssignals (236, 238) durch den Positions-/Winkeldatenprozessor 290 dem Prozessor die aktuelle Bestimmung der relativen Position des Stifts 215 innerhalb der Bewegungshüllkurve. In einem vierten Block 990 analysiert das intelligente Leistungssteuermodul auf dem Kontroller 205 das Protokollmodul der tatsächlichen Lastmessdaten 285 und nutzt das Lastsignal 288 und die ermittelte Position des Stifts 215 innerhalb der Bewegungshüllkurve 400, um die verbleibende Bewegungshüllkurve durch Extrapolation aus den Lastwerten im Modul der theoretischen Leistungsdaten 293 zu füllen. In einem fünften Block 995 optimiert der Kontroller 205 anschließend den Hubweg 710 (d. h. die Bewegung von Stift 215 von der aktuellen Position zu einer Transportposition) durch eine Reihe von Positionen, die durch die Knoten 610 innerhalb der Bewegungshüllkurve repräsentiert werden. Ab einem sechsten Block 996 hat der Kontroller 205 die Möglichkeit, eine grafische Darstellung zu erstellen, die auf dem Leistungsanzeige-Grafikmodul 530 oder einer haptischen Orientierungshilfe für den Bediener kommuniziert wird, wobei eine Reihe von diskreten Bewegungen für das jeweilige Stellglied 120 zum Bewegen zu einer nächsten Position (d. h. im Allgemeinen in Richtung der Transportposition) bezeichnet wird. Gleichzeitig kann der Kontroller 205 im Block 997 die Maschine im halbautomatischen Modus 365 betreiben, wobei die Bewegung zu bestimmten Knoten 610 innerhalb der Bewegungshüllkurve 400 eingeschränkt werden kann. Möglicherweise muss der Bediener zum Navigieren nur die erlaubten Bereiche innerhalb der Bewegungshüllkurve verwenden. Alternativ kann der Kontroller 205 im Block 998 im Automatikmodus 375 arbeiten, wobei sich der Stift 215 von einer ersten Position 720 in die vorgesehene zweite Position 730 (z. B. die Transportposition) automatisch mit minimaler oder ohne Unterstützung durch den Bediener bewegt. Block 995 wird durch die Schleife 999 laufend aktualisiert, während sich der Stift 215 durch die Bewegungshüllkurve 400 bewegt. Das intelligente mechanische Gestängeleistungssystem 300 ermöglicht dabei vorteilhaft die Aktualisierung und Neustrukturierung des Ansatzes der Maschine in Echtzeit.
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Die hierin verwendete Terminologie dient dem Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen oder Implementierungen und soll die Offenbarung in keiner Weise einschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ auch die Pluralformen beinhalten, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes anzeigt. Es versteht sich ferner, dass jede Verwendung der Begriffe „hat“, „haben“, „aufweisen“, „beinhalten“, „enthält“, „umfasst“, „umfassen“, „umfassend“, „beinhaltet“ oder dergleichen in dieser Patentschrift das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten identifiziert, jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließt.
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Die hier mit den Bezugszeichen „A“ und „B“ verwendeten Bezugsziffern dienen lediglich der Verdeutlichung bei der Beschreibung mehrerer Implementierungen einer Vorrichtung.
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Einer oder mehrere der Schritte oder Vorgänge in einem der hier erörterten Verfahren, Prozesse oder Systeme können weggelassen, wiederholt oder neu geordnet werden und liegen im Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung.
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Während das Obenstehende beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschreibt, sollten diese Beschreibungen nicht in einem einschränkenden oder begrenzenden Sinne betrachtet werden. Vielmehr gibt es mehrere Abweichungen und Änderungen, die vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
