DE102020206530A1

DE102020206530A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Lastschwerpunkts eines Objekts

Info

Publication number: DE102020206530A1
Application number: DE102020206530.6A
Authority: DE
Inventors: Udo Schulz; Angela Rizzo; Andreas Fladee; Christoph Jochum; Mario Soldu-Becker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Lastschwerpunkts (LS) eines Objekts (3), das durch einen Gabelstapler (1) mit einer Gabel (10) und einem Hubmast (11) aufgenommen wird Es werden Betriebskräfte (F), die auf die Gabel (10) wirken, durch zumindest einen Kraftmessbolzen (20, 21), der in einer Lagerstelle zwischen dem Hubmast (11) und dem Rahmen (13) des Gabelstaplers (1) angeordnet ist, gemessen werden und aus den gemessenen Betriebskräften (F) der Lastschwerpunkt (LS) des Objekts (3) ermittelt wird und dass abhängig vom ermittelten Lastschwerpunkt (LS) ein Steuersignal an den Gabelstapler (1) ausgegeben wird, um den Gabelstapler (1), den Hubmast (11) und/oder die Gabel (10) abhängig vom Lastschwerpunkt (LS) des Objekts (3) zu steuern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Lastschwerpunkts eines Objekts, das durch einen Gabelstapler aufgenommen wird, mittels eines Kraftmessbolzens, der zwischen dem Hubmast und einem Rahmen des Gabelstaplers angeordnet ist, und eine Steuerung der mobilen Arbeitsmaschine abhängig von der Lage des Lastschwerpunkts. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Gabelstapler mit zumindest einem Kraftmessbolzen zwischen dem Hubmast und dem Rahmen des Gabelstaplers.
Stand der Technik
Bei mobilen Arbeitsmaschinen, wie z. B. Gabelstaplern oder Flurförderzeugen, kommt es immer wieder zu Unfällen durch falsche Beladung oder Überbeladung. Vor allem, wenn der Lastschwerpunkt eines transportierten Objekts - auch als Last oder Ladung bezeichnet - eine ungünstige Lage einnimmt, kann dies zu einem Kippen der mobilen Arbeitsmaschine führen. Bei solchen Unfällen kann es sowohl zu Beschädigungen des Objekts und der mobilen Arbeitsmaschine als auch zu Verletzungen von Personen kommen. Neben der Masse der Ladung ist vor allem die Lage des Lastschwerpunkts der Ladung eine wesentliche Information für den sicheren Betrieb der mobilen Arbeitsmaschine.
Üblicherweise liegt es in der Verantwortung des Bedieners der mobilen Arbeitsmaschine zu prüfen, ob die Arbeitsmaschine die Ladung sicher anheben und transportieren kann. Hierfür nutzt er die ihm bekannten Informationen über die Ladung und ein Lastdiagramm für die mobile Arbeitsmaschine. Das Lastdiagramm zeigt für eine Masse der Last und einen Abstand des Lastschwerpunkts sichere und kritische Bereiche an. Die Informationen über die Ladung entnimmt der Bediener üblicherweise aus dem Lieferschein oder aus Aufdrucken auf der Ladung. Häufig ist die Masse der aufzunehmenden Ladung bekannt, jedoch muss die Lage des Lastschwerpunkts vom Bediener geschätzt werden. In der Regel wird dabei von einer homogenen Massenverteilung ausgegangen, d. h. der angenommene Lastschwerpunkt befindet sich in der geometrischen Mitte der Ladung. Bei inhomogenen Lasten und/oder bei nicht einsichtigen Verpackungen (z. B. Kartons) kann die Abschätzung zu falschen Ergebnissen führen.
Bei Gabelstaplern ist bekannt, zusätzliche Messtechnik direkt an der Gabel zu implementieren. Diese Lösung bietet diverse Nachteile. Zum einen erfolgt eine prinzipielle Änderung der Geometrie der Gabel - sie wird meist breiter und/oder höher -, was vor allem beim Einführen der Gabel in eine Palette nachteilig ist. Zum zweiten kann keine Kenntnis über den Gesamtschwerpunkt aus Lastschwerpunkt des Objekts und Schwerpunkt des Gabelstaplers erhalten werden, da die Gabel an verschiedenen Gabelstaplern als Nachrüstlösung verbaut werden kann. Zum dritten führt die zusätzliche Messtechnik zu erhöhten Kosten.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Lastschwerpunkts eines Objekts, das durch einen Gabelstapler aufgenommen wird, vorgeschlagen. Der Gabelstapler weist als Werkzeug einen Hubmast - auch als Hubgerüst oder Hubrahmen bezeichnet - und eine über den Hubmast mit einem Rahmen des Gabelstaplers verbundene Gabel auf, mit der das Objekt angehoben, transportiert und abgestellt wird. Ein solches Objekt wird oftmals als Last oder Ladung bezeichnet. Das Objekt übt eine Gewichtskraft auf die Gabel aus. Am Hubmast ist eine Hubmechanik vorgesehen, welche die Gabel entlang des Hubmasts bewegt.
Das System aus Gabelstapler und Last verhält sich im Prinzip wie eine Wippe und folgt dem Hebelgesetz. Bei einem Kippen nach vorne, liegt die Kippachse des Staplers auf Höhe der Vorderachse. Die Masse des unbeladenen Gabelstaplers und sein Schwerpunkt können im Vorhinein gemessen werden oder mittels Daten appliziert werden oder aus einem Datenblatt ausgelesen werden und sind somit im Vorhinein bekannt. Auch der Abstand des Schwerpunkts des Gabelstaplers zur Kippachse ist im Vorhinein bekannt. Der Schwerpunkt des unbeladenen Gabelstaplers liegt in etwa unter dem Fahrersitz. D.h. in diesem Punkt mit bekanntem Abstand zur Kippachse wirkt die Gewichtskraft des Staplers.
Es werden Betriebskräfte, die auf die Gabel wirken, durch zumindest einen Kraftmessbolzen, der in einer Lagerstelle zwischen dem Hubmast und dem Rahmen des Gabelstaplers angeordnet ist, gemessen. Ein solcher Kraftmessbolzen ist beispielsweise aus der DE10 2006 058 437 A1 und der DE10 2006 058 439 A1 bekannt und ist anstelle eines herkömmlichen Lagerbolzens zwischen dem Hubmast und dem Rahmen des Gabelstaplers, insbesondere an einem Lagerbock angeordnet. Somit hält der Kraftmessbolzen den Hubmasten beweglich am Rahmen. Der Abstand des ursprünglichen Lagerbolzens zu einer Kippachse des Gabelstaplers ist konstruktiv gegeben und bekannt. Somit ist auch der Abstand des Kraftmessbolzens zur Kippachse des Gabelstaplers bekannt. Durch die Betriebskräfte, die auf die Gabel wirken, wird der Kraftmessbolzen elastisch verformt. Diese Durchbiegung wird durch Messelemente des Kraftmessbolzens erfasst und durch eine integrierte Auswerteschaltung verstärkt. Die Messwerte können schließlich über eine Schnittstelle an ein elektronisches Steuergerät übertragen werden. Der starre Aufbau von Hubmast, Hubmechanik und Gabel stützt sich in den Lagerstellen und damit auf den Kraftmessbolzen ab und wirkt wie ein Hebel. D.h. wenn die Ladung und damit ihr Lastschwerpunkt auf den Gabeln vom Gabelträger weg hin zu der Gabelspitze verschoben werden, erhöht sich die Kraftwirkung in den Lagerstellen und damit auf die Kraftmessbolzen.
Demnach wirkt die Gewichtskraft des gesamten Hubmastes, der Hubmechanik und der Gabel sowie die Gewichtskraft Last auf die Kraftmessbolzen. Folglich wird die eigentliche Masse der Last mit Kenntnis der Masse des Werkzeugs im unbeladenen Zustand bestimmt bzw. berechnet. Rein prinzipiell könnte die Kraft auf die Kraftmessbolzen, vorzugweise mittels einer mechanischen und/oder elektrischen Einstellung, erst bei einer Beladung der Gabeln mit der Last erfolgen bzw. wirken. Vorteilhafterweise misst der Kraftmessbolzen die Masse (das Gewicht) des Werkzeugs, daher des Hubmasts, der Hubmechanik und der Gabel, zusammen mit der Masse der Last. Mit Kenntnis der Masse des unbeladenen Werkzeugs, welche im Vorhinein gemessen werden kann und/oder mittels Daten appliziert werden kann und/oder aus einem Datenblatt ausgelesen werden kann, kann die Masse der Last in einem Steuergerät berechnet werden. Dadurch wird ein universeller Kraftmessbolzen für verschiedene Gabelstapler mit unterschiedlichen Masten erhalten.
Typischerweise ruhen der gesamte Hubmast mit der Hubmechanik und die Gabel auf drei Lagerbolzen in zwei Lagerstellen, die die Verbindung zwischen dem Hubmast und dem Rahmen des Gabelstaplers sind. Insbesondere ist eine Lagerstelle an der unteren Vorderseite des Rahmens angeordnet. Die Neigung des Hubmasts kann durch einen Neigezylinder eingestellt und gehalten werden. Am Neigungszylinder befindet sich bevorzugt die zweite Lagerstelle. Vorzugsweise ist vorgesehen, zumindest einen der beiden Lagerbolzen in der Lagerstelle an der unteren Vorderseite des Rahmens durch einen Kraftmessbolzen zu ersetzen, besonders bevorzugt werden beide Lagerbolzen durch je einen Kraftmessbolzen ersetzt. Optional kann ein weiterer Kraftmessbolzen in der Lagerstelle des Neigungszylinders vorgesehen sein.. Die resultierende Kraft aus den gemessenen Kräften auf mehrere Kraftmessbolzen ergibt sich durch vektorielle Addition der beiden Kräfte und der zugehörige Schwerpunkt ergibt sich bei mehreren Kraftmessbolzen aus dem Verhältnis der gemessenen Kräfte.
Aus den gemessenen Betriebskräften wird dann eine Lastverteilung auf die Gabel ermittelt, aus der schließlich der Lastschwerpunkt des Objekts ermittelt wird. Die Messung über solche Kraftmessbolzen bietet den Vorteil, dass die Kraftmessbolzen die Lagerbolzen ersetzen und an der gleichen Stelle angeordnet sind und deren Funktion übernehmen. Somit kann der Lastschwerpunkt bestimmt werden, ohne den Betrieb des Gabelstaplers und dessen Werkzeuge zu behindern. Zudem stellen solche Kraftmessbolzen eine kostengünstige Messmethode dar, mit der die Lastverteilung auf die Gabeln und schließlich der Lastschwerpunkt des Objekts bestimmt werden können.
Bei einer asymmetrischen Lastverteilung liegt der Lastschwerpunkt außerhalb der zwischen den Gabeln gedachten geometrischen Mittellinie. In jeder Lagerstelle, vorzugsweise in der Lagerstelle an der unteren Vorderseite des Rahmens, können vorzugsweise zwei Kraftmessbolzen vorgesehen sein, die in unterschiedlichen Ausrichtungen zwischen dem Hubmast und dem Rahmen des Gabelstaplers angeordnet sind. Bevorzugt unterscheiden sich die Ausrichtungen der beiden Kraftmessbolzen nicht nur in senkrechter Richtung und besonders bevorzugt sind die beiden Kraftmessbolzen im Wesentlichen in der Waagerechten zueinander unterschiedlich ausgerichtet. Eine asymmetrische Ladungsverteilung auf der Gabel kann bedingt durch unterschiedlich auftretende Betriebskräfte auf die beiden Kraftmessbolzen in den jeweiligen Lagerstellen des Hubmastes und dadurch unterschiedlicher Durchbiegung in den Kraftmessbolzen gemessen und mittels Algorithmus berechnet werden. Abhängig vom ermittelten Lastschwerpunkt wird ein Steuersignal an den Gabelstapler ausgegeben, um den Gabelstapler, den Hubmast und/oder die Gabel abhängig vom Lastschwerpunkt des Objekts zu steuern.
Die Stabilität ist abhängig von dem Betriebsmodus, in dem sich die mobile Arbeitsmaschine befindet. Beispiele für unterschiedliche Betriebsmodi sind Fahren, Stehen, Aufladen, Abladen usw. So ist z. B. beim Fahren die Gefahr des Kippens größer als beim Stehen. Vorteilhafterweise werden daher die unterschiedlichen Betriebsmodi bei der Ermittlung des Lastschwerpunkts und/oder bei der Steuerung des Gabelstaplers berücksichtigt. Bei der Ermittlung des Lastschwerpunkts können beispielsweise zusätzliche Kräfte, die beim Fahren z.B. infolge von Geschwindigkeits- und/oder Richtungsänderungen auf die Achsen den gesamten Gabelstapler mit seiner Last wirken, berücksichtigt werden. Die Geschwindigkeits- und/oder Richtungsänderungen lassen sich beispielsweise mittels einer inertialen Messeinheit (IMU, inertial measurement unit) mit z.B. Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren messen. Darüber hinaus kann die mobile Arbeitsmaschine mitsamt dem Werkzeug in den unterschiedlichen Betriebsmodi verschieden angesteuert werden. Nur als Beispiel ist im Betriebsmodus Aufladen ein direktes Abladen der Ladung als Sicherheitsmaßnahme im Allgemeinen eher möglich als im Betriebsmodus Fahren.
Die statische Standsicherheit eines Gabelstaplers, bei der sich dieser nicht fortbewegt, ist zu unterscheiden von der dynamischen Standsicherheit, bei der sich der Gabelstapler fortbewegt. Durch die Bewegungen wie z. B. Beschleunigen, Abbremsen, Befahren von Schrägen oder durch Bodenunebenheiten kann die Standsicherheit beeinträchtigt werden.
Zur Auswertung werden gemäß einem Aspekt ein fahrzeugseitiges Drehmoment und ein werkzeugseitiges Drehmoment berechnet und die beiden Drehmomente miteinander verglichen. Das fahrzeugseitige Drehmoment wird als Produkt aus der Gewichtskraft des Gabelstaplers und aus dem Abstand des Schwerpunkts des Gabelstaplers zur Kippachse berechnet. Für das werkzeugseitige Drehmoment wird die resultierende Kraft aus der Gewichtskraft der Last und der Gewichtskraft des Werkzeugs im Lastschwerpunkt verwendet. Diese resultierende Kraft wird aus den Messungen der Kraftmessbolzen ermittelt. Das werkzeugseitige Drehmoment wird als Produkt aus der resultierenden Kraft im Lastschwerpunkt und dem Abstand des Lastschwerpunkts zur Drehachse ermittelt. Solange das fahrzeugseitige Drehmoment größer als das werkzeugseitige Drehmoment ist, ist der Gabelstapler standsicher. Wenn das werkzeugseitige Drehmoment hingegen größer ist als das fahrzeugseitige Drehmoment, wird ein Alarmsignal ausgegeben und der Gabelstapler gestoppt.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann für die Auswertung ein Gesamtschwerpunkt des Gabelstaplers mitsamt der Last aus der Masse der Last, der Masse des Werkzeugs und dem Lastschwerpunkt des Objekts und aus der Masse des Gabelstaplers und dem Schwerpunkt des Gabelstaplers ermittelt werden.
Es kann ein vorbestimmter Bereich für den Gesamtschwerpunkt vorgesehen sein. Der vorbestimmte Bereich ergibt sich bei ebenem Untergrund im einfachsten Fall durch eine Fläche, die von Aufstandspunkten der Räder umschlossen wird. Weist der Gabelstapler z. B. drei Räder auf, so hat die Fläche die Form eines Dreiecks, weist der Gabelstapler vier Räder auf, so hat die Fläche die Form eines Rechtecks. Jede Kante dieser Fläche kann eine Kippachse darstellen. Da es Toleranzen sowohl in der Kinematik, der Gewichte, der Sensoren, der Berechnungen, Unebenheiten des Bodens usw. geben kann, wird der Bereich um einen Sicherheitsabstand verkleinert.
Der Gesamtschwerpunkt wird in die Ebene dieser Fläche projiziert. Liegt der Gesamtschwerpunkt außerhalb des vorbestimmten Bereichs, bei dem der Betrieb als sicher eingestuft wird, kann der Gabelstapler so gesteuert werden, dass die Bedienung des Gabelstaplers eingeschränkt ist. Es können z. B. eine oder mehrere der folgenden Einschränkungen (oder weitere) vorgesehen sein:

• Begrenzung der Geschwindigkeit des Gabelstaplers;
• Begrenzung der Geschwindigkeit der Gabel am Hubmast; oder
• Beschränkung der maximalen Hubhöhe.

Darüber hinaus kann der Gabelstapler gestoppt werden, wenn der Gesamtschwerpunkt außerhalb des obengenannten vorbestimmten Bereichs liegt. Abhängig von der Gefahr kann beim Stoppen die Ladung sicher abgestellt werden. Dadurch kann ein Unfall durch Kippen verhindert werden. Der Bereich kann beispielsweise durch den Hersteller oder einen Betreiber des Gabelstaplers definiert werden. Des Weiteren können Warnsignale oder Alarmsignale an den Bediener und zusätzlich an Personen, andere Arbeitsmaschinen und/oder die Infrastruktur in der Umgebung ausgesendet werden.
Wird der Gabelstapler bewegt, so können durch Geschwindigkeits- und/oder Richtungsänderungen weitere Kräfte auf den Gesamtschwerpunkt wirken und diesen dynamisch verschieben. Vorzugsweise werden die Geschwindigkeits- und/oder Richtungsänderungen werden beispielsweise mittels einer inertialen Messeinheit (IMU) gemessen. Alternativ wird der oben vorbestimmte Bereich entsprechend verschoben.
Für den Fall, dass die dynamischen Kräfte nicht bestimmt werden können, kann die aus möglichen bzw. zulässigen Lenkwinkeln und Geschwindigkeiten resultierenden, in die Ebene projizierten Schwerpunktverschiebungen zu einer Verkleinerung des vorbestimmten Bereichs führen. Dabei kann vorausgesetzt werden, dass vor Fahrtbeginn die Last abgesenkt wurde und an Schrägen und Rampen die Last immer bergseitig geführt werden muss.
Weiterführend kann auch vorgesehen sein, dass die Neigung des Gabelstaplers und/oder des Untergrundes durch einen Neigungssensor bestimmt wird oder alternativ eine lokalisierte Steigungsinformation, z. B. aus Karten und/oder Beschleunigungsmessungen, bekannt ist. Dadurch können die neigungsabhängige Verschiebung des Gesamtschwerpunkts und die resultierende Verschiebung des projizierten Gesamtschwerpunkts in der Ebene bestimmt werden. Alternativ kann für den Fall, dass die Steigung nicht bekannt ist, die aus möglichen bzw. zulässigen Steigungen resultierenden, in die Ebene projizierten Schwerpunktverschiebungen zu einer Verkleinerung des vorbestimmten Bereichs führen. Dabei kann vorausgesetzt werden, dass vor Fahrtbeginn die Last abgesenkt wurde und an Schrägen und Rampen die Last immer bergseitig geführt werden muss.
Optional kann der Bediener und/oder der Betreiber und/oder ein Leitstand und/oder automatisch aus Karteninformationen die Einsatzbedingungen, z.B. „Ebener Stand“ oder „Ebenes Fahren“ oder „Fahren in Steigungen“, und damit vorbestimmte Bereiche vorgegeben werden.
Gemäß einem Aspekt können im Vorhinein, z. B. durch den Hersteller oder einen Betreiber des Gabelstaplers, Zonen mit unterschiedlichen Sicherheitszuständen für den Gesamtschwerpunkt bestimmt werden. Die Zonen werden in Abhängigkeit des Abstands zum Gesamtschwerpunkt des Gabelstaplers und in Abhängigkeit von dem vorbestimmten Bereich (die verschieden Möglichkeiten siehe oben) bestimmt und entsprechend mit Sicherheitszuständen bewertet.
Die Sicherheitszustände repräsentieren die Stabilität des Gabelstaplers inklusive der Last und bewerten die Möglichkeit eines Kippens des Gabelstaplers, wenn sich der Gesamtschwerpunkt innerhalb der entsprechenden Zone befindet. Beispielsweise können eine Zone um den Schwerpunkt des Gabelstaplers herum mit einem sicheren Sicherheitszustand, bei dem keine Gefahr des Kippens besteht, und eine Zone, welche die vorhergenannte umschließt und einen größeren Abstand zum Schwerpunkt der mobilen Arbeitsmaschine aufweist, mit einem kritischen Sicherheitszustand, bei der eine akute Gefahr des Kippens besteht, vorgesehen sein. Optional kann eine weitere Zone, die zwischen den vorhergenannten Zonen angeordnet ist, mit einem bedingt kritischen Sicherheitszustand vorgesehen sein, bei dem noch keine akute Gefahr des Kippens besteht, aber bereits eine Tendenz zu einer Gefahrensituation erkennbar ist. Im bedingt kritischen Sicherheitszustand arbeitet die mobile Arbeitsmaschine an der Stabilitätsgrenze.
Solche Zonen sind insbesondere dann sinnvoll, wenn sich während des dynamischen Betriebs des Gabelstaplers der Schwerpunkt prädizierbar / vorhersehbar weiter entlang einer prädizierten Trajektorie verschiebt bzw. verschieben kann, so z.B. bei Beschleunigungsvorgängen oder Bremsvorgängen oder bei Fahrt in Steigungen hinein oder Lasthebebewegungen oder Lenkmanövern usw. Wird dem Bediener die Verschiebung des Gesamtschwerpunkts mit den Zonen und Sicherheitszuständen zudem z. B. auf einem Bildschirm angezeigt und auch die Prädiktion / Vorhersage angezeigt (z.B. in einer Draufsicht auf den Gabelstapler, in welcher der Gesamtschwerpunkt und ein Pfeil für die Prädiktion dargestellt sind), kann dieser entsprechend reagieren. Somit kann der Bediener Gegenmaßnahmen durchführen, um ein Kippen zu vermeiden. Der Bediener kann hierfür z.B. geringer Beschleunigen, sanfter Abbremsen, die weitere Fahrt in die Steigung vermeiden, die Steigung in anderer Weise anfahren, weitere Kurven fahren, usw. Bei einem automatisierten bzw. autonomen Betrieb können diese kippvermeidenden Eingriffe auch automatisch bzw. autonom erfolgen.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Steuergerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Steuergerät, wird das elektronische Steuergerät erhalten, welches eingerichtet ist, einen Lastschwerpunkt zu bestimmen und ein Steuersignal an den Gabelstapler auszugeben, um den Gabelstapler, den Hubmast und/oder die Gabel abhängig vom Lastschwerpunkt des Objekts zu steuern.
Es wird ein Gabelstapler mit einem Hubmast und einer Gabel vorgeschlagen, bei dem in zumindest einer Lagerstelle zwischen dem Hubmast und einem Rahmen des Gabelstaplers zumindest ein Kraftmessbolzen angeordnet ist. Der Kraftmessbolzen ist eingerichtet, Betriebskräfte, die auf die Gabel wirken, zu messen. Solche Kraftmessbolzen, dessen Funktion und die daraus resultierenden Vorteile sind obenstehend bereits beschrieben und es wird darauf verwiesen.
Optional kann der Gabelstapler in zumindest einer Lagerstelle zwei Kraftmessbolzen zwischen dem Hubmast und dem Rahmen des Gabelstaplers am Lagerbock aufweisen, die in unterschiedlichen Ausrichtungen angeordnet sind. Die beiden Kraftmessbolzen sind eingerichtet, die Betriebskräfte, die in unterschiedlichen Richtungen auf die Gabel wirken, zu messen. Für die Funktion der beiden Kraftmessbolzen und die daraus resultierenden Vorteile wird ebenfalls auf obenstehende Beschreibung verwiesen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gabelstaplers mit Kraftmessbolzen von der Seite. Zwei Ausschnitte, die je einen Kraftmessbolzen zeigen, sind zusätzlich vergrößert dargestellt.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Kräfte, die auf den Gabelstapler aus 1 wirken.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
In 1 ist ein Gabelstapler 1 in einer Seitenansicht dargestellt. Der Gabelstapler 1 weist eine Gabel 10 auf, die über ein Hubmast 11 (auch Hubgerüst genannt) mit einem Rahmen 13 des Gabelstaplers 1 verbunden ist. Der Hubmast 11 kann über einen Neigezylinder 15, der zwischen dem Hubmast 11 und dem Rahmen 13 des Gabelstaplers 1 angeordnet ist, gekippt werden. Die Gabel 10 ist an einem Gabelträger 19 befestigt und kann mittels einer Hubkette 16, die über eine Umlenkrolle 17 mit einem Hubzylinder 18, der die Hubkette 16 bewegt, in der Höhe verstellt werden. Die Hubkette 16, die Umlenkrolle 17, der Hubzylinder 18 und der Gabelträger 19 sowie gegebenenfalls weitere bei der Bewegung der Gabel beteiligte Elemente werden im Folgenden als Hubmechanik zusammengefasst.
Zwischen dem Hubmast 11 und dem Rahmen 13 des Gabelstaplers 1 sind auf der Vorderseite am unteren Ende des Rahmens 13- an den Stellen, an denen typischerweise die Lagerbolzen angeordnet sind - zwei erste Kraftmessbolzen 20 angeordnet (von denen in 1 nur einer dargestellt ist), die in unterschiedlichen Ausrichtungen (links und rechts einer Mittellinie durch die Lagerstelle) zwischen dem Hubmast 11 und dem Rahmen 13 des Gabelstaplers 1 angeordnet sind. In dem in 1 unten rechts dargestellten Ausschnitt ist zu erkennen, dass der erste Kraftmessbolzen 20 zwischen einem Lager des Hubmasts 11 und einem Lagerblock am Rahmen 13 des Gabelstaplers 1 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Kraftmessbolzen 21 vorgesehen, der wie in einem Ausschnitt in 1 oben links dargestellt ist, zwischen dem Neigezylinder 15 und dem Rahmen 13 des Gabelstaplers 1 angeordnet ist. In weiteren Ausführungsbeispielen wird dieser zweite Kraftmessbolzen 21 nicht benötigt - hierzu wird auf die 2 und die dazugehörige Beschreibung verwiesen. Die Kraftmessbolzen 20, 21 halten den Hubmast 11 beweglich am Rahmen 13 des Gabelstaplers 1. Die Kraftmessbolzen 20 sind eingerichtet, die im Lager wirkenden Kräfte F, welche durch die Masse der Last und den Lastschwerpunkt (in 1 nur beispielhaft rudimentär gezeigt, siehe 2) über die Kinematik von Gabel 10, Hubmast 11 und Hubmechanik 16, 17, 18, 19 wirken, zu messen. Hierbei fließt die Kinematik von Gabel 10, Hubmast 11 und Hubmechanik 16, 17, 18, 19 mit ein. Solche Kraftmessbolzen 20, 21 sind an sich für andere Einsatzgebiete bekannt. Des Weiteren weist der Gabelstapler 1 ein elektronisches Steuergerät 19 auf, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
Der Gabelstapler 1 hat ein Objekt 3 (auch als Last oder Ladung bezeichnet) aufgenommen. Das System aus Gabelstapler 1 und Last 3 verhält sich im Prinzip wie eine Wippe und folgt dem Hebelgesetz. Dieser Zusammenhang ist in 2 dargestellt. Bei einem Kippen nach vorne, verläuft die Kippachse K (auch Drehachse genannt) des Gabelstaplers 1 entlang der Vorderachse. Die Masse m_F des unbeladenen Gabelstaplers 1 und der Schwerpunkt FS des Gabelstaplers 1 werden im Vorhinein gemessen oder mittels Daten appliziert oder aus einem Datenblatt ausgelesen und sind somit im Vorhinein bekannt. Auch der Abstand des Schwerpunkts FS des Gabelstaplers zur Kippachse K ist im Vorhinein bekannt. Der Schwerpunkt FS des Gabelstaplers liegt in etwa unter dem Fahrersitz.
Grundsätzlich teilt sich die Gesamtmasse des Gabelstaplers 1 mit der Ladung 3 über die Kippachse K - entspricht hier der Vorderachse - in einen Teil hinter der Kippachse K, welcher aus der Masse des Gabelstaplers 1 ohne Gabel 10, Hubmast 11 und Lager (gegebenenfalls mit dem Gewicht des Bedieners und des Kraftstoffs) besteht, und einen Teil vor der Kippachse K, welcher aus der Masse des Rahmens 13 mit Lager, der Masse mw des unbeladenen Werkzeugs - also der Masse des Hubmasts 11, des Gabelträgers 19, der Gabel 10, der Hubkette 16, der Umlenkrolle 17, des Hubzylinders 18 - sowie der Masse m_L der Last 3 besteht, auf.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Kräfte F, die auf den Gabelstapler 1 aus 1 wirken. Die beiden Lagerstellen zwischen dem Rahmen 13 und dem Hubmast 11 und der Lastschwerpunkt LS bilden einen Hebel. Für die nachfolgende Beschreibung wird angenommen, dass in der unteren Lagerstelle ein erster Kraftmessbolzen 20 angeordnet ist. Die untere Lagerstelle, in der der erste Kraftmessbolzen 20 angeordnet ist, und die obere Lagerstelle, an der der Neigezylinder 15 angeordnet ist, sind um die Höhe h voneinander beabstandet. Der erste Kraftmessbolzen 20 ist von der Kippachse K (in 2 nicht gezeigt) beabstandet angeordnet. Der Lastschwerpunkt LS befindet sich in einem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu bestimmenden Abstand I vom ersten Kraftmessbolzen 20 entfernt.
Im Folgenden werden drei Varianten beschrieben, den Abstand I des Lastschwerpunkt LS vom ersten Kraftmessbolzen 20 und die resultierende Kraft F_L im Lastschwerpunkt LS zu bestimmen.
In einer ersten Variante misst der erste Kraftmessbolzen 20 den Betrag und die Richtung des Kraftvektors F_K, der durch von der Masse des Werkzeugs m_w und der Masse m_L der Last 3 erzeugt wird. Die Richtung des Kraftvektors F_K wird durch den Winkel α ausgedrückt. Über die trigonometrische Beziehung der nachfolgenden Formel 1 wird die resultierende Kraft F_L im Lastschwerpunkt LS ermittelt: $F_{L} = F_{K} \cdot sin α$
In analoger Weise kann mittels der Formel 2 die an der anderen Seite des Hebels wirkende Kraft F_N ermittelt werden: $F_{N} = F_{K} \cdot cos α$
Nun wird das Hebelgesetz gemäß Formel 3 verwendet, um den Abstand I des Lastschwerpunkts LS vom ersten Kraftmessbolzen 20 zu ermitteln: $F_{N} \cdot h = F_{L} \cdot l$
Der bei der Herstellung oder nach der Montage bekannte Abstand zwischen dem ersten Kraftmessbolzen 20 und der Kippachse K wird zu dem Abstand I des Lastschwerpunkts LS vom ersten Kraftmessbolzen 20 hinzuaddiert, um den Abstand I* des Lastschwerpunkts LS zur Kippachse K zu erhalten. Das werkzeugseitige Drehmoment M_W wird als Produkt aus dem Abstand I* des Lastschwerpunkts LS zur Kippachse K und der resultierenden Kraft F_L am Lastschwerpunkt LS berechnet.
Somit muss das fahrzeugseitige Drehmoment M_F, welches als Produkt aus dem Abstand des Schwerpunkts FS des Gabelstaplers 1 und der Gewichtskraft des Gabelstaplers 1 ohne Werkzeug berechnet wird, größer als das vorstehend berechnete werkzeugseitige Drehmoment M_W sein, damit der Gabelstapler 1 nicht kippt. Es wird hierzu auf die 3 und die dazugehörige Beschreibung verwiesen.
Bei der zweiten Variante misst der erste Kraftmessbolzen 20 einen Kraftanteil des Kraftvektors F_K in senkrechter Richtung und einen Kraftanteil in waagerechter Richtung. Wie aus 2 zu erkennen ist, entspricht der Kraftanteil in senkrechter Richtung der resultierenden Kraft F_L am Lastschwerpunkt LS und der Kraftanteil in waagerechter Richtung entspricht der auf der anderen Seite des Hebels wirkenden Kraft F_N. Um den Abstand I des Lastschwerpunkts LS vom ersten Kraftmessbolzen 20 zu ermitteln, wird wiederum die Formel 3 verwendet. Schließlich wird in gleicher Weise das werkzeugseitige Drehmoment Mw ermittelt.
In der dritten Variante ist ein zweiter Kraftmessbolzen 21 in der oberen Lagerstelle am Neigezylinder 15 angeordnet. Der untere erste Kraftmessbolzen 20 und der zweite Kraftmessbolzen 21 am Neigezylinder sind um die Höhe h voneinander beabstandet. Der erste Kraftsensor 20 misst den Kraftanteil des Kraftvektors F_K in senkrechter Richtung, welcher wiederum der resultierenden Kraft F_L am Lastschwerpunkt LS entspricht, und der zweite Kraftsensor 21 misst direkt die auf der anderen Seite des Hebels wirkende Kraft F_N. Um den Abstand I des Lastschwerpunkts LS vom ersten Kraftmessbolzen 20 zu ermitteln, wird wiederum die Formel 3 verwendet. Schließlich wird in gleicher Weise das werkzeugseitige Drehmoment M_W ermittelt.
Für einen Lastschwerpunkt LS, der nicht in der in 2 abgebildeten Messebene liegt, kann die Bestimmung des Abstands des Lastschwerpunkts LS mit Hilfe eines weiteren Kraftmessbolzens in der unteren Lagerstelle erfolgen, wobei die beiden Kraftmessbolzen in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind.
Die 3 und 4 zeigen je ein Ablaufdiagramm eines ersten (3) und eines zweiten (4) Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu Beginn wird der aktuelle Betriebsmodus ermittelt 100. Die Bestimmung 120 Lastschwerpunkts LS, die Bestimmung 230 des Gesamtschwerpunkts GS, die Bestimmung 200 des Bereichs für die Prüfung 240 (siehe 4) und die Ausgabe des Steuersignals 150, 170, 250, 260, 261, 270, 271 werden in Abhängigkeit des Betriebsmodus durchgeführt.
Es werden die Betriebskräfte F durch die Kraftmessbolzen 20 und/oder 21 gemessen 110. Hierfür wird auf die 2 und die dazugehörige Beschreibung verwiesen. Wie dort beschrieben, werden aus den Betriebskräften unter Berücksichtigung der Masse des Werkzeugs mw der Lastschwerpunkt LS, dessen Abstand I* zur Kippachse K und aus der resultierenden Kraft F_L die Masse m_L der Last 3 ermittelt 120. In anderen Ausführungsformen kann die Masse m_L des Objekts auch auf andere Weise bekannt sein. Beispielsweise kann diese auf einem Kennblatt angegeben sein oder im Vorhinein gemessen werden.
Im ersten Ausführungsbeispiel (3) wird das fahrzeugseitige Drehmoment M_F als Produkt aus dem Abstand des Schwerpunkts FS des Gabelstaplers 1 und der aus der Masse m_F des Gabelstaplers 1 resultierenden Gewichtskraft ohne Werkzeug berechnet 130. Zudem wird, wie oben bereits beschrieben, das werkzeugseitige Drehmoment Mw als Produkt aus dem Abstand I* des Lastschwerpunkts LS zur Kippachse K und der resultierenden Kraft F_L am Lastschwerpunkt LS berechnet 131. Das werkzeugseitige Drehmoment Mw und das fahrzeugseitige Drehmoment M_F werden miteinander verglichen 140. Ist das werkzeugseitige Drehmoment Mw kleiner als das fahrzeugseitige Drehmoment M_F kann der Gabelstapler 1, die Gabel 10 und der Hubmast 11 in normal vorgesehener Weise angesteuert werden 150. Der sichere Betrieb ist auch ohne speziellen Eingriff in die Steuerung sichergestellt. Ist das werkzeugseitige Drehmoment Mw gleich oder größer als das fahrzeugseitige Drehmoment M_F wird ein Alarmsignal ausgegebenen 170. Des Weiteren wird ein Steuersignal ausgegebenen, das zu einem Stopp 171 des Gabelstaplers 1 führt. Dabei wird der Gabelstapler 1 angehalten und, wenn möglich, die Gabel 1 angesteuert, um die Ladung 3 abzusetzen.
Im zweiten Ausführungsbeispiel (4) lässt sich nach der Ermittlung des Lastschwerpunkts 120 aus dem Schwerpunkt FS des Gabelstaplers 1, der Masse m_F des Gabelstaplers 1, der Masse mw des Werkzeugs, dem Lastschwerpunkt LS und der Masse m_L der Last durch vektorielle Berechnung ein Gesamtschwerpunkt GS berechnen 230. Im Vorhinein ist ein Bereich für den Gesamtschwerpunkt GS bestimmt 200 worden, der von der Kippachse K aus gesehen auf der Seite des Gabelstaplers 1 und in einem Abstand zur Kippachse K abgeordnet ist. Dieser Abstand dient als Stabilitätsreserve und wird abhängig vom aktuellen Betriebszustand gewählt. Für den dynamischen Fall, beispielsweise bei Bewegung des Gabelstaplers 1 können durch Beschleunigungskräfte und/oder Neigungsänderungen usw. zu einer Verschiebung des statisch bestimmten Gesamtschwerpunkts GS führen. Die dynamischen Kräfte wirken in den Lagerstellen und sind durch die Kraftmessbolzen 20, 21 messbar.
Im Anschluss erfolgt eine Prüfung 240, ob der Gesamtschwerpunkt GS innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei flächige Zonen mit unterschiedlichen zugeordneten Sicherheitszuständen vorgesehen. Die erste Zone ist um den Schwerpunkt FS des Gabelstaplers 1 herum angeordnet und repräsentiert einen sicheren Sicherheitszustand, bei dem keine Gefahr des Kippens ausgeht, wenn der Gesamtschwerpunkt GS innerhalb dieser ersten Zone liegt. Die zweite Zone ist um die erste Zone herum angeordnet und umschließt diese. Der zweiten Zone ist ein bedingt kritischer Sicherheitszustand zugeordnet, bei dem die Stabilität nicht mehr vollständig sichergestellt ist, wenn der Gesamtschwerpunkt GS innerhalb dieser zweiten Zone liegt. Außerhalb dieser beiden Zonen ist eine weitere Zone mit einem kritischen Sicherheitszustand bestimmt. Wenn der Gesamtschwerpunkt GS innerhalb dieser dritten Zone liegt, ist der Abstand des Gesamtschwerpunkts GS zum Schwerpunkt FS des Gabelstaplers 1 groß genug, um ein Kippen auszulösen.
Es erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel eine Prüfung 240, in welcher der Zonen der Gesamtschwerpunkt GS liegt. Im Fall 1 liegt der Gesamtschwerpunkt GS in der ersten Zone mit dem sicheren Sicherheitszustand. In diesem Fall kann der Gabelstapler 1, die Gabel 10 und der Hubmast 11 in normal vorgesehener Weise angesteuert werden 250. Der sichere Betrieb ist auch ohne speziellen Eingriff in die Steuerung sichergestellt.
Im Fall 2 liegt der Gesamtschwerpunkt GS in der zweiten Zone mit dem bedingt kritischen Sicherheitszustand. Es wird ein Warnsignal 260 ausgegeben. Des Weiteren wird in Fall 2 ein Steuersignal ausgegebenen, das zu Beschränkungen 261 in der Bedienung des Gabelstaplers 1 und des Werkzeugs 10, 11, 15, 16, 17, 18, 19 führt. Unter anderem wird die maximale Geschwindigkeit beim Fahren des Gabelstaplers 1 und die maximale Geschwindigkeit beim Bewegen der Gabel 10 begrenzt und die maximale Hubhöhe der Gabel 10 wird beschränkt.
Im Fall 3 liegt der Gesamtschwerpunkt GS in der dritten Zone mit dem kritischen Sicherheitszustand. Es wird ein Alarmsignal 270 ausgegeben. Des Weiteren wird in Fall 3 ein Steuersignal ausgegebenen, das zu einem Stopp 271 des Gabelstaplers 1 führt. Dabei wird der Gabelstapler 1 angehalten und, wenn möglich, die Gabel 10 angesteuert, um die Ladung abzusetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006058437 A1 [0007]
DE 102006058439 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Lastschwerpunkts (LS) eines Objekts (3), das durch einen Gabelstapler (1) mit einem Werkzeug (10, 11, 15, 16, 17, 18, 19) aufgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass Betriebskräfte (F), die auf die Gabel (10) wirken, durch zumindest einen Kraftmessbolzen (3), der in einer Lagerstelle zwischen dem Hubmast (11) und dem Rahmen (13) des Gabelstaplers (1) angeordnet ist, gemessen (110) werden und aus den gemessenen Betriebskräften (F) der Lastschwerpunkt (LS) des Objekts (3) ermittelt (120) wird und dass abhängig vom ermittelten Lastschwerpunkt (LS) ein Steuersignal an den Gabelstapler (1) ausgegeben wird, um den Gabelstapler (1), und/oder das Werkzeug (10, 11, 15, 16, 17, 18, 19) abhängig vom Lastschwerpunkt (LS) des Objekts (3) zu steuern (150, 170, 171, 250, 260, 261, 270, 271).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein fahrzeugseitiges Drehmoment (M_F) als Produkt aus der Gewichtskraft des Gabelstaplers (1) und aus dem Abstand des Schwerpunkts (FS) des Gabelstaplers zu einer Kippachse (K) berechnet (130) wird und dass ein werkzeugseitiges Drehmoment (Mw) als Produkt aus der resultierenden Kraft der Gewichtskraft der Last (3) und der Gewichtskraft des Werkzeugs (10, 11, 15, 16, 18, 19) im Lastschwerpunkt (LS) und aus dem Abstand (I*) des Lastschwerpunkts (LS) zur Kippachse (K) des berechnet (131) wird, und dass das fahrzeugseitige Drehmoment (M_F) mit dem werkzeugseitigen Drehmoment (M_W) verglichen (140) wird, und dass der Gabelstapler (1) gestoppt (171) wird, wenn das werkzeugseitige Drehmoment (M_W) größer oder gleich ist als das fahrzeugseitige Drehmoment (M_F).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Lastschwerpunkt (LS) des Objekts (3) und dem Schwerpunkt (FS) des Gabelstaplers ein Gesamtschwerpunkt (GS) ermittelt (230) wird und der Gabelstapler (1) gestoppt (151) wird, wenn der Gesamtschwerpunkt (GS) außerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass flächige Zonen für den Gesamtschwerpunkt (GS) mit unterschiedlichen Sicherheitszuständen bestimmt (200) werden und der Gabelstapler (1) und/oder das Werkzeug (10, 11, 15, 16, 17, 18, 19) abhängig davon gesteuert (250, 260, 261, 270, 271) wird, in welcher der Zonen der Gesamtschwerpunkt (GS) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebskräfte (F), die auf die Gabel (10) wirken, in zumindest einer Lagerstätte durch zwei Kraftmessbolzen (20), die in unterschiedlichen Ausrichtungen zwischen dem Hubmast (11) und dem Rahmen (13) des Gabelstaplers (1) angeordnet sind, gemessen (110) werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung (120) des Lastschwerpunkts (LS) und/oder bei der Steuerung (150, 170, 171, 250, 260, 261, 270, 271) des Gabelstaplers (1) und/oder des Werkzeugs ((10, 11, 15, 16, 17, 18, 19) unterschiedliche Betriebsmodi berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Neigung des Untergrunds berücksichtigt wird.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät, welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 einen Lastschwerpunkt (LS) zu bestimmen und ein Steuersignal an den Gabelstapler (1) auszugeben, um den Gabelstapler (1) und/oder das Werkzeug (10, 11, 15, 16, 17, 18, 19) abhängig vom Lastschwerpunkt (LS) des Objekts (3) zu steuern (150, 170, 171, 250, 260, 261, 270, 271).
Gabelstapler (1) mit einem Werkzeug (10, 11, 15, 16, 17, 18, 19), dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Lagerstelle zwischen dem Hubmast (11) und einem Rahmen (13) des Gabelstaplers (1) zumindest ein Kraftmessbolzen (20, 21) angeordnet ist, der eingerichtet ist, Betriebskräfte (F), die auf die Gabel (10) wirken, zu messen.
Gabelstapler (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Lagerstätte zwischen dem Hubmast (11) und dem Rahmen (13) des Gabelstaplers (1) zwei Kraftmessbolzen (20) in unterschiedlichen Ausrichtungen angeordnet sind, die eingerichtet sind, die Betriebskräfte (F), die in unterschiedlichen Richtungen auf die Gabel (10) wirken, zu messen.