DE102021205407A1

DE102021205407A1 - Verfahren zur Beladungsschätzung von Arbeitsmaschinen

Info

Publication number: DE102021205407A1
Application number: DE102021205407.2A
Authority: DE
Inventors: Egor Eret; Benjamin Ehlers; Claus Schepers
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-27
Filing date: 2021-05-27
Publication date: 2022-12-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beladungsschätzung einer Arbeitsmaschine, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:a. Erfassen von mindestens zwei von der Beladung abhängigen Größen;b. Kombinieren von den mindestens zwei Größen, um die Beladung der Arbeitsmaschine zu schätzen, wobei in dem Schritt b. die Beladung mittels einer Formel berechnet wird, die von der Position des Schwerpunkts der Beladung unabhängig ist.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beladungsschätzung von Arbeitsmaschinen, das ermöglicht, die Beladung einer generischen Arbeitsmaschine zu schätzen, ohne Vorkenntnisse über den Schwerpunkt der Beladung.
STAND DER TECHNIK
In der Erfindungsmeldung geht es um die Schätzung der Beladung der Arbeitseinrichtung einer mobilen Arbeitsmaschine.
Die gängigen Wiegeeinrichtungen dieser Art nutzen den gemessenen Zylinderdruck von Stangen- und Bodenseite eines Hydraulikzylinders, um mit Hilfe der Informationen über Position und Abmessungen der Arbeitseinrichtung auf die aktuelle Beladung zu schließen.
Ein Beispiel ist die Schaufelbeladung eines Baggers oder Radladers. Siehe in diesem Zusammenhang die noch nicht veröffentlichte Patentanmeldung DE 10 2020 212 490 A1 .
Allerdings muss, um eine präzise Messung zu ermöglichen, die Position des Schwerpunkts der Beladung bekannt sein. Diese variiert mit der Höhe der Zuladung und dem angebrachten Werkzeug an der Wiegeeinrichtung (beim Radlader zum Beispiel: Schaufel, Palettengabel, Heuballenzange etc.). Da diese Information nicht exakt vorliegt, verwenden Standardlösungen einen zuvor geschätzten Massenschwerpunkt für Werkzeug und Beladung.
Dadurch, dass die Standardlösung immer eine Information über die Position des Schwerpunkts der Beladung benötigt, ist ein solches System unflexibel gegenüber dem Einsatz von verschiedenen Werkzeugen. Im Grunde müssen alle möglichen Werkzeuge bei der Einrichtung des Systems berücksichtigt werden. Die hierfür eingerichteten Parameter müssen vom Maschinenbediener beim Werkzeugwechsel angewählt werden.
Zudem verfälscht ein parametrierter, üblicher, werkzeugtypischer Massenschwerpunkt das Schätzergebnis, da sich die die Beladung auf dem Werkzeug nicht wiederholbar gleich verteilt.
Dies ist sehr anschaulich bei Schüttgütern oder bei dem Verladen unterschiedlicher Palettentypen festzustellen. Wird eine Palette am vorderen Ende einer Palettengabel aufgenommen, befindet sich der Gesamtschwerpunkt von Werkzeug und Zuladung weiter vom Fahrzeug entfernt, als wenn dieselbe Palette am hinteren Ende der Plattengabel aufgenommen wird.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren herzustellen, dass die oben gelisteten Nachteile überwinden wird.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile und / oder auf ähnliche Teile und / oder auf entsprechende Teile des Systems beziehen. Zu den Figuren:

1 zeigt schematisch einen Radlader 10 mit beweglichen Elementen;
2 zeigt schematisch die Verteilung einer Last an einer Radlader Z-Kinematik mit unbekanntem Werkzeug und Lastverteilung.
3 zeigt schematisch eine Umrechnung der Zylinderkräfte in Gelenkmomente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben, wie sie in den beigefügten Figuren gezeigt sind. Nichtsdestotrotz ist die vorliegende Erfindung nicht auf die besonderen Ausführungsformen beschränkt, die in der folgenden detaillierten Beschreibung beschrieben und in den Figuren gezeigt sind, sondern die beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung, deren Schutzbereich durch die Ansprüche definiert ist.
Weitere Änderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann klar. Die vorliegende Beschreibung umfasst somit alle Änderungen und / oder Variationen der vorliegenden Erfindung, deren Schutzbereich durch die Ansprüche definiert ist.
1 zeigt einen Radlader10 mit beweglichen Elementen in Form eines Auslegers 21, eines Kipphebels 22 und eines Werkzeuges 23, die jeweils unabhängig voneinander relativ zu einem Fahrgestell 20 beweglich sind. Der Ausleger 21, der Kipphebel und das Werkzeug 23 können durch eine kinematische Beziehung definiert werden.
Wie in 1 dargestellt ist, weist der Radlader 10 einen ersten 31 und einen zweiten 32 Zylinder auf, die eine bewegliche Verbindung zwischen dem Ausleger, dem Kipphebel und dem Werkzeug herstellen. In diesem Beispiel ist der erste Zylinder 31 ein Auslegerzylinder und der zweite Zylinder 32 ein Kippzylinder.
Der Erfinder hat beobachtet, dass der Vorteil bei Maschinen mit mehreren Zylindern (oder anderen Kraft-/Momentquellen) und Gelenken ist, dass die Information über die Lasthaltekraft (bzw. Moment) redundant vorliegt. In der Regel lässt sich der Teil in der Gleichung zur Bestimmung der Zuladung, welcher die Schwerpunktinformation enthält, durch eine „gemessene“ Kraft bzw. durch ein „gemessenes“ Moment ersetzen.
Dieses dargestellte Beispiel zeigt das Prinzip stellvertretend für beliebige Arbeitsmaschinen, die redundante Informationen über die Lastkraft haben. Deswegen ist es für den Fachmann klar, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine bestimmte Form der Arbeitsmaschine begrenzt ist und diese Idee auf eine beliebige Arbeitsmaschine angewendet werden kann.
Anhand der Drücke in den hydraulischen Zylindern 31 und 32 lassen sich die Kräfte ermitteln, die notwendig sind, um das Werkzeug und die Beladung in dem jeweiligen Bewegungszustand zu halten. Alternativ können die Kräfte durch die Erfassung von Momenten, Dehnungen und Spannungen ermittelt werden In der Auswertung werden nun die zwei Kraftpfade einzeln betrachtet. Diese Kraftpfade lassen sich in Drehmomente um die Verbindungsbolzen der Segmente der Arbeitsausrüstung umrechnen.
2 zeigt die Verteilung einer Last an einer Radlader Z-Kinematik mit unbekanntem Werkzeug und Lastverteilung.
Die Gewichtskraft F_g von Werkzeug und Beladung greift in einem gemeinsamen Schwerpunkt an und geht in Richtung des Gravitationsvektors. Weder die Lage des Schwerpunkts noch die Gewichtskraft sind im Voraus bekannt.
Es ist zu erkennen, dass sowohl der Auslegerzylinder 31, sowie der Kippzylinder 32 für sich jeweils die komplette Last abstützen. Die Kräfte der Zylinder werden in diesem Beispiel als bekannt vorausgesetzt (Messgröße). Ebenfalls Bekannt sind die Gewichte, die Geometrie und die Schwerpunktlagen des restlichen Hubgerüsts. Mit diesen Informationen ist es möglich die Zylinderkräfte in Drehmomente am Ausleger 21 und am Stiel 22 umzurechnen. Diese Momente sind in der folgenden Abbildung mit MBm (Boom) und MBkt (Bucket) gekennzeichnet.
3 zeigt eine Umrechnung der Zylinderkräfte in Gelenkmomente. Bei der Umrechnung ist wichtig zu beachten, dass vorteilhaft die Drehmomente von allen Störeinflüssen bereinigt werden können. Die Bereinigung ist aber nicht erforderlich. Als Störeinflüsse gelten die bekannten Gewichte des Hubgerüsts sowie Kräfte aus Störbeschleunigungen oder anderen Aktuatoren. Es bleiben somit zwei Drehmomente übrig:

• M_Bm - Das Moment, welches der Auslegerzylinder aufbringen muss, um das gesamte Hubwerk zu halten
• M_Bkt - Das Moment, welches der Kippzylinder aufbringt, um das Werkzeug samt Last in Position zu halten

Diese Drehmomente können nun mit Hilfe von der Gewichtskraft F_g mathematisch folgendermaßen beschrieben werden: $M_{B k t} = \vec{r_{t l t}} \times \vec{F_{g}}$
$M_{B m} = \vec{r_{b m}} \times \vec{F_{g}}$
Der Vektor $\vec{r_{b m}}$
lässt sich auch als Kombination aus den zwei anderen Vektoren darstellen: $\vec{r_{b m}} = \vec{r_{0}} + \vec{r_{t l t}}$
Ersetzt man mit Hilfe dieser Zerlegung den Vektor $\vec{r_{b m}}$
in Gleichung (2) ergibt sich: $M_{B m} = (\vec{r_{0}} \times \vec{F_{g}}) + (\vec{r_{t l t}} \times \vec{F_{g}})$
Löst man die Klammer auf unter Beachtung des (zwei dimensionalen) Kreuzproduktes lässt sich Gleichung (4) auch folgendermaßen schreiben: $M_{B m} = (\vec{r_{0}} \times \vec{F_{g}}) + (\vec{r_{t l t}} \times \vec{F_{g}})$
Der zweite Summand aus Gleichung (5) ist identisch mit Gleichung (1) und kann durch diese bekannte Größe ersetzt werden: $M_{B m} = (\vec{r_{0}} \times \vec{F_{g}}) + M_{B k t}$
Wie bereits erläutert lässt sich M_Bkt indirekt durch die Aktuatorkraft messen. Somit ist $\vec{F_{g}}$
die einzige unbekannte Größe in Gleichung (6) und sie lässt sich folgendermaßen umstellen: $M_{B m} - M_{B k t} = (\vec{r_{0}} \times \vec{F_{g}}) = (\vec{r_{0}} \times \vec{e_{g}}) * m_{g}$
Wobei eg in diesem Ausführungsbeispiel der Vektor der (Erd-) Beschleunigung ist und m_gdie Masse des Werkzeugs samt Beladung. Es kann aber natürlich auch eine beliebige Beschleunigung sein. Die Erdbeschleunigung steht hier stellvertretend für alle möglichen Beschleunigungen. Das dient unter anderem der BeschleunigungskompensationNach Umstellung der Gleichung (6) ergibt sich die Formel für die Masse, welche direkt so implementiert werden kann: $\frac{M_{B m} - M_{B k t}}{(\vec{r_{0}} \times \vec{e_{g}})} = m_{g}$
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für den Fachmann klar, dass es möglich ist, verschiedene Modifikationen, Variationen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung im Lichte der oben beschriebenen Lehre und innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche zu realisieren, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
Darüber hinaus wurden die Bereiche, auf denen Fachleute kundig sein dürften, hier nicht beschrieben, um die beschriebene Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
Dementsprechend soll die Erfindung nicht durch die spezifischen veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt sein, sondern nur durch den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102020212490 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Beladungsschätzung einer Arbeitsmaschine, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: a. Erfassen von mindestens zwei von der Beladung abhängigen Größen; b. Kombinieren von den mindestens zwei Größen, um die Beladung der Arbeitsmaschine zu schätzen, wobei in dem Schritt b. die Beladung mittels einer Formel berechnet wird, die von der Position des Schwerpunkts der Beladung unabhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei von der Beladung abhängigen Größen an zwei verschiedenen Messpunkten gemessen wurden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei mindestens eine von den zwei Größen ein Druck ist, der an einem hydraulischen Aktuator wirkt, wobei der Aktuator die Bewegung von einem Arm der Arbeitsmaschine ermöglicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens eine von den zwei Größen eine von der Beladung abhängige Kraft oder Drehmoment ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die mindestens zwei Größen abhängig voneinander sind, wobei die Abhängigkeit über kinematische Beziehungen mathematisch beschreibbar ist.