DE112008003462T5

DE112008003462T5 - Steuerungssystem für die Gerätekupplung eines Erdbaggers

Info

Publication number: DE112008003462T5
Application number: DE112008003462T
Authority: DE
Inventors: Richard M. Dayton Pope; Anand Dayton Arumugam
Original assignee: Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Current assignee: Caterpillar Trimble Control Technologies LLC
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-10-28
Also published as: CN101903599A; US20090158625A1; US7810260B2; WO2009085825A1; SE1050635A1; CN101903599B

Abstract

Steuerungssystem für eine Gerätkupplung des Typs, der zur Befestigung eines Geräts an einen Erdbaggerlöffelstiel verwendet wird, wobei die Kupplung die Rotation des Geräts in Bezug auf den Löffelstiel um eine Achse und die Neigung des Geräts ermöglicht, bestehend aus:
einem Rotationssensor auf besagter Kupplung zur Bestimmung des Rotationswerts des Geräts um besagte Achse in Bezug auf den Löffelstiel,
einem Neigungssensor auf besagter Kupplung zur Bestimmung des Neigungswerts des Geräts in Bezug auf die Schwerkraft und
eine Steuerung, die auf besagten Rotationssensor und besagten Neigungssensor reagiert zur Bestimmung der Orientierung des Geräts.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Steuerungssystem für eine Geräte- bzw. Gerätkupplung und insbesondere auf ein Steuerungssystem zur Benutzung eines Erdbaggers, der eine Erdbaggerschaufel zur Bestimmung der Orientierung und Position der Schaufelzähne führt. Das Steuerungssystem kann die Orientierungs- und Positionsinformation anzeigen, um einem Betreiber bei der manuellen Steuerung der Bewegung der Erdbaggerschaufel behilflich zu sein oder es kann diese Information dazu benutzen, um eine automatische Steuerung der Bewegung der Schaufel in einer erwünschten Art und Weise zu bewirken.
Erdbagger haben weitreichende Verwendung bei der Handhabung von Gestein, Erde, Baumstämmen, Baumstümpfen und Ähnlichem auf Baustellen erlangt sowie zur Durchführung einer Vielzahl an Abgrabungsaufgaben, einschließlich derjenigen, die eine einigermaßen präzise Bewegung einer Erdbaggerschaufel erfordern. Andere Aufgaben, für die ein Erdbagger eingesetzt werden kann, werden am besten mittels eines anderen durch den Erdbagger geführten Geräts durchgeführt, wie zum Beispiel einer Greifvorrichtung. Ein Erdbagger weist typischerweise einen Löffelstiel auf, der an einem Ende an einem Ausleger befestigt ist, der sich vom Erdbaggerrahmen erstreckt. Das andere Ende des Löffelstiels kann mittels einer für die Aufgabe konfigurierten Verbindung an dem Gerät, wie zum Beispiel eine Greifvorrichtung oder eine Erdbaggerschaufel, befestigt sein. Eine derartige Verbindung wie im US-Patent Nr. 4,958,981 gezeigt, erteilt am 25. Sept. 1990 an Uchihashi, kann auf Wunsch eine Rotationsmöglichkeit des Geräts am Ende des Löffelstiels unter hydraulischer Steuerung bereitstellen, sodass das Gerät unter der Steuerung des Betreibers des Erdbaggers präzise in gewünschte Orientierungen bewegt werden kann. Die Verbindung des Uchihashi Patents ermöglicht lediglich die Rotation des Geräts um eine einzelne Achse. Weiter entwickelte Verbindungen wurden durch Unternehmen entwickelt und vermarktet, wie zum Beispiel der Indexator AB aus Vindeln, Schweden, unter der Marke Rototilt. Die Rototilt-Verbindung umfasst eine oder zwei zusätzliche hydraulische Zylinder, die mit dem rotierbaren Teil der Verbindung verbunden sind und die es dem rotierbaren Teil der Verbindung ermöglichen, von einer Seite zur anderen geneigt zu werden. Da die Verbindung und das Gerät durch die Verbindungsanordnung am Ende des Löffelstiels um eine dritte Achse drehbar sind, kann das Gerät in fast jede gewünschte Position und Orientierung manövriert werden, ohne den Erdbaggerrahmen tatsächlich an einen neuen Standort zu bewegen. Dies erweitert nicht nur wesentlich die Aufgaben, die unter Benutzung des Erdbaggers durchgeführt werden können, sondern es ermöglicht außerdem das Auswechseln der bestimmten Geräte, die durch den Erdbagger geführt werden.
Mit der zusätzlichen Flexibilität einer derartigen Anordnung zur Steuerung der Bewegung eines Geräts geht jedoch die Komplexität einher, die sich aus den zusätzlichen hydraulischen Zylindern und Mechanismen ergibt, die gleichzeitig gesteuert werden müssen. Es besteht ein Bedürfnis nach einer Anordnung zur Überwachung der Position und Orientierung eines Geräts, wie zum Beispiel einer Erdbaggerschaufel, wenn diese durch eine Maschine, wie zum Beispiel ein Erdbagger, manipuliert wird, sodass die Steuerung des Geräts erleichtert wird.
Dieses Bedürfnis wird durch einen erfindungsgemäßen Erdbagger und Steuerungssystem erfüllt. Der Erdbagger umfasst einen Erdbaggerrahmen, einen Ausleger, der sich vom Erdbaggerrahmen erstreckt und einen Löffelstiel, der drehbar an den Ausleger befestigt ist und sich von diesem erstreckt. Der Erdbagger umfasst weiterhin ein Gerät, wie zum Beispiel eine Schaufel, die Schaufelzähne aufweist. Andere Geräte, die andere Arbeitsteile aufweisen, können ebenfalls benutzt werden. Eine Kupplung befestigt die Schaufel an den Erdbaggerlöffelstiel. Die Kupplung ermöglicht die Rotation des Geräts in Bezug auf den Löffelstiel um eine Rotationsachse. Die Kupplung ermöglicht ebenfalls die Neigung der Schaufel um eine Neigungsachse, die im Allgemeinen senkrecht zur Rotationsachse verläuft. Ein Positionierungssystem auf dem Erdbagger bestimmt die Position der Kupplung. Ein Rotationssensor auf der Kupplung bestimmt den Rotationswert der Schaufel um die Rotationsachse in Bezug auf den Löffelstiel. Ein Neigungssensor auf der Kupplung bestimmt den Neigungswert der Schaufel in Bezug auf die Schwerkraft. Eine Steuerung, die auf den Rotationssensor und den Neigungssensor sowie das Positionierungssystem auf dem Erdbagger reagiert, bestimmt die Position und die Orientierung der Zähne der Schaufel. Die Steuerung kann dem Betreiber des Erdbaggers die Position und Orientierung der Zähne anzeigen, um die Steuerung des Betreibers zu erleichtern. Die Steuerung kann ebenfalls automatische Steuerung der Bewegung der Zähne der Schaufel oder halbautomatische Steuerung der Zähne der Schaufel bereitstellen.
Der Neigungssensor kann die Neigung der Schaufel in Bezug auf eine Schwerkraftreferenz in zwei rechtwinkligen Achsen bestimmen. Die Steuerung kann eine Ausgabe bereitstellen, die die Rotation der Schaufel in Bezug auf den Löffelstiel und die Neigung der Schaufel in Bezug auf eine Schwerkraftreferenz anzeigt. Die Ausgabe der Steuerung kann an eine Anzeige zur Ansicht durch den Betreiber des Erdbaggers bereitgestellt werden.
Die Erfindung kann weiterhin aus einem Steuerungssystem für eine Gerätekupplung des Typs bestehen, der die Befestigung eines Geräts an einen Erdbaggerlöffelstiel bezweckt. Die Gerätekupplung ermöglicht die Rotation des Geräts um eine Achse in Bezug auf den Löffelstiel und ermöglicht weiterhin die Neigung des Geräts. Das Steuerungssystem umfasst einen Rotationssensor, einen Neigungssensor und eine Steuerung, die auf den Rotationssensor und den Neigungssensor zur Bestimmung der Orientierung des Geräts reagiert. Der Rotationssensor wird auf der Kupplung zur Bestimmung des Rotationswerts des Geräts in Bezug auf den Löffelstiel um die Achse positioniert. Der Neigungssensor wird auf der Kupplung zur Bestimmung des Neigungswerts des Geräts in Bezug auf die Schwerkraft positioniert.
Der Neigungssensor kann den Neigungswert des Geräts um zwei rechtwinklige Achsen in Bezug auf die Schwerkraft bestimmen. Die Steuerung kann eine Ausgabe bereitstellen, die die Rotation des Geräts in Bezug auf den Löffelstiel und die Neigung des Geräts in Bezug auf eine Schwerkraftreferenz anzeigt. Das Gerät kann eine Erdbaggerschaufel sein, die Zähne aufweist. Die Steuerung in einem solchen Fall stellt eine Ausgabe bereit, die die Rotation der Schaufel in Bezug auf den Löffelstiel und die Neigung der Zähne der Schaufel in Bezug auf die Schwerkraft anzeigt. Die Ausgabe der Steuerung kann an eine Anzeige bereitgestellt werden, um einem Betreiber bei der Steuerung der Position der Erdbaggerschaufel behilflich zu sein. Weiterhin kann die Ausgabe der Steuerung an ein Positionierungssteuerungssystem bereitgestellt werden zur Steuerung der Orientierung und Position der Schaufel, um die Abgrabung automatisch in einer gewünschten Art und Weise zu bewirken.
Demgemäß besteht eine erfindungsgemäße Aufgabe in der Ermöglichung der Orientierung und Steuerung eines Geräts durch einen Erdbagger oder Ähnliches, indem die Rotation und die Neigung des Geräts mit geeigneten Sensoren auf einer Kupplung überwacht werden, die das Gerät an den Löffelstiel des Erdbaggers befestigt.
1 ist eine Zeichnung, die einen typischer Erdbagger des Typs diagrammatisch darstellt, mit dem die vorliegende Erfindung benutzt werden kann;
2 ist eine vergrößerte Ansicht des Löffelstiels und der Schaufel des Erdbaggers und der Kupplung, die den Löffelstiel an die Schaufel befestigt, wobei ein Teil des Auslegers weggebrochen ist;
3 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Löffelstiels, der Schaufel und der Kupplung, die das seitliche Kippen der Schaufel illustriert;
4 ist eine weiter vergrößerte Ansicht, ähnlich der in 3, jedoch von der anderen Seite des Löffelstiels aus gesehen;
5 ist eine weiter vergrößerte Ansicht des Löffelstiels, der Schaufel und der Kupplung, ähnlich der in 4, die die Kupplung gekippt zeigt;
6 ist eine Seitenansicht der Kupplung, die den Neigungssensor auf der Kupplung zeigt;
7 ist eine schematische Repräsentation des Schaltkreises, der mit der vorliegenden Erfindung assoziiert ist; und
8 bis 11 sind diagrammatische Repräsentationen, die zur Erläuterung der Art und Weise zweckdienlich sind, in der die Position und Orientierung der Schaufelzähne bestimmt werden können.
Es wird Bezug genommen auf 1 und 2, die einen typischen Erdbagger 10 des Typs illustrieren, mit dem die vorliegende Erfindung benutzt werden kann. Der Erdbagger 10 umfasst in den Boden eingreifende Raupen 12 und einen Rahmen 14, der ein Betreiberführerhaus 16 trägt. Ein Ausleger 18 ist am Punkt 20 drehbar am Rahmen 14 befestigt. Der Ausleger 18 ist außerdem drehbar befestigt an den hydraulischen Aktuator 22, der am Punkt 24 auf eine Art und Weise an den Rahmen 14 gesichert ist, dass die Ausdehnung des Aktuators 22 verursacht, dass der Ausleger 18 angehoben wird und das Zurückziehen des Aktuators 22 verursacht, dass der Ausleger 18 herabgesenkt wird. Auf ähnliche Weise wird der Löffelstiel 26 am Punkt 28 an das Ende des Auslegers 18 drehbar befestigt. Der hydraulische Aktuator 30 wird am Punkt 32 an den Ausleger 18 und am Punkt 34 an den Löffelstiel 26 drehbar befestigt, sodass die Ausdehnung des Aktuators 30 verursacht, dass der Löffelstiel im Uhrzeigersinn rotiert wird, wie aus 1 ersichtlich, und das Zurückziehen des Aktuators 30 verursacht, dass der Löffelstiel gegen den Uhrzeigersinn rotiert wird, wie aus 1 ersichtlich.
Die Erdbaggerschaufel 36 ist auf einer Kupplung 37 montiert, die an einer Schaufelverbindung 38 befestigt ist, die schwenkbar an das Ende des Löffelstiels 26 gesichert ist. Die Schaufelverbindung 38 umfasst ein Paar paralleler Verbindungsgelenke 40 (von denen auf 1 und 2 nur eins zu sehen ist) und ein Paar paralleler Verbindungsgelenke 42 (von denen auf 1 und 2 nur eins zu sehen ist). Die Kupplung 37 befestigt die Schaufel 36 an den Löffelstiel 26 und die Verbindungsgelenke 42 an die Punkte 52 und 53. Das Verbindungsgelenk 40 und die Kupplung 37 sind jeweils drehbar an den Punkten 46 und 53 an den Löffelstiel 26 und an den Punkten 50 und 52 an die Kupplung 42 befestigt.
Der Erdbagger 10 umfasst weiterhin einen hydraulischen Aktuator 54, der einen hydraulischen Zylinder 56 aufweist, der zwischen einem Paar Rillen 59 am Punkt 58 drehbar mit dem Löffelstiel 26 verbunden ist. Der hydraulische Aktuator 54 weist eine Kolbenstange 60 auf, die am Punkt 50 drehbar mit der Schaufelverbindung 38 verbunden ist. Die Ausdehnung oder das Zusammenziehen des hydraulischen Aktuators 54 verursacht, dass die Kupplung 37 und die Erdbaggerschaufel 36 durch die Schaufelverbindung 38 in Bezug auf den Löffelstiel 26 gedreht wird und zwar um eine Achse, die im Allgemeinen senkrecht zur Ebene der Zeichnungen in 1 und 2 verläuft.
Die Kupplung 37 kann jede im Handel erhältliche Kupplung sein, wie zum Beispiel die Rototilt^® RT 60B Kupplung, zu beziehen über Indexator AB in Vindeln, Schweden. Die Kupplung weist ein oberes Befestigungselement 62 auf, das jeweils an den Punkten 52 und 53 an das Verbindungsgelenk 42 und den Löffelstiel 26 befestigt ist, ein Schwenkelement 64, das zum Schwenken um ein Paar Lager 66 und 68 montiert ist und ein Rotorelement 70, das an das Schwenkelement 64 montiert ist zur Rotation um eine Rotationsachse, die im Allgemeinen senkrecht zur Schwenkachse verläuft. Ein Paar hydraulischer Zylinder 72 (von denen in 2 nur einer gezeigt ist) steuern die Neigung des Schwenkelements 64. Das Rotorelement 70 wird durch einen hydraulischen Motor (nicht gezeigt) angetrieben. Die Schaufel 36 ist an den Punkten 74 und 76 an das Schwenkelement 64 befestigt und rotiert und schwenkt mit der Bewegung der Kupplung 37.
Die Kupplung 37 ermöglicht der Schaufel 36 in zwei zusätzlichen Freiheitsgraden bewegt zu werden, wodurch der Schaufel 36 ermöglicht wird, Positionen zu erreichen, die bei der Durchführung von Abgrabungen benötigt werden oder nützlich sind, ohne voraus zu setzen, dass der Erdbagger an der Baustelle repositioniert werden muss. Zum Beispiel sind die Zähne 80 der Schaufel 36 in einem Erdbagger, der keine Kupplung 37 enthält, im Allgemeinen in einer Position orientiert, die zum Ausleger 18 und dem Löffelstiel 26 senkrecht ist. Die Kupplung 37 ermöglicht der Schaufel, derart rotiert zu werden, dass die Zähne im Allgemeinen parallel zum Löffelstiel 26 und zum Ausleger 18 sind oder in einem Winkel zum Löffelstiel 26 und dem Ausleger 18. Außerdem ermöglicht die Kupplung 37 der Schaufel 36 um eine Achse geschwenkt zu werden, die sich durch die Lager 62 und 68 erstreckt. Das Schwenken der Schaufel 36 wird in 3 und 5 gezeigt. Die Rotation der Schaufel um eine Rotationsachse wird im Allgemeinen in 4 durch den Pfeil 80 angezeigt.
Es ist ersichtlich, dass die zusätzlichen Freiheitsgrade, die sich aus der Benutzung der Kupplung ergeben, außerdem erfordern, dass der Betreiber des Erdbaggers zusätzliche Zylinder und Motoren steuert, wodurch die Schwierigkeit des Betriebs des Erdbaggers erhöht wird und die Schwierigkeit erhöht wird, die durch die Kupplung 37 bereit gestellten verschiedenen Bewegungen voll und effizient zu nutzen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Steuerungssystem für eine Geräte- bzw. Gerätkupplung des Typs bereit, der die Befestigung eines Geräts an einen Erdbaggerlöffelstiel bezweckt. Wie oben erläutert, ermöglicht die Kupplung die Rotation des Geräts um eine Achse in Bezug auf den Löffelstiel und ermöglicht weiterhin die Neigung des Geräts. Wie aus 6 ersichtlich, umfasst das Steuerungssystem einen Rotationssensor 82 auf der Kupplung 37 zur Bestimmung des Rotationswerts des Geräts, in diesem Fall der Schaufel 36, in Bezug auf den Löffelstiel 26 um die Rotationsachse. Der Sensor 82 ist in der Abdeckung 84 eingebaut und kann aus jedem herkömmlichen Rotationssensor bestehen. Ein Neigungssensor 85 innerhalb des Schwenkelements 64 rotiert mit dem Rotorelement 70 und dem Gerät 36. Der Neigungssensor 85 auf der Kupplung 37 bestimmt den Neigungswert des Geräts 36 in Bezug auf die Schwerkraft. Das Steuerungssystem umfasst weiterhin eine Steuerung 86, gezeigt in 7, die zur Bestimmung der Orientierung der Schaufel 36 auf den Rotationssensor 82 und den Neigungssensor 85 reagiert.
Der Neigungssensor 85, ebenfalls innerhalb der Abdeckung 84, kann bevorzugt ein Neigungsmesser des Typs sein, der den Neigungswert des Geräts oder der Schaufel 36 in Bezug auf die Schwerkraft um zwei rechtwinklige Achsen bestimmt. Die Steuerung 86 stellt eine Ausgabe 88 bereit, die die Rotation der Schaufel 36 in Bezug auf den Löffelstiel 26 und die Neigung der Schaufel 36 in Bezug auf eine Schwerkraftreferenz angibt. Wie zuvor festgestellt, umfasst die Erdbaggerschaufel 36 eine Reihe Zähne 80 entlang ihrer unteren Kante zur Erleichterung des Grabens. Die Ausgabe 88 der Steuerung 86 kann einer Anzeige 90 zugeführt werden, die bevorzugt im Erdbaggerführerhaus 16 positioniert ist. Wenn der Betreiber im Führerhaus 16 diese Anzeige ansieht, ist es für ihn einfacher, die Bewegung der Schaufel 36 durch manuellen Betrieb der hydraulischen Steuerungen des Erdbaggers zu steuern.
Es ist ersichtlich, dass die Ausgabe der Steuerung 86 eine Anzeige der Neigung und Rotation der Schaufelzähne bereitstellt. Dieser Information kann die Position des Endes des Löffelstiels 26 an dem Punkt hinzugefügt werden, an dem die Kupplung 37 montiert ist, sodass die Position der Schaufel 36 ebenfalls angezeigt werden kann. Die Position des Endes des Löffelstiels 26 kann in jeder einer beliebigen Anzahl von Arten und Weisen bestimmt werden. Zum Beispiel kann die relative Winkelorientierung zwischen dem Löffelstiel 26 und der Kupplung 37 überwacht werden, indem die Bewegung des ausziehbaren hydraulischen Aktuators 54 überwacht wird, der Zylinder 56 und Kolbenstange 60 umfasst. Sobald die Ausdehnung des Aktuators 54 gemessen wird, ist es eine einfache Rechnung, die sich auf die Geometrie des Löffelstiels 26, der Kupplung 37 und des Aktuators 54 gründet, um die relativen Positionen der Schaufel 36 und Kupplung 37 zu bestimmen. Ein Linearpositionswandler mit Zuleitungskabel (nicht gezeigt) kann dazu benutzt werden, um die Ausdehnung des Zylinders 54 zu überwachen, wie im US-Patent Nr. 6,325,590 , erteilt am 4. Dez. 2001 an Cain und andere offengelegt. Die Offenbarung des Patents '590 wird vorliegend durch Bezugnahme mit einbezogen.
Die Position des Löffelstiels 26 kann bestimmt werden aufgrund jedem von mehreren bekannten Messungsansätzen. Wie aus 1 ersichtlich, kann der Winkelcodierer 100 die Winkelorientierung zwischen dem Löffelstiel 26 und dem Ausleger 18 bereitstellen. Der Winkelcodierer 102 stellt die Winkelorientierung zwischen dem Ausleger 18 und dem Rahmen des Erdbaggers 14 bereit. Die GPS-Antennen 104 und 106 können die Position und Orientierung des Erdbaggerrahmens bereitstellen. Schließlich bestimmt ein zweiachsiger Neigungsmesser 108 auf dem Erdbaggerrahmen jegliche Neigung des Rahmens. Sobald die Position und Orientierung des Erdbaggerrahmens bestimmt ist, ist es eine einfache trigonometrische Rechnung, die Position und Orientierung des Endes des Löffelstiels zu bestimmen. Sobald die Position und Orientierung des Endes des Löffelstiels 26 bestimmt ist, kann sodann die Orientierung und Position der Schaufelzähne 80 bestimmt werden.
Es ist ersichtlich, dass andere Verfahrensweisen benutzt werden können, um die Position und Orientierung des Löffelstiels zu bestimmen. Zum Beispiel kann die vertikale Position des Löffelstiels mittels eines Laserempfängers bestimmt werden, der einen rotierenden Referenzlaserstrahl empfängt. Die Neigung des Löffelstiels kann in einer derartigen Anordnung durch einen Neigungsmesser bestimmt werden, der auf dem Löffelstiel geführt wird. Noch andere Systeme können teilweise auf die Benutzung eines Roboter-Tachymeters gegründet werden, das an einer bekannten Position positioniert ist und das die Bewegung des Erdbaggers oder eines Elements des Erdbaggers in Bezug auf diese bekannte Position verfolgt.
Wie in 7 gezeigt, wird die Ausgabe 88 der Steuerung 86 an das Positionierungssystem 92 bereitgestellt, welches ebenfalls auf die Winkelcodierer 100 und 102, einen an GPS-Antennen 104 und 106 verbundenen GPS-Empfänger 110 und einen Neigungsmesser 108 reagiert. Die Ausgabe des Positionierungssystems 92 kann der Anzeige 90 zugeführt werden, um dem Betreiber des Erdbaggers behilflich zu sein. Wenn erwünscht, kann ein weiterer Aspekt des Betriebs des Erdbaggers, zum Beispiel die Grabtiefe, ebenfalls automatisch gesteuert werden. Die Ausgabe des Positionierungssystems 92 kann mittels eines Positionierungssteuerungssystems 112 und dem Unterschied, der zur Steuerung oder Begrenzung der Bewegung der Schaufel 36 benutzt wird, mit der erwünschten Position der Schaufelzähne verglichen werden.
Es wird auf 8 bis 11 Bezug genommen, die diagrammatische Repräsentationen sind, die bei der Erklärung der Art und Weise nützlich sind, in welcher die Position und Orientierung der Schaufelzähne bestimmt werden kann. 8 illustriert die Geometrie des Erdbaggers. Die Gerade AB₁ repräsentiert einen Teil des Auslegers, wobei die Gerade B₁B einen Gelenkausleger repräsentiert. Die Gerade BG repräsentiert den Löffelstiel. Wenn die Maschine keinen Gelenkausleger aufweist, dann repräsentiert die Gerade AB den Ausleger. A ist der Auslegerdrehpunkt, B ist der Stieldrehpunkt, G ist der Schaufeldrehpunkt, J ist die Schaufelzähne und B₁ repräsentiert den VA-Auslegerdrehpunkt. Die Längen AB₁, B₁B, AB, BG, DG, DF, GH und GJ können auf einer tatsächlichen Maschine physikalisch gemessen werden.
9 und 10 illustrieren den Winkel und die Richtungskonventionen, die für diese Analyse übernommen wurden. Die XY-Ebene ist die Ebene der Plattform (oder der Karosserie), wobei die Y-Achse die Richtung der Reichweite anzeigt, die X-Achse die Richtung der seitlichen Verlagerung und die Z-Achse die Richtung der Anhebung ist. 9 stellt die Referenzrahmenorientierung bildlich dar, und 10 stellt den Referenzrahmen für die Winkel bildlich dar. Für die Winkel ist 0 Grad immer in nach außen gerichteter Richtung von der Maschine, und die Richtung der Erhöhung des Winkels ist gegen den Uhrzeigersinn, d. h. der Winkel wird positiver wenn der Ausleger, Stiel und das Schaufelverbindungsgelenk angehoben werden, und der Winkel wird negativer, wenn die Komponenten gesenkt werden.
Der Sensor, der den Winkel des Auslegers ermittelt, ist auf dem Ausleger (AB₁ oder AB) montiert. Der Sensor für den Stiel ist gleichermaßen irgendwo entlang der Geraden BG montiert. Für die Schaufel wird ein Neigungswinkelsensor nahe am Rotationszentrum der Schaufel, R (Bezug auf 11), montiert. Die Nickachse ist mit der Parallelgeraden an RG₁ ausgerichtet, und die Wankachse ist parallel zur Breite der Schaufel ausgerichtet. Um die Rotation der Schaufel zu bestimmen, wird außerdem ein Rotationssensor an R montiert.
Die Positionierung der Schaufelzähne J kann in drei Stufen durchgeführt werden:

1. Position G in Bezug auf das Rotationszentrum des Erdbaggers 1.
2. Position J in Bezug auf S.
3. Position S in Bezug auf G.

Unter Benutzung der Ergebnisse aus den obigen Schritten kann die Position von J in Bezug auf das Rotationszentrum der Maschine bestimmt werden.
Die Längen L_G1J, L_G1l & L_RG1 werden mittels eines Messbandes gemessen. RG₁J kann aus dem Messwinkel berechnet werden.
Daraus folgt: Winkel RG1J = θG1J = π – cos–1 L lg1 [1]
Wenn die Punkte R und G₁ ausgerichtet sind, dann wird die Position von J angegeben durch: (Jx, Jy, Jz) = {0, (LRG1 + LlG1), – LG1JcosθG1J} [2]
δ2 sei der Winkel zwischen der durch R & G₁ verlaufenden Geraden und der Neigungsachse der Schaufel. Sowohl S als auch R liegen auf der Rotationsachse der Schaufel. Der Punkt S ist der Schnittpunkt zwischen der Neigungsachse und der Rotationsachse der Schaufel. Die vertikale Entfernung S-R wird angegeben durch: SR = HPG1 [3]
Der Winkel δ2 kann durch das Befolgen eines Zweistufenverfahrens gemessen werden:

1. Das Kopfende der Kupplung ausrichten wo die Schaufel befestigt ist, d. h. die Gerade RG₁ ausrichten.
2. Die Neigungsachse der Schaufel ausrichten, d. h. die Gerade PS.

Der Unterschied in der Neigung der Schaufel in den Positionen 1 und 2 ergibt den Winkel δ2.
In Bezug auf S wird die Position von J (Bezug auf [2]) angegeben durch:
Den Vektor SJ um δ2 um S rotieren, um ihn mit der Neigungsachse PS entlang der yz-Ebene auszurichten. Die Position von J nach der Rotation um δ2 wird angegeben durch:
Da der Neigungswinkelsensor nahe R montiert ist, kennen wir die Neigung der Schaufel (θ_BP) und die Querneigung der Schaufel (θ_BR). Die Rotation der Schaufel um die Achse RS (φ) wird durch den an R montierten Rotationssensor angegeben.
(J'_x, J'_y, J'_z) sei die Position der Schaufelzähne nach Neigung der Schaufel um θ_BP. Unter Benutzung von [5] erhalten wir die Position von J' in Bezug auf S als: J'x – Jx = 0 J'y = JycosθBP – JzsinθBP J'z = JysinθBP + JzcosθBP [6]
(J''_x, J''_y, J''_z) sei die Position der Schaufelzähne nach Neigung der Schaufel um θ_BR um die Gerade PS. Unter Benutzung von [6] erhalten wir die Position von J'' in Bezug auf S als: J''x = –J'zsinθBR J''y = J'y J''z = J'zsinθBR [7]
(J'''_x, J'''_y, J'''_z) sei die Position der Schaufelzähne nach Rotation der Schaufel um ,φ' um die Gerade RS. Unter Benutzung von [7] erhalten wir die Position von J''' in Bezug auf S als: J'''x = J''xcosφ + J''ysinφ J'''y = J''ycosφ – J''xsinφ J'''z = J''z [8]
Positionierung von S in Bezug auf G:
In Bezug auf S wird der Punkt P angegeben durch: (Px, Py, Pz) = {0, (LRG1 + LPG1), 0} [9]
Somit wird die Position von S in Bezug auf P angegeben durch: (Sx, Sy, Sz) = {0, –(LRG1 + LPG1), 0} [10]
,L_PG' sei die vertikale Entfernung zwischen den Punkten P und G und ,δ1' sei der Winkel zwischen der durch die Punkte G und H verlaufenden Geraden und der Neigungsachse der Schaufel (Bezug auf 4).
Die Position von S in Bezug auf G wird angegeben durch: (Sx, Sy, Sz) = {0, –(LRG1 + LPG1), – LPG} [11]
Wenn θ_BP die Neigung der Schaufel ist, dann wird das Gefalle von GH angegeben durch: (θ_BP + δ1).
Rotation des Vektors GS um G um ,(θ_BP + δ₁)' ergibt die Position von S in Bezug auf G: (S'x, S'y, S'z) = {0, –Szsin(θBP + δ1), Szcos(θBP + δ1)} [12]
Aus [8] und [12] wird die Position von J in Bezug auf G angegeben durch:
Durch Addieren der in [13] angegebenen Position zur Position von G in Bezug auf das Rotationszentrum der Maschine erhalten wir die Position von J in Bezug auf das Rotationszentrum der Maschine.
Obwohl bestimmte repräsentative Ausführungen und Details zu illustrativen Zwecken der Erfindung gezeigt wurden, ist es dem Fachmann offenkundig, dass verschiedene Änderungen der vorliegend offenbarten Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen, die durch die angehängten Ansprüche definiert ist.
Zusammenfassung
STEUERUNGSSYSTEM FÜR DIE GERÄTEKUPPLUNG EINES ERDBAGGERS
Ein Steuerungssystem für eine Gerätekupplung (37) des Typs, der ein Gerät (36) an einen Erdbaggerlöffelstiel (26) befestigt und die Rotation des Geräts in Bezug auf den Löffelstiel um eine Achse ermöglicht und weiterhin die Neigung des Geräts ermöglicht, umfasst einen Rotationssensor (82) und einen Neigungssensor (85). Der Rotationssensor ist auf der Kupplung montiert zur Bestimmung des Rotationsgrads des Geräts in Bezug auf den Löffelstiel um eine Achse. Der Neigungssensor ist auf der Kupplung montiert zur Bestimmung des Neigungsgrads des Geräts in Bezug auf die Schwerkraft. Eine Steuerung (86) reagiert auf den Rotationssensor und den Neigungssensor zur Bestimmung der Orientierung des Geräts.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4958981 [0002]
- US 6325590 [0025, 0025]

Claims

Steuerungssystem für eine Gerätkupplung des Typs, der zur Befestigung eines Geräts an einen Erdbaggerlöffelstiel verwendet wird, wobei die Kupplung die Rotation des Geräts in Bezug auf den Löffelstiel um eine Achse und die Neigung des Geräts ermöglicht, bestehend aus: einem Rotationssensor auf besagter Kupplung zur Bestimmung des Rotationswerts des Geräts um besagte Achse in Bezug auf den Löffelstiel, einem Neigungssensor auf besagter Kupplung zur Bestimmung des Neigungswerts des Geräts in Bezug auf die Schwerkraft und eine Steuerung, die auf besagten Rotationssensor und besagten Neigungssensor reagiert zur Bestimmung der Orientierung des Geräts.
Das Steuerungssystem nach Anspruch 1, in welchem besagter Neigungssensor den Neigungswert des Geräts in Bezug auf die Schwerkraft um zwei rechtwinklige Achsen bestimmt.
Das Steuerungssystem nach Anspruch 1, in welchem besagte Steuerung eine Ausgabe bereitstellt, die die Rotation des Geräts in Bezug auf den Löffelstiel und die Neigung des Geräts in Bezug auf eine Schwerkraftreferenz anzeigt.
Das Steuerungssystem nach Anspruch 3, in welchem das Gerät eine Erdbaggerschaufel ist, die Zähne aufweist und die Steuerung eine Ausgabe bereitstellt, die die Rotation der Schaufel in Bezug auf den Löffelstiel und die Neigung der Zähne der Schaufel in Bezug auf die Schwerkraft anzeigt.
Das Steuerungssystem nach Anspruch 4, weiterhin bestehend aus einer Anzeige und in welcher die Ausgabe der Steuerung an eine Anzeige bereitgestellt wird, um einem Betreiber bei der Steuerung der Position der Erdbaggerschaufel behilflich zu sein.
Das Steuerungssystem nach Anspruch 4, in welchem die Ausgabe der Steuerung an ein Positionierungssteuerungssystem zur Steuerung der Orientierung und Position der Schaufel bereitgestellt wird, um die Abgrabung automatisch in einer gewünschten Art und Weise zu bewirken.
Steuerungssystem für einen Erdbagger des Typs, der einen Ausleger aufweist, der sich vom Erdbaggerrahmen erstreckt, einen Löffelstiel, der drehbar am Ausleger befestigt ist und sich von diesem erstreckt, eine Schaufel, die Schaufelzähne aufweist und eine Kupplung, die die Schaufel an den Erdbaggerlöffelstiel befestigt und die Rotation des Geräts um eine Achse in Bezug auf den Löffelstiel sowie die Neigung des Geräts ermöglicht, bestehend aus: einem Rotationssensor auf besagter Kupplung zur Bestimmung des Rotationswerts der Schaufel um besagte Achse in Bezug auf den Löffelstiel; einem Neigungssensor auf besagter Kupplung zur Bestimmung des Neigungswerts der Schaufel in Bezug auf die Schwerkraft; einer Steuerung, die auf besagten Rotationssensor und besagten Neigungssensor reagiert und weiterhin auf ein Positionierungssystem auf besagtem Erdbagger reagiert zur Bestimmung der Position und Orientierung der Zähne der Schaufel und zur Steuerung der Bewegung der Zähne auf der Schaufel zur Abgrabung in einer gewünschten Art und Weise.
Das Steuerungssystem nach Anspruch 7, in welchem besagter Neigungssensor die Neigung der Schaufel in Bezug auf eine Schwerkraftreferenz in zwei rechtwinkligen Achsen bestimmt.
Das Steuerungssystem nach Anspruch 7, in welchem besagte Steuerung eine Ausgabe bereitstellt, die die Rotation der Schaufel in Bezug auf den Löffelstiel und die Neigung der Schaufel in Bezug auf eine Schwerkraftreferenz anzeigt.
Das Steuerungssystem nach Anspruch 7, in welchem die Ausgabe der Steuerung an eine Anzeige bereitgestellt wird zur Ansicht durch den Betreiber des Erdbaggers.
Erdbagger, bestehend aus: einem Erdbaggerrahmen, einem Ausleger, der sich von dem Erdbaggerrahmen erstreckt, einem Löffelstiel, der drehbar an den Ausleger befestigt ist und sich von diesem erstreckt, einer Schaufel, die Schaufelzähne aufweist, einer Kupplung, die die Schaufel an den Erdbaggerlöffelstiel befestigt und die Rotation des Geräts in Bezug auf den Löffelstiel um eine Rotationsachse und die Neigung der Schaufel um eine Neigungsachse ermöglicht, die im Allgemeinen zu besagter Rotationsachse senkrecht verläuft, einem Positionierungssystem auf besagtem Erdbagger zur Bestimmung der Position der besagten Kupplung, einem Rotationssensor auf besagter Kupplung zur Bestimmung des Rotationswerts der Schaufel um besagte Rotationsachse in Bezug auf den Löffelstiel, einem Neigungssensor auf besagter Kupplung zur Bestimmung des Neigungswerts der Schaufel in Bezug auf die Schwerkraft, und einer Steuerung, die auf besagten Rotationssensor und besagten Neigungssensor reagiert und weiterhin auf ein Positionierungssystem auf besagtem Erdbagger reagiert, zur Bestimmung der Position und Orientierung der Zähne der Schaufel und zur Steuerung der Bewegung der Zähne der Schaufel zur Abgrabung an der Baustelle in einer erwünschten Art und Weise.
Der Erdbagger nach Anspruch 12, in welchem besagter Neigungssensor die Neigung der Schaufel in Bezug auf eine Schwerkraftreferenz in zwei rechtwinkligen Achsen bestimmt.
Der Erdbagger nach Anspruch 12, in welchem besagte Steuerung eine Ausgabe bereitstellt, die die Rotation der Schaufel in Bezug auf den Löffelstiel und die Neigung der Schaufel in Bezug auf eine Schwerkraftreferenz anzeigt.
Der Erdbagger nach Anspruch 12, in welchem die Ausgabe der Steuerung an eine Anzeige bereitgestellt wird zur Ansicht durch den Betreiber des Erdbaggers.
Steuerungssystem für eine Bodenbearbeitungsmaschine des Typs der einen Ausleger und einen Löffelstiel aufweist, der drehbar an besagtem Ausleger befestigt ist und sich von diesem erstreckt, ein Gerät, das ein Arbeitsteil aufweist und eine Kupplung, die das Gerät an den Löffelstiel befestigt und die Rotation des Geräts in Bezug auf den Löffelstiel um eine Achse und Neigung des Geräts ermöglicht, bestehend aus: einem Rotationssensor auf der Kupplung zur Bestimmung des Rotationswerts des Geräts um besagte Achse in Bezug auf den Löffelstiel, einem Neigungssensor auf der Kupplung zur Bestimmung des Neigungswerts des Geräts in Bezug auf die Schwerkraft, einer Steuerung, die auf den Rotationssensor und den Neigungssensor reagiert und weiterhin auf ein Positionierungssystem auf dem Erdbagger reagiert zur Bestimmung der Position und Orientierung des Arbeitsteils des Geräts und zur Steuerung der Bewegung des Arbeitsteils des Geräts.
Das Steuerungssystem nach Anspruch 15, in welchem der Neigungssensor die Neigung des Geräts in Bezug auf eine Schwerkraftreferenz in zwei rechtwinkligen Achsen bestimmt.
Das Steuerungssystem nach Anspruch 15, in welchem die Steuerung eine Ausgabe bereitstellt, die die Rotation des Geräts in Bezug auf den Löffelstiel und die Neigung des Geräts in Bezug auf eine Schwerkraftreferenz anzeigt.
Das Steuerungssystem nach Anspruch 15, in welchem die Ausgabe der Steuerung an eine Anzeige zur Ansicht durch den Betreiber der Bodenbearbeitungsmaschine bereitgestellt wird.