DE19510375A1 - Nutzlastbestimmungssystem und Verfahren für eine Baggermaschine - Google Patents
Nutzlastbestimmungssystem und Verfahren für eine BaggermaschineInfo
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- E02F9/20—Drives; Control devices
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Description
Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine
Ausgrab- oder Baggermaschine und insbesondere auf ein
Nutzlastbestimmungssystem für eine Baggermaschine.
Arbeitsmaschinen wie beispielsweise Bagger, Hecktieflöf
felbagger, Frontschaufelbagger und ähnliche werden ver
wendet, um Materialien auf Transportfahrzeuge, wie zum
Beispiel Lkw′s oder Zugwaggons, zu laden. Bei solchen
Fahrzeugladeanwendungen ist es wünschenswert, die Nutz
last zu messen, die auf die Transportfahrzeuge geladen
wird, um diese mit der maximalen legalen Nennkapazität zu
beladen. Ein Unterladen (unterhalb der Nennkapazität) be
wirkt eine Ineffizienz im Materialbewegungs- oder Förder
zyklus und eine Unterverwendung der Transportfahrzeuge.
Eine Überladung (über der Nennkapazität) hat zusätzliche
Wartungskosten und eine extra Abnutzung an den Lkw-Reifen
und Aufhängungssystemen zu Folge.
Eine Nutzlastmessung ist auch wünschenswert als ein Maß
für die Materialförder- oder Bewegungsbetriebsprodukti
vität. Die Fähigkeit, das Gewicht des Materials zu akku
mulieren, das während einer einzelnen Schicht während ei
ner 24-Stundenperiode oder während irgendeiner anderen
Zeitperiode verladen wurde, ist für einen Betriebsmanager
wertvoll. Somit ist es wünschenswert, Nutzlastberechnun
gen in einer automatisierten Art und Weise durchzuführen,
um die Förderbetriebsproduktivität zu erhöhen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein
Nutzlastbestimmungssystem für eine Ausgrab- oder Bag
germaschine gezeigt. Die Baggermaschine umfaßt ein Ar
beitsgerät mit einem Ausleger, einem Stiel und einem
Löffel, die jeweils durch einen jeweiligen Hydraulik
zylinder steuerbar betätigt werden. Ein Positionssensor
erzeugt jeweilige Positionssignale ansprechend auf die
Position des Auslegers, des Stiels und des Löffels. Ein
Kraftsensor erzeugt jeweilige Kraftsignale ansprechend
auf die assoziierten Kräfte, die auf die Hydraulikzylin
der des Auslegers des Stiels und des Löffels wirken. Ein
Mikroprozessor erzeugt jeweilige Geschwindigkeitssignale
ansprechend auf die Geschwindigkeit des Auslegers und des
Stiels. Schlußendlich empfängt der Mikroprozessor die
Kraft- und Positionssignale und bestimmt darauf anspre
chend die Nutzlast, die durch den Löffel getragen wird,
ansprechend darauf, daß die Ausleger- und Stielgeschwin
digkeit im wesentlichen konstant sind.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung
wird auf die Zeichnung Bezug genommen; in der Zeichnung
zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Arbeitsgerätes ei
ner Baggermaschine;
Fig. 2 ein Hardwareblockdiagramm eines Steuersystems der
Baggermaschine;
Fig. 3 eine schematische Ansicht der Baggermaschine;
Fig. 4 ein Flußdigramm, das eine Steuerung eines Kali
briervorgangs darstellt, um die Bestimmung der
Nutzlast der Baggermaschine zu unterstützen; und
Fig. 5 ein Flußdiagramm, das eine Steuerung darstellt zum
Bestimmen der Nutzlast der Baggermaschine.
Unter Bezug auf die Zeichnung zeigt Fig. 1 eine planare
Ansicht eines Arbeitsgerätes 100 einer Baggermaschine,
die Grab- oder Ladungsfunktionen durchführt, und zwar
ähnlich zu denen eines Baggers, eines Hecktieflöffel
baggers und eines Frontschaufelbaggers.
Die Baggermaschine kann einen Bagger, Motorbagger (power
shovel), Radlader oder ähnliches aufweisen. Das Arbeits
gerät 100 kann einen Ausleger 110, einen Stiel 115 und
einen Löffel 120 aufweisen. Der Ausleger 110 ist schwenk
bar an der Baggermaschine 105 angebracht, und zwar durch
einen Auslegerschwenkstift 1. Der Schwerpunkt des Aus
legers (GBM) wir durch den Punkt 12 dargestellt. Der
Stiel 115 ist schwenkbar mit dem freien Ende des Ausle
gers 110 verbunden, und zwar mit einem Stielschwenkstift
4. Der Schwerpunkt des Stiels (GST) wird durch den Punkt
13 dargestellt. Der Löffel 120 ist schwenkbar an dem
Stiel 115 befestigt, und zwar an dem Löffelschwenkstift
8. Der Löffel 120 umfaßt einen gerundeten Teil 130, einen
Boden, der durch den Punkt 16 bezeichnet ist und eine
Spitze, die durch den Punkt 15 bezeichnet ist. Der
Schwerpunkt des Löffels (GBK) wird durch den Punkt 14
dargestellt.
Es wird eine horizontale Bezugsachse R definiert, mit ei
nem Ursprung am Stift 1, die sich durch den Stift 26 er
streckt. Die Achse R wird verwendet zum Messen der rela
tiven Winkelbeziehung zwischen dem Arbeitsfahrzeug 105
und den unterschiedlichen Stiften und Punkten des Ar
beitsgeräts 100.
Der Ausleger 110, der Stiel 115 und der Löffel 120 sind
unabhängig und steuerbar betätigt durch linear aus fahr
bare Hydraulikzylinder. Der Ausleger 110 wird durch min
destens einen Auslegerhydraulikzylinder 140 betätigt, und
zwar für Aufwärts- und Abwärtsbewegungen des Stiels 115.
Der Auslegerhydraulikzylinder 140 ist zwischen der Ar
beitsmaschine 105 und dem Ausleger 110 verbunden, und
zwar an den Stiften 11 und 2. Die Schwerpunkte des Aus
legerzylinders und der Zylinderstange sind durch die
Punkte CG19 bzw. CG20 dargestellt. Der Stiel 115 wird
durch mindestens einen Stielhydraulikzylinder 145 für
Längshorizontalbewegungen des Löffels 120 betätigt. Der
Stielhydraulikzylinder 145 ist zwischen dem Ausleger 110
und dem Stiel 115 verbunden, und zwar an den Stiften 3
und 5. Die Schwerpunkte des Stielzylinders und der Zy
linderstange sind durch die Punkte CG22 bzw. CG23 darge
stellt. Der Löffel 120 wird durch einen Löffelhydrau
likzylinder 150 betätigt und besitzt einen Radialbe
wegungsbereich um den Löffelschwenkstift 8. Der Löffel
hydraulikzylinder 150 ist mit dem Stiel 115 verbunden,
und zwar an dem Stift 6 und mit einer Verbindung 155 an
dem Stift 9. Die Verbindung 155 ist mit dem Stiel 115 und
dem Löffel 120 verbunden, und zwar an den Stiften 7 bzw.
10. Die Schwerpunkte des Löffelzylinders und der Zylin
derstange sind durch die Punkte CG25 bzw. CG26 darge
stellt. Für Dastellungszwecke ist in Fig. 1 nur ein Aus
leger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylinder 140, 145 und
150 gezeigt.
Um ein Verständnis des Betriebs des Arbeitsgerätes 100
und der Hydraulikzylinder 140, 145, 150 sicherzustellen,
ist die folgende Beziehung zu beachten. Der Ausleger 110
wird angehoben durch Ausfahren des Auslegerzylinders 140
und abgesenkt durch Zurückziehen desselben Zylinders 140.
Zurückziehen der Stielhydraulikzylinder 145 bewegt den
Stiel 115 weg von der Baggermaschine 105 und Ausfahren
der Stielhydraulikzylinder 145 bewegt den Stiel 115 zu
der Maschine 105. Schlußendlich wird der Löffel 120 von
der Baggermaschine 105 weggedreht, wenn der Löffelhy
draulikzylinder 150 zurückgezogen wird und zu der Ma
schine 105 gedreht, wenn derselbe Zylinder 120 ausgefah
ren wird.
Gemäß Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines Elektrohy
drauliksystems 200, das mit der vorliegenden Erfindung
asszoziiert ist, gezeigt. Mittel 205 erzeugen Positions
signale ansprechend auf die Position des Arbeitsgerätes
100. Die Mittel 205 umfassen Versetzungssensoren 210,
215, 220, die die Zylinderausfahrgröße in den Ausleger-,
Stiel- und Löffelhydraulikzylindern 140 bzw. 145 bzw. 150
abfühlen. Ein auf Hochfrequenz basierender Sensor, der in
dem US-Patent Nr. 47 37 705 von Bitar et al vom 12.
April 1988 beschrieben ist, kann verwendet werden.
Es wird deutlich, daß die Arbeitsgeräte-100-Position auch
von den Arbeitsgerätverbindungs- oder -gelenkwinkelmes
sungen ableitbar ist. Eine alternative Vorrichtung zum
Erzeugen eines Arbeitsgerätepositionssignals umfaßt Dreh
winkelsensoren, wie zum Beispiel Drehpotentiometer, die
die Winkel zwischen dem Ausleger 110, dem Stiel 115 und
dem Löffel 120 messen. Die Arbeitsgeräteposition kann
entweder von den Hydraulikzylinderausfahrmessungen oder
den Gelenkwinkelmessungen durch trigonometrische Ver
fahren berechnet werden. Solche Techniken zur Bestimmung
der Löffelposition sind in der Technik bekannt und können
zum Beispiel in dem US-Patent Nr. 39 97 071 von Teach vom
14. Dezember 1976 und dem US-Patent
Nr. 43 77 043 von Inui et al vom 22. März 1983 gefunden
werden.
Mittel 225 erzeugen Drucksignale ansprechend auf die
Kraft, die auf das Arbeitsgerät 100 ausgeübt wird. Die
Mittel 225 umfassen Drucksensoren 230, 235, 240, die die
Hydraulikdrücke in den Ausleger-, Stiel- und Löffelhy
draulikzylindern 140 bzw. 145 bzw. 150 messen. Die Druck
sensoren 230, 235, 240 produzieren jeweils Signale, die
auf die Drücke der jeweiligen Hydraulikzylinder 140, 145,
150 ansprechen. Zum Beispiel fühlen die Zylinderdruck
sensoren 230, 235, 240 die Ausleger- bzw. Stiel- bzw.
Löffelhydraulikzylinderkopf und -stangenenddrücke ab. Ein
geeigneter Drucksensor wird zum Beispiel vorgesehen von
Precise Sensors, Inc. aus Monrovia, Kalifornien, USA, in
ihrem Serie-555-Druckwandler.
Ein Schwenkwinkelsensor 243, wie zum Beispiel ein Dreh
potentiometer, der an dem Arbeitsgeräteschwenkpunkt 180
angeordnet ist, erzeugt eine Winkelmessung, die der Ar
beitsgerätedrehung um die Schwenkachse Y relativ zu der
Grabstelle entspricht.
Die Position- und Drucksignale werden an einen Signal
konditionierer 245 geliefert. Der Signalkonditionierer
145 sieht herkömmliches Signalerregen und -filtern vor.
Ein Vishay Signal Konditionierverstärker 2300-System, das
von Messurements Group Inc. aus Raleight, North Carolina,
USA, hergestellt wird, kann zum Beispiel für solche
Zwecke verwendet werden. Die konditionierten Positions-
und Drucksignale werden an Logikmittel 250 geliefert. Die
Logikmittel 250 sind ein auf Mikroprozessor basierendes
System, daß arithmetische Einheiten verwendet, um den
Vorgang gemäß von Softwareprogrammen zu steuern. Typi
scherweise sind die Programme in einem ROM (read only me
mory), einem RAM (random access memory) oder ähnlichen
gespeichert. Die Programme werden in Beziehung mit unter
schiedlichen Flußdiagrammen beschrieben.
Die Logikmittel 250 umfassen Eingänge von zwei anderen
Quellen: mehrfache Joystiksteuerhebel 255 und eine Be
dienerschnittstelle 260. Der Steuerhebel 255 sieht eine
manuelle Steuerung des Arbeitsgerätes 100 vor. Der Aus
gang bzw. die Ausgangsgröße des Steuerhebels 255 bestimmt
die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des Arbeitsge
rätes oder Werkzeuges 100.
Ein Maschinenbediener kann Ausgrabungs- oder Baggervor
gaben, wie zum Beispiel die Ausgrabungs- oder Baggertiefe
und die Bodenneigung eingeben, und zwar durch eine Be
dienerschnittstelleneinrichtung 260. Die Schnittstellen-
oder Interfaceeinrichtung 260 kann auch Information an
zeigen, die sich auf die Baggermaschinennutzlast bezieht.
Die Schnittstelleneinrichtung 260 kann einen Flüssigkri
stallanzeigeschirm (LCD-Schirm) mit einem alphanumeri
schen Tastenfeld aufweisen. Eine Ausführung mit einem be
rührungsempfindlichen Schirm wäre auch geeignet. Ferner
kann die Bedienerschnittstelle 260 auch eine Vielzahl von
Wählscheiben und/oder Schaltern aufweisen, damit der Be
diener unterschiedliche Ausgrabungsbedingungseinstel
lungen eingeben kann.
Die Logikmittel 250 empfangen die Positionssignale und
bestimmen darauf ansprechend die Geschwindigkeiten des
Auslegers 110, des Stiels 115 und des Löffels 120 unter
Verwendung bekannter Differenziertechniken. Es ist für
den Fachmann deutlich, daß separate Geschwindigkeits
sensoren in gleicher Weise verwendet werden können, um
die Geschwindigkeiten des Auslegers, des Stiels und des
Löffels zu bestimmen.
Die Logikmittel 250 bestimmen zusätzlich die Arbeitsge
rätegeometrie und Kräfte ansprechend auf die Positions-
und Drucksignalinformation.
Zum Beispiel empfangen die Logikmittel 250 die Drucksig
nale und berechnen die Ausleger-, Stiel- und Löffelzy
linderkräfte, gemäß der folgenden Gleichung:
Zylinderkraft = (P₂*A₂)-(P₁*A₁)
wobei P₂ und P₁ jeweils die Hydraulikdrücke an den Kopf-
und Stangenenden eines bestimmten Zylinders 140, 145, 150
sind und wobei A₂ und A₁ die Querschnittsflächen der je
weiligen Enden sind.
Die Logikmittel 250 erzeugen Ausleger-, Stiel- und Löf
felzylinderbefehlssignale zum Liefern an Betätigungs
mittel 265, die steuerbar das Arbeitsgerät 100 bewegen.
Die Betätigungsmittel 265 umfassen Hydrauliksteuerventile
270, 275, 280, die die Hydraulikströmung zu den jeweili
gen Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylindern 140,
145 150 steuern. Die Betätigungsmittel 265 umfassen auch
ein Hydrauliksteuerventil 285, das die Hydraulikströmung
zu einer Schwenkanordnung 185 steuert.
Die folgende Beschreibung beschreibt die Art und Weise,
mit der die Logikmittel 250, die an dem Löffel wirkende
Kraft Fy LÖFFEL berechnet, die für die Nutzlast reprä
sentativ ist. Es wird wieder auf die schematische Ansicht
des Arbeitsgerätes in Fig. 1 Bezug genommen. Zuerst be
stimmen die Logikmittel 250 die Arbeitsgerätegeometrie
relativ zu der Bezugsachse R ansprechend auf die Posi
tionsinformation. Die relative Stellung der vorbestimmten
der Stifte, Punkte und Schwerpunkte wird berechnet unter
Verwendung von bekannten geometrischen und trigonometri
schen Gesetzen. Zum Beispiel kann die Arbeitsgeräte
geometrie bestimmt werden zur Verwendung der Inverstrig
funktionen, der Sinus- und Cosinus-Gesetze und ihrer Um
kehrungen (Inversen). Die unterschiedlichen Kräfte, die
an vorbestimmten der Stifte wirken, können bestimmt wer
den, ansprechend auf die Positions- und Druckinformation.
Zum Beispiel kann die Stellung bzw. Anordnung und Größe
der Kräfte an den Stiften bestimmt werden unter Verwen
dung zweidimensionaler Vektorkreuz- und Punktprodukte. Es
sei bemerkt, daß die Arbeitsgerätegeometrie und Kraftin
formation durch mehrere Verfahren bestimmt werden können,
die von dem Fachmann verstanden werden. Zum Beispiel kön
nen die unterschiedlichen Kräfte, die an den Stiften wir
ken, direkt gemessen werden durch Dehnungsmesser oder an
dere strukturelle Lastmessungsverfahren.
Es sei für die folgende Beschreibung bemerkt, daß der
Begriff "Winkel R.X.Y." den Winkel in Rad. (in Bogenmaß)
darstellt, und zwar zwischen einer Linie, die parallel zu
der Bezugsachse R ist und einer Linie, die durch die
Stifte X und Y definiert wird. Der Begriff "Länge X.Y."
repräsentiert die Länge zwischen den Punkten X und Y.
Zuerst wird die Summe der Kräfte an dem Ausleger-Stiel-
Löffel in der Y-Richtung bestimmt, und zwar in der fol
genden Art und Weise:
Σ Fy Ausleger-Stiel-Löffel =
Fy LÖFFEL + Fy Stift 1 + Fy Stift 2 -
die Gewichte der Verbindungskomponenten = 0 (1)
Fy LÖFFEL + Fy Stift 1 + Fy Stift 2 -
die Gewichte der Verbindungskomponenten = 0 (1)
wobei
Fy Löffel die externe Kraft ist, die an den Löffel in der y-Richtung angelegt wird;
Fy Löffel die externe Kraft ist, die an den Löffel in der y-Richtung angelegt wird;
Fy Stift 1 die Kraft darstellt, die an den Stift 1
in der y-Richtung angelegt wird, die bestimmt werden kann
durch Summieren der Kräfte an dem Ausleger am Stift 1;
und
Fy Stift 2 repräsentiert die Kraft, die an den Stift 2 in der y-Richtung angelegt wird, die sich aus der Axialkraft in dem Auslegerzylinder ergibt.
Fy Stift 2 repräsentiert die Kraft, die an den Stift 2 in der y-Richtung angelegt wird, die sich aus der Axialkraft in dem Auslegerzylinder ergibt.
Das Umordnen der Gleichung (1) und Auflösen für die
Kraftkomponente, Fy LÖFFEL ist in Gleichung (2) gezeigt:
Fy LÖFFEL = - Fy Stift 1 - (Axialkraft im Auslegerzylinder) * sin(Winkel R.11.2) + Σ Ausleger-Stiel-Löffelgewicht + die Stiel- und Löffelzylinder- und Stangengewichte + Auslegerzylinder und Stangengewicht am Stift 2 Fy LÖFFEL ist die externe Kraft, die an den Löffel 120 angelegt wird, welche die Nutzlast darstellt.
Fy LÖFFEL = - Fy Stift 1 - (Axialkraft im Auslegerzylinder) * sin(Winkel R.11.2) + Σ Ausleger-Stiel-Löffelgewicht + die Stiel- und Löffelzylinder- und Stangengewichte + Auslegerzylinder und Stangengewicht am Stift 2 Fy LÖFFEL ist die externe Kraft, die an den Löffel 120 angelegt wird, welche die Nutzlast darstellt.
Nun wird unter Bezugnahme auf die Flußdiagramme der Fig.
4-5 die Softwaresteuerung der vorliegenden Erfindung be
schrieben. Die Steuerung estimiert bzw. schätzt die Nutz
last, während sich der Ausleger 110 aufwärts bewegt. Es
wird angenommen, daß, wenn sich der Ausleger aufwärts
bewegt, eine Last durch den Löffel aufgenommen wurde;
infolgedessen ist die Maschine im Vorgang des Abladens
der Last bzw. Ladung. Somit ist es wünschenswert, die
Nutzlast des beladenen Löffels zu schätzen. Da die Nutz
last berechnet wird, während sich der Ausleger nach oben
bewegt, ist es wünschenswert, die Nutzlast unter mini
malen dynamischen Bedingungen zu berechnen. Die Schritte,
die mit den Fig. 4 und 5 assoziiert sind, minimieren die
Verschlechterungen, die mit den dynamischen Bedingungen
oder Zuständen assoziiert sind.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist die Programmsteuerung für
einen Kalibrierungsvorgang gezeigt. Der Kalibrierungs
vorgang wird vor der tatsächlichen Nutzlastbestimmung
verwendet. Der Kalibrierungsvorgang berechnet eine ma
thematische Korrelation zwischen Nutzlastberechnungen,
die gemacht werden, während sich das Arbeitsgerät bewegt
(dynamisch), zum Beispiel während sich der Ausleger auf
wärts bewegt und während das Arbeitsgerät stationär ist
(statisch). Sobald die mathematische Korrelation bestimmt
ist, approximiert oder schätzt die Programmsteuerung den
Flußdiagramm, gemäß Fig. 5, die Nutzlast während die Ma
schine baggert bzw. ausgräbt.
Der erste Schritt im Block 405 der Steuerung bestimmt, ob
sich der Ausleger aufwärts bewegt. Als nächstes bestimmt
im Block 410 die Steuerung, ob das Auslegerbefehlssignal
eine nahezu maximale Auslegergeschwindigkeit anzeigt.
Wenn dies der Fall ist, geht die Steuerung zum Block 415,
um festzustellen, ob das Auslegerbefehlssignal für eine
vorbestimmte Zeitperiode erzeugt wurde. Die vorbestimmte
Zeitperiode kann zum Beispiel gleich 0,6 Sekunden sein.
Sobald die Blöcke 410, 415 erfüllt sind, geht die Steue
rung zum Block 420, um festzustellen, ob die Arbeitsge
rätebewegungen im wesentlichen stabil oder nicht fluktu
ierend sind. Der Block 420 kann auch die folgenden Be
dingungen enthalten:
Zuerst bestimmt die Steuerung, ob sich der Ausleger mit
einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit bewegt,
und zwar durch bestimmen, ob die Auslegergeschwindigkeit
größer ist als eine vorbestimmte Auslegergeschwindigkeit.
Die vorbestimmte Auslegergeschwindigkeit kann zum Bei
spiel 65% der maximalen Auslegergeschwindigkeit sein.
Wenn sich der Ausleger mit einer nahezu maximalen Ge
schwindigkeit bewegt, ist die Auslegergeschwindigkeit na
hezu konstant.
Als zweites bestimmt die Steuerung, ob die Stielge
schwindigkeit kleiner als eine vorbestimmte Stielge
schwindigkeit ist. Die vorbestimmte Stielgeschwindigkeit
kann zum Beispiel kleiner als 10% der maximalen Stiel
geschwindigkeit sein. Wenn sich der Stiel zum Beispiel
mit einer geringen Geschwindigkeit bewegt, dann ist die
Stielbewegung im wesentlichen vernachlässigbar.
Zwei zusätzliche Bestimmungen können durchgeführt werden,
um sicherzustellen, daß die Dynamiken bzw. die dynami
schen Bedingungen des Arbeitsgerätes minimiert sind.
Zuerst kann die Steuerung bestimmen, wann der Löffel in
der Nähe der Oberfläche ist durch Überprüfen, ob der
Löffel durch eine horizontale Bezugsebene x hindurchge
gangen ist. Die Bezugsebene X kann durch den Boden der
Baggerfahrwerke 155 bestimmt werden. Zum Beispiel kann
die horizontale Bezugsebene X parallel zu der Bezugachse
R sein. Wenn der Löffel durch die Bezugsebene X hin
durchgegangen ist, dann ist der Löffel in der Nähe der
Oberfläche. Konsequenterweise ist die Bewegung des Ar
beitsgeräts recht stabil.
Als zweites kann die Steuerung direkt feststellen, ob die
mit dem Ausleger und Stiel assoziierten Geschwindigkeiten
konstant sind. Zum Beispiel können die Ausleger und
Stielgeschwindigkeiten abgetastet werden, dann werden sie
verglichen, um irgendeine Abweichung zu bestimmen. Wenn
eine geringe Abweichung auftritt, dann sind die Ausleger-
und Stielgeschwindigkeiten im wesentlichen konstant.
Weiter im Block 425 berechnet die Steuerung die Verti
kalkraft, die an dem Löffel wirkt, Fy LÖFFEL wie oben be
schrieben. Die Steuerung führt mehrere Kalkulationen bzw.
Berechnungen über eine vorbestimmte Zeitperiode durch und
mittelt dann die Berechnungen aus; um somit die dynami
sche Nutzlastberechnung zu beenden.
Um die Korrelation zu vervollständigen, berechnet die
Steuerung die Nutzlast, während das Arbeitsgerät statio
när ist (statische Nutzlastmessung), und zwar gemäß dem
Block 430. Wenn das Arbeitsgerät zum Beispiel stationär
ist, berechnet die Steuerung die Vertikalkraft an dem
Löffel, Fy LÖFFEL. Für bessere Genauigkeit kann die Nutz
last jedoch direkt gemessen werden anstatt daß sie be
rechnet wird.
Um eine größere Genauigkeit zu erhalten, können die
Schritte 405-435 mehrmals mit unterschiedlichen Größen
der Nutzlast wiederholt werden.
Die Steuerung geht nun zum Block 435, um die mathemati
sche Korrelation zwischen den statischen und dynamischen
Kraftberechnungen zu bestimmen. Zum Beispiel werden die
Korrelationen linearisiert und sie können die Form der
linearen Gleichung annehmen:
y = mx + b
wobei:
y die statische Nutzlastberechnung ist;
m die Neigung oder Steigung der Linie ist;
x die dynamische Nutzlastberechnung ist; und
b die Korrelationskonstante ist.
y die statische Nutzlastberechnung ist;
m die Neigung oder Steigung der Linie ist;
x die dynamische Nutzlastberechnung ist; und
b die Korrelationskonstante ist.
Sobald die lineare Korrelationsgleichung bestimmt ist,
geht die Steuerung dann zu dem in der Fig. 5 dargestell
ten Flußdiagramm über, um die Löffelnutzlast abzuschät
zen, während die Maschine durch ihre Arbeitszyklen geht.
Es sei bemerkt, daß die Blöcke 505-525 in Fig. 5 den
Blöcken 505-525 in Fig. 4 entsprechen.
Im Block 505 bestimmt die Steuerung, ob sich der Ausleger
in einer Aufwärtsrichtung bewegt. Als nächstes bestimmt
die Steuerung im Block 510, ob das Auslegerbefehlssignal
eine nahezu maximale Geschwindigkeit anzeigt. Wenn dies
der Fall ist, bestimmt die Steuerung im Block 515, ob das
Auslegerbefehlssignal für eine vorbestimmte Zeitperiode
erzeugt wurde. Demgemäß geht die Steuerung zum Block 520
über, um festzustellen, ob die Arbeitsgerätebewegung im
wesentlichen stabil ist, und zwar wie durch die Bedin
gungen definiert ist, die im Block 420 beschrieben sind.
Unter der Annahme, daß das Arbeitsgerät im wesentlichen
stabil ist, geht die Steuerung zum Block 525 über, um die
durchschnittliche Vertikalkraft an dem Löffel ave Fy
LÖFFEL zu berechnen. Die Größe der durchschnittlichen
Vertikalkraft wird dann in der linearen Korrelations
gleichung verwendet, um die geschätzte Nutzlast gemäß dem
Block 530 zu bestimmen. Zum Beispiel wird die geschätzte
Nutzlast aus der folgenden Gleichung bestimmt:
y = mx + b
wobei:
y die geschätzte Nutzlast ist;
m die Neigung oder Steigung der Linie ist;
x die ave Fy LÖFFEL ist; und
b die Korrelationskonstante ist.
y die geschätzte Nutzlast ist;
m die Neigung oder Steigung der Linie ist;
x die ave Fy LÖFFEL ist; und
b die Korrelationskonstante ist.
Es kann wünschenswert bzw. zweckmäßig sein, die Nutz
lastberechnung gemäß der Ausleger-Aufwärtsgeschwindigkeit
zu kompensieren. Zum Beispiel kann die Nutzlastberechnung
eine lineare Beziehung bezüglich der Ausleger-Aufwärts
geschwindigkeit besitzen, d. h. desto höher die Ausleger-
Aufwärtsgeschwindigkeit desto größer ist die Nutzlast
berechnung. Somit könnten Einstellungen bzw. Korrekturen
zweckmäßig sein, um für die lineare Verschiebung zu kom
pensieren. Eine solche Kompensation könnte zum Beispiel
durchgeführt werden durch Einstellen bzw. Korrigieren der
geschätzten Nutzlast durch die berechnete Durchschnitts
geschwindigkeit, und zwar gemäß
q*Vave + w
wobei q und w experimentell abgeleitet sind.
Der berechnete Nutzlastwert kann dann gespeichert und an
gezeigt werden. Die Nutzlastwerte können auch verwendet
werden beim Berechnen von Produktivitätszusammenfassungen
und sie können akkumuliert werden für spezielle Trans
portfahrzeuge und Abladeorte.
Die in den Fig. 4-5 dargestellten Flußdiagramme reprä
sentieren eine Computersoftwarelogik zum Implementieren
des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung. Das Programm, das in dem Flußdiagrammen dar
gestellt ist, ist geeignet durch irgendein geeignetes
Mikroprozessorsystem verwendet zu werden. Der Vorgang des
Schreibens des Softwarecodes aus Flußdiagrammen wie die
sen ist für einen Fachmann nur ein mechanischer Schritt.
Ein Beispiel einer Nutzlastmessung wird nun unter Bezug
nahme auf das Flußdiagramm in Fig. 5 und die schematische
Ansicht der Maschine in Fig. 3 beschrieben. Es sei be
merkt, daß irgendwelche Werte, die hier dargestellt sind,
nur für Erklärungszwecke dienen und keine Beschränkung
für die vorliegende Erfindung darstellen. Unter der An
nahme, daß die lineare Koeffizientengleichung für die
Maschine zuvor berechnet wurde, beginnt die Steuerung
dann im Block 505, um zu bestimmen, ob sich der Ausleger
aufwärtsbewegt. Wenn dies der Fall ist, geht die Steue
rung zum Block 510, um zu bestimmen, ob der Ausleger
befehl einen nahezu maximalen Geschwindigkeitswert an
zeigt. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, dann geht die
Steuerung zum Block 515, und bestimmt, ob die maximale
Auslegerbefehlsgeschwindigkeit für mindestens 0,6 Sekun
den erzeugt wurde. Wenn dies der Fall ist, geht die Steu
erung zum Block 520, um zum Beispiel zu bestimmen: (1) ob
die Auslegergeschwindigkeit größer als 65% der Maximal
geschwindigkeit ist; (2) ob die Stielgeschwindigkeit
kleiner als 10% der Maximalgeschwindigkeit ist; und (3)
ob die Löffelspitze über der Horizontalebene X ist. Wenn
diese Bedingungen erfüllt sind, dann bestimmt die Steu
erung im Block 525 die durchschnittliche Vertikalkraft an
dem Löffel ave Fy LÖFFEL über eine vorbestimmte Zeitpe
riode. Demgemäß bestimmt die Steuerung die geschätzte
Nutzlast des Löffels y im Block 530, und zwar gemäß der
linearen Korrelationsgleichung:
y = mx + b
In einem Beispiel ist:
y = (0,87659) * (28412 N) - 141,6 N
Somit wird die geschätzte Nutzlast y auf 24528 N berech
net.
Die vorliegende Erfindung kann angepaßt werden, um Nutz
lastberechnungen für automatisierte oder manuelle Ar
beitszyklen durchzuführen. Wenn zum Beispiel ein manuel
ler Arbeitszyklus durchgeführt wird, ist der Bediener
verantwortlich für die Steuerung des Arbeitsgerätes mit
den gewünschten bzw. zweckmäßigen minimalen dynamischen
Bedingungen. Die Bedienerschnittstelle 260 kann anzeigen,
ob das Arbeitsgerät ausreichend stabil für Nutzlastbe
rechnungen ist oder nicht.
Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Er
findung ergeben sich aus einer Studie der Zeichnung, der
Offenbarung und der Ansprüche.
Zusammenfassend sieht die Erfindung vor:ein Nutzlast
bestimmungssystem für eine Bagger- oder Ausgrabungs
maschine. Die Baggermaschine umfaßt ein Arbeitsgerät mit
einem Ausleger, einem Stiel und einem Löffel, die jeweils
durch einen jeweiligen Hydraulikzylinder steuerbar
betätigt werden. Ein Positionssensor erzeugt jeweilige
Positionssignale ansprechend auf die Position des Aus
legers, des Stiels und des Löffels. Ein Kraftsensor
erzeugt jeweilige Kraftsignale ansprechend auf die
assoziierten Kräfte, die an den Ausleger-, Stiel- und
Löffelhydraulikzylinder wirken. Ein Mikroprozessor
erzeugt jeweilige Geschwindigkeitssignale ansprechend auf
die Geschwindigkeit des Auslegers und des Stiels. Schluß
endlich empfängt der Mikroprozessor die Kraft und Posi
tionssignale und bestimmt darauf ansprechend die Nutz
last, die durch den Löffel getragen wird, und zwar
ansprechend darauf, daß die Ausleger- und Stielgeschwin
digkeit im wesentlich konstant ist.
Claims (9)
1. Verfahren zur Bestimmung der Nutzlast einer Bagger
maschine mit einer horizontalen Bezugsebene X und
einem Arbeitsgerät, wobei das Arbeitsgerät einen
Ausleger, einen Stiel und einen Löffel aufweist, die
jeweils steuerbar betätigt werden durch jeweilige
Hydraulikzylinder, wobei der Hydraulikzylinder hy
draulisches Druckströmungsmittel enthält und einen
bewegbaren Teil besitzt, der zwischen einer ersten
zurückgezogenen Position und einer Vielzahl von
zweiten Positionen ausfahrbar ist ansprechend auf
den Druck des Hydraulikströmungsmittels, der darin
nen enthalten ist, wobei das Verfahren die folgenden
Schritte aufweist:
Erzeugen jeweiliger Positionssignale ansprechend auf die Position des Auslegers des Stiels und des Löf fels;
Erzeugen jeweiliger Drucksignale ansprechend auf den Druck in den Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulik zylindern;
Erzeugen jeweiliger Geschwindigkeitssignale anspre chend auf die Geschwindigkeit des Auslegers und des Stiels; und
Empfangen der Druckpositions- und Geschwindigkeits signale und darauf ansprechendes Bestimmen der Nutzlast, die durch den Löffel getragen wird, an sprechend darauf, daß die Ausleger- und Stielge schwindigkeiten im wesentlichen konstant sind.
Erzeugen jeweiliger Positionssignale ansprechend auf die Position des Auslegers des Stiels und des Löf fels;
Erzeugen jeweiliger Drucksignale ansprechend auf den Druck in den Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulik zylindern;
Erzeugen jeweiliger Geschwindigkeitssignale anspre chend auf die Geschwindigkeit des Auslegers und des Stiels; und
Empfangen der Druckpositions- und Geschwindigkeits signale und darauf ansprechendes Bestimmen der Nutzlast, die durch den Löffel getragen wird, an sprechend darauf, daß die Ausleger- und Stielge schwindigkeiten im wesentlichen konstant sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des
Bestimmens der Nutzlast den Schritt des Bestimmens
aufweist, wann die Auslegergeschwindigkeit größer
als ein vorbestimmter Auslegergeschwindigkeitswert
ist und die Stielgeschwindigkeit kleiner als ein
vorbestimmter Stielgeschwindigkeitswert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren
die folgenden Schritte aufweist: den Schritt des
Erzeugens jeweiliger Kraftsignale ansprechend auf
die Drücke, die mit den Ausleger-, Stiel- und Löf
felhydraulikzylindern assoziiert sind, wobei der
Schritt des Bestimmens der Nutzlast den Schritt des
Empfangens der Kraftsignale aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Verfahren den Schritt des Erzeugens je
weiliger Befehlssignale aufweist, die eine ge
wünschte Richtung und Geschwindigkeit des Auslegers
des Stiels und des Löffels anzeigen, wobei der
Schritt des Bestimmens der Nutzlast den Schritt des
Erzeugens eines Auslegerbefehlssignals aufweist, das
eine Aufwärtsrichtung mit einer im wesentlichen ma
ximalen Geschwindigkeit anzeigt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Verfahren den Schritt des Bestimmens auf
weist, wann der Löffel durch die Horizontalbezugs
ebene X hindurchgeht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Verfahren den Schritt des Bestimmens einer
Vertikalkraft an dem Löffel Fy LÖFFEL aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Verfahren den Schritt des Bestimmens der
Kraft Fy LÖFFEL aufweist, und zwar darauf anspre
chend, daß sich das Arbeitsgerät bewegt und statio
när ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Verfahren den Schritt des Bestimmens einer
mathematischen Korrelation zwischen der Kraft Fy
LÖFFEL aufweist, die bestimmt wird ansprechend dar
auf, daß sich das Arbeitsgerät bewegt und daß das
Arbeitsgerät stationär ist und darauf ansprechendes
Erzeugen einer Korrelationsgleichung.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Verfahren den Schritt des Bestimmens der
Nutzlast ansprechend auf die Korrelationsgleichung
aufweist.
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US21639594A | 1994-03-23 | 1994-03-23 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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