DE19510375A1

DE19510375A1 - Nutzlastbestimmungssystem und Verfahren für eine Baggermaschine

Info

Publication number: DE19510375A1
Application number: DE1995110375
Authority: DE
Inventors: David J Rocke; William C Sahm
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1994-03-23
Filing date: 1995-03-22
Publication date: 1995-09-28
Also published as: JPH07259137A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Ausgrab- oder Baggermaschine und insbesondere auf ein Nutzlastbestimmungssystem für eine Baggermaschine.

Ausgangspunkt

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.

Offenbarung der Erfindung

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

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.

Beste Art die Erfindung auszuführen

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 F_y 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 F_y Ausleger-Stiel-Löffel =
F_y LÖFFEL + F_y Stift 1 + F_y Stift 2 -
die Gewichte der Verbindungskomponenten = 0 (1)

wobei
F_y Löffel die externe Kraft ist, die an den Löffel in der y-Richtung angelegt wird;

F_y 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
F_y 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, F_y LÖFFEL ist in Gleichung (2) gezeigt:
F_y LÖFFEL = - F_y 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 F_y 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, F_y 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, F_y 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.

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 F_y 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 F_y 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.

Industrielle Anwendbarkeit

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 F_y 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

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.

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 F_y LÖFFEL aufweist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren den Schritt des Bestimmens der Kraft F_y 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 F_y 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.