DE19510376A1

DE19510376A1 - System und Verfahren zum Bestimmen der Beendigung eines Grabteil- oder Abschnitts eines Ausgrabungs- oder Baggerarbeitszyklus

Info

Publication number: DE19510376A1
Application number: DE19510376A
Authority: DE
Inventors: David J Rocke
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: JPH07259118A; JP3698753B2; US5461803A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Gebiet der Ausgrabung bzw. des Baggerns und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Bestimmen der Beendigung ei nes Grabteils oder Abschnitts eines Ausgrabungs- oder Baggerarbeitszyklus.

Ausgangspunkt

Arbeitsmaschinen, wie zum Beispiel Bagger, Hecktieflöf felbagger, Frontschaufelbagger und ähnliche werden für Baggerarbeiten verwendet. Diese Baggermaschinen besitzen Arbeitswerkzeuge bzw. Arbeitsgeräte, die aus Ausleger, Stiel- und Löffelgliedern oder Verbindungen bestehen. Der Ausleger ist schwenkbar mit einem Ende an der Baggerma schine befestigt und sein anderes Ende ist schwenkbar an einem Stiel befestigt. Der Löffel ist schwenkbar an dem freien Ende des Stiels befestigt. Jedes Arbeitsgeräte glied wird steuerbar betätigt durch mindestens einen Hydraulikzylinder zur Bewegung in einer vertikalen Ebene. Ein Bediener manipuliert typischerweise das Arbeitsgerät, um eine Sequenz von bestimmten Funktionen durchzuführen, die einen kompletten Baggerarbeitszyklus bilden.

Bei einem typischen Arbeitszyklus positioniert der Be diener zuerst das Arbeitsgerät an einer Grabstelle und senkt das Arbeitsgerät ab, bis der Löffel in den Boden bzw. in die Erde eindringt. Dann führt der Bediener einen Baggerhub bzw. eine Baggerbewegung aus, die den Löffel zu der Baggermaschine bringt bzw. bewegt. Der Bediener dreht nachfolgend den Löffel ein, um die Erde aufzunehmen. Um die aufgenommene Ladung bzw. Last abzuladen, hebt der Bediener das Arbeitsgerät an, schwenkt es seitlich zu ei ner vorgegebenen Abladestelle und gibt die Erde frei durch Ausfahren des Stiels und Ausdrehen des Löffels. Das Arbeitsgerät wird dann zu der Grab- bzw. Grabungsstelle zurückgebracht, um den Arbeitszyklus wieder zu beginnen. In der folgenden Beschreibung werden die oben genannten Vorgänge jeweils folgendermaßen bezeichnet: Ausleger- Abwärts-In-Die-Erde, Grab-Hub, Ladung-Aufnehmen, Schwenken-Zum-Abladen, Ladung-Abladen, und Zurück-Zum- Graben.

Die Erdbewegungsindustrie besitzt einen steigenden Be darf, den Arbeitszyklus einer Baggermaschine zu Automa tisieren, und zwar aus mehreren Gründen. Anders als ein menschlicher Bediener bleibt eine automatisierte Bag germaschine gleichbleibend produktiv ungeachtet der Um welt- bzw. Umgebungsbedingungen und langer Arbeitszeit. Die automatisierte Baggermaschine ist ideal für Anwen dungen, wo die Bedingungen für Menschen gefährlich und ungeeignet bzw. unzweckmäßig sind. Eine automatisierte Maschine ermöglicht auch ein genaueres Graben bzw. Aus graben, was fehlende Fähigkeiten des Bedieners aus gleicht.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, einen oder mehrere der oben genannten Probleme zu überwinden.

Die Erfindung

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Steuersystem zum automatischen Steuern eines Arbeitsgerätes einer Bagger maschine durch einen Maschinenarbeitszyklus gezeigt. Das Arbeitsgerät umfaßt einen Ausleger, einen Stiel und einen Löffel, die jeweils steuerbar betätigt werden durch min destens einen jeweiligen Hydraulikzylinder. Ein Posi tionssensor erzeugt jeweilige Positionssignale anspre chend auf die jeweilige Position des Auslegers, des Stiels und des Löffels. Ein Drucksensor erzeugt jeweilige Drucksignale ansprechend auf die assoziierten Hydraulik drücke, die mit den Ausleger-, Stiel- und Löffelhydrau likzylindern assoziiert sind. Ein Mikroprozessor empfängt die Positions- und Drucksignale und erzeugt ein Befehls signal. Ein elektro-hydraulisches System empfängt das Befehlssignal und betätigt steuerbar vorbestimmte der Hydraulikzylinder, um den Arbeitszyklus durchzuführen. Der Mikroprozessor bestimmt die externe Kraft, die auf den Löffel angelegt wird und den Winkel der Löffelkraft, vergleicht den Winkel der Löffelkraft mit einem vorbe stimmten Wert und bestimmt darauf ansprechend, wann ein Grababschnitt des Arbeitszyklus beendet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1A, 1B schematische Ansichten eines Arbeitsgerätes einer Ausgrabungs- oder Baggermaschine;

Fig. 2 ein Hardware-Blockdiagramm eines Steuersystems der Baggermaschine;

Fig. 3 ein Flußdiagramm auf der höchsten Ebene, das die Steuerung eines Ausgrabungs- oder Baggerarbeits zyklus darstellt;

Fig. 4 eine Seitenansicht der Baggermaschine;

Fig. 5 ein Flußdiagramm auf einem zweiten Niveau, das die Steuerung des Grababschnitts des Arbeitszyklus darstellt; und

Fig. 6 eine schematische Ansicht des Arbeitsgerätes wäh rend unterschiedlicher Stufen des Ausgrabungs- bzw. Baggerarbeitszyklus.

Die beste Art die Erfindung auszuführen

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung zeigt Fig. 1 eine planare Ansicht eines Arbeitsgerätes 100 einer Bagger maschine, die Grab- oder Ladefunktionen durchführt, und zwar ähnlich zu denen eines Baggers, eines Hecktieflöf felbaggers und eines Frontschaufelbaggers.

Die Baggermaschine kann einen Bagger, einen Motorbagger, einen Radlader oder ähnliches aufweisen. Das Arbeitsgerät 100 kann einen Ausleger 110, einen Stiel 115 und einen Löffel 120 aufweisen. Der Stiel 110 ist schwenkbar an der Baggermaschine 105 angebracht, und zwar durch einen Aus legerschwenkstift 1. Der Schwerpunkt des Auslegers (GBM) wird durch den Punkt 12 dargestellt. Der Stiel 115 ist schwenkbar mit dem freien Ende des Auslegers 110 verbun den, und zwar an dem 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 abgerundeten Teil 130, einen Boden, der durch den Punkt 16 angezeigt ist und eine Spitze, die durch den Punkt 15 angezeigt ist. Der Schwerpunkt des Löffels (GBK) wird durch den Punkt 14 dargestellt.

Es wird eine horizontale Bezugsachse R definiert, die ei nen Ursprung am Stift 1 hat und sich durch den Punkt 26 erstreckt. Die Achse R wird verwendet zum Messen der re lativen Winkelbeziehung zwischen dem Arbeitsfahrzeug 105 und den unterschiedlichen Stiften und Punkten des Ar beitsgerätes 100.

Der Ausleger 110, der Stiel 115 und der Löffel 120 sind unabhängig und steuerbar betätigt durch linear ausfahr bare Hydraulikzylinder. Der Ausleger 110 wird durch min destens einen Auslegerhydraulikzylinder 140 betätigt, und zwar zur 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 be tätigt durch mindestens einen Stielhydraulikzylinder 145 für Längshorizontalbewegungen des Löffels 120. Der Stiel hydraulikzylinder 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 Zylinder stange sind durch die Punkte CG22 bzw. CG23 dargestellt. Der Löffel 120 wird durch einen Löffelhydraulikzylinder 150 betätigt und besitzt einen Radialbewegungsbereich um den Löffelschwenkstift 8 herum. Der Löf felhydraulikzylinder 150 ist verbunden mit dem Stiel 115 an dem Stift 6 und mit einer Verbindung 155 an dem Stift 9. Die Verbindung 155 ist mit dem Stiel 115 und dem Löf fel 120 verbunden, und zwar an den Stiften 7 bzw. 10. Die Schwerpunkte des Löffelzylinders und der Zylinderstange sind durch die Punkte CG25 bzw. CG26 dargestellt. Für Darstellungszwecke ist in Fig. 1 nur ein Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylinder 140, 145, 150 gezeigt.

Um ein Verständnis des Betriebs des Arbeitsgerätes 100 und der Hydraulikzylinder 140, 145, 150 sicherzustellen, wird die folgende Beziehung beobachtet. Der Ausleger 110 wird angehoben durch Ausfahren des Auslegerzylinders 140 und abgesenkt durch Zurückziehen desselben Zylinders 140. Das Zurückziehen des Stielhydraulikzylinders 145 bewegt den Stiel 115 weg von der Baggermaschine 105 und das Ausfahren des Stielhydraulikzylinders 145 bewegt den Stiel 115 zu der Maschine 105. Schlußendlich wird der Löffel 120 von der Baggermaschine 105 weggedreht, wenn der Löffelhydraulikzylinder 150 zurückgezogen wird und zu der Maschine 105 gedreht, wenn derselbe Zylinder 150 aus gefahren wird.

Gemäß Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines elektrohydrau lischen Systems 200 gezeigt, das mit der vorliegenden Erfindung assoziiert ist. Mittel 205 erzeugen Positions signale ansprechend auf die Position des Arbeitsgerätes 100. Die Mittel 205 umfassen Versetzungssensoren 210, 215, 220, die die Zylinderausfahrgröße der Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylinder 140, bzw. 145 bzw. 150 abfühlen. Ein auf Hochfrequenz basierender Sensor, der in dem US-Patent Nr. 4 737 705 von Bitar et al. vom 12. April 1988 gezeigt ist, kann verwendet werden.

Es ist offensichtlich, daß die Position des Arbeitsgerä tes 100 auch aus den Arbeitsgeräte-Verbindungs- oder Gelenkwinkelmessungen abgeleitet werden kann. Eine al ternative Einrichtung zum Erzeugen eines Arbeitsgeräte positionssignals umfaßt Drehwinkelsensoren, wie zum Bei spiel Drehpotentiometer, die zum Beispiel die Winkel zwi schen dem Ausleger 110, dem Stiel 115 und dem Löffel 120 messen. Die Arbeitsgeräteposition kann entweder von den Hydraulikzylinderausfahrmessungen oder der Gelenkwin kelmessung berechnet werden, und zwar durch trigonometri sche Verfahren. Solche Techniken zum Bestimmen der Löf felposition sind in der Technik bekannt und können bei spielweise gefunden werden im US-Patent Nr. 3 997 071 von Teach vom 14. Dezember 1976 und dem US-Patent Nr. 4 377 043 von Inui et al. vom 22. März 1983.

Mittel 225 erzeugen Drucksignale ansprechend auf die Kraft, die auf das Arbeitsgerät 100 ausgeübt wird. Mittel 125 umfassen Drucksensoren 230, 235, 240, die die Hy draulikdrücke in den Ausleger-, Stiel- und Löffelhydrau likzylindern 140 bzw. 145 bzw. 150 messen. Die Drucksen soren 230, 235, 240 erzeugen jeweils Signale ansprechend auf die Drücke der jeweiligen Hydraulikzylinder 140, 145, 150. Zum Beispiel fühlen die Zylinderdrucksensoren 230, 235, 240 die Ausleger- bzw. Stiel- bzw. Löffelhydraulik zylinderkopf- und Stangenenddrücke ab. Ein geeigneter Drucksensor wird zum Beispiel vorgesehen durch Precise Sensors, Inc. aus Monrovia, Kalifornien, USA, mit ihrem Serie 555 Druckwandler.

Ein Schwenkwinkelsensor 243, wie zum Beispiel ein Dreh potentiometer, der an dem Arbeitsgeräteschwenkpunkt 180 angeordnet ist, erzeugt eine Winkelmessung entsprechend der Arbeitsgerätedrehungsgröße, um die Schwenkachse Y re lativ zu der Grabstelle.

Die Positions- und Drucksignale werden an einen Signal konditionierer 245 geliefert. Der Signalkonditionierer 245 sieht herkömmliche Signalerregung und Filterung vor. Ein Vishay-Signalkonditionierverstärker-2300-System, das durch die Measurements Group Inc. aus Raleigh, North Carolina, USA, hergestellt wird, kann beispielsweise für solche Zwecke verwendet werden. Die konditionierten Po sitions- und Drucksignale werden an Logikmittel 250 ge liefert. Die Logikmittel 250 sind ein auf Mikroprozessor basierendes System, das arithmetische Einheiten verwen det, um Vorgänge gemäß einem Software-Programm zu steu ern. Typischerweise sind die Programme in einem ROM (read only memory) einem RAM (random-access memory) oder ähn lichen gespeichert. Die Programme werden in Beziehung zu unterschiedlichen Flußdiagrammen beschrieben.

Die Logikmittel 250 umfassen Eingaben von zwei anderen Quellen: einem Mehrfach-Joystick-Steuerhebel 255 und einer Bedienerschnittstelle 260. Der Steuerhebel 255 sieht eine manuelle Steuerung des Arbeitsgerätes 100 vor. Die Ausgangsgröße des Steuerhebels 255 bestimmt die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des Arbeitsgerätes 100.

Ein Maschinenbediener kann Bagger- oder Ausgrabungsvor gaben, wie zum Beispiel die Ausgrabungstiefe und die Bodenneigung durch eine Bedienerschnittstelleneinrichtung bzw. eine Bedienerinterfaceeinrichtung 260 eingeben. Die Bedienerschnittstelle 260 kann Informationen anzeigen, die sich auf die Baggermaschinennutzlast beziehen. Die Schnittstelleneinrichtung 260 kann einen Flüssigkri stallanzeigeschirm (LCD-Schirm) mit einem alphanumeri schen Tastenfeld aufweisen. Eine Anwendung mit einem be rührungsempfindlichen Schirm ist auch geeignet. Ferner kann die Bedienerschnittstelle 260 eine Vielzahl von Wählscheiben und/oder Schaltern aufweisen, damit der Bediener unterschiedliche Ausgrabungsbedingungseinstel lungen durchführen 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. Für den Fachmann ist es klar, daß separate Geschwindigkeitssen soren in gleicher Weise verwendet werden können, um die Geschwindigkeiten des Auslegers, des Stiels und des Löf fels 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 Drucksi gnale 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 der bestimmten Zylinder 140, 145, 150 sind und A₂ und A₁ die Querschnittsflächen an den jewei ligen 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 jeweiligen Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylindern 140, 145, 150 steuern. Die Betätigungsmittel 265 umfassen auch ein Hydrauliksteuerventil 285, das die Hydraulik strömung zu der Schwenkanordnung 185 steuert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist ein Flußdiagramm eines automatisierten Baggerarbeitszyklus gezeigt. Der Arbeits zyklus für eine Baggermaschine 105 kann im allgemeinen in sechs bestimmte und aufeinanderfolgende Funktionen aufgeteilt werden: Ausleger-Abwärts-In-Den-Boden 305, Vor-Dem-Graben 307, Grab-Hub 310, Ladung-Aufnehmen 315, Ladung-Abladen 320, und Zurück-Zum-Graben 323.

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Ausführungsbeispiel der Grab-Hub-Funktion 310 und insbesondere zum Bestimmen, wann der Grab-Hub- oder die Grabfunktion beendet ist. Daher wird nur die Grab-Hub-Funktion 310 im Detail be schrieben, da eine Beschreibung der anderen Funktionen für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich ist.

Es wird nun auf Fig. 5 Bezug genommen, die die Steuerung der Grab-Hub-Funktion 310 darstellt. Die Grab-Hub-Funk tion 310 bewegt den Löffel 120 entlang des Bodens zu der Baggermaschine 105. Die Grab-Hub-Funktion beginnt durch Berechnen der Löffelposition im Block 505. Der Begriff "Löffelposition" bezieht sich auf die Position der Löf felspitze zusammen mit dem Löffelwinkel Φ wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die Löffelposition wird berechnet anspre chend auf die Positionssignale. Die Löffelposition kann durch unterschiedliche Verfahren berechnet werden, die in der Technik bekannt sind. Wenn der Grabzyklus fortfährt, kann der Löffel 120 sich tiefer in den Boden erstrecken. Infolgedessen zeichnet die Steuerung die Position des Löffels 120 auf, wenn er sich tiefer in dem Boden er streckt, und zwar im Block 510. In dem Entscheidungsblock 515 wird der Zylinderdruck mit einem Setzpunkt F vergli chen. Wenn der Auslegerzylinderdruck den Setzpunkt F übersteigt, wird gesagt, daß die Maschine unstabil ist und kippen kann. Wenn der Auslegerzylinderdruck den Setzpunkt F übersteigt, dann stoppt demgemäß die Pro grammsteuerung wie durch den Block 520 gezeigt ist. Ansonsten fährt die Steuerung zum Entscheidungsblock 525 fort. Es sei bemerkt, daß der Wert des Setzpunktes F aus einer Tabelle von Druckwerten erhalten werden kann, die einer Vielzahl von Werten entsprechen, die eine Bagger unstabilität darstellen, und zwar für unterschiedliche Geometrien des Arbeitsgerätes 100.

Die Baggermaschine 105 führt den Grab-Hub- oder den Grab abschnitt des Arbeitszyklus durch, indem sie den Löffel 120 zu der Baggermaschine bringt bzw. bewegt. Der Ent scheidungsblock 525 zeigt an, wann der Grab-Hub beendet ist. Zuerst wird der Löffelwinkel Φ mit einem Setzpunkt G verglichen, der eine vorbestimmte Löffeleindrehung darstellt, die mit einer zweckmäßigen Löffelfüllmenge assoziiert ist. Als zweites bestimmt die Programmsteue rung, ob der Bediener angezeigt hat, daß das Graben aufhören sollte, und zwar beispielsweise über die Bedie nerschnittstelle 260. Als drittes wird die Stielzylin derposition mit einem Setzpunkt I verglichen, der eine Grab-Hubbeendigung anzeigt, der Setzpunkt I repräsentiert eine maximale Stielzylinderausfahrposition zum Graben. Schlußendlich wird der Winkel der Löffelkraft β mit einem Setzpunkt H verglichen. Zum Beispiel repräsentiert der Setzpunkt H einen Winkelwert, der typischerweise Null ist. Wenn zum Beispiel β kleiner ist als der Setzpunkt H, dann wird gesagt, daß der Löffel überliegt bzw. aufliegt. Überliegen bzw. Aufliegen tritt auf, wenn die Nettokraft an dem Löffel an der Unterseite des Löffels angelegt wird, was anzeigt, daß kein Material mehr durch den Löffel aufgenommen werden kann.

Um besser darzustellen, wie die vorliegende Erfindung ein Aufliegen des Löffels feststellt, wird auf Fig. 6 Bezug genommen, die unterschiedliche Positionen des Arbeits gerätes 100 bei unterschiedlichen Abschnitten des Bagger arbeitszyklus darstellt. Es sei bemerkt, daß der Winkel der Löffelkraft β bezüglich einer Linie genommen wird, die sich von dem Löffelboden erstreckt. An der Position 605 beginnt das Graben. Wie gezeigt ist, besitzt β einen größtenteils positiven Wert, der darstellt, daß der resultierende Kraftvektor an dem Löffel 120 an einer gu ten Grabposition angeordnet ist. In der Position 610 wird β kleiner, wenn das Arbeitsgerät zu der Baggermaschine bewegt wird. In der Position 615 wird β negativ. Dies zeigt an, daß der Löffel überliegt bzw. aufliegt, was ei ne schlechte Grabposition ist, da die sich ergebende Kraft, die an dem Löffel wirkt, an der Unterseite des Löffels angeordnet ist.

Wenn irgendeine der Bedingungen des Blocks 525 auftritt, dann ist der Grababschnitt des Arbeitszyklus beendet.

Wenn das Graben nicht beendet ist, dann fährt die Grab- Hub-Funktion zu dem Block 535 fort, wo die Arbeit, die durch die Stiel- und Löffelzylinder 145, 150 während des vorherigen Durchlaufs erzeugt wurde, berechnet und ge speichert wird. Als nächstes wird in den Blöcken 440, 445, 450 der Ausleger 110 angehoben, der Stiel 115 wird zu der Maschine gebracht und der Löffel wird eingedreht durch Ausfahren der jeweiligen Zylinder 140, 145, 150.

Die folgende Beschreibung bezieht sich darauf, wie der Winkel der Löffelkraft β sowie die Größe und Richtung der Löffelkraft berechnet wird. Es wird auf die schematischen Ansichten des Arbeitsgerätes in den Fig. 1A und 1B Bezug genommen. Zuerst bestimmen die Logikmittel 250 die Ar beitsgerätegeometrie relativ zu der Bezugsachse R an sprechend auf Positionsinformation. Die relative Stellung vorbestimmter Stifte, Punkte und Schwerpunkte wird berechnet unter bekannten geometrischen und trigonome trischen Gesetzen. Zum Beispiel kann die Arbeitsgeräte geometrie bestimmt werden unter Verwendung der Inwärts trigfunktionen, den Sinus- und Cosinusgesetzen und ihren Umkehrungen bzw. Inversen. Ferner können die unter schiedlichen Kräfte an vorbestimmten der Stifte bestimmt werden ansprechend auf die Positions- und Druckinfor mation. Zum Beispiel kann die Stellung oder Anordnung und die Größe der Kräfte an den Stiften bestimmt werden durch Verwendung zweidimensionaler Vektorkreuz- und Punktpro dukte. Es sei bemerkt, daß die Arbeitsgerätegeometrie und Kraftinformation bestimmt werden kann durch mehrere Ver fahren, die dem Fachmann bekannt sind. Zum Beispiel kön nen die unterschiedlichen Kräfte an den Stiften direkt gemessen werden durch Verwendung von Dehnungsmessern oder anderen strukturellen Lastmessungsverfahren.

Für die folgende Beschreibung sei bemerkt, daß der Be griff "Winkel R.X.Y" den Winkel in Rad. (Bogenmaß) dar stellt, und zwar zwischen einer Linie parallel zu der Bezugsachse R und der 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 x-Richtung bestimmt, und zwar in der fol genden Art und Weise:

Σ F_X Ausleger-Stiel-Löffel = F_X LÖFFEL + F_X Stift 1 + F_X Stift 2 = 0 (1)

wobei
F_X LÖFFEL die externe Kraft ist, die an den Löffel in der x-Richtung angelegt ist;
wobei F_X Stift 1 die Kraft darstellt, die an den Stift 1 angelegt wird, und zwar in der x-Richtung, die bestimmt werden kann durch Summieren der an dem Ausleger wirkenden Kräfte am Stift 1; und
wobei F_X Stift 2 die Kraft darstellt, die an den Stift 2 in der x-Richtung angelegt wird, die sich aus der Axial kraft in dem Auslegerzylinder ergibt.

Durch ein Umstellen der Gleichung (1) und Auflösen für die Kraftkomponente F_X LÖFFEL kann die Gleichung (1) wie folgt vereinfacht werden:

F_X LÖFFEL = - F_X Stift 1 - (Axialkraft in dem Ausleger zylinder) _* cos (Winkel R.11.2).

Als zweites wird die Summe der Kräfte an dem Ausleger- Stiel-Löffel in der y-Richtung in einer ähnlichen Art und Weise berechnet.

Σ F_Y Ausleger-Stiel-Löffel = F_Y LÖFFEL + F_Y Stift 1
+ F_Y Stift 2 - die Gewichte der Verbindungsbauteile = 0 (2)

wobei F_Y LÖFFEL die externe Kraft ist, die an den Löffel in der y-Richtung angelegt wird;
wobei 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 an dem Ausleger wirkenden Kräfte an dem Stift 1; und
wobei F_Y Stift 2 die Kraft darstellt, die an den Stift 2 in der y-Richtung angelegt wird, die sich aus der Axial kraft in dem Auslegerzylinder ergibt.

Durch Umstellen der Gleichung (2) und Auflösen für die Kraftkomponente F_Y LÖFFEL kann die Gleichung (2) wie folgt dargestellt werden:

F_Y LÖFFEL = - F_Y Stift 1 - (Axialkraft in dem Auslegerzylinder) _* sin (Winkel R.11.2) + Σ Ausleger-Stiel-Löffel-Gewicht + (die Stiel- und Löffelzylinder und Stangengewichte) + (Auslegerzylinder und Stangengewicht am Stift 2).

Die externe Kraft, die an den Löffel angelegt wird, F_XY wird wie folgt berechnet:

Als nächstes wird der Winkel β der externen Kraft, die an den Löffel angelegt wird, F_XY relativ zu dem Löffelboden berechnet, und zwar in der folgenden Art und Weise:

β = Winkel von F_XY bezüglich einer Bezugslinie α - Winkel R.15.16,

wobei

α = Arctan(F_Y LÖFFEL/F_X LÖFFEL)

Um ordnungsgemäß den Quadrant zu identifizieren, wo α liegt, werden Einstellungen an α durchgeführt, basierend auf der Positivität bzw. Negativität von F_X LÖFFEL und F_Y LÖFFEL. Wenn zum Beispiel F_X LÖFFEL und F_Y LÖFFEL beide negative Werte besitzen, dann werden π Rad. von α abge zogen. Wenn darüber hinaus F_X LÖFFEL einen negativen Wert besitzt, während F_Y LÖFFEL einen positiven Wert besitzt, dann werden π Rad. zu α hinzuaddiert.

Der Hebelarm der externen Kraft an dem Löffel MA LÖFFEL kann auch eine zweckmäßige Information vorsehen und wird um den Stift 8 herum berechnet durch Summieren der Mo mente um den Stift 8.

Als erstes wird die Kraft an dem Löffel senkrecht zu der Linie 8.15, F_N LÖFFEL berechnet, und zwar gemäß der fol genden Beziehung:

F_N LÖFFEL = F_XY _* [(cos(α) _* cos(Winkel R.15.16 + π/2)) + (sin(α) _* sin(Winkel R.15.16 + π/2))]

Als nächstes wird das Moment um den Stift 8, M₈, berech net, und zwar gemäß:

M₈ = Länge von 8.10 _* Kraft an 9.10 _* [cos(Winkel R.8.10) _* sin(Winkel R.9.10) - cos(Winkel R.9.10) _* sin(Winkel
R.8.10)] + Länge von 8.14 _* Löffelgewicht _* [cos(Winkel R.8.14) _* sin(-π/2) - cos(-π/2) _* sin(Winkel R.8.14)]

Schlußendlich wird der Hebelarm der externen Kraft an dem Löffel, MA LÖFFEL berechnet, und zwar gemäß:

MA LÖFFEL = M₈/F_N LÖFFEL.

Industrielle Anwendbarkeit

Der Betrieb der vorliegenden Erfindung wird am besten in Beziehung zu seiner Verwendung in Erdbewegungsfahrzeu gen, insbesondere den Fahrzeugen, die Ausgrabungs- bzw. Grabe- oder Ladefunktionen durchführen, wie zum Beispiel Bagger, Hecktieflöffelbagger und Frontschaufelbagger be schrieben. Zum Beispiel ist ein Hydraulikbagger in Fig. 4 gezeigt, wobei die Linie Y eine vertikale Bezugslinie ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besitzt der Bediener der Baggermaschine zwei Arbeitsge rätesteuerhebel und eine Steuertafel oder eine Bediener schnittstelle 260 zur Verfügung. Vorzugsweise steuert ein Hebel die Bewegung des Auslegers 110 und des Löffels 115 und der andere Hebel steuert den Stiel 115 und die Schwenkbewegung. Die Bedienerschnittstelle 216 sieht für den Bediener eine Auswahl von Bedieneroptionen, die Ein gabe von Funktionsvorgaben, und eine graphische Anzeige der Ausgrabungszustände vor.

Für einen autonomen Ausgrabungs- bzw. Baggerbetrieb wird der Bediener über eine gewünschte bzw. zweckmäßige Grab tiefe, eine Grabstelle und eine Abladestelle befragt. Es wird nun auf Fig. 6 Bezug genommen, die einen Baggerar beitszyklus darstellt, der durch Bedienersteuerbarkeit vermehrt bzw. unterstützt werden kann. Für diese Dar stellung nehmen wir an, daß der Löffel 120 in dem Boden eingedrungen ist. Als erstes initiieren die Logikmittel 250 den Vor-Dem-Graben Abschnitt des Arbeitszyklus 307 durch Befehlen des Eindrehens des Löffels 120 mit nahezu vollständiger Geschwindigkeit, bis ein vorbestimmter Schneid- oder Eindringwinkel erreicht wird. Wenn sich der Löffel eindreht, wird der Ausleger 110 mit einer vor bestimmten Geschwindigkeit angehoben. Simultan wird der Stiel 115 nach innen befohlen, und zwar mit einer vor bestimmten Geschwindigkeit.

Sobald sich der Löffel 120 zu dem vorbestimmten Schneid winkel eingedreht hat, initiieren die Logikmittel 250 den Grab-Hub Abschnitt des Arbeitszyklus 310 durch Befehlen, daß sich der Ausleger 110 anhebt, während dem Löffel 120 befohlen wird, sich einzudrehen. Dem Stiel 115 wird je doch befohlen mit nahezu voller Geschwindigkeit so viel Material wie möglich von dem Boden aufzunehmen.

Während die Maschine baggert oder ausgräbt, führen die Logikmittel 250 kontinuierlich die oben genannten Kraft berechnungen durch. Da die externe Kraft, die auf den Löffel angelegt wird, schnell berechnet wird, kann die Bedienerschnittstelle 260 die externe Kraftgröße und -richtung anzeigen. Zum Beispiel kann die Bedienerschnitt stelle eine graphische Anzeige der externen Kraft zeigen, und/oder einen Audioalarm abgeben, daß der Löffel über liegt bzw. aufliegt oder daß der Grababschnitt des Arbeitszyklus beendet ist. Sobald die Logikmittel 250 an zeigen, daß das Graben beendet ist, kann der Bediener ma nuell die manuelle Steuerung über den Arbeitszyklus star ten oder die Logikmittel 250 können automatisch den Aufnahme-Der-Ladung Abschnitt des Arbeitszyklus initiie ren. Der Aufnahme-Der-Ladung Abschnitt des Arbeitszyklus besteht aus: Reduzieren der Stielgeschwindigkeit auf Null, Anheben des Auslegers 110 und Eindrehen des Löffels 120.

Sobald die Ladung oder Last aufgenommen ist, initiieren die Logikmittel 250 den Abladen-Der-Ladung Abschnitt des Arbeitszyklus 320, indem dem Arbeitsgerät 100 befohlen wird, sich zu der Abladestelle zu drehen, den Ausleger 110 anzuheben, den Stiel 115 auszufahren und den Löffel 120 auszudrehen, bis die gewünschte Abladestelle erreicht ist. Nachdem die Ladung oder Last abgeladen ist, initi ieren die Logikmittel 250 den Zurück-Zum-Graben Abschnitt des Arbeitszyklus 323, indem dem Arbeitsgerät 100 befoh len wird, sich zu der Grabstelle zu drehen, den Ausleger 110 abzusenken und den Stiel 115 über eine größere Größe auszufahren, bis die Grabstelle erreicht ist. Schlußend lich initiieren die Logikmittel 250 den Ausleger-Abwärts- In-Den-Boden Abschnitt des Arbeitszyklus 305, in dem dem Ausleger 110 befohlen wird, sich zu dem Boden abzusenken, bis der Löffel 120 mit dem Boden in Kontakt kommt.

Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Er findung ergeben sich aus einer Studie der Zeichnung, der Offenbarung und der Ansprüche.

Zusammenfassend ist ein Steuersystem zum automatischen Steuern eines Arbeitsgerätes einer Ausgrabungs- oder Baggermaschine durch einen Maschinenarbeitszyklus hin durch gezeigt. Das Arbeitsgerät umfaßt einen Ausleger, einen Stiel und einen Löffel, die jeweils steuerbar betä tigt werden durch mindestens einen jeweiligen Hydraulik zylinder. Ein Positionssensor erzeugt die jeweiligen Positionssignale ansprechend auf die jeweilige Position des Auslegers, des Stiels und des Löffels. Ein Druck sensor erzeugt jeweilige Drucksignale ansprechend auf die assoziierten Hydraulikdrücke, die mit den Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylindern assoziiert sind. Ein Mikroprozessor empfängt die Positions- und Drucksignale und erzeugt ein Befehlssignal. Ein elektro-hydraulisches System empfängt das Befehlssignal und betätigt steuerbar vorbestimmte der Hydraulikzylinder, um den Arbeitszyklus durchzuführen. Der Mikroprozessor bestimmt die externe Kraft, die an den Löffel angelegt wird und den Winkel der Löffelkraft, vergleicht den Winkel der Löffelkraft mit einem vorbestimmten Wert und bestimmt darauf ansprechend, wann ein Grababschnitt des Arbeitszyklus beendet ist.

Claims

1. Verfahren zum automatischen Steuern eines Arbeitsge rätes einer Ausgrabungs- oder Baggermaschine durch einen Maschinenarbeitszyklus, wobei das Arbeitsgerät einen Ausleger, einen Stiel und einen Löffel auf weist, die jeweils steuerbar betätigt werden durch mindestens einen jeweiligen Hydraulikzylinder, wobei die Hydraulikzylinder hydraulisches Druckströmungs mittel enthalten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Erzeugen jeweiliger Positionssignale ansprechend auf die jeweilige Position des Auslegers, des Stiels und des Löffels;
Erzeugen jeweiliger Drucksignale ansprechend auf die assoziierten Hydraulikdrücke, die mit den Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylinder assoziiert sind;
Empfangen der Positions- und Drucksignale und darauf ansprechendes Erzeugen eines Befehlssignals;
Empfangen des Befehlssignals und steuerbares Betä tigen vorbestimmter der Hydraulikzylinder zum Durch führen des Arbeitszyklus; und
Bestimmen einer externen Kraft, die an den Löffel angelegt wird und Bestimmen des Winkels der Löffel kraft, Vergleichen des Winkels der Löffelkraft mit einem vorbestimmten Wert und darauf ansprechendes Bestimmen, wann ein Grababschnitt des Arbeitszyklus beendet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren den Schritt des Bestimmens aufweist, wann der Löffel überliegt bzw. aufliegt ansprechend auf den Schritt des Vergleichens des Winkels der Löffelkraft mit ei nem vorbestimmten Wert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren den Schritt des Empfangens der Drucksignale und das darauf ansprechende Berechnen eines korrelativen Kraftsignals aufweist, und zwar für jeden der Aus leger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylinder, wobei der Schritt des Erzeugens des Befehlssignals den Schritt des Empfangens der Kraftsignale aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren den Schritt des Bestimmens des Hebelarms der externen Kraft aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte des Anzeigens der externen Kraft Größe und Richtung und das Anzeigen, wann der Löffel aufliegt, aufweist.