DE19629542A1

DE19629542A1 - Einsatzgebietprofilbasiertes Steuersystem und Steuerverfahren für ein Erdbewegungswerkzeug

Info

Publication number: DE19629542A1
Application number: DE19629542A
Authority: DE
Inventors: Kenneth L Stratton
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1995-07-21
Filing date: 1996-07-22
Publication date: 1997-01-23
Also published as: US5560431A; AU5604996A; JPH0932032A; CA2181611A1; AU697772B2

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung für ein Erdbewegungswerkzeug bzw. eine Erdbewegungseinrichtung für eine Erdbewegungsmaschine und insbesondere auf eine Einrichtung und ein Verfahren, welches eine automatische Steuerung des Erdbewegungswerkzeuges, ansprechend auf sich verändernde Bodenprofile, gestattet.

Technischer Hintergrund

Es ist vorteilhaft für ein Erdbewegungswerkzeug einer Erdbewegungsmaschine, wie beispielsweise einem Ketten bzw. Raupen-/Rad-Bulldozer, daß er in einer Weise betrie ben wird, die die größte Produktivität zur Folge hat. Oft ist die manuelle Steuerung eines Erdbewegungswerkzeuges, wie beispielsweise einer Bulldozerschaufel ineffizient, insbesondere über eine Zeitperiode, wenn der Bediener mü de wird. Eine maximale Produktivität kann erreicht werden durch Maximieren der "Zugleistung" bzw. "Räumleistung" (draft power) der Erdbewegungsmaschine. Die Räumleistung bzw. Zugleistung ist die Rate der tatsächlich nützlichen Arbeit, die beim Bewegen des Bodens verrichtet wird, und die als das Produkt der Zug- bzw. Räumkraft des Erdbewe gungswerkzeuges und der Bodengeschwindigkeit der Erdbewe gungsmaschine definiert ist.

Im Beispiel eines Bulldozers ist die Zug- bzw. Räumkraft (draft force) die Kraft auf der Schaufel. Die maximale Räumleistung wird erreicht, wenn sich der Bulldozer mit einer optimalen Bodengeschwindigkeit im Verhältnis mit der Räumkraft bewegt. Zum typischen Bulldozerbetrieb ge stattet eine Bodengeschwindigkeit von 1,6 mph eine opti male Leistung und einen optimalen Wirkungsgrad. Die Be diener haben keine direkte Bodengeschwindigkeitsrückkop pelung und können nicht die Belastung auf der Schaufel sehen. Dementsprechend steuern die Bediener oft den Bull dozer nach ihrem Gefühl für Schlupf- und Motordrehzahl. Die Verwendung von Schlupf als ein Rückkoppelungs- bzw. Feedbackmechanismus ist nicht wirkungsvoll, da Schlupf erst auftritt, wenn die Produktivität schon verloren ge gangen ist. Bediener, die sich auf ihr Gefühl für Schlupfrückkoppelung verlassen, tendieren dazu, den Bull dozer bei einer niedrigeren Rate bzw. Geschwindigkeit zu betreiben, als benötigt wird, um maximale Leistung und Effizienz bzw. Wirkungsgrad zu erreichen. Auf der anderen Seite tendieren Bediener, die sich auf die Motordrehzahl verlassen, dazu, den Bulldozer mit einer schnelleren Rate bzw. Geschwindigkeit laufen zu lassen, als benötigt wird, um maximale Leistung und Wirkungsgrad zu erreichen.

Es werden oft Schwierigkeiten bei der Steuerung des Erd bewegungswerkzeuges angetroffen, wenn unterschiedliche Bodenprofile von der Erdbewegungsmaschine angetroffen werden. Die Position des Erdbewegungswerkzeuges muß ver ändert werden, so daß es nicht seine angesammelte Last bzw. Beladung fallen läßt und auch nicht zu tief schnei det bzw. räumt, und immer noch einen glatten Schnitt bzw. Räumvorgang erzeugt. Zusätzlich ist es wichtig, um den maximalen Wirkungsgrad aufrechtzuerhalten, daß der Bedie ner oder das Steuersystem fähig ist, zwischen unter schiedlichen Bodenprofilen zu unterscheiden, wie bei spielsweise Hügel, Felsen und Neigungsveränderungen.

Es sind Steuersysteme entwickelt worden, die Information zum Steuern der Schaufel während verschiedener Arbeitszu stände liefern. Jedoch steuern die automatischen Steuer systeme des Standes der Technik nicht adäquat die Klin gen- bzw. Schaufelposition, um einen maximalen Wirkungs grad bei der Vielzahl von Bodenprofilen zu erreichen, die im Betrieb angetroffen werden. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 4,630,685 von Huck u. a. (das ′685- Patent) eine Vorrichtung bzw. Einrichtung, um ein Erdbe wegungswerkzeug zu steuern, und zwar unter Verwendung von Ringgeschwindigkeit. Das ′685-Patent ist ein sehr grund legendes System, bei dem die Bodengeschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit direkt die Betätigungsvorrichtung steuern, ohne eine eingreifende Schleife bzw. einen Re gelkreis auf die Werkzeugposition. Der Mangel bzw. das Fehlen einer Werkzeugpositionssteuerschleife und das Ver lassen auf die Winkelgeschwindigkeit hat einen niedrige ren Betriebswirkungsgrad zur Folge, wenn die Erdbewe gungsmaschine verschiedene Bodenprofile antrifft.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der Probleme, wie oben dargelegt, zu über winden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der Erfindung ist ein automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerkzeug einer Erdbewe gungsmaschine vorgesehen. Das automatische Steuersystem weist folgendes auf: einen Hebebetätiger bzw. eine Hebe betätigungsvorrichtung, einen Bodengeschwindigkeitssen sor, einen Winkelratensensor, Hebepositionsabfühlmittel, Schlupfdetektiermittel, Neigungsdetektiermittel, Mittel zum Bestimmen der Position des Erdbewegungswerkzeuges und zum Erzeugen eines Werkzeugpositionssignals, Einstellmit tel für die gewünschte bzw. Soll-Bodengeschwindigkeit und Werkzeugsteuermittel zum Berechnen einer Positionsände rung des Erdbewegungswerkzeuges und zum Ausgeben eines Hebebetätigungsvorrichtungsbefehlssignals.

Gemäß eines zweiten Aspektes der Erfindung ist ein Ver fahren zur automatischen Steuerung eines Erdbewegungs werkzeuges einer Erdbewegungsmaschine vorgesehen. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Detektieren einer wahren bzw. Ist-Bodengeschwindigkeit der Erdbewegungsma schine, Bestimmen der Neigung, auf der die Erdbewegungs maschine arbeitet, Abfühlen der Winkelrate, Abfühlen der Position der Hebebetätigungsvorrichtung, Bestimmen eines Schlupfratenwertes, Bestimmen der Position des Erdbewe gungswerkzeuges und Erzeugen eines Werkzeugpositions signals, Einstellen einer vorbestimmten Soll- Bodengeschwindigkeitseinstellung und Berechnen einer Po sitionsveränderung des Erdbewegungswerkzeuges und Ausge ben eines Hebebetätigungsvorrichtungsbefehlssignals.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Diagramm der Erdbewegungsmaschine.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Bodenge schwindigkeit gegenüber der Werkzeugleistung.

Fig. 3 ist ein Blockdiagramm des automatischen Steuer systems für das Erdbewegungswerkzeug der Erdbe wegungsmaschine.

Fig. 4A ist eine Seitenansicht der Erdbewegungsmaschi ne, die sich während eines Schnittes bzw. einer Schubbewegung nach vorne neigt.

Fig. 4B ist eine Seitenansicht der Erdbewegungsmaschi ne, die sich während eines Schnittes bzw. einer Schubbewegung nach hinten neigt.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung

Mit Bezug auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine Drauf sicht einer Erdbewegungsmaschine 10 mit einem Erdbewe gungswerkzeug 12. Das Erdbewegungswerkzeug 12 wird ver wendet, um Erde oder Mutterboden zu bewegen.

Zu Veranschaulichungszwecken ist die Erdbewegungsmaschine 10 als ein Bulldozer 14 der Ketten- bzw. Raupenbauart ge zeigt und das Erdbewegungswerkzeug 12 ist als eine Bull dozerschaufel 16 gezeigt. Während die Erfindung unter Verwendung des Bulldozers 14 und der Bulldozerschaufel 16 beschrieben ist, ist vorgesehen, daß die Erfindung auch in anderen Bauarten von Erdbewegungsmaschinen 10 und Erd bewegungswerkzeugen 12 verwendet wird, wie beispielsweise einem Radlader oder einem Raupenlader. Der Bulldozer 14 weist hydraulische Hebebetätigungsvorrichtungen 18 zum Heben und Senken der Schaufel 16 und hydraulische Kippbe tätigungsvorrichtungen 20 auf. Obwohl in Fig. 1 nicht gezeigt, weist der Bulldozer 14 vorzugsweise zwei Hebebe tätigungsvorrichtungen 18 und zwei Kippbetätigungsvor richtungen 20 auf, und zwar eine auf jeder Seite der Bulldozerschaufel 16. Wie in Fig. 1 gezeigt, weist der Bulldozer 14 einen Satz von Raupen bzw. Ketten 22 auf und einen Zug- bzw. Räumarm 24, um die Schaufel 16 zu schie ben.

Leistung, die auf die Schaufel bzw. das Planierschild 16 über hydraulische Hebezylinder 18 während Erdbewegungs vorgängen aufgebracht wird, verursacht, daß die Schaufel bzw. das Planierschild 16 den Boden schiebt und trägt. Eine maximale Produktivität und ein maximaler Wirkungs grad wird erreicht durch das Aufrechterhalten der maxima len Leistung auf der Schaufel bzw. dem Planierschild 16. Leistung in einem solchen Zusammenhang ist allgemein be kannt als Zug- bzw. Räum- oder Schaufelleistung. Schau felleistung bzw. Planierschildleistung ist ein Maß der Rate der tatsächlich nützlichen Arbeit, die beim Bewegen des Bodens verrichtet wird und kann wie folgt ausgedrückt werden:
P=F × V
P = Schaufelleistung
F = Schaufelkraft
V = Bodengeschwindigkeit.

Die Beziehung zwischen Bodengeschwindigkeit des Bulldo zers 14 relativ zum Boden und der Schaufelleistung ist in Fig. 2 für verschiedene Traktions- bzw. Reibungskoeffi zienten gezeigt. Traktionskoeffizienten variieren gemäß den Bodenmaterialien und -zuständen.

Eine erste Leistungskurve 30 ist in Fig. 2 gezeigt und entspricht einem Traktionskoeffizienten von 1. Jedoch wird ein Traktionskoeffizient von 1 fast niemals beim tatsächlichen Betrieb verwirklicht. Zweite und dritte Leistungskurven 32, 34 entsprechen Traktionskoeffizienten von 0,7 bzw. 0,5. Bei den meisten Anwendungen einschließ lich Minen- bzw. Bergbauanwendungen ist der Traktions koeffizient typischerweise im Bereich von 0,5 und 0,7. Eine maximale Leistungsproduktivität in Vorwärtsrichtung wird erreicht, wenn der Bulldozer 14 bei den Spitzen der Leistungskurven 30, 32, 34 betrieben wird. Die Schaufel leistung ist maximal zwischen den Zuständen "A" und "B" für alle der abgebildeten Leistungskurven 30, 32, 34. Wie in Fig. 2 gezeigt, liefert eine Fahrzeugbodengeschwin digkeit von ungefähr 1,6 MPH die gewünschte Planier schild- bzw. Schaufelleistung zwischen den Zuständen "A" und "B".

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines automatischen Steu ersystems 40 für das Erdbewegungswerkzeug 12 der Erdbewe gungsmaschine 10. Das automatische Steuersystem 40 ist geeignet, um die Hebebetätigungsvorrichtung 18 zu steu ern. Zu Veranschaulichungszwecken ist die Hebebetäti gungsvorrichtung 18, die im Blockdiagramm der Fig. 3 ab gebildet ist, als ein einzelner hydraulischer Hebezylin der 80 gezeigt, und zwar mit einem einzigen Hauptventil 82 und zwei Pilot- bzw. Vorsteuerventilen 84, 86.

Das automatische Steuersystem 40 weist einen Bodenge schwindigkeitssensor 42 auf. Der Bodengeschwindigkeits sensor 42 fühlt die wahre bzw. Ist-Bodengeschwindigkeit "V" der Erdbewegungsmaschine 10 ab und erzeugt darauf an sprechend ein Bodengeschwindigkeitssignal. Der Bodenge schwindigkeitssensor 42 ist geeignet am Bulldozer 14 po sitioniert bzw. angeordnet und weist beispielsweise einen kontaktlosen Ultraschall- oder Doppler-Radar-Sensor auf.

Das automatische Steuersystem 40 weist auch einen Nei gungsdetektor 44 auf, um die Neigung oder den Anstieg zu bestimmen, auf dem der Bulldozer 14 arbeitet. Der Nei gungsdetektor 44 erzeugt ein Neigungssignal. Im bevorzug ten Ausführungsbeispiel weist der Neigungsdetektor 44 ei nen Winkelratensensor auf, wie beispielsweise ein Gyro skop bzw. einen Kreiselkompaß in Verbindung mit einem Kalman-Filter, der eine optimale Leistung sowohl im sta tischen bzw. stationären Zustand als auch bei dynamischen Anwendungen bietet. Ein Neigungsdetektorsensor, der kapa zitive oder mit Widerstand behaftete bzw. resistive Strö mungsmittel verwendet, kann auch verwendet werden. Jedoch zeigt ein solcher Sensor keine gute Leistung in dynami schen Situationen und erfordert, daß der Bulldozer 14 nach jedem Durchgang gestoppt wird, um es dem Sensor zu gestatten, sich zurückzusetzen.

Schlupfdetektierungsmittel 46 detektieren das Ausmaß an Schlupf, das von den Raupen 22 des Bulldozers 14 ange troffen wird und erzeugen ein Schlupfsignal. Die Schlupf detektierungsmittel 46 empfangen das Bodengeschwindig keitssignal vom Bodengeschwindigkeitssensor 42 und be rechnen das Ausmaß an Schlupf unter Verwendung der Boden geschwindigkeit mit beispielsweise der Ausgangsgeschwin digkeit bzw. -drehzahl eines Drehmomentwandlers, einer Kettenraddrehzahl und einer Gangwahl. Algorithmen zur Be stimmung des Schlupfausmaßes sind in der Technik wohlbe kannt und werden nicht genauer besprochen werden.

Das automatische Steuersystem 40 weist einen Winkelraten sensor 48 aufs der die Winkelrate des Bulldozers 14 ab fühlt, und ein Winkelratensignal erzeugt. Der Winkelra tensensor ist in geeigneter Weise am Bulldozer 14 posi tioniert und weist beispielsweise ein Gyroskop bzw. eine Kreiselvorrichtung auf. Ein Quartz-Gyro-Chip, hergestellt von Systron, ist für diese Anwendung geeignet.

Hebepositionsabfühlmittel 50 fühlen die Position der He bebetätigungsvorrichtung 18 ab und erzeugen ein Hebeposi tionssignal. Die Hebepositionsabfühlmittel 50 sind in ge eigneter Weise auf den Hebebetätigungsvorrichtungen 18 positioniert. Es gibt verschiedene bekannte Linearpositi onsabfühlvorrichtungen, die die absolute Position messen, und die in Verbindung mit den Zylindern der Hebebetäti gungsvorrichtungen 18 verwendet werden können. Beispiels weise sind RF (Radiofrequenz- bzw. Kurzwellen)-Sensoren oder LVDT (linear variable differential transformer) bei de wohlbekannt und geeignet. Zusätzlich können die Hebe positionsabfühlmittel 50 durch eine Vorrichtung ersetzt werden, die die Position des Erdbewegungswerkzeuges 12 relativ zur Erdbewegungsmaschine 10 mißt, wie beispiels weise ein Radarsystem.

Neigungspositionsabfühlmittel 52 fühlen die Neigung bzw. Kippung der Schaufel bzw. des Planierschildes 16 ab und erzeugen ein Neigungspositionssignal. Eine relative Posi tion wird als eine Funktion der Hydraulikströmungsmittel menge berechnet, in die die Zylinder der hydraulischen Kippbetätigungsvorrichtungen 20 eintritt, was eine Funk tion der Flußrate bzw. -geschwindigkeit des Hydrau likströmungsmittels und der Zeit ist, über die das Strö mungsmittel in die Zylinder der hydraulischen Kippbetäti gungsvorrichtungen 20 eintritt. Die Neigungspositionsab fühlmittel 52 und ein damit assoziiertes Verfahren sind genauer im US-Patent Nr. 5,467,829 beschrieben, einge reicht am 21. November 1995, mit dem Titel "Automatic Lift And Tilt Coordination Control System And Method Of Using Same" (Automatisches Hebe- und Kippkoordinations steuersystem und Verfahren zu seiner Verwendung) von Stratton u. a., welches hierin durch Bezugnahme aufgenom men sei.

Das automatische Steuersystem 40 weist weiter Werkzeugpo sitionsbestimmungsmittel 54 zum Bestimmen der Position der Schaufel 16 auf. Die Werkzeugpositionsbestimmungsmit tel 54 empfangen das Schlupfsignal von den Schlupfdetek tierungsmitteln 46, das Winkelratensignal vom Winkelra tensensor 48, das Hebepositionssignal von den Hebepositi onsabfühlmitteln 50 und das Kipp-Positionssignal von den Kipp-Positionsabfühlmitteln 52. In einem anderen Ausfüh rungsbeispiel, welches im folgenden genauer beschrieben werden wird, verwenden die Werkzeugpositionsbestimmungs mittel 54 nicht das Kipp-Positionssignal von den Kipp- Positionsabfühlmitteln 52.

Die Werkzeugpositionsbestimmungsmittel 54 verwenden die oben dargelegten Signale, um die Höhe der Schaufel bzw. des Planierschildes 16 als eine Funktion von bis zu drei Ausdrücken zu berechnen. Der erste Ausdruck der Schaufel höhe ist primär eine Funktion des Winkelratensignals. Das Winkelratensignal kann integriert werden, um eine Verän derung des Kippwinkels und den Kippwinkel selbst abzulei ten.

Mit Bezug auf Fig. 4A sind der Bulldozer 14 und die Schaufel 16 gezeigt, wie sie sich nach vorne in den Schnitt von oben hineinneigen. Wenn diese Vorwärtsneigung auftritt, schneidet die Schaufel 16 tiefer in den Boden. Der Neigungswinkel 90 ist in Fig. 4A gezeigt. Zusätzlich ist, wie in Fig. 4A veranschaulicht , die Vorwärtsnei gungsachse 92 ungefähr der COG (COG = center of gravity = Schwerpunkt) des Bulldozers 14 und der Abstand von der Vorwärtsneigungsachse 92 zur Schaufel 16 ist als "L1" identifiziert.

Genauso sind in Fig. 4B der Bulldozer 14 und die Schau fel 16 als nach hinten oder rückwärts kippend gezeigt, wobei die Schaufel 16 dazu neigt, sich aus dem Boden her auszubewegen. Der Neigungswinkel 90 ist in Fig. 4B ge zeigt. Zusätzlich ist, wie in Fig. 4B gezeigt, die hin tere Kippachse 94 ungefähr das hintere Laufrad des Bull dozers 14 und der Abstand von der hinteren Neigungsachse 94 zur Schaufel 16 ist als "L2" identifiziert.

Die Werkzeugpositionsbestimmungsmittel 54 berechnen den ersten Ausdruck bzw. Berechnungsterm der Schaufelhöhenpo sition (PIT_TM = PITCH TERM) gemäß der folgenden Glei chung:

PIT_TM = K1 ⟂ PA(t) θ dt

mit:

K1 = Abstand von entweder dem hinteren Laufrad (L1) oder dem COG bzw. Schwer punkt (L2) der Schaufel mm) × 0,01745 rad/deg
PA = Neigungsachse (L1 oder L2)
θ = Neigungswinkel.

Wenn der Neigungswinkel größer ist als ein abstandsgefil terter Neigungswinkel, dann ist K1 ein konstanter Wert, der mit dem hinteren Laufradabstand (L1) assoziiert ist. Anderenfalls ist K1 ein konstanter Wert, der mit dem Schwerpunktsabstand bzw. COG-Abstand (L2) assoziiert ist. Zusätzlich, falls K1 eine Konstante ist, die mit dem hin teren Laufrad assoziiert ist, wird die Konstante als eine Funktion des Schlupfes gemäß einer Look-up- bzw. Nach schau-Tabelle geändert. Der Zweck der Änderung des K1- Wertes als eine Funktion des Schlupfsignals, wenn die hintere Neigungsachse 94 verwendet wird, ist es, einem Einsinken Rechnung zu tragen, welches von Spur- bzw. Zug schlupf verursacht wird. Die Nachschau-Tabelle verringert den Wert von K1, wenn der Schlupf sich vergrößert.

Der zweite Schaufel- bzw. Planierschildhöhenausdruck (LFT_TM = LIFT TERM) ist primär eine Funktion des Hebepo sitionssignals, das von den Hebepositionsabfühlmitteln 50 erzeugt wird. Die Werkzeugpositionsbestimmungsmittel 54 berechnen den zweiten Ausdruck bzw. Term der Schaufelhö henposition gemäß der folgenden Formel:

LFT_TM = K2 _* Hebeposition.

Der Ausdruck bzw. Term K2 ist eine Konstante, und zwar basierend auf der Geometrie des Zylinders, um dem Winkel Rechnung zu tragen, in dem die Hebebetätigungsvorrichtung 18 mit Bezug auf den Bulldozer 14 positioniert ist.

Der dritte Schaufelhöhenterm bzw. -ausdruck (TIP_TM = TIP TERM) ist primär eine Funktion des Kipp-Positionssignals, welche von den Kipp-Positionsabfühlmittel 52 erzeugt wird. Die Werkzeugpositionsbestimmungsmittel 54 berechnen den Neigungswinkel der Schaufel aus dem Kipp- Positionssignal. Die Werkzeugpositionsbestimmungsmittel 54 berechnen den dritten Ausdruck der Schaufelhöhenposi tion gemäß der folgenden Formel:

TIP_TM = K3 _* Neigungswinkel der Schaufel.

Der Ausdruck K3 ist eine Konstante, basierend auf der Geometrie der Anordnung der Schaufel 16 und der Kippbetä tigungsvorrichtung 16. Die Werkzeugpositionsbestimmungs mittel 54 summieren die drei Schaufelhöhenausdrücke, um das Werkzeugpositionssignal abzuleiten. Die Werkzeugposi tionsbestimmungsmittel 54 können auch nur die ersten zwei Ausdrücke summieren, um das Werkzeugpositionssignal ab zu leiten.

Das automatische Steuersystem 40 weist weiter Einstell mittel 56 für die gewünschte Bodengeschwindigkeit auf, welche eine vorbestimmte gewünschte Bodengeschwindigkeit seinstellung einstellen. Der Bediener kann die gewünschte bzw. Soll-Bodengeschwindigkeitseinstellung abstimmen. Un ter normalen Bedingungen ist die Einstellung der Soll- Bodengeschwindigkeit 1,6 MPH, wie in Fig. 2 abgebildet. Die Einstellmittel 56 für die gewünschte Bodengeschwin digkeit bzw. die Soll-Bodengeschwindigkeitseinstellmittel 56 stellen die Soll-Bodengeschwindigkeit als eine Funkti on des Neigungssignals ein, welches vom Neigungsdetektor 44 erzeugt wird, und erzeugen ein Referenzsignal für die eingestellte Bodengeschwindigkeit. Die Einstellung wird unter Verwendung von Look-up- bzw. Nachschau-Tabellen durchgeführt, die verschiedene Neigungswerte mit Bodenge schwindigkeitswerten korrelieren. Zum Beispiel, für 20%, soll die gewünschte bzw. Soll-Geschwindigkeit bei 1,4 MPH liegen. Dieses Merkmal hält die Schaufelbelastung auf recht, wenn sich die Neigung des Bodens verändert. Eine solche Veränderung und Einstellung ist wichtig, um die Produktivität bei veränderlichen Steigungen zu optimie ren.

Das automatische Steuersystem 40 weist Werkzeugsteuermit tel 58 auf, die eine Positionsveränderung der Schaufel 16 berechnen, und ein Hebebetätigungsvorrichtungsbefehls signal ausgeben, um die hydraulischen Hebebetätigungsvor richtungen 18 zu steuern. Die Neigungssteuermittel 58 empfangen das Bodengeschwindigkeitssignal vom Bodenge schwindigkeitssensor 42, das Referenzsignal für die ein gestellte Bodengeschwindigkeit von den Soll- Bodengeschwindigkeitseinstellmitteln 56, das Schlupfsi gnal von den Schlupfdetektierungsmitteln 46 und das Werk zeugpositionssignal von den Werkzeugpositionsbestimmungs mitteln 54.

Die Werkzeugsteuermittel 58 berechnen und bestimmen das ordnungsgemäße Hebebetätigungsvorrichtungsbefehlssignal in zwei Stufen. In der ersten Stufe wird ein Soll- Werkzeugpositionsterm bzw. -ausdruck als eine Funktion von vier Basiswerten berechnet. Der erste Wert (IP_REF = IMPLEMENT POSITION REFERENCE) ist die Werkzeugposition, wie sie vom Werkzeugpositionssignal geliefert wird.

Der zweite Wert, der in der ersten Stufe des Berechnungs prozesses verwendet wird, und zwar gefolgt von den Werk zeugsteuermitteln 58 ist ein Schlupffehlerwert (SLP_ERR = SLIP ERROR). Der Schlupffehlerwert wird vom Schlupfsignal abgeleitet. Die Werkzeugsteuermittel 58 berechnen den Schlupffehlerwert gemäß der folgenden Formel:

SLP_ERR = K4 ⟂ SV - (0,0165)SV Δx

mit:

K4 = Stabilitätskonstante
SV = Schlupfwert
Δx = Abstandsveränderung.

Wenn SLP_ERR < 0 ist, dann gilt SLP_ERR = vorheriges SLP_ERR.

K4 ist eine vorbestimmte Konstante, die auf Stabilitäts kriterien begründet ist. Die Verwendung einer solchen Konstante ist dem Fachmann bekannt.

Der dritte Wert, der in der ersten Stufe des Berechnungs prozesses verwendet wird, gefolgt von den Werkzeugsteuer mitteln 58 ist ein Geschwindigkeitsfehlerwert (SPD_ERR = SPEED ERROR). Der Geschwindigkeitsfehlerwert wird vom Bo dengeschwindigkeitssignal und vom Referenzsignal für die eingestellte Bodengeschwindigkeit abgeleitet. Die Werk zeugsteuermittel 58 berechnen den Geschwindigkeitsfehler wert gemäß der folgenden Formel:

SPD_ERR = K5 ∫ (SPEED - SPEEDREF) Δx

mit:

K5 = Stabilitätskonstante
SPEED = Bodengeschwindigkeit
SPEEDREF = Referenzsignal für die einge stellte Geschwindigkeit
Δx = Abstandsänderung.

K5 ist eine vorbestimmte Konstante, die auf Stabilitäts kriterien basiert. Die Verwendung einer solchen Konstante ist dem Fachmann bekannt.

Der Schlupffehlerwert (SLP_ERR) und der Geschwindigkeits fehlerwert (SPD_ERR) sind auf gewisse Prozentsatzverände rungen begrenzt, um Stabilitätsprobleme zu vermeiden. Beispielsweise, wenn sich die Schaufel in den Boden senkt, ist die gestattete Prozentveränderung 6%. Wenn die Schaufel angehoben wird, ist die gestattete Prozentverän derung 20%.

Der vierte Wert, der in der ersten Stufe des Berechnungs prozesses verwendet wird, und zwar gefolgt von den Werk zeugsteuermitteln 58 ist ein Proportionalgeschwindig keitswert (PRO_SPD = PROPORTIONAL SPEED). Der Proportio nalgeschwindigkeitswert wird vom Bodengeschwindigkeits signal und vom Referenzsignal für die eingestellte Boden geschwindigkeit abgeleitet. Die Werkzeugsteuermittel 58 berechnen den Proportionalgeschwindigkeitswert gemäß der folgenden Formel:

PRO_SPD = K6 (SPEED - SPEEDREF)

mit:

K6 = Konstante
SPEED = Bodengeschwindigkeit
SPEEDREF = Referenzsignal für die eingestellte Geschwindigkeit.

K6 ist eine vorbestimmte Konstante. Der Proportionalge schwindigkeitswert gestattet es der Schaufel, sich auf Felsen einzustellen, die im Boden angetroffen werden, und zwar verglichen mit Neigungsveränderungen, da er nur auf Bodengeschwindigkeitsveränderungen basiert.

Die erste Stufe hat die Berechnung eines Soll- Werkzeugpositionswertes (IP_DES = IMPLEMENT POSITION DE- SIRED) durch das Summieren der vier Ausdrücke bzw. Terme zur Folge: Anfangswerkzeugposition, Schlupffehlerwert, Geschwindigkeitsfehlerwert und Proportionalgeschwindig keitsproportionalwert:

IP_DES = IP_REF + SLP_ERR + SPD_ERR + PRO_SPD.

In der zweiten Stufe wird ein Hebebetätigungsvorrich tungsbefehlssignal (LFT_CMD = LIFT COMMAND) als eine Funktion des Soll-Werkzeugpositionsausdruckes (IP_DES) erzeugt, der in der ersten Stufe berechnet wurde, und aus dem Werkzeugpositionssignal (IP_REF), welches von den Werkzeugpositionsbestimmungsmitteln 54 erzeugt wird. Das Hebebetätigungsvorrichtungsbefehlssignal wird aus der Differenz bzw. dem Unterschied zwischen dem Soll- Werkzeugpositionsausdruck und dem Werkzeugpositionssignal (IP_ERR) in der folgenden Weise abgeleitet:
IP_ERR = IP_DES - IP_REF

LFT_CMD = K7(TQ, PR)_*IP_ERR + K8(TQ, PR)_*d(IP_ERR)/dx.

Die Ausdrücke K7(TQ, PR) und K8(TQ, PR) werden aus Nach schau-Tabellen abgeleitet, die gemäß der Drehmoment- und Neigungsrate variieren, so daß, falls es eine kleine Schaufelbelastung gibt, der Gain- bzw. Verstärkungswert der Terme verringert wird, um die Stabilität zu vergrö ßern. Die Verwendung von solchen Konstanten ist in der Technik bekannt. Das Hebebetätigungsvorrichtungsbefehls signal (LFT_CMD) steuert das Erdbewegungswerkzeug 12.

Da am Erdbewegungswerkzeug 12 Einstellungen vorgenommen werden, können die das Bodenprofil darstellenden Einstel lungen des Erdbewegungswerkzeugs 12 im automatischen Steuersystem 40 gespeichert werden. Das Bodenprofil würde im wesentlichen eine Karte der Bodenkonturen sein, die von der Erdbewegungsmaschine 10 abgedeckt worden sind. Wenn die Erdbewegungsmaschine 10 über die gleiche Route bzw. Strecke geht, würde das gespeicherte Bodenprofil (GND_HT = GROUND HEIGHT) an die Werkzeugsteuermittel 58 geliefert werden und-bei der Berechnung des Soll- Werkzeugpositionsausdruckes (IP_DES) in der folgenden Weise verwendet werden:

IP_DES = IP_REF + SLP_ERR + SPD_ERR + PRO_SPD + KΔGND_HT.

Der Bodenprofilausdruck KΔGND_HT weist eine vorbestimmte Konstante auf, die durch die Veränderung der Bodenhöhe vom Bodenprofil multipliziert wird. Der Ausdruck bzw. Term liefert ein Vorwärtslieferelement, um zu gestatten, daß das Erdbewegungswerkzeug gemäß den auftauchenden Ver änderungen im Bodenprofil eingestellt wird.

Industrielle Anwendbarkeit

Das automatische Steuersystem 40 wird vorteilhafterweise bei Bauausrüstung, wie beispielsweise Rad- und Ketten- bzw. Raupenbulldozern verwendet. Es wird klar sein, daß unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ein Bulldozer im produktivsten bzw. wirkungsvollsten Betriebszustand arbeiten kann. Eine stabile Werkzeugsteuerung wird über allen Bodenprofilen aufrechterhalten, die von der Erdbe wegungsmaschine 10 angetroffen wird. Die Produktivität wird wesentlich verbessert, und zwar durch automatisches Steuern des Erdbewegungswerkzeug 12, ansprechend auf ab gefühlte Variablen, die sich direkt auf die Schaufel- bzw. Planierschildleistung beziehen.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Vorgesehen ist eine Vorrichtung und Verfahren zur automa tischen Steuerung der Position eines Erdbewegungswerkzeu ges einer Erdbewegungsmaschine, ansprechend auf variie rende Bodenprofile.

Claims

1. Automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerk zeug einer Erdbewegungsmaschine, welches folgendes auf weist:
eine Hebebetätigungsvorrichtung, die mit dem Erdbe wegungswerkzeug assoziiert ist;
einen Bodengeschwindigkeitssensor mit einem Bodenge schwindigkeitssignal;
einen Winkelratensensor mit einem Winkelratensignal;
Hebepositionsabfühlmittel, die mit der Hebebetäti gungsvorrichtung assoziiert sind, um die Position der He bebevorrichtung abzufühlen, und um ein Hebepositions signal zu erzeugen;
Schlupfdetektierungsmittel, um einen Schlupfraten wert der Erdbewegungsmaschine zu bestimmen, und um ein Schlupfsignal zu erzeugen;
Neigungsdetektierungsmittel zum Detektieren der Nei gung, auf der die Erdbewegungsmaschine arbeitet und Er zeugen eines Neigungssignals;
Mittel zum Bestimmen der Position des Erdbewegungs werkzeuges als eine Funktion des Schlupfsignals, des Win kelratensignals und des Hebepositionssignals und zum Er zeugen eines Werkzeugpositionssignals;
Bodengeschwindigkeitseinstellmittel zum Einstellen einer vorbestimmten gewünschen Bodengeschwindigkeitsein stellung als eine Funktion des Neigungssignals und zum Erzeugen eines Referenzsignals für die eingestellte Bo dengeschwindigkeit; und
Werkzeugsteuermittel zum Empfangen des Werkzeugposi tionssignals, des Schlupfsignals, des Referenzsignals für die eingestellte Bodengeschwindigkeit und des Bodenge schwindigkeitssignals und ansprechend darauf Berechnen einer Veränderung der Position des Erdbewegungswerkzeuges und Ausgeben eines Hebebetätigungsvorrichtungsbefehls signals.

2. Automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerk zeug einer Erdbewegungsmaschine nach Anspruch 1, welches ein manuelles Steuerglied aufweist.

3. Automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerk zeug einer Erdbewegungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, welches Mittel aufweist, um ein Bodenprofil zu bestimmen und zu speichern, wobei das Bodenprofil die Konturen des Bodens anzeigt, der zuvor von der Erdbewegungsmaschine überfahren bzw. überquert wurde.

4. Automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerk zeug einer Erdbewegungsmaschine nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei die Werkzeugsteuermittel Mittel aufweisen, um das Bodenprofil aufzunehmen und darauf ansprechend eine Veränderung der Position des Erdbewegungswerkzeuges zu berechnen.

5. Automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerk zeug einer Erdbewegungsmaschine nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei der Winkelratensensor ein Gyroskop aufweist.

6. Automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerk zeug einer Erdbewegungsmaschine nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Hebepositionsabfühlmittel einen LVDT-Sensor aufweisen.

7. Automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerk zeug einer Erdbewegungsmaschine nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Hebepositionsabfühlmittel einen RF- bzw. Hochfrequenzsen sor aufweisen.

8. Automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerk zeug einer Erdbewegungsmaschine nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Bestimmen der Position des Erdbewegungswerk zeuges Mittel aufweisen, um die Neigungsachse der Erdbe wegungsmaschine zu bestimmen, und zwar als eine Funktion des Schlupfsignals und des Winkelratensignals.

9. Automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerk zeug einer Erdbewegungsmaschine nach einem der vorherge henden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Werkzeugsteuerungsmittel folgendes aufweisen:
Mittel zum Bestimmen eines Schlupffehlerwertes als eine Funktion des Schlupfsignals;
Mittel zum Bestimmen eines Geschwindigkeitsfehler wertes als eine Funktion des Bodengeschwindigkeitssignals und des Referenzsignals für die eingestellte Bodenge schwindigkeit;
Mittel zum Bestimmen eines Geschwindigkeitspropor tionalwertes als eine Funktion des Bodengeschwindigkeits signals und des Referenzsignals für die eingestellte Bo dengeschwindigkeit;
erste Steuerschleifenmittel zum Berechnen eines ge wünschten bzw. Soll-Werkzeugpositionswertes als eine Funktion des Schlupffehlerwertes, des Geschwindigkeits fehlerwertes, des Geschwindigkeitsproportionalwertes und des Werkzeugpositionssignals; und
zweite Steuerschleifenmittel, um eine Positionsver änderung des Erdbewegungswerkzeuges zu berechnen, und zwar als eine Funktion der Soll-Werkzeugposition und des Werkzeugpositionssignals und zum Ausgeben eines Hebebetä tigungsvorrichtungsbefehlssignals.

10. Automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerk zeug einer Erdbewegungsmaschine, welches folgendes auf weist:
eine Hebebetätigungsvorrichtung, die mit dem Erdbe wegungswerkzeug assoziiert ist;
Kipp-Positionsabfühlmittel, die mit dem Erdbewe gungswerkzeug assoziiert sind, um die Kippung bzw. Nei gung des Erdbewegungswerkzeuges abzufühlen, und um ein Kipp-Positionssignal zu erzeugen;
einen Bodengeschwindigkeitssensor mit einem Bodenge schwindigkeitssignal;
einen Winkelratensensor mit einem Winkelratensignal; Hebepositionsabfühlmittel, die mit der Hebebetäti gungsvorrichtung assoziiert sind, um die Position der He bebebetätigungsvorrichtung abzufühlen, und um ein Hebepo sitionssignal zu erzeugen;
Schlupfdetektierungsmittel, um einen Schlupfraten wert der Erdbewegungsmaschine zu bestimmen, und um ein Schlupfsignal zu erzeugen; Neigungsdetektierungsmittel zum Detektieren der Nei gung, auf der die Erdbewegungsmaschine arbeitet und Er zeugen eines Neigungssignals;
Mittel zum Bestimmen der Position des Erdbewegungs werkzeuges als eine Funktion des Schlupfsignals, des Win kelratensignals, des Kipp-Positionssignals und des Hebe positionssignals und zum Erzeugen eines Werkzeugpositi onssignals;
Bodengeschwindigkeitseinstellmittel zum Einstellen einer vorbestimmten gewünschten Bodengeschwindigkeitsein stellung als eine Funktion des Neigungssignals und zum Erzeugen eines Referenzsignals für die eingestellte Bo dengeschwindigkeit; und
Werkzeugsteuermittel zum Empfangen des Werkzeugposi tionssignals, des Schlupfsignals, des Referenzsignals für die eingestellte Bodengeschwindigkeit und des Bodenge schwindigkeitssignals und um darauf ansprechend die Ver änderung der Position des Erdbewegungswerkzeuges zu be rechnen und zum Ausgeben eines Hebebetätigungsvorrich tungsbefehlssignals.

11. Automatisches Steuersystem für ein Erdbewegungswerk zeug einer Erdbewegungsmaschine, welches folgendes auf weist:
eine Hebebetätigungsvorrichtung, die mit dem Erdbe wegungswerkzeug assoziiert ist;
einen Bodengeschwindigkeitssensor mit einem Bodenge schwindigkeitssignal;
einen Winkelratensensor mit einem Winkelratensignal;
Werkzeugpositionsabfühlmittel, um die Position des Erdbewegungswerkzeuges relativ zur Erdbewegungsmaschine abzufühlen, und um ein Hebepositionssignal zu erzeugen;
Schlupfdetektierungsmittel, um einen Schlupfraten wert der Erdbewegungsmaschine zu bestimmen, und um ein Schlupfsignal zu erzeugen;
Neigungsdetektierungsmittel zum Detektieren der Nei gung, auf der die Erdbewegungsmaschine arbeitet und zum Erzeugen eines Neigungssignals;
Mittel zum Bestimmen der Position des Erdbewegungs werkzeuges als eine Funktion des Schlupfsignals, des Win kelratensignals, des Kipp-Positionssignals und des Hebe positionssignals und zum Erzeugen eines Werkzeugpositi onssignals;
Bodengeschwindigkeitseinstellmittel zum Einstellen einer vorbestimmten gewünschen Bodengeschwindigkeitsein stellung als eine Funktion des Neigungssignals und Erzeu gen eines Referenzsignals für die eingestellte Bodenge schwindigkeit; und
Werkzeugsteuermittel zum Empfangen des Werkzeugposi tionssignals, des Schlupfsignals, des Referenzsignals für die eingestellte Bodengeschwindigkeit und des Bodenge schwindigkeitssignals und um ansprechend darauf eine Ver änderung der Position des Erdbewegungswerkzeuges zu be rechnen und zum Ausgeben eines Hebebetätigungsvorrich tungsbefehlssignals.

12. Verfahren, um automatisch ein Erdbewegungswerkzeug einer Erdbewegungsmaschine zu steuern, wobei das Erdbewe gungswerkzeug eine Hebebetätigungsvorrichtung aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Detektieren einer wahren bzw. Ist- Bodengeschwindigkeit der Erdbewegungsmaschine und Erzeu gen eines Bodengeschwindigkeitssignals;
Bestimmen der Neigung, auf der die Erdbewegungsma schine arbeitet, und Erzeugen eines Neigungssignals;
Abfühlen der Winkelrate der Erdbewegungsmaschine und Erzeugen eines Winkelratensignals;
Abfühlen der Position der Hebebetätigungsvorrichtung und Erzeugen eines Hebepositionssignals;
Bestimmen eines Schlupfratenwertes der Erdbewegungs maschine und Erzeugen eines Schlupfsignals;
Bestimmen der Position des Erdbewegungswerkzeuges als eine Funktion des Schlupfsignals, des Winkelratensi gnals und des Hebepositionssignals und Erzeugen eines Werkzeugpositionssignals;
Einstellen einer vorbestimmten Soll- Bodengeschwindigkeitseinstellung als eine Funktion des Neigungssignals und Erzeugen eines Referenzsignals für die eingestellte Bodengeschwindigkeit; und
Empfangen des Werkzeugpositionssignals, des Schlupf signals, des Referenzsignals für die eingestellte Boden geschwindigkeit und des Bodengeschwindigkeitssignals, und um darauf ansprechend eine Positionsänderung des Erdbewe gungswerkzeuges zu berechnen, und zum Ausgeben eines He bebetätigungsvorrichtungsbefehlssignals.

13. Verfahren nach Anspruch 12, welches den Schritt auf weist, ein Bodenprofil zu bestimmen und zu speichern, wo bei das Bodenprofil die Konturen des zuvor von dieser Erdbewegungsmaschine überquerten Bodens anzeigt.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, welches den Schritt aufweist, das Hebebetätigungsvorrichtungsbefehls signal als eine Funktion des Bodenprofils einzustellen.