DE19726822A1

DE19726822A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Werkzeugs einer Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE19726822A1
Application number: DE19726822A
Authority: DE
Inventors: Michael A Cobo; John D Duffy
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-06-24
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 1998-01-02
Also published as: US5737993A; JPH1068145A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Bewegung eines Ar beitswerkzeuges einer Arbeitsmaschine und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, welches die Bewe gung des Arbeitswerkzeuges basierend auf der Arbeitswerk zeuggeschwindigkeit steuert.

Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Radlader, weisen Ar beitswerkzeuge auf, die durch eine Anzahl von Positionen während eines Arbeitszyklusses bewegt werden können. Sol che Werkzeuge weisen typischerweise Schaufeln, Gabeln und andere Materialhandhabungseinrichtungen auf. Der typische Arbeitszyklus, der mit einer Schaufel assoziiert ist, weist das aufeinanderfolgende Positionieren der Schaufel und des assoziierten Hebearms in einer Grabposition zum Füllen der Schaufel mit Material auf, in einer Tragposi tion, einer angehobenen Position und einer Auslaß- bzw. Abladeposition zur Entfernung des Materials aus der Schaufel.

Steuerhebel sind an der Bedienerstation montiert und sind mit einer elektro-hydraulischen Schaltung zur Bewegung der Schaufel und/oder Hebearme verbunden. Der Bediener muß manuell die Steuerhebel bewegen, um Hydraulikventile zu öffnen und zu schließen, die unter Druck gesetztes Strömungsmittel an Hydraulikzylinder leiten, die wiederum bewirken, daß sich das Werkzeug bewegt. Wenn bei spielsweise die Hebearme anzuheben sind, bewegt der Be diener den mit der Hebearm-Hydraulikschaltung assoziier ten Steuerhebel in eine Position, in der ein Hydraulik ventil bewirkt, daß unter Druck gesetztes Strömungsmittel zum Kopfende eines Hebezylinders fließt, was somit be wirkt, daß die Hebearme steigen. Wenn der Steuerhebel in eine Neutralposition zurückkehrt, schließt sich das Hy draulikventil und unter Druck gesetztes Strömungsmittel fließt nicht weiter zum Hebezylinder.

Beim normalen Betrieb wird das Werkzeug oft abrupt ge startet oder zu einem abrupten Anhalten nach dem Ausfüh ren einer erwünschten Arbeitszyklusfunktion gebracht, was schnelle Veränderungen der Geschwindigkeit und Beschleu nigung der Schaufel und/oder des Hebearms, der Maschine und des Bedieners zur Folge hat. Dies kann beispielsweise auftreten, wenn das Werkzeug zum Ende seines gewünschten Bewegungsbereiches bewegt wird. Die geometrische Bezie hung zwischen der linearen Bewegung der Kipp- oder Hebe zylinder und die entsprechende Winkelbewegung der Schau fel oder des Hebearms kann eine Unbequemlichkeit für den Bediener erzeugen, und zwar als eine Folge der schnellen Veränderungen der Geschwindigkeit und Beschleunigung. Die Kräfte, die von der Verbindungsanordnung und der asso ziierten Hydraulikschaltung absorbiert werden, können ge steigerten Wartungsaufwand und schnelleres Versagen der assoziierten Teile zur Folge haben. Ein weiteres mögli ches Ergebnis der geometrischen Beziehung ist die über mäßige Winkeldrehung des Hebearms oder der Schaufel nahe gewisser linearer Zylinderpositionen, die eine schwache Leistung zur Folge haben können.

Spannungen bzw. Beanspruchungen werden auch erzeugt, wenn die Maschine eine Last absenkt und der Bediener schnell das assoziierte Hydraulikventil schließt. Die Trägheit der Last und des Werkzeugs übt Kräfte auf die Hebearman ordnung und das Hydrauliksystem aus, wenn das assoziierte Hydraulikventil schnell geschlossen wird und die Bewegung der Hebearme abrupt angehalten wird. Solche Stopps bewir ken verstärke Abnutzung der Maschinen und verringern ei nen Komfort für den Bediener. In einigen Situationen kann sogar der Hinterteil der Maschine vom Boden abheben.

Schließlich erfordert die autonome Steuerung von Erdbewe gungsmaschinen oft eine Regelpositionssteuerung bzw. Po sitionsregelung (closed loop) oder Regelgeschwindigkeits steuerung bzw. Geschwindigkeitsregelung (closed loop) von entsprechenden Untersystemen, um eine Störabweisung und hohe Genauigkeit vorzusehen, und zwar unter Steuerung ei ner High-Level-Steuervorrichtung bzw. einer Steuervor richtung auf hohem Niveau. Das Arbeitswerkzeug ist ein Beispiel seines solchen Untersystems.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeitswerk zeuges offenbart. Das Werkzeug 102 ist mit einer Arbeits maschine 104 verbunden und ist ansprechend auf den Be trieb eines Hydraulikzylinders 106, 114 beweglich. Die Vorrichtung weist einen vom Bediener gesteuerten Joystick bzw. Bedienhebel 206 auf. Ein Bedienhebel- bzw. Joystick-Po sitionssensor 220 fühlt die Position des Bedienhebels 206 ab und erzeugt darauf ansprechend ein Bedienerbe fehlssignal, welches eine gewünschte Geschwindigkeit an zeigt. Ein Geschwindigkeitssensor 216, 218 fühlt die Ge schwindigkeit der Hebe- und Kippzylinder 106, 114 ab, und erzeugt darauf ansprechend jeweilige Zylindergeschwin digkeitssignale. Ein Mikroprozessor 208 empfängt die Zy lindergeschwindigkeits- und Bedienerbefehlssignale, be stimmt die Differenz zwischen der tatsächlichen bzw. Ist- und der gewünschten bzw. Soll-Zylindergeschwindigkeit, und erzeugt darauf ansprechend ein elektrisches Ventilsi gnal ansprechend auf die Geschwindigkeitsdifferenz. Ein elektro-hydraulisches Ventil empfängt das elektrische Ventilsignal und liefert steuerbar Hydraulikströmungsmit telfluß an den Hydraulikzylinder 106, 114 ansprechend auf eine Größe des elektrischen Ventilsignals.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei auf die Begleitzeichnungen Bezug genommen, in denen die Figuren folgendes darstellen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Vorderteils einer Lader maschine oder eines Radladers;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines elektro-hydraulischen Steuersystems der Ladermaschine;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines PID-Steuersystems der elektro-hydraulischen Steue rung;

Fig. 4-10 Software-Nachschau-Tabellen, die mit der PID-Steuerung assoziiert sind; und

Fig. 11 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei spiels eines PID-Steuersystems der elektro-hy draulischen Steuerung.

In Fig. 1 wird ein Werkzeugsteuersystem im allgemeinen durch das Bezugszeichen 100 dargestellt. Fig. 1 zeigt ei nen Vorderteil einer Radladermaschine 104 mit einem Nutz lastträger in Form einer Schaufel 108. Obwohl die vorlie gende Erfindung mit Bezug auf eine Radladermaschine be schrieben wird, ist die vorliegende Erfindung gleichfalls auf viele Erdbearbeitungsmaschinen anwendbar, wie bei spielsweise Raupenlader, hydraulische Grabmaschinen und andere Maschinen mit ähnlichen Lade- bzw. Lastwerkzeugen. Die Schaufel 108 ist mit einer Hebearmanordnung oder ei nem Ausleger 110 verbunden, der schwenkbar von zwei Hy draulikhebebetätigungsvorrichtungen oder -zylindern 106 betätigt wird (von denen nur einer gezeigt ist), und zwar Im einen Auslegerschwenkstift 112 herum, der am Maschi nenrahmen angebracht ist. Ein Auslegerlasttragschwenk stift 118 ist am Ausleger 110 und den Hebezylindern 106 angebracht. Die Schaufel 108 wird durch eine Schaufel kippbetätigungsvorrichtung oder einen Zylinder 114 um ei nen Kippschwenkstift 116 herum gekippt.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist das Werkzeugsteuersystem 100 schematisch veranschaulicht, wie es bei einem Radlader angewandt wird. Das Werkzeugsteuersystem ist geeignet, um eine Vielzahl von Eingangsgrößen abzufühlen, und um da rauf ansprechend Ausgangsgrößen- bzw. Ausgangssignale zu erzeugen, die an verschiedene Betätigungsvorrichtungen im Steuersystem geliefert werden, vorzugsweise weist das Werkzeugsteuersystem mikroprozessorbasierte Steuermittel 208 auf.

Erste, zweite und dritte Bedienhebel 206A, 206B, 206C se hen eine Bedienersteuerung über das Arbeitswerkzeug 102 vor. Die Bedienhebel weisen einen Steuerhebel 219 auf, der eine Bewegung entlang einer einzigen Achse aufweist. Jedoch kann zusätzlich zur Bewegung entlang einer ersten Achse (horizontal) der Steuerhebel 219 sich auch entlang einer zweiten Achse bewegen, die zur horizontalen Achse senkrecht ist. Der erste Bedienhebel 206A steuert den He bebetrieb des Auslegers 110. Der zweite Bedienhebel 206B steuert den Kippbetrieb der Schaufel 108. Der dritte Be dienhebel 206C steuert eine Hilfsfunktion, wie beispiels weise einen Betrieb eines speziellen Arbeitswerkzeugs.

Bedienhebelpositionsabfühlmittel 220 fühlen die Position des Joystick- bzw. Bedienhebel-Steuerhebels 219 ab und erzeugen darauf ansprechend ein elektrisches Bedienerbe fehlssignal. Das Bedienerbefehlssignal zeigt die ge wünschte bzw. Soll-Geschwindigkeit des jeweiligen Hydrau likzylinders an. Das elektrische Signal wird an den Ein gang der Steuermittel 208 geliefert. Die Bedienhebelposi tionsabfühlmittel 220 weisen vorzugsweise ein Drehpoten tiometer auf, welches ein pulsbreiten moduliertes Signal ansprechend auf die Schwenkposition des Steuerhebels er zeugt, jedoch wäre irgendein Sensor, der ein elektrisches Signal ansprechend auf die Schwenkposition des Steuer hebels erzeugen kann, bei der vorliegenden Erfindung ein setzbar.

Zylindergeschwindigkeitsabfühlmittel 216, 218 fühlen die Geschwindigkeit der Hebe- und Kippzylinder 106, 114 ab und erzeugen darauf ansprechend jeweilige Zylinderge schwindigkeitssignale. In einem Ausführungsbeispiel wei sen die Geschwindigkeitsabfühlmittel 216, 218 Drehpoten tiometer auf. Die Drehpotentiometer erzeugen pulsbreiten modulierte Signale ansprechend auf die Winkelposition des Auslegers 110 mit Bezug auf die Maschine und die Schaufel 108 mit Bezug auf den Ausleger 110. Die Winkelposition des Auslegers ist eine Funktion der Hebezylinderausdeh nung 106A, B, während die Winkelposition der Schaufel ei ne Funktion von sowohl den Kipp- als auch den Hebezy linderausdehnungen 114, 106A, B ist. Die Steuermittel 208 empfangen die jeweiligen Positionssignale, berechnen die Linearposition des jeweiligen Zylinders, differenzieren die Positionssignale und erzeugen jeweilige Zylinderge schwindigkeitssignale, die die Lineargeschwindigkeiten der jeweiligen Zylinder anzeigen. Es sei bemerkt, daß die Funktion der Geschwindigkeitsabfühlmittel 216, 218 leicht irgendein anderer Sensor sein kann, der entweder direkt oder indirekt die relative Ausdehnung eines Hydraulikzy linders messen kann. Beispielsweise könnten die Potentio meter durch Radiofrequenz- (RF-) bzw. Kurzwellensensoren ersetzt werden, die in den Hydraulikzylindern angeordnet sind.

Ein Motorsensor 252 fühlt die Geschwindigkeit bzw. Dreh zahl des Verbrennungsmotors 253 ab und liefert ein Motor drehzahlsignal an die Steuermittel 208.

Zylinderdruckabfühlmittel 254, 256 fühlen den Hydraulik druck ab, der mit den Hebe- und Kippzylindern 106, 114 assoziert ist und liefern darauf ansprechend jeweilige Zylinderdrucksignale an die Steuermittel 208. Die Zylin derdruckabfühlmittel 254, 256 weisen leicht verfügbare Drucksensoren auf. Die Steuermittel 208 empfangen die Drucksignale, bestimmen die damit assoziierten Zylinder kräfte und erzeugen jeweilige Zylinderkraftsignale. Die Zylinderkräfte können gemäß der folgenden Gleichung be stimmt werden:

(Stangenenddruck _* Stangenendfläche) - (Kopfenddruck _* Kopfendfläche)

Pumpendruckabfühlmittel 260 fühlen den Hydraulikdruck ab, der mit der Hauptwerkzeugspumpe 212 assoziiert ist und liefern darauf ansprechend ein Pumpendrucksignal an die Steuermittel 208. Die Pumpendruckabfühlmittel 260 weisen leicht verfügbare Drucksensoren auf. Die Steuermittel 208 empfangen das Pumpendrucksignal und bestimmen den Hydrau likströmungsmittelfluß, der für die Hebe- und Kippzylin der 106, 114 verfügbar ist.

Ventilmittel 202 sprechen auf elektrische Signale an, die von den Steuermitteln erzeugt werden, und liefern einen Hydraulikströmungsmittelfluß an die Hydraulikzylinder 106A, B, 114.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Ventilmit tel 202 vier Hauptventile auf (zwei Hauptventile für die Hebezylinder und zwei Hauptventile für den Kippzylinder) und acht HYDRAC-Ventile (zwei HYDRAC-Ventile für jedes Hauptventil). Die Hauptventile leiten unter Druck gesetz tes Strömungsmittel zu den Zylindern 106A, B, 114 und die HYDRAC-Ventile leiten einen Pilot- bzw. Vorsteuerströ mungsmittefluß an die Hauptventile. Jedes HYDRAC-Ventil ist elektrisch mit den Steuermitteln 208 verbunden. Ein beispielhaftes HYDRAC-Ventil ist im US-Patent 5 366 202 offenbart, welches am 22. November 1994 an Stephen V. Lunzman ausgegeben wurde, welches hierin durch Bezugnahme aufgenommen sei. Zwei Hauptpumpen 212, 214 werden verwen det, um Hydraulikströmungsmittel an die Hauptkolben zu liefern, während eine Pilot- bzw. Vorpumpe 222 verwendet wird, um Hydraulikströmungsmittel an die HYDRAC-Ventile zu liefern. Ein An/Aus-Elektromagnetventil und Druckent lastungsventil 224 ist vorgesehen, um einen Vorsteuer strömungsmittelfluß an die HYDRAC-Ventile zu steuern.

Die vorliegende Erfindung ist auf die Bestimmung einer elektrischen Ventilsignalgröße gerichtet, um genau die Arbeitswerkzeugbewegung zu steuern. Die Steuermittel 208 weisen vorzugsweise RAM- und ROM-Module (RAM = random excess memory = Arbeitsspeicher; ROM = read only memory = Lese speicher) auf, die Softwareprogramme speichern, um gewisse Merkmale der vorliegenden Erfindung auszuführen. Weiter speichern die RAM- und ROM-Module Software in ei ner Vielzahl von Nachschau-Tabellen, die bei der Bestim mung der elektrischen Ventilsignalgröße bestimmt werden. Jede Nachschau-Tabelle entspricht einer Arbeitsfunktion, die verwendet wird, um das Arbeitswerkzeug zu steuern. Die Arbeitsfunktionen weisen eine Hebe- und Absenk funktion auf, die die hydraulischen Hebezylinder 106A, B ausfährt und einfährt, um die Schaufelhöhe zu steuern, und eine Ablade- und Füllfunktion, die den Kippzylinder 114 ausfährt und einfährt, um die Schaufelneigung zu steuern. Die Arbeitsfunktion-Nachschautabellen sind mit Bezug auf die Fig. 4-10 gezeigt. Die Anzahl der im Spei cher gespeicherten Werte hängt von der gewünschten Präzi sion des Systems ab. Eine Interpolation kann verwendet werden, um den tatsächlichen Wert in dem Fall zu be stimmen, daß die gemessenen und berechneten Werte zwi schen die diskreten bzw. getrennten im Speicher gespei cherten Werte fallen. Die Tabellenwerte basieren aus ei ner Simulation und Analyse von empirischen Daten.

Die Steuermittel 208 empfangen die Bedienerbefehlssignale und erzeugen darauf ansprechend elektrische Ventilsigna le, um die jeweiligen Hydraulikzylinder mit einer ge wünschten Geschwindigkeit zu steuern. Die Ventilmitteln 202 empfangen das elektrische Ventilsignal und liefern steuerbar einen Hydraulikströmungsmittelfluß an den jewei ligen Hydraulikzylinder ansprechend auf die Größe der elektrischen Ventilsignale.

Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, die ein Ausfüh rungsbeispiel der Steuerstruktur der Steuermittel 208 zeigt. Wie gezeigt, besteht die Steuerstruktur aus einem PID-Regelsystem 300 (closed loop), welches auf einer Ge schwindigkeitsrückkoppelung basiert. Das PID-Regelungssy stem 300 weist vorzugsweise zwei Steuerblöcke auf, um die Füll- und Abladefunktionen zu regeln, die mit dem Kippzy linder 114 assoziiert sind, und die Hebe- und Absenkfunk tionen, die mit den Hebezylindern 106 assoziiert sind. Der Betrieb des PID-Regelungssystems 300 wird im folgen den beschrieben.

Als erstes wird das Bedienerbefehlssignal in ein Ge schwindigkeitsbefehlssignal über einen Skalierungsblock 305 umgewandelt. Der Skalierungsblock 305 multipliziert das Bedienerbefehlssignal mit einem Skalierungsfaktor, auf den später als der "Maximal Geschwindigkeitsfaktor" Bezug genommen wird, um das Geschwindigkeitsbefehlssignal zu erzeugen. Das Geschwindigkeitsbefehlssignal wird dann mit dem Zylindergeschwindigkeitssignal verglichen, wel ches die tatsächliche bzw. Ist-Geschwindigkeit des jewei ligen Zylinders darstellt, und zwar über einen Summie rungs- bzw. Additionsblock 310, um ein Geschwindigkeits fehlersignal zu erzeugen. Ein PID-Block 315 multipliziert das entsprechende Geschwindigkeitsfehlersignal mit pro portionalen, integralen und derivativen Verstärkungs- bzw. Gain-Werten, um ein Geschwindigkeitssteuersignal zu erzeugen. Ein Ventiltransformationsblock 320 wandelt das Geschwindigkeitssteuersignal in ein elektrisches Ventil signal um, welches eine gewünschte Schaftverschiebung des entsprechenden HYDRAC-Ventils anzeigt, um das Geschwin digkeitsfehlersignal auf Null zu verringern.

Vorteilhafterweise sprechen die Skalierungsblockwerte, die PID-Verstärkungswerte und die Transformationsblock werte auf die entsprechenden Zylinderkräfte und den Fluß von den Hydraulikpumpen 212, 214 an. Es sei bemerkt, daß der Hydraulikpumpenfluß proportional zur Motordrehzahl ist. Somit kann der Hydraulikpumpenfluß leicht von der Motordrehzahl abgeleitet werden. Jedoch wird der Pumpen fluß, der für die hydraulische Hebeschaltung verfügbar ist, nicht so leicht abgeleitet, wie der für die hydrau lische Kippschaltung - der einfach von der Motordrehzahl abgeleitet wird. Beispielsweise sei Bezug genommen auf Fig. 10, die eine drei-dimensionale Nachschau-Tabelle zeigt, die verwendet wird, um den verfügbaren Fluß zur hydraulischen Hebeschaltung zu berechnen. Die in Fig. 10 gezeigte Tabelle speichert eine Vielzahl Werten, Q_TILT, die den Strömungsmittelfluß darstellen, der mit der hy draulischen Kippschaltung assoziiert ist, die einer Viel zahl von Schaftverschiebungswerten, TILT STEM, ent spricht, und Druckdifferenzwerte, ΔP. Die Schaftverschie bungswerte entsprechen direkt der Größe des elektrischen Ventilsignals, welches die Schaftverschiebung der hydrau lischen Kippschaltung steuert. Die Druckdifferenzwerte werden gemäß der folgenden Gleichung berechnet:

ΔP = PUMP PRES - TPRES

wobei PUMP PRES die Pumpendruck-Signalgröße darstellt, und wobei TPRES die Hydraulikzylinderdruck-Signalgröße darstellt, die mit dem Kopfende des Kippzylinders 114 as soziiert ist, und zwar entsprechend eines Abladevorgangs oder mit dem Stangenende des Kippzylinders 114, ent sprechend eines Füllvorgangs. Sobald der mit der hydrau lischen Kippschaltung assozierte Strömungsmittelfluß, Q_TILT, abgeleitet worden ist, kann dann der verfügbare Strömungsmittelfluß zur hydraulischen Hebeschaltung, Q_LIFT abgeleitet werden, und zwar gemäß der folgenden Gleichung:

Q_LIFT = Q_PUMP - Q_TILT

wobei Q_PUMP den Fluß der Hauptwerkzeugpumpe 212 dar stellt.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Skalie rungsblockwerte, die PID-Verstärkungswerte und die Trans formationsblockwerte aus 12 drei-dimensionalen Nachschau-Ta bellen bestimmt (von denen nur sechs gezeigt sind). Beispielsweise ist die darstellende Tabelle, die mit den Skalierungsblockwerten assoziiert ist, die den Absenk- und Abladevorgängen entsprechen, in Fig. 4 gezeigt. Genau so ist die entsprechende Tabelle, die mit den Skalie rungsblockwerten assoziiert ist, die den Hebe- und Füll vorgängen entsprechen, in Fig. 5 gezeigt. Jede Tabelle speichert eine Vielzahl von Skalierungswerten, die den Zylinderkräften und einem verfügbaren Pumpenfluß entspre chen. Beispielsweise wird eine der Fig. 4 ähnliche Tabel le verwendet, um den Maximalgeschwindigkeitsbefehl zu be stimmen, der mit dem Absenkvorgang assoziiert ist, und eine weitere ähnliche Tabelle wird verwendet, um den Ma ximalgeschwindigkeitsbefehl zu bestimmen, der mit dem Ab ladevorgang assoziiert ist. Genau so wird eine Tabelle ähnlich der Fig. 5 verwendet, um den Maximalgeschwindig keitsbefehl zu bestimmen, der mit dem Hebevorgang asso ziiert ist, und eine weitere ähnliche Tabelle wird ver wendet, um den Maximalgeschwindigkeitsbefehl zu bestim men, der mit dem Füllvorgang assoziiert ist. Es sei be merkt, daß die Skalierungswerte ausgewählt werden, um ei ne Sättigung des PID-Regelungssystems zu verhindern und um vorteilhafte Hebelmodulationscharakteristiken für den Bediener vorzusehen.

Die PID-Verstärkungswerte und Transformationsblockwerte werden wie folgt bestimmt. Die Transformationsblockwerte weisen zwei Variablen auf: Ventiltransformationstotband und Ventiltransformationsverstärkung (VTGAIN). Das Ven tiltransformationstotband hat unterschiedliche Werte ent sprechend den Absenk/Füllvorgängen und den Hebe/Ablade vorgängen. Somit wird das Ventiltransformationstotband aus einer von vier Tabellen bestimmt (eine Tabelle je weils für Füllen, Abladen, Anheben und Absenken), die den in den Fig. 8 und 9 gezeigten ähnlich sind. Wie gezeigt speichert jede Tabelle eine Vielzahl von Totbandwerten, die den Zylinderkräften und dem Pumpenfluß entsprechen. Die Totbandwerte werden ausgewählt, um maximal die Funk tion der Hydraulikventile zu linearisieren.

Sobald das Ventiltransformationstotband bestimmt ist, kann dann die Ventiltransformationsverstärkung, VTGAIN, aus der folgenden Gleichung bestimmt werden:

(maximale Kolbenverschiebung - Totband)/maximaler Ge schwindigkeitsfaktor

Nachdem die Ventiltransformationsverstärkung bestimmt worden ist, können die PID-Verstärkungen bestimmt werden. Beispielsweise werden die PID-Verstärkungen durch Multi plizieren einer PID-Variable K mit jedem der Proportio nal-Integral- und Derivativverstärkungswerten bestimmt. Die PID-Variable wird durch die folgende Gleichung be stimmt:

K = 1/(GAIN _* VTGAIN)

Die Variable GAIN (Verstärkung) wird aus einer der vier Tabellen bestimmt, ähnlich den in Fig. 6 und 7 gezeigten. Wie gezeigt, speichert jede Tabelle eine Vielzahl von GAIN- bzw. Verstärkungswerten, die den Zylinderkräften und dem Pumpenfluß entsprechen. Die GAIN-Werte werden ausgewählt, um weiter maximal die Funktion der Hydraulik ventile zu linearisieren, und um ein Gesamtsteuersystem mit einer Verstärkung von eins vorzusehen, beispielsweise entspricht eine inkrementale Eingangsgröße einer äquiva lenten inkrementalen Ausgangsgröße.

Ein weiteres Beispiel eines PID-Regelungssystems 400 ist in Fig. 11 gezeigt. Hier schließt das PID-Regelungssystem die Schleife zur Geschwindigkeit, genau so wie zur Posi tion. Bei einem solchen System stellt der Bedienerbefehl eine gewünschte bzw. Soll-Position dar, die mit der Ist-Zylinderposition durch den Summierungsblock 405, 415 ver glichen wird, um ein Positionierfehlersignal zu erzeugen. Das Positionsfehlersignal wird dann mit einem GAIN- bzw. Verstärkungswert K_p im Block 410, 420 multipliziert. Da nach wird das Positionsfehlersignal in ein Geschwindig keitsbefehlssignal über einen Begrenzungsblock 425, 430 umgewandelt, der das Geschwindigkeitsbefehlssignal auf dem Maximalgeschwindigkeitsfaktor begrenzt. Das Geschwin digkeitsbefehlssignal wird schließlich in ein elektri sches Ventilsignal umgewandelt, und zwar in einer oben beschriebenen Weise. Ein solches PID-Regelungssystem ist zur autonomen Steuerung von Erdbewegungsmaschinen nütz lich, die oft eine geregelte Position oder Geschwindig keit fordern, um eine Störabweisung und ein hohes Niveau an Genauigkeit zu bieten, während sie unter der Steuerung einer Steuervorrichtung auf hohem Niveau stehen.

Während somit die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug auf das obige bevorzugte Ausführungsbeispiel ge zeigt und beschrieben worden ist, wird dem Fachmann klar sein, daß verschiedene zusätzliche Ausführungsbeispiele in Betracht gezogen werden können, ohne vom Geiste und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Erdbearbeitungsmaschinen, wie beispielsweise Radlader weisen Arbeitswerkzeuge auf, die durch eine Anzahl von Positionen während eines Arbeitszyklusses bewegt werden können. Der typische Arbeitszyklus, der mit einer Schau fel assoziiert ist, weist eine Positionierung des Ausle gers und der Schaufel in einer Grabposition zum Füllen der Schaufel mit Material auf, eine Tragposition, eine angehobene Position und eine Abladeposition zur Entfer nung des Materials aus der Schaufel.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, die ein PID-Regelungssystem (closed loop) verwendet, um genau die Arbeitswerkzeuggeschwin digkeit auf die vom Bediener erwünschten Geschwindig keiten zu steuern bzw. einzustellen.

Es sei bemerkt, daß während die Funktion des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit dem Ausleger und den damit assozierten Hydraulikschaltungen beschrieben worden ist, die vorliegende Erfindung leicht zur Steue rung der Position von Werkzeugen für andere Arten von Erdbearbeitungsmaschinen anpaßbar ist. Beispielsweise könnte die vorliegende Erfindung eingesetzt werden, um Werkzeuge bei hydraulischen Grabmaschinen, Baggerladern (backhoes) und ähnlichen Maschinen mit hydraulisch be triebenen Werkzeugen zu steuern.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Er findung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Of fenbarung und den beigefügten Ansprüchen erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Eine Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits werkzeuges wird offenbart. Das Werkzeug ist mit einer Ar beitsmaschine verbunden und ist ansprechend auf den Be trieb eines Hydraulikzylinders beweglich. Die Vorrichtung weist einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel auf. Ein Bedienhebelpositionssensor fühlt die Position des Bedien hebels ab und erzeugt darauf ansprechend ein Bedienerbe fehlssignal, welches eine gewünschte Geschwindigkeit an zeigt. Ein Geschwindigkeitssensor fühlt die Geschwindig keit des Hebezylinders und der Kippzylinder ab und er zeugt darauf ansprechend jeweilige Zylinderge schwindigkeitssignale. Der Mikroprozessor empfängt die Zylindergeschwindigkeits- und Bedienerbefehlssignale, be stimmt die Differenz zwischen der tatsächlichen und ge wünschten Zylindergeschwindigkeit und erzeugt darauf an sprechend ein elektrisches Ventilsignal ansprechend auf die Geschwindigkeitsdifferenz. Ein elektro-hydraulisches Ventil empfängt das elektrische Ventilsignal und liefert steuerbar Hydraulikströmungsmittelfluß an den Hydrau likzylinder ansprechend auf die Größe des elektrischen Ventilsignals.

Claims

1. Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits werkzeuges einer Erdbewegungsmaschine mit einem Ver brennungsmotor, wobei das Arbeitswerkzeug einen Aus leger und eine Schaufel aufweist, die daran ange bracht ist, wobei das Arbeitswerkzeug eine Vielzahl von Arbeitsfunktionen aufweist, die eine Hebe- und Absenkfunktion aufweisen, wobei der Ausleger durch einen hydraulischen Hebezylinder betätigt wird, und eine Ablade- und Füllfunktion, wobei die Schaufel durch einen hydraulischen Kippzylinder geschwenkt wird, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel;
Bedienhebelpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Position des Bedienhebels und um darauf ansprechend ein Bedienerbefehlssignal zu erzeugen;
Skalierungsmittel zum Empfang des Bedienerbefehls signals und zum Umwandeln des Bedienerbefehlssignals in ein Geschwindigkeitsbefehlssignal;
Zylindergeschwindigkeitsabfühlmittel zum Abfühlen der Geschwindigkeit der Hebe- und Kippzylinder und um darauf ansprechend jeweilige Zylindergeschwindig keitssignale zu erzeugen;
Steuermittel zum Empfang der Zylindergeschwindig keits- und Geschwindigkeitsbefehlssignale, um die Differenz zwischen der Zylindergeschwindigkeit und den Geschwindigkeitsbefehlssignalen zu bestimmen, und um darauf ansprechend ein elektrisches Ventilsi gnal ansprechend auf die Geschwindigkeitsdifferenz zu erzeugen; und
Ventilmittel zum Empfang des elektrischen Ventil signals und um steuerbar Hydraulikströmungsmittel fluß an die jeweiligen Hydraulikzylinder zu liefern, um die jeweiligen Hydraulikzylinder gemäß des Ge schwindigkeitsbefehlssignals zu bewegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zylinderge schwindigkeitsabfühlmittel Mittel zum Abfühlen der Linearposition der Hebe- und Kippzylinder aufweisen, zum Erzeugen der jeweiligen Zylinderpositionssignale und zum Differenzieren bzw. Ableiten der Positions signale, um die Zylindergeschwindigkeitssignale zu erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steu ermittel ein entsprechendes Geschwindigkeitsfehler signal erzeugen, und zwar ansprechend auf die Diffe renz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehlssignal und dem entsprechenden Zylindergeschwindigkeitssignal.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei die Steuermittel Mittel aufweisen, um das entsprechende Geschwindig keitsfehlersignal mit Proportional-, Integral- und Derivativverstärkungswerten zu multiplizieren, um ein Geschwindigkeitssteuer- bzw. Geschwindigkeitsre gelsignal zu erzeugen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die Steuermittel Mittel aufweisen, um das Geschwindigkeitssteuersig nal in ein elektrisches Ventilsignal umzuwandeln.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, die einen Motorsensor aufweist, der die Drehzahl des Verbrennungsmotors abfühlt und ein Motordrehzahlsignal erzeugt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, die Zylinderdruckab fühlmittel aufweist, um den Hydraulikdruck abzufüh len, der mit den Hebe- und Kippzylindern assoziiert ist, und um darauf ansprechend jeweilige Zylinder drucksignale zu erzeugen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, die Mittel aufweist, um die Motordrehzahl- und Drucksignale zu empfangen, und um die Proportional-, Integral- und Derivativ verstärkungswerte zu modifizieren.

9. Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits werkzeuges einer Erdbewegungsmaschine mit einem Ver brennungsmotor, wobei das Arbeitswerkzeug einen Aus leger und eine daran angebrachte Schaufel aufweist, wobei das Arbeitswerkzeug eine Vielzahl von Arbeits funktionen aufweist, die eine Hebe- und Absenkfunk tion aufweisen, wobei der Ausleger durch einen hy draulischen Hebezylinder betätigt wird, und eine Ab lade- und Auffüllfunktion, wobei die Schaufel durch einen hydraulischen Kippzylinder geschwenkt wird, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel;
Bedienhebelpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Position des Bedienhebels und um darauf ansprechend ein Bedienerbefehlssignal zu erzeugen;
Zylinderpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Li nearposition der Hebe- und Kippzylinder, und um ent sprechende Zylinderpositionssignale zu erzeugen;
Mittel zum Empfang der Zylinderpositions- und Bedie nerbefehlssignale, zum Vergleichen der Zylinderposi tions- und der Bedienerbefehlssignale und zum Umwan deln des Signals in ein Geschwindigkeitsbefehls signal;
Zylindergeschwindigkeitsabfühlmittel zum Abfühlen der Geschwindigkeit der Hebe- und Kippzylinder und um darauf ansprechend jeweilige Zylindergeschwin digkeitssignale zu erzeugen;
Steuermittel zum Empfang des Zylindergeschwindig keitssignals und der Geschwindigkeitsbefehlssignale, zum Bestimmen der Differenz zwischen der Zylinderge schwindigkeit und den Geschwindigkeitsbefehlssigna len, und um darauf ansprechend ein elektrisches Ven tilsignal ansprechend auf die Geschwindigkeitsdiffe renz zu erzeugen; und
Ventilmittel zum Empfang des elektrischen Ventilsig nals und um steuerbar einen Hydraulikströmungsmit telfluß zu den jeweiligen Hydraulikzylindern (106, 114) zu liefern, um die jeweiligen Hydraulikzylinder gemäß des Geschwindigkeitsbefehlssignals zu bewegen.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, wobei die Steuermittel ein entsprechendes Geschwindigkeitsfehlersignal er zeugen, und zwar ansprechend auf die Differenz zwi schen dem Geschwindigkeitsbefehlssignal und dem je weiligen Zylindergeschwindigkeitssignal.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Steuermit tel Mittel aufweisen, um das entsprechende Geschwin digkeitsfehlersignal mit Proportional-, Integral- und Derivativverstärkungswerten zu multiplizieren, um ein Geschwindigkeitssteuer- bzw. Geschwindig keitsregelsignal zu erzeugen.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Steuermit tel Mittel aufweisen zur Transformation des Ge schwindigkeitssteuer- bzw. -regelsignals in ein elektrisches Ventilsignal.

13. Verfahren zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits werkzeuges einer Erdbewegungsmaschine mit einem Ver brennungsmotor, wobei das Arbeitswerkzeug einen Aus leger und eine Schaufel aufweist, die daran an gebracht ist, wobei das Arbeitswerkzeug eine Viel zahl von Arbeitsfunktionen aufweist, die eine Hebe- und Absenkfunktion aufweisen, wo der Ausleger durch einen hydraulischen Hebezylinder betätigt wird, und einer Ablade- und Füllfunktion, wo die Schaufel durch einen hydraulischen Kippzylinder geschwenkt wird, wobei das Verfahren folgende Schritte auf weist:
Erzeugen eines Bedienerbefehlssignals;
Empfangen des Bedienerbefehlssignals und Umwandeln des Bedienerbefehlssignals in ein Geschwindigkeits befehlssignal;
Abfühlen der Geschwindigkeit der Hebe- und Kippzy linder und darauf ansprechendes Erzeugen von jewei ligen Zylindergeschwindigkeitssignalen;
Empfang der Zylindergeschwindigkeits- und Geschwin digkeitsbefehlssignale, Bestimmen der Differenz zwi schen den Zylindergeschwindigkeits- und Geschwin digkeitsbefehlssignalen, und darauf ansprechendes Erzeugen eines elektrischen Ventilsignals anspre chend auf die Geschwindigkeitsdifferenz; und
Empfang des elektrischen Ventilsignals und steuer bares Liefern von Hydraulikströmungsmittelfluß an die jeweiligen Hydraulikzylinder, um die jeweiligen Hydraulikzylinder gemäß des Geschwindigkeitsbefehls signals zu bewegen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, welches den Schritt auf weist, ein Geschwindigkeitsfehlersignal ansprechend auf die Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbe fehlssignal und dem jeweiligen Zylindergeschwindig keitssignal zu erzeugen.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, welches den Schritt des Multiplizierens des entsprechenden Ge schwindigkeitsfehlersignals mit proportionalen, in tegralen und derivativen Verstärkungswerten auf weist, um ein Geschwindigkeitssteuer- bzw. Geschwin digkeitsregelsignal zu erzeugen.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 15, welches den Schritt aufweist, das Geschwindigkeitssteuersignal in ein elektrisches Ventilsignal umzuwandeln.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 16, welches die Schritte aufweist, die hydraulischen Zylinderkräfte und den verfügbaren Hydraulikströmungsmittelfluß zu den Zy lindern zu bestimmen, und darauf ansprechend die proportionalen, integralen und derivativen Verstär kungswerte zu modifizieren.