DE19730105A1

DE19730105A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Begrenzung der Werkzeugbewegung einer Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE19730105A1
Application number: DE19730105A
Authority: DE
Inventors: Lee R Denbraber; Mark R Hawkins; Ronald J Penick; Steve J Zmuda
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-07-17
Filing date: 1997-07-14
Publication date: 1998-01-22
Also published as: JPH1060941A; US6032093A

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur steuerbaren Einschränkung der Bewegung eines Werkzeuges einer Arbeitsmaschine und ins besondere auf die Anwendung von zumindest einer Grenze zur steuerbaren Einschränkung der Bewegung eines Werkzeu ges einer Arbeitsmaschine.

Arbeitsmaschinen mit einem angebrachten Werkzeug, wie beispielsweise Minenschaufellader bzw. Minenschaufel vorrichtungen, Grabmaschinen, Baggerlader, Motorräum vorrichtungen und ähnliches, werden zur Erdbewegung ver wendet. Beim Beispiel des Minenschaufelladers bzw. der Minenschaufelvorrichtung weist das Werkzeug einen Ausle ger, einen Stab- bzw. ein Stabwerk und eine Schaufel auf, oder, wie im Beispiel einer Motorräumvorrichtung weist das Werkzeug ein Schild auf.

Gegenwärtig ist es bei Minenschaufelladern der Raupenbau art üblich, zerbrochene oder beschädigte Raupenschuhe oder eine Schädigung an der Hinterseite der Schaufel auf zufinden. Dieser Schaden tritt auf Grund dessen auf, daß die Schaufel die Raupenschuhe trifft, wenn der Bediener versucht, die Schaufel zwischen den Raupen zu positionie ren. Genau so wird eine Schädigung der Reifen einer Mo torschabvorrichtung bzw. einer Motorräumvorrichtung auf treten, wenn ein Bediener das Schild bewegt, bevor die Reifen aus dem Weg des Schildes bewegt sind. Bei beiden Beispielen bewirkt die Bewegung des Werkzeuges eine Schä digung von entweder sich selbst, der Arbeitsmaschine oder von beiden.

Es ist unerwünscht, die Flexibilität eines Werkzeuges zu begrenzen, indem man mechanisch seinen Bewegungsbereich begrenzt. Obwohl dies verhindern würde, daß ein Schaden auftritt, würde es stark die Funktionalität der Arbeits maschine einschränken.

Gegenwärtig verhindert nur die Geschicklichkeit des Ar beitsmaschinenbedieners, daß das Werkzeug die Arbeitsma schine trifft. Im normalen Betrieb einer Arbeitsmaschine treten viele Ereignisse gleichzeitig auf. Dies steigert das Potential für einen Bedienerfehler, was das Risiko einschließt, daß das Werkzeug die Arbeitsmaschine treffen kann.

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

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Werkzeuges re lativ zu einer Arbeitsmaschine vorgesehen. Das Werkzeug ist mit der Arbeitsmaschine verbunden. Bei der Arbeitsma schine ist eine Bedienersteuervorrichtung vorgesehen. Ei ne Steuervorrichtung bzw. ein Controller, der mit der Be dienersteuervorrichtung assoziiert ist, erzeugt ein ge wünschtes bzw. Soll-Positionssignal und liefert es an das Werkzeug. Eine Grenze relativ zur Arbeitsmaschine wird eingerichtet. Die abgefühlte Position des Werkzeuges wird mit der Grenzstelle verglichen. Der Bediener bestimmt aus dem Vergleich, wann sich das Werkzeug der Grenze nähert und modifiziert das gewünschte Positionssignal dement sprechend. Ansprechend auf das gewünschte bzw. Soll-Posi tionssignal wird die Werkzeugbewegung in vorbestimmter Weise eingeschränkt.

Gemäß eines zweiten Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur steuerbaren Einschränkung der Bewegung eines Werkzeuges verbunden mit einer Arbeitsma schine vorgesehen. Die Arbeitsmaschine weist eine Bedie nersteuervorrichtung auf, die mit einer Steuervorrichtung verbunden ist, die geeignet ist, um ein gewünschtes bzw. Soll-Positionssignal an das Werkzeug zu liefern. Eine er ste Grenze, deren Werte in einem Speicher gespeichert sind, der mit der Steuervorrichtung assoziiert ist, ist in einem vorbestimmten Abstand von zumindest einem Teil der Arbeitsmaschine eingerichtet. Zumindest ein Verschie bungssensor, der mit dem Werkzeug assoziiert ist, ist ge eignet, um ein Werkzeugpositionssignal an die Steuervor richtung zu liefern. Die Steuervorrichtung ist geeignet, um ein modifiziertes Soll-Positionssignal an das Werkzeug zu liefern, und zwar abhängig von der Differenz zwischen dem Werkzeugpositionssignal und dem ersten Grenzwert.

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

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Arbeitsma schine, die für die Erfindung geeignet ist;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer Arbeitsmaschi ne, die für die Erfindung geeignet ist;

Fig. 3 ein funktionelles Blockdiagramm eines Ausfüh rungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 4 ein Flußdiagramm, welches das Verfahren eines Aus führungsbeispiels der Erfindung veranschaulicht.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Vorrichtung vor, um steuerbar die Bewegung eines Werkzeuges 1 verbunden mit einer Arbeitsmaschine 15 zu begrenzen.

Die folgende Erfindung verwendet nur als ein Beispiel ei nen Raupen-Minenschaufellader bzw. einen Minenschaufel bagger. Diese Erfindung kann auf andere Bauarten von Ar beitsmaschinen 15 mit einem Werkzeug 10 angewandt werden. Andere Beispiele weisen beispielsweise eine Motorräumma schine mit einem Werkzeug 10 in Form eines Schildes und einem Baggerlader (back hoe) mit einem Werkzeug 10 in Form eines Stoßsteinbrechers bzw. Preßlufthammers auf.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Arbeitsmaschine 15, in diesem Fall ein Raupen-Minenschaufellader bzw. Schau felbagger, einem angebrachten Werkzeug 10, einer ersten Grenze 20 und einer zweiten Grenze 25. Das Werkzeug 10 der Raupenarbeitsmaschine 15 weist einen Ausleger 30, ei nen Stab bzw. ein Stabwerk 35 und eine Schaufel 40 auf. Der Ausleger 30 ist an der Arbeitsmaschine 15 mittels ei nes Auslegerstifts 45 befestigt. Das Stabwerk 35 ist mit dem freien Ende des Auslegers 30 verbunden, und die Schaufel 40 ist am Stabwerk 35 angebracht. Der Ausleger 30, das Stabwerk 35 und die Schaufel 40 werden unabhängig und steuerbar durch entsprechende linear ausfahrbare Hy draulikzylinder 50, 55, 60 betätigt. Die Schaufel 40 wird direkt von dem Schaufelhydraulikzylinder 60 betätigt und besitzt einen Schwenkbewegungsbereich um einen Stab werk/Schaufel-Schwenkstift 65.

Eine erste Grenze 20 ist um einen Teil der Arbeitsmaschi ne 15 herum gelegen. Das Werkzeug 10 darf nicht in das Gebiet zwischen der ersten Grenze 20 und der Arbeitsma schine 15 eintreten. Falls erwünscht, kann eine zweite Grenze 25 bestimmt werden. Die zweite Grenze 25 ist auch um einen Teil der Arbeitsmaschine 15 herum gelegen. Zwi schen der ersten Grenze 20 und der zweiten Grenze 25 ist ein Gebiet, wo eine begrenzte Maximalgeschwindigkeit des Werkzeuges 10 eingerichtet bzw. eingestellt ist. Die Stellen der ersten und zweiten Grenzen 20, 25, die in Fig. 1 gezeigt sind, sind nur für mögliche Stellen re präsentativ. Andere Stellen der ersten und zweiten Gren zen 20, 25 können bestimmt werden.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht ei ner Arbeitsmaschine 15, der ersten Grenze 20 und einer zweiten Grenze 25 gezeigt. Die Beziehung zwischen den er sten und zweiten Grenzen 20, 25 und der Arbeitsmaschine 10 ist die gleiche wie für Fig. 1 oben beschrieben.

Mit Bezug auf Fig. 3 ist ein funktionelles Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt, die ein Werkzeugsystem 100, ein Verschiebungssensorsystem 105 und eine Steuervorrichtung 110 aufweist. Das Werkzeugsystem 100 weist hydraulische Steuervorrichtungen 115a, 115b, 115c auf, und entsprechende Ausleger-, Stabwerk- und Schaufelzylinder 50, 55, 60. Die hydraulischen Steuervor richtungen 115a, 115b, 115c fahren steuerbar die entspr echenden Zylinder 50, 55, 60 aus und ziehen sie zurück, und zwar gemäß des gewünschten bzw. Soll-Positionssig nals, welches von der Steuervorrichtung 12 empfangen wird. Das Verschiebungssensorsystem 105 besteht aus einem oder mehreren Verschiebungssensoren 120a, 120b, 120c. Die Ver schiebungssensoren fühlen das Ausmaß des Kolbenausfahrwe ges bzw. der Kolbenausdehnung bei den Ausleger-, Stab werk- und Schaufelhydraulikzylindern 50, 55, 60 ab und erzeugen darauf ansprechend Signale der abgefühlten Werk zeugposition. Die Steuervorrichtung 110 empfängt die ab gefühlte Position der Werkzeugsignale als Eingangsgröße vom Verschiebungssensorsystem 105.

Die Steuervorrichtung 110 weist einen Komparator bzw. ei ne Vergleichsvorrichtung 125 auf, eine Werkzeuggeschwin digkeitssteuervorrichtung 130 und einen Speicher 135. Ei ne Eingangsgröße an die Steuervorrichtung 110 ist eine Bedienersteuervorrichtung 100. Ein optionales Ein gabegebiet bzw. eine Eingangsgröße an die Steuervorrich tung 110 ist eine Bedienerschnittstelle 140.

Die Bedienersteuervorrichtung 145 sieht eine manuelle Steuerung des Arbeitswerkzeuges 10 vor. Wie in der Tech nik wohl bekannt, stellt das gewünschte bzw. Soll-Posi tionssignal der Bedienersteuervorrichtung 110 die vom Be diener gewünschte Bewegung des Werkzeuges 10 dar. Im Bei spiel der Arbeitsmaschine 15 koordiniert die Implemen tierung bzw. Einrichtung der Bedienersteuervorrichtung 100 die Bewegungen des Auslegers 30, des Stabwerkes 35 und der Schaufel 40, so daß sie den Bewegungen der Bedie nersteuervorrichtung 145 konform sind.

Der Komparator 125 vergleicht das Signal der abgefühlten Werkzeugposition mit den ersten Grenzwerten und bestimmt darauf ansprechend ein Eintrittsverhinderungssignal. Falls erwünscht, vergleicht der Komparator 125 das Signal der abgefühlten Werkzeugposition mit den zweiten Grenz werten und bestimmt darauf ansprechend ein Begrenzungs signal. Die Steuervorrichtung 110 wird das gewünschte bzw. Soll-Positionssignal modifizieren, das es an das Werkzeugsystem 100 liefert, und zwar gemäß dem Eintritts verhinderungssignal oder dem Begrenzungssignal. Das Werk zeugsystem 100 stellt ansprechend auf das Soll- Positionssignal die Bewegungen des Werkzeuges 10 ein, und zwar durch Steuern des Hydraulikflusses an die jeweiligen Ausleger-, Stabwerk- und Schaufelhydraulikzylinder 50, 55, 60.

Wenn das Eintrittsverhinderungssignal anzeigt, daß sich das Werkzeug 10 der ersten Grenze 20 nähert, wird ver hindert, daß das Werkzeug 10 in das Gebiet zwischen der ersten Grenze 20 und der Arbeitsmaschine 15 eintritt. Wenn das Begrenzungssignal anzeigt, daß das Werkzeug 10 zwischen der zweiten Grenze 25 und der ersten Grenze 20 ist, wird ein Signal für begrenzte Maximalgeschwindigkeit eingerichtet. Der Speicher 135 speichert die Werte für die erste Grenze 20, die zweite Grenze 25 und die be grenzte Maximalgeschwindigkeit.

Die. Werte für die erste Grenze 20, die zweite Grenze 25 und die begrenzte maximale Werkzeuggeschwindigkeit können in der Fabrik programmiert werden oder können optional an die Steuervorrichtung 110 durch eine Bedienerschnittstel le 140 geliefert werden. Die Werte werden im Speicher 115 gespeichert. Die Bedienerschnittstelle 140 kann durch ein (nicht gezeigtes) Programmierungswerkzeug implementiert bzw. eingerichtet werden, wie beispielsweise einen Lap top-Computer oder einen Flüssigkristallanzeigeschirm mit einem alpha-numerischen Tastenfeld.

Das Verfahren zum steuerbaren Einschränken der Bewegung und der Geschwindigkeit eines Werkzeugs 10 einer Arbeits maschine 15 ist in dem in Fig. 4 veranschaulichten Fluß diagramm gezeigt. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wird durch die Anwendung einer ersten Grenze 20 veranschau licht, um das Werkzeug 10 davon abzuhalten, die Arbeits maschine 15 zu treffen. Die erste Grenze 20 ist um einen Teil der Arbeitsmaschine 15 herum gelegen. Eine optionale zweite Grenze 25 könnte verwendet werden. Die zweite Grenze 25 ist auch um einen Teil der Arbeitsmaschine 15 herum gelegen. Wenn das Werkzeug 10 zwischen der ersten Grenze 20 und der zweiten Grenze 25 ist, wird ein Signal für begrenzte Maximalgeschwindigkeit eingerichtet.

Im ersten Entscheidungsblock 200 wird der erste Grenzwert mit dem Signal der abgefühlten Werkzeugposition vergli chen. Wenn die Position des Werkzeugs 10 als außerhalb der zweiten Grenze 25 bestimmt wird, wird die Steuerung zu einem ersten Steuerblock 205 gehen. Im ersten Steuer block 205 wird für die Bewegung des Werkzeuges 10 keine Einschränkung vorgesehen werden. Die Steuerung wird eine schleifenförmige Bewegung vom ersten Steuerblock 205 zum ersten Entscheidungsblock 200 fortsetzen, so lange die Position des Werkzeuges 10 als außerhalb der zweiten Grenze 25 bestimmt wird.

Wenn jedoch die Position des Werkzeugs 10 als auf oder innerhalb der zweiten Grenze 25 bestimmt wird, wird ein Signal für begrenzte Maximalgeschwindigkeit in einem zweiten Steuerblock 210 eingerichtet. Das Signal für be grenzte Maximalgeschwindigkeit wird verwendet, um die Ge schwindigkeit des Werkzeuges 10 zu begrenzen, indem man nicht gestattet, daß seine Bewegung einen vorbestimmten Wert überschreitet.

Die Steuerung geht zu einem zweiten Entscheidungsblock 215, wo das Signal der abgefühlten Werkzeugposition mit einem ersten Grenzwert verglichen wird. Wenn sie bestimmt hat, daß das Werkzeug 10 sich nicht der ersten Grenze 25 nähert, geht die Steuerung zurück zum ersten Entschei dungsblock 200. Eine Schleife wird von den ersten und zweiten Entscheidungsblöcken 200, 215 und dem zweiten Steuerblock 210 gebildet. Das Signal für begrenzte Maxi malgeschwindigkeit wird eingerichtet bzw. vorgesehen bleiben, so lang die Position des Werkzeugs 10 von der Steuerschleife als zwischen den ersten und zweiten Gren zen 20, 25 bestimmt wird.

Wenn jedoch die Position des Werkzeugs 10 im zweiten Ent scheidungsblock 21 als sich annähernd an die erste Grenze 20 bestimmt wird, geht die Steuerung zu einem dritten Steuerblock 220. Im dritten Steuerblock 220 wird das Werkzeug 10 davon abgehalten, in das Gebiet zwischen der ersten Grenze und der Arbeitsmaschine 15 einzutreten. Die Steuerung wird weiter eine schleifenförmige Bewegung vom dritten Steuerblock 220 zum zweiten Entscheidungsblock 215 vorzunehmen, bis sie bestimmt hat, daß das Werkzeug 10 sich nicht weiter der ersten Grenze 20 nähert.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Ein Verfahren und eine Vorrichtung sind vorgesehen, um steuerbar zu verhindern, daß ein Werkzeug eine Arbeits maschine oder sich selbst beschädigt, was auftreten kann, wenn das Werkzeug die Arbeitsmaschine trifft, und zwar durch Einschränken der Bewegung des Werkzeuges. Eine Grenze wird in einem vorbestimmten Abstand von der Ar beitsmaschine eingerichtet. Durch steuerbares Begrenzen der Bewegung des Werkzeuges, wenn es sich der Grenze nä hert, wird verhindert, daß das Werkzeug die Arbeitsma schine berührt.

Claims

1. Verfahren zum Steuern der Bewegung eines Werkzeuges relativ zu einer Arbeitsmaschine, wobei das Werkzeug mit der Arbeitsmaschine verbunden ist, wobei die Ar beitsmaschine eine Bedienersteuervorrichtung auf weist, die mit einer Steuervorrichtung assoziiert ist, wobei die Steuervorrichtung ein gewünschtes bzw. Soll-Positionssignal erzeugt, und das Soll- Positionssignal an das Werkzeug liefert, und mit ei nem Speicher, der mit der Steuervorrichtung asso ziiert ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Einrichten einer ersten Grenze relativ zur Arbeits maschine und Speichern der Werte im Speicher;
Abfühlen der Position des Werkzeuges mit Bezug auf die Arbeitsmaschine und Bestimmen eines Signals der abgefühlten Werkzeugposition;
Vergleichen des Signals der abgefühlten Werkzeugpo sition mit den ersten Grenzwerten und Erzeugen eines Eintrittsverhinderungssignals ansprechend darauf, daß sich die abgefühlte Position des Werkzeuges der ersten Grenze nähert; und
steuerbares Modifizieren des Soll-Positionssignals in Anwesenheit des Eintrittsverhinderungssignals und Verhindern der Werkzeugbewegung in vorbestimmter Weise.

2. Verfahren nach Anspruch 1, welches folgende Schritte aufweist:
Einrichten einer zweiten Grenze relativ zur Arbeits maschine und Speichern des zweiten Grenzwertes im Speicher;
Einrichten eines Signals für begrenzte Maximalge schwindigkeit zwischen der zweiten Grenze und der ersten Grenze und Speichern des Signals für be grenzte Maximalgeschwindigkeit im Speicher;
Vergleichen des Signals der abgefühlten Werkzeugpo sition mit den zweiten Grenzwerten, und Erzeugen ei nes Begrenzungssignals ansprechend darauf, daß das Werkzeug die zweite Grenze durchdringt und Fortset zen der Erzeugung des Begrenzungssignals, während die abgefühlte Position des Werkzeuges zwischen der ersten Grenze und der zweiten Grenze ist; und
steuerbares Modifizieren des Soll-Positionssignals in Anwesenheit des Begrenzungssignals und steuerba res Einrichten des Signals für begrenzte Werkzeugge schwindigkeit für die Dauer des Begrenzungssignals.

3. Vorrichtung zur steuerbaren Begrenzung der Bewegung eines Werkzeuges, verbunden mit einer Arbeitsma schine, wobei die Arbeitsmaschine eine Bedienersteu ervorrichtung aufweist- die mit einer Steuervorrich tung in ausreichender Weise verbunden ist, um zu be wirken, daß die Steuervorrichtung ein Soll-Posi tionssignal an das Werkzeug liefert; wobei die Vor richtung folgendes aufweist:
einen Speicher in Verbindung mit der Steuervorrich tung;
eine erste Grenze, deren Werte im Speicher gespei chert sind, wobei die erste Grenze um einen vorbe stimmten Abstand von zumindest einem Teil der Ar beitsmaschine gelegen ist;
zumindest einen Verschiebungssensor, der mit dem Werkzeug assoziiert ist, wobei der Verschiebungs sensor geeignet ist, um ein Signal der abgefühlten Werkzeugposition an die Steuervorrichtung zu lie fern; und
einen Komparator, der mit der Steuervorrichtung as soziiert ist, wobei der Komparator geeignet ist, um ein Eintrittsverhinderungssignal an die Steuervor richtung zu liefern, und wobei die Steuervorrichtung geeignet ist, ein modifiziertes Soll-Positionssignal an das Werkzeug zu liefern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei eine zweite Gren ze vorgesehen ist, deren Werte im Speicher gespei chert sind, und wobei die zweite Grenze um einen vorbestimmten Abstand von zumindest einem Teil der Arbeitsmaschine gelegen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Steu ervorrichtung eine Werkzeuggeschwindigkeitssteuer vorrichtung aufweist, wobei die Werkzeuggeschwindig keitssteuervorrichtung geeignet ist, um ein Signal für begrenzte Werkzeuggeschwindigkeit an das Werk zeugsystem zu liefern.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei die Steuervor richtung eine Bedienerschnittstelle aufweist, wobei die Bedienerschnittstelle vorbestimmte Werte für die erste Grenze, die zweite Grenze und das Signal für begrenzte Maximalgeschwindigkeit einrichtet.