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Die
Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine, vorzugsweise einen Radlader,
und insbesondere eine Steuerung der Arbeitsausrüstung einer Arbeitsmaschine
zum Zwecke einer automatisierten Befüllung der Schaufel.
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Die
stetig ansteigenden Anforderungen an Baumaschinen und Baugeräte hinsichtlich
Auslastung, Effizienz und Schädigungsminimierung
sowie steigende Arbeits- und
Lohnkosten erfordern eine hohe Qualifikation des Bedienungspersonals
zur optimalen Auslastung dieser Maschinen.
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Die
Automatisierung von ständig
wiederholfähigen
Routinen hat mittlerweile sämtliche
Bereiche des wirtschaftlichen Alltags erfaßt und in den letzten Jahren
enorme Fortschritte erzielt, indem bei Automatisierungsvorgängen komplexe
Funktionen und Teilvorgänge
in standardisierbare, wiederholfähige Funktionsabschnitte
zerlegt werden.
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Mittlerweile
verfügt
man auch über
geeignete Sensorik, die trotz hoher mechanischer Beanspruchung zufriedenstellende
Signale während
der gesamten Maschinenlebensdauer liefert.
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Im
Bereich des Materialumschlags, wie beispielsweise im Kiesgruben-
oder im Montanbereich, besteht die Nachfrage hinsichtlich einer
Teilautomatisierung und einer längerfristigen
Vollautomatisierung von Lademaschinen, da diese Anwendungen im allgemeinen
standardisierbaren Arbeitsabläufen
und -vorgängen
beruhen.
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Anhand
der 1 ist ein typischer Arbeitsablauf einer Erdbewegungsmaschine,
die hier als Beispiel für
eine Arbeitsmaschine gewählt
ist, erläutert. Wie
dort dargestellt ist, kann das Ladespiel in folgende Teilvorgänge unterteilt
werden:
- (1) Heranfahren an das Haufwerk,
- (2) Eindringen der Arbeitsausrüstung, beispielsweise Schaufel,
in das Material,
- (3) Schaufelfüllvorgang,
- (4) vom Haufwerk zurücksetzen,
- (5) an die Entladestelle heranfahren und auskippen und
- (6) von der Entladestelle in die Ausgangsposition zurücksetzen.
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Die
Steuerung der Maschine erfolgt üblicherweise
manuell durch das Bedienungspersonal, wobei die Zugkraft bzw. das
Drehmoment indirekt mit dem Fahrpedal vorgegeben wird, woraufhin
ein Teil der Leistung des üblicherweise
in der Erdbewegungsmaschine vorgesehenen Dieselmotors über ein
hydrostatisches Getriebe sowie ein Achsverteilergetriebe und Gelenkwellen
starr auf Vorder- und Hinterachse des Radladers übertragen wird.
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Die
Bewegungsabläufe
des Arbeitswerkzeuges erfolgen ebenfalls durch manuelle Befehlsignale, indem
der Fahrer die Hydraulikzylinder über einen Joystick betätigt. Die
Pumpe der Arbeitshydraulik stellt die erforderliche Menge Hydraulikfluid
bereit.
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Durch
den Steuerblock wird das Hydraulikfluid entsprechend den Vorgaben
des Joysticks an die Hydraulikzylinder zugeteilt.
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Bei
den zuvor beschriebenen Teilvorgängen erfolgt
folgendes:
Beim ersten Teilvorgang, das heißt dem Heranfahren an das Haufwerk,
wird die Maschine vom Bedienungspersonal an das Materialhaufwerk
herangesteuert. Typischerweise wird während dieser Phase die Arbeitsausrüstung in
Ladeposition gebracht und zwar so, dass der Schaufelboden bzw. die
Unterkante annähernd
parallel zum Boden positioniert wurde. Damit wird sichergestellt,
dass die Rangierzone bzw. der Fahrweg von Material freigehalten
wird. Dabei sollte jedoch vermieden werden, dass sich die Schaufel
in den Untergrund gräbt,
was ein Aufreißen des
Fahrweges zur Folge hätte.
Die Maschinenfahrgeschwindigkeit muss vom Bedienungspersonal auf das
zu ladende Material abgestimmt werden. Die Schwierigkeit für ungeübte Fahrer
während
dieses Zyklus besteht dabei darin, das Arbeitswerkzeug richtig am
Untergrund zu positionieren, wobei die Ausgangsposition der Kippkinematik über übliche Endschaltungsvorrichtungen
automatisch erreicht wird.
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Im
zweiten Teilvorgang, das heißt
dem Eindringen des Arbeitswerkzeugs in das Materialhaufwerk, sticht
der Fahrer zunächst
mit der Schaufel in das Material ein, wobei dieser Einstechvorgang
typischerweise soweit erfolgt, bis sich das Material an der Schaufelrückwand zu
stauen beginnt. Intuitiv wird dabei vom Bedienungspersonal ein Hub
erzeugt, der zur Folge hat, dass die Reibung zwischen Schaufelbodenunterseite
und Material reduziert wird und die Maschine tiefer in das Haufwerk
eindringen kann. Versuche haben gezeigt, dass die Reibung an der Schaufelunterseite
einen hohen Anteil am Eindringwiderstand hat. Das Erkennen jenes
Punktes, an dem vom Eindringvorgang in den eigentlichen Schaufelführvorgang
gewechselt wird, erfolgt intuitiv durch Beurteilung des Bedienungspersonals
und ist abhängig
von Material und Materialzustand, sowie von maschinenspezifischen
Eigenschaften.
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Beim
dritten Teilvorgang, dem sogenannten Schaufelfüllvorgang, werden je nach den
Eigenschaften des zu ladenden Materials unterschiedliche Bewegungsabläufe der
Schaufel erfolgen. Zum einen ist bei sehr gut ladbarem Material,
wie beispielsweise Sand oder Kies, eine einstufige, sogenannte „getrennte" Befüllung möglich, welche
sich durch einmaliges Eindringen ins Haufwerk und anschließendem Einkippen
ohne zusätzlichem
Hubvorgang auszeichnet. Diese Füllungsart
ist jedoch durch die begrenzte Zugkraft nur bedingt anzuwenden.
Meist werden die verschiedenen Schüttgüter daher mittels „mehrstufigem" oder „zusammengesetztem" Füllvorgang
geladen. Dabei wird zunächst
ebenfalls in das Haufwerk eingedrungen, wobei anschließend – im Gegensatz zur
vorher beschriebenen Methode – eine überlagerte,
zusammengesetzte Hub- und Kippbewegung des Arbeitswerkzeuges erfolgt.
Der Eindringvorgang wird dabei kontinuierlich fortgesetzt. Die Steuerung
dieser Vorgänge
durch das Bedienungspersonal ist dabei vom Material und der Materialzusammensetzung
abhängig,
wobei der Schwierigkeitsgrad für
den Fahrer mit steigenden Korngrößen bzw.
steigender Kornverteilung des Haufwerks zunimmt.
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Der
Füllgrad
der Schaufel und somit die Materialumschlagleistung des Ladespiels
wird im wesentlichen durch die Qualität des Schaufelfüllvorganges
bestimmt. Die Schwierigkeit für
das Bedienungspersonal liegt zum einen darin, tief genug mit der Schaufel
in das Material voreinzudringen und zum andern die Dosierung der
anschließend überlagerten Hub-
und Kippbefehle mittels Joystick vorzunehmen. Zu schnelle Hubbewegungen
können
ein vorzeitiges Ausbrechen der Schaufel aus dem Materialhaufwerk verursachen
und verschlechtern den Schaufelbefüllungsgrad. Ebenso muss das
Bedienungspersonal während
der Phase des Ladespiels die Zugkraft der Maschine regeln, um eine
Füllung
der Schaufel gewährleisten
zu können.
Der Zugkraftbedarf wird dabei vom Fahrer eingeschätzt und
indirekt mittels Fußpedal
vorgegeben. Eine zu geringe Zugkraftvorgabe während des Grabens würde sich
negativ auf den Schaufelfüllungsgrad
auswirken, während
bei hohem Drehmomentwunsch die Maschine verspannt im Haufen steckt
und wenig Leistung an die Arbeitshydraulik geliefert wird. Die zur
Aufrechterhaltung des Drehmomentes erforderliche Energie kann durch
die Arbeitshydraulik nicht genutzt werden, wäh rend gleichzeitig der Grabvorgang
langsamer mit weniger Effizienz durchgeführt wird.
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Des
weiteren verursachen unnötig
hohe Drehmomente im Antriebsstrang hohe Schädigungsanteile an Getriebe-
und Achskomponenten, die für Verschleiß und Bauteilversagen
verantwortlich sind, wobei das Drehmoment auf die Bauteilschädigung einen
exponentiellen Einfluß ausübt.
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Man
erkennt, dass an das Bedienungspersonal nicht ausschließlich die
Forderung des Erreichens eines hohen Schaufelfüllungsgrades gestellt wird,
vielmehr hat der Fahrer dafür
Sorge zu tragen, durch Anpassung der Fahrweise – insbesondere während des
Schaufelfüllvorganges – die mechanische
Belastung der Maschine zu minimieren.
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Der
Schaufelfüllvorgang
stellt somit die wesentlichen Anforderungen an das Bedienungspersonal,
da diese Phase des Ladespiels einen Arbeitsschritt darstellt, der
vom Fahrer ein hohes Maß an Konzentration
und Erfahrung fordert.
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Im
vierten Teilvorgang, dem Zurücksetzen vom
Haufwerk, wird nach Beendigung des Schaufelfüllvorgangs der Schaufelarm
in eine für
den Fahrbetrieb typische Stellung gebracht. Um loses Material aus
der Schaufel zu entfernen, ist es durchwegs üblich, noch vor dem Zurücksetzen
eine abschließende kurze
Aus- und Einkippsequenz auszusteuern. Dieser Impuls bzw. diese Impulsfolge
kann wiederum abhängig
vom Material sein und liegt im Ermessen des Bedienungspersonals.
Typischerweise wird, um Schwingungen der Schaufel während des
Fahrbetriebs zu vermeiden, die Schaufel an den mechanischen Anschlag
zum Schaufelarm geklemmt, indem der Kippzylinder mittels Joystickbefehl
bodenseitig mit Druck beaufschlagt wird. Danach setzt der Fahrer die
Maschine mit Rückwärtsgang
soweit zurück, dass
im Vorwärtsgang
der Weg zur Entladestelle aufgenommen werden kann.
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Schließlich sind
die letzten Teilvorgänge
5 und 6, nämlich
der Fahrbetrieb und das Auskippen der guten Ordnung halber zu ergänzen. Nach
dem Fahrtrichtungswech sel wird die Maschine durch das Bedienungspersonal
an die Entladestelle herangesteuert, beispielsweise ein LKW oder
eine Brechanlage. Der Hubarm wird während dieser Phase mittels Joystickbefehl
in die erforderliche Endladestellung gesteuert und die Schaufel
entleert.
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Insbesondere
der Schaufelfüllvorgang
von Arbeitsmaschinen repräsentiert
einen Teilvorgang während
eines Ladespiels, der vom Bedienungspersonal ein hohes Maß an Konzentration
und Erfahrung fordert, um die Maschine durch zufriedenstellende Materialumschlagleistung
wirtschaftlich zu steuern.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine an sich bekannte Arbeitsmaschine
derart weiterzubilden, dass eine automatisierte Befüllung der
Schaufel ermöglicht
wird, welche die Schaufel ohne manuellen Eingriff des Bedienungspersonals durch
das Materialhaufwerk führt.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch
anschließenden
Unteransprüchen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird mittels einer zentralen Steuereinheit automatisch
korrigierend in den Fahrantrieb der Arbeitsmaschine eingegriffen,
so dass – basierend
auf gemessenen Maschinenparametern – die Zugkraft der Maschine
während
des Schaufelfüllvorganges
auf ein – für das Laden
notwendiges – Niveau
regelt, um die Belastung der mechanischen Struktur zu minimieren.
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Die
Integration eines solchen Systems bietet somit vielerlei Vorteile,
wie
- – die
Minimierung der Bauteilschädigung
durch automatische Korrektur der Zugkraft bzw. des Drehmomentes
und dadurch bedingt
- – die
Reduzierung von Wartungs- und Ausfallzeiten sowie
- – die
Minimierung des Kraftstoffbedarfs,
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Durch
gezielte Nutzung durch das Bedienungspersonal zielt das System darauf
ab,
- – arbeitserleichternd
bzw. arbeitsunterstützend
zu wirken, um die Ermüdung
des Personals während monotoner
Arbeitsvorgänge
vorzubeugen sowie
- – den
Arbeitsablauf ungeübten
Fahrern zu erleichtern bzw. zu ermöglichen.
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Der
automatisierte Schaufelfüllvorgang
lässt sich
als Teilbaustein in die Steuerung eines vollständig autonom betriebenen, fahrerlosen
Radladers integrieren.
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Bei
halbautomatischem Schaufelfüllvorgang wird
zwar die Schaufel von der Bedienperson bewegt, der Bewegungsablauf
wird dabei aber automatisch so gesteuert, dass Hub- und Kippzylinderbefehlsvorgabe
und die Zugkraftvorgabe zur leistungsoptimierten Ausnutzung der
Hydraulikkomponenten koordiniert werden.
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Besonders
vorteilhaft kann die Arbeitsmaschine einen Sensor aufweisen, mit
dem die Materialstruktur des Haufwerks ermittelbar ist. Diese aufgenommenen
Werte können
bei der Schaufelfüllung
berücksichtigt
werden.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung der Standardladezyklen einer hier
beispielhaft als Arbeitsmaschine herausgegriffenen Erdbewegungsmaschine,
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2:
eine Darstellung eines Radladers und
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3:
die Arbeitsausrüstung
des Radladers gemäß 1 im
Detail.
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Die
Arbeitsausrüstung
eines Radladers 10 besteht aus einer Schaufel 1 mit
Bodenschneide 2, einem Hubarm 6, der im vorderen
Bereich der Maschine angelenkt ist und mittels mindestens einem Hubzylinder 7 bewegt
wird. Zur Bewegung der Schaufel dient ein Kippmechanismus, der mit
mindestens einem Kippzylinder 5 bewegt wird und die Ausfahrbewegung
mittels verschiedener Bauteile, z. B. 3 und 4,
in eine Drehbewegung der Schaufel umlenkt.
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Im
hier vorliegenden Beispiel ist ein Radlader als typisches Beispiel
der erfindungsgemäßen Erdebewegungsmaschine
erläutert.
Statt eines Radladers können
aber auch Laderaupen oder Teleskoplader entsprechend ausgestaltet
sein. Zur automatisierten Befüllung
der Schaufel werden in der Steuerung folgende Größen verarbeitet:
- – Maschinenfahrgeschwindigkeit
und/oder Antriebsstrangdrehzahl, die sich mittels handelsüblicher
Sensorik bestimmen lassen, beispielsweise mittels eines Seriendrehzahlsensors
im Getriebe,
- – Antriebsstrangdrehmoment
bzw. Zugkraft,
- – Hydraulikdrücke im Hub-
und Kippzylinder und hydrostatischem bzw. leistungsverzweigtem Fahrantrieb
mit handelsüblicher
Drucksensorik, beispielsweise basierend mit Dehnmeßstreifen applizierten
Membranen,
- – Positionsmesssystem
zur Bestimmung der Stellung der Arbeitsausrüstung.
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Die
manuelle Steuerung der Arbeitshydraulik erfolgt mittels einer zentralen
Steuereinheit, einem CAN-Bus und In- und Output-Modulen durch Betätigung eines
Joysticks in der Fahrerkabine durch das Bedienungspersonal.
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Um
während
des im folgenden noch näher erläuterten
automatisierten Schaufelfüllvorgangs auch
in den Fahrbetrieb eingreifen zu können, wird auch dieser von
einem Master gesteuert, womit eine Verknüpfung von Fahr- und Arbeitshydraulik
gewährleistet
werden kann. Dabei ist festzuhalten, dass die Verknüpfung von
Fahrantrieb und Arbeitshydraulik gemäß einer Ausführungsvariante
der Erfindung ermöglicht
sein soll. Diese Verknüpfung
ist jedoch nicht zwingend notwendig. Die Funktion der Grabautomatik
ist auch durch eine manuelle Zugkraftvorgabe durch das Bedienungspersonal
ermöglicht.
Der der Erfindung zugrundeliegende Steuerungsalgorithmus mit den
entsprechenden Regelstrategien kann in mehrere standardisierbare,
wiederholfähige
Funktionsabschnitte zerlegt werden, die nachfolgend als Betriebszustände beschrieben
werden.
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Im
ersten Betriebszustand betätigt
das Bedienungspersonal beim Heranfahren an das Materialhaufwerk
die Taste Grabautomatik. Die Charakteristik des zu ladenden Material
kann zuvor beispielsweise über
einen weiteren Taster, einen Drehknopf, einen Touch-Screen oder
eine andere Schnittstelle ausgewählt
werden.
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Die
Steuerung wechselt in den Modus Grabautomatik (Betriebszustand 1),
sofern eine Plausibilitätsabfrage
durch Überwachung
von Maschinenparametern dies zulässt.
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Falls
diese Bedingungen nicht zutreffen, sind die Voraussetzungen für einen
Ladevorgang nicht gegeben, womit der automatische Modus deaktiviert wird.
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Eine
Anzeige, beispielsweise eine Kombination von LED's visualisiert, dass sich die Maschine
in einem automatischen Modus befindet, unterstützt von einem akustischen Signal,
sobald dieser ausgelöst
wird. Die Zugkraftvorgabe erfolgt durch das Bedienungspersonal,
wobei die Funktion bei zu hoher Maschinenfahrgeschwindigkeit nicht
ausgelöst
werden kann bzw. deaktiviert wird.
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Durch
manuellen Joystickeingriff durch das Bedienungspersonal wird der
automatische Modus als überlagerte
Sicherheitsfunktion deaktiviert.
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Sobald
das Arbeitsgerät
in die initialisierte Position gebracht wurde, wechselt die Steuerung
in den nächsten
Betriebszustand.
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Im
zweiten Betriebszustand wird der Radlader an das Materialhaufwerk
herangefahren. Während
die Maschine weiterhin an das Haufwerk herangesteuert wird, überwacht
eine Routine, ob die Schaufelschneide das Material berührt.
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Im
dritten Betriebszustand dringt die Schaufel in das Materialhaufwerk
ein. Dabei wird die Zugkraft entweder durch den Fahrer manuell mittels
Fußpedal
vorgegeben oder – sofern
der Fahrantrieb und die Arbeitshydraulik verknüpft arbeiten – automatisch durch
die Maschinensteuerung. Die Drehmomentvorgabe durch das Fußpedal wird
dabei reduziert, in dem das maximale Drehmoment durch die Steuerung
korrigiert wird. Der Fahrer kann damit die Zugkraftvorgabe reduzieren,
jedoch nicht über
einen berechneten Wert erhöhen.
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Während des
Eindringvorgangs wird ein automatischer Hubbefehl erzeugt, um die
Reibung an der Schaufelbodenunterseite zu reduzieren und ein besseres
Eindringen zu ermöglichen.
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Durch Überwachung
der Maschinenparameter wird jener Zeitpunkt festgestellt, an dem
die Schaufel vollständig
in das Materialhaufwerk eingedrungen ist.
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Der
vierte Betriebszustand betrifft den Schaufelfüllvorgang. Den wesentlichen
Teil der Automatisierung des Schaufelfüllvorganges stellt die Regelstrategie
während
des Schaufelfüllvorganges
zur Ausübung
eines zusammengesetzten Bewegungsablaufes des Arbeitswerkzeuges
dar. Konzeptionell soll die Zugkraft dabei soweit reduziert werden,
dass eine optimale Wirkung der Hubzylinder gewährleistet ist. Bei einer verknüpften Regelung
von Fahrantrieb und Arbeitshydraulik stellt der Fahrantrieb nur
jene Zugkraft zur Verfügung,
die notwendig ist, um den Radlader während des Schaufelfüllvorganges
in einer Weise weiterhin nach vorne zu bewegen, so dass
- – ausreichend
Leistung der Energiequelle, das heißt beispielsweise des Dieselmotors
oder gegebenenfalls auch des Elektromotors der Arbeitshydraulik
zur Verfügung
gestellt wird, um Hub- und Kippzylinderkraft optimal nutzen zu können,
- – der
Fahrantrieb möglichst ökonomisch,
beispielsweise bei niedriger Dieselmotordrehzahl, betrieben wird
und
- – die
Bauteilschädigung
aufgrund hoher Drehmomente minimiert wird.
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Bei
gut ladbarem Material beruht die Schaufelfüllbewegung auf langsamem Einkippen
der Schaufel bzw. einem überlagerten
Anheben des Hubarmes bis der Ladevorgang abgeschlossen ist.
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Die
Meßdatenauswertung
für verschiedene Materialien
zeigt, dass mit steigender Korngröße und breiterer Korngrößenverteilung
die Reproduzierbarkeit der Ladevorgänge abnimmt, wodurch auch die Kontinuität des Füllvorganges
abnimmt. Die auftretenden Unstetigkeiten, wie große Steine
oder Blöcke im
Material, sind in der Regelung berücksichtigt.
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Während die
Steuerung im vorherigen Betriebszustand, das heißt dem Eindringvorgang, ein dem
Hubzylinderdruck proportionalen Hubbefehlsignal erzeugt, werden
Hub- und Kippbefehl beim Schaufelfüllvorgang überlagert. Die Strategie zur
Erzeugung der dafür
notwendigen Befehlssignale wird im folgenden im Detail beschrieben:
Grundlage
für die
Erkenntnisse sind dabei reale, reproduzierbare Meßzyklen,
mit einem gleichbleibendem, optimalen Schaufelfüllungsgrad. Mittels Auswerteroutinen
können
die Zusammenhänge
von Maschinenparametern ermittelt werden, die zur Regelung der Schaufelbewegung
während
des Grabvorgangs herangezogen werden können.
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Eine
Auswertung entsprechender Meßdaten zeigt,
dass als führende
Größe für die Steuerung
der Hubzylinderdruck herangezogen werden kann. Bei dem hier näher dargestellten
Ausführungsbeispiel
erfolgt aber die Erzeugung der Kippbefehlsignale in regelnder Weise.
Nach Auswertung entsprechender Meßdaten konnte gezeigt werden,
dass es einen Zusammenhang zwischen dem Hubzylinderdruck und der
Kippzylindergeschwindigkeit gibt. Hierbei kann man davon ausgehen,
dass der Hubzylinderdruck proportional zur Kippzylindergeschwindigkeit
ist. Somit kann während
des Schaufelfüllvorgangs
ein gemessener Hubzylinderdruckwert einem materialabhängiger Ziel-Kipplzylindergeschwindigkeitswert
für eine
Regelung der Schaufelbewegung zugeordnet werden. Im Vergleich zu
Systemen von Mitbewerbern arbeitet das System in regelnder Weise.
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In
der Steuerung wird während
dieses Betriebszustands der Sollwert basierend auf dem Hubzylinderdruck
ständig
modifiziert und mit dem Ist-Wert der tatsächlichen Zylindergeschwindigkeit verglichen.
Regelungstechnisch liegt eine Folgeregelung vor. Die Regelabweichung
und ein geeigneter Regler, beispielsweise ein Proportionalregler,
erzeugen entsprechend elektrische Kippbefehlssignale zur Bewegung
des Steuerschiebers im hydraulischen Ventilblock, der dieses Befehlssignal
in eine Bewegung am Kippzylinder zur Füllung der Schaufel umsetzt.
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Die
entsprechende Zuordnung von Hubzylinderdruck und Ziel-Kippzylindergeschwindigkeit
ist in der zentralen Steuereinheit entweder als Kennfeld hinterlegt
oder mittels analytischem Zusammenhangs im Funktionsverlauf beschrieben.
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Beispielsweise
lässt sich
dieser Zusammenhang für
grobkiesige Materialien für
eine Vielzahl gleichbleibender Meßzyklen in Form einer Häufigkeitszuordnung
darstellen. Eine Kombination von aufgenommenen Häufigkeitsmatrizen erlaubt die Darstellung
des Ziel-Kippzylindergeschwindigkeitswertes als Kennfeld.
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Als
führende
Größe zur Erzeugung
des automatischen Hubbefehls wird wiederum der Hubzylinderdruck
herangezogen. Diesem wird ebenfalls eine Ziel-Zylindergeschwindigkeit zugeordnet,
in diesem Fall für
den bzw. die Hubzylinder.
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Untersuchungen
haben ergeben, dass der Hubzylinderdruck und die Hubzylindergeschwindigkeit
im Anwendungsfall umgekehrt proportional sind, woraus sich insgesamt
ergibt, dass Hub- und Kippbefehl umgekehrt proportional erzeugt
werden.
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Analog
dem Kippbefehl lässt
sich auch für den
Hubbefehl aufgrund aufgenommener Häuigkeitsmatrizen ein mathematisch
beschreibbares Kennfeld erstellen, das mittels Regressionsmethoden
idealisiert werden kann.
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Das
elektrische Hubbefehlssignal basiert auf der Differenz von Sollwert
und der Ist-Zylindergeschwindigkeit,
erzeugt durch einen geeigneten Regler.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Erdbewegungsmaschine
lassen sich Inhomogenitäten
im Material des Haufwerks erkennen.
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Wie
zuvor ausgeführt,
steigt mit zunehmender Korngröße die Schwierigkeit
zur reproduzierbaren Durchführung
des Schaufelfüllvorganges.
Bei großen
Steinen oder Blöcken
im Haufwerk ist es mit der zuvor beschriebenen Standardroutine unter
Umständen
nicht möglich,
die Schaufel optimal zu füllen. Sollte
also der Hubzylinderdruck nach leichtem Einkippen der Schaufel sehr
stark abfallen und dabei die Schaufel noch nicht sehr weit angehoben
sein, ist mit einem großen
Stein im Haufwerk zu rechnen. Beim Fortsetzen der Standardroutine
würde die
Schaufel zu früh
aus dem Material ausbrechen, was einen schlechten Schaufelfüllungsgrad
zur Folge hätte. Aus
diesem Grund muss zunächst
die Zugkraft reduziert und die Schaufel unter einem bestimmten Winkel
ausgekippt werden, um anschließend
wieder zur Standardroutine zurückzukehren
und den Schaufelfüllvorgang
fortzusetzen.
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Parallel
zur Schaufelfüllroutine überwacht die
Steuerung die Zylinderwege sowie den Hubzylinderdruck, um das Ende
des Schaufelfüllvorganges festzustellen.
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Durch Überwachung
des Hubzylinderdrucks bzw. dessen zeitliche Veränderung kann festgestellt werden,
wann die Schaufel aus dem Materialhaufwerk ausbricht und gefüllt ist.
Ferner kann geprüft werden,
ob die ausfahrenden Zylinder eine vorbestimmte Position erreicht
haben. Treffen die Bedingungen zu, wechselt die Steuerung in den
nächstfolgenden
Betriebszustand (Betriebszustand 5), womit der Schaufelfüllvorgang
beendet ist.
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Im
Fall eines fahrerunterstützenden
Systems wird der Schaufelfüllungsgrad
durch das Bedienungspersonal beurteilt. Hier kann also der Automatikmodus
umgestellt werden.
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Wird
das System als Teil einer autonom arbeitenden Erdbewegungsmaschine
eingesetzt, erfolgt die Bestimmung des Schaufelfüllungsgrades – und damit
das Ergebnis des Schaufelfüllvorganges – durch Überwachung
des Hubzylinderdruckes, über den,
abhängig
von Maschinen- und Ausrüstungstyp, auf
die Nutzlast geschlossen wird.
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Im
Fall einer negativen Rückmeldung
muss der Schaufelfüllvorgang
wiederholt werden.
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Zur
Vermeidung von Schwingungen der gefüllten Schaufel wird die Schaufel
nun durch den Kippzylinder an den mechanischen Anschlag geklemmt,
wodurch übermäßiger Materialverlust
beim Heranfahren an die Endladestelle verhindert werden kann. Durch
Vorgabe eines abschließenden
automatischen Kippbefehlsignals erreicht die Schaufel den Anschlag
am Hubarm.
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Durch
Aufrechterhaltung des Kippbefehls über einen vorbestimmten Zeitraum
baut sich auf der Bodenseite des Kippzylinders ein hoher Druck auf, der
Schaufel und Hubgerüst
verspannt und ein Schwingen der Schaufel und damit verbundenen Materialverlust
vermeidet.
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In
diesem Betriebszustand kann vor dem Klemmen der Schaufel an den
Anschlag die Schaufel abschließend
um einen kleinen Winkel aus- und wieder eingekippt werden, um loses
Material zu entfernen. Dieses dient dazu, ein Herabfallen von losem Material
auf dem Fahrweg während
des Verfahrens der Erdbewegungsmaschine zu vermeiden.
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Mit
Beendigung der voll- oder teilautomatischen Funktion wird auch die
Regelung des Fahrantriebes deaktiviert.
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Als
zusätzliche überlagerte
Sicherheitsfunktion kann es vorgesehen sein, den automatischen Modus
abbrechen zu können.
Hier kann die Funktion „Grabautomatik" durch einen manuellen
Eingriff mittels Joystick jederzeit durch das Bedienpersonal beendet
werden.
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Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann auch die Möglichkeit
bestehen, dem Fahrer während
des Eindringvorgangs der Schaufel in das Haufwerk sowie des Schaufelfüllvorganges
einen korrigierenden Eingriff in den vollautomatischen Bewegungsablauf
der Grabautomatik mittels Joystick zu ermöglichen, wobei dieses Befehlssignal
dann Priorität
gegenüber
dem automatisch erzeugten hat. Eine rasche Deaktivierung muss dann über eine
andere geeignete Schnittstelle erfolgen.
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Erfindungsgemäß können in
Form von kennfeldabgelegten Materialcharakteristika alternativ auch
durch entsprechende Feldversuche der Erdbewegungsmaschine eingelernt
werden. Damit wird die Zuordnung von Zylinderdruck und Zylindergeschwindigkeit
auch online in der Erdbewegungsmaschine erfolgen.
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Das
Bedienungspersonal kann zu dieser Online-Ermittlung einen eigenen
Modus (beispielsweise „Teach-Modus") einstellen, wodurch
der Aufzeichnungsvorgang gestartet wird. Beispielsweise durch Drücken eines
Tasters wird während
des Ladezyklus der Beginn des Schaufelfüllvorgangs markiert. Durch das
mehrmalige Wiederholen dieses Vorganges wird eine Vielzahl von Druck-
und Geschwindig keitswerten gespeichert, die mittels einer Häufigkeitsmatrix klassifiziert
werden. Somit kann einem unbekannten Material (beispielsweise einem
grobkörnigen
Material) eine spezifische Ladecharakteristik direkt am Einsatzort
zugeordnet werden, wobei diese Anlernprozedur für den automatisierten Arbeitsablauf
nicht zwingend erforderlich ist. Nach Aufnahme dieser Werte kann
dann bei der Ausführung
der Funktion „Grabautomatik" die neugelernte
Charakteristik für die
Hub- und Kippzylindergeschwindigkeit anstelle der im Speicher abgelegten
Standardkennfelder herangezogen werden.
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Hierdurch
wird eine adaptive Methode an die Hand gegeben, die verändernde
Materialeigenschaften durch Modifizierung der automatischen Hub-
und Kippbefehlsignale berücksichtigt,
und sich dadurch wesentlich von bekannten „teach-in" Systemen zur automatischen Schaufelbefüllung unterscheiden.