DE3907134A1 - Verfahren und vorrichtung zur lagebestimmung eines an dem freien ende des mehrgelenkigen auslegers angeordneten werkzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lagebestimmung eines an dem freien Ende eines mehrgelenkigen Auslegers angeordneten Werkzeuges, wobei die Auslegerabschnitte um zueinander parallele und im wesentlichen horizontale Schwenkachsen untereinander und mit einem Grundgestell der Arbeitsmaschine verbunden und um die jeweilige Schwenkachse verstellbar sind, und wobei aus der Winkellage und dem Achsabstand bzw. der Länge der Auslegerabschnitte deren Lage berechnet wird und der Lage entsprechende Anzeige- und/oder Steuersignale zur Steuerung der Auslegeabschnitte und/oder des Werkzeugs erzeugt werden.

Im Tiefbau kommen häufig Bagger zum Einsatz, bei denen der Löffel oder ein anderes Werkzeug hydraulisch über einen mehrgelenkigen Ausleger bewegt wird. Bei Arbeiten z.B. unter Wasser oder beim Schlitzwandbau kann der Fahrer Position und Orientierung des Löffels ohne Hilfsmittel nicht erkennen. Selbst wenn er das Werkzeug sehen kann, erfordert die Steuerung des Werkzeuges eine große Sorgfalt und Erfahrung, da sich bei einem mehrteiligen Ausleger die Bewegung des Werkzeuges aus einer translatorischen Bewegung und einer Drehbewegung zusammensetzt. Gleiches gilt auch für andere Arbeits­ maschinen, wie sie beispielsweise beim Tunnelvortrieb verwendet werden. Auch hier sind wegen der zum Teil sehr schlechten Sichtverhältnisse die an Auslegern mon­ tierten Werkzeuge für die Bedienungsperson an der Arbeitsmaschine nicht zu erkennen.

Es sind Maschinen bekannt, bei denen das Werkzeug da­ durch kontrolliert wird, daß an allen Auslegergelenken Winkelgeber montiert sind, deren Meßwerte zur Bestim­ mung der Winkellage der Auslegerabschnitte verwendet werden. Dieses Verfahren hat eine Reihe von Nachteilen. An den Gelenkachsen müssen spezielle Verbindungen und Kupplungen zwischen den zueinander bewegten Maschinen­ teilen und den Winkelgebern vorgesehen sein. Beim Aus­ tausch von Teilen des Auslegers muß stets auf die Mon­ tage des Winkelgebers Rücksicht genommen werden. Häufig verursachen die Winkelgeber eine bauliche Verbreiterung des Auslegers an den Gelenkstellen. Dies kann insbeson­ dere beispielsweise bei einem zum Schlitzwandbau be­ stimmten Bagger sehr hinderlich sein. Beim Einsatz unter Wasser sind wasserdichte Drehdurchführungen am Winkelgeber erforderlich. Es wird nur die relative Stellung der Maschinenteile untereinander gemessen. Da die Gelenke bei derartigen Auslegern relativ einfach aufgebaut sind, läßt sich bei der Größe der Gelenke ein gewisses Spiel kaum vermeiden, so daß es eine genaue Winkelmessung zwischen den Teilen erschwert. Winkel­ fehler zwischen den Teilen können sich jedoch über den gesamten Ausleger hin addieren und zu einem erheblichen Fehler bei der Lagebestimmung des am freien Ende des Auslegers, d.h. weit entfernt von dem Grundgestell der Arbeitsmaschine gelagerten Werkzeuges führen. Schließ­ lich muß auch die Beziehung zu einem äußeren Koordinatensystem über eine zusätzliche Lagebestimmung des Grundgestells oder Fahrgestells der Arbeitsmaschine hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Nachteile die Lage der Auslegeabschnitte und/oder des am Ausleger an­ geordneten Werkzeuges der Arbeitsmaschine auf einfache Weise und dennoch genau durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Bestimmung der Winkellage der Auslegerabschnitte jeweils deren Neigung bezüglich der Gravitations­ richtung gemessen wird.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß man die zur Berechnung der Lage des Werkzeuges bzw. der Auslegerabschnitte erforderlichen Daten im richtig ori­ entierten Koordinatensystem, nämlich im direkten Bezug zur Gravitationsrichtung und damit zur Erdoberfläche erhält. Die Messung der Neigung eines Auslegerabschnittes kann an jeder beliebigen Stelle desselben erfolgen. Damit entfallen die bei der bekannten Lösung auftretenden konstruktiven Probleme an den Auslegergelenken.

Bei gelenkiger Verbindung des Werkzeuges mit dem freien Ende des Auslegers kann auch die Neigung des Werkzeuges bezüglich der Gravitationsrichtung gemessen und seine Lage in der gleichen Weise wie die der einzelnen Aus­ legerabschnitte bestimmt werden. Ist zu erwarten, daß die Schwenkachsen des Auslegers nicht exakt horizontal sind, kann auch die Orientierung des Grundgestells re­ lativ zur Gravitationsrichtung bestimmt und in die Rechnung mit einbezogen werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines an dem freien Ende eines mehr­ gelenkigen Auslegers angeordneten Werkzeuges, wobei die Auslegerabschnitte um zueinander parallele und im wesentlichen horizontale Schwenkachsen schwenkbar un­ tereinander und mit einem Grundgestell der Arbeits­ maschine verbunden und um die jeweilige Schwenkachse verstellbar sind und wobei eine Rechenvorrichtng vorge­ sehen ist, um aus der Winkellage und den Achsabstand bzw. der Länge der Auslegeabschnitte deren Lage zu be­ rechnen und der Lage entsprechende Anzeige- und/oder Steuersignale zur Steuerung der Auslegerabschnitte und/oder des Werkzeugs zu erzeugen. Erfindungsgemäß ist an jedem Auslegerabschnitt ein mit der Rechenvor­ richtung verbundener Neigungsmesser zur Messung der Neigung des jeweiligen Auslegerabschnittes gegenüber der Gravitationsrichtung angeordnet. Neben dem oben er­ wähnten Vorteil, daß der genaue Einbauort und damit auch Meßort an den einzelnen Auslegerteilen im Prinzip beliebig und nach praktischen Bedürfnissen frei wählbar ist, kommt hinzu, daß Neigungsmesser keine nach außen führenden beweglichen Teile benötigen. Bei der Montage der Neigungsmesser braucht nur auf die Ausrichtung der empfindlichen Sensorachse geachtet zu werden. Der Neigungsmesser kann im übrigen an einer Stelle des Aus­ legerabschnittes angeordnet werden, an der er weder das Arbeiten mit der Arbeitsmaschine behindert noch der Gefahr einer Beschädigung ausgesetzt ist. Diese Vorzüge des Neigungsmessers ermöglichen es, einen solchen Neigungsmesser auch an dem Werkzeug vorzusehen, wenn dieses gegenüber dem Ausleger beweglich gelagert ist.

Neigungsmesser sind prinzipiell in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Zur Messung der Neigung gegenüber der Gravitationsrichtung kann jede Art von Pendel die­ nen. Die nach dem Pendelprinzip arbeitenden Neigungs­ messer reagieren allerdings nicht nur auf durch Drehun­ gen um eine horizontale Achse hervorgerufene Lage­ änderungen, sondern auch auf Translations- und Rotationsbeschleunigungen. Da das Werkzeug einer Arbeitsmaschine, beispielsweise der Löffel eines Bag­ gers natürlich mit einer endlichen und nicht unbeträchtlichen Geschwindigkeit bewegt werden kann, muß eine Möglichkeit gefunden werden, auch bei einer vernünftigen Arbeitsgeschwindigkeit zuverlässige Meßresultate zu erhalten. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß jeder Neigungsmesser ein Pendel und einen reibungsarm frei drehbar gelagerten Rotor hohen Trägheitsmomentes umfaßt, wobei das Pendel und der Rotor in einem fest mit dem jeweiligen Auslegerab­ schnitt verbundenen Gehäuse mit jeweils parallel zu den Schwenkachsen des Auslegers gerichteter Pendel- bzw. Rotorachse gelagert sind, und daß jeweils eine Meßvorrichtung zur berührungslosen Messung des Dreh­ winkels des Rotors bzw. der Pendelstellung relativ zum Gehäuse vorgesehen ist. Dabei sind vorzugsweise Mittel vorgesehen, um die Pendelschwingungen dämpfen zu kön­ nen. Mit dem reibungsarm gelagerten ausgewuchteten Rotor wird man für kurze Zeiten unabhängig von den Pen­ dels Schwingungen. Bei hoher Dämpfung werden durch einen Mitführ- oder Schleppeffekt Pendelschwingungen mit beträchtlicher Amplitude angeregt, während bei kleiner Dämpfung das Ausschwingen einmal angeregter Schwingungen sehr lange dauert. Der Rotor erlaubt die Überbrückung der ersten Schwingungsperioden mit großer Pendelamplitude. Bei guter Auswuchtung reagiert der Rotor bzw. die um eine horizontale Achse drehbar gelagerte Masse nicht auf Zentrifugal- oder Translationsbeschleunigungen. Wäre der Rotor tatsächlich reibungsfrei gelagert, könnte aus der Drehung um die Lagerachse direkt die Neigungsänderung der Rotoraufhängung und damit des jeweiligen Auslegerab­ schnittes oder des Werkzeuges abgelesen werden. Die je­ doch unvermeidliche Lagerreibung hat zwei Effekte:

Bei sehr kleiner Drehbeschleunigung der Rotor-Lager­ achse (d.h. des jeweiligen Maschinenteiles) im Raum wird der Rotor durch die Anlaufreibung mitgeführt. Es wird somit keine Neigungsänderung angezeigt. Bei norma­ len Drehungen, wie sie im üblichen Betrieb von Arbeits­ maschinen auftreten, erzeugt die Lagerreibung einen Schleppeffekt, der während der Drehbewegung zu einem Zurückbleiben der Winkelanzeige führt. Es wird also eine mitgeführte Drehbewegung im raumfesten Koordinatensystem angeregt. Nach der Beendigung der Drehung des jeweiligen Maschinenteils wird andererseits die Rotormasse weiterrotieren, bis die Reibungsverluste das System wieder zur Ruhe gebracht haben. Das Reib­ moment kann aufgrund der Lagerdaten rechnerisch oder experimentell bestimmt werden. Die Datenverarbeitung in der Rechenvorrichtung ermöglicht zumindest eine grobe Korrektur der von der Meßvorrichtung zur Messung des Drehwinkels des Rotors gelieferten Winkelwerte bezüglich des Schleppeffektes, da das Reibmoment von Kugellagern bei kleinen Rotationsgeschwindigkeiten unabhängig von der Drehgeschwindigkeit konstant ist.

Wegen des Schleppfehlers am Rotor ist es erforderlich, den Nullpunkt für die Winkelbestimmung laufend zu über­ prüfen und nachzuführen. Diese Nullpunkts-Information und damit den Bezug zur Gravitationsrichtung liefert die dem Pendel zugeordnete Meßvorrichtung. Wenn der je­ weilige Abschnitt des Auslegers und/oder das Werkzeug zur Ruhe gekommen sind, stellt sich das Pendel auf die Gravitationsrichtung ein, so daß dann an der dem Pendel zugeordneten Meßvorrichtung der neue Nullpunkt für eine anschließende Drehwinkelmessung des Rotors festgelegt werden kann.

Vorzugsweise ist das Pendel von einem mit einer Unwucht versehenen frei drehbar gelagerten Rotationskörper ge­ bildet, wobei die Größe der Unwucht einstellbar sein kann. Das von der Unwucht bewirkte Richtmoment sollte groß genug sein, um bei einem gegebenen Reibmoment der verwendeten Lager einen Fehler von nicht mehr als ca. 1 mrad zu ermöglichen.

Die Dämpfung des Pendels sollte bei einem Pendel mit gegebener Masse, effektiver Pendellänge und Lagerreibung so gewählt werden, daß das Pendel nach Stillstand seiner Aufhängung nur wenige Schwingungen ausführt und zum Beispiel mit einer Zeitkonstante in der Größenordnung von einer Sekunde zur Ruhe kommt. Eine Dämpfung des Pendels kann berührungsfrei dadurch erfolgen, daß der das Pendel bildende Rotationskörper eine Metallscheibe umfaßt, der gehäusefeste Magnete derart zugeordnet sind, daß sie bei der Bewegung der Metallscheibe in dieser Wirbelströme erzeugen.

Die Messung der Pendelbewegung relativ zum Gehäuse kann berührungsfrei in der Weise erfolgen, daß die Meßvorrichtung zur Messung der Pendelauslenkung ein Feldplattenpotentiometer ist, umfassend ein pendel­ festes Teil und ein diesem berührungsfrei zugeordnetes gehäusefestes Teil. Geeignete Feldplattenpotentiometer sind in der Praxis und der Fachliteratur bekannt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbin­ dung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung an­ hand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Löffelbaggers, bei dem das erfin­ dungsgemäße Verfahren eingesetzt werden kann,

Fig. 2 eine perspektivische schematische Darstellung der beiden wesentlichen Elemente des erfindungsgemäßen Nei­ gungsmessers,

Fig. 3 ein die Achse des Pendels und des Rotors enthaltenden Schnitt durch den erfindungsgemäßen Neigungsmesser und

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Verknüpfung zwischen verschiedenen Meßvorrich­ tungen, Steuer- und Anzeige­ vorrichtungen des in Fig. 1 dar­ gestellten Löffelbaggers.

Der in Fig. 1 dargestellte, allgemein mit 10 bezeich­ nete Löffelbagger umfaßt ein Kettenfahrgestell 12 mit einem Drehkranz 14, auf dem das Baggergehäuse 16 dreh­ bar gelagert ist. An dem Baggergehäuse 16 ist ein all­ gemein mit 18 bezeichneter Ausleger schwenkbar gela­ gert, der an seinem freien Ende eine Schaufel oder einen Löffel 20 trägt. Der Ausleger 18 umfaßt einen er­ sten Auslegerabschnitt 22, der um eine horizontale Achse 24 am Baggergehäuse 16 angelenkt und mit Hilfe eines Hydraulikzylinders 26 um diese Achse 24 verschwenkbar ist. An dem freien Ende des Auslegerab­ schnittes 22 ist ein zweiter Auslegerabschnitt 28 um eine horizontale Achse 30 schwenkbar gelagert und mit Hilfe eines Hydraulikzylinders 32 um diese Achse verschwenkbar. Der Löffel 20 selbst ist an dem freien Ende des zweiten Auslegerabschnittes 28 um eine hori­ zontale Achse 34 schwenkbar gelagert und mittels eines Hydraulikzylinders 36 um diese Achse verschwenkbar. Beim Arbeiten des Baggers führt der Löffel 20 im allge­ meinen eine Bewegung aus, die sich aus einer Über­ lagerung einer Drehbewegung und einer translatorischen Bewegung ergibt. Die momentane Position und Stellung des Löffels 20 läßt sich ermitteln, wenn die jeweilige Winkellage der Auslegeabschnitte 22 und 28 sowie des Löffels 20 gegenüber der Gravitationsrichtung, d.h. der Vertikalen bekannt sind. Aus den Winkeln und den be­ kannten Achsabständen bzw. Längen der Auslegeabschnitte 22 und 28 kann dann die Position des Löffels 20 genau berechnet werden. Dies ergibt dann auch die Möglich­ keit, den Löffel entsprechend einer vorgegebenen Kurve mit Hilfe eines Steuerrechners zu steuern. Zur Ermitt­ lung der Winkellage der Auslegerabschnitte 28 und des Löffels 20 ist an jedem dieser Teile ein Neigungsmesser 38 befestigt, dessen Aufbau nun im folgenden anhand der Fig. 2 und 3 näher beschrieben werden soll.

Der Neigungsmesser umfaßt ein allgemein mit 40 bezeich­ netes Gehäuse mit einem Gehäuseboden 42 und einem an diesem mittels Schrauben 44 befestigbaren Gehäusedeckel 46. An seiner Innenseite trägt der Gehäuseboden einen Montagesockel 48, an dem eine Lagerplatte 50 befestigt ist. Die Lagerplatte 50 ist etwa mittig innerhalb des Gehäuses 40 angeordnet und trägt auf ihrer einen Seite einen einstückig mit ihr ausgebildeten Lagerzapfen 52, auf dem mit Hilfe von Lagern 54 ein Rotor 56 hohen Trägheitsmomentes frei drehbar gelagert ist. Der Rotor 56 ist im Rahmen der erreichbaren und für den vorlie­ genden Fall noch sinnvollen Genauigkeit ausgewuchtet und so gut wie möglich reibungsfrei gelagert. Dem Rotor 56 ist ein allgemein mit 58 bezeichneter Winkelcodierer zugeordnet. Er umfaßt ein mit der Lagerplatte 50 ver­ bundenes Gehäuse 60 und eine mit der Nabe 62 des Rotors 56 drehfest verbundene Strichscheibe 64. Die Striche auf der Strichscheibe 64 können mit Hilfe von Sensoren 66 (Fig. 2) abgetastet werden.

Auf der dem Rotor 56 abgewandten Seite der Lagerplatte ist eine Bodenplatte 68 eines Lagergehäuses 70 befe­ stigt, das ferner einen Gehäusedeckel 72 umfaßt. In der Bodenplatte 68 und dem Gehäusedeckel 72 ist mittels La­ gern 74 eine Welle 76 frei drehbar gelagert, die auf einem den Gehäusedeckel 72 durchsetzenden Endabschnitt eine Metallscheibe 78 trägt. Diese ist mittels einer Schraube 80 drehfest mit der Welle 76 verbunden. An der Scheibe 78 ist ferner eine kreissektorförmige Masse 82 befestigt. Die Scheibe 68 und die Masse 82 bilden zu­ sammen ein allgemein mit 84 bezeichnetes Pendel.

In dem Montagesockel 48 ist ein Schlitz 86 ausgebildet, in dem zwei oder mehrere Permanent-Magnete 88 angeordnet sind, die zwischen sich einen Spalt 90 bilden, in den die Metallscheibe 78 mit ihrem radial äußeren Randbereich eintaucht. Die Magnete 88 bewirken, daß bei einer Schwingbewegung des Pendels 84 um seine Ruhelage Wirbelströme in der Metallscheibe 78 induziert werden, so daß die Pendelbewegung rasch gedämpft wird.

Innerhalb des Gehäuses 70 befindet sich ein Feldplattenpotentiometer zur Messung der Pendel­ stellung. Es umfaßt die an der Innenseite des Gehäuse­ deckels 72 befestigten Feldplatten 92 sowie eine dreh­ fest mit der Pendelwelle 76 verbundene Fühlerscheibe bzw. Fühlerspirale 94. Mit diesem Feldplatten­ potentiometer kann berührungsfrei die jeweilige Pendelstellung gemessen werden.

Im folgenden wird die Arbeitsweise des soweit beschrie­ benen Neigungsmessers erläutert. Bei einer sehr langsa­ men Bewegung der mit dem Gehäuse 40 des jeweiligen Neigungsmessers 38 verbundenen Auslegerabschnitte 22, 28 und des Löffels 20, bei der Beschleunigungskräfte vernachlässigt werden können, könnte man zu jedem Zeit­ punkt aus der Pendelstellung den Winkel des den Neigungsmesser 38 tragenden jeweiligen Maschinenteiles relativ zur Gravitationsrichtung bestimmen. Im tatsäch­ lichen Betrieb der Arbeitsmaschine jedoch wirkt auf das Pendel nicht nur die Erdanziehungskraft. Das Pendel wird bei einer Schwenkbewegung des den Neigungsmesser tragenden Maschinenteils um die jeweilige Horizontal­ achse aufgrund von Lagerreibung mitgenommen und durch eine Beschleunigung des jeweiligen Maschinenteiles ausgelenkt. Es muß sich erst wieder auf seine Ruhelage einschwingen. Ferner greifen an dem Pendel bei einer Drehbewegung des Baggergehäuses 16 um die Vertikalachse des Drehkranzes Zentrifugalkräfte an und lenken das Pendel aus. Bei einer konstanten Drehgeschwindigkeit wird das Pendel auch um einen konstanten Betrag aus seiner jeweiligen Ruhelage ausgelenkt und schwingt sich nach dem Anhalten des Baggergehäuses auf seine Ruhelage ein. Daher ist das Pendel allein für eine kurzfristige Anzeige der tatsächlichen Winkellage des den Neigungsmesser tragenden Maschinenteils nicht geeignet. Es liefert jedoch in den Ruhephasen der jeweiligen Maschinenteile jeweils einen Absolutwert des Winkels des betreffenden Maschinenteiles relativ zur Gravitationsrichtung.

Kurzfristige Aussagen über die Änderung des jeweiligen Winkels werden aus der Relativdrehung zwischen dem Rotor 56 und dem Gehäuse 40 des Neigungsmessers gewon­ nen. Bei einer idealen reibungsfreien Lagerung und einer idealen Auswuchtung des Rotors 56 würde dieser bei jeder beliebigen Bewegung des Gehäuses 40 in Ruhe bleiben. Aus der Drehung des Rotors um die Lagerachse relativ zum Gehäuse 40 könnte in diesem Falle direkt die Neigungsänderung der Rotoraufhängung abgelesen wer­ den. Die in der Praxis unvermeidliche Lagerreibung hat zwei Effekte. Bei sehr kleiner Drehbeschleunigung der Lagerachse, d.h. des das Gehäuse 40 tragenden Maschinenteiles im Raum wird der Rotor durch die An­ laufreibung mitgeführt. Es wird keine Neigungsänderung angezeigt. Bei normalen Drehungen, wie sie bei dem an­ hand der Fig. 1 beschriebenen Löffelbagger auftreten, erzeugt die Lagerreibung einen Schleppeffekt, der wäh­ rend der Drehbewegung zu einem Zurückbleiben der Winkelanzeige führt. Nach Beendigung der Drehung wird die Rotormasse weiter rotieren, bis die Reibungs­ verluste den Rotor wieder zur Ruhe gebracht haben.

Das Reibmoment der Rotorlager 54 kann aufgrund der Lagerdaten oder auch experimentell bestimmt werden. Es ist nun möglich, die von dem Winkelsensor oder Winkelcodierer 64, 66 gelieferten Werte über die Winkeländerung hinsichtlich des Schleppeffektes zu kor­ rigieren, da das Reibmoment von Kugellagern bei kleinen Rotationsgeschwindigkeiten unabhängig von der Dreh­ geschwindigkeit und damit konstant ist. Dies gibt die Möglichkeit, ausgehend von dem jeweils letzten vom Pen­ del 84 gelieferten Absolutwert, kurzfristig aus der mit Hilfe des Rotors ermittelten Winkeländerung die momen­ tane Winkelstellung des den Neigungsmesser 38 tragenden Maschinenteil zu ermitteln.

Im einzelnen geht man bei der Ermittlung der jeweiligen Winkelstellung des berachteten Maschinenteiles folgen­ dermaßen vor:

Aus dem Winkelcodierer am Rotor 56 ergibt sich bei jedem Meßzyklus ein von Querbeschleunigungen ungestör­ ter Näherungswert für die Änderung δΦ _R des momentanen Neigungswinkels Φ. Durch Integration ergibt sich der Winkel Φ _R als Maß für die resultierende Drehung der Rotoraufhängung im Raum. Der Nullpunkt für die Integra­ tion ist allerdings unbekannt und muß aus dem Pendel 84 gewonnen werden.

Das Pendel 84 liefert ständig einen aktuellen Neigungs­ winkel Φ _P , der aber wegen eventuell angeregter Schwingungen von Schwankungen überlagert sein kann, bzw. beim Vorliegen von Querbeschleunigungen vorüberge­ hend mit einem Richtungsfehler behaftet ist.

Wegen der Lagerreibung des Rotors 56 verharrt dieser nicht stabil im raumfesten Koordinatensystem, sondern bei Rotation der Lagerachse 52 tritt ein Schleppfehler auf. In erster Näherung kann für die Lagerreibung ein konstantes Reibmoment M _R angenommen werden und daraus durch Integration über die Zeit ein Korrekturwinkel be­ rechnet werden. Für die Änderung der Winkel­ geschwindigkeit w _R gilt:

dw _R /dt = M _R R; wenn δΦ _R ungleich 0

(mit R = Trägheitsmoment des Rotors).

Diese Winkelbeschleunigung läßt sich mit dem Zeit­ schritt T zu einer Korrektur δ k _R für die Winkel­ änderung δΦ _R integrieren:

δ k _R = δ k _Rold ± M _R R T

wo nach jedem Zyklus δ k _Rold = δ k _R gesetzt wird.

Das Vorzeichen der Korrektur entspricht dem von δΦ _R , da die Reibung stets zu einer Verlangsamung der Relativbewegung von Lager und Rotor führt.

Der Wert des Reibmoments M _R muß in praktischer Erprobung gefunden werden.

Es wird also in jedem numerischen Zyklus die Rotorwinkeländerung δΦ _R um den beschriebenen Reibungsterm zu δΦ _R′ korrigiert und durch Integration ein Rotorwinkel Φ _R′ gewonnen. Dabei ist der Integrations-Nullpunkt noch unbekannt. Dieser wird iterativ aus der Differenz D zum momentanen Pendel­ winkel Φ _P gewonnen, indem ein geeignet gewählter Bruchteil dieser Differenz (D = Φ _R′ -Φ _P ) vom Integral abgezogen wird.

Bei sehr langsamer Drehung der Rotorachse 52 kann die Haftreibung in den Lagern 54 dazu führen, daß am Winkelcodierer gar keine Änderung auftritt. Ändert sich dabei gleichzeitig der Pendelwinkel, so muß dieser ver­ wendet werden.

Eine lang dauernde konstante Querbeschleunigung wird zu einem nicht eliminierbaren Fehler führen, da dieser Fall nicht von einer konstanten Neigung unterschieden werden kann. In der geplanten Anwendung an einem Bagger tritt diese Situation bei horizontalen Schwenk­ bewegungen auf, z.B. beim Schwenken zum Entladen des Löffels. In dieser Situation ist aber die Messung un­ wichtig, da der Baggerführer den Löffel 20 sehen kann.

Die vorstehend beschriebenen Rechenschritte werden in einer Rechenvorrichtung 96 durchgeführt, in der ferner aus den so gewonnenen Winkeldaten und aus den bekannten gespeicherten Abständen zwischen den Achsen 24 und 30 bzw. 30 und 34 oder der Länge der Teile 22, 28 und 20 die momentane Position der Schaufel oder des Löffels 20 berechnet werden kann. Hierzu können in die Rechnung noch Daten der in der Fig. 4 abgebildeten Geber 98, 100, 102 und 104 mit einbezogen werden, die in dieser Reihenfolge den Drehwinkel des Baggergehäuses 16 gegenüber dem Fahrgestell 12, die Neigung des Fahrgestells 12 gegenüber der Vertikalen, die translatorische Bewegung des Fahrgestells 12 und die Drehbewegung des Fahrgestells 12 gegenüber dem Boden messen. Die gewonnenen Daten können in einer Anzeigevorrichtung 106 angezeigt und zur Erzeugung von Steuersignalen verwendet werden, die einer Steuervorrichtung 108 zugeführt werden, mit deren Hilfe sämtliche Antriebsaggregate des Baggers 10 gesteuert werden können.

Claims (11)

1. Verfahren zur Lagebestimmung eines an dem freien Ende eines mehrgelenkigen Auslegers (18) angeord­ neten Werkzeuges (20), wobei die Auslegerab­ schnitte (22, 28) um zueinander parallele und im wesentlichen horizontale Schwenkachsen (24, 30) untereinander und mit einem Grundgestell (12) der Arbeitsmaschine (10) verbunden und um die jewei­ lige Schwenkachse (24, 30) verstellbar sind, und wobei aus der Winkellage und dem Achsabstand bzw. der Länge der Auslegerabschnitte (22, 28) deren Lage berechnet wird und der Lage entsprechende Anzeige- und/oder Steuersignale zur Steuerung der Auslegerabschnitte (22, 28) und/oder des Werkzeugs (20) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Winkellage der Auslegerabschnitte (22, 28) je­ weils deren Neigung bezüglich der Gravitations­ richtung gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei gelenkiger Verbindung des Werkzeuges (20) mit dem freien Ende des Auslegers (18) die Neigung des Werkzeuges (20) bezüglich der Gravitationsrichtung gemessen und seine Lage in der gleichen Weise wie die der einzelnen Ausleger­ abschnitte (22, 28) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Grundgestells (12) bezüglich der Vertikalen gemes­ sen und als Korrekturgröße in die Lagebestimmung mit einbezogen wird.

4. Vorrichtung zur Lagebestimmung eines an dem freien Ende eines mehrgelenkigen Auslegers (18) angeord­ neten Werkzeuges (20), wobei die Auslegerab­ schnitte (22, 28) um zueinander parallele und im wesentlichen horizontale Schwenkachsen (24, 30) schwenkbar untereinander und mit einem Grund­ gestell (12) der Arbeitsmaschine (10) verbunden und um die jeweilige Schwenkachse (24, 30) ver­ stellbar sind und wobei eine Rechenvorrichtung (96) vorgesehen ist, um aus der Winkellage und dem Achsabstand bzw. der Länge der Auslegerabschnitte (22, 28) deren Lage zu berechnen und der Lage ent­ sprechende Anzeige- und/oder Steuersignale zur Steuerung der Auslegerabschnitte (22, 28) und/oder des Werkzeugs (20) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Aus­ legerabschnitt (22, 28) ein mit der Rechenvor­ richtung (96) verbundener Neigungsmesser (38) zur Messung der Neigung des jeweiligen Auslegerab­ schnittes (22, 28) gegenüber der Gravitations­ richtung angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (20) um eine zu den Schwenkachsen (24, 30) des Auslegers (18) pa­ rallele Achse (34) verstellbar an dem freien Ende des Auslegers (18) angelenkt ist, und daß an dem Werkzeug (20) ein mit der Rechenvorrichtung (96) verbundener Neigungsmesser (38) zur Messung der Neigung des Werkzeugs (20) gegenüber der Gravitationsrichtung angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Neigungs­ messer (38) ein Pendel (84) und einen reibungsarm frei drehbar gelagerten Rotor (56) hohen Trägheitsmomentes umfaßt, die in einem fest mit dem jeweiligen Auslegerabschnitt (22, 28) verbun­ denen Gehäuse (40) mit jeweils parallel zu den Schwenkachsen (28, 30) des Auslegers (18) gerich­ teter Pendel- bzw. Rotorachse gelagert sind, und daß jeweils eine Meßvorrichtung (64, 66 bzw. 92, 94) zur berührungslosen Messung des Drehwinkels des Rotors (56) bzw. der Pendelstellung relativ zum Gehäuse (40) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pendel (84) von einem mit einer Unwucht (82) versehenen frei drehbar gela­ gerten Rotationskörper (78) gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Unwucht (82) einstellbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Neigungsmesser (38) Mittel (88) zur Dämpfung der Pendelschwingungen umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotations­ körper eine Metallscheibe (78) ist, der gehäuse­ feste Magnete (88) derart zugeordnet sind, daß sie bei einer Bewegung der Metallscheibe (78) in die­ ser Wirbelströme erzeugen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung zur Messung der Pendelauslenkung ein Feldplattenpotentiometer ist, umfassend ein pendelfestes Teil (94) und ein diesem berührungs­ frei zugeordnetes gehäusefestes Teil (92).