EP1246973B1 - Mobile machine with device for controlling the position of working devices and method for controlling the position - Google Patents
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- EP1246973B1 EP1246973B1 EP00991646A EP00991646A EP1246973B1 EP 1246973 B1 EP1246973 B1 EP 1246973B1 EP 00991646 A EP00991646 A EP 00991646A EP 00991646 A EP00991646 A EP 00991646A EP 1246973 B1 EP1246973 B1 EP 1246973B1
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- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
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- E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
- E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
- E02F3/36—Component parts
- E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
- E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
- E02F3/431—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like
- E02F3/432—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like for keeping the bucket in a predetermined position or attitude
- E02F3/433—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like for keeping the bucket in a predetermined position or attitude horizontal, e.g. self-levelling
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- E02F3/432—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like for keeping the bucket in a predetermined position or attitude
Definitions
- the invention relates to a mobile machine with a device for position control Work equipment of the mobile work machine and a Position control method for mobile work equipment Working machine.
- DE 197 52 439 A1 describes a micromechanical device Tilt sensor, especially for motor vehicles, as such known, which has a support plate, the inclination is determined to the horizontal. Furthermore, there are at least two pressure sensor units integrated on the carrier plate Determination of one on the carrier plate at the respective Dots applied pressure provided. A ground plate is with the carrier plate over the pressure sensor units connected. From those produced by the pressure sensor units An evaluation unit determines the inclination of the data Carrier plate to the horizontal. The mass plate exercises here after tilting the device into which the tilt sensor built-in, a different force on the respective pressure sensor unit. To measure the Tilt angle must be at least two pressure sensors be provided. These are described in DE 197 52 439 A1 Piezoresistive pressure transducers.
- the Device for position control includes a measuring device Position sensors for measuring an angle, which between one by the location of the work facility certain plane and the direction of gravitational force is formed, an angle encoder for specifying an angle, which between one by the location of the work facility certain plane and the direction of gravitational force is formed, and a control device for controlling the Angle between the plane of the work equipment and the Direction of gravity so that the measured angle with is brought into line with the predetermined angle.
- a device for level control in a harbor crane is known from DE 39 38 766 A1.
- Control valve with one in its position by gravity fixed pendulum as an actuator in mechanical control connection is known from DE 39 38 766 A1.
- DE 39 38 766 A1 uses this measure Loading and unloading crane, which is particularly suitable for loading and unloading Unloading of ships is appropriate, so oriented that Raising and lowering the crane boom is a find located on it Discharge device in a fixed position relative remains for the rest of the construction.
- a disadvantage of the known from DE 39 38 766 A1 Level control is particularly one-dimensional Execution.
- the device preferably for The device is sufficient for ships, for mobile Working machines such as B. earthmoving machines, which preferably on construction sites and therefore on uneven Moving underground is a one-dimensional position correction however not sufficient.
- the object of the present invention is therefore a mobile work machine with a contraption for position control of work equipment of the mobile work machine and a method for position control for Work equipment of the mobile work machine to create, making the work facilities both in in several directions as well as on the traffic surface reliable according to the position of the machine can be adjusted without being in uneven terrain Charge loss occurs.
- the invention is based on the knowledge that the Alignment of a mobile work facility Work machine not alone or immobile when shooting material, but especially when Transport of the picked up material to the site Avoiding charge loss is important. Accordingly, a device designed for this purpose is suitable for alignment with respect to Gravitational force defined plane and in a allow a satisfactorily short time.
- the Mobile work machine according to the invention with the Device or the corresponding The method provides an arrangement which Position correction with respect to gravitational force and possibly allows inverse acceleration force vertical plane.
- the arrangement is simple to manufacture and easy to use commercially available sensors.
- the arrangement is both for execution in one Suitable for spatial direction as well as in two spatial directions.
- Position correction in the longitudinal and transverse directions advantageous. at In a particularly preferred embodiment, the through the normal runtime induced natural vibrations and their multiples eliminated.
- the predetermined angle is particularly preferred in this way set that by the location of the work facility defined plane perpendicular to the resultant Gravitational force and inverse acceleration force stands.
- the circuit comprises a first sensor 1, which measures a first angle in a first spatial direction, hereinafter referred to as x. This first angle is referred to below as ⁇ x .
- a second sensor 2 accordingly measures a second angle in a second spatial direction y. The second angle is referred to below as ⁇ y.
- the measured angles ⁇ X and ⁇ Y are obtained via a first comparator 3 and a second comparator 4 with an angle ⁇ x 'for the spatial direction x and ⁇ y ' for the spatial direction y, which angle can be determined by an angle transmitter 5 and which can be 90 °, for example , compared.
- the comparators 3 and 4 form a comparison device 6.
- the angle transmitter 5 can either provide a fixed predetermined angle or an angle ⁇ x 'or ⁇ y ' which can be adjusted manually using a manual control transmitter 5a.
- the signal in the x-direction passes through a first bandstopper 7 after the first comparator 3, the signal in the y-direction after the second comparator 4 passes through a second bandstopper 8.
- the bandstopper 7 and 8 have the purpose that ⁇ in the system due to the control run Eliminate the natural vibration f R and, if necessary, their multiples 2 f R , 3 f R , ..., so that the dynamic behavior of the system remains controllable and no resonances occur.
- the signal After passing through the bandstop 7, the signal is in the x direction amplified by a first amplifier 9 so as to to be able to control a first electromagnet 10.
- the first electromagnet 10 is used to actuate a first Control valve 11 required, which in turn a first hydraulic control element 12 for position correction in the controls first spatial direction x. Accordingly it will Signal in the y direction after passing through the bandstop 8 a second amplifier 13 amplified by a second Electromagnet 14 and thus a second control valve 15 head for.
- the second control valve 15 actuates a second one hydraulic actuator 16. This will Work facility in the second spatial direction y aligned.
- the position control is carried out until the comparators 3 and 4 determine no difference between the measured angle ⁇ x or ⁇ Y and the preset angle a x 'or a y '.
- the differences ⁇ x '- ⁇ x and ⁇ y ' - ⁇ y become almost zero in terms of amount or are at least below a value that can still be tolerated for an angular deviation ⁇ , for example ⁇ 3 °.
- Fig. 2 shows a second embodiment of a Device for position control for Work equipment of the mobile work machine according to the invention.
- Components that have already been described in Fig. 1 are the same Reference numerals and are not in the following described again. While in Fig. 1 it is a Embodiment is in analog technology, that is in Fig. 2 illustrated embodiment in digital technology executed.
- the device shown in Fig. 2 differs of the device shown in Fig. 1 mainly by using a digital control unit 34, which both the function of the band locks? and 8 as well that of the comparison device 6 takes over.
- the comparison device 6 is accordingly constructed as follows:
- the angle ⁇ x output by the sensor 1 is preamplified by a first preamplifier 30 and then by a first analog-digital converter 32 from an analog measured angle value to a digital one which can be processed by a digital control unit 34 Value converted -
- the angle ⁇ y is amplified by a second pre-amplifier 31 and converted into a digital value by a second analog-digital converter 33.
- the predetermined angle ⁇ x 'or ⁇ y ' is determined by the angle transmitter 5 by a third analog -Digital converter 35 also implemented and supplied to the digital control unit 34, which can be designed as a microprocessor.
- the digital control unit 34 is besides comparing the Angle values are also responsible for filtering the signals.
- the filter unit as a digital filter with Bandstop characteristic executed.
- the Band-stop characteristic corresponds to that in FIG. 1 illustrated embodiment, for example, that in Fig. 3A and 3B illustrated second order diqital band-stop filter and is supported by an appropriate program in the Control unit 34 provided.
- the digital control unit 34 has a memory 36 which, for. B. the Possibility offers, the measured and compared data to save and for later external processing to provide.
- the balanced signals from sensors 1 and 2 are shown by a first digital-to-analog converter 37 and a second Digital-to-analog converter 38 to analog signals reconverted.
- the analog signals are through Amplifiers 9 and 13 amplified and the electromagnet 10 and 14 fed.
- the pump 18 and the tank 17 are analogous to the first Exemplary embodiment hydraulic actuators 12 and 16 driven. These then ensure the correct position of the Work facility 41.
- FIG. 3A shows a digital filter which, by means of various delay elements for delaying the sampling values (denoted by z -1 in FIG. 3A) and coefficient elements a 0 , a 1 and a 2 for changing the amplitude of the sampling values, has a bandstop filter with that in FIG. 3B shown resonance frequency f R generated.
- a further digital filter can be provided to filter out the double resonance frequency 2f R.
- FIG. 4A illustrates the prior art.
- the excavator bucket 41 In the lower position of the excavator bucket 41 (left in Image), the excavator bucket 41 is aligned so that a imaginary level 42, which through the overhead opening of the Excavator bucket 41 is placed, always parallel to Surface of the earth.
- Common machines 40 have thereby a lifting mechanism for the work device 41 on which is designed so that the excavator bucket 41 so The level 42 is raised through the opening the excavator bucket 41 is always set remains parallel to the ground.
- a different reference plane 42 ' is proposed for the alignment of the excavator bucket 41.
- an imaginary plane 42 ′ is also defined on the working device 41 of the working machine 40 shown in FIG. 4B through the opening of the excavator bucket 41 located at the top. This is now no longer necessarily parallel to the ground, but always approximately perpendicular to the direction of the gravitational force, marked with the vector g in FIG. 4B. This can be achieved both in the lower and in the upper position of the excavator bucket 41.
- the one-dimensional correction of the Location of the excavator bucket 41 can easily in two directions perpendicular to one another, for example lengthways and transverse to the direction of movement.
- FIG. 5 shows a schematic excavator bucket 41 for this purpose shown in perspective.
- Excavator bucket 41 both transverse to the direction of travel and in Direction of travel can be swung up and down. So at Driving forward on uneven terrain be avoided to the side from the excavator bucket 41.
- FIG. 6 schematically shows a working machine 40 according to the invention when driving through uneven terrain, the position of the working device 41 also being regulated here by its relative position with respect to the gravitational force g .
- the position of the working device 41 also being regulated here by its relative position with respect to the gravitational force g .
- it makes sense to assume a limit value for the angle deviation ⁇ for the angle ⁇ between the plane 42 defined by the excavator bucket 41 and the direction of the gravitational force g , from which point the position control can be omitted.
- a reasonable middle ground is found between an uninterrupted position correction, which requires a lot of energy and can be unfavorable due to the control delay, and charge loss due to a lack of position correction.
- the described filter suppresses resonance peaks that can occur when the control excitation caused by the uneven ground coincides with the resonance frequency f R of the system.
- the plane 42 defined by the orientation of the excavator bucket 41 is oriented perpendicular to the direction of the gravitational force g
- the excavator bucket 41 is shown enlarged in FIG. 7. It is assumed that the mobile work machine 40 is subject to a deceleration due to a braking operation. The decelerating acceleration force b therefore acts on the excavator bucket 41.
- an inverse acceleration force b ' acts in relation to the reference system of the excavator bucket 41 due to the inertia force b' in the inverse direction of the acceleration force b decelerating the excavator bucket 41, ie the acceleration force b ' acting on the bulk material in the reference system of the excavator bucket 41 however, the same amount as the acceleration force b acting on the excavator bucket 41 in the deceleration direction is rotated by 180 °.
- the resultant r from the gravitational force g and the inverse acceleration force b ' therefore acts on the bulk material located in the excavator bucket 41. It is therefore advantageous to regulate the plane 42 by the position control according to the invention so that the plane 42 is perpendicular to the resultant r .
- a further measuring device 29 is provided for measuring the acceleration or deceleration of the mobile working machine 40. The acceleration and deceleration can also be measured separately in the dimensions x and y. While in the embodiment shown in FIG.
- the measuring device 29 for measuring the acceleration is directly connected to the angle transmitter 5 and the angle ⁇ x ′ given by the angle transmitter 5, in the x direction and the angle ⁇ given in the y direction y , overridden, the measuring device 29 for measuring the acceleration in the exemplary embodiment shown in FIG. 2 is connected in digital technology to the control unit 34 via an analog-digital converter 28, which performs a computational correction of the predetermined angles ⁇ x 'and ⁇ y ' depending on the measured acceleration.
- This training ensures that Position control of the excavator bucket or generally Working device 41 is carried out so that bulk goods also a stronger acceleration or deceleration of the mobile Work machine 40 is not lost.
- the invention is not shown on the Embodiments limited, but can also using any work machines different sensors or filter devices be applied.
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Description
Die Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine mit einer Vorrichtung zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen der mobilen Arbeitsmaschine und ein Verfahren zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen der mobilen Arbeitsmaschine.The invention relates to a mobile machine with a device for position control Work equipment of the mobile work machine and a Position control method for mobile work equipment Working machine.
Aus der DE 197 52 439 A1 ist ein mikromechanischer Neigungssensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, als solches bekannt, welcher eine Trägerplatte aufweist, deren Neigung zur Horizontalen bestimmt wird. Ferner sind mindestens zwei auf die Trägerplatte integrierte Drucksensoreinheiten zur Bestimmung eines auf die Trägerplatte an den jeweiligen Punkten aufgebrachten Drucks vorgesehen. Eine Masseplatte ist mit der Trägerplatte über die Drucksensoreinheiten verbunden. Aus den von den Drucksensoreinheiten produzierten Daten ermittelt eine Auswertungseinheit die Neigung der Trägerplatte zur Horizontalen. Die Masseplatte übt dabei je nach Neigung des Gerätes, in welches der Neigungssensor eingebaut ist, eine unterschiedlich starke Kraft auf die jeweilige Drucksensoreinheit aus. Zur Messung des Neigungswinkels müssen mindestens zwei Drucksensoren vorgesehen sein. Diese sind in der DE 197 52 439 A1 als piezoresistive Druckaufnehmer ausgebildet. DE 197 52 439 A1 describes a micromechanical device Tilt sensor, especially for motor vehicles, as such known, which has a support plate, the inclination is determined to the horizontal. Furthermore, there are at least two pressure sensor units integrated on the carrier plate Determination of one on the carrier plate at the respective Dots applied pressure provided. A ground plate is with the carrier plate over the pressure sensor units connected. From those produced by the pressure sensor units An evaluation unit determines the inclination of the data Carrier plate to the horizontal. The mass plate exercises here after tilting the device into which the tilt sensor built-in, a different force on the respective pressure sensor unit. To measure the Tilt angle must be at least two pressure sensors be provided. These are described in DE 197 52 439 A1 Piezoresistive pressure transducers.
Aus der DE 40 30 954 A1 und der US 5,257,177 A ist eine mobile Arbeitsmaschine bekannt, welche eine Vorrichtung zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen aufweist. Die Vorrichtung zur Lageregelung umfaßt eine Meßeinrichtung mit Positionssensoren zur Messung eines Winkels, welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung bestimmten Ebene und der Richtung der Gravitationskraft gebildet ist, einen Winkelgeber zur Vorgabe eines Winkels, welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung bestimmten Ebene und der Richtung der Gravitationskraft gebildet ist, und eine Regeleinrichtung zum Regeln des Winkels zwischen der Ebene der Arbeitseinrichtung und der Richtung der Schwerkraft, so daß der gemessene Winkel mit dem vorgegebenen Winkel in Übereinstimmung gebracht wird. From DE 40 30 954 A1 and US 5,257,177 A is one known mobile machine, which is a device for Has position control for work facilities. The Device for position control includes a measuring device Position sensors for measuring an angle, which between one by the location of the work facility certain plane and the direction of gravitational force is formed, an angle encoder for specifying an angle, which between one by the location of the work facility certain plane and the direction of gravitational force is formed, and a control device for controlling the Angle between the plane of the work equipment and the Direction of gravity so that the measured angle with is brought into line with the predetermined angle.
Eine Vorrichtung zur Niveauregelung bei einem Hafenkran ist aus der DE 39 38 766 A1 bekannt. Hier wird eine Niveauregelung unter Verwendung eines hydraulischen Steuerventils zum Ansteuern eines oder mehrerer hydraulischer Stellorgane für ein ein bestimmtes Niveau beizubehaltendes Teil vorgeschlagen, wobei das Teil mit einem anderen seine Lage beliebig veränderbaren Teil gekoppelt ist. Um eine hohe Betriebssicherheit ohne Verwendung teuerer Elektronik zu gewährleisten, steht das Steuerventil mit einem in seiner Lage durch die Schwerkraft festgelegten Pendel als Betätigungseinrichtung in mechanischer Stellverbindung.A device for level control in a harbor crane is known from DE 39 38 766 A1. Here is one Level control using a hydraulic Control valve for controlling one or more hydraulic actuators for a certain level proposed part to be retained, the part with another part that can be changed in any position is coupled. To ensure high operational reliability without To ensure the use of expensive electronics, that stands Control valve with one in its position by gravity fixed pendulum as an actuator in mechanical control connection.
Bei einer Neigung der Vorrichtung erfolgt ein gedämpfter Pendelausschlag in einer festgelegten Raumrichtung, der über das Steuerventil auf das hydraulische Stellglied übertragen wind. In der DE 39 38 766 A1 wird durch diese Maßnahme ein Be- und Entladekran, welcher insbesondere zum Be- und Entladen von Schiffen geeignet ist, so ausgerichtet, daß bei Heben und Senken des Kranbaumes eine daran befindliche Beund Entladungseinrichtung in einer festgelegten Lage relativ zum restlichen Aufbau verbleibt.If the device is inclined, it is damped Pendulum deflection in a defined spatial direction, the over transfer the control valve to the hydraulic actuator wind. DE 39 38 766 A1 uses this measure Loading and unloading crane, which is particularly suitable for loading and unloading Unloading of ships is appropriate, so oriented that Raising and lowering the crane boom is a find located on it Discharge device in a fixed position relative remains for the rest of the construction.
Nachteilig an der aus der DE 39 38 766 A1 bekannten Niveauregelung ist insbesondere die eindimensionale Ausführung. Für das in der oben genannten Offenlegungsschrift offenbarte Ausführungsbeispiel der Niveauregelung an einem Be- und Entladekran vorzugsweise für Schiffe ist die Vorrichtung durchaus ausreichend, für mobile Arbeitsmaschinen wie z. B. Erdbewegungsmaschinen, welche sich vorzugsweise auf Baustellen und demnach auf unebenem Untergrund bewegen, ist eine eindimensionale Lagekorrektur jedoch nicht ausreichend.A disadvantage of the known from DE 39 38 766 A1 Level control is particularly one-dimensional Execution. For that in the above Laid-open patent disclosed embodiment of the Level control on a loading and unloading crane, preferably for The device is sufficient for ships, for mobile Working machines such as B. earthmoving machines, which preferably on construction sites and therefore on uneven Moving underground is a one-dimensional position correction however not sufficient.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, eine mobile Arbeitsmaschine mit einer Vorrichtung zur Lageregelung von Arbeitseinrichtungen der mobilen Arbeitsmaschine und ein Verfahren zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen der mobilen Arbeitsmaschine zu schaffen, wodurch die Arbeitseinrichtungen sowohl in mehreren Richtungen als auch auf dem befahrenen Untergrund gemäß der jeweiligen Lage der Arbeitsmaschine zuverlässig angepaßt werden kann, ohne daß in unebenem Terrain Ladungsverlust auftritt.The object of the present invention is therefore a mobile work machine with a contraption for position control of work equipment of the mobile work machine and a method for position control for Work equipment of the mobile work machine to create, making the work facilities both in in several directions as well as on the traffic surface reliable according to the position of the machine can be adjusted without being in uneven terrain Charge loss occurs.
Die Aufgabe wird bezüglich der Arbeitsmaschine durch die
Merkmale der Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens durch
die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst. The task is performed by the machine
Features of
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Ausrichtung einer Arbeitseinrichtung einer mobilen Arbeitsmaschine nicht allein in unbeweglichem Zustand oder bei der Aufnahme von Material, sondern insbesondere beim Transport des aüfgenommenen Materials im Gelände zur Vermeidung von Ladungsverlusten von Bedeutung ist. Dementsprechend muß eine Vorrichtung, die für diesen Zweck geeignet ist, eine Ausrichtung bezüglich einer zur Gravitationskraft definierten Ebene und in einer zufriedenstellend kurzen Zeit ermöglichen. Die erfindungsgemäße mobile Arbeitsmaschine mit der Vorrichtung bzw. das entsprechende Verfahren stellt eine Anordnung zur Verfügung, welche eine Lagekorrektur bezüglich einer zur Gravitationskraft und ggf. inversen Beschleunigungskraft senkrechten Ebene ermöglicht.The invention is based on the knowledge that the Alignment of a mobile work facility Work machine not alone or immobile when shooting material, but especially when Transport of the picked up material to the site Avoiding charge loss is important. Accordingly, a device designed for this purpose is suitable for alignment with respect to Gravitational force defined plane and in a allow a satisfactorily short time. The Mobile work machine according to the invention with the Device or the corresponding The method provides an arrangement which Position correction with respect to gravitational force and possibly allows inverse acceleration force vertical plane.
Die Unteransprüche 2 bis 9 beinhalten vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung.The
Insbesondere die Möglichkeit, die Vergleichseinrichtung sowohl in herkömmlicher analoger Bauweise als auch in integrierter schaltungstechnik auszuführen, ist von Vorteil, da so den speziellen Anforderungen einzelner Arbeitsmaschinen genügt werden kann.In particular, the possibility of the comparison device both in conventional analog design and in It is an advantage to implement integrated circuit technology because so the special requirements of individuals Working machines can be sufficient.
Die Anordnung ist einfach herzustellen und leicht mit handelsüblichen Sensoren auszustatten.The arrangement is simple to manufacture and easy to use commercially available sensors.
Die Anordnung ist sowohl zur Ausführung in einer Raumrichtung als auch in zwei Raumrichtungen geeignet. Insbesondere bei Erdbewegungsmaschinen ist eine Lagekorrektur in Längs- und Querrichtung vorteilhaft. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden die durch die Regellaufzeit hervorgerufenen Eigenschwingungen und deren Vielfache eliminiert.The arrangement is both for execution in one Suitable for spatial direction as well as in two spatial directions. Especially in earth moving machines Position correction in the longitudinal and transverse directions advantageous. at In a particularly preferred embodiment, the through the normal runtime induced natural vibrations and their multiples eliminated.
Besonders bevorzugt wird der vorgegebene Winkel so eingestellt, daß die durch die Lage der Arbeitseinrichtung definierte Ebene senkrecht zu der Resultierenden aus Gravitationskraft und inverser Beschleunigungskraft steht. The predetermined angle is particularly preferred in this way set that by the location of the work facility defined plane perpendicular to the resultant Gravitational force and inverse acceleration force stands.
Dadurch wird auch bei Beschleunigungen der Arbeitseinrichtung, z. B. durch Fahrbewegungen, die Arbeitseinrichtung so positioniert, daß Ladungsverlust vermieden wird. In der Zeichnung werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine dargestellt und nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.As a result, even with accelerations of the work equipment, for. B. through driving movements, the work equipment so positions that loss of charge is avoided. In the drawing, preferred embodiments of the Work machine according to the invention shown and below explained in more detail with reference to the drawing.
In der Zeichnung zeigen:
- Fig. 1
- in einem ersten Schaltbild ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine zur Regelung und Ansteuerung von hydraulischen Stellelementen zur Lageregelung beweglicher Arbeitseinrichtungen der mobilen Arbeitsmaschine;
- Fig. 2
- in einem zweiten Schaltbild ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung der erfindungsgemäßen Arbeitmaschine;
- Fig. 3A-3B
- den prinzipiellen Aufbau einer als
Bandsperre 2. Ordnung ausgelegten digitalen Filtereinheit sowie den zugehörigen Amplitudengang; - Fig. 4A-4B
- in einer vereinfachten Darstellung die Bewegung einer mobilen Arbeitsmaschine im Gelände gemäß dem Stand der Technik sowie einer erfindungsgemäßen mobilen Arbeitsmaschine bei Bewegung im Gelände;
- Fig. 5
- in einer perspektivischen Darstellung ein Beispiel für eine Arbeitseinrichtung einer mobilen Arbeitsmaschine mit den möglichen Schwenkrichtungen;
- Fig. 6
- eine schematische erfindungsgemäße mobile Arbeitsmaschine mit der Vorrichtung zur Lageregelung in unebenem Gelände; und
- Fig. 7
- eine Skizze bezüglich einer die Beschleunigung berücksichtigenden Laderegelung.
- Fig. 1
- in a first circuit diagram, a first exemplary embodiment of the device of the working machine according to the invention for regulating and controlling hydraulic adjusting elements for position control of movable working devices of the mobile working machine;
- Fig. 2
- in a second circuit diagram, a second embodiment of the device of the work machine according to the invention;
- 3A-3B
- the basic structure of a digital filter unit designed as a second-order bandstop filter and the associated amplitude response;
- 4A-4B
- in a simplified representation the movement of a mobile machine in the field according to the prior art and a mobile machine according to the invention when moving in the field;
- Fig. 5
- a perspective view of an example of a working device of a mobile machine with the possible swivel directions;
- Fig. 6
- a schematic mobile work machine according to the invention with the device for position control in uneven terrain; and
- Fig. 7
- a sketch of a charge control that takes acceleration into account.
In Fig. 1 ist in einem ersten Blockschaltbild ein erstes
Ausführungsbeispiel der vorrichtung zur
Lageregelung für Arbeitseinrichtungen der erfindungsgemäßen mobilen
Arbeitsmaschine dargestellt. Die Schaltung umfaßt einen
ersten Sensor 1, welcher einen ersten Winkel in einer ersten
Raumrichtung, im Folgenden mit x bezeichnet, mißt. Dieser
erste Winkel wird im Folgenden mit αx bezeichnet. Ein
zweiter Sensor 2 mißt entsprechend einen zweiten Winkel in
einer zweiten Raumrichtung y. Der zweite Winkel wird im
Folgenden mit αy bezeichnet. Die gemessenen Winkel αX und αY
werden über einen ersten Komparator 3 und einen zweiten
Komparator 4 mit einem von einem Winkelgeber 5 festgelegten
Winkel αx' für die Raumrichtung x und αy' für die
Raumrichtung y, welcher beispielsweise jeweils 90° betragen
kann, verglichen. Die Komparatoren 3 und 4 bilden eine
Vergleichseinrichtung 6. Der Winkelgeber 5 kann dabei
entweder einen fest vorgegebenen oder auch einen von Hand
über einen Handsteuergeber 5a einstellbaren Winkel αx' bzw.
αy' zur Verfügung stellen.1 shows a first block diagram of a first exemplary embodiment of the device for position control for work equipment of the mobile work machine according to the invention. The circuit comprises a
Das Signal in x-Richtung durchläuft nach dem ersten
Komparator 3 eine erste Bandsperre 7, das Signal in y-Richtung
nach dem zweiten Komparator 4 eine zweite
Bandsperre 8. Die Bandsperren 7 und 8 haben den Zweck, die
durch die Regellauf zeit τ im System hervorgerufene
Eigenschwingung fR und gegebenenfalls deren Vielfache 2 fR,
3 fR, ... zu eliminieren, damit das dynamische Verhalten des
Systems kontrollierbar bleibt und keine Resonanzen
auftreten.The signal in the x-direction passes through a
Nach Durchlaufen der Bandsperre 7 wird das Signal in x-Richtung
durch einen ersten Verstärker 9 verstärkt, um damit
einen ersten Elektromagneten 10 ansteuern zu können. Der
erste Elektromagnet 10 wird zur Betätigung eines ersten
Steuerventils 11 benötigt, welches wiederum ein erstes
hydraulisches Stellelement 12 zur Lagekorrektur in der
ersten Raumrichtung x ansteuert. Entsprechend wird das
Signal in y-Richtung nach Durchlaufen der Bandsperre 8 durch
einen zweiten Verstärker 13 verstärkt, um einen zweiten
Elektromagneten 14 und damit ein zweites Steuerventil 15
anzusteuern. Das zweite Steuerventil 15 betätigt ein zweites
hydraulisches Stellelement 16. Dadurch wird die
Arbeitseinrichtung in der zweiten Raumrichtung y
ausgerichtet.After passing through the
Zur Betätigung der hydraulischen Stellglieder 12 und 16 wird
eine in einem Tank 17 befindliche Hydraulikflüssigkeit durch
eine Pumpe 18 in einen vorderen oder hinteren Zylinderraum
eines ersten Zylinders 19 des ersten hydraulischen
Stellelements 12 bzw. in der vorderen oder hinteren
Zylinderraum eines zweiten Zylinders 20 des zweiten
hydraulischen Stellelements 16 gedrückt. Dadurch erfährt ein
erster Kolben 21 bzw. ein zweiter Kolben 22 eine
Lageänderung, welche wiederum für die Lageregelung der
Arbeitseinrichtung 41 sorgt.To actuate the
Die Lageregelung erfolgt so lange, bis die Komparatoren 3
und 4 keinen Unterschied zwischen dem gemessenen Winkel αx
bzw. αY und dem voreingestellten Winkel ax' bzw. ay'
feststellen. Dabei werden die Differenzen αx'-αx bzw. αy'-α y
betragsmäßig fast Null oder liegen zumindest unter einem
Wert, welcher für eine Winkelabweichung Δα noch toleriert
werden kann, beispielsweise ± 3°.The position control is carried out until the
Ist dieser Zustand erreicht, erfolgt keine Signaländerung
mehr an die Steuerventile 11 und 15, welche daraufhin in
eine Mittelstellung zurückschalten, ohne dabei die Position
der Stellglieder 12 und 16 weiter zu verändern. Das System
bleibt in der Mittelstellung, bis wieder ein geändertes
Signal von den Komparatoren 3 und 4 eingeht. If this state is reached, there is no signal change
more to the
Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrinchtung zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen der erfindungsgemäßen mobilen Arbeitsmaschine. Bauteile, die bereits in Fig. 1 beschrieben wurden, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden im Folgenden nicht nochmals beschrieben. Während es sich in Fig. 1 um ein Ausführungsbeispiel in Analogtechnik handelt, ist das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel in Digitaltechnik ausgeführt.Fig. 2 shows a second embodiment of a Device for position control for Work equipment of the mobile work machine according to the invention. Components that have already been described in Fig. 1 are the same Reference numerals and are not in the following described again. While in Fig. 1 it is a Embodiment is in analog technology, that is in Fig. 2 illustrated embodiment in digital technology executed.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich
von der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung hauptsächlich
durch die Verwendung einer digitalen Steuereinheit 34,
welche sowohl die Funktion der Bandsperren ? und 8 als auch
die der Vergleichseinrichtung 6 übernimmt.The device shown in Fig. 2 differs
of the device shown in Fig. 1 mainly
by using a
Die Vergleichseinrichtung 6 ist demnach folgendermaßen
aufgebaut: Der von dem Sensor 1 ausgegebene Winkel αx wird
durch einen ersten Vorverstärker 30 vorverstärkt und danach
durch einen ersten Analog-Digital-Wandler 32 von einem
analog gemessenen Winkelwert auf einen digitalen, von einer
digitalen Steuereinheit 34 verarbeitbaren Wert umgesetzt-Ebenso
wird der Winkel αy durch einen zweiten Vorwerstärker
31 verstärkt und durch einen zweiten Analog-Digital-Wandler
33 in einen digitalen Wert umgesetzt. Um den vorgegebenen
Winkel αx' bzw. αy' mit den von den Sensoren 1 und 2
ermittelten Winkeln αx und αy vergleichen zu können, wird
vom Winkelgeber 5 der vorgegebene Winkel αx' bzw. αy' durch
einen dritten Analog-Digital-Wandler 35 ebenfalls umgesetzt
und der digitalen Steuereinheit 34 zugeführt, die als
Mikroprozessor ausgebildet sein kann.The
Die digitale Steuereinheit 34 ist neben dem Vergleichen der
Winkelwerte auch für das Filtern der Signale zuständig. Dazu
ist die Filtereinheit als digitales Filter mit
Bandsperrencharakteristik ausgeführt. Die
Bandsperrencharakteristik entspricht wie in dem in Fig. 1
dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise der in Fig.
3A und 3B dargestellten diqitalen Bandsperre zweiter Ordnung
und wird durch ein entsprechendes Programm in der
Steuereinheit 34 bereitgestellt. Die digitale Steuereinheit
34 weist einen Speicher 36 auf, welcher z. B. die
Möglichkeit bietet, die gemessenen und abgeglichenen Daten
zu speichern und für eine spätere externe Weiterverarbeitung
zur Verfügung zu stellen.The
Die abgeglichenen Signale der Sensoren 1 und 2 werden durch
einen ersten Digital-Analog-Wandler 37 und einen zweiten
Digital-Analog-Wandler 38 in analoge Signale
zurückgewandelt. Die analogen Signale werden durch
Verstärker 9 und 13 verstärkt und den Elektromagneten 10 und
14 zugeführt. Durch die Steuerventile 11 und 15, die Pumpe
18 und den Tank 17 werden analog zum ersten
Ausführungsbeispiel hydraulische Stellglieder 12 und 16
angesteuert. Diese sorgen dann für die korrekte Lage der
Arbeitseinrichtung 41.The balanced signals from
In Fig. 3A ist ein digitales Bandpaßfilter zweiter Ordnung und in Fig. 3B der dazugehörige Frequenzgang prinzipiell erläutert. Fig. 3A zeigt ein digitales Filter, welches durch verschiedene Verzögerungsglieder zum Verzögern der Abstastwerte (in Fig. 3A mit z-1 bezeichnet) sowie Koeffizientenglieder a0, a1 und a2 zum Verändern der Amplitude der Abtastwerte eine Bandsperre mit der in Fig. 3B gezeigten Resonanzfrequenz fR erzeugt. Dies führt dazu, daß die Eigenschwingung fR des Systems, welche durch die Regellaufzeit τ hervorgerufen wird, sowie ihre ungeradzahligen Vielfachen (3fR, 5fR usw.) ausgefiltert werden. Dies verhindert ein Aufschaukeln des Systems. Dadurch kann eine einerseits hochdynamische und andererseits äußerst präzise Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden. Zum Ausfiltern der doppelten Resonanzfrequenz 2fR kann ein weiters digitales Filter vorgesehen sein.A digital bandpass filter of the second order is explained in FIG. 3A and the associated frequency response is explained in principle in FIG. 3B. FIG. 3A shows a digital filter which, by means of various delay elements for delaying the sampling values (denoted by z -1 in FIG. 3A) and coefficient elements a 0 , a 1 and a 2 for changing the amplitude of the sampling values, has a bandstop filter with that in FIG. 3B shown resonance frequency f R generated. This means that the natural vibration f R of the system, which is caused by the control time τ, and its odd multiples (3f R , 5f R etc.) are filtered out. This prevents the system from rocking. This allows a highly dynamic and, on the other hand, extremely precise function of the device according to the invention to be achieved. A further digital filter can be provided to filter out the double resonance frequency 2f R.
In Fig. 4 wird anhand einer schematisch dargestellten
Arbeitsmaschine 40 mit einer Baggerschaufel als
Arbeitseinrichtung 41 eine Anwendung der Erfindung in einer
Dimension näher erläutert.4 is shown schematically using a
Fig. 4A verdeutlicht dabei den bisherigen Stand der Technik.
In der unteren Stellung der Baggerschaufel 41 (links im
Bild) ist die Baggerschaufel 41 so ausgerichtet, daß eine
gedachte Ebene 42, welche durch die obenliegende Öffnung der
Baggerschaufel 41 gelegt ist, sich stets parallel zur
Erdoberfläche befindet. Gängige Arbeitsmaschinen 40 weisen
dabei einen Hebemechanismus für die Arbeitseinrichtung 41
auf, welcher so konzipiert ist, daß die Baggerschaufel 41 so
angehoben wird, daß die Ebene 42, welche durch die öffnung
der Baggerschaufel 41 festgelegt ist, weiterhin stets
parallel zum Erdboden bleibt.4A illustrates the prior art.
In the lower position of the excavator bucket 41 (left in
Image), the
Solange sich die Arbeitsmaschine 40 auf ebener Strecke
bewegt, ist damit auch kein Problem verbunden. Sobald sich
jedoch die Arbeitsmaschine 40 eine Steigung hinauf oder wie
in Fig. 4A rechts dargestellt hinunter bewegt, geht Material
43 verloren, da sich die durch die Baggerschaufel 41
festgelegte Ebene 42 nach wie vor parallel zum Erdboden
befindet und daher ab einer bestimmten Steigung das in der
Baggerschaufel 41 transportierte Material 43 herausrutscht.
Der Steigungswinkel, ab welchem mit Ladungsverlust zu
rechnen ist, ist dabei hauptsächlich von der Form der
Baggerschaufel 41 und der Befüllung bestimmt.As long as the working
Erfindungsgemäß wird, wie in Fig. 4B dargestellt, eine
andere Bezugsebene 42' für die Ausrichtung der
Baggerschaufel 41 vorgeschlagen. Wie in Fig. 4A wird auch an
der Arbeitseinrichtung 41 der in Fig. 4B dargestellten
Arbeitsmaschine 40 eine gedachte Ebene 42' durch die
obenliegende Öffnung der Baggerschaufel 41 definiert. Diese
ist nun nicht mehr zwingend parallel zum Erdboden, sondern
stets annähernd senkrecht zur Richtung der
Erdanziehungskraft, in Fig. 4B mit dem Vektor g
gekennzeichnet, gerichtet. Dies läßt sich sowohl in der
unteren wie auch in der oberen Stellung der Baggerschaufel
41 realisieren. Dies bietet den Vorteil, daß die
Baggerschaufel 41 erfindungsgemäß bei Bergauf- oder
Bergabfahrten wie auch bei Fahrten in unebenem Gelände so
nachreguliert wird, daß die durch die Baggerschaufel 41
verlaufende Ebene 42 stets senkrecht zur Richtung der
Erdbeschleunigung g ausgerichtet wird. Dadurch werden
Transportverluste aus der Baggerschaufel 41 vermieden.According to the invention, as shown in FIG. 4B, a different reference plane 42 'is proposed for the alignment of the
Die in Fig. 4 dargestellte, eindimensionale Korrektur der
Lage der Baggerschaufel 41 kann problemlos auch in zwei
zueinander senkrechten Richtungen, beispielsweise längs und
quer zur Bewegungsrichtung, erfolgen.The one-dimensional correction of the
Location of the
In Fig. 5 ist hierzu eine schematische Baggerschaufel 41
perspektivisch dargestellt. Durch die zur Bewegungsrichtung
parallelen und senkrechten Achsen A und B kann die
Baggerschaufel 41 sowohl quer zur Fahrtrichtung als auch in
Fahrtrichtung auf- und abgeschwenkt werden. So können bei
Fahrten in unebenem Gelände Ladungsverlusten nach vorne oder
zur Seite aus der Baggerschaufel 41 vermieden werden.5 shows a
In Fig. 6 ist schematisch eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine 40 bei der
Fahrt durch unebenes Gelände dargestellt, wobei auch hier
die Lage der Arbeitseinrichtung 41 durch ihre relative Lage
bezüglich der Erdanziehungskraft g geregelt wird. Es ist in
diesem Zusammenhang sinnvoll, für den Winkel α zwischen der
durch die Baggerschaufel 41 definierten Ebene 42 und der
Richtung der Erdanziehungskraft g einen Grenzwert für die
Winkelabweichung Δα anzunehmen, ab welchem die Lageregelung
entfallen kann. Dadurch wird ein sinnvoller Mittelweg
zwischen einer ununterbrochenen Lagekorrektur, welche viel
Energie fordert und aufgrund der Regelverzögerung ungünstig
sein kann, und Ladungsverlust aufgrund fehlender
Lagekorrektur gefunden. Resonanzüberhöhungen, die Auftreten
können, wenn die durch die Bodenunebenheit hervorgerufene
Regelungsanregung mit der Resonanzfrequenz fR des Systems
zusammenfällt, werden durch das beschriebene Filter
unterdrückt. 6 schematically shows a working
Während bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel
die durch die Ausrichtung der Baggerschaufel 41 definierte
Ebene 42 senkrecht zur Richtung der Gravitationskraft g
ausgerichtet ist, besteht weiter eine verbesserte
Lagekorrektur darin, die durch die Baggerschaufel 41
definierte Ebene 42 nicht senkrecht zu der Gravitationskraft
g, sondern senkrecht zu der Resultierenden r aus der
Gravitationskraft g und der Inversen b' der
Beschleunigungskraft b auszurichten. In Fig. 7 ist die
Baggerschaufel 41 vergrößert dargestellt. Es sei angenommen,
daß die mobile Arbeitsmaschine 40 einer Verzögerung bedingt
durch einen Abbremsvorgang unterworfen ist. Auf die
Baggerschaufel 41 wirkt deshalb die verzögernde
Beschleunigungskraft b. Auf das in die Baggerschaufel 41
eingebrachte Schüttgut wirkt bezogen auf das Bezugssystem
der Baggerschaufel 41 aufgrund der Massenträgheitskraft eine
inverse Beschleunigungskraft b' in inverser Richtung zur die
Baggerschaufel 41 verzögernden Beschleunigungskraft b, d. h.
die auf das Schüttgut im Bezugssystem der Baggerschaufel 41
einwirkende Beschleunigungskraft b' hat den gleichen Betrag,
wie die auf die Baggerschaufel 41 in Verzögerungsrichtung
einwirkende Beschleunigungskraft b, ist jedoch um 180°
gedreht.While in the exemplary embodiment shown in FIG. 6 the
Auf das in der Baggerschaufel 41 befindliche Schüttgut wirkt
deshalb die Resultierende r aus der Gravitationskraft g und
der inversen Beschleunigungskraft b'. Es ist deshalb
vorteilhaft, die Ebene 42 durch die erfindungsgemäße
Lageregelung so einzuregeln, daß die Ebene 42 senkrecht zu
der Resultierenden r steht. Dazu ist bei den in den Figuren
1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen eine weitere
Meßeinrichtung 29 zur Messung der Beschleunigung bzw.
Verzögerung der mobilen Arbeitsmaschine 40 vorgesehen. Die
Messung der Beschleunigung bzw. Verzögerung kann auch hier
getrennt in den Dimensionen x und y erfolgen. Während bei
dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in
Analogtechnik die Meßeinrichtung 29 zur Messung der
Beschleunigung unmittelbar mit dem Winkelgeber 5 verbunden
ist und den von dem Winkelgeber 5 vorgegebenen Winkel αx', in
x-Richtung und den in y-Richtung vorgegebenen Winkel αy ,
übersteuert, ist die Meßeinrichtung 29 zur Messung der
Beschleunigung bei dem in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel in Digitaltechnik über einen Analog-Digital-Wandler
28 mit der Steuereinheit 34 verbunden, die
eine rechnerische Korrektur der vorgegebenen Winkel αx' und
αy' in Abhängigkeit von der gemessenen Beschleunigung
vornimmt.The resultant r from the gravitational force g and the inverse acceleration force b ' therefore acts on the bulk material located in the
Durch diese Weiterbildung ist sichergestellt, daß die
Lageregelung der Baggerschaufel bzw. allgemein der
Arbeitseinrichtung 41 so erfolgt, daß Schüttgut auch bei
einem stärkeren Beschleunigen bzw. Verzögern der mobilen
Arbeitsmaschine 40 nicht verloren geht.This training ensures that
Position control of the excavator bucket or generally
Working
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann auch bei beliebigen Arbeitsmaschinen unter Verwendung unterschiedlicher Sensoren oder Filtereinrichtungen angewandt werden.The invention is not shown on the Embodiments limited, but can also using any work machines different sensors or filter devices be applied.
Claims (10)
- Mobile mechanical equipment (40), comprising a position-regulating device for tools (41) of the mobile mechanical equipment (40), comprising a measuring device (1, 2) for measuring an angle (α) that is formed between a plane (42) determined by the position of the tool (41) and the direction of the gravitational force (g), an angle transducer (5) for setting an angle (α') that is formed between a plane (42) determined by the position of the tool (41) and the direction of the gravitational force (g), and a regulating device (3, 4, 6-16, 6, 34, 36, 9-16) for regulating the angle (α) between the plane (42) of the tool (41) and the direction of the gravitational force (g) so that the measured angle (α) is brought into coincidence with the set angle (α'),
characterized in that a further measuring device (29) is provided for measuring the acceleration and/or retardation of the mobile mechanical equipment (40), and
in that the set angle (α') is adjusted so that the plane (42) determined by the position of the tool (41) extends perpendicularly to the resultant (r) of the gravitational force (g) and the measured inverse acceleration force (b'). - Mobile mechanical equipment according to Claim 1,
characterized in that the regulating device (3, 4, 6-16; 6, 34, 36, 9-16) has a comparison device (6) for comparing the measured angle (α) with the set angle (α') and at least one electromagnetic control valve (11, 15) that is, activated by the comparison device (6) and that acts on a hydraulic actuator (12, 16). - Mobile mechanical equipment according to Claim 2,
characterized in that the comparison device (6) is designed as a comparator (3, 4). - Mobile mechanical equipment according to Claim 2,
characterized in that the comparison device (6) is designed as a digital control unit (34, 36). - Mobile mechanical equipment according to any one of Claims 1 to 4, characterized in that the regulating device (3, 4, 6-16; 6, 34, 36, 9-16) comprises a filter unit (7, 8; 34, 36) that eliminates self-oscillation (fR) caused by the regulating delay time (π).
- Mobile mechanical equipment according to Claim 5,
characterized in that the filter unit (7, 8; 34, 36) is designed as band-stop filter (7, 8) for the self-oscillation (fR) and/or its multiple. - Mobile mechanical equipment according to Claim 6,
characterized in that the filter unit (7, 8; 34, 36) is designed as a digital filter (34, 36) having band-stop characteristics. - Mobile mechanical equipment according to any one of Claims 1 to 7, characterized in that the position-regulating device for tools (91) of the mobile mechanical equipment (40) performs a tilt compensation along and transversely to the movement direction of the mechanical equipment (40),wherein a first position-correcting actuator ( 12 ) is activated a first spatial direction (x) and a second position-correcting actuator (16) is activated in a second spatial direction (y).
- Mobile mechanical equipment according to Claim 8,
characterized in that a measuring device (1) is provided for measuring the angle (αx) in the first spatial direction (x) and a second measuring device (2) is provided for measuring the angle (αy) in the second spatial direction (y). - Method of regulating the position of tools (41) of mobile mechanical equipment (40), comprising the following method steps:measuring an angle (α) that is formed between a plane (42) determined by the position of the tool (41) and the direction of the gravitational force (g),setting an angle (α') that is formed between a plane (42) determined by the position of the tool (41) and the direction of the gravitational force (g), andregulating the angle (α) between the plane (42) of the tool (41) and the direction of the gravitational force (g) so that the measured angle (α) is brought into coincidence with the set angle (α'),
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