EP4339379A1 - Arbeitsgerät mit einem mechanischen schlitzwandgreifer und verfahren zum durchführen eines arbeitsschritts eines solchen - Google Patents

Arbeitsgerät mit einem mechanischen schlitzwandgreifer und verfahren zum durchführen eines arbeitsschritts eines solchen Download PDF

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EP4339379A1
EP4339379A1 EP23195077.5A EP23195077A EP4339379A1 EP 4339379 A1 EP4339379 A1 EP 4339379A1 EP 23195077 A EP23195077 A EP 23195077A EP 4339379 A1 EP4339379 A1 EP 4339379A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diaphragm wall
gripper
control
lifting
closing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23195077.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lukas Flatz
Mathias Blank
Tobias Glück
Bernhard Bischof
Andreas Kugi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Liebherr Werk Nenzing GmbH
Original Assignee
Liebherr Werk Nenzing GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Liebherr Werk Nenzing GmbH filed Critical Liebherr Werk Nenzing GmbH
Publication of EP4339379A1 publication Critical patent/EP4339379A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • E02F9/26—Indicating devices
    • E02F9/264—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool
    • E02F9/265—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool with follow-up actions (e.g. control signals sent to actuate the work tool)

Definitions

  • the present invention relates to a working device according to the preamble of claim 1 and a method for carrying out a work step using such a working device.
  • Diaphragm walls are used in civil engineering, among other things, to secure construction pits.
  • a vertical slot is usually first dug out of the ground along guide walls, which is then concreted with reinforced concrete.
  • the resulting diaphragm wall supports the further foundation of the structure.
  • diaphragm wall grabs To excavate such diaphragm walls, cable excavators with diaphragm wall cutters or, alternatively, special two-shell grabs, so-called diaphragm wall grabs, are typically used.
  • diaphragm wall grabs There are two main types of diaphragm wall grabs: mechanical diaphragm wall grabs and hydraulic diaphragm wall grabs. With the hydraulic diaphragm wall grab, the grab blades are actuated hydraulically, while with the mechanical diaphragm wall grab, the opening and closing of the grab blades is carried out via a cable pull system using a closing cable provided for this purpose.
  • Hydraulic diaphragm wall grabs are becoming increasingly popular and widespread due to their ease of use, e.g. thanks to a hydraulic rotary cylinder on the grab head.
  • hydraulic diaphragm wall grabs also have some disadvantages compared to mechanical diaphragm wall grabs.
  • the hydraulic supply for the grab must be made available on a bulkhead plate of the duty cycle crane, which then, in addition to the steel cables, must be guided to the grab head via hose drums at a depth of up to 50 m. The hose reels required for this are cost-intensive and require maintenance.
  • a mechanical diaphragm wall grab is typically only suspended from the carrier device via two steel cables (hoisting cable and closing cable).
  • the mechanical diaphragm wall grab is underactuated, as the movement of three degrees of freedom (raising/lowering the diaphragm wall grab, rotating the diaphragm wall grab and opening/closing the grab blades) is actuated with only two winches (hoisting cable winch and closing cable winch).
  • Excavating a slot with a mechanical trench wall grab is carried out in cyclic digging processes. To do this, the soil to be removed is first loosened and then transported to a material drop point. In order to achieve the desired digging depth in the minimum number of cycles, the diaphragm wall grab must be filled to the maximum with each cycle. Threading the gripper into the slot is usually the longest work phase.
  • the present invention is based on the object of facilitating the operation of a generic mechanical diaphragm wall grab.
  • the operator should be supported in carrying out the work steps, thereby increasing the ease of use and the efficiency of the work process.
  • a working device in particular a cable excavator, which includes a mechanical diaphragm wall grab with two gripper blades, which is suspended from the working device via a lifting rope and a closing rope.
  • the lifting cable is used to adjust the diaphragm wall gripper, in particular in a substantially vertical direction, while the closing cable is used to actuate, i.e. open or close, the gripper blades.
  • Both ropes can also be used to adjust the diaphragm wall grab and/or to open or close the grab blades.
  • both ropes are wound up or unwound together.
  • the gripper blades can be opened either by unwinding the closing cable or by winding up the lifting cable or a combination thereof.
  • the gripper blades can be closed either by winding up the closing cable or by unwinding the lifting cable or a combination thereof.
  • the closing cable is preferably used to actuate the gripper blades, which is guided in particular via a cable pull mechanism of the diaphragm wall gripper in order to enable a high closing force.
  • the working device further comprises a lifting cable winch on which the lifting cable is mounted so that it can be wound up and unwound, and a closing cable winch on which the closing cable is mounted so that it can be wound up and unwound.
  • the cable winches are operated in particular via appropriate actuators or motors.
  • the working device comprises a measuring device with at least one sensor for detecting a current position, speed and / or acceleration of at least one component of the working device. This can affect the diaphragm wall grab as a whole and/or one or both ropes (or the corresponding winches or actuators).
  • the working device comprises a control unit connected to the measuring device, via which the lifting and closing cable winches can be controlled, and at least one input means connected to the control unit for controlling the diaphragm wall grab.
  • the input means can be, for example, one or more joysticks and/or switches in a driver's cab of the implement.
  • control unit should not be interpreted as meaning that it has to be a single unit or component, but can also refer to a system made up of several individual control units or computers that are communicatively connected to one another. The functions discussed below that are performed by the control unit may therefore be performed by a single unit or distributed across multiple units. However, for the sake of simplicity, only one control unit will be referred to below.
  • control unit is set up to carry out a work step involving the diaphragm wall gripper (e.g. raising/lowering the diaphragm wall gripper, rotating the diaphragm wall gripper, opening/closing the gripper blades or any combination thereof) depending on measurement data from the measuring device and target specifications of the input means to regulate the lifting cable winch and / or the closing cable winch via a cascade control.
  • a work step involving the diaphragm wall gripper (e.g. raising/lowering the diaphragm wall gripper, rotating the diaphragm wall gripper, opening/closing the gripper blades or any combination thereof) depending on measurement data from the measuring device and target specifications of the input means to regulate the lifting cable winch and / or the closing cable winch via a cascade control.
  • cascade control means control with the help of several, ie at least two, nested control loops.
  • an output variable of an external or superimposed controller or control loop serves as a reference variable, ie as the target value of an internal or subordinate one Controller or control circuit.
  • the inner control loops are in particular faster than the outer control loops.
  • the cascade control of the cable winches enables fast, precise and stable control of the movement process. Due to this control structure, an assistance system can be provided, for example by incorporating automatic planning, which may also take physical limitations of the working device or gripper into account, which supports the user in operating the working device and significantly increases the ease of use.
  • the cascade control comprises a subordinate control loop for controlling an angle of rotation, an angular speed of rotation and/or an angular acceleration of the lifting and/or the closing cable winch, as well as a superimposed control loop for controlling a position, speed and/or acceleration of the diaphragm wall grab .
  • the cascade control preferably includes a subordinate control of the rotational angular speeds of the lifting and closing cable winches as well as a superimposed control of the diaphragm wall gripper position, i.e. a superimposed position control.
  • control unit is set up to carry out position control of the diaphragm wall gripper via several partial controls based on only two degrees of freedom of the diaphragm wall gripper.
  • position control is divided into two reduced subsystems or subcontrols, each with only two degrees of freedom of movement. This allows the underactuated
  • the control task for moving the diaphragm wall grab can be divided into two exact, ie not under-actuated, sub-problems.
  • one of the partial regulations relates to a position of the gripper blades and a position, in particular vertical position, of the diaphragm wall gripper.
  • one of the partial regulations relates to an orientation, in particular an angle of rotation, and a position, in particular vertical position, of the diaphragm wall gripper.
  • the position control is divided into the two aforementioned partial controls, since these movement processes (in particular the actuation of the gripper blades and the rotation of the diaphragm wall gripper) are usually not carried out simultaneously, but one after the other.
  • the diaphragm wall gripper is rotated about its vertical axis in a first position control mode for threading into the guide walls.
  • the diaphragm wall gripper is then lowered into the slot and the gripper blades are then opened or closed in a second position control mode.
  • the rotation of the diaphragm wall gripper during opening and closing is particularly neglected. This is justified when opening, as the rotation of the gripper is blocked by the slot anyway. The same applies when emptying the gripper, where turning the gripper has little influence on the process. This means that precise control of the movement processes is only possible with the two cable winches without any impairment.
  • the first mode can therefore enable raising or lowering as well as rotating the closed gripper and is referred to as "rotating”.
  • the second mode can enable lifting or lowering as well as opening or closing of the gripper and is referred to as "grasping”.
  • This division allows the position control to be carried out as a switching trajectory tracking control.
  • the respective trajectory tracking control can, for example, use switching logic depending on the requirement for the gripper opening and the current gripper opening can be selected.
  • the position control can preferably be in the first mode (rotating) by default and follow the corresponding target specifications of the closed gripper. It can be provided that as soon as the operator requests the gripper to be opened, the position control automatically switches to the second mode ("grabbing") and then follows the target specifications that now apply. The rotation of the opened gripper is preferably ignored. Provision can be made to automatically switch back to the first mode (rotation) as soon as the gripper is completely closed again.
  • control unit is set up to regulate a position of the diaphragm wall gripper via the cascade control, the lifting and/or closing cable winches being pre-controlled via a pilot control means which is set up based on target specifications of the input means and a mathematical model To specify and/or change the position, in particular a trajectory, of the diaphragm wall gripper.
  • the pilot control means comprises or represents a trajectory generator and/or trajectory filter. The pilot control means can be set up to process the operator's input via the input means and to generate a target trajectory for the cascade control, in particular for a superimposed position control.
  • At least one control loop of the cascade control comprises a PI controller.
  • at least one controller can be used as a pilot control be designed with an additional PD controller, for example for a superimposed position control.
  • an estimation means connected to the measuring device is provided, which is set up to determine a current position, speed and / or acceleration of the diaphragm wall gripper based on measurement data from the measuring device.
  • the measurement data entering the estimation means can be the angle of rotation of the cable winches and/or a rotational speed of the diaphragm wall grab.
  • the estimation means comprises a Kalman filter, in particular an extended Kalman filter with state restriction.
  • the estimating means represents in particular a state observer or virtual sensor for estimating the exact position or orientation of the diaphragm wall gripper from the recorded measurement data.
  • the estimating means preferably reconstructs a current state of the diaphragm wall gripper from the measurement data, since this state in particular is not directly can be measured.
  • the estimation means can represent a separate unit connected to the control unit or can be part of the control unit (e.g. as a software module).
  • the diaphragm wall grab is not guided on a leader, but rather is suspended, in particular freely suspended, on an arm of the working device via the lifting and closing cables.
  • the movement of the diaphragm wall grab occurs by actuating the lifting and closing cable winches.
  • the diaphragm wall grab is raised, lowered, opened, closed and/or rotated exclusively by actuating the lifting and/or closing cable winches.
  • the lifting rope and the closing rope are each designed as non-twist-free ropes, in particular as stranded steel ropes.
  • the ropes preferably point in opposite directions striking directions.
  • Each rope generates a torsional torque depending on its tension.
  • the two ropes twist in opposite directions due to their opposite direction of lay and attachment to the diaphragm wall grab. This means that, depending on the force distribution between the ropes, the diaphragm wall grab can preferably be rotated within a range of ⁇ 180°.
  • there is a subordinate control of the rotational angular speeds of the lifting and closing cable winches as well as a superimposed regulation of the diaphragm wall gripper position, ie a superimposed position control.
  • the position control of the diaphragm wall gripper takes place on the basis of only two degrees of freedom, which preferably differ from one another for at least two different work steps involving the diaphragm wall gripper.
  • a partial control relates to a position of the gripper blades and a position, in particular vertical position, of the diaphragm wall gripper.
  • a partial control relates to an orientation, in particular an angle of rotation, and a position, in particular vertical position, of the diaphragm wall gripper.
  • a current position of the diaphragm wall gripper is determined or estimated by an estimation means and is provided to the control unit for position control of the diaphragm wall gripper, in particular as an actual value.
  • the working device 10 is shown in a side view, whereby the subsurface and a floor slot created in the subsurface and filled with a supporting liquid can be seen in a schematic sectional view.
  • the working device 10 is a cable excavator 10 with an undercarriage comprising a crawler chassis, an uppercarriage 18 mounted thereon about a vertical axis of rotation and a lattice boom 19 pivotably attached to the uppercarriage 18.
  • a mechanical diaphragm wall grab 20 is suspended on the boom 19 via two steel cables, which are guided to the superstructure 18 via corresponding rollers on a boom head: a hoist cable 13, which can be wound up and unwound on a hoist cable winch 11 attached to the superstructure 18, and a closing cable 14, which is mounted so that it can be wound up and unwound on a closing cable winch 12 which is also attached to the superstructure 18.
  • the diaphragm wall gripper 20 has at the lower end two gripper blades 22 which are pivotally mounted on a gripper frame and which can be opened and closed by actuating the closing cable 14 (or the closing cable winch 12).
  • the gripper blades 22 are articulated on a body 26 via rods (not shown) and are connected to a gripper carriage 27 in an articulated manner.
  • the closing cable 14 is connected via a pulley or a cable pull system 24 (cf. Fig. 2 ) in the gripper in order to achieve a higher closing force, and is attached at one end to a gripper carriage 27 of the diaphragm wall gripper 20.
  • the lifting rope 13 is attached directly (ie without a cable pull system) to the gripper carriage 27.
  • the deflection rollers of the cable pull system 24 are preferably partly connected to the gripper carriage 27 and partly to the body 26.
  • the diaphragm wall grab 20 hangs freely on the boom 19, so that all movements (lifting, lowering, rotating around a vertical axis as well as opening/closing the grab blades 22) only take place by activating the lifting and closing winches 11, 12.
  • the lifting and closing winches 11, 12 are particularly identical in construction.
  • non-twist-free steel strand ropes are used, which have opposite lay directions. No external forces act on the diaphragm wall grab 20 outside the floor slot. However, as soon as the diaphragm wall gripper 20 is immersed in the supporting liquid which is introduced into the bottom slot, the rotation of the diaphragm wall gripper 20 is blocked by the guide walls. In addition, the support fluid creates a buoyancy force and as soon as the gripper shells 22 reach the ground, the entire potential forces are compensated.
  • the boom position of the duty cycle crane 10 is assumed to be fixed for the following discussion.
  • the Figure 2 shows a schematic representation of the components and sizes of the working device according to the invention that are relevant for the cascade control, in particular the generalized coordinates and dimensions for the gripper 20 can be seen.
  • the entire system is divided into three subsystems: drive train, cable system and mechanical gripper 20 (hereinafter the terms “diaphragm wall grab” and “gripper” are used synonymously).
  • the first subsystem includes the two drive trains of the working winches 11, 12 of the cable excavator 10.
  • a linear replacement model comprising a motor, a gearbox and the respective winch drum 11, 12 is used for each drive train.
  • the third subsystem describes the mechanical diaphragm wall grab 20 itself, which is actuated via the lifting and closing cables 13, 14.
  • the diaphragm wall grab 20 is operated by controlling the two winches 11, 12.
  • the closing cable 14 is pulled in. If the gripper 20 is completely closed (a lower stop is preferably provided for this), further retraction of the closing cable 14 causes the entire gripper 20 to lift in the closed state, with the entire load lying on the closing cable winch 12.
  • the gripper 20 or the gripper blades 22 is opened to the maximum, the gripper blades 22 come to an end stop and further unwinding of the closing cable 14 does not lead to any further movement of the gripper 20, but only to a loosening of the closing cable 14.
  • the lower stop must therefore never be left. The same applies analogously to lowering the gripper 20 in the open state.
  • the gripper 20 can be rotated about a vertical axis via the previously described torsional moment of the ropes 13, 14.
  • the gripper 20 When the gripper 20 is opened or closed, the gripper 20 inevitably rotates.
  • the coordinates of the gripper 20 result from the cable lengths of the lifting and closing cables 13, 14 and the angle of rotation ⁇ S of the gripper 20 about the vertical axis.
  • the generalized coordinates are also used according to Fig. 2 introduced.
  • FIG. 3 shows a block diagram of the cascade control according to the invention. Based on Figure 3 The control according to the invention will now be explained below in the context of a concrete exemplary embodiment.
  • target specifications ⁇ H,soll , ⁇ S,soll , ⁇ Z,soll are generated. These values are made available to a trajectory generator or planner 32, which calculates the target values z H,d , z S,d , ⁇ Z,d actually used for the control using a mathematical model and thereby the physical limitations of the gripper system taken into account.
  • the actual values for the control are recorded by sensors of a measuring system and provided to an estimation means 50 acting as a status observer, which then estimates the current position and/or orientation of the diaphragm wall grab as actual values actually included in the control.
  • a subordinate rotational angular speed control takes place via a subordinate control circuit 42, with the motors or drives 15 and 16 of the lifting and closing cable winches 11, 12 serving as actuators.
  • Two PI controllers 34, 36 serve as controllers.
  • the angular velocities ⁇ H and ⁇ s are regulated by the lower-level motors 15, 16 based on the motor torques ⁇ M,H and ⁇ M,s .
  • the position of the diaphragm wall gripper 20 is controlled via a superimposed control circuit 40.
  • the underactuated system is divided into two reduced subsystems enables a superimposed (two degrees of freedom) position control.
  • the motors or drives 15 and 16 of the lifting and closing cable winches 11, 12 serve as actuators.
  • the superimposed control circuit 40 can include a pilot control with at least one additional PD controller.
  • the superimposed position control is designed as a switching position control for the unactuated subsystem.
  • the trajectory planner 32 processes the operator's input and generates the desired trajectory z H,d , z S,d , ⁇ Z , d .
  • the state observer 50 is used to reconstruct the state from the measured variables y T.
  • the measured variables y T of the system are the rotation angles ⁇ H , ⁇ S of the cable winches 11, 12 and the rotation speed ⁇ Z of the gripper.
  • the target speed ⁇ H , ⁇ ⁇ s is specified in the position control for the lower-level speed control.
  • both pilot controls are preferably expanded to include PD controllers.
  • said estimation means 50 can be used in the form of an extended Kalman filter with state restriction.
  • the two pilot controls require trajectories that can be continuously differentiated in two ways in order to determine the manipulated variables (motor speeds). In addition, these trajectories should be limited in their derivatives so that the available manipulated variables can be used optimally. This planning is done using state variable filters.
  • a cascaded controller structure is selected for the trajectory tracking control.
  • a subordinate speed control is designed for both motors, which regulates the requested speed.
  • the superimposed control loop thus receives approximately the speeds ⁇ H , ⁇ s as new input variables.
  • the rope forces are considered in particular as a disturbance. This results in linear system dynamics for the drive train and in particular a PI controller is dimensioned using the frequency characteristic curve method.
  • This division allows the position control to be carried out as a switching trajectory tracking control (TFR).
  • TFR switching trajectory tracking control
  • the basis for the design are the unactuated subsystems of the models. Using switching logic, the respective trajectory sequence control is selected depending on the requirement for the gripper opening and the current gripper opening.
  • the position control is preferably in the first mode by default and thus follows the two target specifications of the closed gripper 20. As soon as the operator requests the gripper 20 to be opened, the position control switches in particular automatically to the "grabbing" mode and thus follows the target specifications that are now valid . The specification of the rotation of the opened gripper is ignored and the rotation of the gripper 20 follows the system dynamics. As soon as the diaphragm wall grab is completely closed again, it preferably automatically switches back to rotating mode.
  • the target trajectory and its time derivatives are used to evaluate the state feedback instead of the actual variables or their estimates.
  • the deviations of the target trajectories with the non-measurable state variables and their time derivatives are required. Since these variables cannot be measured, the already mentioned state observer 50 is used and the estimated states are used for stabilization.
  • the state feedback corresponds to (flatness-based) feedforward controls and the addition of the state control laws results in a two-degrees-of-freedom control.
  • the effect of the slot on the gripper 20 is preferably neglected.
  • blocking the rotation in the slot can result in a permanent control deviation, which has a negative effect on the control.
  • the state feedback can be deactivated by setting the parameters to zero as long as the diaphragm wall gripper 20 is located within the slot. The two degrees of freedom control is thus simplified to a pure (flatness-based) pilot control.
  • a state observer 50 is used for this purpose. This can, for example, be designed as a discrete-time and state-limited extended Kalman filter (EKF) for the complete and the replacement model. Switching between the EKFs takes place in particular based on the estimated states.
  • the EKF can be based on a time-discrete, state-limited algorithm, which preferably includes a prediction and a correction step.
  • Two EKFs are preferably used to implement the observer, which are switched depending on the estimated model state.
  • the rotation of the gripper 20 is preferably blocked via a state restriction in the observer.
  • the switching takes place in particular based on the estimated position or the estimated cable force of the closing cable 14.
  • the last estimated state of the EKF to be switched off can be used as the starting value of the EKF to be switched on.
  • the position control requires, in particular, target trajectories of the gripper coordinates that can be continuously differentiated in three ways. The following describes how the operator specifies the target positions and the subsequent trajectory planning with trapezoidal acceleration profiles.
  • the target position for trajectory planning is specified in particular by three control signals from the operator.
  • the operator preferably specifies the target position with a first control signal.
  • a second control signal preferably specifies gripping directly via a corresponding coordinate.
  • the operator specifies the target angle for the gripper rotation.
  • the three trajectory generators (TG) preferably only differ in their limitations and deliver the triple continuous target trajectories.
  • the target trajectories must be limited in their derivations so that, on the one hand, the manipulated variable limitations of the motors are adhered to and, on the other hand, the closed gripper 20 does not open unintentionally during rotational movements.
  • the conditions for switching the model structure are considered based on the cable forces in the stationary case.
  • the rope forces compensate for the potential forces. This means that the possible force distributions of the ropes lie on the straight line between two extreme points. At a first extreme point, the entire weight of the gripper 20 hangs on the closing cable 14 and this is therefore in the closed stop with maximum torsional moment.
  • the limitations of the rope forces can be converted into limitations of the rotational acceleration. This means that a case distinction can be made At both extreme points mentioned, a minimum (negative) rotational acceleration and a maximum (positive) rotational acceleration are determined for the trajectory planning of the closed gripper. The conversion depends on the current angle of rotation due to the torsional moments and the restoring moment and would have to be determined depending on the planned target course. For the implementation, approximately the average rotation angle between the start and end points is preferably used.
  • the system shown in this exemplary embodiment forms an assistance system which simplifies the operability of the mechanical diaphragm wall grab 20 for the excavator driver.
  • the assistance system supports the excavator driver in operating the cable excavator 10 by controlling the two cable winches 11, 12 depending on the work step based on a model-based control.
  • a trajectory generator 32 takes physical limitations into account and implements the respective work steps (lifting/lowering, rotating, opening/closing).
  • the non-measurable state variables are determined via an observer (virtual sensor) 50.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Arbeitsgerät, insbesondere einen Seilbagger, umfassend einen mechanischen Schlitzwandgreifer mit zwei Greiferschaufeln, welcher über ein Hubseil und ein Schließseil am Arbeitsgerät aufgehängt ist, eine Hubseilwinde, auf der das Hubseil zum insbesondere im Wesentlichen vertikalen Verstellen des Schlitzwandgreifers auf- und abwickelbar gelagert ist, eine Schließseilwinde, auf der das Schließseil zum Betätigen der Greiferschaufeln auf- und abwickelbar gelagert ist, eine Messeinrichtung mit mindestens einem Sensor zur Erfassung einer aktuellen Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, eine mit der Messeinrichtung verbundene Steuereinheit, über welche die Hub- und Schließseilwinden betätigbar sind, sowie ein mit der Steuereinheit verbundenes Eingabemittel zur Steuerung des Schlitzwandgreifers. Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit eingerichtet, zur Durchführung eines den Schlitzwandgreifer involvierenden Arbeitsschritts in Abhängigkeit von Messdaten der Messeinrichtung und von Soll-Vorgaben des Eingabemittels die Hubseilwinde und/oder die Schließseilwinde über eine Kaskadenregelung zu regeln. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Durchführen eines Arbeitsschritts mittels eines erfindungsgemäßen Arbeitsgeräts.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Arbeitsgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Verfahren zum Durchführen eines Arbeitsschritts mittels eines solchen Arbeitsgeräts.
  • Schlitzwände werden im Tiefbau u.a. zur Sicherung von Baugruben verwendet. Für die Erstellung einer solchen Schlitzwand wird in der Regel zunächst ein vertikaler Schlitz entlang von Leitwänden aus dem Boden ausgehoben, welcher anschließend mit Stahlbeton betoniert wird. Die dadurch entstehende Schlitzwand stützt die weitere Gründung der baulichen Anlage.
  • Für das Ausheben derartiger Schlitzwände werden typischerweise Seilbagger mit Schlitzwandfräsen oder alternativ mit speziellen Zwei-Schalen-Greifern, sogenannten Schlitzwandgreifern, verwendet. Beim Schlitzwandgreifer werden im Wesentlichen zwei Ausführungen unterschieden: mechanische Schlitzwandgreifer und hydraulische Schlitzwandgreifer. Beim hydraulischen Schlitzwandgreifer werden die Greiferschaufeln hydraulisch betätigt, während beim mechanischen Schlitzwandgreifer die Öffnung und Schließung der Greiferschaufeln über ein Seilzugsystem mittels eines hierfür vorgesehenen Schließseils erfolgt.
  • Hydraulische Schlitzwandgreifer erfreuen sich aufgrund ihrer einfachen Bedienbarkeit, z.B. durch einen hydraulischen Drehzylinder am Greiferkopf, zunehmender Beliebtheit und Verbreitung. Neben der einfachen Bedienbarkeit weisen hydraulische Schlitzwandgreifer jedoch gegenüber mechanischen Schlitzwandgreifern auch einige Nachteile auf. So muss für den Betrieb des hydraulischen Greifers beispielsweise an einer Schottplatte des Seilbaggers die Hydraulikversorgung für den Greifer zur Verfügung gestellt werden, welche anschließend zusätzlich zu den Stahlseilen über Schlauchtrommeln in bis zu 50m Tiefe zum Greiferkopf geführt werden muss. Die dazu notwendigen Schlauchtrommeln sind kostenintensiv und wartungsanfällig.
  • Ein mechanischer Schlitzwandgreifer ist typischerweise nur über zwei Stahlseile (Hubseil und Schließseil) am Trägergerät aufgehängt. Der mechanische Schlitzwandgreifer ist damit im Gegensatz zum hydraulischen Schlitzwandgreifer unteraktuiert, da mit lediglich zwei Winden (Hubseilwinde und Schließseilwinde) die Bewegung von drei Freiheitsgraden (Heben / Senken des Schlitzwandgreifers, Drehen des Schlitzwandgreifers und Öffnen / Schließen der Greiferschaufeln) aktuiert wird.
  • Das Ausheben eines Schlitzes mit einem mechanischen Schlitzwandgreifers erfolgt in zyklischen Grabvorgängen. Dafür wird das abzutragende Erdreich zuerst gelöst und anschließend zu einem Materialabwurfpunkt transportiert. Um die gewünschte Grabtiefe in minimaler Zyklenanzahl zu erreichen, muss der Schlitzwandgreifer bei jedem Zyklus maximal gefüllt werden. Das Einfädeln des Greifers in den Schlitz stellt dabei üblicherweise die längste Arbeitsphase dar.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bedienung eines gattungsgemäßen mechanischen Schlitzwandgreifers zu erleichtern. Insbesondere soll der Bediener bei der Durchführung der Arbeitsschritte unterstützt und dadurch der Bedienkomfort sowie die Effizienz des Arbeitsvorgangs erhöht werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Arbeitsgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Demnach wird einerseits ein Arbeitsgerät, insbesondere ein Seilbagger, vorgeschlagen, welcher einen mechanischen Schlitzwandgreifer mit zwei Greiferschaufeln umfasst, der über ein Hubseil und ein Schließseil am Arbeitsgerät aufgehängt ist. Das Hubseil dient dem Verstellen des Schlitzwandgreifers, insbesondere in einer im Wesentlichen vertikalen Richtung, während das Schließseil dem Betätigen, d.h. dem Öffnen bzw. Schließen der Greiferschaufeln dient.
  • Dabei können zum Verstellen des Schlitzwandgreifers und/oder zum Öffnen bzw. Schließen der Greiferschaufeln auch beide Seile verwendet werden. So werden zum Verstellen des Schlitzwandgreifers insbesondere beide Seile gemeinsam auf- bzw. abgewickelt. Darüber hinaus kann ein Öffnen der Greiferschaufeln entweder durch Abwickeln des Schließseils oder durch Aufwickeln des Hubseils oder eine Kombination davon erfolgen. Ebenso kann ein Schließen der Greiferschaufeln entweder durch Aufwickeln des Schließseils oder durch Abwickeln des Hubseils oder eine Kombination davon erfolgen. Vorzugsweise wird zum Betätigen der Greiferschaufeln das Schließseil verwendet, welches insbesondere über einen Seilzugmechanismus des Schlitzwandgreifers geführt ist, um eine hohe Schließkraft zu ermöglichen.
  • Das erfindungsgemäße Arbeitsgerät umfasst weiterhin eine Hubseilwinde, auf der das Hubseil auf- und abwickelbar gelagert ist, sowie eine Schließseilwinde, auf der das Schließseil auf- und abwickelbar gelagert ist. Die Seilwinden werden insbesondere über entsprechende Aktuatoren bzw. Motoren betätigt.
  • Darüber hinaus umfasst das erfindungsgemäße Arbeitsgerät eine Messeinrichtung mit mindestens einem Sensor zur Erfassung einer aktuellen Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung mindestens einer Komponente des Arbeitsgeräts. Dies kann den Schlitzwandgreifers als Ganzes und/oder eines der Seile oder beide Seile (bzw. die entsprechenden Winden oder Aktuatoren) betreffen.
  • Schließlich umfasst das erfindungsgemäße Arbeitsgerät eine mit der Messeinrichtung verbundene Steuereinheit, über welche die Hub- und Schließseilwinden ansteuerbar sind, sowie mindestens ein mit der Steuereinheit verbundenes Eingabemittel zur Steuerung des Schlitzwandgreifers. Bei dem Eingabemittel kann es sich beispielsweise um einen oder mehrere Joysticks und/oder Schalter in einer Fahrerkabine des Arbeitsgeräts handeln.
  • Der Begriff "Steuereinheit" ist dabei nicht so auszulegen, dass es sich dabei um eine einzige Einheit bzw. Komponente handeln muss, sondern kann auch ein System aus mehreren einzelnen, miteinander kommunikativ verbundenen Steuereinheiten bzw. Rechnern bezeichnen. Die im Folgenden diskutierten Funktionen, die durch die Steuereinheit ausgeführt werden, können daher von einer einzelnen Einheit ausgeführt werden oder auf mehrere Einheiten verteilt sein. Im Folgenden wird der Einfachheit halber jedoch nur von einer Steuereinheit gesprochen.
  • Im Folgenden werden die Begriffe "Schlitzwandgreifer" und "Greifer" synonym verwendet.
  • Erfindungsgemäß ist die Steuereinheit eingerichtet, zur Durchführung eines den Schlitzwandgreifer involvierenden Arbeitsschritts (z.B. ein Heben / Senken des Schlitzwandgreifers, ein Drehen des Schlitzwandgreifers, ein Öffnen / Schließen der Greiferschaufeln oder eine beliebige Kombination davon) in Abhängigkeit von Messdaten der Messeinrichtung und von Soll-Vorgaben des Eingabemittels die Hubseilwinde und/oder die Schließseilwinde über eine Kaskadenregelung zu regeln.
  • Unter einer Kaskadenregelung ist vorliegend eine Regelung mit Hilfe mehrerer, d.h. mindestens zweier, ineinander verschachtelter Regelkreise zu verstehen. Insbesondere dient dabei eine Ausgangsgröße eines äußeren bzw. überlagerten Reglers bzw. Regelkreises als Führungsgröße, d.h. als Soll-Wert eines inneren bzw. unterlagerten Reglers bzw. Regelkreises. Die inneren Regelkreise sind dabei insbesondere schneller als die jeweils äußeren Regelkreise.
  • Die Kaskadenregelung der Seilwinden ermöglicht eine schnelle, genaue und stabile Regelung des Bewegungsvorgangs. Aufgrund dieser Regelungsstruktur kann beispielsweise durch Einbindung einer automatischen Planung, welche ggf. auch physikalische Beschränkungen des Arbeitsgeräts bzw. Greifers berücksichtigt, ein Assistenzsystem bereitgestellt werden, das den Benutzer bei der Bedienung des Arbeitsgeräts unterstützt und den Bedienkomfort wesentlich erhöht.
  • In einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Kaskadenregelung einen unterlagerten Regelkreis zur Regelung eines Drehwinkels, einer Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder einer Drehwinkelbeschleunigung der Hub- und/oder der Schließseilwinde sowie einen überlagerten Regelkreis zur Regelung einer Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Schlitzwandgreifers umfasst. Vorzugsweise umfasst die Kaskadenregelung eine unterlagerte Regelung der Drehwinkelgeschwindigkeiten der Hub- und Schließseilwinden sowie eine überlagerte Regelung der Schlitzwandgreiferposition, d.h. eine überlagerte Positionsregelung.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass für die Kaskadenregelung als Stellglieder nur Antriebe bzw. Motoren der Hub- und Schließseilwinden verwendet werden. Insbesondere werden sowohl für die unterlagerten als auch für die überlagerten Regelkreise die besagten Antriebe der Hub- und Schließseilwinden als Stellglieder verwendet. Andere Aktuatoren bzw. Stellglieder kommen insbesondere nicht zum Einsatz, was die Regelung vereinfacht.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, eine Positionsregelung des Schlitzwandgreifers über mehrere Teilregelungen anhand von jeweils nur zwei Freiheitsgraden des Schlitzwandgreifers durchzuführen. Mit anderen Worten ist die Positionsregelung aufgeteilt in zwei reduzierte Teilsysteme bzw. Teilregelungen mit je nur zwei Bewegungsfreiheitsgraden. Damit kann die unteraktuierte Regelungsaufgabe zur Bewegung des Schlitzwandgreifers in zwei exakte, d.h. nicht unteraktuierte Teilprobleme aufgeteilt werden.
  • Vorzugsweise betrifft eine der Teilregelungen eine Position der Greiferschaufeln und eine Position, insbesondere Vertikalposition, des Schlitzwandgreifers. Alternativ oder zusätzlich betrifft eine der Teilregelungen eine Orientierung, insbesondere einen Drehwinkel, und eine Position, insbesondere Vertikalposition, des Schlitzwandgreifers.
  • Insbesondere wird die Positionsregelung in die beiden vorgenannten Teilregelungen aufgeteilt, da diese Bewegungsvorgänge (insbesondere die Betätigung der Greiferschaufeln und das Drehen des Schlitzwandgreifers) üblicherweise nicht gleichzeitig, sondern nacheinander durchgeführt werden. Beispielsweise wird der Schlitzwandgreifer zum Einfädeln in die Leitwände in einem ersten Modus der Positionsregelung um dessen Hochachse gedreht. Anschließend wird der Schlitzwandgreifer in den Schlitz abgesenkt und dort dann in einem zweiten Modus der Positionsregelung die Greiferschaufeln geöffnet bzw. geschlossen. Hierbei wird die Verdrehung des Schlitzwandgreifers während des Öffnens und Schließens insbesondere vernachlässigt. Dies ist bei Öffnen gerechtfertigt, da die Drehung des Greifers ohnehin durch den Schlitz blockiert ist. Ebenso beim Entleeren des Greifers, bei dem die Verdrehung des Greifers den Prozess kaum beeinflusst. Somit ist eine exakte Regelung der Bewegungsvorgänge nur mit den beiden Seilwinden ohne Beeinträchtigung möglich.
  • Der erste Modus kann also das Heben bzw. Senken sowie das Drehen des geschlossenen Greifers ermöglichen und als "Drehen" bezeichnet werden. Der zweite Modus kann das Heben bzw. Senken sowie das Öffnen bzw. Schließen des Greifers ermöglichen und als "Greifen" bezeichnet werden.
  • Durch diese Aufteilung kann die Positionsregelung als schaltende Trajektorienfolgeregelung ausgeführt werden. Die jeweilige Trajektorienfolgeregelung kann beispielsweise anhand einer Umschaltlogik je nach Anforderung der Greiferöffnung und der aktuellen Greiferöffnung ausgewählt werden. Die Positionsregelung kann sich bevorzugt standardmäßig im ersten Modus (Drehen) befinden und den entsprechenden Sollvorgaben des geschlossenen Greifers folgen. Es kann vorgesehen sein, dass, sobald durch den Bediener das Öffnen des Greifers angefordert wird, die Positionsregelung automatisch in den zweiten Modus ("Greifen") wechselt und dann den nun geltenden Sollvorgaben folgt. Hierbei wird vorzugsweise die Rotation des geöffneten Greifers ignoriert. Es kann vorgesehen sein, dass wieder automatisch zurück in den ersten Modus (Drehen) geschaltet wird, sobald der Greifer wieder vollständig geschlossen ist.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist die Steuereinheit eingerichtet, über die Kaskadenregelung eine Position des Schlitzwandgreifers zu regeln, wobei die Hub- und/oder Schließseilwinden über ein Vorsteuermittel vorsteuerbar sind, welches eingerichtet ist, anhand von Soll-Vorgaben des Eingabemittels und eines mathematischen Modells eine Position, insbesondere eine Trajektorie, des Schlitzwandgreifers vorzugeben und/oder zu verändern. Vorzugsweise umfasst das Vorsteuermittel einen Trajektoriengenerator und/oder Trajektorienfilter oder stellt einen solchen dar. Das Vorsteuermittel kann eingerichtet sein, die Eingabe des Bedieners über das Eingabemittel zu verarbeiten und eine Solltrajektorie für die Kaskadenregelung, insbesondere für eine überlagerte Positionsregelung, zu generieren.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass für die Kaskadenregelung mittels der Messeinrichtung lediglich Drehwinkel der Hub- und Schließseilwinden sowie eine Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder Orientierung (insbesondere ein Drehwinkel) des Schlitzwandgreifers gemessen werden. Eine Erfassung weiterer Messgrößen ist für die erfindungsgemäße Regelung insbesondere nicht nötig.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Regelkreis der Kaskadenregelung, vorzugsweise alle Regelkreise, einen PI-Regler umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens ein Regler als Vorsteuerung mit zusätzlichem PD-Regler ausgebildet sein, beispielsweise für eine überlagerte Positionsregelung.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist ein mit der Messeinrichtung verbundenes Schätzmittel vorgesehen, welches eingerichtet ist, anhand von Messdaten der Messeinrichtung eine momentane Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Schlitzwandgreifers zu ermitteln. Bei den in das Schätzmittel eingehenden Messdaten kann es sich um Drehwinkel der Seilwinden und/oder eine Drehgeschwindigkeit des Schlitzwandgreifers handeln. Vorzugsweise umfasst das Schätzmittel ein Kalman-Filter, insbesondere ein erweitertes Kalman-Filter mit Zustandsbeschränkung. Das Schätzmittel stellt insbesondere einen Zustandsbeobachter bzw. virtuellen Sensor zur Schätzung der genauen Position bzw. Orientierung des Schlitzwandgreifers aus den erfassten Messdaten dar. Mit anderen Worten wird durch das Schätzmittel vorzugsweise ein aktueller Zustand des Schlitzwandgreifers aus den Messdaten rekonstruiert, da dieser Zustand insbesondere nicht direkt gemessen werden kann. Das Schätzmittel kann eine mit der Steuereinheit verbundene, separate Einheit darstellen oder aber Teil der Steuereinheit sein (z.B. als Softwarebaustein).
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Schlitzwandgreifer nicht an einem Mäkler geführt, sondern über die Hub- und Schließseile an einem Ausleger des Arbeitsgeräts aufgehängt, insbesondere frei aufgehängt, ist. Die Bewegung des Schlitzwandgreifers erfolgt dabei über die Aktuierung der Hub- und Schließseilwinden.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Heben, Senken, Öffnen, Schließen und/oder Drehen des Schlitzwandgreifers ausschließlich über eine Betätigung der Hub- und/oder Schließseilwinden erfolgt.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Hubseil und das Schließseil jeweils als nicht-verdrehungsfreie Seile, insbesondere als Litzenseile aus Stahl, ausgebildet sind. Die Seile weisen vorzugsweise entgegengesetzte Schlagrichtungen auf. Dabei erzeugt jedes Seil in Abhängigkeit seiner Seilzugspannung ein Torsionsdrehmoment. Die beiden Seile tordieren durch ihre entgegengesetzte Schlagrichtung und Befestigung am Schlitzwandgreifer in entgegengesetzte Richtungen. Damit kann, je nach Kraftverteilung zwischen den Seilen, der Schlitzwandgreifer vorzugsweise im Bereich von ±180° gedreht werden.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Durchführen eines Arbeitsschritts mittels eines erfindungsgemäßen Arbeitsgeräts. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte (welche nicht zwangsläufig in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden müssen):
    • Erzeugung von mindestens einer Soll-Vorgabe zur Durchführung des Arbeitsschritts, insbesondere durch Betätigung des Eingabemittels,
    • Erfassung mindestens einer aktuellen Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der Hubseilwinde und/oder der Schließseilwinde, insbesondere mittels eines oder mehrerer Sensoren der Messeinrichtung, und
    • Regelung und vorzugsweise Steuerung (insbesondere Vorsteuerung) der Hubseilwinde und/oder der Schließseilwinde durch die Steuereinheit anhand von Messdaten der Messeinrichtung und der mindestens einen Soll-Vorgabe derart, dass sich der Schlitzwandgreifer entsprechend der mindestens einen Soll-Vorgabe bewegt.
  • Hinsichtlich der Eigenschaften, Vorteile und möglichen Ausführungsformen des Arbeitsgeräts gelten die vorherigen Ausführungen analog, sodass auf eine wiederholende Beschreibung weitgehend verzichtet wird.
  • In einer möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Rahmen einer unterlagerten Regelung ein Drehwinkel, eine Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehwinkelbeschleunigung der Hubseilwinde und/oder der Schließseilwinde und im Rahmen einer überlagerten Regelung eine Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Schlitzwandgreifers (direkt oder aber indirekt über die Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der Seilwinde(n)) geregelt wird, wobei die Hubseilwinde und/oder die Schließseilwinde vorzugsweise zusätzlich zur Regelung über eine modellbasierte Vorsteuerung gesteuert wird / werden. Vorzugsweise erfolgt eine unterlagerte Regelung der Drehwinkelgeschwindigkeiten der Hub- und Schließseilwinden sowie eine überlagerte Regelung der Schlitzwandgreiferposition, d.h. eine überlagerte Positionsregelung.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Positionsregelung des Schlitzwandgreifers auf der Grundlage von lediglich zwei Freiheitsgraden erfolgt, welche sich vorzugsweise für mindestens zwei unterschiedliche den Schlitzwandgreifer involvierende Arbeitsschritte voneinander unterscheiden. Vorzugsweise betrifft eine Teilregelung eine Position der Greiferschaufeln und eine Position, insbesondere Vertikalposition, des Schlitzwandgreifers. Alternativ oder zusätzlich betrifft eine Teilregelung eine Orientierung, insbesondere einen Drehwinkel, und eine Position, insbesondere Vertikalposition, des Schlitzwandgreifers.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine momentane Position des Schlitzwandgreifers durch ein Schätzmittel ermittelt bzw. geschätzt und der Steuereinheit für eine Positionsregelung des Schlitzwandgreifers bereitgestellt wird, insbesondere als Ist-Wert.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
    • Figur 1:
    ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Arbeitsgeräts in einer Seitenansicht;
    Figur 2:
    eine schematische Darstellung der für die Kaskadenregelung relevanten Komponenten und Größen des erfindungsgemäßen Arbeitsgeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
    Figur 3:
    ein Blockschaltbild der Kaskadenregelung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Arbeitsgeräts 10 in einer Seitenansicht dargestellt, wobei der Untergrund sowie ein im Untergrund erstellter, mit einer Stützflüssigkeit gefüllter Bodenschlitz in einer schematischen Schnittansicht zu sehen sind. Bei dem Arbeitsgerät 10 handelt es sich in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Seilbagger 10 mit einem ein Raupenfahrwerk umfassenden Unterwagen, einen darauf um eine vertikale Drehachse gelagerten Oberwagen 18 und einen schwenkbar am Oberwagen 18 befestigten Gittermastausleger 19.
  • Am Ausleger 19 ist ein mechanischer Schlitzwandgreifer 20 über zwei Stahlseile aufgehängt, welche über entsprechende Rollen an einem Auslegerkopf zum Oberwagen 18 geführt sind: ein Hubseil 13, welches auf einer am Oberwagen 18 befestigten Hubseilwinde 11 auf- und abwickelbar gelagert ist und ein Schließseil 14, welches auf einer ebenfalls am Oberwagen 18 befestigten Schließseilwinde 12 auf- und abwickelbar gelagert ist.
  • Der Schlitzwandgreifer 20 weist am unteren Ende zwei schwenkbar an einem Greiferrahmen gelagerte Greiferschaufeln 22 auf, welche durch Betätigung des Schließseils 14 (bzw. der Schließseilwinde 12) geöffnet und geschlossen werden können. Die Greiferschaufeln 22 sind an einem Korpus 26 angelenkt über nicht dargestellte Stangen gelenkig mit einem Greiferschlitten 27 verbunden. Das Schließseil 14 wird über einen Flaschenzug bzw. ein Seilzugsystem 24 (vgl. Fig. 2) im Greifer untersetzt, um eine höhere Schließkraft zu erreichen, und ist an einem Ende an einem Greiferschlitten 27 des Schlitzwandgreifers 20 befestigt. Das Hubseil 13 ist direkt (d.h. ohne Seilzugsystem) am Greiferschlitten 27 befestigt. Die Umlenkrollen des Seilzugsystems 24 sind bevorzugt teils mit dem Greiferschlitten 27, teils mit dem Korpus 26 verbunden.
  • Der Schlitzwandgreifer 20 hängt frei am Ausleger 19, sodass sämtliche Bewegungen (Heben, Senken, Drehen um eine vertikale Achse sowie Öffnen / Schließen der Greiferschaufeln 22) nur durch Aktivierung der Hub- und Schließseilwinden 11, 12 erfolgen. Die Hub- und Schließwinden 11, 12 sind insbesondere baugleich.
  • Für die beiden Seile 13, 14 werden nicht-verdrehungsfreie Stahllitzenseile verwendet, welche entgegengesetzte Schlagrichtung aufweisen. Auf den Schlitzwandgreifer 20 wirken außerhalb des Bodenschlitzes keine externen Kräfte. Sobald der Schlitzwandgreifer 20 jedoch in die Stützflüssigkeit eintaucht, welche in den Bodenschlitz eingebracht ist, wird die Drehung des Schlitzwandgreifers 20 durch die Leitwände gesperrt. Zusätzlich wirkt durch die Stützflüssigkeit eine Auftriebskraft und sobald die Greiferschalen 22 den Erdboden erreichen, werden die gesamten Potentialkräfte kompensiert.
  • Die Auslegerposition des Seilbaggers 10 wird für die folgende Diskussion als fixiert angenommen.
  • Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung der für die Kaskadenregelung relevanten Komponenten und Größen des erfindungsgemäßen Arbeitsgeräts, wobei insbesondere die generalisierten Koordinaten und Abmessungen für den Greifer 20 zu erkennen sind. Zur Modellbildung ist das Gesamtsystem in die drei Teilsysteme Antriebsstrang, Seilsystem und mechanischer Greifer 20 (im Folgenden werden die Begriffe "Schlitzwandgreifer" und "Greifer" synonym verwendet) aufgeteilt.
  • Das erste Teilsystem umfasst die beiden Antriebsstränge der Arbeitswinden 11, 12 des Seilbaggers 10. Für jeden Antriebsstrang wird ein lineares Ersatzmodell umfassend einen Motor, ein Getriebe sowie die jeweilige Windentrommel 11, 12 verwendet.
  • Im Greiferbetrieb des mechanischen Schlitzwandgreifers 20 werden als Hub- und Schließseile 13, 14 zwei nicht-drehungsfreie Litzenseile aus Stahl mit entgegengesetzter Schlagrichtung eingesetzt. Für die Modellbildung ist die Elastizität sowie die Torsion der Hub- und Schließseile 13, 14 vorzugsweise berücksichtigt. Die Verwendung von nicht-drehungsfreien Seilen 13, 14 ermöglicht es, den mechanischen Schlitzwandgreifer 20 um die vertikale Achse drehen zu können. Dabei erzeugt jedes Seil 13, 14 in Abhängigkeit seiner Seilzugspannung ein Torsionsdrehmoment. Die beiden Seile 13, 14 tordieren durch ihre entgegengesetzte Schlagrichtung und Befestigung am Greifer 20 in entgegengesetzte Richtungen. Damit kann, je nach Kraftverteilung zwischen den Seilen 13, 14, der Greifer 20 im Bereich von ±180° gedreht werden.
  • Das dritte Teilsystem beschreibt den mechanischen Schlitzwandgreifer 20 selbst, welcher über die Hub- und Schließseile 13, 14 aktuiert wird. Die Bedienung des Schlitzwandgreifers 20 erfolgt durch Ansteuerung der beiden Winden 11, 12. Um den Greifer 20 bzw. die Greiferschaufeln 22 zu schließen, wird das Schließseil 14 eingezogen. Wenn der Greifer 20 komplett geschlossen ist (hierfür ist vorzugsweise ein unterer Anschlag vorgesehen) führt ein weiteres Einziehen des Schließseils 14 dazu, dass sich der gesamte Greifer 20 im geschlossenen Zustand anhebt, wobei die ganze Last auf der Schließseilwinde 12 liegt. Wenn der Greifer 20 bzw. die Greiferschaufeln 22 maximal geöffnet ist, stehen die Greiferschaufeln 22 an einem Endanschlag an und ein weiteres Abwickeln des Schließseils 14 führt zu keiner weiteren Bewegung des Greifers 20, sondern lediglich zu einer Lockerung des Schließseils 14. Für das Heben im geschlossenen Zustand ohne unerwünschtes Öffnen der Greiferschaufeln 22 darf daher der untere Anschlag nie verlassen werden. Gleiches gilt sinngemäß für das Senken des Greifers 20 im geöffneten Zustand.
  • Neben der Greiferhöhe und dem Öffnungswinkel der Greiferschaufeln 22 kann über das zuvor beschriebene Torsionsmoment der Seile 13, 14 der Greifer 20 um eine vertikale Achse rotiert werden. Beim Öffnen bzw. Schließen des Greifers 20 folgt daraus auch eine unweigerliche Verdrehung des Greifers 20.
  • Die Koordinaten des Greifers 20 ergeben sich über die Seillängen der Hub- und Schließseile 13, 14 sowie dem Drehwinkel ϕS des Greifers 20 um die vertikale Achse. Um die Bewegungsgleichungen herzuleiten, werden zusätzlich die generalisierten Koordinaten gemäß Fig. 2 eingeführt. Für das unterlagerte Regelungskonzept können die Bewegungsgleichungen des Gesamtsystems vorteilhaft in aktuierte Koordinaten q A T = ϕ H ϕ S
    Figure imgb0001
     und unaktuierte Koordinaten q U T = z H z S ϕ Z
    Figure imgb0002
     partitioniert werden. Damit können die Bewegungsgleichungen anhand der Energien und durch Anwendung des Lagrange-Formalismus hergeleitet werden.
  • Die Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Kaskadenregelung. Anhand der Figur 3 wird im Folgenden nun die erfindungsgemäße Regelung im Rahmen eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert.
    • I. Überblick
  • Durch Betätigung eines Joysticks 30 (= Eingabemittel) in der Fahrerkabine des Seilbaggers 10 zur Durchführung einer Arbeitsbewegung des Schlitzwandgreifers 20 werden Soll-Vorgaben żH,soll, żS,soll, ϕ̇Z,soll generiert. Diese Werte werden einem Trajektoriengenerator bzw. -planer 32 zur Verfügung gestellt, welcher die für die Regelung tatsächlich verwendeten Soll-Werte zH,d , zS,d, ϕZ,d anhand eines mathematischen Modells berechnet und dabei die physikalischen Beschränkungen des Greifersystems berücksichtigt. Die Ist-Werte für die Regelung werden durch Sensoren eines Messystems erfasst und einem als Zustandsbeobachter fungierenden Schätzmittel 50 bereitgestellt, welches daraus die aktuelle Position und/oder Orientierung des Schlitzwandgreifers als in die Regelung tatsächlich eingehende Ist-Werte abschätzt.
  • Bei der Kaskadenregelung erfolgt eine unterlagerte Drehwinkelgeschwindigkeitsregelung über einen unterlagerten Regelkreis 42, wobei als Stellglieder die Motoren bzw. Antriebe 15 und 16 der Hub- und Schließseilwinden 11, 12 dienen. Als Regler dienen zwei PI-Regler 34, 36. Die Drehwinkelgeschwindigkeiten ϕ̇H und ϕ̇s werden anhand der Motordrehmomente τM,H und τM,s von den unterlagerten Motoren 15, 16 geregelt.
  • Über einen überlagerten Regelkreis 40 erfolgt eine Positionsregelung des Schlitzwandgreifers 20. Eine Aufteilung des unteraktuierten Systems in zwei reduzierte Teilsysteme ermöglicht dabei eine überlagerte (Zwei-Freiheits-Grade-) Positionsregelung. Auch hier dienen als Stellglieder die Motoren bzw. Antriebe 15 und 16 der Hub- und Schließseilwinden 11, 12. Der überlagerte Regelkreis 40 kann eine Vorsteuerung mit mindestens einem zusätzlichem PD-Regler umfassen.
  • Die überlagerte Positionsregelung ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine schaltende Positionsregelung für das unaktuierte Teilsystem konzipiert. Der Trajektorienplaner 32 verarbeitet die Eingabe des Bedieners und generiert die Solltrajektorie zH,d , zS,d , ϕ Z,d . Der Zustandsbeobachter 50 wird verwendet, um den Zustand aus den Messgrößen yT zu rekonstruieren. Die Messgrößen yT des Systems sind die Drehwinkel ϕH, ϕS der Seilwinden 11, 12 sowie die Drehgeschwindigkeit ϕ̇Z des Greifers. Mithilfe der Schätzung und der Solltrajektorie wird in der Positionsregelung die Sollgeschwindigkeit ϕH ,˙ ϕ̇s für die unterlagerte Geschwindigkeitsregelung vorgegeben.
  • Das Heben und Senken des Schlitzwandgreifers 20 und das Drehen um dessen (in der Figur 1 vertikale) Hochachse werden typischerweise bei gänzlich geschlossenen (bzw. vielleicht auch bei geöffneten) Greiferschaufeln 22 durchgeführt. Dadurch kann die Positionsregelung der drei Freiheitsgrade des Greifers 20 in zwei getrennte Regelungen mit je nur zwei Freiheitsgraden aufgeteilt werden. Damit kann die (unteraktuierte) Regelungsaufgabe in Form von zwei exakten Teilproblemen aufgeteilt werden:
    • Teilproblem 1: Öffnen/Schließen des Greifers 20 und dessen Vertikalbewegung: In diesem Modus wird für die Positionsregelung ein virtueller Ausgang [zH, zs ] verwendet. Zusammen mit einem mathematischen Modell kann eine modellbasierte Vorsteuerung berechnet werden.
    • Teilproblem 2: Greiferdrehung im Anschlag und Vertikalbewegung: Die gezielte Greiferdrehung ist vor allem beim Einfädeln des Greifers 20 in den Bodenschlitz gefordert. Diese Manöver erfolgen mit geschlossenen (bzw. geöffneten) Greiferschaufeln 22. In diesem Modus wird für die Positionsregelung ein virtueller Ausgang [zH, ϕz ] vorgegeben. Wiederum kann eine modellbasierte Vorsteuerung anhand des genannten mathematischen Modells bestimmt werden.
  • Um auch im Falle von Modell- bzw. Parameterabweichungen der vorgegebenen Trajektorie folgen zu können, werden vorzugsweise beide Vorsteuerungen um PD-Regler erweitert.
  • Für die Stabilisierung der Trajektorie, welche in den unaktuierten Koordinaten qU,d geplant wird, werden die unaktuierten Koordinaten qU und deren zeitliche Ableitungen benötigt. Um diese Systemgrößen aus dem messbaren Ausgang zu schätzen, kann das genannte Schätzmittel 50 in Form eines erweiterten Kalman-Filters mit Zustandsbeschränkung eingesetzt werden.
  • Die beiden Vorsteuerungen benötigen für die Bestimmung der Stellgrößen (Motordrehzahlen) zweifach stetig differenzierbare Trajektorien. Zusätzlich sollen diese Trajektorien in ihren Ableitungen beschränkt sein, damit die zur Verfügung stehenden Stellgrößen optimal genutzt werden können. Diese Planung erfolgt anhand von Zustandsvariablen-Filtern.
  • II. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Kaskadenregelung genauer erläutert.
    • 1. Reglermodell
  • Für die Regelung werden insbesondere die Reibungen in den Seilkräften vernachlässigt. Zusätzlich wird die Wirkung des Schlitzes auf den Greifer 20 vernachlässigt und somit angenommen, dass sich der Schlitzwandgreifer 20 im freien Raum bewegt.
    • 2. Unterlagerte Geschwindigkeitsregelung
  • Für die Trajektorienfolgeregelung ist erfindungsgemäß eine kaskadierte Reglerstruktur gewählt. Dafür wird für beide Motoren eine unterlagerte Geschwindigkeitsregelung entworfen, welche die angeforderte Geschwindigkeit einregelt. Der überlagerte Regelkreis erhält damit näherungsweise die Geschwindigkeiten ϕ̇H, ϕ̇s als neue Eingangsgrößen. Für den Entwurf der Geschwindigkeitsregelungen werden die Seilkräfte insbesondere als Störung betrachtet. Damit erhält man für den Antriebsstrang eine lineare Systemdynamik und es wird insbesondere ein PI-Regler mit Hilfe des Frequenzkennlinienverfahrens dimensioniert.
    • 3. Positionsregelung
  • Im Rahmen der Positionsregelung wird zwischen zwei Modi unterschieden:
    1. i) Bedienung des geschlossenen Greifers 20 - erster Modus. Das Einfädeln in den Schlitz erfordert eine Kontrolle über die Drehung des geschlossenen Greifers 20 sowie das Heben / Senken. Ferner ist für das Herausheben des abgetragenen Materials wichtig, dass der Greifer 20 bis zum Erreichen des Materialabwurfpunkts geschlossen bleibt. Dieser erste Modus, welcher das Heben bzw. Senken sowie das Drehen des geschlossenen Greifers 20 ermöglicht, wird im Weiteren als Modus "Drehen" bezeichnet.
    2. ii) Bedienung des Greifermechanismus - zweiter Modus. Dabei wird die Verdrehung ϕZ des Greifers 20 während des Öffnens bzw. Schließens vernachlässigt. Diese Funktionalität wird beim Graben innerhalb des Schlitzes benötigt. Dabei ist die Drehung des Greifers 20 ohnehin durch den Schlitz blockiert. Ebenso beim Entleeren des Greifers, bei dem die Verdrehung des Greifers 20 den Prozess kaum beeinflusst. Dieser zweite Modus, welcher das Heben bzw. Senken sowie das Öffnen bzw. Schließen des Greifers 20 ermöglicht, wird im Weiteren als Modus "Greifen" bezeichnet.
  • Durch diese Aufteilung kann die Positionsregelung als schaltende Trajektorienfolgeregelung (TFR) ausgeführt werden. Basis für den Entwurf sind die unaktuierten Teilsysteme der Modelle. Anhand einer Umschaltlogik wird je nach Anforderung der Greiferöffnung und der aktuellen Greiferöffnung die jeweilige Trajektorienfolgeregelung ausgewählt.
  • Vorzugsweise befindet sich die Positionsregelung standardmäßig im ersten Modus und folgt damit den beiden Sollvorgaben des geschlossenen Greifers 20. Sobald durch den Bediener das Öffnen des Greifers 20 angefordert wird, wechselt die Positionsregelung insbesondere automatisch in den Modus "Greifen" und folgt damit den nun geltenden Sollvorgaben. Die Vorgabe der Rotation des geöffneten Greifers wird dabei ignoriert und die Rotation des Greifers 20 folgt der Systemdynamik. Sobald der Schlitzwandgreifer wieder vollständig geschlossen ist, wird bevorzugt automatisch zurück in den Modus Drehen geschaltet.
    • 4. Implementierung und Robustheit der TFR
  • Zur Erhöhung der Robustheit wird für die Auswertung der Zustandsrückführungen die Solltrajektorie und deren zeitlichen Ableitungen anstelle der tatsächlichen Größen bzw. deren Schätzung verwendet. Für die Trajektorienfehler in den Zustandsregelgesetzen werden die Abweichungen der Solltrajektorien mit den nicht messbaren Zustandsgrößen sowie deren zeitlichen Ableitungen benötigt. Da diese Größen keiner Messung zugänglich sind, wird der bereits erwähnte Zustandsbeobachter 50 verwendet und für die Stabilisierung werden die geschätzten Zustände herangezogen. Durch die Auswertung an den Solltrajektorien entsprechen die Zustandsrückführungen (flachheitsbasierten) Vorsteuerungen und durch die Hinzunahme der Zustandsregelgesetze ergibt sich eine Zwei-Freiheitsgrade-Regelung.
  • Im Rahmen der Regelung wird vorzugsweise die Wirkung des Schlitzes auf den Greifer 20 vernachlässigt. Durch die Blockierung der Drehung im Schlitz kann allerdings eine bleibende Regelabweichung entstehen, welche sich negativ auf die Regelung auswirkt. Geiches gilt für die Vernachlässigung der Auftriebskräfte und das Erreichen des Schlitzbodens. Um das Assistenzsystem in diesen Fällen robuster zu machen, können die Zustandsrückführungen durch Nullsetzen der Parameter deaktiviert werden, solange sich der Schlitzwandgreifer 20 innerhalb des Schlitzes befindet. Die Zwei-Freiheitsgrade-Reglung vereinfacht sich damit zu einer reinen (flachheitsbasierten) Vorsteuerung.
    • 5. Zustandsbeobachter
  • Um die zuvor genannte schaltende Trajektorienfolgeregelung zu implementieren, müssen die nicht messbaren Zustände und deren Zeitableitungen geschätzt werden. Dazu wird ein Zustandsbeobachter 50 verwendet. Dieser kann beispielsweise als zeitdiskretes und zustandsbeschränktes erweitertes Kalman-Filter (EKF) für das vollständige und das Ersatzmodell ausgeführt sein. Das Umschalten zwischen den EKFs erfolgt insbesondere anhand der geschätzten Zustände. Dem EKF kann ein zeitdiskreter, zustandsbeschränkter Algorithmus zugrunde liegen, welcher vorzugsweise einen Prädiktions- und einem Korrekturschritt umfasst.
  • Für die Implementierung des Beobachters werden vorzugsweise zwei EKFs verwendet, welche je nach geschätztem Modellzustand umgeschaltet werden. Zusätzlich wird beim Eintauchen in den Schlitz die Rotation des Greifers 20 über eine Zustandsbeschränkung im Beobachter vorzugsweise blockiert. Das Umschalten erfolgt insbesondere anhand der geschätzten Position bzw. der geschätzten Seilkraft des Schließseils 14. Als Startwert des einschaltenden EKFs kann der letzte geschätzte Zustand des auszuschaltenden EKFs verwendet werden.
    • 6. Trajektorienplanung
  • Die Positionsregelung benötigt insbesondere dreifach stetig differenzierbare Solltrajektorien der Greiferkoordinaten. Im Folgenden wird die Vorgabe der Sollpositionen durch den Bediener und die anschließende Trajektorienplanung mit trapezförmigen Beschleunigungsprofilen beschrieben.
  • Die Vorgabe der Sollposition für die Trajektorienplanung erfolgt insbesondere durch drei Steuersignale des Bedieners. Mit einem ersten Steuersignal gibt der Bediener vorzugsweise die Sollposition vor. Dadurch wird die Höhe der Greiferschaufeln bzw. des Greiferkorpus mit diesem Steuersignal vorgegeben, welche für den Bediener vorteilhafter als die Vorgabe der Höhe des Greiferschlittens 27 ist. Ein zweites Steuersignal gibt bevorzugt das Greifen direkt über eine entsprechende Koordinate vor. Mit einem dritten Steuersignal gibt der Bediener insbesondere den Sollwinkel für die Greiferrotation vor. Die drei Trajektoriengeneratoren (TG) unterscheiden sich vorzugsweise nur in ihren Beschränkungen und liefern die dreifach stetigen Solltrajektorien.
  • Die Solltrajektorien müssen in ihren Ableitungen beschränkt werden, damit einerseits die Stellgrößenbeschränkungen der Motoren eingehalten werden und sich andererseits der geschlossene Greifer 20 bei Drehbewegungen nicht unbeabsichtigt öffnet. Dafür werden die Bedingungen für das Umschalten der Modellstruktur anhand der Seilkräfte im stationären Fall betrachtet. Im stationären Fall kompensieren die Seilkräfte die Potentialkräfte. Damit liegen die möglichen Kräfteverteilungen der Seile auf der Gerade zwischen zwei Extrempunkten. In einem ersten Extrempunkt hängt das ganze Gewicht des Greifers 20 am Schließseil 14 und dieser befindet sich daher im geschlossenen Anschlag mit maximalem Torsionsmoment. Umgekehrt hängt in einem zweiten Extrempunkt das ganze Gewicht des Greifers 20 am Hubseilseil 13 und dieser befindet sich daher im geöffneten Anschlag. In einem zwischen den beiden genannten Extrempunkt auf der genannten Geraden liegenden Zwischenpunkt verlässt der Greifer 20 den Anschlag und es findet ein Schalten von den Ersatzmodellen auf das vollständige Modell statt. Durch eine Bestimmung der kritischen Seilkraft und damit der Lage des Zwischenpunkts kann eine untere Schranke der Schließseilkraft angegeben werden, welche im Betrieb des geschlossenen Greifers 20 nicht unterschritten werden darf.
  • Ferner können die Beschränkungen der Seilkräfte auf Beschränkungen der Drehbeschleunigung umgerechnet werden. Damit kann durch eine Fallunterscheidung der beiden genannten Extrempunkte eine minimale (negative) Drehbeschleunigung sowie eine maximale (positive) Drehbeschleunigung für die Trajektorienplanung des geschlossenen Greifers bestimmt werden. Die Umrechnung hängt aufgrund der Torsionsmomente und des Rückstellmoments vom aktuellen Drehwinkel ab und müsste abhängig vom geplanten Sollverlauf bestimmt werden. Für die Implementierung wird vorzugsweise näherungsweise der mittlere Drehwinkel zwischen Start- und Endpunkt verwendet.
  • Zusammengefasst bildet das in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte System ein Assistenzsystem, welches die Bedienbarkeit des mechanischen Schlitzwandgreifers 20 für den Baggerfahrer vereinfacht. Das Assistenzsystem unterstützt den Baggerfahrer bei der Bedienung des Seilbaggers 10, in dem es, basierend auf einer modellbasierten Regelung, die beiden Seilwinden 11, 12 je nach Arbeitsschritt steuert. Durch einen Trajektoriengenerator 32 werden dabei physikalische Beschränkungen berücksichtigt und die jeweiligen Arbeitsschritte (Heben / Senken, Drehen, Öffnen / Schließen) realisiert. Die nicht messbaren Zustandsgrößen werden über einen Beobachter (virtuellen Sensor) 50 bestimmt.
    • Bezugszeichenliste:
    • 10
    Arbeitsgerät (Seilbagger)
    11
    Hubseilwinde
    12
    Schließseilwinde
    13
    Hubseil
    14
    Schließseil
    15
    Aktuator / Motor
    16
    Aktuator / Motor
    18
    Oberwagen
    19
    Ausleger
    20
    Schlitzwandgreifer22 Greiferschaufel
    24
    Seilzugsystem
    26
    Korpus
    27
    Greiferschlitten
    30
    Eingabemittel
    32
    Trajektoriengenerator
    34
    PI-Regler
    36
    PI-Regler
    40
    Überlagerter Regelkreis
    42
    Unterlagerter Regelkreis
    50
    Schätzmittel (erweitertes Kalman-Filter)

Claims (15)

  1. Arbeitsgerät (10), insbesondere Seilbagger, umfassend einen mechanischen Schlitzwandgreifer (20) mit zwei Greiferschaufeln (22), welcher über ein Hubseil (13) und ein Schließseil (14) am Arbeitsgerät (10) aufgehängt ist, eine Hubseilwinde (11), auf der das Hubseil (13) zum insbesondere im Wesentlichen vertikalen Verstellen des Schlitzwandgreifers (20) auf- und abwickelbar gelagert ist, eine Schließseilwinde (12), auf der das Schließseil (14) zum Betätigen der Greiferschaufeln (22) auf- und abwickelbar gelagert ist, eine Messeinrichtung mit mindestens einem Sensor zur Erfassung einer aktuellen Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung, eine mit der Messeinrichtung verbundene Steuereinheit, über welche die Hub- und Schließseilwinden (11, 12) betätigbar sind, sowie ein mit der Steuereinheit verbundenes Eingabemittel (30) zur Steuerung des Schlitzwandgreifers (20),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuereinheit eingerichtet ist, zur Durchführung eines den Schlitzwandgreifer (20) involvierenden Arbeitsschritts in Abhängigkeit von Messdaten der Messeinrichtung und von Soll-Vorgaben des Eingabemittels (30) die Hubseilwinde (11) und/oder die Schließseilwinde (12) über eine Kaskadenregelung zu regeln.
  2. Arbeitsgerät (10) nach Anspruch 1, wobei die Kaskadenregelung einen unterlagerten Regelkreis (42) zur Regelung eines Drehwinkels, einer Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder einer Drehwinkelbeschleunigung der Hub- und/oder der Schließseilwinde sowie einen überlagerten Regelkreis (40) zur Regelung einer Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Schlitzwandgreifers (20) umfasst.
  3. Arbeitsgerät (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei für die Kaskadenregelung als Stellglieder nur Antriebe (15, 16) der Hub- und Schließseilwinden (11, 12) verwendet werden.
  4. Arbeitsgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, eine Positionsregelung des Schlitzwandgreifers (20) über mehrere Teilregelungen anhand von jeweils nur zwei Freiheitsgraden des Schlitzwandgreifers (20) durchzuführen, wobei vorzugsweise eine Teilregelung eine Position der Greiferschaufeln (22) und eine Position, insbesondere Vertikalposition, des Schlitzwandgreifers (20) und/oder eine Teilregelung eine Orientierung, insbesondere Drehwinkel, und eine Position, insbesondere Vertikalposition, des Schlitzwandgreifers (20) betrifft.
  5. Arbeitsgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, über die Kaskadenregelung eine Position des Schlitzwandgreifers (20) zu regeln, wobei die Hub- und/oder Schließseilwinden (11, 12) über ein Vorsteuermittel vorsteuerbar sind, welches eingerichtet ist, anhand von Soll-Vorgaben des Eingabemittels (30) und eines mathematischen Modells eine Position des Schlitzwandgreifers (20) vorzugeben und/oder zu verändern, wobei das Vorsteuermittel vorzugsweise einen Trajektoriengenerator (32) und/oder -filter darstellt oder umfasst.
  6. Arbeitsgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Kaskadenregelung mittels der Messeinrichtung lediglich Drehwinkel der Hub- und Schließseilwinden (11, 12) sowie eine Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder Orientierung des Schlitzwandgreifers (20) gemessen werden.
  7. Arbeitsgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Regelkreis (40, 42) der Kaskadenregelung einen PI-Regler (34, 36) umfasst.
  8. Arbeitsgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein mit der Messeinrichtung verbundenes Schätzmittel (50), welches eingerichtet ist, anhand von Messdaten der Messeinrichtung eine momentane Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Schlitzwandgreifers (20) zu ermitteln, wobei das Schätzmittel (50) vorzugsweise ein Kalman-Filter, insbesondere ein erweitertes Kalman-Filter mit Zustandsbeschränkung, umfasst.
  9. Arbeitsgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schlitzwandgreifer (20) nicht an einem Mäkler geführt, sondern über die Hub- und Schließseile (13, 14) an einem Ausleger (19) des Arbeitsgeräts (10) aufgehängt, insbesondere frei aufgehängt, ist.
  10. Arbeitsgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Heben, Senken, Öffnen, Schließen und/oder Drehen des Schlitzwandgreifers (20) nur über eine Betätigung von Hubseilwinde (11), Schließseilwinde (12) oder beiden erfolgt.
  11. Arbeitsgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hubseil (13) und das Schließseil (14) jeweils als nicht-verdrehungsfreie Seile, insbesondere Litzenseile aus Stahl, ausgebildet sind, welche vorzugsweise entgegengesetzte Schlagrichtungen aufweisen.
  12. Verfahren zum Durchführen eines Arbeitsschritts mittels eines Arbeitsgeräts (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:
    - Erzeugung von mindestens einer Soll-Vorgabe zur Durchführung des Arbeitsschritts,
    - Erfassung mindestens einer aktuellen Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung der Hubseilwinde (11) und/oder der Schließseilwinde (12),
    - Regelung und vorzugsweise Steuerung der Hubseilwinde (11) und/oder der Schließseilwinde (12) durch die Steuereinheit anhand von Messdaten und der mindestens einen Soll-Vorgabe derart, dass sich der Schlitzwandgreifer (20) entsprechend der mindestens einen Soll-Vorgabe bewegt.
  13. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei im Rahmen einer unterlagerten Regelung ein Drehwinkel, eine Drehwinkelgeschwindigkeit und/oder eine Drehwinkelbeschleunigung der Hubseilwinde (11) und/oder der Schließseilwinde (12) und im Rahmen einer überlagerten Regelung eine Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Schlitzwandgreifers (20) geregelt wird, wobei die Hubseilwinde (11) und/oder die Schließseilwinde (12) vorzugsweise über eine modellbasierte Vorsteuerung gesteuert wird.
  14. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Positionsregelung des Schlitzwandgreifers (20) auf der Grundlage von lediglich zwei Freiheitsgraden erfolgt, welche sich vorzugsweise für mindestens zwei unterschiedliche den Schlitzwandgreifer (20) involvierende Arbeitsschritte voneinander unterscheiden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei eine momentane Position des Schlitzwandgreifers (20) durch ein Schätzmittel (50) aus Messdaten ermittelt und der Steuereinheit für eine Positionsregelung des Schlitzwandgreifers (20) bereitgestellt wird.
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