IT202000017347A1 - Metodo e sistema di controllo per attuare un movimento combinato di una pluralità di organi idraulici in una macchina da lavoro o agricola - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

?METODO E SISTEMA DI CONTROLLO PER ATTUARE UN MOVIMENTO COMBINATO DI UNA PLURALIT? DI ORGANI IDRAULICI IN UNA MACCHINA DA LAVORO O AGRICOLA?

Campo di applicazione dell?invenzione

La presente invenzione ? relativa al campo dei sistemi idraulici delle macchine da lavoro e macchine agricole.

Stato della tecnica

I veicoli da lavoro o agricoli a motore sono ben noti per la movimentazione di materiali e per compiere specifici compiti gravosi. Esse sono spesso dotate di un braccio di sollevamento azionato idraulicamente per spostare una pala o benna.

Una pala meccanica o ?wheel loader? ? una macchina pesante utilizzata in costruzioni per movimentare terra o materiali come asfalto, detriti da demolizione, neve, mangime, ghiaia, tronchi, minerali grezzi, materiale riciclato, roccia, sabbia, trucioli di legno, ecc. dentro o sopra un altro tipo di macchinario (come un autocarro con cassone ribaltabile, un nastro trasportatore, una tramoggia di alimentazione o un vagone ferroviario). Esistono molti tipi di pale meccaniche, che, a seconda del design e dell'applicazione, sono chiamati con vari nomi, tra cui caricatore a tazze, caricatore frontale, caricatore frontale, caricatore, paletta, pala, skip loader, pala meccanica gommata o pala compatta (skid-steer).

Di solito, il movimento del braccio e della benna ? controllato dall'utente tramite un joystick posto all'interno della cabina dell'operatore del veicolo da lavoro.

Anche l?avanzamento e la sterzatura del veicolo possono essere controllati mediante un joystick.

La figura 1 mostra una livellatrice a motore (Grader) che comprende diversi organi azionati idraulicamente per effettuare

1. Moldboard extender: estensione del vomere

2. Moldboard pitch: orientamento del vomere

3. Articulated steering: sterzata articolata

4. Dozer blade lift: sollevatore lama buldozer

5. Moldboard lift left: sollevamento sinistro del vomere 6. Rotate moldboard: rotazione del vomere

7. Rear ripper: tracciatore posteriore

8. Wheel lean: regolazione della carreggiata

9. Swing moldboard: oscillazione del vomere

10. Moldboard lift right: sollevamento destro del vomere Un?unit? di elaborazione controlla i diversi attuatori idraulici (non mostrati) attraverso rispettive elettrovalvole in relazione ai comandi impartiti dall?utente mediante uno o pi? joystick, leve e pulsanti. Ciascun attuatore idraulico comprende un cilindro idraulico operativamente collegato rispettivamente al braccio, all?attrezzo o alla pala o al sistema di sterzatura, che utilizza la potenza idraulica di un fluido di lavoro per consentire il funzionamento meccanico.

Nei circuiti idraulici denominati ?closed center with flow sharing? cio? ?centro chiuso con flusso condiviso?, la portata di fluido idraulico generato dalla pompa non attraversa i cursori del distributore a riposo, cosicch? tale portata ? azzerata, in caso di pompa a cilindrata variabile oppure viene mandata allo scarico attraverso un cursore, in caso di pompa a cilindrata fissa.

Quando il distributore ? azionato, la portata di liquido idraulico indirizzato all?utenza ? proporzionale all?apertura del cursore e l?apertura del cursore in cui la portata inizia a fluire all?utenza ? costante e se vi sono pi? utenze azionate in contemporanea, la portata generata dalla pompa, si ripartisce proporzionalmente solo all?apertura dei cursori di ogni singola utenza.

In particolare, ogni valvola del circuito ? in grado di garantire una predeterminata pressione al relativo attuatore o utilizzatore, mentre il flusso generato dalla pompa idraulica ? condiviso dai diversi utilizzatori. Ci? garantisce un efficiente azionamento combinato di pi? attuatori od utilizzatori.

La velocit? di attuazione dell?attuatore idraulico dipende dal comando elettrico proporzionale, integrato con sistema flow sharing. Questi elementi combinati assieme permettono l?attivazione simultanea di diversi attuatori distribuendo la portata in modo proporzionale alle velocit? di attuazione definite dall?operatore, indipendentemente dalle diverse pressioni di esercizio.

La portata idraulica del fluido di lavoro necessaria per azionare il braccio e l'attrezzo ? prodotta da una pompa idraulica che pesca da un serbatoio del fluido ed ? azionata da un motore a combustione interna o da un motore elettrico M, di seguito denominato semplicemente ?motore? del veicolo, ad es. da un collegamento meccanico. Lo stesso motore viene utilizzato anche per guidare le ruote come mezzo di propulsione del veicolo di lavoro. Pertanto, la velocit? di movimento del braccio e dell'attrezzo in una posizione predeterminata dipende dalla velocit? di rotazione del motore. Ad esempio, quando il motore funziona a una velocit? di rotazione elevata, ? necessario un minimo movimento del joystick da parte dell'utente per compiere un movimento del braccio e/o dell'attrezzo. Al contrario, quando il motore funziona a bassa velocit? di rotazione o al minimo, ? necessario un grande movimento del joystick da parte dell'utente.

Evidentemente, il problema si acuisce quando pi? funzioni elettroidrauliche necessitano di essere eseguite contemporaneamente.

Se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio che segue, quanto descritto nel presente capitolo ? da considerarsi come parte integrante della descrizione di dettaglio.

Sommario dell?invenzione

Scopo della presente invenzione ? quello di migliorare la risposta delle funzioni idrauliche di un veicolo da lavoro alle richieste di un utente.

L?idea di base della presente invenzione ? quella di raggruppare le funzioni elettroidrauliche in due o pi? gruppi, di calcolare il flusso disponibile di fluido idraulico in relazione alle condizioni operative attuali e di limitare il flusso di fluido idraulico verso l?insieme di funzioni avente pi? bassa priorit?, quando risulta che il flusso disponibile ? insufficiente ad alimentare tutte le funzioni. In altre parole, il flusso di fluido idraulico ? ripartito tra gli insiemi di funzioni idrauliche proporzionalmente alla priorit? attribuita all?insieme stesso.

La ripartizione ? progressivamente variabile fino ad ottenere l?equilibrio tra il flusso idraulico disponibile e l?alimentazione di tutte le funzioni idrauliche attive. Pi? in particolare, tale progressione della limitazione del flusso ? via via crescente andando a coinvolgere insiemi di funzioni a priorit? via via pi? alta. Pertanto, una riduzione di flusso ? applicata alle funzioni idrauliche aventi maggiore priorit? solo quando non sia possibile fare altrimenti.

Secondo una variante preferita della presente invenzione, sono definiti coefficienti di riduzione limite per ciascun ciclo di limitazione che va dall?insieme a pi? bassa priorit? all?insieme a pi? alta priorit?.

?pi? bassa? o ?minore? o ?inferiore? e ?pi? alta? o ?maggiore? o ?superiore? sono da considerarsi nell?economia della classificazione ordinata dei livelli di priorit? e pertanto hanno implicitamente significato relativo in relazione agli altri livelli di priorit? predefiniti o impostati.

Secondo una variante preferita dell?invenzione, sono definiti dei coefficienti di riduzione limite, oltre i quali non ? possibile limitare il flusso nell?ambito dello stesso ciclo. Pertanto, quando viene raggiunto il coefficiente di riduzione limite, si passa a ridurre il flusso di un insieme a priorit? maggiore. Quando, per?, il coefficiente di riduzione limite risulta applicato a tutti gli insiemi, si ricomincia dall?insieme a priorit? pi? bassa, in altre parole si esegue un altro Round, impostando un coefficiente di riduzione limite pi? restrittivo.

Preferibilmente, ad ogni Round successivo il coefficiente di riduzione limite ? calcolato sulla base dell?ultimo coefficiente di riduzione moltiplicato per il valore del coefficiente limite di base, cio? del primo Round.

Secondo una prima implementazione preferita dell?invenzione, quando si esegue un nuovo Round, per esempio R2, il calcolo del coefficiente di limitazione per l?insieme L ? eseguito mantenendo invariati i coefficienti di limitazione degli insiemi M ed H calcolati all?ultimo Step del Round precedente, per esempio Step 3.

Secondo una seconda implementazione preferita dell?invenzione, quando si esegue un nuovo Round, per esempio R2, il calcolo del coefficiente di limitazione per l?insieme L ? eseguito resettando ogni limitazione sugli insiemi M ed H, in altre parole, il flusso per essi ? temporaneamente riportato ad 1, cio? senza alcuna limitazione.

Mentre la prima implementazione risulta convergere pi? rapidamente, la seconda implementazione risulta privilegiare gli insiemi M ed H, soprattutto quando il numero degli organi a pi? bassa priorit? ? maggiore dei restanti organi che definiscono gli insiemi M ed H.

Preferibilmente, l?algoritmo descritto sopra ? fatto girare in un computer comprendente mezzi di elaborazione e di memorizzazione di informazioni, interfacciato per controllare le valvole elettroidrauliche del circuito idraulico.

Secondo una prima variante preferita dell?invenzione l?attuazione della regolazione ? eseguita solo dopo che ? stata identificata la condizione di equilibrio tra il primo flusso, disponibile, ed il secondo flusso, richiesto.

Dal momento che l?unit? di elaborazione pu? eseguire cicli di calcolo nell?ordine dei millisecondi, allora l?attuazione delle valvole pu? essere eseguita solo dopo la convergenza dell?algoritmo.

Preferibilmente, il numero di cicli e volutamente limitato per evitare condizioni di stallo.

Secondo una seconda variante preferita dell?invenzione, l?algoritmo ? eseguito in modo molto pi? lento, nell?ordine dei secondi e l?attuazione della regolazione ? eseguita parallelamente all?esecuzione dell?algoritmo e pi? preferibilmente al termine di ogni Round.

La presente invenzione pu? essere realizzata grazie all?implementazione di valvole elettroidrauliche direzioni a condivisione di flusso, in cui il grado di apertura ? funzione di un segnale elettrico rappresentativo di una posizione di un joystick oppure di una leva.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono varianti preferite dell?invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:

nella figura 1 ? mostrato un esempio di macchina da lavoro dell?arte nota;

nella figura 2 ? mostrato un diagramma di flusso per il controllo delle funzioni idrauliche della macchina della figura 1;

nella figura 3 ? mostrata una tabella di iterazione del controllo di figura 2.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti o funzioni.

Nell?ambito della presente descrizione il termine ?secondo? componente non implica la presenza di un ?primo? componente. Tali termini sono infatti adoperati come etichette per migliorare la chiarezza, non avendo significato ordinale salvo non sia chiaro dal testo che vi sia un preciso ordine da rispettare.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall?ambito di protezione della presente domanda come descritta di seguito.

Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione

La presente invenzione si riferisce ad un sistema di gestione dei flussi di liquido idraulico in una macchina da lavoro od una macchina agricola.

Le diverse funzionalit? idrauliche sono raggruppate per esempio in tre insiemi indicati come:

High Priority, Medium Priority, Low Priority, vale a dire insiemi aventi priorit? di funzionamento alta, media e bassa.

Con riferimento alla figura 2, viene mostrato un diagramma di flusso relativo al controllo oggetto della presente invenzione. Tale diagramma di flusso viene eseguito in ciclo chiuso continuamente. Dopo il blocco START vengono acquisiti simultaneamente od in successione il flusso di liquido idraulico generato A_F ed il flusso complessivo richiesto R_F necessario al funzionamento delle diverse funzioni idrauliche, calcolato sulla base dei comandi impartiti dall?utente mediante Joystick, pulsanti e/o leve. Se il flusso generato A_F ? maggiore od uguale (Yes) al flusso complessivo richiesto R_F, allora il controllo riprende dall?inizio. Nel caso, invece, il flusso generato A_F ? inferiore (No) al flusso complessivo richiesto, allora si esegue una ripartizione RED del flusso disponibile di liquido idraulico applicando coefficienti di limitazione progressivamente.

Evidentemente, quando il coefficiente ? pari ad 1, ci? significa che non viene apportata alcuna limitazione al flusso, mentre quando il coefficiente ? inferiore 1, evidentemente il flusso ? limitato, passo RED, proporzionalmente al coefficiente.

La figura 3 mostra un esempio di tabella dei coefficienti di riduzione che vengono applicati progressivamente per portare il flusso complessivamente richiesto almeno ad eguagliare il flusso disponibile di liquido idraulico.

Le etichette L, M, H sono esemplificative di Low, Medium, High secondo quanto descritto sopra.

Al primo passo di riduzione Step 1, viene calcolato un coefficiente di riduzione da applicare all?insieme L.

Se tale coefficiente risulta eccedere il coefficiente di riduzione limite per l?insieme L, al primo passo, allora viene applicato il coefficiente di riduzione limite, per esempio pari a 0,65 e si passa a limitare il flusso all?insieme adiacente avente priorit? maggiore.

Per l?insieme M ed H i coefficienti di base sono pari a 0,75 e 0,85 e vengono usati come limite di riduzione del flusso ai passi Step 2 e Step 3.

Il primo ciclo o Round adotta coefficienti di riduzione limite, denominati ?coefficienti di base?.

In altre parole, i coefficienti di base sono dei coefficienti limite, oltre i quali, nel primo Round non ? possibile ridurre il flusso per i diversi insiemi di utilizzatori.

Si preferisce che i coefficienti di base siano diversi tra loro, con un fattore di riduzione maggiore per l?insieme Low e via, via inferiore fino all?insieme High.

Se nemmeno applicando il rispettivo coefficiente di base a tutti gli insiemi L, M, H risulta possibile soddisfare la richiesta complessiva di flusso, allora si ricomincia dall?inizio con coefficienti pi? restrittivi. In altre parole, i esegue un nuovo Round. I Round sono indicati in figura con R1, R2, R3?.

In particolare ad ogni Round R2, R3, etc.. i coefficienti di riduzione limite sono calcolati considerando i rispettivi coefficienti limite del round precedente, moltiplicato per il coefficiente di base.

In altre parole, il coefficiente di riduzione limite corrente ? pari a (coefficiente di base)^i, dove i rappresenta l?i-mo Round. Evidentemente, in R1 si adoperano i coefficienti di base senza alcuna modifica.

Dunque, prima si procede ad applicare una limitazione di flusso dall?insieme a pi? bassa priorit? all?insieme avente pi? alta priorit? di alimentazione. Raggiunto l?insieme a pi? alta priorit?, se il flusso complessivo di fluido idraulico richiesto risulta ancora superiore al flusso disponibile, allora si riprende dal primo insieme modificando il coefficiente di riduzione limite fino a quando il flusso richiesto, ridotto, risulta uguale al flusso disponibile.

Dunque, la limitazione si applica muovendo dalla colonna pi? a sinistra verso la colonna pi? a destra della tabella e riprendendo dal rigo immediatamente inferiore nella colonna pi? a sinistra quando si raggiunge la colonna pi? a destra della tabella.

Le frecce indicano l?applicazione iterativa della riduzione del flusso agli insiemi e ciclica R1, R2, R3, fino a raggiungere l?equilibrio.

Ad esempio, secondo una prima condizione operativa, nell?insieme H sono inseriti, gli attuatori relativi al sistema di sterzatura e alla gestione della carreggiata, mentre nell?insieme L sono inseriti il sollevatore lama buldozer 4 ed il tracciatore posteriore 7, mentre tutti gli altri attuatori sono associati all?insieme M.

Vantaggiosamente, quando l?utente aziona il joystick che gestisce l?asse X, vale a dire la sterzatura del veicolo, questi non noter? alcun ritardo nella risposta del veicolo. Il veicolo per contro, mostrer? una efficienza di risposta ed una affidabilit? incrementata pur non variando la portata di fluido idraulico generata dalla pompa idraulica. Secondo una variante preferita dell?invenzione, il raggruppamento delle funzioni idrauliche ? preordinato in risposta all?attivazione di una preordinata modalit? operativa.

? evidente che possono essere previste pi? modalit? operative. Ad esempio, se il veicolo ? fermo, si pu? prevedere di dare priorit? relativamente pi? alta alla regolazione del vomere oppure alla regolazione della lama buldozer, pertanto, il veicolo pu? essere dotato di opportuni comandi per poter commutare tra due o pi? modalit? operative.

Secondo una variante preferita dell?invenzione, la commutazione tra le diverse modalit? operative ? automatica.

Tale automatismo si basa sull?acquisizione di taluni parametri, ulteriormente al flusso complessivo di liquido idraulico generato dalla pompa, quali ad esempio, la velocit? di avanzamento del veicolo.

Con riferimento alla tabella della figura 3, il coefficiente di riduzione applicato L1, M1, H1 ad ogni passo di un cosiddetto ?Round? sono minori od al pi? uguali ai rispettivi coefficienti di riduzione limite 0,65; 0,75; 0,85. Pertanto, quei valori rappresentano un limite di saturazione, oltre il quale, si passa a manipolare il flusso dell?insieme a priorit? immediatamente maggiore.

Per comprendere pi? facilmente la tabella di figura 3, i pedici di L1, M2, H2, etc.. si riferiscono al Round. Solo quando, come descritto sopra, il coefficiente L1, M2, H1, etc.. satura al coefficiente di riduzione limite si procede a manipolare il flusso dell?insieme a priorit? immediatamente maggiore. Inoltre, come descritto sopra, la ?manipolazione? pu? o meno prevedere un preventivo reset, cio? valore unitario, del coefficiente di limitazione dell?insieme a priorit? immediatamente maggiore prima di individuare il valore di coefficiente che permette di ottenere l?equilibrio tra flusso generato e flusso richiesto.

Secondo la presente descrizione, ? indifferente parlare di insiemi di organi piuttosto che insiemi dei relativi attuatori.

La presente invenzione pu? essere vantaggiosamente realizzata tramite un programma per computer che comprende mezzi di codifica per la realizzazione di uno o pi? passi del metodo, quando questo programma ? eseguito su di un computer. Pertanto si intende che l?ambito di protezione si estende a detto programma per computer ed inoltre a mezzi leggibili da computer che comprendono un messaggio registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma per la realizzazione di uno o pi? passi del metodo, quando detto programma ? eseguito su di un computer.

Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo, al contenuto delle rivendicazioni.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo ? in grado di realizzare l?oggetto dell?invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Un metodo di controllo per attuare un movimento combinato di una pluralit? di organi idraulici in una macchina da lavoro o agricola comprendente un circuito idraulico a condivisione di flusso (flow sharing), in cui ciascun organo idraulico ? movimentato mediante almeno un attuatore idraulico connesso al circuito idraulico, in cui il flusso di liquido idraulico ? generato da una pompa idraulica guidata da un motore primo, ed in cui a ciascun attuatore idraulico ? associata una valvola elettroidraulica, il metodo comprendendo un passo preliminare di raggruppare detta pluralit? di organi idraulici in almeno due insiemi (L, M, H) aventi priorit? di alimentazione differente, un primo passo di acquisire un primo flusso di liquido idraulico disponibile (A_F), generato dalla pompa idraulica, un secondo passo di calcolare un secondo flusso di liquido idraulico (R_F) complessivamente necessario all?azionamento di detti insiemi di organi idraulici, un terzo passo di confrontare detto primo flusso con detto secondo flusso ed in caso detto primo flusso risulta inferiore al secondo flusso allora ? eseguito un quarto passo (RED) di calcolare una riduzione del secondo flusso di liquido idraulico in modo iterativo dall?insieme a pi? bassa priorit? (L) all?insieme a pi? alta priorit? (H) fino a quando il secondo flusso eguaglia il primo flusso.

2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui a ciascun insieme di organi idraulici ? associato un coefficiente di riduzione limite, oltre il quale si passa a calcolare una riduzione di flusso di liquido idraulico per un insieme a priorit? immediatamente maggiore.

3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui quando, pur avendo applicato il coefficiente di riduzione limite per ciascun insieme di organi idraulici, risulta che il primo flusso risulta inferiore al secondo flusso, allora si riprende (Round 4, Round 7) dall?insieme a priorit? inferiore (L) modificando ulteriormente il relativo coefficiente di riduzione limite.

4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui una modifica di ciascun coefficiente limite consiste nel moltiplicare il coefficiente di riduzione limite corrente per un rispettivo coefficiente di base (0,65; 0,75; 0,85).

5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui ciascun ciclo di riduzione dall?insieme a priorit? inferiore all?insieme a priorit? maggiore ? definito come ?Round? (R1, R2, R3) ed in cui nel primo Round (R1) i coefficienti di riduzione limite coincidono con i corrispondenti coefficienti di base.

6. Programma di computer che comprende mezzi di codifica di programma atti a realizzare tutti passi di una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 5, quando detto programma ? fatto girare su di un computer.

7. Mezzi leggibili da computer comprendenti un programma registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma atti a realizzare tutti passi di una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 5, quando detto programma ? fatto girare su di un computer.

8. Macchina da la voro o agricola comprendente un motore primo configurato per azionare una pompa idraulica atta a generare un primo flusso (A_F) di liquido idraulico disponibile ed un circuito idraulico a condivisione di flusso alimentato dalla pompa idraulica, per attuare un movimento combinato di una pluralit? di organi idraulici, in cui ciascun organo idraulico ? movimentato mediante almeno un attuatore idraulico connesso al circuito idraulico, ed in cui la pluralit? di organi idraulici ? raggruppata in almeno due insiemi (L, M, H) aventi priorit? di alimentazione differente, ed in cui quando un secondo flusso (R_F) di liquido idraulico complessivamente necessario all?azionamento degli insiemi di organi idraulici ? maggiore del primo flusso, il circuito ? disposto per calcolare ed apportare una riduzione del secondo flusso di liquido idraulico in modo iterativo dall?insieme a pi? bassa priorit? (L) all?insieme a pi? alta priorit? (H) fino a quando il secondo flusso eguaglia il primo flusso.

9. Macchina secondo la rivendicazione 8, in cui a ciascun insieme di organi idraulici ? associato un coefficiente di riduzione limite, oltre il quale si passa a calcolare una riduzione di flusso di liquido idraulico per un insieme a priorit? immediatamente maggiore.

10. Macchina secondo la rivendicazione 9, in cui quando, pur avendo applicato il coefficiente di riduzione limite per ciascun insieme di organi idraulici, risulta il primo flusso risulta inferiore al secondo flusso, allora si riprende (Round 4, Round 7) dall?insieme a priorit? inferiore modificando il relativo coefficiente di riduzione limite.