JP5638077B2 - 旋回素子を備える作業装置の高さを決定するための方法および制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、旋回素子を備える作業装置の可変の作業高さを決定するための方法であって、作業高さを得るためにクレーンのような作業装置の旋回素子による線形運動が行われる方法および方法を実施するための制御装置に関する。

旋回素子を備える作業装置、例えば、掘削機ショベルを有する掘削機またはカンチレバーを有するクレーン車は、油圧シリンダによって旋回素子を動かす。旋回素子の線形位置を正確に検出するためには、それぞれの油圧シリンダに、油圧シリンダの線形運動を測定する距離測定センサを配置することができる。建設機械の粗野な環境ではこのような距離測定装置は著しい汚染にさらされ、汚染により、油圧シリンダが進んだ距離を測定する場合に不正確さが生じる。

旋回素子の正確な位置を決定するためには、線形運動の他に回転および旋回運動を決定する必要がある。回転および旋回運動は、適宜なセンサ機構を備える制御装置によって検出される。したがって、このような目的で複数の回転率センサおよび加速度センサが、作業装置の旋回アームに配置された制御装置の内部に配置されている。適宜なモデル計算および旋回アームの既知のレバー長さによって、作業装置の運動が正確に計算される。

作業装置が、旋回アームのレバー長さが可変となるように構成されている場合、回転率および加速度値からなるこのようなモデル計算はもはや使用できない。

本発明の課題は、旋回素子を備える作業装置の可変な作業高さを決定するための方法および制御装置において、作業高さを決定する場合に粗野な環境条件においても正確な結果を得ることができるものを提供することである。

本発明によれば、この課題は、旋回素子が進んだ高低差から得られる差圧の決定により高さを検出することにより解決される。このことは、環境条件が測定結果にネガティブな影響を及ぼすことなしに、作業装置の作業高さを正確に決定することが可能であるという利点を有する。差圧の形成により、測定結果は絶対気圧に依存しない。したがって、差圧は、三角関数によって簡単に検出することができる線形の運動変化に相当する。

有利には、旋回素子の線形運動によって得られる作業高さは、旋回素子の基準位置を表す基準圧力と、旋回素子によって得られた作業高さで測定された圧力との差から決定される。この場合、基準圧力は、作業高さを計算し始める作業装置の機械的な停止位置に対応する。このような基準圧力はそれぞれの作業機械について新たに検出される。なぜなら、異なる作業装置は構造的に様々に構成されているからである。

一実施形態では、基準圧力は、旋回素子が機械的なゼロ位置をとった場合に旋回アームの異なる２つの位置における２回の圧力測定により生じる差圧から決定され、この差圧は旋回素子の作業高さのゼロ位置を表す。この方法は、旋回アームが長い距離にわたって延びており、旋回素子の自由に可動な先端部が、回動可能に担体に結合された旋回素子の端部とは異なる高さ位置に位置するクレーンのような作業装置において特に有利である。長時間の圧力変化は、基準圧力を決定することによって補償される。

一改良形態では、旋回素子における２回の圧力測定が実施される２つの位置は、旋回素子の対向する端部に位置する。作業高さのゼロ位置は、２つの測定点が相互に離れていれば離れている程より正確に決定される。この場合、旋回素子の異なる箇所における２回の圧力測定が同じ時点で実施される場合、２つの測定箇所における環境条件が等しいことを前提にできるので、有利である。

有利には、旋回素子の作業高さゼロに対応した基準圧力が決定され、次いで作業装置の旋回素子の長手方向運動により旋回素子の機械的ゼロ位置からの高さ変更が行われ、次いで、旋回素子の自由に可動な端部で生じる圧力が測定され、旋回素子の自由に可動な端部で測定された圧力と基準圧力とから作業装置の作業高さに相当する差が形成される。作業高さを決定するために圧力測定を使用することにより、作業装置の可動性が制限されず、作業装置によって要求される作業プロセスを無制限に実施することができる。圧力測定は、通常の作業プロセスで実施され、すぐに得られる測定結果により作業装置の旋回素子を柔軟に制御することが可能となる。同様に、作業装置の操作員により、それぞれの作業点でゼロ位置を規定することが可能である。

一実施形態では、それぞれの圧力測定で大気圧が測定される。このことは、環境による雰囲気の阻害が圧力測定に影響を及ぼさないという利点を有する。

一改良形態では、作業高さが得られた場合、作業高さによって規定された平面で旋回素子が実施する回転および／または旋回運動が決定される。したがって、旋回素子の正確な作業高さのみではなく、旋回素子の自由に可動な端部の正確な位置が決定される。これにより、あらゆる時点で旋回素子がどのような運動を行うかが正確にわかる。

有利には、基準圧力および旋回素子の自由に可動な端部で測定された圧力は、作業装置の旋回素子の作業高さを決定する制御装置に伝送される。制御装置における圧力測定の評価は、作業装置の正確な制御を可能にする。

本発明の別の改良形態は、旋回素子を備える作業装置の可変の作業高さを決定するための制御装置に関するものであり、この制御装置では、作業高さを得るために作業装置の旋回素子による線形運動が行われる。粗野な環境条件においても作業高さの決定時に正確な結果を可能とするために、旋回素子が進んだ高低差から得られる差圧の決定により作業高さを検出する手段が設けられている。したがって、作業装置の作業高さの正確な決定が、環境条件が測定結果に不利に影響することなしに可能である。差圧の形成により、測定結果は絶対気圧に依存していない。

有利には、大気圧センサは計算ユニットに接続されており、計算ユニットは、作業装置の旋回素子の作業高さを決定するために、旋回素子の基準位置を表す基準圧力と、旋回素子によって得られた作業高さで測定された圧力との差を検出する。大気圧センサの使用は、長時間の外圧の決定を可能にする。短時間の圧力変化を生成する乱気流は考慮されない。温度の影響は、作業室の補正値としても長時間補正値として計算に使用することもできる。

一実施形態では、作業高さのゼロ位置に対応した基準圧力は計算ユニットに保存されている。したがって、基準圧力は、作業プロセスの開始時に一度だけ決定すればよく、作業の過程で常に再び使用することができる。

一改良形態では、大気圧センサの前方には、有利には制御装置のハウジング壁部に配置された外気のための圧力接続部が配置されている。このような圧力接続部は、空気移動、例えば風による短時間の圧力変化を防止し、これにより、圧力センサによっていわば静的な大気圧のみが測定される。

有利には、圧力接続部は薄膜またはラビリンスとして構成されている。このような構造的に簡単で安価な手段により、乱気流による圧力変化が確実に防止される。

一実施形態では、計算ユニットは、少なくとも１つの運動センサ、特に回転率センサまたは加速度センサおよび／または温度センサに接続されている。運動センサによって、検出された作業高さにおける旋回素子の自由な端部の正確な位置が決定される。

旋回素子を有する本発明による作業装置は、旋回素子の可変な作業高さを決定するための少なくとも２つの制御装置を備え、それぞれの制御装置は、旋回素子の別の位置に配置されており、それぞれの制御装置は、通信システムを介して中央制御ユニットに接続されている。中央制御装置によって、個々の制御装置、ひいては作業装置の運動プロセスが調整される。

本発明は多数の実施可能性を可能にする。そのうちの一つの実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

可変に調節可能な作業高さを有するクレーン車を示す図である。 クレーン車に固定された制御装置の実施例を示す図である。 作業高さを決定するための原理を示す図である。 クレーン車に固定された複数の制御装置における電子回路の実施例を示す図である。

図１は、可変の作業高さを有する作業装置を示す。この場合、長さを調節可能なカンチレバー２を備えるクレーン車１である。カンチレバー２は、端部でクレーン車１に可動に係留されており、前端は自由に可動にクレーン車１の運転室に載置されている。クレーン車１に可動に結合されたカンチレバー２の端部には、カンチレバー２を持ち上げることのできるクランク装置が配置されており、これにより、カンチレバー２の自由に可動な端部をクレーン車１の運転室から解除することができる。カンチレバー２の自由に可動な端部には、第１制御装置３が配置されている。第２制御装置４はカンチレバー２のベースに位置し、ここでカンチレバー２はクレーン車１に可動に結合されている。カンチレバー２の自由に可動な端部に組み込まれた懸吊部には第３制御装置５が配置されている。

３つの制御装置３，４，５は全て同一の構造を有し、この構造を制御装置３について図２を用いて説明する。制御装置３は、温度センサ７および大気圧センサ８に接続されたメインコンピュータ６を備える。さらにメインコンピュータ６は、３つの回転率センサ９，１０，１１および３つの加速度センサ１２，１３，１４に通じている。大気圧センサ８は、高感度のマイクロメカニカル圧力センサである。圧力センサ８には、制御装置３のハウジング壁部１６に挿入された薄膜１５が向かい合っている。薄膜１５は、圧力センサ８が大気圧のみを測定するように、制御装置３の周囲における短時間の圧力変化を補償する役割を果たす。メインコンピュータ６の出力部１７は、図２には示さない通信システムに通じている。

図３により、クレーン車１のカンチレバー２における作業高さｈの決定を説明する。制御装置３および４の代わりに、制御装置３および４に含まれる圧力センサ８_３および８_４のみを示す。８_３により、制御装置３の内部に配置された圧力センサを示し、８_４により、制御装置４の内部に配置された圧力センサを示す。

図１について既に説明したように、カンチレバー２の自由に可動な端部は停止位置でクレーン車１の運転室に載置されている。しかしながら、カンチレバー２は、カンチレバーの回動可能な端部に対して幾分傾斜して支承されている。いま作業高さを決定するためのゼロ点ｈ１とみなされる出発点を検出するために、図示の位置で２回の圧力測定が行われる。この場合、１回の圧力測定は、圧力センサ８_４によってカンチレバー２の回動可能な端部で行われ、もう１回の圧力測定は圧力センサ８_３によってカンチレバー２の自由に可動な端部で行われる。測定されたこれらの２つの圧力値の間の差は、高さｈ１＝０に較正され、これにより、基準圧力を形成する。

基準圧力の決定後にカンチレバー２は旋回される。この場合、クレーン車１との角度のみならず、図３に矢印で示すようにカンチレバー２の長さｄも変更される。カンチレバー２の自由に可動な端部が作業高さｈ２に到達した場合、再び制御装置３の圧力センサ８_３により圧力測定が行われる。基準圧力と、最後に制御装置３によって測定された圧力とから、高低差Δｈ＝ｈ２−ｈ１に比例する差圧Δｐが形成される。余弦関数の利用により、いま停止位置およびカンチレバー２が旋回される角度でカンチレバーの長さを認識して、カンチレバー２の作業高さが計算される。

カンチレバー２の自由に可動な端部によって規定された平面における自由に可動な端部の正確な位置を決定するためには、回転率センサ９，１０，１１および加速度センサ１２，１３，１４がカンチレバー端部の旋回運動および回転運動を感知するために使用され、これらは評価のためのメインコンピュータ６に伝送される。

制御装置３および４における機能形式の説明は、他の制御装置３および５または制御装置４および５の協働にもあてはめることができる。

制御装置３，４および５は、図４に示すように、機能的に１つのシステムに組み込まれている。この場合、３つの制御装置３，４，５は全て、通信システム１８によってクレーン車１の中央制御部１９に接続されており、中央制御部１９はセンサ信号を評価し、カンチレバー１の運動経過を調整し、これにより、カンチレバー２の自由な端部の位置を計算するために複数の制御装置３，４，５を使用することができる。通信システム１８は、バスシステム、例えばＣＡＮまたはフレックスレイ（Ｆｌｅｘｒａｙ）として構成されている。このバスシステムは、制御装置３，４，５と中央制御部１９との間のデータ交換を可能にし、基準圧力の形式でカンチレバー２の機械的なゼロ点の測定結果を全ての制御装置３，４，５に伝送することができる。

Claims (13)

1. 旋回素子を備える作業装置の作業高さを決定するための方法であって、旋回素子（２）が進んだ高低差（Δｈ）から得られる差圧（Δｐ）を決定することにより作業高さの検出を行う方法において、
   前記旋回素子（２）の旋回前に、旋回素子（２）の作業高さゼロ（ｈ１）に相当する基準圧力を決定し、作業装置（１）に対する旋回素子（２）の角度および旋回素子（２）の長さ（ｄ）が変更される旋回素子（２）の旋回後に、旋回素子（２）の自由に可動な端部で生じる圧力を測定し、差圧（Δｐ）から、旋回素子の作業高さを計算し、
   前記計算した作業高さおよび前記旋回素子（２）の角度から、前記旋回素子（２）の長さ（ｄ）を三角関数により計算することを特徴とする、旋回素子を備える作業装置の作業高さを決定するための方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記旋回素子（２）が機械的なゼロ位置（ｈ１）をとった場合に旋回素子（２）の異なる２つの位置における２回の圧力測定により得られる差圧から基準圧力を決定し、前記差圧により、旋回素子（２）の作業高さのゼロ位置（ｈ１）を表す、方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記旋回素子（２）における２回の圧力測定が実施される２つの位置を、旋回素子（２）の対向する端部に設ける、方法。
4. 請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法において、それぞれの圧力測定で大気圧を測定する、方法。
5. 請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法において、作業高さが得られた場合に、該作業高さの平面で旋回運動を行った前記旋回素子（２）の位置を決定する、方法。
6. 請求項１から５までのいずれか一項に記載の方法において、基準圧力および旋回素子（２）の自由に可動な端部で測定された圧力を、前記作業装置（１）の旋回素子（２）の作業高さを決定する制御装置（３，４，５）に伝送する、方法。
7. 旋回素子を備える作業装置（１）の作業高さを決定するための制御装置であって、旋回素子（２）が進んだ高低差（Δｈ）から得られる差圧（Δｐ）を決定することにより作業高さを検出する手段（８３，８４，３，４，５，１９）が設けられている制御装置において、
   前記手段（８３，８４，３，４，５，１９）が、前記旋回素子（２）の旋回前に、旋回素子（２）の作業高さゼロ（ｈ１）に相当する基準圧力を決定し、作業装置（１）に対する旋回素子（２）の角度および旋回素子（２）の長さ（ｄ）が変更される旋回素子（２）の旋回後に、旋回素子（２）の自由に可動な端部で生じた圧力を測定し、次いで前記差圧（Δｐ）から、旋回素子の作業高さを計算し、
   前記計算した作業高さおよび前記旋回素子（２）の角度から、前記旋回素子（２）の長さ（ｄ）を三角関数により計算することを特徴とする、旋回素子を備える作業装置（１）の可変の作業高さを決定するための制御装置。
8. 請求項７に記載の制御装置において、大気圧センサ（８３，８４）が計算ユニット（６）に接続されており、該計算ユニット（６）が、前記作業装置（１）の前記旋回素子（２）の作業高さを決定するために、旋回素子（２）の基準位置を表す基準圧力と、旋回素子（２）によって得られた作業高さ（ｈ２）で測定された圧力との間の差を検出する、制御装置。
9. 請求項８に記載の制御装置において、作業高さゼロ（ｈ１）に相当する基準圧力が計算ユニット（６）に保存されている、制御装置。
10. 請求項７から９までのいずれか一項に記載の制御装置において、大気圧センサ（８３，８４）の前方に、有利には制御装置（３，４，５）のハウジング壁部（１６）に配置された、外気のための圧力接続部（１５）が配置されている、制御装置。
11. 請求項１０に記載の制御装置において、圧力接続部（１５）が、薄膜またはラビリンスとして構成されている、制御装置。
12. 請求項８または１１に記載の制御装置において、計算ユニット（６）が、少なくとも１つの運動センサおよび／または温度センサ（７）に接続されている、制御装置。
13. 旋回素子を有する作業装置において、
    請求項７から１２までのいずれか一項に記載の旋回素子（２）の可変の作業高さを決定するための少なくとも２つの制御装置（３，４，５）が設けられており、それぞれの制御装置（３，４，５）が、前記旋回素子（２）の別の位置に配置されており、それぞれの制御装置（３，４，５）が、通信システム（１８）を介して中央制御ユニット（１９）に接続されていることを特徴とする作業装置。

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