WO2001051717A1 - Vorrichtung und verfahren zur lageregelung für arbeitseinrichtungen mobiler arbeitsmaschinen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur lageregelung für arbeitseinrichtungen mobiler arbeitsmaschinen Download PDF

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WO2001051717A1
WO2001051717A1 PCT/EP2000/013310 EP0013310W WO0151717A1 WO 2001051717 A1 WO2001051717 A1 WO 2001051717A1 EP 0013310 W EP0013310 W EP 0013310W WO 0151717 A1 WO0151717 A1 WO 0151717A1
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WO
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angle
control
plane
measuring
gravitational force
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PCT/EP2000/013310
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French (fr)
Inventor
Reinhard Vonnoe
Michael Brand
Original Assignee
Brueninghaus Hydromatik Gmbh
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02F—DREDGING; SOIL-SHIFTING
    • E02F3/00—Dredgers; Soil-shifting machines
    • E02F3/04—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven
    • E02F3/28—Dredgers; Soil-shifting machines mechanically-driven with digging tools mounted on a dipper- or bucket-arm, i.e. there is either one arm or a pair of arms, e.g. dippers, buckets
    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
    • E02F3/431—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like
    • E02F3/432—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like for keeping the bucket in a predetermined position or attitude
    • E02F3/433—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like for keeping the bucket in a predetermined position or attitude horizontal, e.g. self-levelling
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E02F3/36—Component parts
    • E02F3/42—Drives for dippers, buckets, dipper-arms or bucket-arms
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    • E02F3/431—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like
    • E02F3/432—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like for keeping the bucket in a predetermined position or attitude

Definitions

  • the invention relates to a device for position control for work devices of mobile machines and a method for position control for work devices of mobile machines.
  • a micromechanical inclination sensor in particular for motor vehicles, which has a carrier plate, the inclination of which to the horizontal is determined. Furthermore, at least two pressure sensor units integrated on the carrier plate are provided for determining a pressure applied to the carrier plate at the respective points. A ground plate is connected to the carrier plate via the pressure sensor units. An evaluation unit determines the inclination of the carrier plate to the horizontal from the data produced by the pressure sensor units. Depending on the inclination of the device in which the inclination sensor is installed, the mass plate exerts a force of different strength on the respective pressure sensor unit. At least two pressure sensors must be provided to measure the angle of inclination. These are formed in DE 197 52 439 AI as piezoresistive pressure transducers.
  • a device for level control in a harbor crane is known from DE 39 38 766 AI.
  • a level control using a hydraulic control valve for controlling one or more hydraulic actuators for a part to be maintained at a certain level is proposed here, the part being coupled to another part which can be changed in any position.
  • Control valve with a pendulum fixed in its position by gravity as an actuating device m mechanical actuating connection is proposed here.
  • a damped pendulum deflection takes place in a defined spatial direction, which is transmitted to the hydraulic actuator via the control valve.
  • a loading and unloading crane which is particularly suitable for loading and unloading of ships, is aligned by this measure so that when the crane boom is raised and lowered, a loading and unloading device located there relative to a fixed position remains for the rest of the construction.
  • a disadvantage of the level control known from DE 39 38 766 AI is in particular the one-dimensional design.
  • the device is quite sufficient for mobile work machines such.
  • the object of the present invention is thus to provide an apparatus and a method for position control for work devices of mobile work machines, whereby the work devices can be reliably adapted both in several directions and on the road surface in accordance with the respective position of the work machine without m uneven terrain Charge loss on ride.
  • the object is achieved with respect to the device by the features of claim 1 and with respect to the method by the features of claim 11.
  • the invention is based on the finding that the alignment of a work device of a mobile work machine is important not only in the immovable state or when picking up material, but in particular when transporting the picked up material in the field to avoid load losses. Accordingly, a device suitable for this purpose must enable alignment with respect to a plane defined by the force of gravity and in a satisfactorily short time.
  • the device according to the invention and the corresponding method provide an arrangement which enables a position correction with respect to a plane perpendicular to the gravitational force and possibly inverse acceleration force.
  • the possibility of executing the comparison device both in a conventional analog design and in integrated circuit technology is advantageous, since it allows the special requirements of individual machines to be met.
  • the arrangement is simple to manufacture and easy to equip with commercially available sensors.
  • the arrangement is suitable for execution in one spatial direction as well as in two spatial directions.
  • a position correction in the longitudinal and transverse directions is advantageous.
  • the natural vibrations caused by the control runtime and their multiples are eliminated.
  • the predetermined angle is particularly preferably set such that the plane defined by the position of the working device is perpendicular to the resultant of gravitational force and inverse acceleration force.
  • preferred embodiments of the device according to the invention are shown and explained in more detail below with reference to the drawing. As a result, even with accelerations of the work equipment, for. B. by driving movements, the working device positioned so that loss of charge is avoided.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the device according to the invention in a second circuit diagram
  • 3A-3B the basic structure of a digital filter unit designed as a second-order bandstop filter and the associated amplitude response;
  • F g. 6 shows a schematic mobile work machine with the device according to the invention for position control on uneven terrain
  • FIG. 7 shows a sketch with regard to a charge control that takes the acceleration into account.
  • the circuit comprises a first sensor 1, which measures a first angle m of a first spatial direction, hereinafter referred to as x. This first angle is referred to below as ⁇ x .
  • a second sensor 2 accordingly measures a second angle m of a second spatial direction y. The second angle is referred to below as ⁇ ⁇ .
  • the measured angles ⁇ x and ⁇ y are determined via a first comparator 3 and a second comparator 4 with an angle ⁇ x 'for the spatial direction x and ⁇ y ' for the spatial direction y, which angle can be determined by an angle transmitter 5 and which can be 90 °, for example , compared.
  • the comparators 3 and 4 form a comparison device 6.
  • the angle transmitter 5 can either provide a fixed predetermined angle or an angle ⁇ x 'or ⁇ y ' which can be adjusted manually using a manual control transmitter 5a.
  • the signal m x direction passes through a first bandstopper 7 after the first comparator 3, the signal m y direction passes through a second bandstopper 8 after the second comparator 4.
  • the bandstopper 7 and 8 have the purpose of being caused in the system by the control time ⁇ Eliminate natural vibration f R and, if necessary, their multiples 2 f R , 3 f R , ..., so that the dynamic behavior of the system remains controllable and no resonances occur.
  • the signal m x direction is amplified by a first amplifier 9 in order to to be able to control a first electromagnet 10.
  • the first electromagnet 10 is required to actuate a first control valve 11, which in turn controls a first hydraulic actuating element 12 for position correction in the first spatial direction x.
  • the signal in the y-direction is amplified by a second amplifier 13 after passing through the bandstop 8 in order to control a second electromagnet 14 and thus a second control valve 15.
  • the second control valve 15 actuates a second hydraulic control element 16.
  • the working device is aligned in the second spatial direction y.
  • a hydraulic fluid located in a tank 17 is pumped into a front or rear cylinder space of a first cylinder 19 of the first hydraulic actuating element 12 or into the front or rear cylinder space of a second cylinder 20 of the second hydraulic Control element 16 pressed.
  • a first piston 21 or a second piston 22 experiences a change in position, which in turn ensures the position control of the working device 41.
  • the position control is carried out until the comparators 3 and 4 determine no difference between the measured angle ⁇ x or ⁇ y and the preset angle ⁇ x 'or ⁇ y 1 .
  • the differences ⁇ x '- ⁇ x and ⁇ y ' - ⁇ y are almost zero in magnitude or are at least below a value which can still be tolerated for an angular deviation ⁇ , for example ⁇ 3 °.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an inventive device for position control for work equipment of mobile machines. Components that have already been described in FIG. 1 are provided with the same reference symbols and are not described again below. 1 is an exemplary embodiment in analog technology, the exemplary embodiment shown in FIG. 2 is implemented in digital technology.
  • the device shown in FIG. 2 differs from the device shown in FIG. 1 mainly by the use of a digital control unit 34, which performs both the function of the band-stopper 7 and 8 and that of the comparison device 6.
  • the comparison device 6 is accordingly constructed as follows:
  • the angle ⁇ x output by the sensor 1 is preamplified by a first preamplifier 30 and then by a first analog-digital converter 32 from an analog measured angle value to a digital one which can be processed by a digital control unit 34 Value implemented.
  • the angle ⁇ y is amplified by a second preamplifier 31 and converted into a digital value by a second analog-digital converter 33.
  • the predetermined angle ⁇ x 'or ⁇ y ' is determined by the angle transmitter 5 by a third analog -Digital converter 35 also implemented and supplied to the digital control unit 34, which can be designed as a microprocessor.
  • the digital control unit 34 is also responsible for filtering the signals.
  • the filter unit is designed as a digital filter with a bandstop characteristic.
  • Band-stop characteristic as in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, corresponds, for example, to the second-order digital band-stop shown in FIGS. 3A and 3B and is provided by a corresponding program m of the control unit 34.
  • the digital control unit 34 has a memory 36 which, for. B. offers the possibility to save the measured and adjusted data and to make it available for later external processing.
  • the adjusted signals from sensors 1 and 2 are converted back to analog signals by a first digital-to-analog converter 37 and a second digital-to-analog converter 38.
  • the analog signals are amplified by amplifiers 9 and 13 and fed to the electromagnets 10 and 14.
  • Hydraulic actuators 12 and 16 are actuated by the control valves 11 and 15, the pump 18 and the tank 17 analogously to the first exemplary embodiment. These then ensure the correct position of the working device 41.
  • FIG. 3A shows a digital filter which, by means of various delay elements for delaying the sampling values (designated m in FIG. 3A with z ⁇ ) and coefficient elements a 0 , a ⁇ and a 2 for changing the amplitude of the sampling values, a bandstop filter with the m FIG. 3B shown resonance frequency f R generated.
  • a further digital filter can be provided to filter out the double resonance frequency 2f R.
  • FIG. 4 a work machine 40 with an excavator shovel is used as a schematic illustration Work device 41 explains an application of the invention in one dimension.
  • FIG. 4A illustrates the prior art.
  • the excavator bucket 41 In the lower position of the excavator bucket 41 (on the left in the picture), the excavator bucket 41 is oriented in such a way that an imaginary plane 42, which is laid through the opening of the excavator bucket 41 at the top, is always parallel to the surface of the earth.
  • Common work machines 40 have a lifting mechanism for the working device 41, which is designed so that the excavator bucket 41 is raised so that the plane 42, which is determined by the opening of the excavator bucket 41, always remains parallel to the ground.
  • FIG. 4B another reference plane 42 ' is proposed for the alignment of the excavator bucket 41.
  • an imaginary plane 42 ′ is also defined on the working device 41 of the working machine 40 shown in FIG. 4B through the opening of the excavator bucket 41 located at the top. This is now no longer necessarily parallel to the earth, but always approximately perpendicular to the direction of the gravitational force, marked m in FIG. 4B with the vector g. This can be achieved both in the lower and in the upper position of the excavator bucket 41.
  • the one-dimensional correction of the position of the excavator bucket 41 shown in FIG. 4 can also be carried out without problems in two directions perpendicular to one another, for example lengthways and transversely to the direction of movement.
  • FIG. 5 shows a schematic excavator bucket 41 in perspective. Due to the axes A and B which are parallel and perpendicular to the direction of movement, the excavator bucket 41 can be pivoted up and down both transversely to the direction of travel and in the direction of travel. In this way, load losses to the front or to the side from the excavator bucket 41 can be avoided when driving on uneven terrain.
  • FIG. 6 schematically shows a working machine 40 when driving through uneven terrain, the position of the working device 41 also being regulated here by its relative position with respect to the gravitational force g.
  • the position of the working device 41 also being regulated here by its relative position with respect to the gravitational force g.
  • it makes sense to assume a limit value for the angle deviation ⁇ for the angle ⁇ between the plane 42 defined by the excavator bucket 41 and the direction of the gravitational attraction g, from which point the position control can be omitted.
  • a reasonable middle ground is found between an uninterrupted position correction, which requires a lot of energy and can be unfavorable due to the control delay, and charge loss due to a lack of position correction.
  • Align acceleration force b Align acceleration force b.
  • the excavator bucket 41 is shown enlarged in FIG. 7. It is assumed that the mobile work machine 40 is subject to a deceleration due to a braking operation. The decelerating acceleration force b therefore acts on the excavator bucket 41.
  • the bulk material introduced into the excavator bucket 41 is acted on by a reverse acceleration force b 'm in the opposite direction to the acceleration force J decelerating the excavator bucket 41, i. H.
  • the acceleration force b 'acting on the bulk material in the reference system of the excavator bucket 41 has the same amount as the acceleration force b acting on the excavator bucket 41 m, but is rotated by 180 °.
  • the resultant r from the gravitational force g and the inverse acceleration force b 'therefore acts on the bulk material located in the excavator bucket 41. It is therefore advantageous to regulate the plane 42 by the position control according to the invention so that the plane 42 is perpendicular to the resultant r.
  • a further measuring device 29 is provided for measuring the acceleration or deceleration of the mobile working machine 40. The acceleration or deceleration can also be measured separately here in the dimensions x and y. While in the exemplary embodiment m analog technology shown in FIG.
  • the measuring device 29 for measuring the acceleration is directly connected to the angle transmitter 5 and the angle ⁇ ⁇ l m predetermined by the angle transmitter 5 x direction and the angle y given in the y direction. overdriven, the measuring device 29 for measuring the acceleration in the exemplary embodiment shown in FIG. 2 is connected in digital technology via an analog-digital converter 28 to the control unit 34, which performs a computational correction of the predetermined angles ⁇ x 'and ⁇ y ' as a function of the situation of the measured acceleration.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiments shown, but can also be applied to any work machine using different sensors or filter devices.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen (41) mobiler Arbeitsmaschinen (40) umfasst eine Messeinrichtung (1, 2) zur Messung eines Winkels (α), welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung (41) bestimmten Ebene (42) und der Richtung der Gravitationskraft (g) gebildet ist, einen Winkelgeber (5) zur Vorgabe eines Winkels (α'), welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung (41) bestimmten Ebene (42) und der Richtung der Gravitationskraft (g) gebildet ist und eine Regeleinrichtung (3, 4, 6-16) zum Regeln des Winkels (α) zwichen der Ebene (42) der Arbeitseinrichtung (41) und der Richtung der Gravitationskraft (g), so dass der gemessene Winkel (α) mit dem vorgegebenen Winkel (α') in Übereinstimmung gebracht wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen mobiler
Arbeitsmaschinen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen mobiler Arbeitsmaschinen und ein Verfahren zur Lageregelung für Arbeitsemrichtungen mobiler Arbeitsmaschinen .
Aus der DE 197 52 439 AI ist ein mikromechanischer Neigungssensor, insbesondere für Kraftfahrzeuge, als solches bekannt, welcher eine Trägerplatte aufweist, deren Neigung zur Horizontalen bestimmt wird. Ferner sind mindestens zwei auf die Trägerplatte integrierte Drucksensoremheiten zur Bestimmung eines auf die Trägerplatte an den jeweiligen Punkten aufgebrachten Drucks vorgesehen. Eine Masseplatte ist mit der Trägerplatte über die Drucksensoremheiten verbunden. Aus den von den Drucksensoremheiten produzierten Daten ermittelt eine Auswertungseinheit die Neigung der Trägerplatte zur Horizontalen. Die Masseplatte übt dabei e nach Neigung des Gerätes, m welches der Neigungssensor eingebaut ist, eine unterschiedlich starke Kraft auf die jeweilige Drucksensoreinheit aus. Zur Messung des Neigungswinkels müssen mindestens zwei Drucksensoren vorgesehen sein. Diese sind m der DE 197 52 439 AI als piezoresistive Druckaufnehmer ausgebildet.
Eine Vorrichtung zur Niveauregelung bei einem Hafenkran ist aus der DE 39 38 766 AI bekannt. Hier wird eine Niveauregelung unter Verwendung eines hydraulischen Steuerventils zum Ansteuern eines oder mehrerer hydraulischer Stellorgane für em ein bestimmtes Niveau beizubehaltendes Teil vorgeschlagen, wobei das Teil mit einem anderen seine Lage beliebig veränderbaren Teil gekoppelt ist. Um eine hohe Betriebssicherheit ohne Verwendung teuerer Elektronik zu gewährleisten, steht das Steuerventil mit einem m seiner Lage durch die Schwerkraft festgelegten Pendel als Betätigungseinrichtung m mechanischer Stellverbmdung .
Bei einer Neigung der Vorrichtung erfolgt ein gedämpfter Pendelausschlag m einer festgelegten Raumrichtung, der über das Steuerventil auf das hydraulische Stellglied übertragen wird. In der DE 39 38 766 AI wird durch diese Maßnahme ein Be- und Entladekran, welcher insbesondere zum Be- und Entladen von Schiffen geeignet ist, so ausgerichtet, daß bei Heben und Senken des Kranbaumes eine daran befindliche Be- und Entladungseinrichtung einer festgelegten Lage relativ zum restlichen Aufbau verbleibt.
Nachteilig an der aus der DE 39 38 766 AI bekannten Niveauregelung ist insbesondere die eindimensionale Ausführung. Für das m der oben genannten Offenlegungsschrift offenbarte Ausführungsbeispiel der Niveauregelung an einem Be- und Entladekran vorzugsweise für Schiffe ist die Vorrichtung durchaus ausreichend, für mobile Arbeitsmaschinen wie z. B. Erdbewegungsmaschinen, welche sich vorzugsweise auf Baustellen und demnach auf unebenem Untergrund bewegen, ist eine eindimensionale Lagekorrektur jedoch nicht ausreichend.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Lageregelung für Arbeitsemrichtungen mobiler Arbeitsmaschinen bereitzustellen, wodurch die Arbeitsemrichtungen sowohl m mehreren Richtungen als auch auf dem befahrenen Untergrund gemäß der jeweiligen Lage der Arbeitsmaschine zuverlässig angepaßt werden kann, ohne daß m unebenem Terrain Ladungsverlust auf ritt .
Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung durch die Merkmale der Anspruchs 1 und bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Ausrichtung einer Arbeitseinrichtung einer mobilen Arbeitsmaschine nicht allein in unbeweglichem Zustand oder bei der Aufnahme von Material, sondern insbesondere beim Transport des aufgenommenen Materials im Gelände zur Vermeidung von Ladungsverlusten von Bedeutung ist. Dementsprechend muß eine Vorrichtung, die für diesen Zweck geeignet ist, eine Ausrichtung bezüglich einer zur Gravitationskraft definierten Ebene und in einer zufriedenstellend kurzen Zeit ermöglichen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das entsprechende Verfahren stellt eine Anordnung zur Verfügung, welche eine Lagekorrektur bezüglich einer zur Gravitationskraft und ggf. inversen Beschleunigungskraft senkrechten Ebene ermöglicht.
Die Unteransprüche 2 bis 10 und 12 beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Insbesondere die Möglichkeit, die Vergleichseinrichtung sowohl in herkömmlicher analoger Bauweise als auch in integrierter Schaltungstechnik auszuführen, ist von Vorteil, da so den speziellen Anforderungen einzelner Arbeitsmaschinen genügt werden kann.
Die Anordnung ist einfach herzustellen und leicht mit handelsüblichen Sensoren auszustatten.
Die Anordnung ist sowohl zur Ausführung in einer Raumrichtung als auch in zwei Raumrichtungen geeignet. Insbesondere bei Erdbewegungsmaschinen ist eine Lagekorrektur in Längs- und Querrichtung vorteilhaft. Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung werden die durch die Regellaufzeit hervorgerufenen Eigenschwingungen und deren Vielfache eliminiert.
Besonders bevorzugt wird der vorgegebene Winkel so eingestellt, daß die durch die Lage der Arbeitseinrichtung definierte Ebene senkrecht zu der Resultierenden aus Gravitationskraft und inverser Beschleunigungskraft steht. In der Zeichnung werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt und nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Dadurch wird auch bei Beschleunigungen der Arbeitseinrichtung, z. B. durch Fahrbewegungen, die Arbeitseinrichtung so positioniert, daß Ladungsverlust vermieden wird.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 in einem ersten Schaltbild ein erstes
Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Regelung und Ansteuerung von hydraulischen Stellelementen zur Lageregelung beweglicher Arbeitseinrichtungen mobiler
Arbeitsmaschinen;
Fig. 2 in einem zweiten Schaltbild ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemaßen Vorrichtung;
Fig. 3A-3B den prinzipiellen Aufbau einer als Bandsperre 2. Ordnung ausgelegten digitalen Filtereinheit sowie den zugehörigen Amplitudengang;
Fig. 4A-4B in einer vereinfachten Darstellung die Bewegung einer mobilen Arbeitsmaschine im Gelände gemäß dem Stand der Technik sowie die Anwendung der erfindungsgemäßen Lageregelungsvorrichtung bei einer mobilen Arbeitsmaschine bei Bewegung im
Gelände;
Fig. 5 in einer perspektivischen Darstellung ein
Beispiel für eine Arbeitseinrichtung einer mobilen Arbeitsmaschine mit den möglichen
Schwenkrichtungen; F g. 6 eine schematische mobile Arbeitsmaschine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lageregelung m unebenem Gelände; und
Fig. 7 eine Skizze bezüglich einer die Beschleunigung berücksichtigenden Laderegelung.
In Fig. 1 ist m einem ersten Blockschaltbild ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lageregelung für Arbeitsemrichtungen mobiler Arbeitsmaschinen dargestellt. Die Schaltung umfaßt einen ersten Sensor 1, welcher einen ersten Winkel m einer ersten Raumrichtung, im Folgenden mit x bezeichnet, mißt. Dieser erste Winkel wird im Folgenden mit αx bezeichnet . Ein zweiter Sensor 2 mißt entsprechend einen zweiten Winkel m einer zweiten Raumrichtung y. Der zweite Winkel wird im Folgenden mit αγ bezeichnet. Die gemessenen Winkel αx und αy werden über einen ersten Komparator 3 und einen zweiten Komparator 4 mit einem von einem Winkelgeber 5 festgelegten Winkel αx' für die Raumrichtung x und αy ' für die Raumrichtung y, welcher beispielsweise jeweils 90° betragen kann, verglichen. Die Komparatoren 3 und 4 bilden eine Vergleichseinrichtung 6. Der Winkelgeber 5 kann dabei entweder einen fest vorgegebenen oder auch einen von Hand über einen Handsteuergeber 5a einstellbaren Winkel αx ' bzw. αy ' zur Verfügung stellen.
Das Signal m x-Richtung durchläuft nach dem ersten Komparator 3 eine erste Bandsperre 7, das Signal m y- Richtung nach dem zweiten Komparator 4 eine zweite Bandsperre 8. Die Bandsperren 7 und 8 haben den Zweck, die durch die Regellaufzeit τ im System hervorgerufene Eigenschwingung fR und gegebenenfalls deren Vielfache 2 fR, 3 fR, ... zu eliminieren, damit das dynamische Verhalten des Systems kontrollierbar bleibt und keine Resonanzen auftreten.
Nach Durchlaufen der Bandsperre 7 wird das Signal m x- Richtung durch einen ersten Verstarker 9 verstärkt, um damit einen ersten Elektromagneten 10 ansteuern zu können. Der erste Elektromagnet 10 wird zur Betätigung eines ersten Steuerventils 11 benötigt, welches wiederum ein erstes hydraulisches Stellelement 12 zur Lagekorrektur in der ersten Raumrichtung x ansteuert. Entsprechend wird das Signal in y-Richtung nach Durchlaufen der Bandsperre 8 durch einen zweiten Verstärker 13 verstärkt, um einen zweiten Elektromagneten 14 und damit ein zweites Steuerventil 15 anzusteuern. Das zweite Steuerventil 15 betätigt ein zweites hydraulisches Stellelement 16. Dadurch wird die Arbeitseinrichtung in der zweiten Raumrichtung y ausgerichtet .
Zur Betätigung der hydraulischen Stellglieder 12 und 16 wird eine in einem Tank 17 befindliche Hydraulikflüssigkeit durch eine Pumpe 18 in einen vorderen oder hinteren Zylinderraum eines ersten Zylinders 19 des ersten hydraulischen Stellelements 12 bzw. in der vorderen oder hinteren Zylinderraum eines zweiten Zylinders 20 des zweiten hydraulischen Stellelements 16 gedrückt. Dadurch erfährt ein erster Kolben 21 bzw. ein zweiter Kolben 22 eine Lageänderung, welche wiederum für die Lageregelung der Arbeitseinrichtung 41 sorgt.
Die Lageregelung erfolgt so lange, bis die Komparatoren 3 und 4 keinen Unterschied zwischen dem gemessenen Winkel αx bzw. αy und dem voreingestellten Winkel αx' bzw. αy 1 feststellen. Dabei werden die Differenzen αx'-αx bzw. αy'-αy betragsmäßig fast Null oder liegen zumindest unter einem Wert, welcher für eine Winkelabweichung Δα noch toleriert werden kann, beispielsweise ± 3°.
Ist dieser Zustand erreicht, erfolgt keine Signaländerung mehr an die Steuerventile 11 und 15, welche daraufhin in eine Mittelstellung zurückschalten, ohne dabei die Position der Stellglieder 12 und 16 weiter zu verändern. Das System bleibt in der Mittelstellung, bis wieder ein geändertes Signal von den Komparatoren 3 und 4 eingeht . Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen mobiler Arbeitsmaschinen. Bauteile, die bereits in Fig. 1 beschrieben wurden, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden im Folgenden nicht nochmals beschrieben. Während es sich in Fig. 1 um ein Ausführungsbeispiel in Analogtechnik handelt, ist das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel in Digitaltechnik ausgeführt .
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung hauptsächlich durch die Verwendung einer digitalen Steuereinheit 34, welche sowohl die Funktion der Bandsperren 7 und 8 als auch die der Vergleichseinrichtung 6 übernimmt.
Die Vergleichseinrichtung 6 ist demnach folgendermaßen aufgebaut : Der von dem Sensor 1 ausgegebene Winkel αx wird durch einen ersten Vorverstärker 30 vorverstärkt und danach durch einen ersten Analog-Digital-Wandler 32 von einem analog gemessenen Winkelwert auf einen digitalen, von einer digitalen Steuereinheit 34 verarbeitbaren Wert umgesetzt. Ebenso wird der Winkel αy durch einen zweiten Vorverstärker 31 verstärkt und durch einen zweiten Analog-Digital-Wandler 33 in einen digitalen Wert umgesetzt. Um den vorgegebenen Winkel αx ' bzw. αy ' mit den von den Sensoren 1 und 2 ermittelten Winkeln αx und 0Cy vergleichen zu können, wird vom Winkelgeber 5 der vorgegebene Winkel αx' bzw. αy ' durch einen dritten Analog-Digital-Wandler 35 ebenfalls umgesetzt und der digitalen Steuereinheit 34 zugeführt, die als Mikroprozessor ausgebildet sein kann.
Die digitale Steuereinheit 34 ist neben dem Vergleichen der Winkelwerte auch für das Filtern der Signale zuständig. Dazu ist die Filtereinheit als digitales Filter mit Bandsperrencharakteristik ausgeführt. Die
Bandsperrencharakteristik entspricht wie in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise der in Fig. 3A und 3B dargestellten digitalen Bandsperre zweiter Ordnung und w rd durch ein entsprechendes Programm m der Steuereinheit 34 bereitgestellt. Die digitale Steuereinheit 34 weist einen Speicher 36 auf, welcher z. B. die Möglichkeit bietet, die gemessenen und abgeglichenen Daten zu speichern und für eine spätere externe Weiterverarbeitung zur Verfügung zu stellen.
Die abgeglichenen Signale der Sensoren 1 und 2 werden durch einen ersten Digital -Analog-Wandler 37 und einen zweiten Digital -Analog-Wandler 38 analoge Signale zurückgewandelt . Die analogen Signale werden durch Verstärker 9 und 13 verstärkt und den Elektromagneten 10 und 14 zugeführt. Durch die Steuerventile 11 und 15, die Pumpe 18 und den Tank 17 werden analog zum ersten Ausführungsbeispiel hydraulische Stellglieder 12 und 16 angesteuert . Diese sorgen dann für die korrekte Lage der Arbeitseinrichtung 41.
In Fig. 3A ist ein digitales Bandpaßfilter zweiter Ordnung und Fig. 3B der dazugehörige Frequenzgang prinzipiell erläutert. Fig. 3A zeigt ein digitales Filter, welches durch verschiedene Verzögerungsglieder zum Verzögern der Abstastwerte (m Fig. 3A mit z~ bezeichnet) sowie Koeffizientenglieder a0, a^ und a2 zum Verändern der Amplitude der Abtastwerte eine Bandsperre mit der m Fig. 3B gezeigten Resonanzfrequenz fR erzeugt. Dies führt dazu, daß die Eigenschwingung fR des Systems, welche durch die Regellaufzeit τ hervorgerufen wird, sowie ihre ungeradzahligen Vielfachen (3fR, 5fR usw.) ausgefiltert werden. Dies verhindert ein Aufschaukeln des Systems. Dadurch kann eine einerseits hochdynamische und andererseits äußerst präzise Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden. Zum Ausfiltern der doppelten Resonanzfrequenz 2fR kann ein weiters digitales Filter vorgesehen sein.
In Fig. 4 wird anhand einer schematisch dargestellten Arbeitsmaschine 40 mit einer Baggerschaufel als Arbeitsemrichtung 41 eine Anwendung der Erfindung m einer Dimension näher erläutert.
Fig. 4A verdeutlicht dabei den bisherigen Stand der Technik. In der unteren Stellung der Baggerschaufel 41 (links im Bild) ist die Baggerschaufel 41 so ausgerichtet, daß eine gedachte Ebene 42, welche durch die obenliegende Öffnung der Baggerschaufel 41 gelegt ist, sich stets parallel zur Erdoberfläche befindet. Gängige Arbeitsmaschinen 40 weisen dabei einen Hebemechanismus für die Arbeitsemrichtung 41 auf, welcher so konzipiert ist, daß die Baggerschaufel 41 so angehoben wird, daß die Ebene 42, welche durch die Öffnung der Baggerschaufel 41 festgelegt st, weiterhin stets parallel zum Erdboden bleibt.
Solange sich die Arbeitsmaschine 40 auf ebener Strecke bewegt, ist damit auch kein Problem verbunden. Sobald sich jedoch die Arbeitsmaschine 40 eine Steigung hinauf oder wie m Fig. 4A rechts dargestellt hinunter bewegt, geht Material 43 verloren, da sich die durch die Baggerschaufel 41 festgelegte Ebene 42 nach wie vor parallel zum Erdboden befindet und daher ab einer bestimmten Steigung das m der Baggerschaufel 41 transportierte Material 43 herausrutscht. Der Steigungswinkel, ab welchem mit Ladungsverlust zu rechnen ist, ist dabei hauptsächlich von der Form der Baggerschaufel 41 und der Befüllung bestimmt.
Erfindungsgemäß wird, wie m Fig. 4B dargestellt, eine andere Bezugsebene 42 ' für die Ausrichtung der Baggerschaufel 41 vorgeschlagen. Wie Fig. 4A wird auch an der Arbeitsemrichtung 41 der m Fig. 4B dargestellten Arbeitsmaschine 40 eine gedachte Ebene 42 ' durch die obenliegende Öffnung der Baggerschaufel 41 definiert. Diese ist nun nicht mehr zwingend parallel zum Erdboden, sondern stets annähernd senkrecht zur Richtung der Erdanziehungskraft, m Fig. 4B mit dem Vektor g gekennzeichnet, gerichtet. Dies läßt sich sowohl der unteren wie auch m der oberen Stellung der Baggerschaufel 41 realisieren. Dies bietet den Vorteil, daß die Baggerschaufel 41 erfindungsgemäß bei Bergauf- oder Bergabfahrten wie auch bei Fahrten in unebenem Gelände so nachreguliert wird, daß die durch die Baggerschaufel 41 verlaufende Ebene 42 stets senkrecht zur Richtung der Erdbeschleunigung g ausgerichtet wird. Dadurch werden Transportverluste aus der Baggerschaufel 41 vermieden.
Die in Fig. 4 dargestellte, eindimensionale Korrektur der Lage der Baggerschaufel 41 kann problemlos auch in zwei zueinander senkrechten Richtungen, beispielsweise längs und quer zur Bewegungsrichtung, erfolgen.
In Fig. 5 ist hierzu eine schematische Baggerschaufel 41 perspektivisch dargestellt. Durch die zur Bewegungsrichtung parallelen und senkrechten Achsen A und B kann die Baggerschaufel 41 sowohl quer zur Fahrtrichtung als auch in Fahrtrichtung auf- und abgeschwenkt werden. So können bei Fahrten in unebenem Gelände Ladungsverlusten nach vorne oder zur Seite aus der Baggerschaufel 41 vermieden werden.
In Fig. 6 ist schematisch eine Arbeitsmaschine 40 bei der Fahrt durch unebenes Gelände dargestellt, wobei auch hier die Lage der Arbeitseinrichtung 41 durch ihre relative Lage bezüglich der Erdanziehungskraft g geregelt wird. Es ist in diesem Zusammenhang sinnvoll, für den Winkel α zwischen der durch die Baggerschaufel 41 definierten Ebene 42 und der Richtung der Erdanziehungskraft g einen Grenzwert für die Winkelabweichung Δα anzunehmen, ab welchem die Lageregelung entfallen kann. Dadurch wird ein sinnvoller Mittelweg zwischen einer ununterbrochenen Lagekorrektur, welche viel Energie fordert und aufgrund der Regelverzögerung ungünstig sein kann, und Ladungsverlust aufgrund fehlender Lagekorrektur gefunden. Resonanzüberhöhungen, die Auftreten können, wenn die durch die Bodenunebenheit hervorgerufene Regelungsanregung mit der Resonanzfrequenz fR des Systems zusammenfällt, werden durch das beschriebene Filter unterdrückt . Während bei dem m Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel die durch die Ausrichtung der Baggerschaufel 41 definierte Ebene 42 senkrecht zur Richtung der Gravitationskraft g ausgerichtet ist, besteht weiter eine verbesserte Lagekorrektur darin, die durch die Baggerschaufel 41 definierte Ebene 42 nicht senkrecht zu der Gravitationskraft g, sondern senkrecht zu der Resultierenden r aus der Gravitationskraft g und der Inversen b ' der
Beschleunigungskraft b auszurichten. In Fig. 7 ist die Baggerschaufel 41 vergrößert dargestellt. Es sei angenommen, daß die mobile Arbeitsmaschine 40 einer Verzögerung bedingt durch einen Abbremsvorgang unterworfen ist. Auf die Baggerschaufel 41 wirkt deshalb die verzögernde Beschleunigungskraft b . Auf das m die Baggerschaufel 41 eingebrachte Schuttgut wirkt bezogen auf das Bezugssystem der Baggerschaufel 41 aufgrund der Massenträgheitskraft eine mverse Beschleunigungskraft b ' m mverser Richtung zur die Baggerschaufel 41 verzögernden Beschleunigungskraft J , d. h. die auf das Schüttgut im Bezugssystem der Baggerschaufel 41 einwirkende Beschleunigungskraft b ' hat den gleichen Betrag, wie die auf die Baggerschaufel 41 m Verzόgerungsπchtung einwirkende Beschleunigungskraft b, ist jedoch um 180° gedreht .
Auf das m der Baggerschaufel 41 befindliche Schuttgut wirkt deshalb die Resultierende r aus der Gravitationskraft g und der inversen Beschleunigungskraft b ' . Es ist deshalb vorteilhaft, die Ebene 42 durch die erfindungsgemäße Lageregelung so einzuregeln, daß die Ebene 42 senkrecht zu der Resultierenden r steht. Dazu ist bei den den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen eine weitere Meßeinrichtung 29 zur Messung der Beschleunigung bzw. Verzögerung der mobilen Arbeitsmaschine 40 vorgesehen. Die Messung der Beschleunigung bzw. Verzögerung kann auch hier getrennt m den Dimensionen x und y erfolgen. Wahrend bei dem m Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel m Analogtechnik die Meßeinrichtung 29 zur Messung der Beschleunigung unmittelbar mit dem Winkelgeber 5 verbunden ist und den von dem Winkelgeber 5 vorgegebenen Winkel αχl m x-Richtung und den in y-Richtung vorgegebenen Winkel y. übersteuert, ist die Meßeinrichtung 29 zur Messung der Beschleunigung bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel in Digitaltechnik über einen Analog- Digital -Wandler 28 mit der Steuereinheit 34 verbunden, die eine rechnerische Korrektur der vorgegebenen Winkel αx' und αy' in Abhängigkeit von der gemessenen Beschleunigung vornimmt .
Durch diese Weiterbildung ist sichergestellt, daß die Lageregelung der Baggerschaufel bzw. allgemein der Arbeitseinrichtung 41 so erfolgt, daß Schüttgut auch bei einem stärkeren Beschleunigen bzw. Verzögern der mobilen Arbeitsmaschine 40 nicht verloren geht.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann auch bei beliebigen Arbeitsmaschinen unter Verwendung unterschiedlicher Sensoren oder Filtereinrichtungen angewandt werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Lageregelung für Arbeitsemrichtungen (41) mobiler Arbeitsmaschinen (40), mit einer Meßeinrichtung (1, 2) zur Messung eines Winkels (α) , welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitsemrichtung (41) bestimmten Ebene (42) und der Richtung der Gravitationskraft (g) gebildet ist, einem Winkelgeber (5) zur Vorgabe eines Winkels (α1), welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitsemrichtung (41) bestimmten Ebene (42) und der Richtung der Gravitationskraft ( g) gebildet ist, und einer Regeleinrichtung (3, 4, 6 - 16; 6, 34, 36, 9 - 16) zum Regeln des Winkels (α) zwischen der Ebene (42) der Arbeitsemrichtung (41) und der Richtung der Gravitationskraft (g) , so daß der gemessene Winkel (α) mit dem vorgegebenen Winkel (α1) m Übereinstimmung gebracht wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (3, 4, 6 - 16; 6, 34, 36, 9 - 16) eine Vergleichsemrichtung (6) zum Vergleichen des gemessenen Winkels (α) mit dem vorgegebenen Winkel (α1) und zumindest ein von der Vergleichseinrichtung (6) angesteuertes elektromagnetisches Steuerventil (11, 15), welches auf ein hydraulisches Stellelement (12, 16) einwirkt, aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsemrichtung (6) als Komparator (3, 4) ausgeführt ist .
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (6) als digitale Steuereinheit (34, 36) ausgeführt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (3, 4, 6 - 16; 6, 34, 36, 9 - 16) eine Filtereinheit (7, 8; 34, 36) umfaßt, welche eine durch die Regellaufzeit (τ) hervorgerufene Eigenschwingung (fR) eliminiert .
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinheit (7, 8; 34, 36) als Bandsperre (7, 8) für die Eigenschwingung (fR) und/oder deren Vielfache ausgeführt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinheit (7, 8; 34, 36) als digitales Filter (34, 36) mit Bandsperrencharakteristik ausgeführt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen (41) mobiler Arbeitsmaschinen (40) eine Neigungskompensation längs und quer zur Bewegungsrichtung der Arbeitsmaschine (40) ausführt, wobei ein erstes Stellelement (12) zur Lagekorrektur in einer ersten Raumrichtung (x) und ein zweites Stellelement (16) zur Lagekorrektur in einer zweiten Raumrichtung (y) angesteuert werden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßeinrichtung (1) zur Messung des Winkels (αx) in der ersten Raumrichtung (x) und eine zweite Meßeinrichtung (2) zur Messung des Winkels (αy) in der zweiten Raumrichtung (y) vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennezeichnet, daß eine weitere Meßeinrichtung (29) zur Messung der Beschleunigung und/oder Verzögerung der mobilen Arbeitsmaschine (40) vorgesehen ist und daß der vorgegebene Winkel (α ' ) so eingestellt wird, daß sich die durch die Lage der Arbeitseinrichtung (41) bestimmte Ebene (42) senkrecht zu der Resultierenden (r) aus der Gravitationskraft (g) und der gemessenen inversen Beschleunigungskraft (£>') erstreckt.
11. Verfahren zur Lageregelung für Arbeitseinrichtungen (41) mobiler Arbeitsmaschinen (40) mit folgenden Verfahrensschritten:
- Messung eines Winkels (α) , welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung (41) bestimmten Ebene (42) und der Richtung der Gravitationskraft ( g) gebildet ist,
- Vorgeben eines Winkels (α'), welcher zwischen einer durch die Lage der Arbeitseinrichtung (41) bestimmten Ebene (42) und der Richtung der Gravitationskraft ( g) gebildet ist, und
- Regeln des Winkels (α) zwischen der Ebene (42) der Arbeitseinrichtung (41) und der Richtung der Gravitationskraft (g) , so daß der gemessene Winkel (α) mit dem vorgegebenen Winkel (α1) in Übereinstimmung gebracht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Winkel (α1) so eingestellt wird, daß sich die durch die Lage der Arbeitseinrichtung (41) bestimmte Ebene (42) senkrecht zu der Resultierenden (r) aus der Gravitationskraft (g) und inverser Beschleunigungskraft (£>') erstreckt.
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