WO2011020561A1 - Mobile arbeitsmaschine mit einer regelvorrichtung mit einem arbeitsarm und verfahren zur arbeitspunktregelung eines arbeitsarms einer mobilen arbeitsmaschine - Google Patents

Mobile arbeitsmaschine mit einer regelvorrichtung mit einem arbeitsarm und verfahren zur arbeitspunktregelung eines arbeitsarms einer mobilen arbeitsmaschine Download PDF

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WO2011020561A1
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working
operating point
working arm
arm
machine
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Sönke Jessen
Steffen Klein
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Robert Bosch Gmbh
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    • E02F3/43—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations
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    • E02F3/434—Control of dipper or bucket position; Control of sequence of drive operations for bucket-arms, front-end loaders, dumpers or the like providing automatic sequences of movements, e.g. automatic dumping or loading, automatic return-to-dig
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    • E02F9/26—Indicating devices
    • E02F9/264—Sensors and their calibration for indicating the position of the work tool

Definitions

  • Mobile work machine with a control device with a working arm and method for operating point control of a working arm of a mobile
  • the invention relates to a mobile work machine, such as an excavator, a truck with a cultivation or a agricultural or forestry equipment, with at least one working arm.
  • Working arms of such working machines may also have a plurality of articulated segments, wherein a first end of the working arm is articulated to a superstructure of the working machine and a second end of the working arm comprises a tool such as a shovel, a gripper or a hammer.
  • the operator of such a work machine is shown the current position and position of the work arm and in particular the tool as an operating point on a display, whereby the operator is able to perform work according to well-defined plans, and immediate feedback on achieved heights , Lengths, depths or inclinations eg of a moving bulk material or soil or of the substrate to be formed or already formed in relation to the working point of the working arm.
  • Such operator displays are for example from the
  • the operating point and the position of the tool are also often determined by inclination sensors because of the good retrofitting, at least a first Tilt sensor on the uppercarriage and a second tilt sensor are arranged on the working arm.
  • the position and position of the tool or the operating point can be calculated from the inclinations of the working arm and the uppercarriage.
  • inclination sensors based on the inertial measurement principle, such as gravity-sensitive pendulums, are used, they are also sensitive to accelerations due to shocks and vibrations, which inevitably occur when such machines are used. In particular, measuring errors occur during acceleration and deceleration of the attached tool. Such movement-induced accelerations can significantly disturb the measurement of the working point of the tool or make it temporarily impossible.
  • WO 01/57474 A1 discloses such a method in which a quaternion display is used to calculate an operating point. Such systems are associated with high complexity and high costs.
  • the object of the invention is to provide a mobile machine with a device for position detection and operating point control for attachments, which allows an automatic start-up of an operating point with a few easy-to-integrate components. It is a further object of the invention to provide a method for such operating point control. According to the invention, this object is achieved with the subject matter of the independent patent claims. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • a mobile working machine according to the invention has a working arm, which is articulated with a first end to an upper carriage of the working machine.
  • a tool is movably mounted to a working point at a second end of the working arm.
  • At least one first inclination sensor is arranged on the uppercarriage and at least one second inclination sensor is arranged on the working arm.
  • At least one hydraulic cylinder is arranged to change the position of the operating point articulated between the superstructure and working arm provided.
  • a control device for processing signals of at least two inclination sensors for determining an operating point as a reference working point and for determining a change in position of the operating point by calculating a cylinder path based on a volume flow in or out of the hydraulic cylinder is provided.
  • This mobile machine has the advantage that can be realized by monitoring the actual position before a change in position as a reference position and during the change in position by a cylinder path with simple control and measuring components, the change of the cylinder travel allows a new actual position, the standstill of the working by an exact position position can be checked and the difference to a desired value can be compensated by returning the exactly measured actual position into the control unit via a feedback branch, the difference between actual position and target position.
  • the working arm has a number of articulated segments. Each of these segments is equipped with an additional hydraulic cylinder to move it relative to the other segments of the working arm. Each of the segments of the working arm then requires an additional inclination sensor for determining the reference point, and for the change in position of such a segment, in turn, the cylinder travel can be used, which can be calculated via the volumetric flow in the corresponding additional hydraulic cylinders.
  • the operating point of the tool relative to the tractor can be determined with the components according to the invention.
  • the upper carriage relative to the chassis is mounted horizontally rotatable, so that in a further embodiment of the invention, a rotation angle detection is additionally provided for determining the working point.
  • This rotational angle detection of the superstructure relative to the chassis now advantageously makes it possible spatially to record the operating point in a three-dimensional coordinate system and its position change.
  • the inclination sensors which can accurately detect the reference working point of the mobile working machine in an initial rest position and also detect the actual position of a change in position by the hydraulic cylinder, pendulum body, refracting liquid level, micromechanical or conductometric or capacitive structures.
  • tractors with front loader, telescopic loaders, backhoe loaders, wheel loaders, forestry machines, municipal machinery, agricultural machinery and / or cranes are provided.
  • a method for operating point control of a working arm of a mobile work machine has the following method steps. First, inclinations of uppercarriage and of a work arm articulated to the uppercarriage with a first end are measured by tilt sensors. Thereafter, a first reference Position of the operating point at a second tool carrying end of the working arm, taking into account the measurement results of the measured slopes calculated. Finally, there is a change in position of the operating point in a predetermined desired position by means of a hydraulic volume flow during a limited time interval. The change in position is then checked by determining an actual position of the operating point by the inclination sensors.
  • This method has the advantage that it can be achieved by a few iterative steps that the actual position almost reaches the target position, without complex calculations or complex structures or complex measurement techniques are required to exactly reach a predetermined changed operating point.
  • the known volume flow, the effective piston area and the time span are taken into account for calculating the change in position of the operating point. From the path to be traveled for a change in position, the oil flow and the operating time can be calculated and the working machine can be controlled accordingly, for example, to allow an automatic start-up of operating points.
  • First results show that with the method according to the invention a high positional accuracy of the changed operating point can be achieved.
  • the deviations between the actual position and the desired position can finally be reduced by iterative steps.
  • a storing of error deviations for changed working positions is stored in the arithmetic unit, so that this error deviation can already be taken into account during the position change, in order to reduce the readjustment effort.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a mobile work machine of a first embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a schematic representation of a mobile work machine of a second embodiment of the invention
  • Figure 3 shows a schematic diagram of a change in position of an operating point of a mobile machine with angled working arm
  • FIG. 4 shows diagrammatic representations for calculating the cylinder travel via the volume flow to a hydraulic cylinder with an inlet in front of and behind an inlet of the cylinder piston;
  • Figure 5 shows a block diagram of a control device for changing the position of a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a mobile work machine 1 of a first embodiment of the invention.
  • This work machine 1 is an excavator 11, the nen nen a superstructure 6 on a chassis 13, wherein the superstructure 6 can be pivoted relative to the chassis 13 by a horizontal angle of rotation.
  • a body 22 with a working arm 4 is arranged, which is pivotally mounted with a first end 5 to the superstructure 6 and at a second end 8, which can be considered as a working point 10 at the same time, a tool 7, the
  • an excavator bucket 24 is.
  • the working arm 4 is angled at a fixed angle a, so that from the lengths I 1 and I 2 of each other in the angle a angled leg of the working arm 4, an effective Häarmin I 3 results.
  • the superstructure 6 For an exact measurement, for example for the To determine operating point 10 at the beginning of a change in position exactly, the superstructure 6, a first inclination sensor 9 and the working arm 4, a second inclination sensor 11. From the geometry of the working arm 4 and with the aid of the inclination angle of the inclination sensors 9 and 11, a reference position of the operating point 10 can be exactly determined when the mobile working machine 1 is at a standstill.
  • an actual value of the operating point 10 can be determined in turn at standstill of the work machine 1. During the change in position, this can be determined by a cylinder travel s taking into account a volumetric flow for the period of change of hydraulic fluid into the hydraulic cylinder 12 or out of the hydraulic cylinder 12. This actual position can be determined exactly on the one hand at standstill of the mobile machine 1 again by the inclination sensors 9 and 11 and the difference to a desired value can iteratively by multiple changes in position and determine the actual position after the change in position.
  • the evaluation of the measurement signals of the inclination sensors 9 and 11 are fed to a control unit 15 which simultaneously evaluates the volume flows into the hydraulic cylinder 12 and from the hydraulic cylinder 12 and calculates the cylinder travel s or the travel distance of the piston in order to keep running during the entire change in position to register the change in position based on an operating point measured at the beginning. After changing the position of the operating point 10, the actual position of this operating point 10 can be checked and determined exactly by the tilt sensors 9 and 11 at standstill. By determining the control deviation, the error between the actual and setpoint values can be reduced iteratively.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a mobile machine 2 according to a second embodiment of the invention.
  • This mobile work machine 2 is a tractor 16 with a front loader 17 having an angled working arm 4, wherein in turn the leg of the working arm 4 to each other at a fixed angle a STE hen and an effective length I 3 of the lengths I 1 and I 2 the angled leg of the working arm can be calculated.
  • Components having the same functions as in FIG. 1 are identified by the same reference numerals and will not be discussed separately.
  • a superstructure on the chassis 13 is arranged, the not with respect to the chassis 13, but only with the chassis 13 can be rotated.
  • Figure 3 shows a schematic diagram of a change in position of a bent working arm 4 by the leg lengths d and I 2 which are at an angle bent a from each other, wherein the inflection point P 1 travels at a Lü S ⁇ ng to the inflection point P 1 'and the operating point 8 in Form of the end point P 2 of the working arm 4 to the changed operating point 8 'or P 2 ' migrates.
  • the inclination angle ⁇ which is specified as the reference angle, changes into the inclination angle ⁇ ' after the position change, whereby ⁇ and ⁇ ' are arranged above the abscissa of a Cartesian coordinate system with x and y axes.
  • the working arm 4 consists of two segments which can correspond to the angled legs of the working arm 4, then further angles and length relationships arise, which are not listed here in detail, but which can be derived at any time from the geometric boundary conditions.
  • the angle ⁇ is the difference between the vehicle reference, which may be practically a working plane and the reference of the attachment with respect to a first leg of the angled working arm 4.
  • Figure 3 makes it clear that with the help of tilt sensors at standstill of the mobile machine the Operating point change both in an initial position and in an end position can be determined exactly.
  • FIG. 4 shows schematic representations for calculating the cylinder travel s via the volume flow Q to a hydraulic cylinder 12 with intake E 1 and E 2 in front of and behind the cylinder piston 23.
  • FIG. 5 shows a block diagram of a control device 3 for changing the position of an operating point of a working arm of a mobile working machine. From a control panel 18 from a position setpoint Ps is given by which the operating point of the working arm of the mobile machine should change. For this purpose, a reference position P ret is first determined with the aid of the position control block 19, into which the measured values of the inclination sensors 9 and 11 on an uppercarriage of the working machine and on the working arm are received.
  • the position change block 20 simultaneously changes the position by ⁇ P as a function of the time difference ⁇ t and the volume flow Q detected and a first actual position value or a first control variable Pn determined, which is controlled with the help of the situation control block 19 at standstill of the mobile machine and determined as Pj ⁇ , so that with the control block 21, the deviation of the controlled position position as actual value P i2 with the setpoint P s can be compared and then the position change block 20 can be controlled again via a feedback branch 25 in order to reduce the difference between the desired value P s and the exact actual value P i2 .

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine (1) mit einer Regeleinrichtung (3) mit einem Arbeitsarm (4) und Verfahren zur Arbeitspunktregelung eines Arbeitsarms (4) einer mobilen Arbeitsmaschine (1). Dazu weist die mobile Arbeitsmaschine (1) mit Regeleinrichtung (3) mit einem Arbeitsarm (4), einen Arbeitsarm auf, der mit einem ersten Ende (5) an einem Oberwagen (6) der Arbeitsmaschine (1) gelenkig angeordnet ist. Ein Werkzeug (7) ist an einem zweiten Ende (8) des Arbeitsarms (4) an einen Arbeitspunkt (10) beweglich angeordnet. Mindestens ein erster Neigungssensor (9) ist an dem Oberwagen (6) und mindestens ein zweiter Neigungssensor (11) ist an dem Arbeitsarm (4) angeordnet. Außerdem ist mindestens ein Hydraulikzylinder (12) der zum Lageändern (ΔP) des Arbeitspunktes (10) gelenkig zwischen Oberwagen (6) und Arbeitsarm (4) angeordnet ist, vorgesehen. Weiterhin ist ein Steuergerät (15) zur Verarbeitung von Signalen der mindestens zwei Neigungssensoren (9, 11) zur Bestimmung eines Arbeitspunktes (10) als Referenzarbeitspunkt (P1) und zur Ermittlung einer Lageänderung (ΔP) des Arbeitspunktes (10) mittels Berechnung eines Zylinderweges (s) anhand eines Volumenstroms (Q) in den oder aus dem Hydraulikzylinder (12) vorgesehen.

Description

Mobile Arbeitsmaschine mit einer Regelvorrichtung mit einem Arbeitsarm und Verfahren zur Arbeitspunktregelung eines Arbeitsarms einer mobilen
Arbeitsmaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine mobile Arbeitsmaschine, beispielsweise einen Bagger, einen LKW mit einem Anbau oder ein land- oder forstwirtschaftliches Gerät, mit zumindest einem Arbeitsarm. Arbeitsarme derartiger Arbeitsmaschinen können auch mehrere gelenkig miteinander verbundene Segmente aufweisen, wobei ein erstes Ende des Arbeitsarms an einem Oberwagen der Arbeitsmaschine gelenkig angeordnet ist und ein zweites Ende des Arbeitsarms ein Werkzeug wie eine Schaufel, einen Greifer oder einen Ham- mer aufweist.
Oftmals wird dem Bediener einer solchen Arbeitsmaschine die aktuelle Position und Stellung des Arbeitsarms und insbesondere auch des Werkszeugs als Arbeitspunkt auf einem Display angezeigt, wodurch der Bediener in die Lage versetzt wird, Arbeiten nach genau vorgegebenen Plänen zu verrichten, und eine unmittelbare Rückmeldung über erreichte Höhen, Längen, Tiefen oder Neigungen z.B. eines bewegten Schüttguts oder Erdreichs oder des zu formenden oder bereits geformten Untergrundes in Relation zu dem Arbeitspunkt des Arbeitsarms zu bekommen. Derartige Bedieneranzeigen sind beispielsweise aus der
DE 201 16 666 U1 und aus der US 5,854,988 A bekannt.
Dabei werden der Arbeitspunkt und die Stellung des Werkzeugs auch wegen der guten Nachrüstbarkeit oftmals durch Neigungssensoren bestimmt, wobei mindestens ein erster Neigungssensor an dem Oberwagen und ein zweiter Neigungssensor an dem Arbeitsarm angeordnet sind. Aus den Neigungen von Arbeitsarm und Oberwagen kann die Position und Stellung des Werkzeugs bzw. der Arbeitspunkt berechnet werden. Da als Neigungssensoren aber auf dem Trägheitsmessprinzip beruhende Sensoren wie beispielsweise gravitationsempfindliche Pendel eingesetzt werden, sind sie auch gegen Beschleunigungen aufgrund von Erschütterungen und Vibrationen empfindlich, wie sie beim Einsatz derartiger Arbeitsmaschinen unvermeidlich auftreten. Insbesondere ergeben sich beim Beschleunigen und Abbremsen des angebauten Werkzeugs Messfehler. Derartige bewegungsbedingte Beschleunigungen können die Messung des Arbeitspunktes des Werkzeugs erheblich stören oder zeitweise unmöglich machen.
Dennoch können bei Stillstand des Werkzeugs exakte Referenzwerte zur Berechnung des Istwertes eines Arbeitspunktes beim Start und am Ende einer Änderung des Ar- beitspunktes durch die Neigungssensoren unter Auswertung in einem zentralen Steuergerät ermittelt werden. Für eine Arbeitspunktregelung zur Verfolgung und Regelung von Änderungen der Position bzw. des Arbeitspunktes des Werkzeugs sind Neigungssensoren jedoch ungeeignet, da sie nur bei Stillstand der Arbeitsmaschine exakte Messwerte der Neigungen liefern.
Aus anderen technischen Gebieten ist es bekannt, beispielsweise zur Positionsregelung eines Roboters, eines Flugkörpers oder eines Fahrzeugs eine Kombination aus be- schleunigungsbasierten Neigungs- und Drehratensensoren einzusetzen. Die
WO 01/57474 A1 offenbart ein derartiges Verfahren, in dem eine Quaternionendarstel- lung zur Berechnung eines Arbeitspunktes eingesetzt wird. Derartige Systeme sind vom hoher Komplexität und mit hohen Kosten verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine mobile Arbeitsmaschine mit einer Vorrichtung zur Positionserkennung und Arbeitspunktregelung für Anbaugeräte anzugeben, die mit wenigen einfach zu integrierenden Bauteilen ein automatisches Anfahren eines Arbeitspunktes ermöglicht. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für eine derartige Arbeitspunktregelung anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Eine erfindungsgemäße mobile Arbeitsmaschine weist einen Arbeitsarm auf, der mit einem ersten Ende an einem Oberwagen der Arbeitsmaschine gelenkig angeordnet ist. Ein Werkzeug ist an einem zweiten Ende des Arbeitsarms an einen Arbeitspunkt beweglich angeordnet. Mindestens ein erster Neigungssensor ist an dem Oberwagen und mindestens ein zweiter Neigungssensor ist an dem Arbeitsarm angeordnet. Außerdem ist mindestens ein Hydraulikzylinder der zum Lageändern des Arbeitspunktes gelenkig zwischen Oberwagen und Arbeitsarm angeordnet ist, vorgesehen. Weiterhin ist ein Steuergerät zur Verarbeitung von Signalen der mindestens zwei Neigungssensoren zur Bestimmung eines Arbeitspunktes als Referenzarbeitspunkt und zur Ermittlung einer Lageänderung des Arbeitspunktes mittels Berechnung eines Zylinderweges anhand eines Volumenstroms in den oder aus dem Hydraulikzylinder vorgesehen.
Diese mobile Arbeitsmaschine hat den Vorteil, dass durch Überwachung der Istposition vor einer Lageänderung als Referenzposition und während der Lageänderung durch eine Zylinderwegstrecke mit einfachen Regel- und Messkomponenten verwirklicht werden kann, wobei die Änderung des Zylinderweges eine neue Istposition ermöglicht, die bei Stillstand des Arbeitsarms durch eine genaue Lageposition überprüft werden kann und die Differenz zu einem Sollwert durch Rückführung der exakt gemessenen Istposition in das Steuergerät über einen Rückkopplungszweig die Differenz zwischen Istposition und Sollposition ausgeglichen werden kann.
Somit sind für die Regelvorrichtung lediglich mindestens zwei Neigungssensoren vorzusehen. Der erforderliche Zylinderweg für eine Lageänderung kann hingegen durch den bekannten Volumenstrom und die bekannten Zylinderabmaße über eine Zeiterfassung oder eine Zeitvorgabe bestimmt werden. Damit wird eine preiswerte Lösung für die Über- wachung und Regelung der Positionsänderungen des Arbeitsarms einer Arbeitsmaschine erreicht. Somit wird die Realisierung einer Positionserkennung für die Anbaugeräte einer mobilen Arbeitsmaschine mit einfachen, wenigen, integrierbaren Bauteilen möglich und durch die nun gegebene Möglichkeit eines automatischen Anfahrens von Arbeitspo- sitionen wird in vorteilhafter Weise die Umschlagleistung der mobilen Arbeitsmaschine verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Arbeitsarm eine Anzahl von gelenkig miteinander verbundenen Segmenten auf. Dabei ist jedes dieser Segmente mit einem zusätzlichen Hydraulikzylinder ausgestattet, um es gegenüber den anderen Segmenten des Arbeitsarms zu bewegen. Jedes der Segmente des Arbeitsarms benötigt dann zur Referenzpunktbestimmung einen zusätzlichen Neigungssensor und für die Lageveränderung eines derartigen Segmentes kann wiederum der Zylinderweg herange- zogen werden, der über den Volumenstrom in den entsprechenden zusätzlichen Hydraulikzylindern berechenbar ist.
Wenn der Oberwagen mit einem Fahrwerk starr verbunden ist, wie es bei einem Traktor der Fall ist, kann mit den erfindungsgemäßen Komponenten der Arbeitspunkt des Werk- zeugs relativ zum Traktor bestimmt werden. Bei Baggern jedoch ist der Oberwagen gegenüber dem Fahrwerk horizontal drehbar gelagert, so dass in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zusätzlich eine Drehwinkelerfassung zur Arbeitpunktermittlung vorgesehen ist. Diese Drehwinkelerfassung des Oberwagens gegenüber dem Fahrwerk ermöglicht nun in vorteilhafter Weise räumlich den Arbeitspunkt in einem dreidimensio- nalen Koordinatensystem und dessen Lageänderung zu erfassen.
Vorzugsweise weisen die Neigungssensoren, die den Referenzarbeitspunkt der mobilen Arbeitsmaschine in einer Ausgangsruhestellung exakt erfassen können und auch die Istposition einer Lageänderung durch den Hydraulikzylinder erfassen, Pendelkörper, refraktierende Flüssigkeitsspiegel, mikromechanische oder konduktometrische oder kapazitivwirkende Strukturen auf. In diesem Zusammenhang werden als mobile Arbeitsmaschinen Bagger, Traktoren mit Frontlader, Teleskoplader, Baggerlader, Radlader, Forstmaschinen, kommunale Arbeitsmaschinen, Landmaschinen und/oder Ladekräne vorgesehen.
Ein Verfahren zur Arbeitspunktregelung eines Arbeitsarms einer mobilen Arbeitsmaschine weist die nachfolgenden Verfahrensschritte auf. Zunächst werden Neigungen von Oberwagen und von einem am Oberwagen mit einem ersten Ende gelenkig angeordneten Arbeitsarm mittels Neigungssensoren gemessen. Danach wird eine erste Referenz- Position des Arbeitspunktes an einem zweiten ein Werkzeug tragendem Ende des Arbeitsarms unter Berücksichtigung der Messergebnisse der gemessenen Neigungen berechnet. Schließlich erfolgt eine Lageänderung des Arbeitspunktes in eine vorgegebene Sollposition mittels eines Hydraulikvolumenstroms während eines begrenzten Zeitinter- valls. Die Lageänderung wird anschließend unter Ermitteln einer Istposition des Arbeitspunktes durch die Neigungssensoren überprüft. Durch Vergleich der Istposition mit der vorgegebenen Sollposition, in die der Arbeitsarm geschwenkt werden soll, ergibt sich eine Differenz in Form einer Regelabweichung zwischen Soll- und Istpostion, die anschließend durch mehrfaches Wiederholen der ersten vier Verfahrensschritte zu einem Verringern einer Differenz zwischen Soll- und Istposition führt.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass durch wenige iterative Schritte erreicht werden kann, dass die Istposition nahezu die Sollposition erreicht, ohne dass komplexe Berechnungen oder komplexe Aufbauten oder komplexe Messtechniken erforderlich werden, um einen vorbestimmten geänderten Arbeitspunkt exakt zu erreichen. Dabei werden zur Berechnung der Lageänderung des Arbeitspunktes der bekannte Volumenstrom, die wirksame Kolbenfläche und die Zeitspanne berücksichtigt. Aus dem zu verfahrenden Weg für eine Lageänderung kann der Ölstrom und die Betätigungsdauer berechnet und die Arbeitsmaschine entsprechend gesteuert werden, um beispielsweise ein automati- sches Anfahren von Arbeitspunkten zu ermöglichen. Erste Ergebnisse zeigen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hohe Positionsgenauigkeit des geänderten Arbeitspunktes erreichbar ist. Die Abweichungen zwischen Istposition und Sollposition kann schließlich durch iterative Schritte vermindert werden. Vorzugsweise wird ein Speichern von Fehlerabweichungen für geänderte Arbeitspositionen in der Recheneinheit gespeichert, so dass diese Fehlerabweichung bereits bei der Lageänderung berücksichtigt werden kann, um den Nachregelaufwand zu verkleinem.
Außerdem ist es möglich, Sicherheitspositionen für die Arbeitspunkte zu erfassen und mittels eines Teaching-Verfahrens kritische Arbeitspunkte zu speichern, die von der mobilen Arbeitsmaschine mit Arbeitsarm dann nicht mehr überschritten werden. Weiterhin ist es möglich, gleichbleibende Lageänderungen zu erfassen und mittels eines Teaching- Verfahrens so zu speichern, dass eine Nachregelυng nicht erforderlich wird. Bei all diesen Verfahrensvarianten ist es jedoch wichtig, dass die Messung der jeweiligen Referenzposition und der Istposition mittels der Neigungssensoren in einer Ruhestellung der mobilen Arbeitsmaschine und des Arbeitsarms erfolgen. Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer mobilen Arbeitsmaschine einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer mobilen Arbeitsmaschine einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 3 zeigt ein schematisches Diagramm zu einer Lageänderung eines Arbeitspunktes einer mobilen Arbeitsmaschine mit abgewinkeltem Arbeitsarm;
Figur 4 zeigt schematische Darstellungen zur Berechnung des Zylinderweges über den Volumenstrom zu einem Hydraulikzylinder mit einem Einlass vor und einem Einlass hinter dem Zylinderkolben; Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Regelvorrichtung zur Lageänderung eines
Arbeitspunktes eines Arbeitsarms einer mobilen Arbeitsmaschine.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer mobilen Arbeitsmaschine 1 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Diese Arbeitsmaschine 1 ist ein Bagger 11 , der ei- nen Oberwagen 6 auf einem Fahrwerk 13 aufweist, wobei der Oberwagen 6 gegenüber dem Fahrwerk 13 um einen horizontalen Drehwinkel geschwenkt werden kann. An dem Oberwagen 6 ist ein Aufbaugerät 22 mit einem Arbeitsarm 4 angeordnet, der mit einem ersten Ende 5 gelenkig an dem Oberwagen 6 angebracht ist und der an einem zweiten Ende 8, das gleichzeitig als Arbeitspunkt 10 betrachtet werden kann, ein Werkzeug 7 aufweist, das in dieser Ausführungsform eine Baggerschaufel 24 ist.
Der Arbeitsarm 4 ist abgewinkelt in einem festen Winkel a, so dass sich aus den Längen I1 und I2 der zueinander in dem Winkel a abgewinkelten Schenkel des Arbeitsarms 4 eine wirksame Arbeitsarmlänge I3 ergibt. Um eine exakte Messung beispielsweise für den Arbeitspunkt 10 am Anfang einer Lageänderung exakt zu bestimmen, weist der Oberwagen 6 einen ersten Neigungssensor 9 und der Arbeitsarm 4 einen zweiten Neigungssensor 11 auf. Aus der Geometrie des Arbeitsarms 4 und mit Hilfe der Neigungswinkel der Neigungssensoren 9 und 11 kann eine Referenzposition des Arbeitspunktes 10 im Still- stand der mobilen Arbeitsmaschine 1 exakt ermittelt werden.
Nach einer Lageänderung des Arbeitspunktes 10 kann ein Istwert des Arbeitspunktes 10 wiederum im Stillstand der Arbeitsmaschine 1 ermittelt werden. Während der Lageänderung kann diese durch einen Zylinderweg s unter Berücksichtigung eines Volumenstroms für den Zeitraum der Änderung von Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikzylinder 12 oder aus dem Hydraulikzylinder 12 heraus bestimmt werden. Diese Istposition kann einerseits bei Stillstand der mobilen Arbeitsmaschine 1 erneut durch die Neigungssensoren 9 und 11 exakt bestimmt werden und die Differenz zu einem Sollwert kann iterativ durch mehrfaches Lageverändern und Bestimmen der Istposition nach der Lageänderung erfolgen.
Die Auswertung der Messsignale der Neigungssensoren 9 und 11 werden einem Steuergerät 15 zugeführt, das gleichzeitig die Volumenströme in den Hydraulikzylinder 12 und von dem Hydraulikzylinder 12 auswertet und daraus den Zylinderweg s bzw. den Verfahrweg des Kolbens berechnet, um während der gesamten Lageänderung fortlau- fend basierend auf einen zu Beginn gemessenen Arbeitspunkt die Lageänderung zu registrieren. Nach Lageänderung des Arbeitspunktes 10 kann im Stillstand die Istposition dieses Arbeitspunktes 10 exakt durch die Neigungssensoren 9 und 11 überprüft und bestimmt werden. Durch Bestimmung der Regelabweichung kann der Fehler zwischen Ist- und Sollwert iterativ vermindert werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer mobilen Arbeitsmaschine 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese mobile Arbeitsmaschine 2 ist ein Traktor 16 mit einem Frontlader 17, der einen abgewinkelten Arbeitsarm 4 aufweist, wobei wiederum die Schenkel des Arbeitsarms 4 zueinander in einem festen Winkel a ste- hen und eine effektive Länge I3 aus den Längen I1 und I2 der abgewinkelten Schenkel des Arbeitsarms berechnet werden kann. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in Figur 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Im Unterschied zur Figur 1 ist hier ein Oberwagen auf dem Fahrwerk 13 angeordnet, der nicht gegenüber dem Fahrwerk 13, sondern nur mit dem Fahrwerk 13 gedreht werden kann.
Figur 3 zeigt ein schematisches Diagramm zu einer Lageänderung eines abgeknickten Arbeitsarms 4 mit den Schenkellängen d und I2, die in einem Winkel a zueinander abgeknickt sind, wobei der Knickpunkt P1 bei einer Lageänderυng zu dem Knickpunkt P1 ' wandert und der Arbeitspunkt 8 in Form des Endpunktes P2 des Arbeitsarms 4 zu dem geänderten Arbeitspunkt 8' bzw. P2 'wandert. Dabei ändert sich der Neigungswinkel ß, der als Referenzwinkel angegeben ist, in den Neigungswinkel ß' nach der Lageände- rung, wobei ß und ß' über der Abszisse eines kartesischen Koordinatensystems mit x- und y-Achse angeordnet sind. Der Neigungswinkel ß bezeichnet die Differenz zwischen Fahrzeugreferenz FREF und der Referenz des Anbaugeräts REFAG. Während der Neigungswinkel ß in den Neigungswinkel ß' übergeht, kann der Knickpunkt P1 in den Knickpunkt P1 ' wandern, wobei der Knickpunkt P1 ' eine Abszisse von P1x = sin ß'-^ aufweist und eine Koordinatenlänge von P1y = cos ß'-lv
Die Lageänderung des zweiten Punktes P2, der gleichzeitig ein Arbeitspunkt 10 sein kann, verschiebt sich in den Punkt P2' mit der Abszisse P2x = sin d l3 und mit der Ordinate P2y = cos d l3, wobei sich die Länge I3 aus I3 = li2-*-l2 2-2 !1 l2 cos a ergibt. Der Winkel d ergibt sich aus der Beziehung d = γ-ß', wobei v = ß ist, wenn es sich um einen starren, abgewinkelten Arbeitsarm 4 handelt und sich a nicht ändert. Besteht jedoch der Arbeitsarm 4 aus zwei Segmenten, die den abgewinkelten Schenkeln des Arbeitsarms 4 entsprechen können, dann ergeben sich weitere Winkel und Längenzusammenhänge, die hier im Einzelnen nicht aufgeführt werden, die jedoch aus den geometrischen Randbe- dingungen jederzeit ableitbar sind. Dabei ist der Winkel ß die Differenz zwischen der Fahrzeugreferenz, die praktisch eine Arbeitsebene sein kann und der Referenz des Anbaugeräts in Bezug auf einen ersten Schenkel des abgewinkelten Arbeitsarms 4. Figur 3 macht damit deutlich, dass mit Hilfe der Neigungssensoren bei Stillstand der mobilen Arbeitsmaschine die Arbeitspunktänderung sowohl in einer Ausgangsposition als auch in einer Endposition exakt bestimmbar sind.
Figur 4 zeigt schematische Darstellungen zur Berechnung des Zylinderweges s über den Volumenstrom Q zu einem Hydraulikzylinder 12 mit Einlassen E1 und E2 vor bzw. hinter dem Zylinderkolben 23. Erfolgt ein Volumenstrom Q1 in den Hydraulikzylinder 12 über die Öffnung E1, so ist die wirksame Kolbenfläche A1 eine Kreisfläche, die dem Innendurchmesser D des Zylinders 23 entspricht und ergibt sich aus A1 = D2 p/4. Daraus folgt eine Kolbengeschwindigkeit V1 = QiZA1 in beispielsweise cm pro Sekunde (cm/s). Wird ein Volumenstrom Q2 über den Eingang E2 in den Zylinder 12 gepresst, so ergibt sich die Kolbengeschwindigkeit V2 = Q2/A2 mit der wirksamen Kolbenfläche A2 = (D2 2-d2 2) p/4, was einem Kreisring entspricht.
Somit ergeben sich unterschiedliche Kolbengeschwindigkeiten bei gleichem Volumenstrom, je nachdem ob der Volumenstrom über den Eingang E1 oder über den Eingang E2 dem Zylinder 12 zugeführt wird. Da die Kolbengeschwindigkeit v der Kolbenweg bzw. Zylinderweg s geteilt durch t ist, d.h. v = s/t, und die Volumengeschwindigkeit Q = v-A und damit Q = s-A/t ist, mit dem Volumenstrom Q in cm3/s, die Zeitdifferenz t in s und die Fläche A in cm2, ergibt sich der Zylinderweg, der dem Kolbenweg entspricht als s = Q-t/A, woraus ein Kennlinienfeld für den Zylinder erstellt werden kann, aus dem dana der Zylinderweg bzw. der Verfahrweg des Kolbens resultiert.
Somit ist es möglich, während der Lageänderung des Arbeitsarms die Änderung des Arbeitspunktes ständig zu verfolgen und einen ersten Istwert für die geänderte Lage des Arbeitspunktes auszugeben, die dann mit Hilfe der Neigungssensoren im Stillstand der Arbeitsmaschine als gesicherter Istwert erfasst und die Differenz zwischen Istwert und einem Sollarbeitspunkt kann dann als Regelgröße zurückgekoppelt werden, um iterativ den Sollwert des Arbeitspunktes für Anbaugeräte einer mobilen Arbeitsmaschine zu erreichen. Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Regelvorrichtung 3 zur Lageänderung eines Arbeitspunktes eines Arbeitsarms einer mobilen Arbeitsmaschine. Von einem Bedienpult 18 aus wird ein Lagesollwert Ps vorgegeben, um den sich der Arbeitspunkt des Arbeitsarms der mobilen Arbeitsmaschine verändern soll. Dazu wird zunächst eine Referenzposition Pret mit Hilfe des Lagekontrollblockes 19 ermittelt, in den die Messwerte der Nei- gungssensoren 9 und 11 an einem Oberwagen der Arbeitsmaschine und am Arbeitsarm eingehen.
Von diesem Referenzwert Pref aus wird gleichzeitig über den Lageänderungsblock 20 die Lageänderung um ΔP in Abhängigkeit von der Zeitdifferenz Δt und dem Volumenstrom Q erfasst und ein erster Lageistwert bzw. eine erste Stellgröße Pn ermittelt, die mit Hilfe des Lagekontrollblockes 19 bei Stillstand der mobilen Arbeitsmaschine kontrolliert und als Pj∑ festgestellt wird, so dass mit dem Regelblock 21 die Abweichung der kontrollierten Lageposition als Istwert Pi2 mit dem Sollwert Ps verglichen werden kann und über einen Rückkopplungszweig 25 nun erneut der Lageänderungsblock 20 angesteuert werden kann, um die Differenz zwischen dem Sollwert Ps und dem exakten Istwert Pi2 zu verringern.
Bezuqszeichenhste
1 mobile Arbeitsmaschine (1. Ausführungsform)
2 mobile Arbeitsmaschine (2. Ausführungsform)
3 Regelvorrichtung
4 Arbeitsarm
5 erstes Ende des Arbeitsarms
6 Oberwagen
7 Werkzeug
8 zweites Ende des Arbeitsarms
9 erster Neigungssensor
10 Arbeitspunkt
11 zweiter Neigungssensor des Arbeitsarms
12 Hydraulikzylinder
13 Fahrwerk
14 Bagger
15 Steuergerät
16 Traktor
17 Frontlader
18 Bedienpult
19 Lagekontrollblock
20 Lageänderungsblock
21 Regelblock
22 Aufbaugerät
23 Zylinderkolben
24 Baggerschaufel
25 Rückkopplungszweig
A1 wirksame Kolbenfläche für Q1
A2 wirksame Kolbenfläche für Q2
Pi Istposition
Ps Sollposition
Pi Referenzarbeitspunkt
Pi ' zweiter Arbeitspunkt ΔP Lagedifferenz bzw. Lageänderung
Q Volumenstrom
s Zylinderweg
Δt Zeitdifferenz
ΔQ Volumenstromdifferenz

Claims

Patentansprüche
1. Mobile Arbeitsmaschine mit Regelvorrichtung (3) mit einem Arbeitsarm (4), aufweisend:
- einen Arbeitsarm (4), der mit einem ersten Ende (5) an einem Oberwagen
(6) der Arbeitsmaschine (1 ) gelenkig angeordnet ist;
ein Werkzeug (7), das an einem zweiten Ende (8) des Arbeitsarms (4) um einen Arbeitspunkt (10) beweglich angeordnet ist;
mindestens einen an dem Oberwagen (6) angeordneten ersten Neigungs- sensor (9);
mindestens einen an dem Arbeitsarm (4) angeordneten zweiten Neigungssensor (11 );
mindestens einen Hydraulikzylinder (12) der zum Ändern des Arbeitspunktes (10) gelenkig zwischen Oberwagen (6) und Arbeitsarm (4) angeordnet ist;
ein Steuergerät (15) zur Verarbeitung der Signale der mindestens zwei Neigungssensoren (9, 11 ) zur Bestimmung eines ersten Arbeitspunktes (10) als Referenzarbeitspunkt (P1) und zur Ermittlung einer Lageänderung (ΔP) des Arbeitspunktes (10) mittels Berechnung eines Zylinderweges (s) anhand eines Volumenstroms (Q) in den oder aus dem Hydraulikzylinder
(12) zu einem zweiten Arbeitspunkt (P1 ') für ein begrenztes Zeitintervall.
2. Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 ,
wobei der Arbeitsarm (4) eine Anzahl von gelenkig miteinander verbundenen Segmenten aufweist.
3. Mobile Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
wobei der Oberwagen (6) gegenüber einem Fahrwerk (13) drehbar gelagert ist und eine Drehwinkelerfassung zur Arbeitpunktermittlung vorgesehen ist.
4. Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Neigungssensoren (9, 11 ) Pendelkörper, refraktierende Flüssigkeitsspiegel, mikromechanische oder konduktometrische oder kapazitivwirkende Strukturen aufweisen.
5. Mobile Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die mobile Arbeitsmaschine (1 ) als Bagger (14), als Traktor (16) mit Frontlader (17), als Teleskoplader, als Baggerlader, als Radlader, als Forstmaschine, als kommunale Arbeitsmaschine, als Landmaschine oder als Ladekran ausgebildet ist.
6. Verfahren zur Arbeitspunktregelung eines Arbeitsarms (4) einer mobilen Arbeitsmaschine (1 ), wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
a) Messen der Neigungen von Oberwagen (6) und von einem am Oberwagen
(6) mit einem ersten Ende (5) gelenkig angeordneten Arbeitsarm (4) mittels Neigungssensoren (9, 11 );
b) Berechnen einer ersten Referenzposition (Pi) des Arbeitspunktes (10) an einem zweiten ein Werkzeug (7) tragendem Ende (8) des Arbeitsarms (4) unter Berücksichtigung der Messergebnisse der gemessenen Neigungen; c) Lageändern (ΔP) des Arbeitspunktes (10) in eine vorgegebene Sollposition (Ps) mittels eines Hydraulikvolumenstroms (Q) während eines begrenzten Zeitintervalls (Δt) in oder aus einem Hydraulikzylinder (12), der zwischen Oberwagen (6) und Arbeitsarm (4) gelenkig angeordnet ist;
d) Überprüfen der geänderten Arbeitsposition (P1') unter Ermitteln einer Istposition (Pi) (P1 ') durch die Neigungssensoren (9, 11 );
e) Mehrfaches Durchführen der Schritte a) bis d) zum Verringern einer Differenz (ΔP) zwischen Soll- (Ps) und Istposition (P1).
7. Verfahren nach Anspruch 6,
wobei zur Berechnung der Lageänderung (ΔP) des Arbeitspunktes (10) die wirksame Kolbenfläche (A1, A2) und die Zeitspanne (Δt) während der Lageänderung (ΔP) des Arbeitspunktes (10) berücksichtigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7,
wobei zunächst ein Drehwinkel zwischen dem Oberwagen (6) und einem Fahrwerk (13) der Arbeitsmaschine (1) erfasst wird und nach Lageänderung (ΔP) der Arbeitsposition (Pi) ein geänderter Drehwinkel in der Berechnung der geänderten Arbeitsposition (P/) berücksichtigt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
wobei der Arbeitsarm (4) aus einer Mehrzahl von gelenkig miteinander verbundenen Segmenten zusammengesetzt wird und an jedem Segment ein Neigungs- sensor angeordnet wird und der Volumenstrom mindestens eines zugehörigen weiteren Hydraulikzylinders bei der Änderung des Arbeitspunktes berücksichtigt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
wobei ein Speichern von Fehlerabweichungen für geänderte Arbeitspositionen
(P1') in der Recheneinheit und ein Berücksichtigen derselben in dem Verfahrensschritt c) erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
wobei Sicherheitspositionen für Arbeitspunkte (10) erfasst und mittels eines Tea- ching-Verfahrens für kritische Arbeitspunkte gespeichert werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11 ,
wobei gleichbleibende Lageänderungen (ΔP) erfasst und mittels eines Teaching- Verfahrens gespeichert werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12,
wobei die Messung der Istposition (Pj) mittels der Neigungssensoren (9, 11 ) in einer Ruhestellung der mobilen Arbeitsmaschine (1 , 2) und des Arbeitsarms (4) er- folgt.
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