DE19726821A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Werkzeuges einer Arbeitsmaschine - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Ar­ beitswerkzeuges einer Arbeitsmaschine und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, welches die Be­ wegung des Arbeitswerkzeuges basierend auf der Arbeits­ werkzeugposition und eines Bedienerbefehls steuert.

Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Radlader, weisen Arbeitswerkzeuge auf, die durch eine Anzahl von Positio­ nen während eines Arbeitszyklusses bewegt werden können. Solche Werkzeuge weisen typischerweise Schaufeln, Gabeln und andere Materialhandhabungseinrichtungen auf. Der typische Arbeitszyklus, der mit einer Schaufel assoziiert ist, weist das aufeinanderfolgende Positionieren der Schaufel und des assoziierten Hebearms in einer Grabposition zum Füllen der Schaufel mit Material auf, in einer Tragposition, einer angehobenen Position und einer Auslaß- bzw. Abladeposition zur Entfernung des Materials aus der Schaufel.

Steuerhebel sind an der Bedienerstation montiert und sind mit einer elektro-hydraulischen Schaltung zur Bewegung der Schaufel und/oder Hebearme verbunden. Der Bediener muß manuell die Steuerhebel bewegen, um Hydraulikventile zu öffnen und zu schließen, die unter Druck gesetztes Strömungsmittel an Hydraulikzylinder leiten, die wiederum bewirken, daß sich das Werkzeug bewegt. Wenn bei­ spielsweise die Hebearme anzuheben sind, bewegt der Be­ diener den mit der Hebearm-Hydraulikschaltung assoziier­ ten Steuerhebel in eine Position, in der ein Hydraulik­ ventil bewirkt, daß unter Druck gesetztes Strömungsmittel zum Kopfende eines Hebezylinders fließt, was somit be­ wirkt, daß die Hebearme steigen. Wenn der Steuerhebel in eine Neutralposition zurückkehrt, schließt sich das Hy­ draulikventil und unter Druck gesetztes Strömungsmittel fließt nicht weiter zum Hebezylinder.

Beim normalen Betrieb wird das Arbeitswerkzeug oft abrupt gestartet oder zu einem abrupten Anhalten nach dem Aus­ führen einer erwünschten Arbeitszyklusfunktion gebracht, was schnelle Veränderungen der Geschwindigkeit und Be­ schleunigung der Schaufel und/oder des Hebearms, der Ma­ schine und des Bedieners zur Folge hat. Dies kann bei­ spielsweise auftreten, wenn das Werkzeug zum Ende seines gewünschten Bewegungsbereiches bewegt wird. Die geometri­ sche Beziehung zwischen der linearen Bewegung der Kipp- oder Hebezylinder und die entsprechende Winkelbewegung der Schaufel oder des Hebearms kann eine Unbequemlichkeit für den Bediener erzeugen, und zwar als eine Folge der schnellen Veränderungen der Geschwindigkeit und Beschleu­ nigung. Die Kräfte, die von der Verbindungsanordnung und der assoziierten Hydraulikschaltung absorbiert werden, können gesteigerten Wartungsaufwand und schnelleres Ver­ sagen der assoziierten Teile zur Folge haben. Ein weite­ res mögliches Ergebnis der geometrischen Beziehung ist die übermäßige Winkeldrehung des Hebearms oder der Schau­ fel nahe gewisser linearer Zylinderpositionen, die eine schwache Leistung zur Folge haben können.

Spannungen bzw. Beanspruchungen werden auch erzeugt, wenn die Maschine eine Last absenkt und der Bediener schnell das assoziierte Hydraulikventil schließt. Die Trägheit der Last und des Werkzeugs übt Kräfte auf die Hebearman­ ordnung und das Hydrauliksystem aus, wenn das assoziierte Hydraulikventil schnell geschlossen wird und die Bewegung der Hebearme abrupt angehalten wird. Solche Stopps bewir­ ken verstärke Abnutzung der Maschinen und verringern ei­ nen Komfort für den Bediener. In einigen Situationen kann sogar der Hinterteil der Maschine vom Boden abheben.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeitswerk­ zeuges offenbart. Das Werkzeug ist mit einer Arbeitsma­ schine verbunden und ist ansprechend auf den Betrieb ei­ nes Hydraulikzylinders beweglich. Die Vorrichtung weist einen vom Bediener gesteuerten Joystick bzw. Bedienhebel auf. Ein Bedienhebelpositionssensor fühlt die Position des Bedienhebels ab und erzeugt darauf ansprechend ein Bedienerbefelssignal. Ein Werkzeugpositionssensor fühlt die Position des Hydraulikzylinders ab und erzeugt darauf ansprechend ein Werkzeugpositionssignal. Eine mikropro­ zessorbasierte Steuervorrichtung empfängt die Werkzeugpo­ sitions- und Bedienerbefehlssignale, modifiziert das Be­ dienerbefehlssignal und erzeugt ein elektrisches Ventil­ signal ansprechend auf das modifizierte Bedienerbefehls­ signal. Ein elektro-hydraulisches Ventil empfängt das elektrische Ventilsignal und liefert steuerbar einen Hy­ draulikströmungsmittelfluß an den Hydraulikzylinder an­ sprechend auf eine Größe des elektrischen Ventilsignals.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei Bezug genommen auf die Begleitzeichnungen, in denen die Figuren folgendes darstellen:

Fig. 1 eine Ansicht eines Vorderteils einer Ladermaschine oder eines Radladers;

Fig. 2 ein Blockdiagramm eines elektro-hydraulischen Steuersystems der Ladermaschine;

Fig. 3 eine Kurve bzw. ein Graph, der ein Bediener­ befehlssignal und ein elektrisches Ventilsignal über die Zeit veranschaulicht;

Fig. 4 eine Software-Nachschau-Tabelle, die mit einer Ab­ ladefunktion assoziiert ist;
Wig. 5 eine Software-Nachschau-Tabelle, die mit einer Füllfunktion assoziiert ist;

Fig. 6 eine Software-Nachschau-Tabelle, die mit einer He­ befunktion assoziiert ist;

Fig. 7 eine Software-Nachschau-Tabelle, die mit einer Ab­ senkfunktion assoziiert ist; und

Fig. 8 eine Software-Nachschau-Tabelle, die mit einer Vollfüllwinkelsteuerung assoziiert ist.

In Fig. 1 wird ein Werkzeugsteuersystem im allgemeinen durch das Bezugszeichen 100 dargestellt. Fig. 1 zeigt ei­ nen Vorderteil einer Radladermaschine 104 mit einem Nutz­ lastträger in Form einer Schaufel 108. Obwohl die vorlie­ gende Erfindung mit Bezug auf eine Radladermaschine be­ schrieben wird, ist die vorliegende Erfindung gleichfalls auf viele Erdbearbeitungsmaschinen anwendbar, wie bei­ spielsweise Raupenlader, hydraulische Grabmaschinen und andere Maschinen mit ähnlichen Lade- bzw. Lastwerkzeugen. Die Schaufel 108 ist mit einer Hebearmanordnung oder ei­ nem Ausleger 110 verbunden, der schwenkbar von zwei Hy­ draulikhebelbetätigungsvorrichtungen oder -zylindern 106 betätigt wird (von denen nur einer gezeigt ist), und zwar um einen Auslegerschwenkstift 112 herum, der am Maschi­ nenrahmen angebracht ist. Ein Auslegerlasttragschwenk­ stift 108 ist am Ausleger 110 und den Hebezylindern 106 angebracht. Die Schaufel 108 wird durch eine Schaufel­ kippbetätigungsvorrichtung oder einen Zylinder 114 um ei­ nen Kippschwenkstift 116 herum gekippt.

Mit Bezug auf Fig. 2 ist das Werkzeugsteuersystem 100 schematisch veranschaulicht, wie es bei einem Radlader angewandt wird. Das Werkzeugsteuersystem ist geeignet, um eine Vielzahl von Eingangsgrößen abzufühlen, und um da­ rauf ansprechend Ausgangsgrößen- bzw. Ausgangssignale zu erzeugen, die an verschiedene Betätigungsvorrichtungen im Steuersystem geliefert werden. Vorzugsweise weist das Werkzeugsteuersystem mikroprozessorbasierte Steuermittel 208 auf.

Erste, zweite und dritte Bedienhebel 206A, 206B, 206C se­ hen eine Bedienersteuerung über das Arbeitswerkzeug 102 vor. Die Bedienhebel weisen einen Steuerhebel 219 auf, der eine Bewegung entlang einer einzigen Achse aufweist. Jedoch kann zusätzlich zur Bewegung entlang einer ersten Achse (horizontal) der Steuerhebel 219 sich auch entlang einer zweiten Achse bewegen, die zur horizontalen Achse senkrecht ist. Der erste Bedienhebel 206A steuert den He­ bebetrieb des Auslegers 110. Der zweite Bedienhebel 206B steuert den Kippbetrieb der Schaufel 108. Der dritte Be­ dienhebel 206C steuert eine Hilfsfunktion, wie beispiels­ weise einen Betrieb eines speziellen Arbeitswerkzeugs.

Bedienhebelpositionsabfühlmittel 220 fühlen die Position des Joystick- bzw. Bedienhebelsteuerhebels 219 ab und er­ zeugen darauf ansprechend ein elektrisches Bedienerbe­ fehlssignal. Das elektrische Signal wird an den Eingang der Steuermittel 208 geliefert. Die Bedienhebelpositions­ abfühlmittel 220 weisen vorzugsweise ein Drehpotentio­ meter auf, welches ein pulsbreiten moduliertes Signal an­ sprechend auf die Schwenkposition des Steuerhebels er­ zeugt, jedoch wäre irgendein Sensor, der ein elektrisches Signal ansprechend auf die Schwenkposition des Steuer­ hebels erzeugen kann, bei der vorliegenden Erfindung ein­ setzbar.

Werkzeugpositionsabfühlmittel 216, 218 fühlen die Posi­ tion des Arbeitswerkzeuges 102 mit Bezug auf die Ar­ beitsmaschine 104 ab und erzeugen darauf ansprechend eine Vielzahl von Werkzeugpositionssignalen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Positionsabfühlmittel 216, 218 Hebepositionsabfühlmittel 216 auf, zum Abfühlen der Hebe- bzw. Höhenposition des Auslegers 110, und Kipposi­ tionsabfühlmittel 218 zum Abfühlen der Schwenkposition der Schaufel 108.

In einem Ausführungsbeispiel weisen die Hebe- und Kipp­ positionsabfühlmittel 216, 218 Drehpotentiometer auf. Die Drehpotentiometer erzeugen pulsbreitenmodulierte Signale ansprechend auf die Winkelposition des Auslegers 110 mit Bezug auf das Fahrzeug und die Schaufel 108 mit Bezug auf den Ausleger 110. Die Winkelposition des Auslegers ist eine Funktion der Hebezylinderausfahrposition bzw. -aus­ dehnung 106A, B, während die Winkelposition der Schaufel 108 eine Funktion von sowohl den Kipp- als auch Hebezy­ linderausdehnungen 114, 106A, B ist. Die Funktion der Ab­ fühlmittel 216, 218 kann leicht durch irgendeinen anderen Sensor wahrgenommen werden, der fähig ist, entweder di­ rekt oder indirekt die Relativausdehnung eines Hydrau­ likzylinders zu messen. Beispielsweise könnten die Poten­ tiometer durch Radiofrequenz- (RF)- bzw. Kurzwellensenso­ ren ersetzt werden, die innerhalb der Hydraulikzylinder angeordnet sind.

Ventilmittel 202 sprechen auf elektrische Signale an, die durch die Steuermittel erzeugt werden und liefern einen Hydraulikströmungsmittelfluß zu den Hydraulikzylindern 106A, B, 114.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Ventilmit­ tel 202 vier Hauptventile auf (zwei Hauptventile für die Hebezylinder und zwei Hauptventile für die Kippzylinder) und acht HYDRAC-Ventile (zwei HYDRAC-Ventile für jedes Hauptventil). Die Hauptventile leiten unter Druck gesetz­ tes Strömungsmittel zu den Zylindern 106A, B, 114 und die HYDRAC-Ventile leiten Vorsteuer- bzw. Pilotströmungsmit­ telfluß zu den Hauptventilen. Jedes HYDRAC-Ventil ist elektrisch mit den Steuermitteln 208 verbunden. Ein bei­ spielhaftes HYDRAC-Ventil ist im US-Patent 5 366 202 of­ fenbart, welches am 22. November 1994 an Stephen V. Lunz­ man ausgegeben wurde, welches hier durch Bezugnahme auf­ genommen sei. Zwei Hauptpumpen 212, 214 werden verwendet, um Hydraulikströmungsmittel zu den Hauptkolben zu lie­ fern, während eine Pilot- bzw. Vorsteuerpumpe 222 verwen­ det wird, um Hydraulikströmungsmittel zu den HYDRAC-Ven­ tilen zu liefern. Ein An/Aus-Elektromagnetventil und Druckentlastungs- bzw. -begrenzungsventil 224 ist vorge­ sehen, um einen Pilot- bzw. Vorsteuerströmungsmitteilfluß an die HYDRAC-Ventile zu steuern.

Wie oben bemerkt, ist ein Paar von Hauptventilen für je­ den der Kippzylinder und des Hebezylinderpaares vorge­ sehen. Es ist daher wünschenswert, jeden Hauptventilkol­ ben des Paares sequentiell anstelle simultan zu bewegen, um erwünschte Geschwindigkeits- und Druckmodulationscha­ rakteristiken vorzusehen.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eine elektrische Ventilsignalgröße zu bestimmen, um genau die Arbeitswerkzeugbewegung zu steuern. Die Steuermittel 208 weisen vorzugsweise RAM- und ROM-Module (RAM = random excess memory = Arbeitsspeicher; ROM = read only memory = Lese­ speicher) auf, die Softwareprogramme speichern, um gewisse Merkmale der vorliegenden Erfindung auszuführen.

Weiter speichern die RAM- und ROM-Module Software in ei­ ner Vielzahl von Nachschau-Tabellen, die verwendet wer­ den, um die elektrische Ventilsignalgröße zu bestimmen. Die Steuermittel 208 empfangen die Werkzeugpositions- und Bedienerbefehlssignale, modifizieren das Bedienerbefehls­ signal und erzeugen ein elektrisches Ventilsignal mit ei­ ner Größe, die auf das modifizierte Bedienerbefehlssignal anspricht. Die Ventilmittel 202 empfangen das elektrische Ventilsignal und liefern steuerbar einen Hydraulikströ­ mungsmittelfluß an den jeweiligen Hydraulikzylinder an­ sprechend auf eine Größe des elektrischen Ventilsignals.

Die Größe des elektrischen Ventilsignals wird bestimmt durch Multiplizieren eines Skalierungsfaktors mit der Größe des Bedienerbefehlssignals. Beispielsweise kann der Skalierungsfaktor einen Wert im Bereich von 0 bis 100% haben. Dieser Aspekt der Skalierung hat eine Reduzierung der Maximalrate (der Arbeitswerkzeugbewegung) zur Folge, die der Bediener befehlen kann, und eine Verringerung der Gesamtmaximalgeschwindigkeit (der Arbeitswerkzeugbewe­ gung), die der Bediener befehlen kann. Dies wird durch die in Fig. 3 gezeigten Kurve veranschaulicht. Das Bedie­ nerbefehlssignal ist in gestrichelter Linie gezeigt, und das elektrische Ventilsignal ist in durchgezogener Linie gezeigt.

Da die Werkzeugpositionssignale eine Funktion der Po­ sition der jeweiligen Hydraulikzylinder 106, 114 sind, zeigen die Werkzeugpositionssignale das Ausmaß der je­ weiligen Hydraulikzylinderausdehnung an. Somit speichern die RAM- und ROM-Module eine Vielzahl von Nachschau-Ta­ bellen, die jeweils eine Vielzahl von Werten besitzen, die einer Vielzahl von Hydraulikzylinderpositionen ent­ sprechen. Jede Nachschau-Tabelle entspricht einer Ar­ beitsfunktion, die verwendet wird, um das Arbeitswerkzeug zu steuern. Die Arbeitsfunktionen weisen eine Hebe- und Absenkfunktion auf, die die Hydraulikhebezylinder 106A, D ausfährt und einfährt, um die Schaufelhöhe zu steuern, und eine Ablade- und Füllfunktion, die den Kippzylinder 114 ausfährt und einfährt, um die Schaufelneigung zu steuern. Die Arbeitsfunktions-Nachschau-Tabellen sind mit Bezug auf die Fig. 4-7 gezeigt. Die Anzahl der im Spei­ cher gespeicherten Werte hängt von der gewünschten Präzi­ sion des Systems ab. Eine Interpolation kann verwendet werden, um den tatsächlichen Wert in dem Fall zu verwen­ den, daß die gemessenen und berechneten Werte zwischen die im Speicher gespeicherten diskreten bzw. getrennten Werte fallen. Die Tabellenwerte basieren auf einer Simu­ lation und Analyse der empirischen Daten.

Dementsprechend bestimmen die Steuermittel 208 die augen­ blickliche Arbeitsfunktion und wählen die geeignete Nach- Schau-Tabelle. Dann wählen die Steuermittel 208 basierend auf den entsprechenden Zylinderpositionen einen Wert aus der Nachschau-Tabelle und modifizieren das Bedienerbe­ fehlssignal basierend auf dem ausgewählten Wert, um das Arbeitswerkzeug 102 in einer gewünschten Rate und Ge­ schwindigkeit zu steuern.

Mit Bezug auf Fig. 4 ist die Ablade-Nachschau-Tabelle 400 gezeigt, die das Schwenken der Schaufel 108 auf einen ge­ wünschten maximalen Abladewinkel steuert. Die Ablade-Nachschau-Tabelle 400 speichert eine Vielzahl von Skalie­ rungswerten, die der Position der Hebe- und der Kippzy­ linder 106, 114 entsprechen. Die Skalierungswerte werden ausgewählt, um die Geschwindigkeit oder Schwenkbewegung der Schaufel 108 zu begrenzen, wenn sich die Schaufel dem gewünschten maximalen Abladewinkel nähert. Auf dies wird als kinematische Inversion Bezug genommen. Somit sorgen die Skalierungswerte für einen Geschwindigkeitsbegren­ zungseffekt, wenn der Kipp- oder Hebezylinder sich einer extremen kinematischen Verstärkungsregion nahe dem ge­ wünschten maximalen Abladewinkel nähert, wodurch der "Stoß" verringert wird, den der Bediener fühlt und wo­ durch die Kräfte innerhalb der Zylinder verringert wer­ den. Obwohl ein Skalierungswert beschrieben ist, kann ein Begrenzungswert gleichfalls verwendet werden, wie einem Fachmann offensichtlich sein würde.

Es sei bemerkt, daß eine kinematische Verstärkungsregion definiert ist als das Verhältnis der Drehverschiebung bzw. Verdrehung des Auslegers 110 oder der Schaufel 108 gegenüber der entsprechenden Linearverschiebung der asso­ ziierten Hebe- oder Kippzylinder 106, 114. Eine extreme kinematische Verstärkungsregion ist mit jenen Verstär­ kungswerten assoziiert, die unerwünschte Geschwindigkei­ ten oder Beschleunigungen erzeugen.

Weiter sorgt die Ablade-Nachschau-Tabelle für einen elek­ tronischen Stopp- bzw. Anschlag, d. h. die Skalierungs­ werte werden ausgewählt, um die Schwenkbewegung der Schaufel 108 zu stoppen, bevor die Schaufel 108 den phy­ sikalisch maximalen Abladewinkel erreicht. Folglich kann die Schaufelbewegung vor dem Eingriff in die mechanischen Anschläge stoppen (die mit unendlichen kinematischen Ver­ stärkungen assoziiert sind), um einen strukturellen Schutz des Arbeitswerkzeuges vorzusehen.

Mit Bezug auf Fig. 5 ist die Füll-Nachschau-Tabelle 500 gezeigt, die das Schwenken der Schaufel 108 auf einen ma­ ximalen Füllwinkel steuert. Die Füll-Nachschau-Tabelle 500 speichert eine Vielzahl von Skalierungswerten, die der Position der Hebe- und der Kippzylinder 106, 114 ent­ sprechen. Die Skalierungswerte werden ausgewählt, um all­ mählich die Schwenkbewegung oder Geschwindigkeitsgrenze der Schaufel 108 zu steigern, wenn die Schaufel auf dem maximalen Abladewinkel zum gewünschten maximalen Füllwin­ kel bewegt wird. Wenn sich somit die Schaufel vom ge­ wünschten maximalen Abladewinkel weg bewegt, steigen die Skalierungswerte allmählich, um zu bewirken, daß sich die Schaufelbewegung proportional steigert, um für eine bes­ sere Steuerbarkeit der Füllfunktion zu sorgen.

Weiter werden die Skalierungswerte ausgewählt, um die hy­ draulischen Kräfte zu verringern, die damit assoziiert sind, daß das Arbeitswerkzeug in einer "zusammengefalte­ ten" Position ist, d. h. wo die Schaufel auf einem ge­ wünschten maximalen Füllwinkel positioniert ist, und wenn der Ausleger auf oder nahe dem Bodenniveau positioniert ist. Wenn somit das Arbeitswerkzeug in der "zusammenge­ falteten" Position ist, werden die Skalierungswerte stark verringert, um die elektrische Ventilsignalgröße zu ver­ ringern, so daß der Bediener davon abgehalten wird, wei­ ter einen Vollfüllbefehl zu geben, wodurch hohe Hydrau­ likzylinderkräfte verhindert werden.

Mit Bezug auf Fig. 6 ist die Hebe-Nachschau-Tabelle 600 gezeigt, die das Anheben des Auslegers 110 auf eine ge­ wünschte maximale Höhe steuert. Die Hebe-Nachschau-Ta­ belle 600 speichert eine Vielzahl von Skalierungswer­ ten, die der Position der Hebezylinder 106A, B entspre­ chen. Die Skalierungswerte sind ausgewählt, um die Ge­ schwindigkeit oder Schwenkbewegung des Auslegers 110 zu begrenzen, wenn sich der Ausleger einer extremen kinema­ tischen Verstärkungsregion nahe der gewünschten maximalen Höhe nähert. Auf dies wird zusätzlich als eine kinemati­ sche Inversion Bezug genommen. Somit sorgen die Skalie­ rungswerte für einen Geschwindigkeitsbegrenzungseffekt, wenn sich die Hebezylinder 106A, B der erwünschten maxi­ malen Höhe nähern, wodurch der "Stoß" verringert wird, den der Bediener fühlt, und wodurch die Kräfte innerhalb der Zylinder verringert werden.

Die vorliegende Erfindung sieht zusätzlich eine "Sanft­ startfunktion" während schwerkraftunterstützten Vorgängen vor, beispielsweise wenn der Ausleger abgesenkt wird. Mit Bezug auf Fig. 7 ist die Absenk-Nachschau-Tabelle 700 ge­ zeigt, die das Absenken des Auslegers 110 steuert. Die Absenk-Nachschau-Tabelle 700 speichert eine Vielzahl von Skalierungswerten, die der Position der Hebezylinder 106A, B entsprechen. Die Skalierungswerte sind ausge­ wählt, um graduell die Geschwindigkeitsgrenze des Ausle­ gers 110 zu steigern, wenn der Ausleger von seiner ge­ wünschten maximalen Höhe abgesenkt wird. Wenn somit der Ausleger 110 von seiner maximalen Höhe abgesenkt wird, steigen die Skalierungswerte allmählich, was bewirkt, daß die elektrische Ventilsignalgröße proportional steigt. Dies sorgt für eine bessere Steuerbarkeit der Absenkfunk­ tion durch Verhindern eines "stoßhaften" Betriebes. Ob­ wohl ein Skalierungswert beschrieben ist, kann ein Be­ grenzungswert gleichfalls verwendet werden, wie einem Fachmann offensichtlich sein würde.

Die vorliegende Erfindung sieht zusätzlich eine Vollfüll­ winkelsteuerung vor. Der Zweck der Füllwinkelsteuerung ist es, eine gefüllte Schaufel geringfügig nach vorne zu schwenken, wenn der Ausleger angehoben wird. Diese auto­ matisierte Bewegung wird verwendet, um der natürlichen kinematischen Wirkung des Auslegers entgegenzuwirken, die die Verkippung der Schaufel nach hinten vergrößert, wenn der Ausleger angehoben wird. Die Vollfüllwinkelsteuerung ist in einer Nachschau-Tabelle verkörpert, ähnlich der in Fig. 8 gezeigten. Die veranschaulichte Nachschau-Tabelle 800 speichert eine Vielzahl von Begrenzungswerten, die den Hebe- und Kippzylinderpositionen entsprechen. Die Steuermittel 208 wählen einen Begrenzungswert ansprechend auf die Hebe- und Kippzylinderpositionen und vergleichen den Begrenzungswert mit dem Bedienerbefehlssignalwert. Die Steuermittel 208 erzeugen dann das elektrische Ven­ tilsignal mit einem Wert gleich dem unteren der zwei ver­ glichenen Werte. Wie gezeigt, ist die Nachschau-Tabelle 800 derart strukturiert, daß positive Begrenzungswerte mit Füllbefehlen assoziiert sind und negative Begren­ zungswerte mit Abladebefehlen assoziiert sind, während neutrale Befehle mit Null-Begrenzungswerten assoziiert sind. Somit sorgen die negativen Begrenzungswerte für ei­ ne automatische Vorwärtskippbewegung der Steuerung. Es sei bemerkt, daß es wünschenswert sein kann, daß die Steuermittel nur das Bedienerbefehlssignal modifizieren, während der Ausleger angehoben wird.

Während die vorliegende Erfindung somit insbesondere mit Bezug auf das obige bevorzugten Ausführungsbeispiele ge­ zeigt und beschrieben worden ist, wird es dem Fachmann klar sein, daß verschiedene zusätzliche Ausführungsbei­ spiele in Betracht gezogen werden können, ohne vom Geiste und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Erdbearbeitungsmaschinen, wie beispielsweise Radlader weisen Arbeitswerkzeuge auf, die durch eine Anzahl von Positionen während eines Arbeitszyklusses bewegt werden können. Der typische Arbeitszyklus, der mit einer Schau­ fel assoziiert ist, weist das Positionieren des Auslegers und der Schaufel in einer Grabposition zum Füllen der Schaufel mit Material auf, eine Tragposition, eine ange­ hobene Position und eine Abladeposition zur Entfernung des Materials aus der Schaufel.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Einrichtung vor, um progressiv die Geschwindigkeit des Werkzeuges während eines Arbeitszyklusses zu begrenzen, anstelle abrupt die Geschwindigkeit des Werkzeuges zu stoppen oder zu verändern. Eine solche Funktion ist ins­ besondere nützlich zur Begrenzung der Werkzeuggeschwin­ digkeit, wenn es sich extremen kinematischen Verstär­ kungsregionen nähert.

Es sei bemerkt, daß während die Funktion des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit dem Ausleger und den assoziierten Hydraulikschaltungen beschrieben worden ist, die vorliegende Erfindung leicht an die Steuerung der Position von Werkzeugen für andere Arten von Erdbe­ arbeitungsmaschinen anpaßbar ist. Beispielsweise könnte die vorliegende Erfindung eingesetzt werden, um Werkzeuge an hydraulischen Grabmaschinen, Baggerladern (backhoes) und ähnlichen Maschinen mit hydraulisch betriebenen Werk­ zeugen zu steuern.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Er­ findung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Of­ fenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Eine Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits­ werkzeuges wird offenbart. Das Werkzeug ist mit einer Ar­ beitsmaschine verbunden und ist ansprechend auf den Be­ trieb eines Hydraulikzylinders beweglich. Die Vorrichtung weist einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel auf. Ein Bedienhebelpositionssensor fühlt die Position des Bedien­ hebels ab und erzeugt darauf ansprechend ein Bedienerbe­ fehlssignal. Ein Werkzeugpositionssensor fühlt die Posi­ tion des Arbeitswerkzeuges ab und erzeugt darauf anspre­ chend ein Werkzeugpositionssignal. Eine mikroprozes­ sorbasierte Steuervorrichtung empfängt die Werkzeug­ positions- und Bedienerbefehlssignale, modifiziert das Bedienerbefehlssignal und erzeugt ein elektrisches Ven­ tilsignal ansprechend auf das modifizierte Bedienerbe­ fehlssignal. Ein elektro-hydraulisches Ventil empfängt das elektrische Ventilsignal und liefert steuerbar einen Hydraulikströmungsmittelfluß an den Hydraulikzylinder an­ sprechend auf die Größe des elektrischen Ventilsignals.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits­ werkzeuges einer Erdbewegungsmaschine, wobei das Ar­ beitswerkzeug einen Ausleger und eine Schaufel auf­ weist, die daran angebracht ist, wobei das Arbeits­ werkzeug eine Vielzahl von Arbeitsfunktionen auf­ weist, die eine Hebe- und Absenkfunktion aufweisen, wo der Ausleger durch einen hydraulischen Hebezylin­ der betätigt wird, und eine Ablade- und Füllfunk­ tion, wo die Schaufel von einem hydraulischen Kipp­ zylinder geschwenkt wird, wobei die Vorrichtung fol­ gendes aufweist:
einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel;
Bedienhebelpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Position des Bedienhebels und um darauf ansprechend ein Bedienerbefehlssignal zu erzeugen;
Werkzeugpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Hö­ henposition des Auslegers und der Schwenkposition der Schaufel, und um darauf ansprechend entsprechen­ de Werkzeugpositionssignale zu erzeugen;
Speichermittel zum Speichern einer Nachschau-Tabelle für jede Arbeitsfunktion, wobei die Nachschau-Tabel­ len eine Vielzahl von Werten aufweisen, die einer Vielzahl von Arbeitswerkzeugpositionen entsprechen;
Steuermittel zum Empfang der Werkzeugpositions- und Bedienerbefehlssignale, zum Bestimmen der augen­ blicklichen Position des Arbeitswerkzeuges und der entsprechenden Arbeitsfunktion, zum Modifizieren des Bedienerbefehlssignals basierend auf der augenblick­ lichen Arbeitsfunktion und zum Erzeugen eines elek­ trischen Ventilsignals ansprechend auf das modifi­ zierte Bedienerbefehlssignal; und
Ventilmittel zum Empfang des elektrischen Ventil­ signals und um steuerbar hydraulischen Strömungsmit­ telfluß an die entsprechenden Hydraulikzylinder an­ sprechend auf eine Größe des elektrischen Ventilsig­ nals zu liefern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuermittel Mittel zum Auswählen eines Wertes aus der jeweiligen Nachschau-Tabelle ansprechend auf die jeweilige Ar­ beitswerkzeugposition aufweisen, zum Multiplizieren des Wertes mit der Größe des Bedienerbefehlssignals und um darauf ansprechend das elektrische Ventil­ signal mit einer Größe gleich dem Produkt zu erzeu­ gen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Werk­ zeugpositionssignal, welches der Höhenposition des Auslegers entspricht, die Hebezylinderposition an­ zeigt, und wobei das Werkzeugpositionssignal, wel­ ches der Schwenkposition der Schaufel entspricht, die Kippzylinderposition anzeigt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei die Speichermit­ tel eine Ablade- und Füll-Nachschau-Tabelle aufwei­ sen, um das Schwenken der Schaufel zu steuern, wobei jede Tabelle eine Vielzahl von Skalierungswerten speichert, die der Hebezylinder und Kippzylinder­ position entsprechen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die Ablade-Nach- Schau-Tabelle eine Vielzahl von Skalierungswerten aufweist, die die Schwenkbewegung der Schaufel be­ grenzen, wenn sich die Schaufel einen gewünschten maximalen Abladewinkel nähert, und eine Vielzahl von Skalierungswerten, die bewirken, daß die Schwenkbe­ wegung der Schaufel stoppt, wenn sie den gewünschten maximalen Abladewinkel erreicht.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5, wobei die Füll-Nach­ schau-Tabelle eine Vielzahl von Skalierungswerten aufweist, die allmählich steigen, wenn die Schaufel vom gewünschten maximalen Abladewinkel gefüllt wird, und eine Vielzahl von Skalierungswerten, die verhin­ dern, daß der Bediener weiter eine vollständig ge­ füllte Schaufel über den gewünschten maximalen Füll­ winkel hinaus befiehlt bzw. steuert.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, wobei die Speichermit­ tel eine Hebe- und Absenk-Nachschau-Tabelle aufwei­ sen, um die Betätigung der Hebeanordnung zu steuern, wobei jede Nachschau-Tabelle eine Vielzahl von Ska­ lierungswerten speichert, die der Hebezylinderposi­ tion entsprechen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, wobei die Hebe-Nach­ schau-Tabelle eine Vielzahl von Skalierungswerten aufweist, die die Bewegung des Auslegers begrenzen, wenn sich der Ausleger einer gewünschten Maximalhöhe nähert.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, wobei die Absenk-Nach­ schau-Tabelle eine Vielzahl von Skalierungswerten aufweist, die allmählich steigen, wenn der Ausleger von einer maximalen Höhe abgesenkt wird.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, wobei die Speichermit­ tel eine Füllwinkelsteuertabelle aufweisen, um eine Vielzahl von Begrenzungswerten zu speichern, die den Hebe- und Kippzylinderpositionen entsprechen.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Steuermit­ tel automatische Ablademittel aufweisen, um den Be­ grenzungswert auszuwählen, um den Begrenzungswert mit dem Bedienerbefehlssignalwert zu vergleichen, und um das elektrische Ventilsignal mit einem Wert gleich dem niedrigeren der zwei verglichenen Werte zu erzeugen.

12. Verfahren zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits­ werkzeuges einer Erdbewegungsmaschine ansprechend auf die Position eines vom Bediener gesteuerten Be­ dienhebels, wobei das Arbeitswerkzeug einen Ausleger und eine daran angebrachte Schaufel aufweist, wobei das Arbeitswerkzeug eine Vielzahl von Arbeits­ funktionen aufweist, die eine Hebe- und Absenkfunk­ tion aufweisen, wo der Ausleger durch einen hydrau­ lischen Hebezylinder betätigt wird, und eine Ablade- und Füllfunktion, wo die Schaufel von einem hydrau­ lischen Kippzylinder geschwenkt wird, wobei das Ver­ fahren folgende Schritte aufweist:
Abfühlen der Position des Bedienhebels und darauf ansprechend Erzeugen eines Bedienerbefehlssignals;
Abfühlen der Höhenposition des Auslegers und der Schwenkposition der Schaufel und darauf ansprechen­ des Erzeugen der jeweiligen Werkzeugpositions­ signale;
Speichern einer Nachschau-Tabelle für jede Arbeits­ funktion, wobei die Nachschau-Tabellen eine Vielzahl von Werten aufweisen, die einer Vielzahl von Ar­ beitswerkzeugpositionen entsprechen;
Empfangen der Werkzeugpositions- und Bedienerbe­ fehlssignale, Bestimmen der augenblicklichen Posi­ tion des Arbeitswerkzeuges und der entsprechenden Arbeitsfunktion, Modifizieren des Bedienerbefehls­ signals basierend auf der augenblicklichen Arbeits­ funktion und Erzeugen eines elektrischen Ventilsig­ nals ansprechend auf das modifizierte Bedienerbe­ fehlssignals; und
Empfangen des elektrischen Ventilsignals, und steu­ erbares Liefern eines Hydraulikströmungsmittelflus­ ses an die jeweiligen Hydraulikzylinder ansprechend auf eine Größe des elektrischen Ventilsignals.