DE19726821B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Werkzeuges einer Arbeitsmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Werkzeuges einer Arbeitsmaschine Download PDFInfo
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Abstract
Vorrichtung
zur steuerbaren Bewegung eines Arbeitswerkzeuges einer Erdbewegungsmaschine,
wobei das Arbeitswerkzeug einen Ausleger und eine Schaufel aufweist,
die daran angebracht ist, wobei das Arbeitswerkzeug eine Vielzahl
von Arbeitsfunktionen aufweist, die eine Hebe- und Absenkfunktion
aufweisen, wo der Ausleger durch einen hydraulischen Hebezylinder
betätigt
wird, und eine Ablade- und Füllfunktion,
wo die Schaufel von einem hydraulischen Kippzylinder geschwenkt
wird, wobei die Vorrichtung folgendes 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 Höhenposition des Auslegers und der Schwenkposition der Schaufel, und um darauf ansprechend entsprechende Werkzeugpositionssignale zu erzeugen;
Speichermittel zum Speichern einer Nachschau-Tabelle für jede Arbeitsfunktion, wobei die Nachschau-Tabellen eine Vielzahl von Werten aufweisen, die einer Vielzahl von Arbeitswerkzeugpositionen entsprechen;
Steuermittel zum Empfang der Werkzeugpositions- und Bedienerbefehlssignale, zum Bestimmen der augenblicklichen Position des Arbeitswerkzeuges und der entsprechenden Arbeitsfunktion, zum Modifizieren des...
einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel; Bedienhebelpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Position des Bedienhebels und um darauf ansprechend
ein Bedienerbefehlssignal zu erzeugen; Werkzeugpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Höhenposition des Auslegers und der Schwenkposition der Schaufel, und um darauf ansprechend entsprechende Werkzeugpositionssignale zu erzeugen;
Speichermittel zum Speichern einer Nachschau-Tabelle für jede Arbeitsfunktion, wobei die Nachschau-Tabellen eine Vielzahl von Werten aufweisen, die einer Vielzahl von Arbeitswerkzeugpositionen entsprechen;
Steuermittel zum Empfang der Werkzeugpositions- und Bedienerbefehlssignale, zum Bestimmen der augenblicklichen Position des Arbeitswerkzeuges und der entsprechenden Arbeitsfunktion, zum Modifizieren des...
Description
- Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Bewegung eines Arbeitswerkzeuges einer Arbeitsmaschine und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, welches die Bewegung des Arbeitswerkzeuges basierend auf der Arbeitswerkzeugposition und eines Bedienerbefehls steuert.
- Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Radlader, weisen Arbeitswerkzeuge auf, die durch eine Anzahl von Positionen 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 beispielsweise die Hebearme anzuheben sind, bewegt der Bediener den mit der Hebearm-Hydraulikschaltung assoziierten Steuerhebel in eine Position, in der ein Hydraulikventil bewirkt, daß unter Druck gesetztes Strömungsmittel zum Kopfende eines Hebezylinders fließt, was somit bewirkt, daß die Hebearme steigen. Wenn der Steuerhebel in eine Neutralposition zurückkehrt, schließt sich das Hy zum Kopfende eines Hebezylinders fließt, was somit bewirkt, daß die Hebearme steigen. Wenn der Steuerhebel in eine Neutralposition zurückkehrt, schließt sich das Hydraulikventil 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 Ausführen einer erwünschten Arbeitszyklusfunktion gebracht, was schnelle Veränderungen der Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schaufel und/oder des Hebearms, der Maschine und des Bedieners zur Folge hat. Dies kann beispielsweise auftreten, wenn das Werkzeug zum Ende seines gewünschten Bewegungsbereiches bewegt wird. Die geometrische 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 Beschleunigung. Die Kräfte, die von der Verbindungsanordnung und der assoziierten Hydraulikschaltunq absorbiert werden, können gesteigerten Wartungsaufwand und schnelleres Versagen der assoziierten Teile zur Folge haben. Ein weiteres mögliches Ergebnis der geometrischen Beziehung ist die übermäßige Winkeldrehung des Hebearms oder der Schaufel 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 Hebearmanordnung 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 einen 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 Arbeitswerkzeuges offenbart. Das Werkzeug ist mit einer Arbeitsmaschine verbunden und ist ansprechend auf den Betrieb eines 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 mikroprozessorbasierte Steuervorrichtung empfängt die Werkzeugpositions- und Bedienerbefehlssignale, modifiziert das Bedienerbefehlssignal und erzeugt ein elektrisches Ventilsignal ansprechend auf das modifizierte Bedienerbefehlssignal. Ein elektro-hydraulisches Ventil empfängt das elektrische Ventilsignal und liefert steuerbar einen Hydraulikströmungsmittelfluß an den Hydraulikzylinder ansprechend auf eine Größe des elektrischen Ventilsignals.
- Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei Bezug genommen auf die Begleitzeichnungen, in denen die Figuren folgendes darstellen:
-
1 eine Ansicht eines Vorderteils einer Ladermaschine oder eines Radladers; -
2 ein Blockdiagramm eines elektro-hydraulischen Steuersystems der Ladermaschine; -
3 eine Kurve bzw. ein Graph, der ein Bedienerbefehlssignal und ein elektrisches Ventilsignal über die Zeit veranschaulicht; -
4 eine Software-Nachschau-Tabelle, die mit einer Abladefunktion assoziiert ist; -
5 eine Software-Nachschau-Tabelle, die mit einer Füllfunktion assoziiert ist; -
6 eine Software-Nachschau-Tabelle, die mit einer Hebefunktion assoziiert ist; -
7 eine Software-Nachschau-Tabelle, die mit einer Absenkfunktion assoziiert ist; und -
8 eine Software-Nachschau-Tabelle, die mit einer Vollfüllwinkelsteuerunq assoziiert ist. - In
1 wird ein Werkzeugsteuersystem im allgemeinen durch das Bezugszeichen100 dargestellt.1 zeigt einen Vorderteil einer Radladermaschine104 mit einem Nutzlastträger in Form einer Schaufel108 . Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf eine Radladermaschine beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung gleichfalls auf viele Erdbearbeitungsmaschinen anwendbar, wie beispielsweise Raupenlader, hydraulische Grabmaschinen und andere Maschinen mit ähnlichen Lade- bzw. Lastwerkzeugen. Die Schaufel108 ist mit einer Hebearmanordnung oder einem Ausleger110 verbunden, der schwenkbar von zwei Hydraulikhebelbetätiqungsvorrichtungen oder -zylindern106 betätigt wird (von denen nur einer gezeigt ist), und zwar um einen Auslegerschwenkstift112 herum, der am Maschinenrahmen angebracht ist. Ein Auslegerlasttragschwenkstift108 ist am Ausleger110 und den Hebezylindern106 angebracht. Die Schaufel108 wird durch eine Schaufelkippbetätigungsvorrichtung oder einen Zylinder114 um einen Kippschwenkstift116 herum gekippt. - Mit Bezug auf
2 ist das Werkzeugsteuersystem100 schematisch veranschaulicht, wie es bei einem Radlader angewandt wird. Das Werkzeugsteuersystem ist geeignet, um eine Vielzahl von Eingangsgrößen abzufühlen, und um darauf ansprechend Ausgangsgrößen- bzw. Ausgangssignale zu erzeugen, die an verschiedene Betätigungsvorrichtungen im Steuersystem geliefert werden. Vorzugsweise weist das Werkzeugsteuersystem mikroprozessorbasierte Steuermittel208 auf. - Erste, zweite und dritte Bedienhebel
206A ,206B ,206C sehen eine Bedienersteuerung über das Arbeitswerkzeug102 vor. Die Bedienhebel weisen einen Steuerhebel219 auf, der eine Bewegung entlang einer einzigen Achse aufweist. Jedoch kann zusätzlich zur Bewegung entlang einer ersten Achse (horizontal) der Steuerhebel219 sich auch entlang einer zweiten Achse bewegen, die zur horizontalen Achse senkrecht ist. Der erste Bedienhebel206A steuert den Hebebetrieb des Auslegers110 . Der zweite Bedienhebel206B steuert den Kippbetrieb der Schaufel108 . Der dritte Bedienhebel206C steuert eine Hilfsfunktion, wie beispielsweise einen Betrieb eines speziellen Arbeitswerkzeugs. - Bedienhebelpositionsabfühlmittel
220 fühlen die Position des Joystick- bzw. Bedienhebelsteuerhebels219 ab und erzeugen darauf ansprechend ein elektrisches Bedienerbefehlssignal. Das elektrische Signal wird an den Eingang der Steuermittel208 geliefert. Die Bedienhebelpositionsabfühlmittel220 weisen vorzugsweise ein Drehpotentiometer auf, welches ein pulsbreiten moduliertes Signal ansprechend auf die Schwenkposition des Steuerhebels erzeugt, jedoch wäre irgendein Sensor, der ein elektrisches Signal ansprechend auf die Schwenkposition des Steuerhebels erzeugen kann, bei der vorliegenden Erfindung einsetzbar. - Werkzeugpositionsabfühlmittel
216 ,218 fühlen die Position des Arbeitswerkzeuges102 mit Bezug auf die Arbeitsmaschine104 ab und erzeugen darauf ansprechend eine Vielzahl von Werkzeugpositionssignalen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Positionsabfühlmittel216 ,218 Hebepositionsabfühlmittel216 auf, zum Abfühlen der Hebe- bzw. Höhenposition des Auslegers110 , und Kippositionsabfühlmittel218 zum Abfühlen der Schwenkposition der Schaufel108 . - In einem Ausführungsbeispiel weisen die Hebe- und Kipppositionsabfühlmittel
216 ,218 Drehpotentiometer auf. Die Drehpotentiometer erzeugen pulsbreitenmodulierte Signale ansprechend auf die Winkelposition des Auslegers110 mit Bezug auf das Fahrzeug und die Schaufel108 mit Bezug auf den Ausleger110 . Die Winkelposition des Auslegers ist eine Funktion der Hebezylinderausfahrposition bzw. -ausdehnung106A , B, während die Winkelposition der Schaufel108 eine Funktion von sowohl den Kipp- als auch Hebezylinderausdehnungen114 ,106A , B ist. Die Funktion der Abfühlmittel216 ,218 kann leicht durch irgendeinen anderen Sensor wahrgenommen werden, der fähig ist, entweder direkt oder indirekt die Relativausdehnung eines Hydraulikzylinders zu messen. Beispielsweise könnten die Potentiometer durch Radiofrequenz- (RF)- bzw. Kurzwellensensoren 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 Hydraulikzylindern106A , B,114 . - Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Ventilmittel
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 gesetztes Strömungsmittel zu den Zylindern106A , B,114 und die HYDRAC-Ventile leiten Vorsteuer- bzw. Pilotströmungsmittelfluß zu den Hauptventilen. Jedes HYDRAC-Ventil ist elektrisch mit den Steuermitteln208 verbunden. Ein beispielhaftes HYDRAC-Ventil ist im US-Patent 5 366 202 offenbart, welches am 22. November 1994 an Stephen V. Lunzman ausgegeben wurde, welches hier durch Bezugnahme aufgenommen sei. Zwei Hauptpumpen212 ,214 werden verwendet, um Hydraulikströmungsmittel zu den Hauptkolben zu liefern, während eine Pilot- bzw. Vorsteuerpumpe222 verwendet wird, um Hydraulikströmungsmittel zu den HYDRAC-Ventilen zu liefern. Ein An/Aus-Elektromagnetventil und Druckentlastungs- bzw. -begrenzungsventil224 ist vorgesehen, um einen Pilot- bzw. Vorsteuerströmungsmitteilfluß an die HYDRAC-Ventile zu steuern. - Wie oben bemerkt, ist ein Paar von Hauptventilen für jeden der Kippzylinder und des Hebezylinderpaares vorgesehen. Es ist daher wünschenswert, jeden Hauptventilkolben des Paares sequentiell anstelle simultan zu bewegen, um erwünschte Geschwindigkeits- und Druckmodulationscharakteristiken 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 = Lesespeicher) auf, die Softwareprogramme speichern, um gewisse Merkmale der vorliegenden Erfindung auszuführen. - Weiter speichern die RAM- und ROM-Module Software in einer Vielzahl von Nachschau-Tabellen, die verwendet werden, um die elektrische Ventilsignalgröße zu bestimmen. Die Steuermittel
208 empfangen die Werkzeugpositions- und Bedienerbefehlssignale, modifizieren das Bedienerbefehlssignal und erzeugen ein elektrisches Ventilsignal mit einer Größe, die auf das modifizierte Bedienerbefehlssignal anspricht. Die Ventilmittel202 empfangen das elektrische Ventilsignal und liefern steuerbar einen Hydraulikströmungsmittelfluß an den jeweiligen Hydraulikzylinder ansprechend 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 Arbeitswerkzeugbewegung), die der Bediener befehlen kann. Dies wird durch die in
3 gezeigten Kurve veranschaulicht. Das Bedienerbefehlssignal ist in gestrichelter Linie gezeigt, und das elektrische Ventilsignal ist in durchgezogener Linie gezeigt. - Da die Werkzeugpositionssignale eine Funktion der Position der jeweiligen Hydraulikzylinder
106 ,114 sind, zeigen die Werkzeugpositionssignale das Ausmaß der jeweiligen Hydraulikzylinderausdehnung an. Somit speichern die RAM- und ROM-Module eine Vielzahl von Nachschau-Tabellen, die jeweils eine Vielzahl von Werten besitzen, die einer Vielzahl von Hydraulikzylinderpositionen entsprechen. Jede Nachschau-Tabelle entspricht einer Arbeitsfunktion, die verwendet wird, um das Arbeitswerkzeug zu steuern. Die Arbeitsfunktionen weisen eine Hebe- und Absenkfunktion auf, die die Hydraulikhebezylinder106A , D ausfährt und einfährt, um die Schaufelhöhe zu steuern, und eine Ablade- und Füllfunktion, die den Kippzylinder114 ausfährt und einfährt, um die Schaufelneigung zu steuern. Die Arbeitsfunktions-Nachschau-Tabellen sind mit Bezug auf die4 –7 gezeigt. Die Anzahl der im Speicher gespeicherten Werte hängt von der gewünschten Präzision des Systems ab. Eine Interpolation kann verwendet werden, um den tatsächlichen Wert in dem Fall zu verwenden, daß die gemessenen und berechneten Werte zwischen die im Speicher gespeicherten diskreten bzw. getrennten Werte fallen. Die Tabellenwerte basieren auf einer Simulation und Analyse der empirischen Daten. - Dementsprechend bestimmen die Steuermittel
208 die augenblickliche Arbeitsfunktion und wählen die geeignete Nachschau-Tabelle. Dann wählen die Steuermittel208 basierend auf den entsprechenden Zylinderpositionen einen Wert aus der Nachschau-Tabelle und modifizieren das Bedienerbefehlssignal basierend auf dem ausgewählten Wert, um das Arbeitswerkzeug102 in einer gewünschten Rate und Geschwindigkeit zu steuern. - Mit Bezug auf
4 ist die Ablade-Nachschau-Tabelle400 gezeigt, die das Schwenken der Schaufel108 auf einen gewünschten maximalen Abladewinkel steuert. Die Ablade-Nachschau-Tabelle400 speichert eine Vielzahl von Skalierungswerten, die der Position der Hebe- und der Kippzylinder106 ,114 entsprechen. Die Skalierungswerte werden ausgewählt, um die Geschwindigkeit oder Schwenkbewegung der Schaufel108 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 gewünschten maximalen Abladewinkel nähert, wodurch der "Stoß" verringert wird, den der Bediener fühlt und wodurch die Kräfte innerhalb der Zylinder verrignert werden. 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 Schaufel108 gegenüber der entsprechenden Linearverschiebung der assoziierten Hebe- oder Kippzylinder106 ,114 . Eine extreme kinematische Verstärkungsregion ist mit jenen Verstärkungswerten assoziiert, die unerwünschte Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen erzeugen. - Weiter sorgt die Ablade-Nachschau-Tabelle für einen elektronischen Stopp- bzw. Anschlag, d. h. die Skalierungswerte werden ausgewählt, um die Schwenkbewegung der Schaufel
108 zu stoppen, bevor die Schaufel108 den physikalisch maximalen Abladewinkel erreicht. Folglich kann die Schaufelbewegung vor dem Eingriff in die mechanischen Anschläge stoppen (die mit unendlichen kinematischen Verstärkungen assoziiert sind), um einen strukturellen Schutz des Arbeitswerkzeuges vorzusehen. - Mit Bezug auf
5 ist die Füll-Nachschau-Tabelle500 gezeigt, die das Schwenken der Schaufel108 auf einen maximalen Füllwinkel steuert. Die Füll-Nachschau-Tabelle500 speichert eine Vielzahl von Skalierungswerten, die der Position der Hebe- und der Kippzylinder106 ,114 entsprechen. Die Skalierungswerte werden ausgewählt, um allmählich die Schwenkbewegung oder Geschwindigkeitsgrenze der Schaufel108 zu steigern, wenn die Schaufel auf dem maximalen Abladewinkel zum gewünschten maximalen Füllwinkel bewegt wird. Wenn sich somit die Schaufel vom gewünschten maximalen Abladewinkel weg bewegt, steigen die Skalierungswerte allmählich, um zu bewirken, daß sich die Schaufelbewegung proportional steigert, um für eine bessere Steuerbarkeit der Füllfunktion zu sorgen. - Weiter werden die Skalierungswerte ausgewählt, um die hydraulischen Kräfte zu verringern, die damit assoziiert sind, daß das Arbeitswerkzeug in einer "zusammengefalteten" Position ist, d. h. wo die Schaufel auf einem gewünschten maximalen Füllwinkel positioniert ist, und wenn der Ausleger auf oder nahe dem Bodenniveau positioniert ist. Wenn somit das Arbeitswerkzeug in der "zusammengefalteten" Position ist, werden die Skalierungswerte stark verringert, um die elektrische Ventilsignalgröße zu verringern, so daß der Bediener davon abgehalten wird, weiter einen Vollfüllbefehl zu geben, wodurch hohe Hydraulikzylinderkräfte verhindert werden.
- Mit Bezug auf
6 ist die Hebe-Nachschau-Tabelle600 gezeigt, die das Anheben des Auslegers110 auf eine gewünschte maximale Höhe steuert. Die Hebe-Nachschau-Tabelle600 speichert eine Vielzahl von Skalierungswerten, die der Position der Hebezylinder106A , B entsprechen. Die Skalierungswerte sind ausgewählt, um die Geschwindigkeit oder Schwenkbewegung des Auslegers110 zu begrenzen, wenn sich der Ausleger einer extremen kinematischen Verstärkungsregion nahe der gewünschten maximalen Höhe nähert. Auf dies wird zusätzlich als eine kinematische Inversion Bezug genommen. Somit sorgen die Skalierungswerte für einen Geschwindigkeitsbegrenzungseffekt, wenn sich die Hebezylinder106A , B der erwünschten maximalen 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 "Sanftstartfunktion" während schwerkraftunterstützten Vorgängen vor, beispielsweise wenn der Ausleger abgesenkt wird. Mit Bezug auf
7 ist die Absenk-Nachschau-Tabelle700 gezeigt, die das Absenken des Auslegers110 steuert. Die Absenk-Nachschau-Tabelle700 speichert eine Vielzahl von Skalierungswerten, die der Position der Hebezylinder106A , B entsprechen. Die Skalierungswerte sind ausgewählt, um graduell die Geschwindigkeitsgrenze des Auslegers110 zu steigern, wenn der Ausleger von seiner gewünschten maximalen Höhe abgesenkt wird. Wenn somit der Ausleger110 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 Absenkfunktion durch Verhindern eines "stoßhaften" Betriebes. Obwohl ein Skalierungswert beschrieben ist, kann ein Begrenzungswert gleichfalls verwendet werden, wie einem Fachmann offensichtlich sein würde. - Die vorliegende Erfindung sieht zusätzlich eine Vollfüllwinkelsteuerung vor. Der Zweck der Füllwinkelsteuerung ist es, eine gefüllte Schaufel geringfügig nach vorne zu schwenken, wenn der Ausleger angehoben wird. Diese automatisierte 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
8 gezeigten. Die veranschaulichte Nachschau-Tabelle800 speichert eine Vielzahl von Begrenzungswerten, die den Hebe- und Kippzylinderpositionen entsprechen. Die Steuermittel208 wählen einen Begrenzungswert ansprechend auf die Hebe- und Kippzylinderpositionen und vergleichen den Begrenzungswert mit dem Bedienerbefehlssignalwert. Die Steuermittel208 erzeugen dann das elektrische Ventilsignal mit einem Wert gleich dem unteren der zwei verglichenen Werte. Wie gezeigt, ist die Nachschau-Tabelle800 derart strukturiert, daß positive Begrenzungswerte mit Füllbefehlen assoziiert sind und negative Begrenzungswerte mit Abladebefehlen assoziiert sind, während neutrale Befehle mit Null-Begrenzungswerten assoziiert sind. Somit sorgen die negativen Begrenzungswerte für eine 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 gezeigt und beschrieben worden ist, wird es dem Fachmann klar sein, daß verschiedene zusätzliche Ausführungsbeispiele 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 Schaufel assoziiert ist, weist das Positionieren des Auslegers und der Schaufel in einer Grabposition zum Füllen der Schaufel mit Material auf, eine Tragposition, eine angehobene 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 insbesondere nützlich zur Begrenzung der Werkzeuggeschwindigkeit, wenn es sich extremen kinematischen Verstärkungsregionen 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 Erdbearbeitungsmaschinen anpaßbar ist. Beispielsweise könnte die vorliegende Erfindung eingesetzt werden, um Werkzeuge an hydraulischen Grabmaschinen, Baggerladern (backhoes) und ähnlichen Maschinen mit hydraulisch betriebenen Werkzeugen zu steuern.
- Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.
- Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Eine Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeitswerkzeuges wird offenbart. Das Werkzeug ist mit einer Arbeitsmaschine verbunden und ist ansprechend auf den Betrieb eines Hydraulikzylinders beweglich. Die Vorrichtung weist einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel auf. Ein Bedienhebelpositionssensor fühlt die Position des Bedienhebels ab und erzeugt darauf ansprechend ein Bedienerbefehlssignal. Ein Werkzeugpositionssensor fühlt die Position des Arbeitswerkzeuges ab und erzeugt darauf ansprechend ein Werkzeugpositionssignal. Eine mikroprozessorbasierte Steuervorrichtung empfängt die Werkzeugpositions- und Bedienerbefehlssignale, modifiziert das Bedienerbefehlssignal und erzeugt ein elektrisches Ventilsignal ansprechend auf das modifizierte Bedienerbefehlssignal. Ein elektro-hydraulisches Ventil empfängt das elektrische Ventilsignal und liefert steuerbar einen Hydraulikströmungsmittelfluß an den Hydraulikzylinder ansprechend auf die Größe des elektrischen Ventilsignals.
Claims (12)
- Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeitswerkzeuges einer Erdbewegungsmaschine, wobei das Arbeitswerkzeug einen Ausleger und eine Schaufel aufweist, die daran angebracht ist, wobei das Arbeitswerkzeug eine Vielzahl von Arbeitsfunktionen aufweist, die eine Hebe- und Absenkfunktion aufweisen, wo der Ausleger durch einen hydraulischen Hebezylinder betätigt wird, und eine Ablade- und Füllfunktion, wo die Schaufel von einem hydraulischen Kippzylinder geschwenkt wird, wobei die Vorrichtung folgendes 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 Höhenposition des Auslegers und der Schwenkposition der Schaufel, und um darauf ansprechend entsprechende Werkzeugpositionssignale zu erzeugen; Speichermittel zum Speichern einer Nachschau-Tabelle für jede Arbeitsfunktion, wobei die Nachschau-Tabellen eine Vielzahl von Werten aufweisen, die einer Vielzahl von Arbeitswerkzeugpositionen entsprechen; Steuermittel zum Empfang der Werkzeugpositions- und Bedienerbefehlssignale, zum Bestimmen der augenblicklichen Position des Arbeitswerkzeuges und der entsprechenden Arbeitsfunktion, zum Modifizieren des Bedienerbefehlssignals basierend auf der augenblicklichen Arbeitsfunktion und zum Erzeugen eines elektrischen Ventilsignals ansprechend auf das modifizierte Bedienerbefehlssignal; und Ventilmittel zum Empfang des elektrischen Ventilsignals und um steuerbar hydraulischen Strömungsmit telfluß an die entsprechenden Hydraulikzylinder ansprechend auf eine Größe des elektrischen Ventilsignals zu liefern.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuermittel Mittel zum Auswählen eines Wertes aus der jeweiligen Nachschau-Tabelle ansprechend auf die jeweilige Arbeitswerkzeugposition aufweisen, zum Multiplizieren des Wertes mit der Größe des Bedienerbefehlssignals und um darauf ansprechend das elektrische Ventilsignal mit einer Größe gleich dem Produkt zu erzeugen.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Werkzeugpositionssignal, welches der Höhenposition des Auslegers entspricht, die Hebezylinderposition anzeigt, und wobei das Werkzeugpositionssignal, welches der Schwenkposition der Schaufel entspricht, die Kippzylinderposition anzeigt.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 3, wobei die Speichermittel eine Ablade- und Füll-Nachschau-Tabelle aufweisen, um das Schwenken der Schaufel zu steuern, wobei jede Tabelle eine Vielzahl von Skalierungswerten speichert, die der Hebezylinder- und Kippzylinderposition entsprechen.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 4, wobei die Ablade-Nachschau-Tabelle eine Vielzahl von Skalierungswerten aufweist, die die Schwenkbewegung der Schaufel begrenzen, wenn sich die Schaufel einen gewünschten maximalen Abladewinkel nähert, und eine Vielzahl von Skalierungswerten, die bewirken, daß die Schwenkbe wegung der Schaufel stopt, wenn sie den gewünschten maximalen Abladewinkel erreicht.
- 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 verhindern, daß der Bediener weiter eine vollständig gefüllte Schaufel über den gewünschten maximalen Füllwinkel hinaus befiehlt bzw. steuert.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 6, wobei die Speichermittel eine Hebe- und Absenk-Nachschau-Tabelle aufweisen, um die Betätigung der Hebeanordnung zu steuern, wobei jede Nachschau-Tabelle eine Vielzahl von Skalierungswerten speichert, die der Hebezylinderposition entsprechen.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, wobei die Hebe-Nachschau-Tabelle eine Vielzahl von Skalierungswerten aufweist, die die Bewegung des Auslegers begrenzen, wenn sich der Ausleger einer gewünschten Maximalhöhe nähert.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, wobei die Absenk-Nachschau-Tabelle eine Vielzahl von Skalierungswerten aufweist, die allmählich steigen, wenn der Ausleger von einer maximalen Höhe abgesenkt wird.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, wobei die Speichermittel eine Füllwinkelsteuertabelle aufweisen, um eine Vielzahl von Begrenzungswerten zu speichern, die den Hebe- und Kippzylinderpositionen entsprechen.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Steuermittel automatische Ablademittel aufweisen, um den Begrenzungswert 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.
- Verfahren zur steuerbaren Bewegung eines Arbeitswerkzeuges einer Erdbewegungsmaschine ansprechend auf die Position eines vom Bediener gesteuerten Bedienhebels, wobei das Arbeitswerkzeug einen Ausleger und eine daran angebrachte Schaufel aufweist, wobei das Arbeitswerkzeug eine Vielzahl von Arbeitsfunktionen aufweist, die eine Hebe- und Absenkfunktion aufweisen, wo der Ausleger durch einen hydraulischen Hebezylinder betätigt wird, und eine Ablade- und Füllfunktion, wo die Schaufel von einem hydraulischen Kippzylinder geschwenkt wird, wobei das Verfahren 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 ansprechendes Erzeugen der jeweiligen Werkzeugpositionssignale; Speichern einer Nachschau-Tabelle für jede Arbeitsfunktion, wobei die Nachschau-Tabellen eine Vielzahl von Werten aufweisen, die einer Vielzahl von Arbeitswerkzeugpositionen entsprechen; Empfangen der Werkzeugpositions- und Bedienerbefehlssignale, Bestimmen der augenblicklichen Position des Arbeitswerkzeuges und der entsprechenden Arbeitsfunktion, Modifizieren des Bedienerbefehlssignals basierend auf der augenblicklichen Arbeitsfunktioln und Erzeugen eines elektrischen Ventilsignals ansprechend auf das modifizierte Bedienerbefehlssignals; und Empfangen des elektrischen Ventilsignals, und steuerbares Liefern eines Hydraulikströmungsmittelflusses an die jeweiligen Hydraulikzylinder ansprechend auf eine Größe des elektrischen Ventilsignals.
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