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Die hiermit vorliegende Offenbarung betrifft die elektrohydraulische Ansteuerung zur Bewegung von Werkzeugen in Arbeitsmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zur Einführung zum Stand der Technik kann als erstes, einfaches Beispiel der Hydraulikschaltplan eines Radladers herangezogen werden.
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Solch ein Schaltplan ist im Umdruck zur Vorlesung „Fluidtechnik für mobile Arbeitsmaschinen“, 2. Auflage 2003 (Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Murrenhoff; Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Wallentowitz) auf der Seite 415, Bild 3.5.3 abgebildet: Es handelt sich hierbei noch um einen direkt handbetätigten, 3-fach-Hydraulik-Wegeventilsteuerblock zur Ansteuerung des Hubzylinders, des Kippzylinders und evtl. eines Zusatzgerätes eines Radladers. Aus der Darstellung ist erkennbar, dass mittels der Wegeventile, über einen Handhebel an den Wegeventilen, die angeschlossenen Arbeitszylinder nach Richtung und Geschwindigkeit gesteuert werden können.
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Komfortablere Ansteuerungen von Wegeventilsteuerblöcken werden elektrohydraulisch ausgeführt, wobei die Sollwerteingabe durch den Bediener elektronisch über Joystick oder sonstige elektronische Befehlsgeräte zur Erzeugung des Stellsignals für das angewählte Wegeventil erfolgt.
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Ein Beispiel hierfür ist aus der Zeitschrift O + P >>Ölhydraulik und Pneumatik<<, Ausgabe Nr. 2 (1998) auf den Seiten 90 und 91, für den Betrieb eines Frontladers an Traktoren, beschrieben und abgebildet. Auch hieraus ist ersichtlich, dass der Bediener, in diesem Fall über elektronische Signalgeber, die an den 3-fach-Steuerblock angeschlossenen Arbeitszylinder ebenfalls nach Richtung und Geschwindigkeit steuert. Diese Arbeitsmaschinen stehen beispielhaft für weitere mögliche Arbeitsmaschinen, deren Werkzeuge hydraulisch betätigt werden, das können Bagger, Transport- und Hebefahrzeuge, Erdbewegungsmaschinen, landwirtschaftliche Maschinen oder auch Stapler sein.
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In der Patentliteratur finden sich Weiterentwicklungen, wie z.B. in
EP 1 231 387 A2 . Hierin ist eine Anlage mit zwei Arbeitszylindern gezeigt, wobei die Sollwerteingabesignale in einem Rechner (‚controller‘) mit elektrischen Geschwindigkeits-Rückführsignalen der Zylinder-Kolbenstangen verglichen und daraus berechnete Stellsignale an die Proportionalwegeventile gesendet werden. Die genannten Funktionsteile sind eigenständige Baugruppen, einschl. Software und über elektrische wie hydraulische Leitungen miteinander verbunden.
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Auch hier werden letztendlich die Zylinder nach Richtung und Geschwindigkeit durch den Bediener gesteuert.
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Eine weitere Anordnung ist aus
DE 101 22 672 A1 ersichtlich. Vergleichbarer Schaltungsaufbau wie zuvor beschrieben, jedoch ohne Rückführung der Zylindergeschwindigkeit, aber mit umfangreicher Software zur Beeinflussung des Betriebsverhaltens. Auch bei dieser Anlage werden die Zylinder nach Richtung und Geschwindigkeit elektro-hydraulisch gesteuert.
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Eine Erweiterung der Geschwindigkeitssteuerung ist in der
DE 197 26 822 A1 beschrieben, indem eine überlagerte Wegrückführung der Zylinder-Kolbenstange in einem Rechner (‚Steuermittel‘) mit dem Eingabesignal (‚Kippbetriebsbefehl, Hebebetriebsbefehl‘) verglichen und mittels eines ‚PID-Regelsystems‘ ein ‚Geschwindigkeitsbefehlssignal‘ generiert und ‚in ein elektrisches Ventilsignal umgewandelt wird‘. Gegenüber den vorstehenden Beschreibungen besteht dieser Vorschlag aus einem noch aufwendigeren Schaltungs- und Softwareumfang. Dem Fachmann ist die Problematik zur Erreichung der Stabilität und des Regelungsaufwandes bei solchen Anordnungen in schwingungsanfälligen Arbeitsmaschinen bekannt.
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Am Beispiel eines Schaufelbaggers wird in
US 6 140 787 A vorgeschlagen, dass mittels einer mehrdimensionalen Joystickbetätigung eine Bahnsteuerung der Schneide (65) an einer Baggerschaufel (56) ermöglicht ist. Dabei wird der mehrachsige Joystick (70) aus einer Neutralposition (73) minimal in die gewünschte Bewegungsrichtung der Schneide bewegt, um somit eine gewollte Bewegungsbahn (path) der Schneide zu erzeugen, wobei drei Zylinder und ein Drehantrieb geregelt und angesteuert werden. Dieser Vorschlag stellt die umfangreichste und aufwendigste Anordnung aller Beispiele zum Stand der Technik dar, aber mit denselben Grundelementen in aufgelöster Bauweise und sehr komplexer Software und Regelungsalgorithmen.
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Soll nun in einer Arbeitsmaschine das Werkzeug genau positioniert werden, so muss der Bediener die eigentlich geschwindigkeitsabhängige Bewegung des Arbeitszylinders solange iterativ verändern, bis er die gewünschte Position bzw. Arbeitsstellung des Werkzeuges eingestellt hat. Im allgemeinen Sprachgebrauch bezeichnet man diese Betriebsart als „Tippbetrieb“, da z. B. der Joystick, kurz vor Erreichen der gewünschten Position, in die eine oder andere Richtung nur kurz angetippt wird, um die Verstellgeschwindigkeit und den sich daraus ergebenden Verstellweg gering zu halten. Dies erfordert viel Übung und ist zeitaufwendig und je nach Lastzustand können am zu bewegenden Werkzeug dabei ruckartige Bewegungen entstehen, mit entsprechenden Druckspitzen im angeschlossenen Hydrauliksystem, sodass dabei auch die ganze Arbeitsmaschine zu Schwingungen angeregt werden kann. Dadurch wird die Arbeitsmaschine zusätzlich belastet und einem zusätzlichen Verschleiß unterworfen, ebenso ist der Bediener durch die Schwingungen und die dadurch eventuell verursachten Schlaggeräusche in seiner Konzentration belastet. Bisherige Weiterentwicklungen und Versuche zur Verbesserung der Bediensituation führen, wie gezeigt, zu immer aufwendigeren und regelungstechnisch sehr komplexen Anlagen, die in der Auslegung und Herstellung nur sehr schwer zu beherrschen sind und somit zusätzlich noch unwirtschaftlich.
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Aufgabe der Erfindung ist, unter Vermeidung der genannten Nachteile, eine elektrohydraulische Ansteuerung so zu gestalten, dass eine ruhige, kontinuierliche und zielgerichtete Verstellung bzw. Bewegung der Arbeitswerkzeuge an hydraulisch betriebenen Arbeitsmaschinen, vorzugsweise über eine elektrische Sollwertvorgabe, erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Sollwertsteller über eine elektrische Signalleitung direkt mit einem autarken, weggeregelten Arbeitszylinder verbunden ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Verstellzeit des autarken, weggeregelten Verstellzylinders gleich der Stellzeit der Sollwerteingabe am Sollwertsteller, solange die hydraulische Energieversorgung des autarken, weggeregelten Arbeitszylinders dafür ausreichend bemessen ist.
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In weiteren Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt.
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Mit dieser Erfindung wird die Bedienung von hydraulisch bewegbaren Arbeitswerkzeugen an hydraulischen Arbeitsmaschinen wesentlich vereinfacht, da sich das Arbeitswerkzeug analog zum elektrischen Sollwertsteller bewegt, sodass eine vom Bediener gewünschte, vom Arbeitsablauf notwendige, Position sich direkt einstellen lässt und erhalten bleibt, ohne Iteration der Sollwertvorgabe. Dieser Bewegungsablauf entspricht dem natürlichen Arbeiten mit direkt handgeführten Werkzeugen. Die Bedienung einer an sich komplizierten Maschine, mit der installierten Leistung eines Antriebsmotors, die mit großer Kraftverstärkung am hydraulisch betätigten Arbeitswerkzeug wirkt, ist durch die Erfindung auch für den ungeübten Bediener gefahrlos möglich.
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Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
- 1 Prinzipdarstellung eines elektrohydraulisch angesteuerten Hydraulik-Arbeitszylinders zur Betätigung eines Werkzeuges nach dem Stand der Technik.
- 2 Prinzipdarstellung der Werkzeugansteuerung mit einem autarken, weggeregelten Hydraulik-Arbeitszylinder.
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In 1 ist als Arbeitsmaschine beispielhaft die Anordnung eines Frontladers 1, wie z. B. bei Traktoren verwendet, dargestellt und in der Darstellung auf das Wesentliche konzentriert, um die eigentliche Funktion deutlich demonstrieren zu können. Der Frontlader besteht aus der Schwinge 2 und dem eigentlichen Werkzeug, der Schaufel 3. Das Heben oder Senken der Schwinge 2 erfolgt durch entsprechende Ansteuerung des Arbeitszylinders 4 .
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Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Hydraulikanschlüsse des Arbeitszylinders 4, symbolisiert durch die Hydraulikkupplungen 5 und 6, nicht an das Hydrauliksystem der Arbeitsmaschine, in diesem Fall ein Traktor, angeschlossen. Die Schaufel 3 wird über ein Hilfsgestänge 7 am Gelenk 8 von der Kolbenstange des Arbeitszylinders 10 um den Drehpunkt 9 in der Schwinge 2 geschwenkt. Der Arbeitszylinder 10 hat auf der Gegenseite mit dem Gelenk 15 sein Widerlager an der Schwinge 2 . Der Arbeitszylinder 10 ist über die Hydraulikkupplungen 11 und 12 sowie die Hydraulikleitungen 13 und 14 an den Arbeitsanschlüssen eines elektrohydraulisch betätigten Proportionalwegeventils 20 hydraulisch angeschlossen. Die Funktion des Proportionalwegeventils 20 geht aus der vereinfachten Symboldarstellung hervor und braucht dem Fachmann nicht weiter erläutert werden. Ebenso ist die mit P bezeichnete Druckversorgung in der vereinfachten Darstellung ausreichend zur Erläuterung der prinzipiellen Funktion des Standes der Technik. Die Sollwertvorgabe für das Proportionalwegeventil 20 erfolgt in diesem Beispiel über den Joystick 21. Die elektrische Verbindung zum Proportionalwegeventil 20 ist über die Steuerleitungen 22 und 23 realisiert. Der Joystick beinhaltet bekanntermaßen einen elektronischen Verstärker und die notwendige Stromversorgung, was in der Skizze ebenfalls vereinfachend nicht dargestellt ist.
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Der Handhebel 24 des Joysticks 21 ist üblicherweise in der gezeichneten Mittelstellung federzentriert und kann max. um die Winkel +α2 und -α2 aus der Mittellage geschwenkt werden Entsprechend dem Schwenkwinkel α erhält das Proportionalwegeventil 20 einen entsprechenden Öffnungsbefehl und verbindet z. B. bei +a die Versorgung P mit dem Zylinderboden und die Kolbenstangenseite des Arbeitszylinders 10 mit dem Tank, sodass der Kolben des Arbeitszylinders 10 ausfährt und dadurch die Schaufel 3 nach unten verschwenkt. Bei Sollwerteingabe in Richtung -α verläuft der Vorgang umgekehrt und die Schaufel 3 wird nach oben verschwenkt. Die Verstellgeschwindigkeit ist durch die Öffnungsposition des Proportionalwegeventiles 20 und somit vom Schwenkwinkel α der Sollwerteingabe bestimmt und bleibt solange konstant, solange der Winkel α nicht verändert wird, max. bis zum mechanischen Hubende der Kolbenstange im Arbeitszylinder 10 .
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Das Diagramm 30 in 1 verdeutlicht die Wirkungsweise der bisher üblichen, geschwindigkeitsbasierten Verstellung eines Arbeitszylinders über vorgeschaltete Proportional-Wegeventile: Dargestellt ist die Verstellzeit t über dem Hub H des Arbeitszylinders 10 bzw. dem Weg des Gelenkpunktes 8 als Teil der Kolbenstange in Abhängigkeit der Verstellgeschwindigkeit v. Ein Joystick 21 hat in dieser Anwendung üblicherweise eine federzentrierte Mittelstellung, sodass der Handhebel 24 wie gezeichnet in der Ruheposition in der Mitte steht. In dieser Stellung ist auch das Sollwertsignal des Sollwertgebers 21 gleich 0 und das Proportionalwegeventil 20 steht damit auch in seiner federzentrierten Mittelstellung und sperrt die hydraulischen Anschlüsse des Arbeitszylinders 10 vom Zu- und Abfluss der Ölversorgung P. Der Gelenkpunkt 8 steht in einer zufälligen Position, resultierend aus der zuletzt durchgeführten Arbeitsbewegung. Eine neue, vom Bediener gewünschte Position des Gelenkpunktes 8 und damit die neue Schaufelposition, wird durch Schwenken des Hebels 24 des Sollwertstellers 21 in der dazu erforderlichen Richtung, analog zur erforderlichen Bewegungsrichtung des Gelenkpunktes 8 angefahren, mit einer Geschwindigkeit v entsprechend der Winkelstellung α. Es besteht also keine Zuordnung der Hebelstellung 24 zur Position der Schaufel 3. Der Diagrammnullpunkt kann in jedem Punkt des Gesamthubes des Gelenkpunktes 8 liegen, d. h. für den Bediener besteht die Aufgabe, seine Wunschposition als neuen Nullpunkt aus einer erfahrungsgemäß günstig gewählten Verstellgeschwindigkeit +v oder -v anzufahren und rechtzeitig wieder auf v = 0 am Sollwertgeber 21 zurückzustellen, um die Wunschposition möglichst exakt zu erreichen. Verstellt er mit zu hoher Geschwindigkeit, z. B. + -v2, so wird die Wunschposition überfahren und er muss zurück korrigieren, verstellt er mit geringer Geschwindigkeit, z. B. + -v1, so wird der Arbeitsfluss ebenfalls behindert.
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Ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ist in 2 dargestellt. Zur besseren Vergleichbarkeit ist ebenfalls das Beispiel eines Frontladers, wie bei 1, gewählt. Am Frontlader selber ist nur eine, aber eine wesentliche, Änderung vorgenommen, und zwar der Ersatz des Arbeitszylinders 10 durch einen autarken, weggeregelten Arbeitszylinder 40. Der mechanische Anbau und daraus folgend der Kolbenstangenhub und die Kraftwirkung sind gleich dem Arbeitszylinder 10. Ein autarker, weggeregelter Arbeitszylinder 40 ist ein Arbeitszylinder mit elektrischer Ansteuerung und integrierter Lageregelung, d. h. jede beliebige Hubposition kann mittels elektr. Signalgabe (Sollwert) angefahren werden und wird unabhängig von äußeren Kräften in dieser Position (Istwert) gehalten.
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Die Ansteuerung erfolgt über elektrische Signalleitungen 41 von einem Sollwertsteller 50 direkt zum elektrischen Anschluss 42 an dem autarken, weggeregelten Arbeitszylinder 40. Andere bekannte Bezeichnungen für eine autarke, weggeregelte Zylindereinheit 40 sind elektrohydraulischer Servozylinder, Proportionalzylinder oder auch elektrohydraulische, proportionale Lineareinheit. Alle diese Zylinderbaugruppen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie keine vorgeschalteten, separaten Proportionalwegeventile 20 benötigen, da die Weg-Regelfunktionen je nach Ausführung, elektrisch, mechanisch wie hydraulisch in die Gesamtbaugruppe 40 integriert sind. Die hydraulischen Anschlüsse 43 und 44 sind über die Hydraulikleitungen 45 und 46 direkt mit dem Tank und der Druckversorgung P verbunden.
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Der Sollwertsteller 50 ist in einer ersten Ausführung, im Gegensatz zum Joystick 21, ohne Federzentrierung bzw. Federrückstellung ausgeführt, kann aber ebenfalls die Stromversorgung und den elektronischen Verstärker enthalten. Der Handhebel 51 zur Sollwerteingabe bleibt in der angewählten Stellung stehen, unterstützt durch einen gezielt eingebauten Reibungswiderstand in der mechanischen Anordnung des Handhebels 51. Der Handhebel 51 kann also in jede beliebige Stellung, bis zur maximalen Auslenkung 51.2 gebracht werden, bzw. in einem Winkelbereich von α = 0 bis αmax. verschwenkt werden. Zur Erklärung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Anordnung dient das Diagramm 60. Hierin ist die Verstellgeschwindigkeit v über dem Gesamthub H des autarken, weggeregelten Arbeitszylinders 40 dargestellt. Dabei ist zwischen der H-Achse und dem Verstellwinkel α ein proportionaler Zusammenhang, d. h. H ~ α bzw. H ist proportional α! Somit entspricht die momentane Winkelstellung von Hebel 51 , zwischen α = 0 und αmax, einer analogen Kippstellung der Schaufel 3. Bei Winkelstellung α= 0 am Sollwertsteller 50 steht die Schaufel 3 in der oberen End-Position 3.1 und bei Winkelstellung αmax, Handhebel Stellung 51.2 steht die Schaufel 3 in der unteren End-Position 3.2. Das Diagramm 60 bildet also mit der Abszisse den gesamten Hubbereich H des autarken, weggeregelten Arbeitszylinders 40 und somit den gesamten Schwenkbereich der Schaufel 3 ab. Die Verstellgeschwindigkeit bzw. Schwenkgeschwindigkeit der Schaufel 3 wird durch die manuelle Schwenk-Bewegungsgeschwindigkeit am Handhebel 51 durch den Bediener vorgegeben, beispielhaft mit v1, v2 und v3 symbolhaft dargestellt, - solange die Leistungsfähigkeit, Ölstrom und Druck der Druckversorgung P für den aktuellen Belastungsfall zur Versorgung des autarken, weggeregelten Arbeitszylinders 40 ausreichend ist. Wird die Leistungsfähigkeit der Druckversorgung P durch zu schnelles Verstellen der Sollwertvorgabe überschritten, so wird der autarke, weggeregelte Arbeitszylinder 40 dennoch die vorgewählte Sollposition entsprechend der Stellung des Sollwerthebels 51 einnehmen, in diesem Fall mit einem anlagenbedingten, geringen Zeitverzug. Bei Krafteinwirkung von außen, z. B. auf die Schaufel 3, wird die interne Lageregelung des autarken, weggeregelten Arbeitszylinders 40 eine eventuell dadurch verursachte Lageveränderung sofort wieder auf den noch unverändert anstehenden Sollwert ausregeln, sodass der Bediener selbst nicht korrigieren muss.
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Aus der vorstehenden Beschreibung der Erfindung ist erkennbar, dass damit intuitive Maschinenbedienungen ermöglicht werden, das sind Bedienungsmöglichkeiten, die dem menschlichen Empfinden und Bewegungsablauf entsprechen. Damit ist das Arbeiten mit solchen Arbeitsmaschinen wesentlich erleichtert und nicht mehr so ermüdend wie beim bisherigen Stand der Technik. Es ist ein zügiges Arbeiten, ohne Unterbrechungen durch Nachkorrekturen, durchführbar.
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In weiteren Ausführungen der Erfindung ist es möglich den Sollwertsteller mit Rastpunkten für Vorzugsstellungen des Arbeitswerkzeuges auszustatten, weiterhin besteht die Alternative einer Federrückstellung des Sollwerthebels 5, um eine bevorzugte Endstellung des Werkzeuges, bei Nichtbetätigung des Sollwertstellers 5, zu erhalten.
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Die Beschreibung und Erklärung der Erfindung wurde auf die Darstellung der präzisen und kontrollierten Ansteuerung einer sogenannten hydraulischen Achse konzentriert, es ist aber möglich, das Prinzip des autarken, wegabhängig geregelten Arbeitszylinders auch auf weitere hydraulische Achsen einer Arbeitsmaschine auszuweiten, um, je nach Anwendungsfall, die Vorteile einer intuitiven Bedienung für noch weitere Maschinenfunktionen auszunutzen.
