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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und Regelung der Höhe
eines beweglichen Bauteils einer Arbeitsmaschine. Sie betrifft weiter eine
Arbeitsmaschine mit einem Basisbauteil und einem beweglichen, höhenverstellbaren
Bauteil. Eine solche Arbeitsmaschine kann beispielsweise ein Gabelstapler
oder eine Maschine mit einem Kran, einem höhenverstellbaren
Arm, Ausleger oder einer Hebebühne sein.
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Solchen
Arbeitsmaschinen ist gemeinsam, dass mit dem beweglichen Bauteil
eine vorbestimmte Höhe angefahren werden soll. Dafür
ist eine Messung der aktuellen Höhe des beweglichen Bauteils über
einem Referenzpunkt, typischerweise dem Böden, erforderlich.
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Dazu
sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, beispielsweise
der Einsatz eines Seilzugpotentiometers. Diese Lösung erfordert
allerdings eine aufwendige Verlegung des Seiles und ist verhältnismäßig
störanfällig.
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Die
DE 101 53 531 A1 beschreibt
eine Radarmessung zur Erfassung der Hubhöhe. Radarmessungen
sind jedoch wie ebenfalls vorgeschlagene Laser- oder Ultraschallmessungen
verhältnismäßig aufwendig und zudem anfällig
gegenüber Störungen wie Verschmutzungen bzw. Signalverwehung.
Ebenso ist die Kameraüberwachung der Hubhöhe störanfällig,
aufwendig und zudem kaum automatisierbar.
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Aus
der
DE 101 53 529
A1 und der
US 5,307,698
A ist die Nutzung des Drucks in hydraulischen Vorrichtungen
bzw. in einem flüssigkeitsgefüllten Messschlauch
zur Höhenmessung bekannt. Diese Lösungen erfordern
das Vorhandensein der hydraulischen Vorrichtung oder die aufwendige
und störende Verlegung eines separaten Schlauches. Sie sind
daher nicht für alle Anwendungen einsetzbar und zudem nicht
gut nachrüstbar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Messung der Höhe
eines beweglichen Bauteils einer Arbeitsmaschine anzugeben, das
besonders prozesssicher und robust und zudem kostengünstig
ist.
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Darüber
hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Arbeitsmaschine mit einer besonders zuverlässigen und technisch
wenig aufwendigen Einrichtung zur Messung der Höhe eines
beweglichen Bauteils der Arbeitsmaschine anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Messung der Höhe
h1 eines zumindest in vertikaler Richtung
beweglichen Bauteils einer Arbeitsmaschine, wobei das bewegliche
Bauteil einen ersten Beschleunigungssensor zur Messung einer vertikalen
Beschleunigung und ein Basisbauteil der Arbeitmaschine einen Referenzpunkt
für den ersten Beschleunigungssensor aufweisen, umfasst
folgende Schritte: Die vertikale Beschleunigung des beweglichen
Bauteils durch den ersten Beschleunigungssensor wird kontinuierlich
gemessen, wobei unter einer „kontinuierlichen" Messung
hier auch Messungen mit diskreten Zeitabständen verstanden
werden, deren Zeitabstände klein genug sind, um für
die spezielle Anwendung die Bereitstellung ausreichend dichter Messwerte
zu erlauben.
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Aus
der gemessenen vertikalen Beschleunigung wird durch zweimalige Integration
die vertikale Position des beweglichen Bauteils ermittelt, wobei das
bewegliche Bauteil zumindest zu einem Zeitpunkt der Messung eine
Referenzposition einnimmt, in der der erste Beschleunigungssensor
eine definierte Lage relativ zu dem Referenzpunkt aufweist. Auf
diese Weise werden definierte Anfangs- oder Randbedingungen zur
Bestimmung der Integrationskonstanten geschaffen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren hat unter anderem den
Vorteil, dass auf störende Konstruktionen wie Seile oder
Schläuche an der Arbeitsmaschine verzichtet werden kann.
Bei Arbeitsmaschinen wie Gabelstaplern unvermeidbare Verschmutzungen beeinflussen
die Messung nicht. Zudem sind die Beschleunigungsmesser leicht montierbar
und können daher auch einfach nachgerüstet und
gewartet werden.
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In
einer Ausführungsform nimmt das bewegliche Bauteil zumindest
zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Arbeitsmaschine die Referenzposition ein.
Das bewegliche Bauteil kann auch zumindest in regelmäßigen
Zeitabständen während des Betriebs der Arbeitsmaschine
die Referenzposition einnehmen. Falls diese Zeitabstände
klein genug gewählt werden, kann auf einen Beschleunigungssensor
mit einer besonders hohen Messgenauigkeit verzichtet werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform misst zusätzlich
ein zweiter Beschleunigungssensor, der ortsfest zum Basisbauteil
der Arbeitsmaschine angeordnet ist, kontinuierlich eine vertikale
Beschleunigung des Basisbauteils. Der zweite Beschleunigungssensor,
der beispielsweise im Fall eines Gabelstaplers auf oder an der Fahrerkabine
angeordnet sein kann, hat die Aufgabe, vertikale Bewegungen der
gesamten Arbeitsmaschine nachzuvollziehen. Solche vertikalen Bewegungen
der gesamten Arbeitsmaschine können beispielsweise dadurch
zustande kommen, dass die Arbeitsmaschine über eine Rampe
oder einen Lastenaufzug auf eine andere Ebene verfahren wird, und
sollen nicht in die Hubhöhenmessung durch den ersten Beschleunigungssensor
eingehen.
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Für
eine Korrektur der Hubhöhe wird daher in einer Ausführungsform
des Verfahrens das durch den zweiten Beschleunigungssensor gemessene
Signal von dem durch den ersten Beschleunigungssensor gemessenen
Signal abgezogen, bevor oder nachdem die zweimalige Integration
der gemessenen vertikalen Beschleunigung zur Ermittlung der vertikalen
Position des beweglichen Bauteils vorgenommen wird. Auf diese Weise
wird als Hubhöhe lediglich die Höhe des beweglichen
Bauteils relativ zu einem Bezugspunkt des Basisbauteils detektiert,
und nicht die absolute Höhe des Basisbauteils.
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In
einer Ausführungsform wird das Erreichen der Referenzposition
durch das bewegliche Bauteil durch einen Kontaktschalter erfasst.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Übertragung
von Signalen vom ersten und/oder zweiten Beschleunigungssensor zu
einer Recheneinheit zur Berechnung der Höhe durch ein Kabel.
Dies hat den Vorteil, dass die Übertragung besonders wenig
störanfällig ist.
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Alternativ
kann die Übertragung jedoch auch drahtlos erfolgen. Dabei
ist vorteilhaft, dass kein eventuell störendes Kabel für
die Übertragung vorgesehen sein muss. Stattdessen kann
die Übertragung per Funk erfolgen, z. B. mittels einer
drahtlosen Funkvernetzung nach dem Industriestandard IEEE 802.15.1
"Bluetooth".
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung der Höhe
eines beweglichen Bauteils einer Arbeitsmaschine umfasst folgende
Schritte: Es wird ein Sollwert hsoll für
die Höhe des beweglichen Bauteils als Führungsgröße
vorgegeben. Außerdem wird ein Istwert hist der
Höhe des beweglichen Bauteils als Regelgröße
nach dem beschriebenen Verfahren für die Bestimmung der
Höhe bestimmt. Anschließend erfolgt ein Vergleich
des Istwertes der Höhe mit dem Sollwert und eine Angleichung
des Istwerts an den Sollwert durch Verfahren des beweglichen Bauteils.
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Eine
erfindungsgemäße Arbeitsmaschine mit einem Basisbauteil
und einem beweglichen Bauteil umfasst eine Einrichtung zur Bestimmung
einer Höhe h1 des beweglichen Bauteils.
Die Einrichtung zur Bestimmung der Höhe weist einen ersten
Beschleunigungssensor zur Messung einer vertikalen Beschleunigung
des beweglichen Bauteils und eine Recheneinheit zur Berechnung der
Höhe h1 des beweglichen Bauteils
durch zweimalige Integration der gemessenen vertikalen Beschleunigung
des beweglichen Bauteils. Dabei ist das bewegliche Bauteil in eine
Referenzposition bewegbar, in der der erste Beschleunigungssensor
eine definierte Lage relativ zu einem Referenzpunkt aufweist.
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Vorteilhafterweise
weist die Arbeitsmaschine einen durch die Lage des beweglichen Bauteils
in einer Referenzposition betätigbaren Kontaktschalter auf.
Der Kontaktschalter wird durch die Ankunft des beweglichen Bauteils
in der Referenzposition betätigt und der Aufenthalt des
beweglichen Bauteils in der Referenzposition wird an die Recheneinheit
weitergegeben. Es ist auch möglich, mithilfe eines oder mehrerer
Kontaktschalter die Geschwindigkeit des beweglichen Bauteils beim
Durchgang durch eine Referenzposition zu erfassen.
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In
einer Ausführungsform weist die Arbeitsmaschine zusätzlich
einen zweiten Beschleunigungssensor auf, der ortsfest zum Basisbauteil
der Arbeitsmaschine angeordnet und für eine kontinuierliche
Messung der vertikalen Beschleunigung des Basisbauteils ausgelegt
ist. Der zweite Beschleunigungssensor erlaubt die Korrektur der
durch den ersten Beschleunigungssensor gemessenen Höhe
auf Änderungen der vertikalen Position der gesamten Arbeitsmaschine.
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In
einer Ausführungsform weist die Arbeitsmaschine eine Übertragungseinrichtung
zur Übertragung von Signalen vom ersten und/oder zweiten
Beschleunigungssensor zu einer Recheneinheit auf. In einer Ausführungsform
ist die Übertragungseinrichtung für die drahtlose Übertragung
der Signale ausgelegt.
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Dabei
ist es jedoch vorteilhaft, wenn das Messsignal der Beschleunigungssensoren
bereits vor der Übertragung durch den Integrationsschritt bzw.
die beiden Integrationsschritte verarbeitet wird. Dazu kann ein
die entsprechende Recheneinheit bildender Integrator jeweils beim
Beschleunigungssensor angeordnet bzw. mit dem Beschleunigungssensor
zusammen in ein Bauteil integriert sein. In diesem Fall werden die
bereits integrierten Messwerte zu einer weiteren Recheneinheit übertragen,
die die Korrektur der Höhe des beweglichen Bauteils auf
die Höhe der Arbeitsmaschine selbst vornimmt.
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Insbesondere,
wenn eine drahtlose Signalübertragung vorgesehen ist, weist
das bewegliche Bauteil vorteilhafterweise einen Energiespeicher,
beispielsweise einen Akkumulator, für den Betrieb des ersten
Beschleunigungssensors und/oder der Übertragungseinrichtung
auf. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Energiespeicher
in der Referenzposition des beweglichen Bauteils aufladbar.
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Die
Referenzposition ist besonders als „Aufladeposition" für
den Energiespeicher geeignet, weil sie in endlichen Zeitabständen,
zumindest bei der Inbetriebnahme der Arbeitsmaschine oder während des
Betriebs, angefahren wird. Dies kann die oder eine Referenzposition
oder auch eine Ruhestellung des beweglichen Bauteils sein, unter
Umständen ist es auch besonders vorteilhaft, wenn Referenzposition
und Ruhestellung übereinstimmen. Beispielsweise kann es
bei einem Gabelstapler vorgesehen sein, dass als Referenzposition
der Gabel ihre nahezu auf Bodenniveau abgesenkte Position dient.
Diese Position wird durch die Gabel beispielsweise auch eingenommen,
wenn der gesamte Gabelstapler verfahren wird oder wenn er nicht
in Betrieb ist; sie wird somit häufig angefahren und eignet
sich zum Aufladen der Energiespeicher.
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Die
Erfindung ist in Arbeitsmaschinen verschiedener Art verwendbar,
die ein bewegliches und insbesondere höhenverstellbares
Bauteil aufweisen. Die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine
kann insbesondere als Gabelstapler ausgebildet sein. Das bewegliche
Bauteil kann jedoch alternativ auch als Hebebühne ausgebildet
sein.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten
Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch eine Arbeitsmaschine gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung und
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2 zeigt
einen Regelkreis zur Regelung der Höhe eines beweglichen
Bauteils der Arbeitsmaschine gemäß 1.
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1 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine,
die in der dargestellten Ausführungsform ein Gabelstapler 1 ist.
Der Gabelstapler 1 weist ein Basisbauteil 2 auf,
das auf dem Boden 15 steht. Er weist weiter ein bewegliches
Bauteil auf, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine
Gabel 3 ist. Die Gabel 3 ist höhenverstellbar
an dem als Schubmast ausgebildeten Mast 4 gelagert und
umfasst eine Ladefläche 5 für eine zu
hebende Last.
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An
der Gabel 3 ist in einem ersten Bezugspunkt P1 ein
Sensorbauteil mit einem ersten Beschleunigungssensor 6 vorgesehen,
der zusammen mit der Gabel 3 höhenverstellbar
ist und mit dem kontinuierlich und/oder in bestimmten Zeitabständen
die vertikale Beschleunigung der Gabel 3 messbar ist. Das
Sensorbauteil umfasst weiterhin einen nicht dargestellten Integrator
zur zweimaligen Integration des Messsignals des ersten Beschleunigungssensors 6.
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Im
bodennahen Bereich des Mastes 4 ist in einem zweiten Bezugspunkt
P2 ein zweiter Beschleunigungssensor 7 vorgesehen,
der fest am Mast 4 montiert und somit nicht höhenverstellbar
ist. Der zweite Beschleunigungssensor 7 dient als Referenzwertgeber
für den ersten Beschleunigungssensor 6. Falls
der zweite Beschleunigungssensor 7 eine von Null verschiedene
vertikale Beschleunigung misst, ist dies zwangsläufig darauf
zurückzuführen, dass die gesamte Arbeitsmaschine 1 eine
vertikale Beschleunigung erfährt, beispielsweise bei einer
Fahrt über eine Rampe. Eine solche vertikale Beschleunigung der
gesamten Arbeitsmaschine soll jedoch nicht in die Hubhöhenmessung
eingehen. Der unerwünschte Beitrag kann mit Hilfe des gegebenenfalls
bereits zweimal integrierten Messsignals des zweiten Beschleunigungssensors
aus dem gegebenenfalls zweimal integrierten Messsignal des ersten
Beschleunigungssensors herausgerechnet werden.
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Am
Mast 4 ist in einem dritten Bezugspunkt P3 ein
Kontaktschalter 16 vorgesehen. Er befindet sich in einer
bekannten Höhe h3 und wird durch
die Gabel 3 ausgelöst in dem Moment, in dem h1 = h3 gilt, sich
die Gabel 3 also genau auf Höhe des Kontaktschalters 16 befindet.
Somit nimmt die Gabel 3 zu bestimmten Zeitpunkten jeweils
die genau definierte Referenzhöhe h3 ein,
was die Bestimmung der erforderlichen Integrationskonstanten ermöglicht.
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In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Arbeitsmaschine
ein Gabelstapler 1, mit dem beispielsweise Lasten auf eine
bestimmte Höhe angehoben oder aus einer bestimmten Höhe
abgesenkt werden sollen. Dazu kann ein Fahrer des Gabelstaplers 1 erfindungsgemäß eine
gewünschte Höhe h1 vorgeben,
die angefahren werden soll. Die gewünschte Höhe
h1 wird dann, wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben,
als Sollwert einer Regelung der Höhe zugrundegelegt.
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Möchte
der Fahrer des Gabelstaplers 1 keine feste Höhe
h1 für die Gabel 3 vorgeben,
so kann er die Gabel 3 auch manuell betätigen
und sich die aus den Beschleunigungsmessungen berechnete Höhe h1 beispielsweise auf einem Display ausgeben
lassen.
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2 zeigt
beispielhaft einen Regelkreis 8 zur Regelung der Höhe
eines beweglichen Bauteils der Arbeitsmaschine, beispielsweise der
Höhe der Gabel 3 des Gabelstaplers 1 gemäß 1.
Durch den Fahrer oder den Bediener der Arbeitsmaschine oder auch
durch eine automatische Bedienung wird der Sollwert hsoll für
die Höhe h1 vorgegeben und dient als
Führungsgröße in dem Regelkreis 8.
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Ein
Lageregler 13 wird mit der Differenz aus dem Sollwert hsoll und dem bestimmten Istwert hist beaufschlagt. Sein Ausgangssignal wird
auf eine Einrichtung zur Höhenvariation 10 der
Gabel 3 gegeben, die beispielsweise bei einer hydraulisch
betätigbaren Gabel 3 ein Proportionalventil eines
Hubzylinders sein kann. Neben der automatischen Regelung der Gabelhöhe
ist auch eine manuelle Bedienung 14 vorgesehen, die alternativ
oder ergänzend z. B. zur Nachkorrektur einsetzbar ist.
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Die
Einrichtung zur Höhenvariation 10 stellt eine
Gabelhöhe 9 ein. Zur Ermittlung der Gabelhöhe 9 werden
Beschleunigungsmessungen 11 durchgeführt, deren
Er gebnis zumindest der Messwert a(t1) ist.
Aus diesen Messwerten wird mit Hilfe einer zweimaligen Integration
durch die Recheneinheit 12 der Istwert hist der
Gabelhöhe ermittelt, wobei durch Anfahren der Referenzhöhe
h3 durch die Gabel 3 die Integrationskonstanten
bestimmt werden. Der Istwert hist der Gabelhöhe
wird zur Bildung der Differenz aus dem Sollwert hsoll und
dem bestimmten Istwert hast als Eingangssignal für den
Lageregler verwendet.
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Die
Recheneinheit 12 kann mit weiteren Messwerten beaufschlagt
werden (nicht dargestellt), um eine Korrektur des ermittelten Istwertes
hist auf Größen wie eine
vertikale Beschleunigung des gesamten Gabelstaplers vorzunehmen
und somit die Qualität der Höhenermittlung zu
verbessern.
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- 1
- Gabelstapler
- 2
- Basisbauteil
- 3
- Gabel
- 4
- Mast
- 5
- Ladefläche
- 6
- erster
Beschleunigungssensor
- 7
- zweiter
Beschleunigungssensor
- 8
- Regelkreis
- 9
- Gabelhöhe
- 10
- Einrichtung
zur Höhenvariation
- 11
- Beschleunigungsmessungen
- 12
- Recheneinheit
- 13
- Lageregler
- 14
- manuelle
Bedienung
- 15
- Boden
- 16
- Kontaktschalter
- h1
- Höhe
des ersten Bezugspunkts
- h2
- Höhe
des zweiten Bezugspunkts
- h3
- Höhe
des dritten Bezugspunkts
- P1
- erster
Bezugspunkt
- P2
- zweiter
Bezugspunkt
- P3
- dritter
Bezugspunkt
- hsoll
- Sollwert
für die Gabelhöhe
- hist
- Istwert
der Gabelhöhe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10153531
A1 [0004]
- - DE 10153529 A1 [0005]
- - US 5307698 A [0005]