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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung ist auf eine Maschine mit einem Schildpositionierungssystem
gerichtet und insbesondere auf ein automatisiertes Schildpositionierungssystem
mit Neigungs- und Höhensteuerung.
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Hintergrund
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Motorgrader
bzw. Straßenhobel werden in erster Linie als Endbearbeitungswerkzeuge
verwendet, um eine Oberfläche einer Baustelle zu einer
endgültigen Form und Kontur zur formen. Typischerweise
weisen Motorgrader viele von Hand betätigte Steuerungen
auf, um die Räder des Graders zu lenken, um ein Schild
zu positionieren und um den vorderen Rahmen des Graders gelenkartig
zu bewegen. Das Schild ist einstellbar an dem vorderen Rahmen montiert,
um relativ kleine Mengen an Erde von Seite zu Seite zu bewegen.
Zusätzlich wird die Gelenkbewegung des vorderen Rahmens
durch Drehen des vorderen Rahmens des Graders relativ zum hinteren Rahmen
des Graders eingestellt.
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Um
eine letztendliche Oberflächenkontur zu erzeugen, können
das Schild und der Rahmen auf viele unterschiedliche Positionen
eingestellt werden. Das Positionieren des Schildes eines Motorgraders ist
eine komplexe und zeitaufwändige Aufgabe. Insbesondere
können Betriebsvorgänge, wie beispielsweise die
Steuerung von Oberflächenhöhen, Winkeln und Schnitttiefen
einen beträchtlichen Anteil der Achtsamkeit des Bedieners
erfordern. Solche Anforderungen, die an den Bediener gestellt werden,
können bewirken, dass andere für den Betrieb des
Motorgraders notwendige Aufgaben vernachlässigt werden.
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Ein
Weg, um die Bedienersteuerung zu vereinfachen ist, eine autonome
Steuerung des Schildes vorzusehen. Ein Beispiel ist in
US-Patent 5 764 511 (dem '511-Patent)
zu finden, das an Henderson am 9. Juni 1998 erteilt wurde. Das '511-Patent
offenbart einen Motorgrader bzw. Straßenhobel mit einem
System zur au tomatischen Steuerung der Position eines Schildes.
Insbesondere steuert der Motorgrader automatisch die Neigung des
Schnittes bzw. Schubes relativ zu einer geographischen Oberfläche.
Ein GPS-System und/oder eine Reihe von Sensoren wird bzw. werden
verwendet, um die Relativposition einer linken unteren Kante und
einer rechten unteren Kante des Schildes relativ zu einer erwünschten
Schnittebene bzw. Schubebene zu bestimmen. Eine Steuervorrichtung
analysiert die abgefühlten Positionsdaten und bewegt automatisch
die jeweiligen Kanten des Schildes zu einer erwünschten
Position, um eine spezielle Neigung des Schnittes zu erzeugen.
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Obwohl
das System des '511-Patentes autonom die Neigung eines Schnittes
bzw. eine Schubes steuern kann, kann die Bedienung des Schildes
immer noch einen beträchtlichen Anteil der Achtsamkeit des
Bedieners erfordern. Insbesondere kann das System des '511-Patentes
nicht mit dem Schnitt bzw. Schub in Beziehung stehende Fehlfunktionen
vorhersehen. Weiterhin kann das System nicht automatisch eine Handlung
unternehmen um solche Fehlfunktionen zu verhindern. Die Verantwortlichkeit
für die Voraussicht und das Verhindern von solchen Fehlfunktionen
kann immer noch dem Bediener zufallen und derartige Achtsamkeit
erfordern, dass andere Aufgaben vernachlässigt werden könnten,
die für den Betrieb des Motorgraders erforderlich sind.
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Das
offenbarte System ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben
dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt ist die Offenbarung auf ein Arbeitswerkzeugpositionierungssystem
gerichtet. Das System weist mindestens eine Betätigungsvorrichtung
auf, um eine Bewegung einer Arbeitsmaschine auszuführen.
Zusätzlich weist das System mindestens einen Sensor auf,
der mit der mindestens einen Betätigungsvorrichtung assoziiert
ist und konfiguriert ist, um mindestens einen Parameter abzufühlen,
der eine Orientierung in eine Position des Arbeitswerkzeuges anzeigt.
Das System weist auch weiter mindestens einen Bodenneigungssensor
auf, der konfi guriert ist, um einen Parameter abzufühlen, der
eine Neigung einer Oberfläche des Bodens anzeigt. Das System
weist weiter eine Steuervorrichtung auf, die konfiguriert ist, um
automatisch die Orientierung einzustellen und das Arbeitswerkzeug
ansprechend auf Daten zu positionieren, die von dem mindestens einen
Sensor und dem mindestens einen Bodenneigungssensor empfangen wurden.
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In Übereinstimmung
mit einem weiteren Aspekt der Offenbarung ist ein Verfahren vorgesehen um
ein Arbeitswerkzeug einer Maschine zu bewegen und zu orientieren.
Das Verfahren weist auf, mindestens einen Parameter abzufühlen,
der eine Orientierung und eine Position eines Arbeitswerkzeugs anzeigt.
Zusätzlich weist das Verfahren auf, mindestens einen Parameter
abzufühlen, der eine Neigung des Bodens anzeigt. Das Verfahren
weist weiter auf, automatisch die Orientierung und die Position
des Arbeitswerkzeuges ansprechend auf die abgefühlte Orientierung
und Position des Arbeitswerkzeuges und die Neigung des Bodens zu
modifizieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine bildliche Darstellung eines beispielhaften Motorgraders gemäß der
vorliegenden Offenbarung;
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2 ist
ein Blockdiagramm eines beispielhaften Schildpositionierungssystems
für den Motorgrader der 1;
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3 ist
eine schematische Abbildung eines beispielhaften Arbeitsgeländes;
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3A ist
eine weitere beispielhafte Abbildung eines beispielhaften Arbeitsgeländes
der 3;
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4 ist
eine schematische Abbildung eines weiteren beispielhaften Arbeitsgeländes;
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5 ist
eine grafische Darstellung einer beispielhaften Schildsteuerstrategie;
und
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6 ist
ein Flussdiagramm eines beispielhaften offenbarten Verfahrens zur
Bewegung eines Schildes des Motorgraders der 1.
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Detaillierte Beschreibung
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Ein
beispielhaftes Ausführungsbeispiel einer Maschine 10 ist
in 1 veranschaulicht. Die Maschine 10 kann
ein Motorgrader bzw. Straßenhobel, ein Baggerlader, ein
Ackerbautraktor, ein Radlader, ein differenzialgelenkter Lader bzw.
Kompaktlader oder irgendeine andere Bauart einer Maschine sein, die
in der Technik bekannt ist. Die Maschine 10 kann eine lenkbare
Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung 12, eine angetriebene
Traktions- bzw. Antriebsvorrichtung 14, eine Leistungsquelle 16,
die von der angetriebenen Traktionsvorrichtung 14 getragen
wird, und einen Rahmen 18 aufweisen, der die lenkbare Traktionsvorrichtung 12 mit
der angetriebenen Traktionsvorrichtung 14 verbindet. Die
Maschine 10 kann auch ein Arbeitswerkzeug aufweisen, wie
beispielsweise eine Zugstangen-Kreis-Formplatten-Anordnung (DCM-Anordnung) 20,
eine Bedienerstation 22 und ein Schildsteuersystem 24.
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Sowohl
die lenkbaren als auch die angetriebenen Traktionsvorrichtungen 12, 14 können
ein oder mehrere Räder aufweisen, die auf jeder Seite der
Maschine 10 gelegen sind (wobei nur eine Seite gezeigt
ist). Die Räder können zur Anwendung während
des Lenkens und Nivellierens einer (nicht gezeigten) Arbeitsoberfläche
drehbar und/oder kippbar sein. Alternativ können die lenkbaren
und/oder angetriebenen Traktionsvorrichtungen 12, 14 Raupen, Riemen
oder andere Traktionsvorrichtungen aufweisen, die in der Technik
bekannt sind. Die lenkbaren Traktionsvorrichtungen 12 können
auch angetrieben sein, während die angetriebenen Traktionsvorrichtungen 14 auch
lenkbar sein können oder nicht. Der Rahmen 18 kann
die lenkbare Traktionsvorrichtung 12 mit der angetriebenen
Traktionsvorrichtung 14 beispielsweise durch eine Gelenkverbindung 26 verbinden.
Weiterhin kann bewirkt werden, dass die Maschine 10 die
lenkbare Traktionsvorrichtung 12 relativ zur angetriebenen
Traktionsvorrichtung 14 über die Gelenkverbindung 26 abknickt.
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Die
Leistungsquelle 16 kann einen (nicht gezeigten) Motor aufweisen,
der mit einem (nicht gezeigten) Getriebe verbunden ist. Der Motor
kann beispielsweise ein Dieselmotor, ein Benzinmotor, ein Erdgasmotor
oder irgendein anderer in der Technik bekannter Motor sein. Die
Leistungsquelle 16 kann auch eine nicht auf Verbrennung
beruhende Leistungsquelle sein, wie beispielsweise eine Brennstoffzelle,
eine Leistungsspeichervorrichtung oder eine andere in der Technik
bekannte Leistungsquelle. Das Getriebe kann ein elektrisches Getriebe,
ein hydraulisches Getriebe, ein mechanisches Getriebe oder irgendein
anderes in der Technik bekanntes Getriebe sein. Das Getriebe kann
betreibbar sein, um mehrere Ausgangsdrehzahlübersetzungen
zu erzeugen und kann konfiguriert sein, um Leistung von der Leistungsquelle 12 zur
angetriebenen Traktionsvorrichtung 14 mit einem Bereich
von Ausgangsdrehzahlen zu übertragen. Der Rahmen 18 kann
eine Gelenkverbindung 26 aufweisen, die die angetriebene
Traktionsvorrichtung 14 mit dem Rahmen 18 verbindet.
Es kann bewirkt werden, dass die Maschine 10 die lenkbare
Traktionsvorrichtung 12 relativ zur angetriebenen Traktionsvorrichtung 14 über
die Gelenkverbindung 26 abknickt. Die Maschine 10 kann
auch ein Neutralgelenkmerkmal aufweisen, welches, wenn es aktiviert
ist, die automatische Wiederausrichtung der lenkbaren Traktionsvorrichtung 12 relativ
zur angetriebenen Traktionsvorrichtung 14 bewirkt, um zu
bewirken, dass die Gelenkverbindung 26 zur neutralen Gelenkposition
zurückkehrt.
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Der
Rahmen 18 kann auch ein Trägerglied 28 aufweisen,
welches ein fest angeschlossenes Mittenverschiebungsbefestigungsglied 30 trägt.
Das Trägerglied 28 kann beispielsweise ein einzeln
geformter oder zusammengebauter Träger mit einem im Wesentlichen
hohlen quadratischen Querschnitt sein. Der im Wesentlichen hohle
quadratische Querschnitt kann den Rahmen 18 mit einem ziemlich
hohen Trägheitsmoment versehen, welches erforderlich ist,
um in adäquater Weise die DCM-Anordnung 20 (DCM
= drawbar-circle-moldboard = Zugstangen-Kreis-Formplatte) und das
Mittenverschiebungsbefestigungsglied 30 zu tragen. Der
Querschnitt des Trägergliedes 28 kann alternativ
rechteckig, rund, dreieckig oder in irgendeiner anderen geeigneten Form
sein.
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Das
Mittenverschiebungsbefestigungsglied 30 kann ein Paar von
doppelt wirkenden Hydraulikzylindern 32 tragen (wobei nur
einer gezeigt ist), um eine vertikale Bewegung der DCM-Anordnung 20 zu beeinflussen,
weiter einen Mittenverschiebungszylinder 34, um eine horizontale
Bewegung der DCM-Anordnung 20 zu be einflussen, und eine
Zugstange 36, die zwischen einer Vielzahl von vordefinierten
Positionen einstellbar ist. Das Mittenverschiebungsbefestigungsglied 30 kann
an dem Trägerglied 28 angeschweißt sein
oder in anderer Weise fest mit diesem verbunden sein, um indirekt
die Hydraulikzylinder 32 durch ein Paar von Kurbelhebeln 38 zu
tragen, die auch als Hubarme bekannt sind. D. h., die Kurbelhebel 38 können
schwenkbar mit dem Mittenverschiebungsbefestigungsglied 30 entlang
einer horizontalen Achse 40 verbunden sein, während
die Hydraulikzylinder 32 schwenkbar mit den Kurbelhebeln 38 entlang
einer vertikalen Achse 42 verbunden sein können.
Jeder Kurbelhebel 38 kann weiter schwenkbar mit der Verbindungsstange 36 entlang
einer horizontalen Achse 44 verbunden sein. Der Mittenverschiebungszylinder 34 kann
in ähnlicher Weise schwenkbar mit der Verbindungsstange 36 verbunden
sein.
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Die
DCM-Anordnung 20 kann ein Zugstangenglied 46 aufweisen,
welches von dem Trägerglied 28 getragen wird,
und eine (nicht gezeigte) Kugel-Sockel-Verbindung bzw. Kugelgelenkverbindung,
die in der Nähe der lenkbaren Traktionsvorrichtung 12 gelegen
ist. Wenn die Hydraulikzylinder 32 und/oder der Mittenverschiebungszylinder 34 betätigt
werden, kann die DCM-Anordnung 20 um die Kugelgelenkverbindung
schwenken. Eine Kreisanordnung 48 kann mit dem Zugstangenglied 46 über
einen (nicht gezeigten) Motor verbunden sein, um treibend eine Formplattenanordnung 50 mit
einem Schild 52 und Schildpositionierungszylindern 54 zu
tragen. Zusätzlich dazu, dass die DCM-Anordnung 20 sowohl
vertikal als auch horizontal relativ zum Trägerglied 28 positioniert
ist, kann die DCM-Anordnung 20 auch gesteuert werden, um
Kreis- und Formplattenanordnungen 48, 50 relativ
zum Zugstangenglied 46 zu drehen. Das Schild 52 kann
sowohl horizontal als auch vertikal bewegbar sein und relativ zur
Kreisanordnung 48 über Schildpositionierungszylinder 54 orientiert
sein.
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Die
Bedienerstation 22 kann einen Bereich der Maschine 10 verkörpern,
der konfiguriert ist, um einen Bediener aufzunehmen. Die Bedienerstation 22 kann
ein Armaturenbrett 56 und eine Instrumententafel 58 aufweisen,
die Wählschalter und/oder Steuerungen enthält,
um Informationen zu liefern und um die Maschine 10 und
ihre verschiedenen Komponenten zu betreiben.
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Wie
in 2 veranschaulicht, kann das Armaturenbrett 56 ein
Anzeigesystem 60 und eine Anwenderschnittstelle 62 aufweisen.
Zusätzlich kann die Instrumententafel 58 ein Anzeigesystem 64 und eine
Anwenderschnittstelle 66 aufweisen. Die Anzeigesysteme 60 und 64 und
die Anwenderschnittstellen 62 und 66 können
in Verbindung mit dem Schildsteuersystem 24 sein. Die Anzeigesysteme 60 und 64 können
einen Computermonitor mit einem Lautsprecher, einem Bildschirm und/oder
irgendeiner anderen geeigneten Sichtanzeigevorrichtung aufweisen,
die Informationen zum Bediener liefert. Es wird weiter in Betracht
gezogen, dass die Anwenderschnittstellen 62 und 66 eine
Tastatur, einen berührungsempfindlichen Bildschirm bzw.
Touchscreen, ein Nummernfeld, einen Joystick bzw. Steuerhebel oder
irgendeine andere geeignete Eingabevorrichtung aufweisen können.
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Das
Schildsteuersystem 24 kann das Schild 52 zu einer
vorbestimmten Position ansprechend auf Eingangssignale bewegen,
die von der Anwenderschnittstelle 62 und/oder 66 empfangen
wurden. Das Schildsteuersystem 24 kann eine Vielzahl von
Zylinderpositionssensoren 68, einen Gelenksensor 70,
einen Verbindungsstangensensor 72, einen Schilddetektor 74 und
eine Steuervorrichtung 76 aufweisen. Es wird in Betracht
gezogen, dass das Schildsteuersystem andere Sensoren aufweisen kann,
falls erwünscht.
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Die
Zylinderpositionssensoren 68 können das Ausfahren
und Zurückziehen der Hydraulikzylinder 32, des
Mittenverschiebungszylinders 34 und/oder der Schildpositionierungszylinder 54 abfühlen.
Insbesondere können die Zylinderpositionssensoren 68 Magnetaufnehmersensoren
aufweisen, die mit (nicht gezeigten) Magneten assoziiert sind, die
in den Kolbenanordnungen der Hydraulikkolben 32 des Mittenverschiebungszylinders 34 und
der Schildpositionierungszylinder 54 eingebettet sind.
Wenn die Hydraulikzylinder 32, der Mittenverschiebungszylinder 34 und
die Schildpositionierungszylinder 54 ausfahren und sich
zurückziehen, können die Zylinderpositionssensoren 68 an
die Schildsteuervorrichtung 24 eine Anzeige der Position
der Hydraulikzylinder 32, des Mittenverschiebungszylinders 34 und
der Schildpositionierungszylinder 54 liefern. Es wird in
Betracht gezogen, dass die Zylinderpositionssensoren 68 alternativ
andere Arten von Positionssensoren verkör pern können,
wie beispielsweise magnetostriktive Sensoren, die mit einer Wellenführung
innerhalb der Hydraulikzylinder 32, des Mittenverschiebungszylinders 34 und
der Schildpositionierungszylinder 54 assoziiert sind, weiter
Kabelsensoren, die mit Kabeln assoziiert sind, die außerhalb
der Hydraulikzylinder 32, des Mittenverschiebungszylinders 34 und
der Schildpositionierungszylinder 54 positioniert sind,
innen oder außen montierte optische Sensoren oder viele
andere Arten von Positionssensoren, die in der Technik bekannt sind.
Es sei bemerkt, dass das Ausfahren und das Zurückziehen
der Zylinder mit Bezugsnachschautabellen bzw. Bezugskennfeldern und/oder
Tabellen verglichen werden kann, die im Speicher der Steuervorrichtung 74 gespeichert
sind, um die Position und die Orientierung des Schildes 52 zu
bestimmen.
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Der
Gelenksensor 70 kann die Bewegung und die relative Positionierung
der Gelenkverbindung 26 abfühlen und kann betriebsmäßig
mit der Gelenkverbindung 26 gekoppelt sein. Einige Beispiele
von geeigneten Gelenksensoren 70 weisen unter anderem Längenpotentiometer,
Funkfrequenzresonanzsensoren, Drehpotentiometer, Maschinengelenkwinkelsensoren
und so weiter auf. Es sei bemerkt, dass die Bewegung der Gelenkverbindung 26 mit
Referenznachschautabellen bzw. Referenzkennfeldern und/oder Tabellen
verglichen werden kann, die im Speicher der Steuervorrichtung 74 gespeichert
sind, um die Gelenkstellung der Maschine 10 zu bestimmen.
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Ein
Verbindungsstangensensor 72 kann den Drehwinkel der Kurbelhebel 38 um
die horizontale Achse 40 abfühlen. Beispielsweise
kann der Verbindungsstangensensor 72 einen Magnetaufnehmersensor
verkörpern, der mit einem (nicht gezeigten) Magneten assoziiert
ist, der in einem vorstehenden Teil des Mittenverschiebungsbefestigungsgliedes 30 eingebettet
ist. Wenn die Kurbelhebel 38 sich um die horizontale Achse 40 drehen,
kann der Verbindungsstangensensor 72 eine Neigung der Winkelpositionen
der Kurbelwinkel 38 zur Steuervorrichtung 76 liefern.
Die Winkelpositionen der Kurbelhebel 38 können
direkt in Beziehung mit der Ausrichtung eines (nicht gezeigten)
Verriegelungsbolzens mit einem speziellen einen Loch der Löcher
(nicht gezeigt) in der Verbindungsstange 38 sein. Die Ausrichtung
des Verriegelungsbolzens kann von der Steuervorrichtung 76 verwendet
werden, wenn eine Position und Orientierung des Schildes 52 bestimmt
werden. Es wird in Betracht gezogen, dass der Verbindungsstangensensor 72 alternativ
eine andere Art eines Winkelpositionssensors verkörpern
kann, wie beispielsweise einen optischen Sensor.
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Der
Neigungsdetektor 74 kann ein Dualachsenneigungsmesser sein,
der mit der Maschine 10 assoziiert ist, und kann kontinuierlich
eine Neigung der Maschine 10 bezüglich der tatsächlichen
Horizontalen detektieren. In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
kann der Neigungsdetektor 74 mit einem Rahmen der Maschine 10 assoziiert
sein oder fest mit diesem verbunden sein. Es wird jedoch in Betracht
gezogen, dass der Neigungsdetektor 74 auf irgendeiner stabilen
Oberfläche der Maschine 10 gelegen sein kann,
falls erwünscht. Der Neigungsdetektor 74 kann
eine Neigung in irgendeiner Richtung detektieren, einschließlich
der Richtung von vorne nach hinten, und kann darauf ansprechend
ein Neigungssignal erzeugen und an die Steuervorrichtung 76 senden.
Es sei bemerkt, dass, obwohl diese Offenbarung den Neigungsdetektor 74 als
einen Neigungsmesser beschreibt, andere Neigungsdetektoren verwendet
werden könnten. Beispielsweise kann der Neigungsdetektor 74 in
einem alternativen Ausführungsbeispiel zwei GPS-Empfänger
aufweisen, wobei einer an jedem Ende der Maschine 10 angeordnet
ist. Dadurch, dass man die Positionsdifferenz der Empfänger
kennt, kann die Neigung der Maschine 10 bezüglich
der tatsächlichen Horizontalen berechnet werden.
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Die
Steuervorrichtung 76 kann die Hydraulikzylinder 32 betätigen,
um das Schild 52 zu einer erwünschten Position
und Orientierung zu bewegen, und kann einen einzelnen Mikroprozessor
oder mehrere Mikroprozessoren einsetzen, die Mittel zur Positionierung
des Schildes 62 aufweisen. Zahlreiche kommerziell verfügbare
Mikroprozessoren können konfiguriert sein, um die Funktionen
der Steuervorrichtung 76 auszuführen. Es sei bemerkt,
dass die Steuervorrichtung 76 leicht einen allgemeinen
Maschinenmikroprozessor verkörpern kann, der zahlreiche
Maschinenfunktionen steuern kann. Die Steuervorrichtung 76 kann
einen Speicher, eine sekundäre Speichervorrichtung, einen
Prozessor und irgendwelche anderen Komponenten aufweisen, um eine
Anwendung laufen zu lassen. Verschiedene andere Schaltungen können
mit der Steuervorrichtung 76 assoziiert sein, wie beispiels weise
eine Leistungsversorgungsschaltung, eine Signalkonditionierungsschaltung,
eine Elektromagnettreiberschaltung und andere Arten von Schaltungen.
Zusätzlich kann die Steuervorrichtung 76 eine
Zeitverfolgungsvorrichtung 78 aufweisen. Die Zeitverfolgungsvorrichtung kann
eine Uhr, ein Timer bzw. Taktgeber oder irgendeine andere in der
Technik bekannte Vorrichtung sein, die die Zeit verfolgen kann.
Es wird in Betracht gezogen, dass, obwohl die Zeitverfolgungsvorrichtung 78 derart
offenbart ist, dass sie mit der Steuervorrichtung 76 integral
ausgeführt ist, die Zeitverfolgungsvorrichtung eine unabhängige
abgeschlossene Vorrichtung sein kann, falls erwünscht.
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3 veranschaulicht
eine Vorderansicht der Maschine 10 und des Schildes 52 bezüglich
eines beispielhaften Arbeitsgeländes 80, über
welches die Arbeitsmaschine 10 fahren kann. Während
die Maschine 10 über das Arbeitsgelände 80 fährt,
kann die Steuervorrichtung 76 autonom den Neigungswinkel θ und
die Schnitttiefe d des Schildes 52 steuern und kontinuierlich überwachen.
Der Neigungswinkel θ kann durch eine untere vordere Kante 82 des
Schildes 52 laufen und relativ zur Ebene 84 definiert
sein, die im Wesentlichen parallel zu der tatsächlichen
Horizontalen sein kann. Zusätzlich kann die Schnitttiefe d
eine minimale Distanz zwischen der Oberfläche des Bodens
und einem untersten Punkt 85 des Schildes 52 sein.
Der Neigungswinkel θ und die Schnitttiefe d können
basierend auf Signalen berechnet werden, die durch die Zylinderpositionssensoren 68,
den Gelenksensor 70, den Verbindungsstangensensor 72 und
den Neigungsdetektor 74 übertragen wurden.
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Auf
den Empfang der Signale von den oben erwähnten Sensoren
hin, kann die Steuervorrichtung 76 den Neigungswinkel θ und
die Schnitttiefe d mit einem Ziel- bzw. Soll-Neigungswinkel θt bzw. einer Soll-Schnitttiefe dt vergleichen.
Der Soll-Neigungswinkel θt und
eine Soll-Schnitttiefe dt können
vom Bediener oder einem (nicht gezeigten) Computer auf höherer
Steuerebene und durch Referenzalgorithmen, Diagramme, Kurvendarstellungen
und/oder Tabellen ausgewählt werden, um einen ordnungsgemäßen
Verlauf der Handlung zu bestimmen, um einen Soll-Neigungswinkel θt und eine Soll-Schnitttiefe dt zu
erreichen und/oder beizubehalten. Ein solcher Handlungsverlauf kann
aufweisen, die linken und/oder rechten Seiten des Schildes 52 anzuheben oder
abzusenken, indem die Hydraulikzylinder 32 um unterschiedliche
Größen ausgefahren und eingefahren werden, um
den Soll-Neigungswinkel θt beizubehalten,
und im Wesentlichen um ähnliche Größen, um
die Soll-Schnitttiefe dt beizubehalten.
Der Soll-Neigungswinkel θt kann
von der Ebene 84 zu einer Soll-Ebene 86 im Wesentlichen
parallel zu einer Soll-Schnittebene des Schildes 52 gemessen
werden. Zusätzlich kann die Soll-Schnitttiefe dt eine minimale Distanz zwischen der Bodenoberfläche
und einer Soll-Lage 87 des untersten Punktes 85 sein.
Es wird in Betracht gezogen, dass alle anderen Schildpositionierungsvorgänge
manuell von dem Bediener ausgeführt werden können
oder automatisch von der Steuervorrichtung 76 oder von
irgendeiner anderen Steuervorrichtung ausgeführt werden
können, die das Schild 52 steuern kann. Es sei
bemerkt, dass in Situationen, wo die Position und/oder die Orientierung
des Schildes 52 verändert wird, die Steuervorrichtung 76 die
Hydraulikzylinder 32 betätigen kann, um den Neigungswinkel θ und
die Schnitttiefe d des Schildes 52 auf dem Soll-Neigungswinkel θt und der Soll-Schnitttiefe dt zu
halten.
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Typischerweise
kann ein Soll-Neigungswinkel θt so
ausgewählt sein, dass nur ein Teil des Schildes 52 in
die Oberfläche des Erdbodens eindringen kann. Wenn der
eindringende Teil des Schildes 52 zu groß ist,
kann die Leistungsquelle 16 überwältigt
werden und absterben. In einigen Fällen kann die Kontur des
Erdbodens mit dem Soll-Neigungswinkel θt in Konflikt
stehen. Insbesondere kann die Kontur des Bodens so sein, dass das
Erreichen des Soll-Neigungswinkels θt bewirken
kann, dass ein ausreichend großer Teil des Schildes 52 in
den Boden eindringt, um die Leistungsquelle 16 anzuhalten.
Um eine solche Fehlfunktion zu verhindern, kann die Steuervorrichtung 76 kontinuierlich
einen Bodenrollwinkel θg zusätzlich
zum Neigungswinkel θ des Schildes 52 überwachen.
Der Bodenrollwinkel θg kann von der
Ebene 84 zu einer Ebene 88 gemessen werden, die
im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Bodens
ist, die in Kontakt mit der unteren vorderen Kante 82 des
Schildes 52 kommen kann. Zusätzlich kann der Bodenrollwinkel θg basierend auf Signalen berechnet werden,
die vom Neigungsdetektor 74 übertragen werden.
Wenn ein absoluter Wert der Differenz zwischen dem Bodenrollwinkel θg und der Soll-Neigung θt größer als eine vorbestimmte
Differenzschwelle ist, kann die Steuervorrichtung 76 bestimmen,
dass eine Möglichkeit besteht, dass eine Fehlfunktion auftritt,
wie beispielsweise dass die Leistungsquelle 16 abstirbt.
Die Steuervorrichtung 76 kann die Soll-Neigung θt auf einen geringeren Winkel modifizieren,
der es der Maschine 10 gestatten kann, ohne Absterben (des
Motors) zu arbeiten. Es sei bemerkt, dass die bestimmte Differenzschwelle
eine Größe eines Winkels oder irgendein anderer
Wert sein kann, der verhindern kann, dass die Maschine 10 in
der oben erwähnten Situation arbeitet. Unter manchen Umständen
kann die Kontur des Bodens die Wahrscheinlichkeit vergrößern,
dass die Maschine 10 zu ihrer Seite während des
Betriebs umkippt und möglicherweise die Maschine 10 beschädigt
wird oder der Bediener verletzt wird. Beispielsweise kann der Boden
eine steile Neigung haben, was zum Umkippen der Maschine 10 über
ihre Seite führt. Auch kann der Boden hart genug sein,
um einer Eindringung durch das Schild 52 Widerstand zu
bieten. Wie in 4 gezeigt, kann das Schild 52 anstatt
die erwünschte Schnitttiefe und die Soll-Neigung θt zu erreichen, gegen den Boden drücken
und einen Rollwinkel θm der Maschine 10 vergrößern.
Der vergrößerte Rollwinkel θm der
Maschine kann die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass die
Maschine 10 über ihre Seite kippt. Der Rollwinkel θm der Maschine kann von einer Ebene 90 im
Wesentlichen parallel zu einer Unterseite der Maschine 10 und
einer Ebene 84 gemessen werden. Zusätzlich kann
der Rollwinkel θm der Maschine
basierend auf Signalen berechnet werden, die vom Neigungsdetektor 74 übertragen
werden.
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Wie
in 5 gezeigt, kann die Steuervorrichtung 76 bestimmen,
dass eine mögliche Fehlfunktion auftritt, wie beispielsweise
dass die Maschine 10 umkippt, wenn der absolute Wert des
Rollwinkels θm der Maschine größer
als eine vorbestimmte Rollwinkelschwelle ist. Die Steuervorrichtung 76 kann
nicht automatisch eine solche mögliche Fehlfunktion auflösen
bzw. verhindern und kann die Neigungswinkelsteuerung an den Bediener
durch Umschalten auf einen manuellen Betriebszustand übergeben.
Es sei bemerkt, dass die vorbestimmte Rollwinkelschwelle eine Größe
eines Winkels oder irgendein anderer Wert sein kann, der verhindern
kann, dass die Maschine 10 umkippt. Der Bediener kann die
manuelle Steuerung über den Neigungswinkel θ behalten,
bis der absolute Wert des Rollwinkels θm der
Maschine auf oder unter der vorbestimmten Schwelle für
eine vorbestimmte Zeitperiode ist, was durch die Zeitverfolgungsvorrichtung 78 verfolgt
werden kann. Wenn der absolute Wert des Rollwinkels θm der Maschine auf oder unter der vorbestimmten
Rollwinkelschwelle für zumindest die vorbestimmte Zeitperiode
ist, kann die Steuervorrichtung 76 in einen automatischen
Betriebszustand umschalten und die Kontrolle über den Neigungswinkel θ wieder
annehmen.
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6,
die im folgenden Abschnitt besprochen wird, veranschaulicht den
Betrieb der Maschine 10 unter Verwendung von Ausführungsbeispielen des
offenbarten Systems. Insbesondere veranschaulicht 6 ein
beispielhaftes Verfahren, welches verwendet wird, um einen erwünschten
Neigungswinkel und eine erwünschte Schnitttiefe des Schildes 52 beizubehalten.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
offenbarte System kann autonom einen Neigungswinkel eines Werkzeuges
einer mobilen Maschine steuern und dem Bediener einige Verantwortlichkeiten
für die Steuerung von Werkzeugen erleichtern. Insbesondere
kann das offenbarte System konfiguriert sein, um automatisch mögliche
Fehlfunktionen zu detektieren, die mit dem Neigungswinkel des Werkzeugs
in Beziehung stehen, und um Handlungen zu unternehmen, um solche
Fehler zu verhindern. Wenn beispielsweise die erwünschte
Schnittebene bzw. Soll-Schnittebene des Werkzeugs tief genug ist,
um zu bewirken, dass die mobile Maschine abstirbt, kann eine Steuervorrichtung
die Soll-Schnittebene modifizieren und verhindern, dass die mobile Maschine
abstirbt. Wenn weiterhin der Winkel, mit dem die mobile Maschine
arbeitet, zu steil wird, als dass die Steuervorrichtung adäquat
das Werkzeug und/oder die mobile Maschine steuern könnte,
kann die Steuervorrichtung die Steuerung des Neigungswinkels des
Werkzeuges an den Bediener übergeben. Der Betrieb des Schildpositionierungssystems 24 wird
nun erklärt.
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6 veranschaulicht
ein Flussdiagramm, welches ein beispielhaftes Verfahren zur automatischen
Steuerung eines Neigungswinkels θ und der Schnitttiefe
d des Schildes 52 abbildet. Das Verfahren kann beginnen,
indem es einen Soll-Neigungswinkel θt und
eine Soll-Schnitttiefe dt für das
Schild 52 auswählt (Schritt 200). Die
Auswahl kann durch einen Bediener ausgeführt werden. Insbesondere kann
der Bediener eine Vorrichtung an der Anwenderschnittstelle 62 oder 66 betätigen,
wie beispielsweise einen Druckknopf, eine berührungsempfindlichen
Bildschirm, einen Knopf, einen Joystick bzw. Steuerhebel, einen
Schalter oder eine andere Vorrichtung, die ein Auswahlsignal an
die Steuervorrichtung 76 senden kann. Alternativ können
der Soll-Neigungswinkel θt und
die Soll-Schnitttiefe dt durch eine Berechnungsvorrichtung
ausgewählt werden, wie beispielsweise durch die Steuervorrichtung 76,
eine andere getrennte Steuervorrichtung oder einen Computer. Die
Computervorrichtung kann die Auswahl durch Bezugnahme auf Diagramme,
Tabellen oder Algorithmen vornehmen, die in der Computervorrichtung
gespeichert sind.
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Nach
der Auswahl des Soll-Neigungswinkels θt und
der Soll-Schnitttiefe dt kann die Steuervorrichtung 76 Signale
von den Zylinderpositionssensoren 68, vom Gelenksensor 70,
vom Verbindungsstangensensor 72 und vom Neigungsdetektor 74 aufnehmen (Schritt 202).
Die Steuervorrichtung 76 kann die Daten, die von den Zylinderpositionssensoren 68,
dem Gelenksensor 70, dem Verbindungsstangendetektor 72 und
dem Neigungsdetektor 74 empfangen wurden, mit Karten, Diagrammen,
Algorithmen usw. vergleichen, die in der Steuervorrichtung 76 gespeichert sind,
um einen gegenwärtigen Neigungswinkel bzw. Ist-Neigungswinkel
und eine Ist-Schnitttiefe d des Schildes 52, einen Maschinenrollwinkel θm und einen Bodenrollwinkel θg zu bestimmen (Schritt 204).
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Auf
die Bestimmung des Ist-Rollwinkels θg des
Bodens kann die Steuervorrichtung 76 die Differenz zwischen
dem Ist-Rollwinkel θg des Bodens
und dem Soll-Neigungswinkel θt berechnen
und kann den absoluten Wert der daraus resultierenden Differenz mit
einer vorbestimmten Differenzschwelle vergleichen (Schritt 206).
Die vorbestimmte Differenzschwelle kann irgendein Wert sein, über
dem die Maschine 10 wahrscheinlich absterben wird. Zusätzlich kann
die bestimmte Differenzschwelle auf irgendeiner Anzahl von Faktoren
basieren, wie beispielsweise der Stärke des Motors, der
Geometrie der Maschine 10, der Geometrie des Schildes 52 und/oder
irgendeinem anderen Faktor, der zum Absterben der Maschine 10 beitragen
kann. Wenn die Steuervorrichtung 76 bestimmt, dass der
absolute Wert der Differenz zwischen dem Rollwinkel θg des Bodens und dem Soll- Neigungswinkel θt größer als die vorbestimmte
Differenzschwelle ist (Schritt 206: Ja), kann die Steuervorrichtung 76 einen
neuen Soll-Neigungswinkel θt erzeugen
(Schritt 208). Der neue Soll-Neigungswinkel θt kann geringer sein als der vorherige Soll-Neigungswinkel θt. Sobald der neue Soll-Neigungswinkel θt ausgewählt worden ist, kann der Schritt 202 wiederholt
werden (d. h. die Steuervorrichtung 76 kann neue Signale
von den Zylinderpositionssensoren 68, vom Gelenksensor 70,
vom Gelenkstangensensor 72 und vom Neigungsdetektor 74 empfangen).
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Wenn
die Steuervorrichtung 76 bestimmt, dass der absolute Wert
der Differenz zwischen dem Rollwinkel θg des
Bodens und dem Soll-Neigungswinkel θt geringer
als die vorbestimmte Differenzschwelle ist (Schritt 206:
Nein), kann die Steuervorrichtung 76 den Rollwinkel θm der Maschine mit einer vorbestimmten Rollwinkelschwelle
vergleichen (Schritt 210). Die vorbestimmte Rollwinkelschwelle kann
einen Winkel darstellen, über dem bewirkt wird, dass die
Maschine 10 umkippt. Zusätzlich kann die vorbestimmte
Rollwinkelschwelle auf irgendeiner Anzahl von Faktoren basieren,
wie beispielsweise der Geometrie der Maschine 10, der Geometrie
des Schildes 52 und/oder irgendeinem anderen Faktor, der
dazu beitragen kann, dass die Maschine 10 über ihre
Seite kippt. Wenn die Steuervorrichtung 76 bestimmt, dass
der Rollwinkel θm der Maschine
größer ist als die vorbestimmte Rollwinkelschwelle
(Schritt 210: Ja), kann die Steuervorrichtung 76 auf
einen manuellen Betriebszustand umschalten, in dem der Bediener
den Neigungswinkel θ des Schildes 52 steuern kann
(Schritt 212). Wenn jedoch die Steuervorrichtung 76 bestimmt,
dass der Rollwinkel θm der Maschine
geringer als die vorbestimmte Rollwinkelschwelle ist (Schritt 210:
Nein), kann die Steuervorrichtung den tatsächlichen Neigungswinkel
bzw. Ist-Neigungswinkel θ mit dem Soll-Neigungswinkel θt vergleichen (Schritt 228). Die
Ausführung des Schritts 228 wird weiter später
erklärt.
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Während
sie im manuellen Betriebszustand ist, kann die Steuervorrichtung 76 die
Zeitverfolgungsvorrichtung 78 betätigen, um die
Zeitdauer zu überwachen, die verstreicht (Schritt 214).
Sobald die Steuervorrichtung 76 die Zeitverfolgungsvorrichtung 78 betätigt,
können neue Signale vom Neigungsdetektor 74 empfangen
werden (Schritt 216). Die Steuervorrichtung 76 kann
die vom Neigungsdetektor 74 empfangenen Daten mit Karten
bzw. Kennfeldern, Diagrammen, Algorithmen und so weiter vergleichen, die
in der Steuervorrichtung 76 gespeichert sind, um den Ist-Rollwinkel θm der Maschine zu bestimmen (Schritt 218).
Auf die Bestimmung des Ist-Rollwinkels θm der
Maschine kann die Steuervorrichtung 76 den absoluten Wert
des Ist-Rollwinkels θm der Maschine mit
der oben erwähnten vorbestimmten Rollwinkelschwelle vergleichen
(Schritt 220). Wenn die Steuervorrichtung 76 bestimmt,
dass der absolute Wert des Rollwinkels θm der
Maschine größer als die vorbestimmte Rollwinkelschwelle
ist (Schritt 220: Ja), kann die Steuervorrichtung 76 die
Zeitverfolgungsvorrichtung 78 stoppen und zurücksetzen
(Schritt 222). Sobald die Zeitverfolgungsvorrichtung zurückgesetzt ist,
kann der Schritt 214 wiederholt werden (d. h. die Steuervorrichtung 76 kann
beginnen, die Zeit zu verfolgen).
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Wenn
die Steuervorrichtung 76 bestimmt, dass der absolute Wert
des Rollwinkels θm der Maschine
geringer ist als die vorbestimmte Rollwinkelschwelle (Schritt 220:
Nein), kann die Steuervorrichtung 76 die verstrichene Zeitdauer
vergleichen und bestimmen, ob die verstrichene Zeitdauer geringer
ist als eine vorbestimmte Zeitschwelle (Schritt 224). Wenn
die verstrichene Zeit geringer als die vorbestimmte Zeitschwelle
ist (Schritt 224: Ja), dann kann der Schritt 216 wiederholt
werden (d. h. die Steuervorrichtung 76 kann neue Signale
vom Neigungsdetektor 74 empfangen). Wenn jedoch die verstrichene Zeit
gleich der oder größer als die vorbestimmte Zeitschwelle
ist (Schritt 224: Nein), kann die Steuervorrichtung 76 zurück
auf einen automatischen Betriebszustand schalten und die Steuerung
des Neigungswinkels θ wieder annehmen (Schritt 226).
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Entweder
nach dem Zurückschalten aus dem manuellen Betriebszustand
oder auf die Bestimmung hin, dass der Rollwinkel θm der Maschine geringer als die vorbestimmte
Rollwinkelschwelle ist (Schritt 210: Nein), kann die Steuervorrichtung 76 bestimmen,
ob der tatsächliche Neigungswinkel θ des Schildes 52 im
Wesentlichen gleich dem Soll-Neigungswinkel θt ist
(Schritt 228). Wenn die Steuervorrichtung 76 bestimmt,
dass der tatsächliche Neigungswinkel θ des Schildes 52 im
Wesentlichen gleich dem Soll-Neigungswinkel θt ist,
kann der Schritt 202 wiederholt werden (d. h., die Steuervorrichtung 76 kann
neue Signale von den Zylinderpositionssensoren 68, vom
Gelenksensor 70, vom Verbindungsstangensensor 72 und
vom Neigungsdetektor 74 aufnehmen). Wenn jedoch die Steuervorrichtung 76 bestimmt,
dass der Ist-Neigungswinkel θ des Schildes 52 nicht
im Wesentlichen gleich dem Soll-Neigungswinkel θt ist, kann die Steuervorrichtung 76 die
Hydraulikzylinder 32 und 34 betätigen, um
das Schild 52 in seine erwünschte Position und Orientierung
zu bewegen (Schritt 230). Auf die Betätigung der
Hydraulikzylinder 32 und 34 hin kann der Schritt 202 wiederholt
werden (d. h., die Steuervorrichtung 76 kann neue Signale
von den Zylinderpositionssensoren 78, vom Gelenksensor 70,
vom Verbindungsstangensensor 72 und vom Neigungsdetektor 74 empfangen).
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Es
sei bemerkt, dass das offenbarte Verfahren unendlich fortfahren
kann, bis es vom Bediener gestoppt wird. Der Betrieb der automatischen
Schildpositionierung kann an irgendeinem Schritt in dem Verfahren
beendet werden. Weiterhin kann der Bediener den Betrieb durch Betätigung
einer Vorrichtung an der Anwenderschnittstelle 62 oder 66 beenden,
wie beispielsweise durch eine Betätigung eines Druckknopfes,
eines berührungsempfindlichen Bildschirms bzw. Touch-Screens,
eines Knopfes, eines Schalters oder einer anderen Vorrichtung, die
ein Beendigungssignal an die Steuervorrichtung 76 senden kann.
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Indem
die Tiefe der Schneidebene und die Neigung der Maschine berücksichtigt
wird, kann das offenbarte Schildsteuersystem mögliche Fehlfunktionen
in Zusammenhang mit einem Schnitt bzw. Schub vorhersehen und eine
Korrekturhandlung ausführen, um solche Fehlfunktionen zu
verhindern. Dies kann den Bediener frei machen, um seine begrenzten
Ressourcen anderen Aufgaben zu widmen, die für den ordnungsgemäßen
Betrieb der Maschine erforderlich sind. Wenn die Schneidebene des
Schildes zu tief ist, kann das Steuersystem automatisch die Ebene
einstellen, so dass die Maschine nicht abstirbt. Wenn zusätzlich
die Neigung der Maschine zu steil ist, kann das Steuersystem die
Steuerung des Schildes an den Bediener übergeben, um zu
verhindern, dass die Maschine umkippt und eine Verletzung oder einen Schaden
an der Maschine verursacht.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem offenbarten System vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele
werden dem Fachmann bei einer Betrachtung der hier offenbarten Beschreibung
offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung
und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein
wahrer Umfang durch die folgenden Ansprüche und ihre äquivalenten
Ausführungen gezeigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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