DE19510374A1

DE19510374A1 - Automatisches Ausgrabungs- oder Baggersteuersystem und Verfahren

Info

Publication number: DE19510374A1
Application number: DE19510374A
Authority: DE
Inventors: David J Rocke
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1994-03-23
Filing date: 1995-03-22
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2015-03-23
Also published as: JP3698752B2; DE19510374B4; JPH07259117A; US5446980A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Gebiet des Ausgrabens bzw. Baggerns und insbesondere auf ein Steuersystem und auf ein Verfahren, das den Ausgrabungs- bzw. Baggerarbeitszyklus einer Baggermaschine automati siert.

Ausgangspunkt

Arbeitsmaschinen, wie zum Beispiel Bagger, Hecktieflöf felbagger, Frontschaufelbagger und ähnliche werden für Baggerarbeiten verwendet. Diese Baggermaschinen besitzen Arbeitswerkzeuge bzw. Arbeitsgeräte, die aus Ausleger, Stiel- und Löffelgliedern oder Verbindungen bestehen. Der Ausleger ist schwenkbar mit einem Ende an der Baggerma schine befestigt und sein anderes Ende ist schwenkbar an einem Stiel befestigt. Der Löffel ist schwenkbar an dem freien Ende des Stiels befestigt. Jedes Arbeitsgeräte glied wird steuerbar betätigt durch mindestens einen Hydraulikzylinder zur Bewegung in einer vertikalen Ebene. Ein Bediener manipuliert typischerweise das Arbeitsgerät, um eine Sequenz von bestimmten Funktionen durchzuführen, die einen kompletten Baggerarbeitszyklus bilden.

Bei einem typischen Arbeitszyklus positioniert der Be diener zuerst das Arbeitsgerät an einer Grabstelle und senkt das Arbeitsgerät ab, bis der Löffel in den Boden bzw. in die Erde eindringt. Dann führt der Bediener einen Baggerhub bzw. eine Baggerbewegung aus, die den Löffel zu der Baggermaschine bringt bzw. bewegt. Der Bediener dreht nachfolgend den Löffel ein, um die Erde aufzunehmen. Um die aufgenommene Ladung bzw. Last abzuladen, hebt der Bediener das Arbeitsgerät an, schwenkt es seitlich zu ei ner vorgegebenen Abladestelle und gibt die Erde frei durch Ausfahren des Stiels und Ausdrehen des Löffels. Das Arbeitsgerät wird dann zu der Grab- bzw. Grabungsstelle zurückgebracht, um den Arbeitszyklus wieder zu beginnen. In der folgenden Beschreibung werden die oben genannten Vorgänge jeweils folgendermaßen bezeichnet: Ausleger- Abwärts-In-Die-Erde, Grab-Hub, Ladung-Aufnehmen, Schwenken-Zum-Abladen, Ladung-Abladen, und Zurück-Zum- Graben.

Die Erdbewegungsindustrie besitzt einen steigenden Be darf, den Arbeitszyklus einer Baggermaschine zu automa tisieren, und zwar aus mehreren Gründen. Anders als ein menschlicher Bediener bleibt eine automatisierte Bag germaschine gleichbleibend produktiv ungeachtet der Um welt- bzw. Umgebungsbedingungen und langer Arbeitszeit. Die automatisierte Baggermaschine ist ideal für Anwen dungen, wo die Bedingungen für Menschen gefährlich und ungeeignet bzw. unzweckmäßig sind. Eine automatisierte Maschine ermöglicht auch ein genaueres Graben bzw. Aus graben, was fehlende Fähigkeiten des Bedieners aus gleicht.

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

Die Erfindung

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Steuersystem zum automatischen Steuern eines Arbeitsgerätes einer Bagger maschine durch einen Maschinenarbeitszyklus gezeigt. Das Arbeitsgerät umfaßt einen Ausleger, einen Stiel und einen Löffel, die jeweils steuerbar betätigt werden durch min destens einen jeweiligen Hydraulikzylinder. Ein Posi tionssensor erzeugt jeweilige Positionssignale anspre chend auf die jeweilige Position des Auslegers, des Stiels und des Löffels. Ein Mikroprozessor empfängt die Positionssignale, vergleicht mindestens eines der Aus leger-, Stiel- und Löffelpositionssignale mit einem vorbestimmten einer Vielzahl von Positionssetzpunkten. Ein Drucksensor erzeugt jeweilige Drucksignale ansprech end auf die assoziierten Hydraulikdrücke, die mit den Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylindern assoziiert sind. Der Mikroprozessor empfängt die Drucksignale und vergleicht mindestens einen der Ausleger-, Stiel- und Löffeldrücke mit einem vorbestimmten einer Vielzahl von Drucksetzpunkten. Eine Bedienerschnittstelle erzeugt eine Materialkonditions- bzw. Zustandseinstellung, wobei die Materialzustandseinstellung eine Darstellung eines vor bestimmten Zustandes des Baggerbodens bzw. der Erde dar stellt. Die Logikmittel erzeugen ein Befehlssignal an sprechend auf die Druck- und Positionsvergleiche, wobei das Befehlssignal eine Größe besitzt ansprechend auf die Materialzustandseinstellung. Ein elektro-hydraulisches System empfängt das Befehlssignal und betätigt steuerbar vorbestimmte der Hydraulikzylinder, um den Arbeitszyklus durchzuführen.

Figurenbeschreibung

Für ein besseres Verständnis der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Arbeitsgerätes einer Baggermaschine;

Fig. 2 ein Hardwareblockdiagramm eines Steuersystems der Baggermaschine;

Fig. 3 ein Flußdiagramm auf der höchsten Ebene eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ein Flußdigramm einer zweiten Ebene eines Aus führungsbeispiels einer Ausleger-Abwärts-In-Den- Boden Funktion;

Fig. 5 ein Flußdigramm auf der zweiten Ebene eines Ausführungsbeispiels einer Grab-Hub Funktion;

Fig. 6 ein Flußdiagramm auf einer zweiten Ebene eines Ausführungsbeispiels einer Anpaßfunktion;

Fig. 7 ein Flußdiagramm auf einer zweiten Ebene eines Ausführungsbeispiels einer Aufnehmen-Der-Ladung Funktion;

Fig. 8 ein Flußdiagramm auf einer zweiten Ebene eines Ausführungsbeispiels einer Ausleger-Hoch Funktion;

Fig. 9 ein Flußdiagramm auf einer zweiten Ebene eines Ausführungsbeispiels einer Schwenken-Zum-Abladen Funktion;

Fig. 10 ein Flußdiagramm auf einer zweiten Ebene eines Ausführungsbeispiels einer Abladen-Der-Ladung Funktion;

Fig. 11 ein Flußdiagramm auf einer zweiten Ebene eines Ausführungsbeispiels einer Zurück-Zum-Graben Funktion;

Fig. 12 eine Tabelle, die unterschiedliche Setzpunktwerte darstellt;

Fig. 13 eine Tabelle, die Steuerkurven darstellen, die sich auf einen Auslegerzylinderbefehl während ei ner Vor-Dem-Graben Funktion bezieht;

Fig. 14 eine Tabelle, die Steuerkurven darstellt, die sich auf einen Stielzylinderbefehl während der Vor-Dem- Graben Funktion beziehen;

Fig. 15 eine Tabelle, die Steuerkurven darstellt, die sich auf einen Auslegerzylinderbefehl während der Grab- Hub Funktion beziehen;

Fig. 16 eine Tabelle, die Steuerkurven darstellt, die sich auf einen Löffelzylinderbefehl während der Grab- Hub Funktion beziehen;

Fig. 17 eine Tabelle, die eine Steuerkurve darstellt, die sich auf die Anpaßfunktion bezieht;

Fig. 18 eine Draufsicht auf die Baggermaschine, die zur Seite wirft;

Fig. 19 eine Seitenansicht der Baggermaschine; und

Fig. 20 eine schematische Ansicht des Arbeitsgerätes wäh rend unterschiedlicher Stufen des Baggerarbeits zyklus.

Die beste Art die Erfindung auszuführen

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung zeigt Fig. 1 eine planare Ansicht eines Arbeitsgerätes 100 einer Bagger maschine, die Grab- oder Ladefunktionen durchführt, und zwar ähnlich zu denen eines Baggers, eines Hecktieflöf felbaggers und eines Frontschaufelbaggers.

Die Baggermaschine kann einen Bagger, einen Motorbagger, einen Radlader oder ähnliches aufweisen. Das Arbeitsgerät 100 kann einen Ausleger 110, einen Stiel 115 und einen Löffel 120 aufweisen. Der Stiel 110 ist schwenkbar an der Baggermaschine 105 angebracht, und zwar durch einen Aus legerschwenkstift 1. Der Schwerpunkt des Auslegers (GBM) wird durch den Punkt 12 dargestellt. Der Stiel 115 ist schwenkbar mit dem freien Ende des Auslegers 110 verbun den, und zwar an dem Stielschwenkstift 4. Der Schwerpunkt des Stiels (GST) wird durch den Punkt 13 dargestellt. Der Löffel 120 ist schwenkbar an dem Stiel 115 befestigt, und zwar an dem Löffelschwenkstift 8. Der Löffel 120 umfaßt einen abgerundeten Teil 130, einen Boden, der durch den Punkt 16 angezeigt ist und eine Spitze, die durch den Punkt 15 angezeigt ist. Der Schwerpunkt des Löffels (GBK) wird durch den Punkt 14 dargestellt.

Es wird eine horizontale Bezugsachse R definiert, die ei nen Ursprung am Stift 1 hat und sich durch den Punkt 26 erstreckt. Die Achse R wird verwendet zum Messen der re lativen Winkelbeziehung zwischen dem Arbeitsfahrzeug 105 und den unterschiedlichen Stiften und Punkten des Ar beitsgerätes 100.

Der Ausleger 110, der Stiel 115 und der Löffel 120 sind unabhängig und steuerbar betätigt durch linear ausfahr bare Hydraulikzylinder. Der Ausleger 110 wird durch min destens einen Auslegerhydraulikzylinder 140 betätigt, und zwar zur Aufwärts- und Abwärtsbewegungen des Stiels 115. Der Auslegerhydraulikzylinder 140 ist zwischen der Ar beitsmaschine 105 und dem Ausleger 110 verbunden, und zwar an den Stiften 11 und 2. Die Schwerpunkte des Aus legerzylinders und der Zylinderstange sind durch die Punkte CG19 bzw. CG20 dargestellt. Der Stiel 115 wird be tätigt durch mindestens einen Stielhydraulikzylinder 145 für Längshorizontalbewegungen des Löffels 120. Der Stiel hydraulikzylinder 145 ist zwischen dem Ausleger 110 und dem Stiel 115 verbunden, und zwar an den Stiften 3 und 5. Die Schwerpunkte des Stielzylinders und der Zylinder stange sind durch die Punkte CG22 bzw. CG23 dargestellt. Der Löffel 120 wird durch einen Löffelhydraulikzylinder 150 betätigt und besitzt einen Radialbewegungsbereich um den Löffelschwenkstift 8 herum. Der Löf felhydraulikzylinder 150 ist verbunden mit dem Stiel 115 an dem Stift 6 und mit einer Verbindung 155 an dem Stift 9. Die Verbindung 155 ist mit dem Stiel 115 und dem Löf fel 120 verbunden, und zwar an den Stiften 7 bzw. 10. Die Schwerpunkte des Löffelzylinders und der Zylinderstange sind durch die Punkte CG25 bzw. CG26 dargestellt. Für Darstellungszwecke ist in Fig. 1 nur ein Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylinder 140, 145, 150 gezeigt.

Um ein Verständnis des Betriebs des Arbeitsgerätes 100 und der Hydraulikzylinder 140, 145, 150 sicherzustellen, wird die folgende Beziehung beobachtet. Der Ausleger 110 wird angehoben durch Ausfahren des Auslegerzylinders 140 und abgesenkt durch Zurückziehen desselben Zylinders 140. Das Zurückziehen des Stielhydraulikzylinders 145 bewegt den Stiel 115 weg von der Baggermaschine 105 und das Ausfahren des Stielhydraulikzylinders 145 bewegt den Stiel 115 zu der Maschine 105. Schlußendlich wird der Löffel 120 von der Baggermaschine 105 weggedreht, wenn der Löffelhydraulikzylinder 150 zurückgezogen wird und zu der Maschine 105 gedreht, wenn derselbe Zylinder 150 aus gefahren wird.

Gemäß Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines elektrohydrau lischen Systems 200 gezeigt, das mit der vorliegenden Erfindung assoziiert ist. Mittel 205 erzeugen Positions signale ansprechend auf die Position des Arbeitsgerätes 100. Die Mittel 205 umfassen Versetzungssensoren 210, 215, 220, die die Zylinderausfahrgröße der Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylinder 140 bzw. 145 bzw. 150 abfühlen. Ein auf Hochfrequenz basierender Sensor, der in dem US-Patent Nr. 4 737 705 von Bitar et al. vom 12. Ap ril 1988 gezeigt ist, kann verwendet werden.

Es ist offensichtlich, daß die Position des Arbeitsgerä tes 100 auch aus den Arbeitsgeräte-Verbindungs- oder Gelenkwinkelmessungen abgeleitet werden kann. Eine al ternative Einrichtung zum Erzeugen eines Arbeitsgeräte positionssignals umfaßt Drehwinkelsensoren, wie zum Bei spiel Drehpotentiometer, die zum Beispiel die Winkel zwi schen dem Ausleger 110, dem Stiel 115 und dem Löffel 120 messen. Die Arbeitsgeräteposition kann entweder von den Hydraulikzylinderausfahrmessungen oder der Gelenkwin kelmessung berechnet werden, und zwar durch trigonometri sche Verfahren. Solche Techniken zum Bestimmen der Löf felposition sind in der Technik bekannt und können bei spielweise gefunden werden im US-Patent Nr. 3 997 071 von Teach vom 14. Dezember 1976 und dem US-Patent Nr. 4 377 043 von Inui et al. vom 22. März 1983.

Mittel 225 erzeugen Drucksignale ansprechend auf die Kraft, die auf das Arbeitsgerät 100 ausgeübt wird. Mittel 225 umfassen Drucksensoren 230, 235, 240, die die Hy draulikdrücke in den Ausleger-, Stiel- und Löffelhydrau likzylindern 140 bzw. 145 bzw. 150 messen. Die Drucksen soren 230, 235, 240 erzeugen jeweils Signale ansprechend auf die Drücke der jeweiligen Hydraulikzylinder 140, 145, 150. Zum Beispiel fühlen die Zylinderdrucksensoren 230, 235, 240 die Ausleger- bzw. Stiel- bzw. Löffelhydraulik zylinderkopf- und Stangenenddrücke ab. Ein geeigneter Drucksensor wird zum Beispiel vorgesehen durch Precise Sensors, Inc. aus Monrovia, Kalifornien, USA, mit ihrem Serie 555 Druckwandler.

Ein Schwenkwinkelsensor 243, wie zum Beispiel ein Dreh potentiometer, der an dem Arbeitsgeräteschwenkpunkt 180 angeordnet ist, erzeugt eine Winkelmessung entsprechend der Arbeitsgerätedrehungsgröße, um die Schwenkachse Y re lativ zu der Grabstelle.

Die Positions- und Drucksignale werden an einen Signal konditionierer 245 geliefert. Der Signalkonditionierer 245 sieht herkömmliche Signalerregung und Filterung vor. Ein Vishay-Signalkonditionierverstärker-2300-System, das durch die Measurements Group Inc. aus Raleigh, North Carolina, USA, hergestellt wird, kann beispielsweise für solche Zwecke verwendet werden. Die konditionierten Po sitions- und Drucksignale werden an Logikmittel 250 ge liefert. Die Logikmittel 250 sind ein auf Mikroprozessor basierendes System, das arithmetische Einheiten verwen det, um Vorgänge gemäß einem Software-Programm zu steu ern. Typischerweise sind die Programme in einem ROM (read only memory) einem RAM (random-access memory) oder ähn lichen gespeichert. Die Programme werden in Beziehung zu unterschiedlichen Flußdiagrammen beschrieben.

Die Logikmittel 250 umfassen Eingaben von zwei anderen Quellen: einem Mehrfach-Joystick-Steuerhebel 255 und ei ner Bedienerschnittstelle 260. Der Steuerhebel 255 sieht eine manuelle Steuerung des Arbeitsgerätes 100 vor. Die Ausgangsgröße des Steuerhebels 255 bestimmt die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des Arbeitsgerätes 100.

Ein Maschinenbediener kann Bagger- oder Ausgrabungsvor gaben, wie zum Beispiel die Ausgrabungstiefe und die Bodenneigung durch eine Bedienerschnittstelleneinrichtung bzw. eine Bedienerinterfaceeinrichtung 260 eingeben. Die Bedienerschnittstelle 260 kann Informationen anzeigen, die sich auf die Baggermaschinennutzlast beziehen. Die Schnittstelleneinrichtung 260 kann einen Flüssigkri stallanzeigeschirm (LCD-Schirm) mit einem alphanumeri schen Tastenfeld aufweisen. Eine Anwendung mit einem be rührungsempfindlichen Schirm ist auch geeignet. Ferner kann die Bedienerschnittstelle 260 eine Vielzahl von Wählscheiben und/oder Schaltern aufweisen, damit der Bediener unterschiedliche Ausgrabungsbedingungseinstel lungen durchführen kann.

Die Logikmittel 250 empfangen die Positionssignale und bestimmen daraufansprechend die Geschwindigkeiten des Auslegers 110, des Stiels 115 und des Löffels 120 unter Verwendung bekannter Differenziertechniken. Für den Fachmann ist es klar, daß separate Geschwindigkeitssen soren in gleicher Weise verwendet werden können, um die Geschwindigkeiten des Auslegers, des Stiels und des Löf fels zu bestimmen.

Die Logikmittel 250 bestimmen zusätzlich die Arbeitsge rätegeometrie und Kräfte ansprechend auf die Positions- und Drucksignalinformation.

Zum Beispiel empfangen die Logikmittel 250 die Drucksi gnale und berechnen die Ausleger-, Stiel- und Löffelzy linderkräfte gemäß der folgenden Gleichung:

Zylinderkraft = (P₂ _* A₂) - (P₁ _* A₁)

wobei P₂ und P₁ jeweils die Hydraulikdrücke an den Kopf- und Stangenenden der bestimmten Zylinder 140, 145, 150 sind und A₂ und A₁ die Querschnittsflächen an den jewei ligen Enden sind.

Die Logikmittel 250 erzeugen Ausleger-, Stiel- und Löf felzylinderbefehlssignale zum Liefern an Betätigungs mittel 265, die steuerbar das Arbeitsgerät 100 bewegen. Die Betätigungsmittel 265 umfassen Hydrauliksteuerventile 270, 275, 280, die die Hydraulikströmung zu den je weiligen Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylindern 140, 145, 150 steuern. Die Betätigungsmittel 265 umfassen auch ein Hydrauliksteuerventil 285, das die Hydraulik strömung zu der Schwenkanordnung 185 steuert.

Die Fig. 3-11 sind Flußdiagramme, die die Programm steuerung der vorliegenden Erfindung darstellen. Das in den Flußdiagrammen dargestellte Programm ist in der Lage, durch irgendein geeignetes Mikroprozessorsystem verwendet zu werden.

Die folgende Beschreibung wird sich auf eine Vielzahl von Steuerkurven, die in den Fig. 13-16 gezeigt ist, bezie hen, die Befehlssignale darstellen, die die Versetzung der Ausleger-, Stiel- und Löffelzylinder 140, 145, 150 mit den gewünschten Geschwindigkeiten steuern. Die Kurven können definiert werden durch zweidimensionale Nachschau tabellen oder einen Satz von Gleichungen, die in dem Mikroprozessorspeicher gespeichert sind. Die Steuerkurve spricht auf eine Materialzustandseinstellung an, die den Zustand des Untergrundbodens bzw. der Erde darstellt. Zum Beispiel repräsentieren an den Extremen die Materialzu standseinstellung 1 einen losen Zustand des Materials, während die Materialzustandseinstellung 9 einen hart gepackten bzw. kompaktierten Zustand des Materials repräsentiert. Somit repräsentieren die Zwischenmate rialzustandseinstellungen 2-8 eine kontinuierliche Funk tion von Materialzuständen von einem losen oder weichen Materialzustand zu einem harten Materialzustand. Es sei für den Fachmann bemerkt, daß die Anzahl der Steuerkurven auf die gewünschten Charakteristika der Steuerung an spricht.

Ferner kann die Materialzustandseinstellung entweder durch den Bediener über die Bedienerschnittstelle 260 oder durch die Logikmittel 250 eingestellt werden, und zwar ansprechend auf die Baggerbedingungen bzw. -zustän de. Zum Beispiel kann die Materialzustandseinstellung der Steuerkurven, die sich auf die Grab-Hub Funktion bezie hen, d. h. die Fig. 15, 16, manuell durch den Bediener eingestellt werden, während der Rest der Materialzu standseinstellungen, die mit den anderen Tabellen asso ziiert sind, automatisch durch die Logikmittel 250 ein gestellt werden. Dies ermöglicht einem erfahrenen Bedie ner, eine größere Steuerung oder Kontrolle über den Arbeitszyklus.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist ein Flußdiagramm auf ei ner höchsten Ebene eines automatisierten Baggerarbeits zyklus gezeigt. Der Arbeitszyklus für eine Baggermaschine 105 kann im allgemeinen in sechs bestimmte und sequen tielle Funktionen aufgeteilt werden: Ausleger-Abwärts-In- Den-Boden 305, Vor-Dem-Graben 307, Grab-Hub 310, Auf nehmen-Der-Ladung 315, Abladen-Der-Ladung 320, und Zurück-Zum-Graben 323. Die Grab-Hub Funktion 310 umfaßt eine anpassende oder adaptive Funktion 325. Die Aufneh men-Der-Ladung Funktion 315 umfaßt eine Ausleger-Hoch Funktion 335 und eine Schwenken-Zum-Abladen Funktion 340. Die Abladen-Der-Ladung Funktion 320 umfaßt auch die Aus leger-Hoch und Schwenken-Zum-Abladen Funktionen. Jede der Funktionen wird nachfolgend beschrieben.

Wie das Flußdigramm zeigt, wird der automatisierte Bag gerzyklus iterativ bzw. wiederholend durchgeführt. Eine Intervention des Bedieners ist nicht notwendig, um den Arbeitszyklus durchzuführen, obwohl der Bediener die Bewegung des Arbeitsgerätes 100 modifizieren kann, wenn die Modifikation nicht der maximalen Tiefe oder den ein geschränkten Bereichsvorgaben widerspricht. Da die Funk tionen diskret oder bestimmt sind, erlaubt die vorlie gende Erfindung ferner, daß die Funktionen unabhängig voneinander durchgeführt werden. Zum Beispiel kann der Bediener über die Bedienerschnittstelle vorbestimmte der Funktionen auswählen, so daß sie während der Ausführung des Arbeitszyklus automatisiert sind.

In Fig. 4 ist die Ausleger-Abwärts-In-Den-Boden Funktion 305 dargestellt. Die Ausleger-Abwärts-In-Den-Boden Funk tion positioniert das Arbeitsgerät 100 zu dem Boden. Die Funktion beginnt durch Berechnen der Löffelposition, wie durch den Block 405 gezeigt ist. Nachfolgend bezieht sich der Begriff "Löffelposition" auf die Löffelspitzenposi tion zusammen mit dem Löffelwinkel Φ, wie in Fig. 1 ge zeigt ist. Die Löffelposition wird ansprechend auf die Positionssignale berechnet. Die Löffelposition kann durch unterschiedliche Verfahren berechnet werden, die in der Technik bekannt sind.

In dem Entscheidungsblock 410 bestimmt die Programm steuerung zuerst, ob ein GRND_ENG gleich eins ist, was anzeigt, daß das Arbeitsgerät 100 mit dem Boden in Ein griff gekommen ist. Wenn dies nicht der Fall ist, ver gleicht die Programmsteuerung den Auslegerzylinderdruck mit einem Setzpunkt A und den Löffelzylinderdruck mit ei nem Setzpunkt B. Die Setzpunkte A und B repräsentieren Ausleger- und Löffelzylinderdrücke, die anzeigen, daß das Arbeitsgerät 100 mit dem Boden in Eingriff gekommen ist. Die Tiefe der Löffelspitze 15 wird auch mit einem Setzpunkt C verglichen, der die maximale Grabtiefe dar stellt, wie sie durch den Bediener vorgegeben wurde.

Wenn alle Bedingungen des Entscheidungsblocks 410 durch fallen bzw. nicht erfüllt werden, geht die Steuerung dann zum Block 415, wo die Stielzylinderposition, d. h. die Ausfahrgröße des Zylinders mit einem Setzpunkt D vergli chen wird. Der Setzpunkt D repräsentiert die minimale Ausfahrgröße des Stielzylinders, die eine gewünschte bzw. Soll-Grabposition vorsieht. Wenn die Stielzylinderposi tion größer oder gleich dem Setzpunkt D ist, dann wird der Stielzylinder 145, der zuvor zurückgezogen wurde, nun allmählich gestoppt, und zwar im Block 420. Wenn die Stielzylinderposition jedoch kleiner als der Setzpunkt D ist, dann wird der Stielzylinder 145 zurückgezogen, und zwar um eine vorbestimmte Größe oder Menge, um den Stiel nach außen reichen zu lassen, wie durch den Block 425 ge zeigt ist. Danach wird der Ausleger 110 in Richtung des Bodens abgesenkt, und zwar im Block 417. So lange die Ausleger- und Löffelzylinderdrücke somit anzeigen, daß das Arbeitsgerät 100 noch nicht mit dem Boden in Eingriff gekommen ist und der Löffel 120 die maximale Tiefe noch nicht überschritten hat, fährt der Ausleger 110 fort in Richtung des Bodens abgesenkt zu werden.

Wenn eine der Bedingungen des Entscheidungsblocks 410 zu trifft, dann wird GRND_ENG im Block 428 auf eins gesetzt. Die Programmsteuerung vergleicht dann den Löffel- oder Schneidwinkel Φ mit einem Setzpunkt E im Block 430. Der Setzpunkt E ist ein vorbestimmter Schneidwinkel des Löffels 120. Der Setzpunkt E kann aus der in Fig. 12 ge zeigten Kurve bestimmt werden, wobei der vorbestimmte Schneidwinkel auf die Materialzustandseinstellung an spricht.

Wenn der Löffelwinkel Φ größer als der Setzpunkt E ist, dann wird der Löffel 120 mit einer maximalen Geschwin digkeit eingedreht, um den Löffel schnell mit dem vorbe stimmten Schneidwinkel zu positionieren, und zwar durch die Vor-Dem-Graben Funktion 307. Zum Beispiel positio niert die Vor-Dem-Graben Funktion 307 das Arbeitsgerät 100 an einer gewünschten Startposition.

Als nächstes wird in den Blöcken 440, 445, 450 der Aus leger 110 angehoben, der Stiel 115 wird zu der Maschine gebracht oder bewegt und der Löffel wird eingedreht durch Ausfahren der jeweiligen Zylinder 140, 145, 150. Das Be fehlsniveau, das dem Auslegerzylinder 140 entspricht, ist in Fig. 13 gezeigt, bei der das Befehlsniveau auf den Druck oder die Kraft anspricht, die auf den Löffelzy linder 150 ausgeübt wird. Die Steuerkurve spricht auf die Materialzustandseinstellung an. Das Befehlsniveau, das dem Stielzylinder 145 entspricht, ist in Fig. 14 gezeigt, in der das Befehlsniveau auf den Druck oder die Kraft an spricht, die an den Stielzylinder 145 angelegt wird. Hier erfüllt eine Kurve alle Materialzustandseinstellungen. Der Löffel 120 wird mit nahezu maximaler Geschwindigkeit eingedreht, um schnell den Löffel an dem vorbestimmten Schneidwinkel zu positionieren. Es ergibt sich aus der vorhergehenden Beschreibung, daß während der Vor-Dem- Graben Funktion das Arbeitsgerät 100 positioniert wird, um die Löffeltiefe und den Schneidwinkel Φ so einzustel len, daß sie zum Graben fertig sind.

Wenn der Löffelwinkel Φ jedoch kleiner als oder gleich dem Setzpunkt E ist, dann geht die Programmsteuerung zu dem Abschnitt B des Flußdiagramms über, um die Grab-Hub Funktion 310 zu initiieren ( Fig. 5).

Die Grab-Hub Funktion 310 bewegt den Löffel 120 entlang des Bodens zu der Baggermaschine 105. Die Grab-Hub Funk tion beginnt durch Berechnen der Löffelposition im Block 505. Wenn zum Beispiel der Grabzyklus fortfährt, kann sich der Löffel 120 tiefer in den Boden erstrecken. In folgedessen zeichnet die Steuerung die Position des Löffels 120 auf, wenn er sich tiefer in den Boden er streckt, und zwar im Block 510. In dem Entscheidungsblock 515 wird der Auslegerzylinderdruck mit einem Setzpunkt F verglichen. Wenn der Auslegerzylinderdruck den Setzpunkt F übersteigt, wird gesagt, daß die Maschine unstabil ist und kippen kann. Wenn der Auslegerzylinderdruck den Setz punkt F übersteigt, stoppt die Programmsteuerung demgemäß wie durch den Block 520 gezeigt ist. Ansonsten fährt die Steuerung zu dem Entscheidungsblock 525 fort. Es sei be merkt, daß der Wert des Setzpunktes F aus einer Tabelle von Druckwerten erhalten werden kann, die einer Vielzahl von Werten entsprechen, die Baggerinstabilität für un terschiedliche Geometrien des Arbeitsgerätes 100 dar stellen. Die Baggermaschine 105 führt den Grab-Hub oder den Grababschnitt des Arbeitszyklus durch, indem es den Löffel 120 zu der Baggermaschine bringt oder bewegt. Der Entscheidungsblock 525 zeigt an, wann der Grab-Hub be endet ist. Zuerst wird der Löffelwinkel Φ mit einem Setzpunkt G verglichen, der eine vorbestimmte Löffelein drehung darstellt, die mit einer gewünschten Löffelfüll menge assoziiert ist. Als zweites wird der Winkel der Löffelkraft β mit einem Setzpunkt H verglichen. Zum Beispiel repräsentiert der Setzpunkt H einen Winkelwert, der typischerweise Null ist. Wenn zum Beispiel β kleiner ist als der Setzpunkt H, dann wird gesagt, daß der Löffel überliegt bzw. aufliegt. Aufliegen tritt auf, wenn die Nettokraft, die an dem Löffel wirkt, an der Unterseite des Löffels angelegt wird, was anzeigt, daß kein Material mehr durch den Löffel aufgenommen werden kann. Als drittes wird die Stielzylinderposition mit einem Setzpunkt I ver glichen, der eine Beendigung des Grab-Hubs anzeigt. Der Setzpunkt I repräsentiert ein maximales Stielzylinder ausfahren zum Graben. Schlußendlich bestimmt die Pro grammsteuerung, ob der Bediener angezeigt hat, daß das Graben aufhören soll, und zwar beispielsweise über die Bedienerschnittstelle 260. Wenn irgendeiner dieser Zu stände auftritt, dann geht die Programmsteuerung zum Abschnitt C des Flußdiagramms, wo die Maschine 105 das Graben beendet und das Aufnehmen der Last beginnt.

Wenn gezeigt ist, daß das Graben nicht beendet ist, dann wird in den Blöcken 440, 445, 450 der Ausleger 110 ange hoben, der Stiel 115 wird zu der Maschine gebracht und der Löffel wird eingedreht durch Ausfahren der jeweiligen Zylinder 140, 145, 150.

Das Befehlsniveau, das dem Auslegerzylinder 140 ent spricht, ist in Fig. 15 gezeigt, in der das Befehlsniveau auf den Druck oder die Kraft anspricht, die auf den Stielzylinder 155 angelegt wird. Die Steuerkurve spricht auf die Materialzustandseinstellung an. Der Stielzylinder 145 wird mit nahezu 100% der Maximalgeschwindigkeit aus gefahren, um den Stiel 115 schnell zu der Maschine zu bringen. Der Löffel 120 wird mit einer Geschwindigkeit eingedreht, die durch die in Fig. 17 gezeigten Kurven diktiert wird, wobei das Befehlsniveau auf den Löffel zylinderdruck oder die -kraft anspricht. Wie durch die Form der Kurven dargestellt ist, wird desto größer die Materialzustandeinstellung ist, ein größerer Prozentsatz der Arbeit durch den Stiel 115 im Vergleich zu dem Löffel 120 durchgeführt. Es sei bemerkt, daß die Kurven der Fig. 16 "allmählich abfallen", um zu verhindern, daß das Hydrauliksystem überlastet wird.

Am Punkt C geht die Programmsteuerung zur Fig. 6, um die Anpaß- oder Adaptierfunktion 325 zu initiieren. Die Adaptierfunktion modifiziert die Setzpunkte während des Baggerzyklus, um ein effizientes Baggern vorzusehen. Im Block 605 wird der Setzpunkt D (die Soll-Ausfahrgröße des Stielzylinders vor dem Graben) erhöht oder inkrementiert, und zwar um eine vorbestimmte Größe ansprechend auf die zuletzt aufgezeichnete Tiefe des Löffels 120. Um zum Beispiel ein effizientes Baggern vorzusehen, ist es wün schenswert bzw. zweckmäßig, den Stiel inkremental nach außen auszufahren, wenn der Löffel tiefer in den Boden gräbt.

Im Block 610 wird der Abladewinkel um eine vorbestimmte Größe inkrementiert, und zwar ansprechend auf die zuletzt aufgezeichnete Löffeltiefe. Wenn der Löffel zum Beispiel tiefer in den Boden gräbt, desto größer ist die gesam melte Materialmenge, die aus dem Boden herausgezogen wird. Infolgedessen wächst der Haufen, der von dem Ab laden des Materials aus dem Löffel auf die Bodenober fläche erzeugt wird mit jedem Durchlauf. Demgemäß ist es wünschenswert, den Abladewinkel zu erhöhen bzw. zu in krementieren, wenn der Löffel tiefer gräbt, so daß der Abladehaufen nicht zurück in das Loch "fällt". Der Abla dewinkel wird als die gewünschte Winkeldrehgröße des Arbeitsgerätes von der Grabstelle zu einer gewünschten Abladestelle definiert. Der Abladewinkel wird später un ter Bezugnahme auf die Schwenken-Zum-Abladen Funktion 340 beschrieben.

Schlußendlich wird im Block 615 ein Setzpunkt L, der ein gewünschtes Ausfahren des Auslegerzylinders repräsen tiert, das einer gewünschten Auslegerhöhe zum Abladen entspricht, inkrementiert, und zwar ansprechend auf die zuletzt aufgezeichnete Position der Löffeltiefe. Wenn zum Beispiel der Abladehaufen größer wird, wird die Ausle gerhöhe während jedes Durchlaufs inkrementiert, um si cherzustellen, daß der Löffel über den Haufen hinweggeht. Der Setzpunkt L wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Ausleger-Hoch Funktion 335 beschrieben.

Die Anpaß- oder Adaptierfunktion kann die Werte in einer linearen Beziehung inkrementieren, und zwar gemäß der in Fig. 17 gezeigten Kurve. Sobald die Modifikationen durch geführt sind, geht die Programmsteuerung zu Punkt D, um die Aufnahme-Der-Ladung Funktion 315 (Fig. 7) zu initi ieren.

Die Aufnahme-Der-Ladung Funktion 315 positioniert das Ar beitsgerät, um die Ladung oder Last "aufzunehmen bzw. einzufangen". Die Aufnahme-Der-Ladung Funktion 315 be ginnt durch Vergleichen des Löffelwinkels Φ mit einem Setzpunkt K im Block 705. Der Setzpunkt K repräsentiert einen Löffelwinkel, der ausreicht, um eine aufgehäufte Löffelladung zu halten. Wenn der auftretende oder tat sächliche Löffelwinkel Φ kleiner ist als der Setzpunkt K, dann geht die Steuerung zum Punkt E, um die Ausleger-Hoch Funktion 335 aufzurufen. Die Ausleger-Hoch-Funktion 335 wird später beschrieben. Die Steuerung geht dann zu dem Abschnitt F über, um die Schwenken-Zum-Abladen Funktion 340 aufzurufen. Die Schwenken-Zum-Abladen Funktion 340 wird auch später beschrieben. Infolgedessen wird der Stielzylinder 145, der zuvor ausgefahren wurde, nun all mählich gestoppt, und zwar im Block 710. Der Löffel 120 wird dann im Block 715 eingedreht. Es ist deutlich, daß der Löffel kontinuierlich eingedreht wird, bis der Löffelwinkel Φ größer als der Setzpunkt K ist. Infolge dessen geht die Steuerung zu dem Abschnitt G über, um die Abladen-Der-Ladung Funktion 320 aufzurufen, die später beschrieben wird.

Die Ausleger-Hoch Funktion 335 wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 8 beschrieben. Die Ausleger-Hoch Funktion be ginnt durch Bestimmen, ob das Ausfahren des Ausleger zylinders kleiner als der Setzpunkt L ist, und zwar im Block 805. Wie zuvor gesagt, repräsentiert der Setzpunkt L das Ausfahren des Auslegerzylinders, das ausreicht, um zu bewirken, daß das Arbeitsgerät 100 den Abladehaufen klärt bzw. darüber ist. Wenn das Ausfahren des Zylinders kleiner ist als der Setzpunkt L, dann wird das Ausfahren des Auslegerzylinders allmählich gestoppt, und zwar im Block 810. Ansonsten wird der Auslegerzylinder 140 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit, die typischerweiser 100% der Maximalgeschwindigkeit beträgt, ausgefahren, um schnell den Ausleger anzuheben. Die Programmsteuerung kehrt dann zu der Funktion zurück, die zuvor die Aus leger-Hoch Funktion 335 aufgerufen hat.

Die Schwenken-Zum-Abladen Funktion 340 wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. Es sei bemerkt, daß vor dem Starten des Ausgrabungs- oder Baggerarbeitszyklus die Ablade- und Grabstellen und ihre jeweiligen Querwin kel spezifiziert bzw. vorgegeben und aufgezeichnet werden können. Zum Beispiel kann der Grabwinkel eingestellt wer den durch Positionieren des Arbeitsgerätes 100 an einer gewünschten Grabstelle. In gleicher Weise kann der Ab ladewinkel eingestellt werden, durch Schwenken oder Drehen des Arbeitsgerätes 100 zu einer gewünschten Ab ladestelle. Die gewünschten Ablade- und Grabwinkel werden dann durch das Steuersystem gespeichert. Alternativ kann der Bediener die gewünschten Querwinkel entsprechend dem Grab- und Abladewinkel in die Bedienerschnittstelle ein geben.

Die Schwenken-Zum-Abladen Funktion 340 bestimmt zuerst, ob SCHWENKEN im Block 905 auf eins gesetzt ist. Wenn SCHWENKEN auf Null gesetzt ist, dann geht das Programm zu dem Block 915, um den Wert der Variable SWG_MODE zu be stimmen. Die Variable SWG_MODE wird durch den Bediener eingestellt und repräsentiert den Ausgrabungs- bzw. Bag gertyp. Zum Beispiel repräsentiert ein SWG_MODE von 0, daß die Maschine seitlich von einem Graben oder Loch ab wirft. Ein SWG_MODE von eins repräsentiert, daß die Maschine an einem einzelnen Punkt abwirft, wie zum Beispiel einem Förder-Lkw. Der Bediener gibt dann die Höhe des Lkw-Wertes bzw. der Ladefläche relativ zu einer Horizontalebene ein, die sich von dem Bodenteil des Fahrwerks erstreckt, und zwar über die Bedienerschnitt stelle 250. Ein SWG_MODE von zwei repräsentiert, daß die Maschine von bezüglich einer Massenausgrabungsstelle seitlich abwirft. Im Block 925 berechnet die Steuerung die Position des Arbeitsgerätes, um die Last an der gewünschten Abladestelle abzuladen.

Wenn der SWG_MODE auf zwei eingestellt ist, geht die Steuerung dann zum Block 925, wo der Abladewinkel modi fiziert wird, ansprechend auf die Spanne der Ausgrabung. Für ein besseres Verständnis wird nun auf Fig. 18 Bezug genommen, die eine Draufsicht auf eine Maschine dar stellt, die ein Massenbaggern durchführt. Zuerst gibt der Bediener Winkelwerte für eine Grabspanne, eine Ablade spanne und einen Delta-Wert δ ein. Als nächstes "karto graphiert" die Steuerung die Grabspanne und die Abla despanne in jeweilige Grab- und Abladepfade. Somit führt die Maschine an dem Pfad "1" einen Grab-Hub durch und läd an dem Pfad "1′" ab. Nach jedem Durchlauf modifiziert die Steuerung den Abladewinkel gemäß:

Sobald die Maschine einmal den Pfad "1" beendet hat, er höht die Steuerung dann die Grabstelle, um das Graben an dem Pfad "2" zu beginnen. Alternativ kann die Steuerung eine Bedienerunterstützung erlauben, um das Arbeitsgerät an dem Pfad "2" zu positionieren, sobald das Graben am Pfad "1" beendet ist. In dem alternativen Ausführungs beispiel würde sich die Steuerung dann die letzte Grab stelle, die der Bediener ausgewählt hat, merken. Demgemäß würde die Steuerung irgendwelche Toleranzen, die mit der Grabstelle assoziiert sind, "entspannen", so daß der Bediener das Arbeitsgerät von der derzeitigen Grabstelle zu einer neuen Grabstelle positionieren kann.

Gemäß Fig. 9 geht die Steuerung zum Block 930, wo die Zeit geschätzt wird, die der Löffel 120 braucht, um die Bodenoberfläche zu erreichen. Die geschätzte Zeit wird berechnet ansprechend auf die Löffelposition und -ge schwindigkeit. Sobald die geschätzte Zeit berechnet ist, wird dann die geschätzte Zeit mit einem Setzpunkt M ver glichen. Der Setzpunkt M repräsentiert eine Zeitverzöge rung des elektrohydraulischen Schwenksystems. Wenn die geschätzte Zeit kleiner ist als der Setzpunkt M, dann wird SCHWENKEN im Block 940 auf eins gesetzt. Wenn die geschätzte Zeit jedoch nicht kleiner als der Setzpunkt M ist, dann wird SCHWENKEN im Block 945 auf Null gesetzt.

Die Programmsteuerung geht dann zu dem Block 947, um den Schwenkwinkel zu berechnen. Der Schwenkwinkel wird defi niert als die Größe der Winkeldrehung des Arbeitsgerätes relativ zu der Grabstelle. Der Schwenkwinkelsensor 243 erzeugt eine Winkelmessung, die der Größe der Arbeits gerätedrehung relativ zu der Grabstelle entspricht. Im Block 950 bestimmt das Programm, ob SCHWENKEN auf eins gesetzt ist. Wenn SCHWENKEN auf Null gesetzt ist, dann kehrt die Steuerung zu der Funktion zurück, die zuvor die Schwenken-Zum-Abladen Funktion 340 aufgerufen hat.

Wenn das SCHWENKEN jedoch auf eins gesetzt ist, dann geht die Steuerung zum Block 955, wo die berechnete Position des Arbeitsgerätes 100 mit einem Setzpunkt N verglichen wird. Der Setzpunkt N repräsentiert einen vorbestimmten Bereich von Arbeitsgerätepositionen von der gewünschten Abladeposition. Wenn die berechnete Arbeitsgeräteposition innerhalb des Bereiches fällt, der mit dem Setzpunkt N assoziiert ist, dann ist das Arbeitsgerät 100 in der Nähe der Abladeposition. Somit wird dem Arbeitsgerät 100, das derzeitig zu der Abladestelle gedreht wird, nun befohlen, sich in die entgegengesetzte Richtung zurück zu der Grab stelle zu drehen (Block 960). Da zum Beispiel das Ar beitsgerät 100 in der Nähe der Abladeposition ist, wird das Arbeitsgerät "zurückgetrieben" in Richtung zu der Grabstelle, um irgendeine "Verzögerung" in dem elektro hydraulischen Schwenksystem aufzunehmen. Zu der Zeit, zu der das Arbeitsgerät somit tatsächlich anfängt, sich in die entgegengesetzte Richtung zu drehen, wird das Ar beitsgerät schon die Abladeposition erreicht haben.

Wenn das Arbeitsgerät 100 noch den Bereich erreichen muß, der durch den Setzpunkt N definiert wird, dann wird der Schwenkwinkel mit dem Abladewinkel verglichen, und zwar im Block 965. Wenn der Schwenkwinkel gleich dem Ablade winkel ist, dann hat das Arbeitsgerät die gewünschte Abladestelle erreicht. Somit wird eine Drehung des Ar beitsgerätes 100 im Block 970 gestoppt. Ansonsten wird das Arbeitsgerät mit 100% der maximalen Geschwindigkeit gedreht, um das Arbeitsgerät schnell zu der Abladestelle zu drehen, und zwar im Block 975. Die Programmsteuerung kehrt dann zu der Funktion zurück, die zuvor die Schwen ken-Zum-Abladen Funktion 340 aufgerufen hat.

Unter Bezugnahme auf Fig. 10 wird nun die Abladen-Der- Ladung Funktion 320 beschrieben. Die Steuerung beginnt in dem Entscheidungsblock 1005, indem das Programm bestimmt, ob ZURÜCK_ZUM_GRABEN gleich eins ist. Wenn ZURÜCK_ZUM_GRABEN gleich Null ist, dann soll die Maschine mit dem Abladen der Ladung fortfahren. Demgemäß geht die Steuerung zum Abschnitt E, um die Ausleger-Hoch Funktion 335 aufzurufen, dann zum Abschnitt F, um die Schwenken- Zum-Abladen Funktion 340 aufzurufen.

Die Steuerung geht dann zu dem Entscheidungsblock 1010, um zu bestimmen, ob der Stielzylinder 145 zurückgezogen werden sollte, um den Stiel 115 weiter nach außen bezüg lich der Maschine auszufahren. Die Entscheidung basiert auf drei Kriterien:

(1) Ist der Schwenkwinkel innerhalb eines vorbestimmten Bereichs des Abladewinkels?; und
(2) ist die Auslegerzylinderposition größer als ein Setzpunkt O?; und
(3) ist die Stielzylinderposition größer als Setzpunkt P? wobei der Setzpunkt O eine Auslegerzylinderposition re präsentiert, bei der der Stielzylinder anfangen sollte, sich zum Abladen zurückzuziehen. Typischerweise reprä sentiert der Wert des Setzpunktes O eine vorbestimmte Ausfahrgröße eines Auslegerzylinders, die kleiner ist als das Ausfahren des Auslegerzylinders, das durch den Setz punkt L repräsentiert wird. Der Setzpunkt P repräsentiert die letzte Stielzylinderposition zum Abladen.

Wenn alle diese Bedingungen erfüllt werden, dann geht die Steuerung zum Block 1015, der eine "Rucken"- bzw. Rüttel eigenschaft repräsentiert. Wenn der Bediener zum Beispiel eine Materialzustandseinstellung auswählt, die feuchtes Material repräsentiert, dann kann es zweckmäßig sein, den Stiel zu "rucken" bzw. zu rütteln oder "schütteln", während die Ladung abgeladen wird, um das feuchte Material aus dem Löffel 120 zu lösen. Wenn herausgefunden wird, daß das Ausfahren des Stielzylinders innerhalb eines Bereichs liegt, der zweckmäßig ist zum Rucken oder Rütteln des Stiels 115, dann wird der Stielzylinder 145 im Block 1020 geruckt bzw. gerüttelt. Wenn der Stiel nicht innerhalb eines Bereichs ist, der zum Rütteln zweckmäßig ist, dann wird der Stielzylinder um eine vorbestimmte Größe mit einer konstanten Geschwindigkeit zurückgezogen, und zwar im Block 1025.

Die Steuerung geht dann zum Block 1030, um zu bestimmen, ob der Löffelzylinder 150 zurückgezogen werden sollte, um den Löffel 120 auszudrehen. Die Entscheidung des Blocks 1030 hängt von vier Kriterien ab:

(1) Ist der Schwenkwinkel innerhalb eines vorbestimmten Bereichs des Schwenkwinkels?; und
(2) ist die Auslegerzylinderposition größer als Setzpunkt L?; und
(3) ist die Stielzylinderposition größer als Setzpunkt Q?; und
(4) ist die Löffelzylinderposition größer als Setzpunkt R?

wobei Setzpunkt Q die Stielzylinderposition repräsen tiert, bei der der Löffel 120 anfangen sollte, sich wäh rend des Abladens auszudrehen. Typischerweise ist der Wert des Setzpunktes Q ein vorbestimmter Wert, der größer ist als der Setzpunkt P. Der Setzpunkt R ist die schluß endliche oder letzte Löffelzylinderposition zum Abladen.

Beide Setzpunkte P und R werden aus den jeweiligen Kurven gemäß Fig. 12 bestimmt. Wie gezeigt ist, spricht der tat sächliche Wert der Setzpunkte auf die Materialzustands einstellung an. Dies sieht das jeweilige Stielausfahren und Löffeleindrehen vor, so daß es in optimalen Posi tionen ist, sobald das Abladen beendet ist und das Graben beginnt. Lose Materialzustände machen es zum Beispiel notwendig, daß das Ausfahren des Stielzylinders relativ kurz ist, da der Löffel 120 leicht während eines Grab durchlaufs gefüllt werden kann. Wenn das Material jedoch härter wird, ist ein langer Hub zweckmäßig, da das Ein dringen in das Material schwierig ist; somit ist ein längerer Hub notwendig, um den Löffel 120 zu füllen.

Wenn alle der Bedingungen des Blocks 1030 erfüllt werden, dann geht die Steuerung zu dem Block 1035, um den Löf felzylinder 150 zurückzuziehen. Ansonsten geht die Steu erung weiter zum Block 1040, um zu bestimmen, ob die Ladung vollständig abgeladen ist. Im Block 1040 werden die Ausleger-, Stiel- und Löffelzylinderpositionen mit den Setzpunkten L bzw. Q bzw. R verglichen, um zu bestim men, ob die aufgenommene Ladung oder Last vollständig ab geladen wurde. Wenn die Zylinderpositionen innerhalb ei nes vorbestimmten Bereichs von jeweiligen Setzpunkten sind, dann wird gesagt, daß die Last vollständig abgela den ist, d. h. der Ausleger 110 wird angehoben, der Stiel 115 wird nach außen ausgefahren und der Löffel 120 wird umgedreht bzw. invertiert. Ansonsten kehrt die Steuerung zum Block 1005 zurück, um den Abladezyklus zu beenden.

Wenn die Last jedoch abgeladen ist, geht die Steuerung zum Block 1045, wo das Programm bestimmt, ob der Bediener die Verwendung der automatischen Drehung wünscht. Der Bediener kann dies über die Bedienerschnittstelle 260 an zeigen. Wenn die automatische Drehung auftreten soll, dann wird ZURÜCK_ZUM_GRABEN im Block 1050 auf eins ge setzt und die Steuerung kehrt zurück zum Block 1005. An sonsten wird ZURÜCK_ZUM_GRABEN auf Null gesetzt und die Programmsteuerung kehrt zu der Ausleger-Abwärts-In-Den- Boden Funktion 305 in Abschnitt A zurück, um mit dem Zyk lus fortzufahren.

Zurück zum Block 1005, wenn ZURÜCK_ZUM_GRABEN gleich eins ist, dann wurde die aufgenommene Ladung abgeladen und das Arbeitsgerät 100 wird zurück zu der Grabstelle ge bracht. Demgemäß geht die Steuerung zum Abschnitt H, um die Zurück-Zum-Graben Funktion 323 durchzuführen, die un ter Bezugnahme auf Fig. 11 beschrieben wird.

Die Steuerung beginnt im Block 1105, den Schwenkwinkel zu berechnen. Die Steuerung geht dann zu dem Abschnitt I, um die Einstell- oder Tuningfunktion 330 durchzuführen, die später beschrieben wird.

Demgemäß geht die Steuerung zum Block 1110, um die Schwenkgeschwindigkeit zu berechnen, zum Beispiel kann die Drehgeschwindigkeit des Arbeitsgerätes 100 durch nu merisches Differenzieren des Schwenkwinkels berechnet werden. Die Steuerung bestimmt dann, ob die Drehposition des Arbeitsgerätes 100 innerhalb eines vorbestimmten Be reichs der Grabstelle ist und die Drehgeschwindigkeit des Arbeitsgerätes 100 kleiner ist als ein vorbestimmter Wert (Block 1115). Zum Beispiel wird der Schwenkwinkel mit dem Grabwinkel verglichen und die Schwenkgeschwindigkeit wird mit dem Setzpunkt S verglichen, der eine relativ langsame Drehgeschwindigkeit repräsentiert. Wenn das Arbeitsgerät 100 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der Grabstelle ist, und die Drehgeschwindigkeit relativ langsam ist, dann nimmt das Arbeitsgerät das Graben wieder auf, was mit der Ausleger-Abwärts-In-Den-Boden Funktion 305 im Ab schnitt A beginnt. Infolgedessen wird im Block 1120 ZURÜCK_ZUM_GRABEN auf Null gesetzt.

Wenn das Arbeitsgerät 100 jedoch nicht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der Grabstelle ist, dann wird im Block 1125 ein Stoppwinkel berechnet. Der Stoppwinkel ist der Winkel, bei dem die elektrohydraulische Antriebsan ordnung das Drehen des Arbeitsgerätes in Richtung der Grabstelle stoppen sollte. Der Stoppwinkel spricht auf die Schwenkgeschwindigkeit an, und wird so berechnet, daß er das Moment des sich drehenden Arbeitsgerätes aufnimmt bzw. in Betracht zieht. Sobald der Stoppwinkel berechnet ist, geht die Steuerung zum Block 1130 über, um den Schwenkwinkel mit dem Stoppwinkel zu vergleichen. Wenn der Schwenkwinkel nicht kleiner ist als der Stoppwinkel, dann fährt im Block 1135 die elektrohydraulische An triebsanordnung fort, das Arbeitsgerät in Richtung der Grabstelle zu drehen. Wenn der Schwenkwinkel jedoch klei ner ist als der Stoppwinkel, dann dreht die elektrohy draulische Antriebsanordnung im Block 1140 das Ar beitsgerät in die entgegengesetzte Richtung, um schnell seine Drehung zu stoppen.

Der Ausleger wird im Block 1145 in den Boden abgesenkt. Dann wird der Schwenkwinkel im Block 1147 mit der Grab stelle verglichen. Wenn der Schwenkwinkel innerhalb eines vorbestimmten Bereichs der Grabstelle ist, dann geht die Steuerung zum Block 1150. Im Block 1150 wird die Stiel zylinderposition mit dem Setzpunkt D verglichen, um zu bestimmen, ob der Stiel 1150 eine ordnungsgemäße Reich weite besitzt bzw. ordnungsgemäß ausgefahren ist. Wenn die Stielzylinderposition nicht kleiner als der Setzpunkt D ist, dann wird der Stielzylinder 145 im Block 1155 um eine vorbestimmte Menge zurückgezogen, um die Reichweite bzw. des Ausfahrens des Stiels 115 nach außen zu erhöhen; ansonsten wird das Zurückziehen des Stielzylinders 145 allmählich im Block 1160 gestoppt.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Schwenken-Zum- Abladen Funktionen und Zurück-Zum-Graben Funktionen ist es für das Arbeitsgerät 100 notwendig, das Schwenken oder Drehen zu der Abladestelle so bald anzufangen, wie es die Oberseite des Grabens klärt bzw. darüberliegt, und zwar sehr ähnlich zu der Art und Weise, wie ein Bediener eine Baggermaschine steuert. Das automatische Baggersystem kann die Schwenken-Zum-Abladen- und Zurück-Zum-Graben Funktionen wie oben beschrieben, automatisieren und für den Bediener die Option vorsehen, entweder das automati sche Schwenken oder manuelles Schwenken des Arbeitsge rätes auszuwählen.

Die Werte für die Setzpunkte A bis S sowie die Kurven 12-16 können mit Routinetests von Fachmännern der Fahr zeugdynamik, denen Ausgrabungsvorgänge bekannt sind, be stimmt werden. Irgendwelche hier gezeigten Werte dienen nur zu Erklärungszwecken.

Industrielle Anwendbarkeit

Der Betrieb der vorliegenden Erfindung wird am besten in Beziehung zu seiner Verwendung bei Erdbewegungsfahrzeugen beschrieben, und zwar insbesondere denen, die Grab- oder Ladungsfunktionen durchführen, wie zum Beispiel Bagger, Hecktieflöffelbagger und Frontschaufelbagger. Zum Bei spiel ist ein Hydraulikbagger in Fig. 19 gezeigt. Die Linien X und Y sind Bezugslinien für die Horizontal- bzw. Vertikalrichtungen.

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat der Baggermaschinenbediener zwei Arbeitsgeräte steuerhebel und eine Steuertafel oder eine Bediener schnittstelle 260 zu seiner Verfügung. Vorzugsweise steu ert ein Hebel die Bewegung des Auslegers 110 und des Löffels 115 und der andere Hebel steuert den Stiel 115 und die Schwenkbewegung. Die Bedienerschnittstelle 260 sieht für den Bediener eine Auswahl von Betriebsoptionen und eine Eingabe von Funktionsspezifikationen bzw. Vor gaben vor.

Für einen autonomen Baggerbetrieb wird der Bediener auf gefordert, eine gewünschte Grabtiefe, Grabstelle und Abladestelle anzugeben. Es wird nun auf Fig. 20 Bezug ge nommen, die einen Baggerarbeitszyklus darstellt. Für diese Darstellung nehmen wir an, daß der Löffel 120 in den Boden eingedrungen ist. Zuerst befiehlt die Vor-Dem- Graben Funktion 307 dem Löffel 120, sich mit nahezu vol ler Geschwindigkeit einzudrehen, bis der vorbestimmte Schneidwinkelsetzpunkt E erreicht ist. Während sich der Löffel eindreht, wird der Ausleger 110 angehoben, und zwar mit einer Geschwindigkeit , die durch eine der in Fig. 13 gezeigten Steuerkurven diktiert wird. Simultan wird der Stiel 115 nach innen befohlen, und zwar mit ei ner Geschwindigkeit gemäß der in Fig. 14 gezeigten Steuerkurve. Die Steuerkurven diktieren eine Befehls signalgröße, die eine vorbestimmte Kraftgröße in den Löffel- und Stielzylindern 150,145 erzeugt zum Erzeugen einer gewünschten Penetrations- oder Eindringgröße in den Boden.

Sobald sich der Löffel 120 zu dem vorbestimmten Schneid winkel eingedreht hat, befiehlt die Grab-Hub Funktion 310 dem Ausleger 110 sich anzuheben, und zwar gemäß einer der Steuerkurven in Fig. 15, während dem Löffel 120 befohlen wird, sich einzudrehen, und zwar gemäß einer der Steuer kurven in Fig. 16. Dem Stiel 115 wird jedoch befohlen, mit nahezu voller Geschwindigkeit so viel Material wie möglich von dem Boden aufzunehmen. Die Steuerkurven in den Fig. 15 und 16 diktieren die Befehlssignalgrößen, die die Zylinderdrücke auf Niveaus halten, die für den be stimmten Materialzustand wirksam bzw. effektiv sind.

Sobald das Graben beendet ist, zum Beispiel erreicht die Löffeldrehung den Setzpunkt G, befiehlt die Aufnahme-Der- Ladung Funktion 315 die Stielgeschwindigkeit auf Null zu verringern, den Ausleger 110 anzuheben und den Löffel 120 einzudrehen, bis die Löffeldrehung den Setzpunkt K er reicht. Sobald die Ladung aufgenommen ist, befiehlt die Abladen-Der-Ladung Funktion 320 dem Arbeitsgerät 100 sich zu der Abladestelle zu drehen, dem Ausleger 110 sich an zuheben, dem Stiel 115 auszufahren und dem Löffel 120 sich auszudrehen, bis die gewünschte Abladestelle er reicht ist. Nachdem die Ladung abgeladen ist, befiehlt die Zurück-Zum-Graben Funktion 323 dem Arbeitsgerät 100, sich zu der Grabstelle zu drehen, dem Ausleger 110 sich abzusenken und dem Stiel 115 weiter herauszugreifen bzw. auszufahren, bis die Grabstelle erreicht ist. Schluß endlich befiehlt die Ausleger-Abwärts Funktion 305 dem Ausleger 110 sich zum Boden abzusenken, bis der Löffel 120 mit dem Boden in Kontakt kommt.

Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Er findung ergeben sich aus einer Studie der Zeichnung, der Offenbarung und der Ansprüche.

Zusammenfassend sieht die Erfindung ein Steuersystem vor, das automatisch ein Arbeitsgerät einer Baggermaschine steuert, und zwar durch einen Maschinenarbeitszyklus. Das Arbeitsgerät umfaßt einen Ausleger, einen Stiel und einen Löffel, die jeweils steuerbar betätigt werden durch mindestens einen jeweiligen Hydraulikzylinder. Ein Positionssensor erzeugt jeweilige Positionssignale an sprechend auf die jeweilige Position des Auslegers, des Stiels und des Löffels. Ein Mikroprozessor empfängt die Positionssignale und vergleicht mindestens eines der Ausleger-, Stiel- und Löffelpositionssignale mit vorbe stimmten einer Vielzahl von Positionssetzpunkten. Ein Drucksensor erzeugt jeweilige Drucksignale ansprechend auf die assoziierten Hydraulikdrücke, die mit den Aus leger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylindern assoziiert sind. Der Mikroprozessor empfängt die Drucksignale und vergleicht mindestens einen der Ausleger-, Stiel- und Löffeldrücke mit einem vorbestimmten einer Vielzahl von Drucksetzpunkten. Eine Bedienerschnittstelle bzw. Inter face erzeugt eine Materialzustandseinstellung, wobei die Materialzustandseinstellung eine Darstellung eines vorbestimmten Zustandes des zu baggernden Erdreiches bzw. des Materials ist. Die Logikmittel erzeugen ein Befehls signal ansprechend auf die Druck- und Positionsver gleiche, wobei das Befehlssignal eine Größe besitzt, die auf die Materialzustandseinstellung anspricht. Ein Hydrauliksystem empfängt das Befehlssignal und betätigt steuerbar vorbestimmte der Hydraulikzylinder, um den Arbeitszyklus durchzuführen.

Claims

1. Verfahren zum automatischen Steuern eines Arbeits gerätes einer Ausgrabungs- oder Baggermaschine, und zwar durch einen Maschinenarbeitszyklus, wobei das Arbeitsgerät einen Ausleger, einen Stiel und einen Löffel aufweist, die jeweils steuerbar betätigt wer den durch mindestens einen jeweiligen Hydraulikzy linder, wobei die Hydraulikzylinder Hydraulikdruck strömungsmittel enthalten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Erzeugen jeweiliger Positionssignale ansprechend auf die jeweilige Position des Auslegers, des Stiels und des Löffels;
Empfangen der Positionssignale, Vergleichen minde stens eines der Ausleger-, Stiel- und Löffelposi tionssignale mit einem vorbestimmten einer Vielzahl von Positionssetzpunkten;
Erzeugen jeweiliger Drucksignale ansprechend auf die assoziierten Hydraulikdrücke in den Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylindern;
Empfangen der Drucksignale, Vergleichen mindestens einen der Ausleger-, Stiel- und Löffeldrücke mit ei nem vorbestimmten einer Vielzahl von Kraftsetz punkten;
Erzeugen einer Materialzustandseinstellung, wobei die Materialzustandseinstellung eine Darstellung ei nes vorbestimmtes Zustandes des auszugrabenden bzw. zu baggernden Materials bzw. der Erde ist;
Erzeugen eines Befehlssignals ansprechend auf Druck und Positionsvergleiche, wobei das Befehlssignal ei ne Größe ansprechend auf die Materialzustandsein stellung besitzt; und
Empfangen des Befehlssignals und steuerbares Be tätigen vorbestimmter der Hydraulikzylinder, um den Arbeitszyklus durchzuführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren den Schritt des Speicherns einer Vielzahl von Befehls signalgrößen aufweist, die mit jedem Hydraulikzy linder assoziiert sind, wobei die Befehlssignal größen durch mindestens eine Steuerkurve dargestellt sind, die mindestens auf eine Materialzustandsein stellung anspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ma schinenarbeitszyklus das Steuern des Arbeitsgerätes durch die folgenden Schritte aufweist:
Erzeugen von Auslegerbefehlssignalen, um den Aus leger abzusenken;
Erzeugen von Ausleger-, Stiel- und Löffelbefehls signalen, um den Löffel mit einem vorbestimmten Schneidwinkel zu positionieren;
Erzeugen von Ausleger-, Stiel- und Löffelbefehls signalen, um den Löffel entlang des Bodens zu bewe gen;
Erzeugen von Ausleger-, Stiel- und Löffelbefehls signalen, um Material in dem Löffel aufzunehmen bzw. einzufangen;
Erzeugen von Ausleger-, Stiel-, Löffel- und Schwenk befehlssignalen, um das Material aus dem Löffel an einer gewünschten Abladestelle abzuladen; und
Erzeugen von Ausleger-, Stiel- und Schwenkbefehls signalen, um das Arbeitsgerät von der Abladestelle zu einer Grabstelle zu bewegen.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schrit te aufweist:
Speichern einer Vielzahl von Steuerkurven, die eine Vielzahl von Befehlssignalgrößen darstellt, die mit dem Auslegerzylinder assoziiert ist, wobei jede Steuerkurve einer vorbestimmten Materialzustands einstellung entspricht:
Auswählen einer vorbestimmten Steuerkurve anspre chend auf die Materialzustandseinstellung; und
Erzeugen eines Befehlssignals mit einer Größe, die durch den Löffelzylinderdruck diktiert wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist:
Speichern einer einzelnen Steuerkurve, die eine Vielzahl von Befehlssignalgrößen darstellt, die mit dem Stielzylinder assoziiert sind, wobei die Steu erkurve den gesamten Bereich der Materialzustands einstellungen darstellt; und
Erzeugen eines Befehlssignals mit einer Größe, die durch den Stielzylinderdruck diktiert wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist:
Speichern einer Vielzahl von Steuerkurven, die eine Vielzahl von Befehlssignalgrößen darstellt, die mit dem Auslegerzylinder assoziiert ist, wobei jede Steuerkurve einer vorbestimmte Materialzustands einstellung entspricht,
Auswählen einer vorbestimmten Steuerkurve anspre chend auf die Materialzustandseinstellung; und
Erzeugen eines Befehlssignals mit einer Größe, die durch den Stielzylinderdruck diktiert wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schrit te aufweist:
Speichern einer Vielzahl von Steuerkurven, die eine Vielzahl von Befehlssignalgrößen darstellen, die mit dem Löffelzylinder assoziiert ist, wobei jede Steuerkurve einer vorbestimmten Materialzustands einstellung entspricht;
Auswählen einer vorbestimmten Steuerkurve anspre chend auf die Materialzustandseinstellung; und
Erzeugen eines Befehlssignals mit einer Größe, die durch den Löffelzylinderdruck diktiert wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist:
Empfangen der Drucksignale und darauf ansprechendes Berechnen eines korrelativen Kraftsignals für jeden der Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylinder; und
Vergleichen jedes der korrelativen Kraftsignale mit einer Vielzahl von vorbestimmten Kraftsetzpunkten, wobei das Befehlssignal ansprechend auf den Kraft signalvergleicher erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner den Schritt des Modifizierens der vorbestimmten der Positions setzpunkte ansprechend auf die Materialzustandsein stellung aufweist.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist:
Bestimmen des Eindringens bzw. der Eindringtiefe des Löffels in den Boden; und
Modifizieren vorbestimmter der Positionssetzpunkte ansprechend auf das Eindringen des Löffels.