DE19510634A1

DE19510634A1 - Selbstanpassendes Baggersteuersystem und Verfahren

Info

Publication number: DE19510634A1
Application number: DE19510634A
Authority: DE
Inventors: David J Rocke
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1994-03-23
Filing date: 1995-03-23
Publication date: 1995-09-28
Also published as: JPH07268897A; US5682312A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Gebiet der Ausgrabungen bzw. des Baggerns und insbesondere auf ein selbstanpassendes Steuersystem und Verfahren, das den Baggerarbeitszyklus einer Baggermaschine automatisiert.

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, einen 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. Eine Vielzahl von Befehlssignalgrößen, die mit mindestens einem Hydrau likzylinder assoziiert sind, wird gespeichert. Die Be fehlssignalgrößen werden durch eine Vielzahl von Steuer kurven dargestellt, wobei jede Steuerkurve auf eine Ma terialzustandseinstellung anspricht, die eine Darstellung eines vorbestimmten Zustands des auszugrabenden bzw. zu baggernden Materials ist. Ein Mikroprozessor wählt eine der Vielzahl von Steuerkurven aus, und erzeugt darauf ansprechend ein Befehlssignal mit einer Größe, die durch die ausgewählte Steuerkurve diktiert wird. Ein elektro hydraulisches System empfängt das Befehlssignal und betä tigt steuerbar vorbestimmte der Hydraulikzylinder, um den Arbeitszyklus durchzuführen.

Figurenbeschreibung

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

Fig. 1A, 1B schematische Ansichten eines Arbeitsgerätes einer Baggermaschine;

Fig. 2 ein Hardwareblockdiagramm eines Steuersystems der Baggermaschine;

Fig. 3 ein Flußdiagramm auf dem obersten Niveau, das die Steuerung eines Baggerarbeitszyklus dar stellt;

Fig. 4 eine Tabelle, die Steuerkurven darstellt, die sich auf einen Auslegerzylinderbefehl beziehen, und zwar für einen vor dem Graben abschnitt des Arbeitszyklus;

Fig. 5 eine Tabelle, die Steuerkurven darstellt, die sich auf einen Auslegerzylinderbefehl beziehen, und zwar für einen Grabteil des Arbeitszyklus;

Fig. 6 eine Tabelle, die Steuerkurven darstellt, die sich auf einen Löffelzylinderbefehl beziehen, und zwar für den Grabteil des Arbeitszyklus;

Fig. 7 eine Tabelle, die unterschiedliche Setzpunkt werte darstellt, die mit unterschiedlichen Abschnitten des Arbeitszyklus assoziiert sind;

Fig. 8 ein Flußdiagramm auf einem zweiten Niveau eines Ausführungsbeispiels einer Tuning- oder Einstellfunktion;

Fig. 9 eine Tabelle, die eine Vielzahl von Nutzlast/Arbeitswerten darstellt, die einer Vielzahl von vorbestimmten Material zustandseinstellungen entspricht, die mit dem Ausführungsbeispiel in Fig. 8 asso ziiert sind;

Fig. 10 ein Flußdiagramm auf einem zweiten Niveau eines anderen Ausführungsbeispiels der Tu ning- bzw. Einstellfunktion;

Fig. 11 eine Tabelle, die eine Vielzahl von vor bestimmten Löffelfüllwerten darstellt, die einer Vielzahl von vorbestimmten Material zustandseinstellungen entspricht, die mit dem Ausführungsbeispiel in Fig. 10 assoziiert ist;

Fig. 12 ein Flußdiagramm auf einem zweiten Niveau eines noch weiteren Ausführungsbeispiels der Tuning- bzw. Einstellfunktion;

Fig. 13 eine Tabelle, die eine Vielzahl von Produkti vitätswerten darstellt, die einer Vielzahl von vorbestimmten Materialzustandeinstel lungen entspricht, die mit dem Ausführungs beispiel der Fig. 12 assoziiert ist;

Fig. 14 ein Flußdiagramm auf einem zweitem Niveau eines weiteren Ausführungsbeispiels der Tuning- bzw. Einstellfunktion;

Fig. 15 eine Tabelle, die eine Vielzahl von Hebelarmwerten darstellt, die eine Vielzahl von vorbestimmten Materialzustandseinstellungen entspricht, die mit dem Ausführungsbeispiel von Fig. 14 assoziiert ist;

Fig. 16A, 16B, 16C schematische Ansichten eines Arbeits gerätes, die das Ausführungsbeispiel in Fig. 14 darstellen;

Fig. 17 eine Seitenansicht der Baggermaschine; und

Fig. 18 eine schematische Ansicht des Arbeitsgerätes während unterschiedlicher Stufen des Bagger arbeitszyklus.

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 aus fahr 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 Löffelhydraulikzylin der 150 ist verbunden mit dem Stiel 115 an dem Stift 6 und mit einer Verbindung 155 an dem Stift 9. Die Verbin dung 155 ist mit dem Stiel 115 und dem Löffel 120 verbun den, 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 Löffelhydrau likzylinder 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 Aus fahren des Stielhydraulikzylinders 145 bewegt den Stiel 115 zu der Maschine 105. Schlußendlich wird der Löffel 120 von der Baggermaschine 105 weggedreht, wenn der Löf felhydraulikzylinder 150 zurückgezogen wird und zu der Maschine 105 gedreht, wenn derselbe Zylinder 150 aus gefahren wird.

Gemäß Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines elektrohydrauli schen Systems 200 gezeigt, das mit der vorliegenden Er findung 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 alter native 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 Gelenkwinkel messung berechnet werden, und zwar durch trigonometrische Verfahren. Solche Techniken zum Bestimmen der Löffelpo sition sind in der Technik bekannt und können beispiels weise 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 125 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 ähnli chen 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 Bewe gungsrichtung 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 darauf ansprechend 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 male 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 jeweili gen Ausleger-, Stiel- und Löffelhydraulikzylindern 140, 145, 150 steuern. Die Betätigungsmittel 265 umfassen auch ein Hydrauliksteuerventil 285, das die Hydraulikströmung zu der Schwenkanordnung 185 steuert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 ist ein Flußdiagramm eines automatisierten Baggerarbeitszyklus gezeigt. Der Arbeits zyklus für eine Baggermaschine 105 kann im allgemeinen in sechs bestimmte und aufeinanderfolgende Funktionen aufge teilt werden: Ausleger-Abwärts-In-Den-Boden 305, Vor-Dem- Graben 307, Grab-Hub 310, Ladung-Aufnehmen 315, Ladung- Abladen 320, und Zurück-Zum-Graben 323. Die Abladen-Der- Ladung Funktion 320 umfaßt vorteilhafterweise eine Tuning- bzw. Einstellfunktion 330.

Die vorliegende Erfindung weist mehrere Ausführungsbei spiele der Tuningfunktion 330 auf. Daher wird nur die Tuningfunktion 330 im Detail beschrieben, da das Detail bzw. die Einzelheiten der anderen Funktionen für die vor liegende Erfindung nicht kritisch bzw. wesentlich sind.

Die Tuningfunktion 330 wählt die geeigneten einer Viel zahl von Steuerkurven aus, die die Versetzung der Aus leger-, Stiel- und Löffelzylinder 140, 145, 150 mit Soll- Geschwindigkeiten befehlen. Ein Beispielssatz von Steu erkurven ist in den Tabellen der Fig. 4-6 gezeigt. Jede Steuerkurve ist eine Darstellung einer Befehlssignals größe, die die Versetzung der Ausleger-, Stiel- und Löf felzylinder 140, 145, 150 steuert. Die Kurven können durch zwei-dimensionale Nachschautabellen oder einen Satz von Gleichungen definiert werden, die in dem Speicher des Mikroprozessors gespeichert sind. Die Steuerkurve spricht auf eine Materialzustandseinstellung an, die den Zustand des Bodens bzw. des Erdreichs repräsentiert. An den Ex tremenden repräsentiert zum Beispiel eine Materialzu standseinstellung 1 einen losen Zustand des Materials, während eine Materialzustandseinstellung 9 einen hartge packten bzw. kompaktierten Zustand des Materials reprä sentiert. Die dazwischenliegenden Materialzustandsein stellungen 2-8 repräsentieren somit ein Kontinuum von Materialzuständen von einem losen oder weichen Material zustand zu einem harten Materialzustand. Der Fachmann wird verstehen, daß die Anzahl der Steuerkurven auf die gewünschten Charakteristika der Steuerung anspricht.

Obwohl die Steuerkurven automatisch ausgewählt werden können, durch die Logikmittel 250, ist die Bediener schnittstelle 260 vorgesehen, um dem Bediener zu erlau ben, eine Materialzustandseinstellung auszuwählen, die einer oder allen des Satzes von Steuerkurven entspricht. Dies ermöglicht der Gesamtsteuerung eine größere Flexi bilität.

Die Tabellen werden nachfolgend beschrieben:

Fig. 4 repräsentiert eine Tabelle, die die Steuerkurven speichert, die mit dem Auslegerzylinder 140 assoziiert sind, und zwar für einen Vor-Dem-Graben Abschnitt des Baggerarbeitszyklus. Die Größe des Befehlssignals spricht auf den Druck oder die Kraft an, die auf den Löffelzy linder 150 ausgeübt wird.

Fig. 5 repräsentiert eine Tabelle, die die Steuerkurven speichert, die mit dem Auslegerzylinder 140 assoziiert sind, und zwar für den Grababschnitt des Baggerarbeits zyklus. Die Größe des Befehlssignals spricht auf den Druck oder die Kraft an, die auf den Stielzylinder 145 ausgeübt wird.

Fig. 6 repräsentiert eine Tabelle, die die Steuerkurven speichert, die mit dem Löffelzylinder 150 assoziiert sind, und zwar für den Grababschnitt des Baggerarbeits zyklus. Die Größe des Befehlssignals spricht auf den Druck oder die Kraft an, die auf den Löffelzylinder 150 ausgeübt wird. Bei jeder Tabelle spricht die Steuerkurve auf die Materialzustandseinstellung an. Somit ist die Materialzustandseinstellung wichtig für eine effiziente Baggerleistung.

Die vorliegende Erfindung wählt die geeignete Steuerkurve aus, und zwar ansprechend auf ein Abschätzen des tatsäch lichen oder Ist-Zustandes des Materials. Die vorhergehen de Technik ist nicht nur bei der Bestimmung der geeigne ten Steuerkurve wertvoll, sondern kann auch für die Be stimmung eines einer Vielzahl von Baggersetzpunkte wert voll sein. Die Baggersteuerung kann zum Beispiel Zylin derversetzungen und Drücke mit einer Vielzahl von Setz punkten während des Baggerarbeitszyklus vergleichen. Fig. 7 zeigt eine Tabelle, die eine Vielzahl von Setzpunkten für Stiel- und Löffelzylinderversetzungen speichert, wobei jeder Setzpunkt auf eine Materialzustandseinstel lung anspricht.

Die Tuningfunktion 330 verwendet mehrere Kraftberech nungen an dem Löffel 120, um den Materialzustand zu schätzen. Diese Kraftberechnungen werden nun beschrie ben. Es wird auf die schematischen Ansichten des Arbeits gerätes in den Fig. 1A und 1B Bezug genommen. Zuerst bestimmen die Logikmittel 250 die Arbeitsgerätegeometrie relativ zu der Bezugsachse R ansprechend auf Positions information. Die relative Stellung vorbestimmter der Stifte, Punkte und Schwerpunkte wird berechnet unter bekannten geometrischen und trigonometrischen Gesetzen. Zum Beispiel kann die Arbeitsgerätegeometrie bestimmt werden unter Verwendung der Trigonometrischen Umkehr bzw. Invers-Trig.-Funktionen, den Sinus- und Cosinus gesetzen und ihren Umkehrungen bzw. Inversen. Ferner können die unterschiedlichen Kräfte an vorbestimmten der Stifte bestimmt werden ansprechend auf die Positions- und Druckinformation. Zum Beispiel kann die Stellung oder Anordnung und die Größe der Kräfte an den Stiften be stimmt werden durch Verwendung zweidimensionaler Vektor kreuz- und Skalar- bzw. Punktprodukte. Es sei bemerkt, daß die Arbeitsgerätegeometrie und Kraftinformation bestimmt werden kann durch mehrere Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind. Zum Beispiel können die unter schiedlichen Kräfte an den Stiften direkt gemessen werden durch Verwendung von Dehnungsmessern oder anderen struk turellen Lastmessungsverfahren.

Für die folgende Beschreibung sei bemerkt, daß der Be griff "Winkel R.X.Y" den Winkel in Rad. (Bogenmaß) dar stellt, und zwar zwischen einer Linie parallel zu der Bezugsachse R und der Linie, die durch die Stifte X und Y definiert wird. Der Begriff "Länge X.Y" repräsentiert die Länge zwischen den Punkten X und Y.

Zuerst wird die Summe der Kräfte an dem Ausleger-Stiel- Löffel in der x-Richtung bestimmt, und zwar in der fol genden Art und Weise:

Σ F_X Ausleger-Stiel-Löffel = F_X LÖFFEL + F_X Stift 1 + F_X Stift 2 = 0 (1)

wobei
F_X LÖFFEL die externe Kraft ist, die an den Löffel in der x-Richtung angelegt ist;

wobei F_X Stift 1 die Kraft darstellt, die an den Stift 1 angelegt wird, und zwar in der x-Richtung, die bestimmt werden kann durch Summieren der an dem Ausleger wirkenden Kräfte am Stift 1; und
wobei F_X Stift 2 die Kraft darstellt, die an den Stift 2 in der x-Richtung angelegt wird, die sich aus der Axial kraft in dem Auslegerzylinder ergibt.

Durch ein Umstellen der Gleichung (1) und Auflösen für die Kraftkomponente F_X LÖFFEL kann die Gleichung (1) wie folgt vereinfacht werden:

F_X LÖFFEL = - F_X Stift 1 - (Axialkraft in dem Ausleger zylinder) _*cos (Winkel R.11.2).

Als zweites wird die Summe der Kräfte an dem Ausleger- Stiel-Löffel in der y-Richtung in einer ähnlichen Art und Weise berechnet.

Σ F_Y Ausleger-Stiel-Löffel = F_Y LÖFFEL + F_Y Stift 1 + F_Y Stift 2 - die Gewichte der Verbindungsbauteile = 0 (2)

wobei F_Y LÖFFEL die externe Kraft ist, die an den Löffel in der y-Richtung angelegt wird;
wobei F_Y Stift 1 die Kraft darstellt, die an den Stift 1 in der y-Richtung angelegt wird, die bestimmt werden kann durch Summieren der an dem Ausleger wirkenden Kräfte an dem Stift 1; und
wobei F_Y Stift 2 die Kraft darstellt, die an den Stift 2 in der y-Richtung angelegt wird, die sich aus der Axial kraft in dem Auslegerzylinder ergibt.

Durch Umstellen der Gleichung (2) und Auflösen für die Kraftkomponente F_Y LÖFFEL kann die Gleichung (2) wie folgt dargestellt werden:

F_Y LÖFFEL = - F_Y Stift 1 - (Axialkraft in dem Auslegerzylinder) _*sin(Winkel R.11.2) + Σ Ausleger-Stiel-Löffel-Gewicht + (die Stiel- und Löffelzylinder und Stangengewichte) + (Auslegerzylinder und Stangengewicht am Stift 2).

Die externe Kraft, die an den Löffel angelegt wird, F_XY wird wie folgt berechnet:

Schlußendlich wird der Hebelarm der externen Kraft an dem Löffel, MA LÖFFEL, um den Stift 8 berechnet durch summieren der Momente um den Stift 8. Als erstes wird die Kraft an dem Löffel senkrecht zu der Linie 8.15, F_N LÖFFEL berechnet, und zwar gemäß der folgenden Beziehung:

F_N LÖFFEL = F_XY _*[(cos(α) _*cos(Winkel R.15.16 + π/2)) + (sin(α) _*sin(Winkel R.15.16 + π/2))]

wobei
α = Arctan(F_Y LÖFFEL/F_X LÖFFEL).

Um ordnungsgemäß den Quadrant zu identifizieren, wo α liegt, werden Einstellungen an α durchgeführt, basierend auf der Positivität bzw. Negativität von F_X LÖFFEL und F_Y LÖFFEL. Wenn zum Beispiel F_X LÖFFEL und F_Y LÖFFEL beide negative Werte besitzen, dann werden π Rad. von α abgezo gen. Wenn darüber hinaus F_X LÖFFEL einen negativen Wert besitzt, während F_Y LÖFFEL einen positiven Wert besitzt, dann werden π Rad. zu α hinzuaddiert.

Als zweites wird das Moment um den Stift 8, M₈, berech net, und zwar gemäß:
M₈ = Länge von 8.10 _*Kraft an 9.10 _* [cos(Winkel R.8.10) _* sin(Winkel R.9.10) - cos(Winkel R.9.10) _* sin(Winkel R.8.10)) + Länge von 8.14 _* Löffelgewicht _* [cos(Winkel R.8.14) _* sin(-π/2) - cos(-π/2) _* sin(Winkel R.8.14)].

Schlußendlich wird der Hebelarm der externen Kraft an dem Löffel, MA LÖFFEL berechnet, und zwar gemäß:

MA LÖFFEL = M₈/F_N LÖFFEL.

Die Tuningfunktion 330 wird nun beschrieben. Die Tuning funktion 330 "tuned" bzw. stellt die Baggerleistung ein durch Bestimmen der geeigneten der Vielzahl von Steuer kurven, die in den Fig. 4-6 verwendet werden oder die ge eignete der Vielzahl von Materialzustandseinstellungen in Fig. 7. Die Tuningfunktion 330 bestimmt die geeignete Materialzustandseinstellung basierend auf den derzeitigen bzw. Ist-Betriebszuständen des Baggerarbeitszyklus. Die Fig. 8, 10, 12 und 14 sind Flußdiagrame, die die Pro grammsteuerung zum Implementieren des bevorzugten Ausfüh rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung darstellen.

Ein Verfahren zur Durchführung der Tuningfunktion 330 wird unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm in Fig. 8 be schrieben. Zuerst wird die Nutzlast, die in dem Löffel 120 getragen wird, im Block 805 bestimmt. Die Nutzlast kann durch bekannte Verfahren bestimmt werden. Zum Bei spiel kann, basierend auf der Arbeitsgerätegeometrie und den Zylinderkräften die Nutzlast bestimmt werden. Eine solche Nutzlastbestimmung ist in einer mitanhängigen An meldung des Anmelders mit dem Titel "Payload Determining System For An Excavating Machinell" gezeigt, die an demsel ben Datum wie die vorliegende Erfindung eingereicht wurde, und hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Als nächstes wird im Block 810 die Arbeit berechnet, die von den Stiel- und Löffelzylindern 145, 150 geleistet wird, und zwar während eines vorhergehenden Grabdurchlaufes. Vorzugsweise werden die Arbeitsberechnungen direkt nach jedem Grabdurchlauf durchgeführt. Die Arbeit kann gemäß der folgenden Gleichung berechnet werden:

Arbeit = (Zylinderkraft _* Zylinderversetzung).

Der berechnete Nutzlastwert wird dann im Block 815 durch den Arbeitswert geteilt. Zuletzt wird das Ergebnis des Blocks 815 dann mit Werten einer zwei-dimensionalen Nachschautabelle verglichen, um die geeignete Material zustandseinstellung im Block 820 zu bestimmen.

Zum Beispiel wird nun auf die Fig. 9 Bezug genommen, die eine Tabelle einer Vielzahl von vorbestimmten Nutzlast/ Arbeitswerten darstellt, die einer Vielzahl von vorbe stimmten Materialzuständen entspricht. Hier paßt die Steuerung den berechneten Nutzlast/Arbeitswert mit den Werten der Nachschautabelle zusammen. Wenn die Ist-Ma terialzustandseinstellung von der abweicht, die durch die Nachschautabelle für den berechneten Nutzlast/Arbeitswert gezeigt ist, dann wird die Ist-Materialzustandseinstel lung auf die eingestellt, die in der Nachschautabelle gezeigt ist. Ansonsten bleibt die Materialzustandsein stellung unverändert.

Dieses Verfahren zeigt, daß desto härter das Material, desto größer ist die Arbeitsmenge, die notwendig ist, um das Material für eine vorbestimmte Nutzlastmenge auszu graben im Vergleich zu einem weicheren Material. Somit wird basierend auf dem Nutzlast zu Arbeitsverhältnis die geeignete Materialzustandseinstellung bestimmt.

Ein weiteres Verfahren der Durchführung der Tuningfunk tion 330 wird unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm in Fig. 10 beschrieben. Zuerst wird die Nutzlast, die in dem Löffel 120 getragen wird, in dem Block 1005 berechnet.

Dann wird ansprechend auf die Nutzlastberechnung der Pro zentsatz der maximalen Füllung des Löffels 120 bestimmt, und zwar im Block 1010. Zum Beispiel kann basierend auf der Löffelkapazität die Nutzlastberechnung eine Abschät zung des Prozentsatzes der Maximalfüllung eines typischen Erdmaterials ergeben, das in dem Löffel 120 eingefangen bzw. aufgenommen ist. Im Block 1015 wird das obige Ergeb nis mit Werten einer zwei-dimensionalen Nachschautabelle verglichen, um zu bestimmen, ob die Materialzustandsein stellung auf den geeigneten bzw. richtigen Wert einge stellt ist.

Nun wird zum Beispiel auf Fig. 11 Bezug genommen, die ei ne Tabelle einer Vielzahl von vorbestimmten Prozentsätzen von Maximalfüllwerten repräsentiert, die einer Vielzahl von vorbestimmten Materialzuständen entspricht. Hier vergleicht die Steuerung den berechneten Prozentsatz des Füllwertes mit den vorbestimmten Prozentsätzen der Füll werte, um zu bestimmen, ob die Materialzustandseinstel lung auf den geeigneten bzw. richtigen Wert eingestellt ist. Die Tabelle zeigt, daß ein weicheres Material den Löffel mit einer größeren Materialmenge füllt als ein härteres Material. Somit kann basierend auf dem berech neten Prozentsatz der Maximalfüllung die Materialzu standseinstellung herausgefunden werden.

Wenn der berechnete Prozentsatz der Maximalfüllung inner halb des Bereichs fällt, der durch die Tabelle für die Ist-Materialzustandseinstellung aufgestellt ist, dann wird gesagt, daß die Materialzustandseinstellung auf den geeigneten bzw. richtigen Wert eingestellt ist. Wenn der berechnete Prozentsatz der Maximalfüllung jedoch außer halb des Bereichs fällt, der durch die Tabelle für die Ist-Materialzustandseinstellung aufgestellt ist, dann sollte die Materialzustandseinstellung modifiziert wer den. Wenn der berechnete Prozentsatz der Maximalfüllung zum Beispiel 80% ist und die Ist-Materialzustandsein stellung "5" ist, dann ist die Materialzustandsein stellung richtig bzw. geeignet. Wenn die Ist-Materialzu standseinstellung jedoch "9" anstelle von "5" ist, dann sollte die Materialzustandseinstellung modifiziert wer den.

Wie durch den Block 1020 angezeigt ist, kann ein Satz von Regeln verwendet werden, um die geeignete Materialzu standseinstellung zu bestimmen. Ein Beispielssatz von Re geln ist nachfolgend gezeigt:

IST-MATERIALZUSTANDSEINSTELLUNG = 1

1. Wenn die Löffelfüllung größer als 85% der Maximal füllung ist, dann o.k.
2. Wenn die Löffelfüllung zwischen 70% und 85% ist, dann verändern der Materialzustandseinstellung auf 3.
3. Wenn die Löffelfüllung zwischen 50% und 70% ist, dann verändern der Materialzustandseinstellung auf 5.
4. Wenn die Löffelfüllung kleiner als 50% ist, dann verändern der Materialzustandseinstellung auf 7.

IST-MATERIALZUSTANDSEINSTELLUNG = 5

1. Wenn Löffelfüllung größer als 90% der Maximalfüllung ist, dann verändern der Materialzustandseinstellung auf 3.
2. Wenn Löffelfüllung zwischen 75% und 90% ist, dann o.k.
3. Wenn Löffelfüllung zwischen 50% und 75% ist, dann verändern der Materialzustandseinstellung auf 7.
4. Wenn Löffelfüllung geringer als 50% ist, dann verän dern der Materialzustandseinstellung auf 9.

IST-MATERIALZUSTANDSEINSTELLUNG = 9

1. Wenn Löffelfüllung größer als 75% ist, dann verän dern der Materialzustandseinstellung auf 5.
2. Wenn Löffelfüllung zwischen 62% und 75% ist, dann verändern der Materialzustandseinstellung auf 7.
3. Wenn Löffelfüllung geringer als 62% ist, dann o.k.

Der obige Satz von Regeln ist nur für Beispielszwecke vorgesehen und schränkt die vorliegende Erfindung nicht ein. Es ist für den Fachmann deutlich, daß ein vorbe stimmter Satz von Regeln verwendet werden kann, um den geeigneten bzw. richtigen Wert für alle Materialzustands einstellungen zu bestimmen.

Noch ein weiteres Verfahren zum Durchführen der Tuning funktion 330 wird unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm in Fig. 12 beschrieben. Zuerst wird im Block 1205 die Nutzlast bestimmt, die in dem Löffel 120 getragen wird. Als nächstes wird im Block 1210 die Zeit berechnet, die während des vorhergehenden Grabdurchlaufes abgelaufen ist. Die abgelaufene Zeit repräsentiert die Zeit vom Beginn zur Beendigung eines einzelnen Grab-Hubvorgangs. Der berechnete Nutzlastwert wird dann durch die abgelau fende Zeit geteilt, und zwar im Block 1215, um die Effi zienz oder Produktivität des Arbeitszyklus zu bestimmen. Dann wird im Block 1220 der Produktivitätswert mit Werten einer zwei-dimensionalen Nachschautabelle verglichen, um zu bestimmen, ob die Materialzustandseinstellung auf den geeigneten bzw. richtigen Wert eingestellt ist.

Nun wird zum Beispiel auf Fig. 13 Bezug genommen, die ei ne Tabelle einer Vielzahl von vorbestimmten Produktivi tätswerten repräsentiert, die einer Vielzahl von vorbe stimmten Materialzuständen entspricht. Hier vergleicht die Steuerung den berechneten Produktivitätswert mit den vorbestimmten Produktivitätswerten für die Ist-Material zustandseinstellung, um zu bestimmen, ob die Materialzu standseinstellung auf den geeigneten Wert eingestellt ist. Die Tabelle zeigt, daß desto weicher das Material desto größer ist die erreichte Produktivitätsmenge. Somit kann basierend auf der berechneten Produktivität der Materialzustand ausgewertet bzw. festgestellt werden.

Wenn der berechnete Produktivitätswert innerhalb des Be reiches liegt, der durch die Tabelle von vorbestimmten Produktivitätswerten für die Ist-Materialzustandseinstel lung aufgestellt ist, dann wird gesagt, daß die Material zustandseinstellung auf den richtigen Wert eingestellt ist. Wenn der berechnete Produktivitätswert jedoch außer halb des Bereichs fällt, der durch die Tabelle aufge stellt ist, dann sollte die Materialzustandseinstellung modifiziert werden. Wie durch den Block 1225 gezeigt ist, kann die Materialzustandseinstellung durch einen Satz von Regeln modifiziert werden, der ähnlich zu dem oben be schriebenen Satz ist. Es sei bemerkt, daß das Bestimmen eines Satzes von Regeln zum Modifizieren der Material zustandseinstellung für den Fachmann basierend auf der vorliegenden Offenbarung schnell offensichtlich ist.

Das letzte Verfahren zum Durchführen der Tuningfunktion 330 wird unter Bezugnahme auf das Flußdiagramm in Fig. 14 beschrieben. Zuerst wird der Hebelarm MA LÖFFEL im Block 1405 bestimmt, und zwar gemäß der obigen Berechnungen. Als nächstes wird im Block 1410 der Wert von MA LÖFFEL durch einen vorbestimmten Wert L geteilt. Der vorbestimm te Wert L repräsentiert einen Hebelarm, der sich über die gesamte Distanz von dem Stift 8 zu der Löffelspitze er streckt, wie in Fig. 16A gezeigt ist. Im Block 1415 wird das Ergebnis der Teilung mit den Werten einer zwei-dimen sionalen Nachschautabelle verglichen, um zu bestimmen, ob die Materialzustandseinstellung auf den geeigneten Wert eingestellt ist.

Nun wird zum Beispiel auf Fig. 15 Bezug genommen, die ei ne Tabelle einer Vielzahl von vorbestimmten Werten reprä sentiert, die einer Vielzahl von vorbestimmten Material zuständen entspricht. Hier vergleicht die Steuerung das Ergebnis der Teilung des Blocks 1415 mit den Werten der Nachschautabelle, um zu bestimmen, ob die Materialzu standseinstellung auf den geeigneten bzw. richtigen Wert eingestellt ist. Die Tabelle zeigt, daß für ein härteres Material die externe Kraft, die an dem Löffel angelegt wird, näher zu der Löffelspitze angeordnet ist als bei einem weicheren Material. Somit kann basierend auf der Anordnung des externen Kraftvektors der Materialzustand festgestellt bzw. ausgewertet werden.

Wenn der berechnete Wert innerhalb des Bereichs liegt, der durch die Tabelle für die Ist-Materialzustandsein stellung aufgestellt ist, dann wird gesagt, daß die Materialzustandseinstellung auf den geeigneten bzw. rich tigen Wert eingestellt ist. Wenn der berechnete Wert jedoch außerhalb des Bereichs fällt, der durch die Ta belle aufgestellt ist, dann sollte die Materialzustands einstellung modifiziert werden. Wie durch den Block 1420 gezeigt ist, kann die Materialzustandseinstellung durch einen Satz von Regeln modifiziert werden, der ähnlich zu dem oben beschriebenen ist.

Fig. 16B, C zeigen Beispiele der Anordnung bzw. des Ortes der externen Kraft, während die Maschine baggert. Fig. 16B zeigt, daß die externe Kraft in der Nähe der Spitze des Löffels 120 angeordnet ist, was ein härteres Material darstellt. Wie in Fig. 16C gezeigt ist, ist die externe Kraft über einen Abstand von der Löffelspitze entfernt, was anzeigt, daß das Material weich ist und somit leicht zu baggern ist.

Die oben beschriebenen Verfahren können als diskrete un abhängige Verfahren verwendet werden oder sie können in Kombination verwendet werden, um einander zu ergänzen. Darüber hinaus kann es wünschenswert sein, die obigen Verfahren mit einer Auswählbarkeit durch den Bediener zu ergänzen. Zum Beispiel kann eine Materialzustandseinstel lung der Steuerkurven, die sich auf die Grab-Hubfunktion beziehen, Tabellen 5 und 6, 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 können. Dies ermöglicht einem erfahrenen Bediener eine größere Steuerung des Arbeitszyklus.

Die in den Tabellen gezeigten Werte können mit Routine experimenten durch einen Fachmann der Fahrzeugdynamik, der auch mit dem Baggervorgang vertraut ist, bestimmt werden. Die hier gezeigten Werte dienen nur zu Bei spielszwecken.

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. 17 gezeigt, wobei die Linie Y eine vertikale Bezugslinie ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung hat der Baggermaschinenbediener zwei Arbeitsgeräte Steu erhebel und eine Steuertafel oder eine Bedienerschnitt stelle 260 zu seiner Verfügung. Vorzugsweise steuert 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. Vorgaben vor.

Für einen autonomen Baggerbetrieb wird der Bediener hin sichtlich einer gewünschten bzw. Soll-Baggertiefe, einer Baggerstelle und einer Abladestelle befragt. Es wird nun auf Fig. 18 Bezug genommen, die einen Baggerarbeitszyklus darstellt. Für diese Darstellung nehmen wir an, daß der Löffel 120 in den Boden eingedrungen ist. Zuerst initiie ren die Logikmittel 250 den Vor-dem-Graben Abschnitt des Arbeitszyklus 307 durch Befehlen, daß sich der Löffel 120 mit nahezu vollständiger Geschwindigkeit eindreht, bis ein vorbestimmter Schneidwinkel erreicht ist. Während sich der Löffel eindreht, wird der Ausleger 110 angehoben, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die durch eine der in Fig. 4 gezeigten Steuerkurven diktiert wird. Simultan wird der Stiel 115 nach innen befohlen, und zwar mit ei ner vorbestimmten Geschwindigkeit. Die Steuerkurven diktieren eine Befehlssignalgröße, die eine vorbestimmte Kraftgröße in den Löffel- und Stielzylindern 150, 145 er zeugt zum Erzeugen einer gewünschten Penetrationsgröße bzw. -tiefe in den Boden.

Sobald sich der Löffel 120 zu dem vorbestimmten Schneid winkel eingedreht hat, initiieren die Logikmittel 250 den Grab-Hub Abschnitt des Arbeitszyklus 310, indem sie dem Ausleger 110 befehlen, sich anzuheben, und zwar gemäß ei ner der Steuerkurven in Fig. 5, während dem Löffel 120 be fohlen wird, sich einzudrehen gemäß einer der Steuer kurven in Fig. 6. Dem Stiel 115 wird jedoch befohlen, mit nahezu voller Geschwindigkeit so viel Material wie mög lich von dem Boden herauszuziehen bzw. aufzunehmen. Die Steuerkurven in den Fig. 5 und 6 diktieren die Befehls signalgrößen, die die Stiel- und Löffelzylinderdrücke auf gewünschten Niveaus halten.

Sobald das Graben beendet ist, initiieren die Logikmittel 250 den Aufnahme-Der-Ladung Abschnitt des Arbeitszyklus 315, indem sie befehlen, daß sich die Stielgeschwindig keit auf Null verringert, sich der Ausleger 110 anhebt und der Löffel 120 eindreht.

Sobald die Ladung bzw. die Last eingefangen bzw. aufge nommen ist, initiierten die Logikmittel 250 den Abladen- Der-Ladung Abschnitt des Arbeitszyklus 320, indem sie dem Arbeitsgerät 100 befehlen, sich zu der Abladestelle zu drehen, dem Ausleger 110 befehlen, sich anzuheben, dem Stiel 115 befehlen, auszufahren bzw. auszugreifen und dem Löffel 120 befehlen, sich auszudrehen, bis die gewünschte Abladestelle erreicht ist. Zusätzlich initiieren die Lo gikmittel 215 den Tuningabschnitt des Arbeitszyklus 330 durch Schätzen des Materialzustandes und Auswählen einer neuen Materialzustandseinstellung, falls dies notwendig ist.

Nachdem die Ladung abgeladen ist initiieren die Logikmit tel 250 den Zurück-Zum-Graben Abschnitt des Arbeitszyklus 323, indem sie dem Arbeitsgerät 100 befehlen, sich zurück zu der Grabstelle zu drehen, den Ausleger 110 abzusenken, und den Stiel 115 eine größere Menge auszufahren bzw. ausgreifen zu lassen, bis die Grabstelle erreicht ist. Zuletzt initiieren die Logikmittel den Ausleger-Abwärts Abschnitt des Arbeitszyklus 305, indem sie dem Ausleger 110 befehlen, sich in Richtung des Bodens abzusenken, bis der Löffel 120 mit dem Boden in Kontakt kommt.

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

Zusammenfassend ist ein Steuersystem zum automatischen Steuern eines Arbeitsgerätes einer Baggermaschine durch einen Maschinenarbeitszyklus gezeigt. Das Arbeitsgerät umfaßt einen Ausleger, einen Stiel und einen Löffel, die jeweils steuerbar betätigt werden durch mindestens einen jeweiligen Hydraulikzylinder. Eine Vielzahl von Befehls signalgrößen, die mit mindestens einem Hydraulikzylinder assoziiert ist, ist gespeichert. Die Befehlssignalgrößen werden durch eine Vielzahl von Steuerkurven dargestellt, wobei jede Steuerkurve auf eine Materialzustandseinstel lung anspricht, die eine Darstellung eines vorbestimmten Zustandes des zu baggernden Materials ist. Ein Mikropro zessor wählt eine der Vielzahl von Steuerkurven aus und erzeugt darauf ansprechend ein Befehlssignal mit einer Größe, die durch die ausgewählte Steuerkurve diktiert wird. Ein elektrohydraulisches System empfängt das Be fehlssignal und betätigt steuerbar vorbestimmte der Hydraulikzylinder, um den Arbeitszyklus durchzuführen.

Claims

1. Verfahren zum automatischen Steuern eines Arbeits gerätes einer Ausgrab- oder Baggermaschine durch ei nen Maschinenarbeitszyklus, wobei das Arbeitsgerät einen Ausleger, einen Stiel und einen Löffel auf weist, die jeweils steuerbar betätigt werden durch mindestens einen jeweiligen Hydraulikzylinder, wobei die Hydraulikzylinder hydraulisches Druckströmungs mittel enthalten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Speichern einer Vielzahl von Befehlssignalgrößen, die mit mindestens einem Hydraulikzylinder assozi iert ist oder sind, wobei die Befehlssignalgrößen durch eine Vielzahl von Steuerkurven dargestellt sind, wobei jede Steuerkurve auf eine Materialzu standseinstellung anspricht, die eine Darstellung eines vorbestimmten Zustandes des zu baggernden Materials ist;
Auswählen einer der Vielzahl von Steuerkurven und darauf ansprechendes Erzeugen eines Befehlssignals mit einer Größe, die durch die ausgewählte Steuer kurve diktiert wird; und
Empfangen des Befehlssignals und steuerbares Betä tigen vorbestimmter der Hydraulikzylinder, um den Arbeitszyklus durchzuführen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren den Schritt der Bestimmung des Zustandes des Materials und das automatische Auswählen einer der Vielzahl von Steuerkurven ansprechend auf den bestimmten Ma terialzustand aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Berechnen der Löffelnutzlast;
Berechnen der Arbeit, die durch die Stiel- und Löffelzylinder während eines Grababschnitts des Arbeitszyklus ausgeführt werden; und
Teilen der Nutzlastberechnung durch die Arbeits berechnung, wobei das Ergebnis der Teilung eine Anzeige des Materialzustandes ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Speichern einer Vielzahl von vorbestimmten Nutz last/Arbeitswerten, die einer Vielzahl von vorbe stimmten Materialzustandwerten entspricht;
Vergleichen des Berechneten Nutzlast/Arbeitswertes mit den gespeicherten Nutzlast/Arbeitswerten; und
Auswählen einer der Vielzahl von Steuerkurven an sprechend auf den Vergleich.

5. Verfahren nach einem der oder mehreren der vorherge henden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Berechnen der Löffelnutzlast;
Berechnen der Zeit, die während eines einzelnen Durchlaufs des Grababschnitts des Arbeitszyklus ab gelaufen ist; und
Teilen der Nutzlastberechnung durch die abgelaufene Zeit zur Bestimmung der Produktivität des Grab durchlaufs, wobei die Produktivität eine Anzeige des Materialzustands ist.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Speicher einer Vielzahl von vorbestimmten Produkti vitätswerten, die einer Vielzahl von vorbestimmten Materialzustandwerten entspricht;
Vergleichen des berechneten Produktivitätswerts mit den gespeicherten Produktivitätswerten; und
Auswählen einer der Vielzahl von Steuerkurven an sprechend auf den Vergleich.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Berechnen der Löffelnutzlast, und
Schätzen des Prozentsatzes, mit dem der Löffel mit dem Material gefüllt ist, und zwar ansprechend auf die Nutzlastbestimmung, wobei der geschätzte Pro zentsatz der Löffelfüllung eine Anzeige eines Ma terialzustandes ist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Speichern einer Vielzahl von vorbestimmten Löffel füllwerten, die einer Vielzahl von vorbestimmten Materialzustandwerten entspricht;
Vergleichen des geschätzten Löffelfüllwertes mit den gespeicherten Löffelfüllwerten; und
Auswählen einer der Vielzahl von Steuerkurven an sprechend auf den Vergleich.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Berechnen des Hebelarms der externen Kraft, die auf den Löffel wirkt, wobei die Größe des Hebelarms eine Anzeige des Materialzustands ist.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Speichern einer Vielzahl von vorbestimmten Hebel armwerten, die einer Vielzahl von vorbestimmten Ma terialzustandwerten entspricht;
Vergleichen des berechneten Hebelarmwertes mit den gespeicherten Hebelarmwerten; und
Auswählen einer aus einer Vielzahl von Steuerkurven ansprechend auf den Vergleich.