DE19726822A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Werkzeugs einer Arbeitsmaschine - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Werkzeugs einer ArbeitsmaschineInfo
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Description
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Steuern der Bewegung eines Ar
beitswerkzeuges einer Arbeitsmaschine und insbesondere
auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, welches die Bewe
gung des Arbeitswerkzeuges basierend auf der Arbeitswerk
zeuggeschwindigkeit steuert.
Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise Radlader, weisen Ar
beitswerkzeuge auf, die durch eine Anzahl von Positionen
während eines Arbeitszyklusses bewegt werden können. Sol
che Werkzeuge weisen typischerweise Schaufeln, Gabeln und
andere Materialhandhabungseinrichtungen auf. Der typische
Arbeitszyklus, der mit einer Schaufel assoziiert ist,
weist das aufeinanderfolgende Positionieren der Schaufel
und des assoziierten Hebearms in einer Grabposition zum
Füllen der Schaufel mit Material auf, in einer Tragposi
tion, einer angehobenen Position und einer Auslaß- bzw.
Abladeposition zur Entfernung des Materials aus der
Schaufel.
Steuerhebel sind an der Bedienerstation montiert und sind
mit einer elektro-hydraulischen Schaltung zur Bewegung
der Schaufel und/oder Hebearme verbunden. Der Bediener
muß manuell die Steuerhebel bewegen, um Hydraulikventile
zu öffnen und zu schließen, die unter Druck gesetztes
Strömungsmittel an Hydraulikzylinder leiten, die wiederum
bewirken, daß sich das Werkzeug bewegt. Wenn bei
spielsweise die Hebearme anzuheben sind, bewegt der Be
diener den mit der Hebearm-Hydraulikschaltung assoziier
ten Steuerhebel in eine Position, in der ein Hydraulik
ventil bewirkt, daß unter Druck gesetztes Strömungsmittel
zum Kopfende eines Hebezylinders fließt, was somit be
wirkt, daß die Hebearme steigen. Wenn der Steuerhebel in
eine Neutralposition zurückkehrt, schließt sich das Hy
draulikventil und unter Druck gesetztes Strömungsmittel
fließt nicht weiter zum Hebezylinder.
Beim normalen Betrieb wird das Werkzeug oft abrupt ge
startet oder zu einem abrupten Anhalten nach dem Ausfüh
ren einer erwünschten Arbeitszyklusfunktion gebracht, was
schnelle Veränderungen der Geschwindigkeit und Beschleu
nigung der Schaufel und/oder des Hebearms, der Maschine
und des Bedieners zur Folge hat. Dies kann beispielsweise
auftreten, wenn das Werkzeug zum Ende seines gewünschten
Bewegungsbereiches bewegt wird. Die geometrische Bezie
hung zwischen der linearen Bewegung der Kipp- oder Hebe
zylinder und die entsprechende Winkelbewegung der Schau
fel oder des Hebearms kann eine Unbequemlichkeit für den
Bediener erzeugen, und zwar als eine Folge der schnellen
Veränderungen der Geschwindigkeit und Beschleunigung. Die
Kräfte, die von der Verbindungsanordnung und der asso
ziierten Hydraulikschaltung absorbiert werden, können ge
steigerten Wartungsaufwand und schnelleres Versagen der
assoziierten Teile zur Folge haben. Ein weiteres mögli
ches Ergebnis der geometrischen Beziehung ist die über
mäßige Winkeldrehung des Hebearms oder der Schaufel nahe
gewisser linearer Zylinderpositionen, die eine schwache
Leistung zur Folge haben können.
Spannungen bzw. Beanspruchungen werden auch erzeugt, wenn
die Maschine eine Last absenkt und der Bediener schnell
das assoziierte Hydraulikventil schließt. Die Trägheit
der Last und des Werkzeugs übt Kräfte auf die Hebearman
ordnung und das Hydrauliksystem aus, wenn das assoziierte
Hydraulikventil schnell geschlossen wird und die Bewegung
der Hebearme abrupt angehalten wird. Solche Stopps bewir
ken verstärke Abnutzung der Maschinen und verringern ei
nen Komfort für den Bediener. In einigen Situationen kann
sogar der Hinterteil der Maschine vom Boden abheben.
Schließlich erfordert die autonome Steuerung von Erdbewe
gungsmaschinen oft eine Regelpositionssteuerung bzw. Po
sitionsregelung (closed loop) oder Regelgeschwindigkeits
steuerung bzw. Geschwindigkeitsregelung (closed loop) von
entsprechenden Untersystemen, um eine Störabweisung und
hohe Genauigkeit vorzusehen, und zwar unter Steuerung ei
ner High-Level-Steuervorrichtung bzw. einer Steuervor
richtung auf hohem Niveau. Das Arbeitswerkzeug ist ein
Beispiel seines solchen Untersystems.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines
oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine
Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeitswerk
zeuges offenbart. Das Werkzeug 102 ist mit einer Arbeits
maschine 104 verbunden und ist ansprechend auf den Be
trieb eines Hydraulikzylinders 106, 114 beweglich. Die
Vorrichtung weist einen vom Bediener gesteuerten Joystick
bzw. Bedienhebel 206 auf. Ein Bedienhebel- bzw. Joystick-Po
sitionssensor 220 fühlt die Position des Bedienhebels
206 ab und erzeugt darauf ansprechend ein Bedienerbe
fehlssignal, welches eine gewünschte Geschwindigkeit an
zeigt. Ein Geschwindigkeitssensor 216, 218 fühlt die Ge
schwindigkeit der Hebe- und Kippzylinder 106, 114 ab, und
erzeugt darauf ansprechend jeweilige Zylindergeschwin
digkeitssignale. Ein Mikroprozessor 208 empfängt die Zy
lindergeschwindigkeits- und Bedienerbefehlssignale, be
stimmt die Differenz zwischen der tatsächlichen bzw.
Ist- und der gewünschten bzw. Soll-Zylindergeschwindigkeit,
und erzeugt darauf ansprechend ein elektrisches Ventilsi
gnal ansprechend auf die Geschwindigkeitsdifferenz. Ein
elektro-hydraulisches Ventil empfängt das elektrische
Ventilsignal und liefert steuerbar Hydraulikströmungsmit
telfluß an den Hydraulikzylinder 106, 114 ansprechend auf
eine Größe des elektrischen Ventilsignals.
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei
auf die Begleitzeichnungen Bezug genommen, in denen die
Figuren folgendes darstellen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Vorderteils einer Lader
maschine oder eines Radladers;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines elektro-hydraulischen
Steuersystems der Ladermaschine;
Fig. 3 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines
PID-Steuersystems der elektro-hydraulischen Steue
rung;
Fig. 4-10 Software-Nachschau-Tabellen, die mit der
PID-Steuerung assoziiert sind; und
Fig. 11 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbei
spiels eines PID-Steuersystems der elektro-hy
draulischen Steuerung.
In Fig. 1 wird ein Werkzeugsteuersystem im allgemeinen
durch das Bezugszeichen 100 dargestellt. Fig. 1 zeigt ei
nen Vorderteil einer Radladermaschine 104 mit einem Nutz
lastträger in Form einer Schaufel 108. Obwohl die vorlie
gende Erfindung mit Bezug auf eine Radladermaschine be
schrieben wird, ist die vorliegende Erfindung gleichfalls
auf viele Erdbearbeitungsmaschinen anwendbar, wie bei
spielsweise Raupenlader, hydraulische Grabmaschinen und
andere Maschinen mit ähnlichen Lade- bzw. Lastwerkzeugen.
Die Schaufel 108 ist mit einer Hebearmanordnung oder ei
nem Ausleger 110 verbunden, der schwenkbar von zwei Hy
draulikhebebetätigungsvorrichtungen oder -zylindern 106
betätigt wird (von denen nur einer gezeigt ist), und zwar
Im einen Auslegerschwenkstift 112 herum, der am Maschi
nenrahmen angebracht ist. Ein Auslegerlasttragschwenk
stift 118 ist am Ausleger 110 und den Hebezylindern 106
angebracht. Die Schaufel 108 wird durch eine Schaufel
kippbetätigungsvorrichtung oder einen Zylinder 114 um ei
nen Kippschwenkstift 116 herum gekippt.
Mit Bezug auf Fig. 2 ist das Werkzeugsteuersystem 100
schematisch veranschaulicht, wie es bei einem Radlader
angewandt wird. Das Werkzeugsteuersystem ist geeignet, um
eine Vielzahl von Eingangsgrößen abzufühlen, und um da
rauf ansprechend Ausgangsgrößen- bzw. Ausgangssignale zu
erzeugen, die an verschiedene Betätigungsvorrichtungen im
Steuersystem geliefert werden, vorzugsweise weist das
Werkzeugsteuersystem mikroprozessorbasierte Steuermittel
208 auf.
Erste, zweite und dritte Bedienhebel 206A, 206B, 206C se
hen eine Bedienersteuerung über das Arbeitswerkzeug 102
vor. Die Bedienhebel weisen einen Steuerhebel 219 auf,
der eine Bewegung entlang einer einzigen Achse aufweist.
Jedoch kann zusätzlich zur Bewegung entlang einer ersten
Achse (horizontal) der Steuerhebel 219 sich auch entlang
einer zweiten Achse bewegen, die zur horizontalen Achse
senkrecht ist. Der erste Bedienhebel 206A steuert den He
bebetrieb des Auslegers 110. Der zweite Bedienhebel 206B
steuert den Kippbetrieb der Schaufel 108. Der dritte Be
dienhebel 206C steuert eine Hilfsfunktion, wie beispiels
weise einen Betrieb eines speziellen Arbeitswerkzeugs.
Bedienhebelpositionsabfühlmittel 220 fühlen die Position
des Joystick- bzw. Bedienhebel-Steuerhebels 219 ab und
erzeugen darauf ansprechend ein elektrisches Bedienerbe
fehlssignal. Das Bedienerbefehlssignal zeigt die ge
wünschte bzw. Soll-Geschwindigkeit des jeweiligen Hydrau
likzylinders an. Das elektrische Signal wird an den Ein
gang der Steuermittel 208 geliefert. Die Bedienhebelposi
tionsabfühlmittel 220 weisen vorzugsweise ein Drehpoten
tiometer auf, welches ein pulsbreiten moduliertes Signal
ansprechend auf die Schwenkposition des Steuerhebels er
zeugt, jedoch wäre irgendein Sensor, der ein elektrisches
Signal ansprechend auf die Schwenkposition des Steuer
hebels erzeugen kann, bei der vorliegenden Erfindung ein
setzbar.
Zylindergeschwindigkeitsabfühlmittel 216, 218 fühlen die
Geschwindigkeit der Hebe- und Kippzylinder 106, 114 ab
und erzeugen darauf ansprechend jeweilige Zylinderge
schwindigkeitssignale. In einem Ausführungsbeispiel wei
sen die Geschwindigkeitsabfühlmittel 216, 218 Drehpoten
tiometer auf. Die Drehpotentiometer erzeugen pulsbreiten
modulierte Signale ansprechend auf die Winkelposition des
Auslegers 110 mit Bezug auf die Maschine und die Schaufel
108 mit Bezug auf den Ausleger 110. Die Winkelposition
des Auslegers ist eine Funktion der Hebezylinderausdeh
nung 106A, B, während die Winkelposition der Schaufel ei
ne Funktion von sowohl den Kipp- als auch den Hebezy
linderausdehnungen 114, 106A, B ist. Die Steuermittel 208
empfangen die jeweiligen Positionssignale, berechnen die
Linearposition des jeweiligen Zylinders, differenzieren
die Positionssignale und erzeugen jeweilige Zylinderge
schwindigkeitssignale, die die Lineargeschwindigkeiten
der jeweiligen Zylinder anzeigen. Es sei bemerkt, daß die
Funktion der Geschwindigkeitsabfühlmittel 216, 218 leicht
irgendein anderer Sensor sein kann, der entweder direkt
oder indirekt die relative Ausdehnung eines Hydraulikzy
linders messen kann. Beispielsweise könnten die Potentio
meter durch Radiofrequenz- (RF-) bzw. Kurzwellensensoren
ersetzt werden, die in den Hydraulikzylindern angeordnet
sind.
Ein Motorsensor 252 fühlt die Geschwindigkeit bzw. Dreh
zahl des Verbrennungsmotors 253 ab und liefert ein Motor
drehzahlsignal an die Steuermittel 208.
Zylinderdruckabfühlmittel 254, 256 fühlen den Hydraulik
druck ab, der mit den Hebe- und Kippzylindern 106, 114
assoziert ist und liefern darauf ansprechend jeweilige
Zylinderdrucksignale an die Steuermittel 208. Die Zylin
derdruckabfühlmittel 254, 256 weisen leicht verfügbare
Drucksensoren auf. Die Steuermittel 208 empfangen die
Drucksignale, bestimmen die damit assoziierten Zylinder
kräfte und erzeugen jeweilige Zylinderkraftsignale. Die
Zylinderkräfte können gemäß der folgenden Gleichung be
stimmt werden:
(Stangenenddruck * Stangenendfläche) - (Kopfenddruck * Kopfendfläche)
Pumpendruckabfühlmittel 260 fühlen den Hydraulikdruck ab,
der mit der Hauptwerkzeugspumpe 212 assoziiert ist und
liefern darauf ansprechend ein Pumpendrucksignal an die
Steuermittel 208. Die Pumpendruckabfühlmittel 260 weisen
leicht verfügbare Drucksensoren auf. Die Steuermittel 208
empfangen das Pumpendrucksignal und bestimmen den Hydrau
likströmungsmittelfluß, der für die Hebe- und Kippzylin
der 106, 114 verfügbar ist.
Ventilmittel 202 sprechen auf elektrische Signale an, die
von den Steuermitteln erzeugt werden, und liefern einen
Hydraulikströmungsmittelfluß an die Hydraulikzylinder
106A, B, 114.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Ventilmit
tel 202 vier Hauptventile auf (zwei Hauptventile für die
Hebezylinder und zwei Hauptventile für den Kippzylinder)
und acht HYDRAC-Ventile (zwei HYDRAC-Ventile für jedes
Hauptventil). Die Hauptventile leiten unter Druck gesetz
tes Strömungsmittel zu den Zylindern 106A, B, 114 und die
HYDRAC-Ventile leiten einen Pilot- bzw. Vorsteuerströ
mungsmittefluß an die Hauptventile. Jedes HYDRAC-Ventil
ist elektrisch mit den Steuermitteln 208 verbunden. Ein
beispielhaftes HYDRAC-Ventil ist im US-Patent 5 366 202
offenbart, welches am 22. November 1994 an Stephen V.
Lunzman ausgegeben wurde, welches hierin durch Bezugnahme
aufgenommen sei. Zwei Hauptpumpen 212, 214 werden verwen
det, um Hydraulikströmungsmittel an die Hauptkolben zu
liefern, während eine Pilot- bzw. Vorpumpe 222 verwendet
wird, um Hydraulikströmungsmittel an die HYDRAC-Ventile
zu liefern. Ein An/Aus-Elektromagnetventil und Druckent
lastungsventil 224 ist vorgesehen, um einen Vorsteuer
strömungsmittelfluß an die HYDRAC-Ventile zu steuern.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Bestimmung einer
elektrischen Ventilsignalgröße gerichtet, um genau die
Arbeitswerkzeugbewegung zu steuern. Die Steuermittel 208
weisen vorzugsweise RAM- und ROM-Module (RAM = random
excess memory = Arbeitsspeicher; ROM = read only memory = Lese
speicher) auf, die Softwareprogramme speichern, um
gewisse Merkmale der vorliegenden Erfindung auszuführen.
Weiter speichern die RAM- und ROM-Module Software in ei
ner Vielzahl von Nachschau-Tabellen, die bei der Bestim
mung der elektrischen Ventilsignalgröße bestimmt werden.
Jede Nachschau-Tabelle entspricht einer Arbeitsfunktion,
die verwendet wird, um das Arbeitswerkzeug zu steuern.
Die Arbeitsfunktionen weisen eine Hebe- und Absenk
funktion auf, die die hydraulischen Hebezylinder 106A, B
ausfährt und einfährt, um die Schaufelhöhe zu steuern,
und eine Ablade- und Füllfunktion, die den Kippzylinder
114 ausfährt und einfährt, um die Schaufelneigung zu
steuern. Die Arbeitsfunktion-Nachschautabellen sind mit
Bezug auf die Fig. 4-10 gezeigt. Die Anzahl der im Spei
cher gespeicherten Werte hängt von der gewünschten Präzi
sion des Systems ab. Eine Interpolation kann verwendet
werden, um den tatsächlichen Wert in dem Fall zu be
stimmen, daß die gemessenen und berechneten Werte zwi
schen die diskreten bzw. getrennten im Speicher gespei
cherten Werte fallen. Die Tabellenwerte basieren aus ei
ner Simulation und Analyse von empirischen Daten.
Die Steuermittel 208 empfangen die Bedienerbefehlssignale
und erzeugen darauf ansprechend elektrische Ventilsigna
le, um die jeweiligen Hydraulikzylinder mit einer ge
wünschten Geschwindigkeit zu steuern. Die Ventilmitteln
202 empfangen das elektrische Ventilsignal und liefern
steuerbar einen Hydraulikströmungsmittelfluß an den jewei
ligen Hydraulikzylinder ansprechend auf die Größe der
elektrischen Ventilsignale.
Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, die ein Ausfüh
rungsbeispiel der Steuerstruktur der Steuermittel 208
zeigt. Wie gezeigt, besteht die Steuerstruktur aus einem
PID-Regelsystem 300 (closed loop), welches auf einer Ge
schwindigkeitsrückkoppelung basiert. Das PID-Regelungssy
stem 300 weist vorzugsweise zwei Steuerblöcke auf, um die
Füll- und Abladefunktionen zu regeln, die mit dem Kippzy
linder 114 assoziiert sind, und die Hebe- und Absenkfunk
tionen, die mit den Hebezylindern 106 assoziiert sind.
Der Betrieb des PID-Regelungssystems 300 wird im folgen
den beschrieben.
Als erstes wird das Bedienerbefehlssignal in ein Ge
schwindigkeitsbefehlssignal über einen Skalierungsblock 305
umgewandelt. Der Skalierungsblock 305 multipliziert
das Bedienerbefehlssignal mit einem Skalierungsfaktor,
auf den später als der "Maximal Geschwindigkeitsfaktor"
Bezug genommen wird, um das Geschwindigkeitsbefehlssignal
zu erzeugen. Das Geschwindigkeitsbefehlssignal wird dann
mit dem Zylindergeschwindigkeitssignal verglichen, wel
ches die tatsächliche bzw. Ist-Geschwindigkeit des jewei
ligen Zylinders darstellt, und zwar über einen Summie
rungs- bzw. Additionsblock 310, um ein Geschwindigkeits
fehlersignal zu erzeugen. Ein PID-Block 315 multipliziert
das entsprechende Geschwindigkeitsfehlersignal mit pro
portionalen, integralen und derivativen Verstärkungs- bzw.
Gain-Werten, um ein Geschwindigkeitssteuersignal zu
erzeugen. Ein Ventiltransformationsblock 320 wandelt das
Geschwindigkeitssteuersignal in ein elektrisches Ventil
signal um, welches eine gewünschte Schaftverschiebung des
entsprechenden HYDRAC-Ventils anzeigt, um das Geschwin
digkeitsfehlersignal auf Null zu verringern.
Vorteilhafterweise sprechen die Skalierungsblockwerte,
die PID-Verstärkungswerte und die Transformationsblock
werte auf die entsprechenden Zylinderkräfte und den Fluß
von den Hydraulikpumpen 212, 214 an. Es sei bemerkt, daß
der Hydraulikpumpenfluß proportional zur Motordrehzahl
ist. Somit kann der Hydraulikpumpenfluß leicht von der
Motordrehzahl abgeleitet werden. Jedoch wird der Pumpen
fluß, der für die hydraulische Hebeschaltung verfügbar
ist, nicht so leicht abgeleitet, wie der für die hydrau
lische Kippschaltung - der einfach von der Motordrehzahl
abgeleitet wird. Beispielsweise sei Bezug genommen auf
Fig. 10, die eine drei-dimensionale Nachschau-Tabelle
zeigt, die verwendet wird, um den verfügbaren Fluß zur
hydraulischen Hebeschaltung zu berechnen. Die in Fig. 10
gezeigte Tabelle speichert eine Vielzahl Werten, QTILT,
die den Strömungsmittelfluß darstellen, der mit der hy
draulischen Kippschaltung assoziiert ist, die einer Viel
zahl von Schaftverschiebungswerten, TILT STEM, ent
spricht, und Druckdifferenzwerte, ΔP. Die Schaftverschie
bungswerte entsprechen direkt der Größe des elektrischen
Ventilsignals, welches die Schaftverschiebung der hydrau
lischen Kippschaltung steuert. Die Druckdifferenzwerte
werden gemäß der folgenden Gleichung berechnet:
ΔP = PUMP PRES - TPRES
wobei PUMP PRES die Pumpendruck-Signalgröße darstellt,
und wobei TPRES die Hydraulikzylinderdruck-Signalgröße
darstellt, die mit dem Kopfende des Kippzylinders 114 as
soziiert ist, und zwar entsprechend eines Abladevorgangs
oder mit dem Stangenende des Kippzylinders 114, ent
sprechend eines Füllvorgangs. Sobald der mit der hydrau
lischen Kippschaltung assozierte Strömungsmittelfluß,
QTILT, abgeleitet worden ist, kann dann der verfügbare
Strömungsmittelfluß zur hydraulischen Hebeschaltung,
QLIFT abgeleitet werden, und zwar gemäß der folgenden
Gleichung:
QLIFT = QPUMP - QTILT
wobei QPUMP den Fluß der Hauptwerkzeugpumpe 212 dar
stellt.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Skalie
rungsblockwerte, die PID-Verstärkungswerte und die Trans
formationsblockwerte aus 12 drei-dimensionalen Nachschau-Ta
bellen bestimmt (von denen nur sechs gezeigt sind).
Beispielsweise ist die darstellende Tabelle, die mit den
Skalierungsblockwerten assoziiert ist, die den Absenk- und
Abladevorgängen entsprechen, in Fig. 4 gezeigt. Genau
so ist die entsprechende Tabelle, die mit den Skalie
rungsblockwerten assoziiert ist, die den Hebe- und Füll
vorgängen entsprechen, in Fig. 5 gezeigt. Jede Tabelle
speichert eine Vielzahl von Skalierungswerten, die den
Zylinderkräften und einem verfügbaren Pumpenfluß entspre
chen. Beispielsweise wird eine der Fig. 4 ähnliche Tabel
le verwendet, um den Maximalgeschwindigkeitsbefehl zu be
stimmen, der mit dem Absenkvorgang assoziiert ist, und
eine weitere ähnliche Tabelle wird verwendet, um den Ma
ximalgeschwindigkeitsbefehl zu bestimmen, der mit dem Ab
ladevorgang assoziiert ist. Genau so wird eine Tabelle
ähnlich der Fig. 5 verwendet, um den Maximalgeschwindig
keitsbefehl zu bestimmen, der mit dem Hebevorgang asso
ziiert ist, und eine weitere ähnliche Tabelle wird ver
wendet, um den Maximalgeschwindigkeitsbefehl zu bestim
men, der mit dem Füllvorgang assoziiert ist. Es sei be
merkt, daß die Skalierungswerte ausgewählt werden, um ei
ne Sättigung des PID-Regelungssystems zu verhindern und
um vorteilhafte Hebelmodulationscharakteristiken für den
Bediener vorzusehen.
Die PID-Verstärkungswerte und Transformationsblockwerte
werden wie folgt bestimmt. Die Transformationsblockwerte
weisen zwei Variablen auf: Ventiltransformationstotband
und Ventiltransformationsverstärkung (VTGAIN). Das Ven
tiltransformationstotband hat unterschiedliche Werte ent
sprechend den Absenk/Füllvorgängen und den Hebe/Ablade
vorgängen. Somit wird das Ventiltransformationstotband
aus einer von vier Tabellen bestimmt (eine Tabelle je
weils für Füllen, Abladen, Anheben und Absenken), die den
in den Fig. 8 und 9 gezeigten ähnlich sind. Wie gezeigt
speichert jede Tabelle eine Vielzahl von Totbandwerten,
die den Zylinderkräften und dem Pumpenfluß entsprechen.
Die Totbandwerte werden ausgewählt, um maximal die Funk
tion der Hydraulikventile zu linearisieren.
Sobald das Ventiltransformationstotband bestimmt ist, kann
dann die Ventiltransformationsverstärkung, VTGAIN, aus
der folgenden Gleichung bestimmt werden:
(maximale Kolbenverschiebung - Totband)/maximaler Ge
schwindigkeitsfaktor
Nachdem die Ventiltransformationsverstärkung bestimmt
worden ist, können die PID-Verstärkungen bestimmt werden.
Beispielsweise werden die PID-Verstärkungen durch Multi
plizieren einer PID-Variable K mit jedem der Proportio
nal-Integral- und Derivativverstärkungswerten bestimmt.
Die PID-Variable wird durch die folgende Gleichung be
stimmt:
K = 1/(GAIN * VTGAIN)
Die Variable GAIN (Verstärkung) wird aus einer der vier
Tabellen bestimmt, ähnlich den in Fig. 6 und 7 gezeigten.
Wie gezeigt, speichert jede Tabelle eine Vielzahl von
GAIN- bzw. Verstärkungswerten, die den Zylinderkräften
und dem Pumpenfluß entsprechen. Die GAIN-Werte werden
ausgewählt, um weiter maximal die Funktion der Hydraulik
ventile zu linearisieren, und um ein Gesamtsteuersystem
mit einer Verstärkung von eins vorzusehen, beispielsweise
entspricht eine inkrementale Eingangsgröße einer äquiva
lenten inkrementalen Ausgangsgröße.
Ein weiteres Beispiel eines PID-Regelungssystems 400 ist
in Fig. 11 gezeigt. Hier schließt das PID-Regelungssystem
die Schleife zur Geschwindigkeit, genau so wie zur Posi
tion. Bei einem solchen System stellt der Bedienerbefehl
eine gewünschte bzw. Soll-Position dar, die mit der
Ist-Zylinderposition durch den Summierungsblock 405, 415 ver
glichen wird, um ein Positionierfehlersignal zu erzeugen.
Das Positionsfehlersignal wird dann mit einem GAIN- bzw.
Verstärkungswert Kp im Block 410, 420 multipliziert. Da
nach wird das Positionsfehlersignal in ein Geschwindig
keitsbefehlssignal über einen Begrenzungsblock 425, 430
umgewandelt, der das Geschwindigkeitsbefehlssignal auf
dem Maximalgeschwindigkeitsfaktor begrenzt. Das Geschwin
digkeitsbefehlssignal wird schließlich in ein elektri
sches Ventilsignal umgewandelt, und zwar in einer oben
beschriebenen Weise. Ein solches PID-Regelungssystem ist
zur autonomen Steuerung von Erdbewegungsmaschinen nütz
lich, die oft eine geregelte Position oder Geschwindig
keit fordern, um eine Störabweisung und ein hohes Niveau
an Genauigkeit zu bieten, während sie unter der Steuerung
einer Steuervorrichtung auf hohem Niveau stehen.
Während somit die vorliegende Erfindung insbesondere mit
Bezug auf das obige bevorzugte Ausführungsbeispiel ge
zeigt und beschrieben worden ist, wird dem Fachmann klar
sein, daß verschiedene zusätzliche Ausführungsbeispiele
in Betracht gezogen werden können, ohne vom Geiste und
Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Erdbearbeitungsmaschinen, wie beispielsweise Radlader
weisen Arbeitswerkzeuge auf, die durch eine Anzahl von
Positionen während eines Arbeitszyklusses bewegt werden
können. Der typische Arbeitszyklus, der mit einer Schau
fel assoziiert ist, weist eine Positionierung des Ausle
gers und der Schaufel in einer Grabposition zum Füllen
der Schaufel mit Material auf, eine Tragposition, eine
angehobene Position und eine Abladeposition zur Entfer
nung des Materials aus der Schaufel.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine
Vorrichtung vor, die ein PID-Regelungssystem (closed
loop) verwendet, um genau die Arbeitswerkzeuggeschwin
digkeit auf die vom Bediener erwünschten Geschwindig
keiten zu steuern bzw. einzustellen.
Es sei bemerkt, daß während die Funktion des bevorzugten
Ausführungsbeispiels in Verbindung mit dem Ausleger und
den damit assozierten Hydraulikschaltungen beschrieben
worden ist, die vorliegende Erfindung leicht zur Steue
rung der Position von Werkzeugen für andere Arten von
Erdbearbeitungsmaschinen anpaßbar ist. Beispielsweise
könnte die vorliegende Erfindung eingesetzt werden, um
Werkzeuge bei hydraulischen Grabmaschinen, Baggerladern
(backhoes) und ähnlichen Maschinen mit hydraulisch be
triebenen Werkzeugen zu steuern.
Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Er
findung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Of
fenbarung und den beigefügten Ansprüchen erhalten werden.
Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Eine Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits werkzeuges wird offenbart. Das Werkzeug ist mit einer Ar beitsmaschine verbunden und ist ansprechend auf den Be trieb eines Hydraulikzylinders beweglich. Die Vorrichtung weist einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel auf. Ein Bedienhebelpositionssensor fühlt die Position des Bedien hebels ab und erzeugt darauf ansprechend ein Bedienerbe fehlssignal, welches eine gewünschte Geschwindigkeit an zeigt. Ein Geschwindigkeitssensor fühlt die Geschwindig keit des Hebezylinders und der Kippzylinder ab und er zeugt darauf ansprechend jeweilige Zylinderge schwindigkeitssignale. Der Mikroprozessor empfängt die Zylindergeschwindigkeits- und Bedienerbefehlssignale, be stimmt die Differenz zwischen der tatsächlichen und ge wünschten Zylindergeschwindigkeit und erzeugt darauf an sprechend ein elektrisches Ventilsignal ansprechend auf die Geschwindigkeitsdifferenz. Ein elektro-hydraulisches Ventil empfängt das elektrische Ventilsignal und liefert steuerbar Hydraulikströmungsmittelfluß an den Hydrau likzylinder ansprechend auf die Größe des elektrischen Ventilsignals.
Eine Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits werkzeuges wird offenbart. Das Werkzeug ist mit einer Ar beitsmaschine verbunden und ist ansprechend auf den Be trieb eines Hydraulikzylinders beweglich. Die Vorrichtung weist einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel auf. Ein Bedienhebelpositionssensor fühlt die Position des Bedien hebels ab und erzeugt darauf ansprechend ein Bedienerbe fehlssignal, welches eine gewünschte Geschwindigkeit an zeigt. Ein Geschwindigkeitssensor fühlt die Geschwindig keit des Hebezylinders und der Kippzylinder ab und er zeugt darauf ansprechend jeweilige Zylinderge schwindigkeitssignale. Der Mikroprozessor empfängt die Zylindergeschwindigkeits- und Bedienerbefehlssignale, be stimmt die Differenz zwischen der tatsächlichen und ge wünschten Zylindergeschwindigkeit und erzeugt darauf an sprechend ein elektrisches Ventilsignal ansprechend auf die Geschwindigkeitsdifferenz. Ein elektro-hydraulisches Ventil empfängt das elektrische Ventilsignal und liefert steuerbar Hydraulikströmungsmittelfluß an den Hydrau likzylinder ansprechend auf die Größe des elektrischen Ventilsignals.
Claims (17)
1. Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits
werkzeuges einer Erdbewegungsmaschine mit einem Ver
brennungsmotor, wobei das Arbeitswerkzeug einen Aus
leger und eine Schaufel aufweist, die daran ange
bracht ist, wobei das Arbeitswerkzeug eine Vielzahl
von Arbeitsfunktionen aufweist, die eine Hebe- und
Absenkfunktion aufweisen, wobei der Ausleger durch
einen hydraulischen Hebezylinder betätigt wird, und
eine Ablade- und Füllfunktion, wobei die Schaufel
durch einen hydraulischen Kippzylinder geschwenkt
wird, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel;
Bedienhebelpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Position des Bedienhebels und um darauf ansprechend ein Bedienerbefehlssignal zu erzeugen;
Skalierungsmittel zum Empfang des Bedienerbefehls signals und zum Umwandeln des Bedienerbefehlssignals in ein Geschwindigkeitsbefehlssignal;
Zylindergeschwindigkeitsabfühlmittel zum Abfühlen der Geschwindigkeit der Hebe- und Kippzylinder und um darauf ansprechend jeweilige Zylindergeschwindig keitssignale zu erzeugen;
Steuermittel zum Empfang der Zylindergeschwindig keits- und Geschwindigkeitsbefehlssignale, um die Differenz zwischen der Zylindergeschwindigkeit und den Geschwindigkeitsbefehlssignalen zu bestimmen, und um darauf ansprechend ein elektrisches Ventilsi gnal ansprechend auf die Geschwindigkeitsdifferenz zu erzeugen; und
Ventilmittel zum Empfang des elektrischen Ventil signals und um steuerbar Hydraulikströmungsmittel fluß an die jeweiligen Hydraulikzylinder zu liefern, um die jeweiligen Hydraulikzylinder gemäß des Ge schwindigkeitsbefehlssignals zu bewegen.
einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel;
Bedienhebelpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Position des Bedienhebels und um darauf ansprechend ein Bedienerbefehlssignal zu erzeugen;
Skalierungsmittel zum Empfang des Bedienerbefehls signals und zum Umwandeln des Bedienerbefehlssignals in ein Geschwindigkeitsbefehlssignal;
Zylindergeschwindigkeitsabfühlmittel zum Abfühlen der Geschwindigkeit der Hebe- und Kippzylinder und um darauf ansprechend jeweilige Zylindergeschwindig keitssignale zu erzeugen;
Steuermittel zum Empfang der Zylindergeschwindig keits- und Geschwindigkeitsbefehlssignale, um die Differenz zwischen der Zylindergeschwindigkeit und den Geschwindigkeitsbefehlssignalen zu bestimmen, und um darauf ansprechend ein elektrisches Ventilsi gnal ansprechend auf die Geschwindigkeitsdifferenz zu erzeugen; und
Ventilmittel zum Empfang des elektrischen Ventil signals und um steuerbar Hydraulikströmungsmittel fluß an die jeweiligen Hydraulikzylinder zu liefern, um die jeweiligen Hydraulikzylinder gemäß des Ge schwindigkeitsbefehlssignals zu bewegen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zylinderge
schwindigkeitsabfühlmittel Mittel zum Abfühlen der
Linearposition der Hebe- und Kippzylinder aufweisen,
zum Erzeugen der jeweiligen Zylinderpositionssignale
und zum Differenzieren bzw. Ableiten der Positions
signale, um die Zylindergeschwindigkeitssignale zu
erzeugen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steu
ermittel ein entsprechendes Geschwindigkeitsfehler
signal erzeugen, und zwar ansprechend auf die Diffe
renz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehlssignal und
dem entsprechenden Zylindergeschwindigkeitssignal.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 3, wobei die Steuermittel
Mittel aufweisen, um das entsprechende Geschwindig
keitsfehlersignal mit Proportional-, Integral- und
Derivativverstärkungswerten zu multiplizieren, um
ein Geschwindigkeitssteuer- bzw. Geschwindigkeitsre
gelsignal zu erzeugen.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 4, wobei die Steuermittel
Mittel aufweisen, um das Geschwindigkeitssteuersig
nal in ein elektrisches Ventilsignal umzuwandeln.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 5, die einen Motorsensor
aufweist, der die Drehzahl des Verbrennungsmotors
abfühlt und ein Motordrehzahlsignal erzeugt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 6, die Zylinderdruckab
fühlmittel aufweist, um den Hydraulikdruck abzufüh
len, der mit den Hebe- und Kippzylindern assoziiert
ist, und um darauf ansprechend jeweilige Zylinder
drucksignale zu erzeugen.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 7, die Mittel aufweist,
um die Motordrehzahl- und Drucksignale zu empfangen,
und um die Proportional-, Integral- und Derivativ
verstärkungswerte zu modifizieren.
9. Vorrichtung zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits
werkzeuges einer Erdbewegungsmaschine mit einem Ver
brennungsmotor, wobei das Arbeitswerkzeug einen Aus
leger und eine daran angebrachte Schaufel aufweist,
wobei das Arbeitswerkzeug eine Vielzahl von Arbeits
funktionen aufweist, die eine Hebe- und Absenkfunk
tion aufweisen, wobei der Ausleger durch einen hy
draulischen Hebezylinder betätigt wird, und eine Ab
lade- und Auffüllfunktion, wobei die Schaufel durch
einen hydraulischen Kippzylinder geschwenkt wird,
wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:
einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel;
Bedienhebelpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Position des Bedienhebels und um darauf ansprechend ein Bedienerbefehlssignal zu erzeugen;
Zylinderpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Li nearposition der Hebe- und Kippzylinder, und um ent sprechende Zylinderpositionssignale zu erzeugen;
Mittel zum Empfang der Zylinderpositions- und Bedie nerbefehlssignale, zum Vergleichen der Zylinderposi tions- und der Bedienerbefehlssignale und zum Umwan deln des Signals in ein Geschwindigkeitsbefehls signal;
Zylindergeschwindigkeitsabfühlmittel zum Abfühlen der Geschwindigkeit der Hebe- und Kippzylinder und um darauf ansprechend jeweilige Zylindergeschwin digkeitssignale zu erzeugen;
Steuermittel zum Empfang des Zylindergeschwindig keitssignals und der Geschwindigkeitsbefehlssignale, zum Bestimmen der Differenz zwischen der Zylinderge schwindigkeit und den Geschwindigkeitsbefehlssigna len, und um darauf ansprechend ein elektrisches Ven tilsignal ansprechend auf die Geschwindigkeitsdiffe renz zu erzeugen; und
Ventilmittel zum Empfang des elektrischen Ventilsig nals und um steuerbar einen Hydraulikströmungsmit telfluß zu den jeweiligen Hydraulikzylindern (106, 114) zu liefern, um die jeweiligen Hydraulikzylinder gemäß des Geschwindigkeitsbefehlssignals zu bewegen.
einen vom Bediener gesteuerten Bedienhebel;
Bedienhebelpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Position des Bedienhebels und um darauf ansprechend ein Bedienerbefehlssignal zu erzeugen;
Zylinderpositionsabfühlmittel zum Abfühlen der Li nearposition der Hebe- und Kippzylinder, und um ent sprechende Zylinderpositionssignale zu erzeugen;
Mittel zum Empfang der Zylinderpositions- und Bedie nerbefehlssignale, zum Vergleichen der Zylinderposi tions- und der Bedienerbefehlssignale und zum Umwan deln des Signals in ein Geschwindigkeitsbefehls signal;
Zylindergeschwindigkeitsabfühlmittel zum Abfühlen der Geschwindigkeit der Hebe- und Kippzylinder und um darauf ansprechend jeweilige Zylindergeschwin digkeitssignale zu erzeugen;
Steuermittel zum Empfang des Zylindergeschwindig keitssignals und der Geschwindigkeitsbefehlssignale, zum Bestimmen der Differenz zwischen der Zylinderge schwindigkeit und den Geschwindigkeitsbefehlssigna len, und um darauf ansprechend ein elektrisches Ven tilsignal ansprechend auf die Geschwindigkeitsdiffe renz zu erzeugen; und
Ventilmittel zum Empfang des elektrischen Ventilsig nals und um steuerbar einen Hydraulikströmungsmit telfluß zu den jeweiligen Hydraulikzylindern (106, 114) zu liefern, um die jeweiligen Hydraulikzylinder gemäß des Geschwindigkeitsbefehlssignals zu bewegen.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 9, wobei die Steuermittel
ein entsprechendes Geschwindigkeitsfehlersignal er
zeugen, und zwar ansprechend auf die Differenz zwi
schen dem Geschwindigkeitsbefehlssignal und dem je
weiligen Zylindergeschwindigkeitssignal.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Steuermit
tel Mittel aufweisen, um das entsprechende Geschwin
digkeitsfehlersignal mit Proportional-, Integral- und
Derivativverstärkungswerten zu multiplizieren,
um ein Geschwindigkeitssteuer- bzw. Geschwindig
keitsregelsignal zu erzeugen.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Steuermit
tel Mittel aufweisen zur Transformation des Ge
schwindigkeitssteuer- bzw. -regelsignals in ein
elektrisches Ventilsignal.
13. Verfahren zur steuerbaren Bewegung eines Arbeits
werkzeuges einer Erdbewegungsmaschine mit einem Ver
brennungsmotor, wobei das Arbeitswerkzeug einen Aus
leger und eine Schaufel aufweist, die daran an
gebracht ist, wobei das Arbeitswerkzeug eine Viel
zahl von Arbeitsfunktionen aufweist, die eine Hebe- und
Absenkfunktion aufweisen, wo der Ausleger durch
einen hydraulischen Hebezylinder betätigt wird, und
einer Ablade- und Füllfunktion, wo die Schaufel
durch einen hydraulischen Kippzylinder geschwenkt
wird, wobei das Verfahren folgende Schritte auf
weist:
Erzeugen eines Bedienerbefehlssignals;
Empfangen des Bedienerbefehlssignals und Umwandeln des Bedienerbefehlssignals in ein Geschwindigkeits befehlssignal;
Abfühlen der Geschwindigkeit der Hebe- und Kippzy linder und darauf ansprechendes Erzeugen von jewei ligen Zylindergeschwindigkeitssignalen;
Empfang der Zylindergeschwindigkeits- und Geschwin digkeitsbefehlssignale, Bestimmen der Differenz zwi schen den Zylindergeschwindigkeits- und Geschwin digkeitsbefehlssignalen, und darauf ansprechendes Erzeugen eines elektrischen Ventilsignals anspre chend auf die Geschwindigkeitsdifferenz; und
Empfang des elektrischen Ventilsignals und steuer bares Liefern von Hydraulikströmungsmittelfluß an die jeweiligen Hydraulikzylinder, um die jeweiligen Hydraulikzylinder gemäß des Geschwindigkeitsbefehls signals zu bewegen.
Erzeugen eines Bedienerbefehlssignals;
Empfangen des Bedienerbefehlssignals und Umwandeln des Bedienerbefehlssignals in ein Geschwindigkeits befehlssignal;
Abfühlen der Geschwindigkeit der Hebe- und Kippzy linder und darauf ansprechendes Erzeugen von jewei ligen Zylindergeschwindigkeitssignalen;
Empfang der Zylindergeschwindigkeits- und Geschwin digkeitsbefehlssignale, Bestimmen der Differenz zwi schen den Zylindergeschwindigkeits- und Geschwin digkeitsbefehlssignalen, und darauf ansprechendes Erzeugen eines elektrischen Ventilsignals anspre chend auf die Geschwindigkeitsdifferenz; und
Empfang des elektrischen Ventilsignals und steuer bares Liefern von Hydraulikströmungsmittelfluß an die jeweiligen Hydraulikzylinder, um die jeweiligen Hydraulikzylinder gemäß des Geschwindigkeitsbefehls signals zu bewegen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, welches den Schritt auf
weist, ein Geschwindigkeitsfehlersignal ansprechend
auf die Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbe
fehlssignal und dem jeweiligen Zylindergeschwindig
keitssignal zu erzeugen.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, welches den
Schritt des Multiplizierens des entsprechenden Ge
schwindigkeitsfehlersignals mit proportionalen, in
tegralen und derivativen Verstärkungswerten auf
weist, um ein Geschwindigkeitssteuer- bzw. Geschwin
digkeitsregelsignal zu erzeugen.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 15, welches den Schritt
aufweist, das Geschwindigkeitssteuersignal in ein
elektrisches Ventilsignal umzuwandeln.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 16, welches die Schritte
aufweist, die hydraulischen Zylinderkräfte und den
verfügbaren Hydraulikströmungsmittelfluß zu den Zy
lindern zu bestimmen, und darauf ansprechend die
proportionalen, integralen und derivativen Verstär
kungswerte zu modifizieren.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US08/668,783 US5737993A (en) | 1996-06-24 | 1996-06-24 | Method and apparatus for controlling an implement of a work machine |
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ID=24683722
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