DE19800184A1 - System und Verfahren zur automatischen Schaufelbeladung unter Verwendung von Kraftvektoren - Google Patents
System und Verfahren zur automatischen Schaufelbeladung unter Verwendung von KraftvektorenInfo
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Description
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Steuersy
stem zur automatischen Steuerung eines Arbeitswerkzeuges
einer Erdbearbeitungsmaschine und insbesondere auf ein
elektrohydraulisches System, welches die Hydraulikzylin
der einer Erdbearbeitungsmaschine steuert, um die Größe
von Befehlssignalen ansprechend auf einen Kraftvektor
einzustellen, wenn man Material aufnimmt.
Arbeitsmaschinen zur Bewegung von Massengrößen von Erde,
Fels, Mineralien und anderem Material weisen typischer
weise ein Arbeitswerkzeug auf, welches zur Beladung kon
figuriert ist, wie beispielsweise eine Schaufel, die
steuerbar von mindestens einem Hub- und einem Kipphydrau
likzylinder betätigt wird. Ein Bediener betätigt das Ar
beitswerkzeug, um eine Sequenz von unterschiedlichen
Funktionen auszuführen. In einem typischen Arbeitszyklus
zur Beladung einer Schaufel manövriert der Bediener zu
erst nahe an einen Materialhaufen hin und richtet die
Schaufel nahe der Bodenoberfläche aus, dann leitet er die
Maschine nach vorne, um mit dem Haufen in Eingriff zu
kommen.
Der Bediener hebt darauffolgend die Schaufel durch den
Haufen, während er zur gleichen Zeit die Schaufel
"zurückkippt" (nach hinten kippt), um das Material auf
zunehmen. Wenn die Schaufel gefüllt ist oder aus dem Hau
fen freibricht, kippt der Bediener vollständig die Schau
fel zurück und hebt sie auf eine Ablade- bzw. Ablaßhöhe,
wobei er zurück vom Haufen fährt, um an eine spezielle
Ablagestelle zu fahren. Nach dem Abladen der Last wird
die Arbeitsmaschine zum Haufen zurückgebracht, um einen
weiteren Arbeitszyklus zu beginnen.
Es ist immer wünschenswerter, den Arbeitszyklus zu auto
matisieren, um die Ermüdung des Bedieners zu verringern,
und um wirkungsvoller die Schaufel zu beladen, und dort,
wo Zustände für einen menschlichen Bediener ungeeignet
sind. Herkömmliche automatisierte Beladungszyklen jedoch
unter Verwendung von vorbestimmten Positions- oder Ge
schwindigkeitsbefehlssignalen können ineffizient sein und
eventuell die Schaufel nicht vollständig beladen, und
zwar aufgrund der großen Vielzahl von Materialzuständen.
Stücke von verriegelnden bzw. sperrenden, zerbrochenen
Felsen, die durch Sprengen übrig gelassen werden, auf die
im folgenden als "Sprengfelsen" Bezug genommen wird, und
Sedimenterde, auf die im folgenden als hartgepackte Ma
terialien Bezug genommen wird, stellen spezielle heraus
fordernde Materialzustände dar. Leistungseinschränkungen
des Maschinenhydrauliksystems können auch die herkömm
liche automatische Beladung unmöglich machen, wenn die
Schaufelspitze größere Felsen antrifft.
Das US-Patent 3 782 572 von Gautler offenbart ein Hydrau
liksteuersystem, welches einen Hubzylinder steuert, um
einen Radkontakt mit dem Boden beizubehalten, und zwar
durch Überwachung des assoziierten Raddrehmomentes. Das
US-Patent 5 528 843 von Rocke offenbart ein Steuersystem
zur Aufnahme von Material, welches selektiv maximale Hub- und
Kippsignale liefert, und zwar ansprechend auf abge
fühlte Hydraulikdrücke. Die Internationale Anmeldung Nr.
WO 95/33896 von Daysys und andere offenbart das Umkehren
der Richtung des Strömungsmittelflusses an den Hydrau
likzylinder, wenn die Schaufelkräfte zulässige Grenzen
überschreiten. Keines der Systeme jedoch steuert variabel
die Größe der Befehlssignale, um wirkungsvoller Material
aufzunehmen.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines
oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung,
die automatische Beladung durch ein Arbeitswerkzeuges
vorzusehen.
Es ist ein weiteres Ziel, Signale vorzusehen, um die
Schaufel zur Aufnahme von Material zu steuern, insbeson
dere Sprengfelsen und harte Materialien.
Es ist noch ein weiteres Ziel, einen automatisierten Ar
beitszyklus für ein Werkzeug vorzusehen, der die Pro
duktivität gegenüber einem manuellen Beladungsvorgang
steigert.
Diese und andere Ziele können mit einem automatischen
Steuersystem erreicht werden, welches gemäß der Prinzi
pien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, um Ma
terial unter Verwendung eines Arbeitswerkzeuges zu laden,
und zwar gemäß eines Zielwinkels. Gemäß eines Aspektes
der vorliegenden Erfindung weist das System Sensoren auf,
die Signale ansprechend auf die Positionen und die Kräfte
erzeugen, die mit der Beladung der Schaufel eines Radla
ders assoziiert sind. Ein Befehlssignalgenerator empfängt
die Signale und erzeugt einen Kraftvektorwinkel, der die
Richtung der Maschine oder der Materialkräfte darstellt,
die auf die Schaufel wirken, der den Kraftvektorwinkel
mit einem Zielwinkel vergleicht, und der Hub- und Kippbe
fehlssignale ansprechend auf den Vergleich erzeugt.
Schließlich empfängt eine Werkzeugsteuervorrichtung die
Hubbefehlssignale und fährt steuerbar den Hubzylinder
aus, um die Schaufel durch das Material zu heben, und
empfängt die Kippbefehlssignale und bewegt steuerbar den
Kippzylinder, um die Schaufel zu kippen, um das Material
aufzunehmen.
Andere Details, Ziele und Vorteile der Erfindung werden
als gewisse vorliegende Ausführungsbeispiele davon und
als gewisse gegenwärtig bevorzugte Verfahren zur Ausfüh
rung derselbigen Vorgänge offensichtlich werden.
Eine vollständigere Erkenntnis dieser Erfindung kann er
reicht werden durch Bezugnahme auf die folgende detail
lierte Beschreibung, wenn sie in Verbindung mit den Be
gleitzeichnungen gesehen wird, in denen gleiche Bezugs
zeichen die gleichen oder ähnliche Komponenten bezeich
nen, in denen die Figuren folgendes darstellen:
Fig. 1 einen Radlader und eine entsprechende Schaufelver
bindung;
Fig. 2 ein Blockdiagramm eines elektrohydraulischen Sy
stems, welches zur automatischen Steuerung der
Schaufelverbindung verwendet wird; und
Fig. 3 ein Flußdiagramm einer Programmsteuerung, um auto
matisch Material aufzunehmen;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm, welches einen jeweili
gen Zielwinkel und Kraftvektorwinkel ver
anschaulicht, der die zusammengesetzte Kraftrich
tung darstellt, die auf die Schaufel wirkt;
Fig. 5 eine Kurvendarstellung, die einen Probenschaufel
spitzenpfad durch eingeschlossenen Fels gemäß ei
nes Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin
dung veranschaulicht;
Fig. 6 eine Kurvendarstellung, die ein nicht lineares Ge
schwindigkeitsansprechen veranschaulicht, welches
typischerweise innerhalb des Bereiches der manuel
len Steuersignale zu finden ist.
Mit Bezug auf die Zeichnungen und zuerst mit Bezug auf
Fig. 1 ist ein Vorderteil einer Radladermaschine 10 ge
zeigt, die ein Arbeitswerkzeug besitzt, welches eine
Schaufel 16 aufweist, die mit einer Hubarmanordnung 12
verbunden ist und eine Schaufelspitze 16a besitzt. Die
Hubarmanordnung 12 wird schwenkbar durch einen Hydraulik
hubzylinder 14 betätigt, und zwar um die Hubarmschwenk
stifte 13, die am Maschinenrahmen 11 angebracht sind. Hub
armlasttragschwenkstifte 19 sind an der Hubarmanordnung
12 und dem Hubzylinder 14 angebracht. Die Schaufel 16
wird nach hinten gekippt oder "rückgekippt" (racked), und
zwar durch einen Schaufelkipphydraulikzylinder 15 und
Schaufelschwenkstifte 17. Obwohl mit Bezug auf einen
durch Räder 18 bewegbaren Lader veranschaulicht, ist die
vorliegende Erfindung genauso auf andere Maschinen an
wendbar, wie beispielsweise auf Raupenlader und andere
Arbeitswerkzeuge zur Aufnahme von Material.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm eines elektrohydraulischen
Steuersystems 20 gemäß eines Ausführungsbeispiels der
vorliegenden Erfindung. Hub- und Kippositionssensoren 21
und 22 erzeugen jeweils Positionssignale ansprechend auf
die Position der Schaufel 16 relativ zum Rahmen 11 durch
Abfühlen der Kolbenstangenausdehnung bzw. -ausfahrbe
wegung der Hub- bzw. Kipphydraulikzylinder 14, 15. Radio
frequenz- bzw. Hochfrequenz-Resonanzsensoren, wie bei
spielweise jene, die im US-Patent 4 737 705 von Bitar und
andere offenbart werden, können für diesen Zweck verwen
det werden, oder alternativ kann die Position direkt aus
Arbeitswerkzeugverbindungswinkelmessungen abgeleitet wer
den, und zwar unter Verwendung von Drehpotentiometern,
Yo-Yo-Vorrichtungen oder ähnlichem, um die Drehung an den
Schwenkstiften 13 und 17 zu messen.
Kraftsensoren 24, 25 und 26 erzeugen Signale, die die
Kräfte darstellen, die auf die Schaufel 16 ausgeübt wer
den, und zwar entweder von der Maschine 10 oder dem äqui
valenten entgegengesetzten Widerstand des geladenen Mate
rials. Die Signale basieren vorzugsweise auf abgefühlten
Hydraulikdrücken in den Hub- und Kipphydraulikzylindern.
Der Hubzylinder ist während der Beladung nicht zurückge
zogen bzw. eingefahren, daher ist ein Sensor nur am Kopf
ende des Zylinders vorgesehen, und zwar typischerweise
orientiert um eine Aufwärtsbewegung vorzusehen. Sensoren
sind jedoch vorzugsweise sowohl an den Kopf- als auch an
den Stangenenden des Kippzylinders vorgesehen, um Kraft
bestimmungen sowohl während des Rückkippens (racking) als
auch des Vorkippens (unracking) der Schaufel zu gestat
ten. Die Drucksignale werden in entsprechende Kraftwerte
umgewandelt, und zwar durch Multiplikation mit einem Ver
stärkungsfaktor, der die jeweiligen Querschnittsflächen
A der Kolbenenden darstellt. Die repräsentative Kippzy
linderkraft FT entspricht der Differenz zwischen dem Pro
dukt des Kopfenddruckes und der Fläche und dem Produkt
des Stangenenddruckes und der Fläche:
FT = PH . AH - PR . AR
Gemäß eines alternativen Ausführungsbeispiels können Hy
draulikdrucksensoren durch Lastzellen bzw. Kraftmeßdosen
oder ähnliche Vorrichtungen ersetzt werden, um Signale zu
erzeugen, die die mechanischen Kräfte darstellen, die an
den Verbindungen auf das Arbeitswerkzeug wirken.
Die Positions- und Kraftsignale können an eine Signalkon
ditioniervorrichtung 27 zur herkömmlichen Signalerregung
und -filterung geliefert werden, werden jedoch dann an
den Befehlssignalgenerator 28 geliefert. Der Befehls
signalgenerator 28 ist vorzugsweise ein mikroprozes
sorbasiertes System, welches arithmetische Einheiten ver
wendet, um ein Signal zu erzeugen, welches jene nachbil
det, die von Joystick- bzw. Bedienhebelsteuerhebeln 30
gemäß im Speicher gespeicherten Softwareprogrammen er
zeugt werden.
Durch Nachbilden von Befehlssignalen, die eine gewünschte
Hub/Kippzylinderbewegungsrichtung und -geschwindigkeit
darstellen, die normalerweise von Steuerhebeln 30 gelie
fert werden, kann die vorliegende Erfindung vorteilhaf
terweise auf bestehende Maschinen nachgerüstet werden,
und zwar durch Verbindung mit der Werkzeugsteuervorrich
tung 29 parallel oder in Zusammenwirkung mit den manuel
len Steuerhebeleingangsgrößen. Alternativ kann eine inte
grierte elektrohydraulische Steuervorrichtung vorgesehen
werden, und zwar durch Kombinieren des Befehls
signalgenerators 28 und einer programmierbaren Werkzeug
steuervorrichtung 29 in einer einzigen Einheit, um die
Anzahl der Komponenten zu verringern.
Ein Maschinenbediener kann optional Steuerspezifikationen
bzw. -einstellungen eingeben, wie beispielsweise Mate
rialzustandseinstellungen, die im folgenden besprochen
werden, und zwar durch eine Bedienerschnittstelle 31, wie
beispielsweise eine alphanumerische Tastatur, Anzeige- bzw.
Wählvorrichtungen, Schalter oder einen berührungs
empfindlichen Anzeigeschirm.
Die Werkzeugsteuervorrichtung 29 weist hydraulische Steu
erschaltungen auf, um Ventile 32, 33 zu öffnen und zu
schließen, um den hydraulischen Fluß zu den jeweiligen
Hub- und Kipphydraulikzylindern zu steuern, und zwar in
Proportion zu empfangenen Befehlssignalen in einer Weise,
die dem Fachmann wohlbekannt ist.
Im Betrieb steuert der Befehlssignalgenerator 28 die
Schaufelbewegung basierend auf Differenzen zwischen einem
berechneten Zielwinkel und dem Winkel eines Kraftvektors,
der die tatsächlichen Kräfte darstellt, die an einem
Punkt auf die Schaufel wirken, und zwar abgeleitet von
empfangenen Schaufelpositions- und -kraftsignalen unter
Verwendung der bekannten Geometrie des Arbeitswerkzeuges.
Die Arbeitsmaschine bewegt sich typischerweise vorwärts
auf den Rädern 18 durch den Arbeitszyklus, daher werden
zusätzliche Werte abgefühlt, die die Maschinenfahrge
schwindigkeit S und das Antriebsstrangdrehmoment dar
stellen, welches von der Arbeitsmaschine erzeugt wird.
Das Drehmoment T, welches an die Räder 18 geliefert wird,
ist eine Funktion des Verhältnisses der abgefühlten Wer
te, die die Motordrehzahl und die Drehmomentwandleraus
gangsdrehzahl für ein automatisches Getriebe darstellen,
und kann unter Verwendung einer Nachschautabelle abge
leitet werden. Die Maschinendrehzahl S kann direkt an ei
ner Achse oder einem Getriebeausgang abgefühlt werden,
wird jedoch vorzugsweise aus der Drehmomentwandleraus
gangsdrehzahl basierend aus einer bekannten Getriebe
schalthebelposition abgeleitet.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm eines bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiels der Erfindung, welche in Programmlogik
ausgeführt werden kann, die durch den Befehlssignal
generator 28 ausgeführt wird. In der Beschreibung des
Flußdiagramms bezieht sich die funktionelle Erklärung,
die mit Bezugszeichen in Winkelklammern bezeichnet wird,
<nnn<, auf Blöcke, die die Nummern tragen.
Die Programmsteuerung beginnt anfänglich mit einem
Schritt <100<, wenn eine MODE-Variable auf IDLE gesetzt
wird (IDLE = Leerlauf). MODE (Mode = Betriebszustand)
wird ansprechend darauf auf IDLE gesetzt, daß der Bedie
ner einen Schalter betätigt, um die automatisierte Schau
felbeladungssteuerung einzuschalten und im wesentlichen
die Schaufel nahe der Erdoberfläche ausrichtet. Eine
Schaufelposition, die von den Hub- und Kippzylinder- oder
Schwenkstiftpositionssignalen abgeleitet wird, wird ver
wendet, um zu bestimmen, ob der Schaufelboden im wesent
lichen waagerecht bzw. bündig ist, wie beispielsweise in
nerhalb plus oder minus 10° horizontaler Neigung bei ge
gebener Hubhöhe. Zusätzlich abgefühlte Werte, die über
wacht werden können, um sicherzustellen, daß die automa
tische Schaufelbeladung nicht zufällig in Eingriff ge
bracht bzw. eingeschaltet wird oder unter unsicheren Zu
ständen, weisen folgende auf:
- - Maschinendrehzahl innerhalb eines vorbestimmten Berei ches, wie beispielsweise zwischen einem Drittel der obe ren Drehzahl im ersten Gang und weniger als der oberen Drehzahl im zweiten Gang.
- - Steuerhebel 30 im wesentlichen in einer zentrierten, neutralen Position (ein kleiner Abwärtsbefehl kann zu gelassen sein, um eine Bodenreinigung zu gestatten)
- - Getriebeschalthebel in einem niedrigen Vorwärtsgang, beispielsweise erster bis dritter.
Der Bediener lenkt dann die Maschine in den Materialhau
fen, vorzugsweise nahe bei voller Drosselstellung, wäh
rend die Programmsteuerung das Drehmoment T oder die Hub
zylinderkraft FL überwacht, um zu bestimmen, wann die Ma
schine den Haufen berührt hat <102<. MODE bzw. der Be
triebszustand wird auf START gesetzt <104<, wenn der Be
fehlssignalgenerator 28 bestimmt, daß das Drehmoment
niveau einen Einstellpunkt A überschritten hat und weiter
steigt, während die Maschinenfahrgeschwindigkeit fällt.
Sobald er im START-Betriebszustand (START MODE) ist, sen
det der Befehlssignalgenerator 28 optional einen Herun
terschaltbefehl an eine Getriebesteuervorrichtung, um zu
bewirken, daß das Getriebe in einen niedrigeren Gang ge
bracht wird, und zwar durch eine (nicht gezeigte) automa
tische Abwärtsschaltroutine, um die Maschinencharakte
ristiken an die gewünschte Aggressivität oder den Mate
rialzustand anzupassen. Im START-Betriebszustand <104<
wird ein maximales Hubbefehlssignal erzeugt, um zu bewir
ken, daß die Werkzeugsteuervorrichtung 29 den Hubzylinder
mit maximaler Geschwindigkeit aus fährt und beginnt, die
Schaufel durch den Haufen zu heben, wodurch eine ausrei
chende Abwärtskraft erzeugt wird, um die Vorderräder zu
belasten und die Traktion aufrechtzuerhalten.
Wenn die Schaufel durch das Material gehoben wird, wäh
rend die Maschine weiter nach vorne gefahren wird, auf
was im folgenden als Massendurchdringung (crowding) des
Haufens Bezug genommen wird, wird die auf die Schaufel
aufgebrachte Energie E akkumuliert und mit einem Ein
stellpunkt B verglichen, um zu bestimmen, wann der Haufen
vollständig in Eingriff gebracht worden ist <106<. Die
Energie E kann als die inkrementellen Summen der hori
zontalen Arbeit ΣFxdx, der vertikalen Arbeit ΣFydy und
der Rotationsarbeit ΣMθdθ an einem Punkt der Schaufel be
rechnet werden wie beispielsweise am Schwenkstift 17.
Die Ausdehnungen der Hub- und Kippzylinder 14, 15 zeigen
die entsprechende Bewegung der Hubarmanordnung 12 und der
Schaufel 16 an, die, wenn sie mit Hydraulikdrücken kombi
niert werden, auch die aufgebrachten Kräfte an den An
bringungspunkten anzeigen. Es ist offensichtlich, daß
diese Kräfte und Bewegungen in ähnlicher Weise in hori
zontale, vertikale und Drehkomponentenkräfte und -be
wegungen am Schwenkpunkt 17 übertragen und auseinan
dergenommen werden können. Eine zusätzliche horizontale
Komponente, die die inkrementelle Bewegung der gesamten
Anordnung 12 relativ zum Haufen darstellt, wird leicht
aus dem oben beschriebenen Maschinendrehmoment und der
Drehzahl abgeleitet.
Es ist herausgefunden worden, daß zum Zwecke der Bestim
mung, wann die Schaufel vollständig mit dem Haufen in
Eingriff ist, es ausreichend ist, einfach die horizontale
Arbeit ΣFxdx zu berechnen. Ein akkumuliertes Energieni
veau, welches ausreicht, um erkennen zu lassen, daß die
Schaufel mit dem Haufen in Eingriff gekommen ist, kann
experimentell für eine spezielle Maschinengröße bestimmt
werden, es wird jedoch angenommen, daß ein Bereich von
ungefähr 20-30 Joule in Skalenmodelleinheiten genau vor
hersagt, wann die Schaufel mit dem Haufen in Eingriff ge
kommen ist. Eine Skalenmodelleinheit bezieht sich auf ei
ne Schaufel von ungefähr 12'' mal 4'', grob gesagt zwischen
einem Achtel und einem Zwölftel einer Standardrad
laderschaufelgröße. Eine Umwandlung kann ausgeführt wer
den durch Multiplizieren der Skalenmodelleinheiten mit
dem Kubik des Skalierungsfaktors.
Anstelle der akkumulierten Energie kann Drehmoment oder
Hubkraft alternativ kontinuierlich mit einem Einstell
punkt C verglichen werden, und zwar im Schritt <106<, um
zu bestimmen, wann die Schaufel vollständig mit dem Hau
fen in Eingriff gekommen ist. Um sicherzustellen, daß die
Schaufel mit dem Haufen in Eingriff gekommen ist, und daß
die augenblickliche Drehmoment- oder Hubkraftauslesung
nicht ein Ergebnis einer Druckspitze war, bestimmt die
Programmsteuerung darauffolgend, ob der abgefühlte Wert
für eine gegebene Dauer größer als der Einstellpunkt
bleibt, und zwar nachdem die automatische Schaufelbela
dung beginnt.
Wenn die akkumulierte Energie noch nicht einen Einstell
punkt B überschreitet, oder das Drehmoment oder die Hub
kraft nicht einen Einstellpunkt C für eine gegebene Dauer
überschreiten, kehrt der Befehlssignalgenerator 28 zum
Schritt <104< zurück und erzeugt weiter einen Hubbefehl.
Anderenfalls wird MODE bzw. der Betriebszustand auf DIG
bzw. Graben im Schritt <108< eingestellt, und der Be
fehlssignalgenerator 28 beginnt, den Winkel eines Kraft
vektors entsprechend der tatsächlichen Kräfte zu berech
nen, die an einem Referenzpunkt P auf die Schaufelspitze
16a wirken.
Mit Bezug auf Fig. 4 wird die Richtung und die Größe ei
nes Kraftvektors 50, der den Grabwiderstand darstellt,
der auf einen Referenzpunkt P wirkt, als gleich und ent
gegengesetzt zu einem Kraftvektor behandelt, der auf den
gleichen Punkt wirkt, und zwar abgeleitet vom Raddrehmo
ment und den Hub- und Kippzylinderdrücken und -aus
dehnungen. Die zuvor erwähnte Berechnung eines tatsächli
chen Kraftvektors weist die Übertragung von verschiedenen
Kräften auf, die durch die Hubarmanordnung 12 auf die
Schaufel 16 wirken, und zwar zu einem Referenzpunkt, und
eine Auflösung in ihre Komponententeile. Die präzisen Be
rechnungen hängen von der speziellen Maschinenkonfigura
tion ab, werden jedoch als auf dem Niveau der normalen
Fähigkeiten in der Technik betrachtet und werden nicht
weiter dargestellt.
Um die Erklärung der vorliegenden Erfindung zu vereinfa
chen, wird ein horizontaler Kraftvektor relativ entweder
zum Schaufelboden oder zum Maschinenfahrgestell hier als
mit einem Winkel von 0 definiert, während ein vertikaler
Kraftvektor mit einem Winkel von Π/2 rad definiert wird.
Im Schritt <110< erzeugt der Befehlssignalgenerator 8 ein
Fehlersignal θERR durch Abziehen eines Zielwinkels θT vom
Vektorwinkel θF, berechnet aus den tatsächlichen Kräften.
Das Fehlersignal wird dann mit einem Gain- bzw. Verstär
kungsfaktor multipliziert, um die Geschwindigkeits
befehlssignale zu modifizieren, die an die Steuer
vorrichtung 29 geliefert werden, um die Ventile 32, 33 zu
positionieren, die Hydraulikströmungsmittel an die Hub- und
Kippzylinder 14, 15 liefern. Der Zielwinkel θT wird
kontinuierlich gesteigert, und zwar als eine Funktion der
akkumulierten Energie E, wie unten beschrieben, um
schnell auf Veränderungen der Grabzustände anzusprechen.
Beim gegenwärtigen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
das Kippzylindergeschwindigkeitsbefehlssignal zum Zurück
kippen der Schaufel mit dem Quadrat des Fehlersignals
θERR gesteigert, und zwar multipliziert mit einem Ver
stärkungsfaktor K1, wenn der Zielwinkel θT geringer ist
als der tatsächliche Kraftvektorwinkel K1. Diese Form der
Kippkorrektur tendiert dazu, schnell große Differenzen zu
korrigieren, während sie kleine nahezu ignoriert. Das
Kippzylindergeschwindigkeitsbefehlssignal andererseits
wird verringert durch Abziehen des Fehlersignals θERR
multipliziert mit einem Verstärkungsfaktors K2 von einem
vorbestimmten konstanten Hubgeschwindigkeitssignal. Wenn
der Zielwinkel θT größer als der Vektorwinkel θF ist,
wird das Kippzylindergeschwindigkeitsbefehlssignal ver
ringert, während das Hubzylindergeschwindigkeitsbefehls
signal gesteigert wird. Dies ist in gewisser Weise gegen
die Intuition, und zwar dahingehend, daß sich die Schau
felspitze weg von der Kraft bewegt, um sie zu steuern.
Die zuvor erwähnten Kippgeschwindigkeitsbefehlssignale
sind festgelegten maximalen Grenzen unterworfen, um
schnelle Oszillationen zu unterdrücken. Die maximale Ge
schwindigkeit wird vorzugsweise auf der Basis einer Ma
terialzustandseinstellung bestimmt, die die Schwierigkeit
der Beladung für ein spezielles aufzunehmendes Material
darstellt. Eine relativ niedrige maximale Kippgeschwin
digkeit von ungefähr 0,2 rad/s ist als nützlich zum Laden
von Sprengfelsen bestimmt worden, während sich eine maxi
male Kippgeschwindigkeit von ungefähr 0,6 rad/s als wir
kungsvoller zum Laden von Erbs- bzw. Rollkies erwiesen
hat.
Gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfin
dung wird der Zielwinkel θF linear als eine Funktion der
akkumulierten Energie gesteigert, und zwar gemäß der fol
genden Beziehung:
θT = m . E + b
wobei m und b jeweilige Konstanten sind, die basierend
auf dem Materialzustand ausgewählt werden. Beispielsweise
sieht eine Steigung von m = 0,007 einen geringfügig weni
ger aggressiven Ansatz vor als eine Neigung von m =
0,005, da sich der Zielwinkel schneller ansprechend auf
höhere Gradenergien verändert. Der Schnittpunkt bzw.
Nulldurchgang b wird ausgewählt, um einen hohen Anfangs
zielwinkel in losem Material für schnelleres Zurückkippen
zu erzeugen. Obwohl die Erfindung unter Verwendung einer
linearen Beziehung zwischen dem Zielwinkel und der akku
mulierten Energie veranschaulicht worden ist, ist es
leicht offensichtlich, daß der Zielwinkel statt dessen un
ter Verwendung einer nicht linearen Funktion berechnet
werden könnte, oder schrittweise unter Verwendung einer
Nachschautabelle, ohne vom Geiste der vorliegenden Er
findung abzuweichen.
Die speziellen Werte, die für die Steigung m und den
Energieachsenschnittpunkt b verwendet werden, können
durch den Bediener auswählbar sein, um die Aggressivität
der Schaufelbeladung zu steuern, und zwar auf der Basis
einer Materialzustandseinstellungseingangsgröße durch
Schalter auf der Bedienerschnittstelle 31. Die Material
zustandseinstellung kann statt dessen während jedem Ar
beitszyklus automatisch bestimmt werden, und zwar unter
Verwendung von akkumulierten Energieniveaus. Beispiels
weise kann eine Default- bzw. Voreinstellung für ein re
lativ aggressives Laden von losem Material anfänglich
verwendet werden, und zwar mit einer entsprechenden rela
tiv niedrigen Steigung m, und kann dann modifiziert wer
den, wenn sich die Schaufel nicht mindestens um einen ge
gebenen Abstand bewegt, wenn die akkumulierte Energie um
ein vorbestimmtes Ausmaß steigt. In dieser Weise würde
die Rate, mit der der Zielwinkel in Proportion zur akku
mulierten Energie steigt, definiert als die Steigung m,
dann gesteigert werden, wenn die Schaufel sich nicht wie
erwartet für eine gegebene Energieeingangsgröße bewegen
könnte. In anderen Worten wird der Befehlssignalgenerator
28 durch Steigerung der Steigung der Zielwinkelfunktion
bei harten Punkten leichter "aufgeben".
Während die Kippgeschwindigkeit gelegentlich einen nega
tiven Wert haben kann (Vorkippen), darf die Hubgeschwin
digkeit nicht unter Null während des Beladungsteils des
Arbeitszyklus fallen. Typischerweise werden die Steuer
vorrichtung und assoziierte Ventile mit einer "Kipp-
Priorität" eingerichtet, die sicherstellt, daß der Kipp
zylinder von der Pumpe eine adequate Versorgung von Hy
draulikströmungsmittel empfängt, um die erforderliche Ge
schwindigkeit zu erzeugen, bevor unter Druck gesetztes
Strömungsmittel an den Kippzylinder geliefert wird. Folg
lich kann sich der Hubzylinder während Teilen des Arbeits
zyklus überhaupt nicht ausdehnen, bei denen der Kippbe
fehl einen gewissen Teil der vollen Kippung über
schreitet, außer ein Hubbefehl ist erzeugt worden. Ein
Absterbezustandsmerkmal, aktiviert, wenn der Hubdruck ei
nen Einstellpunkt G überschreitet, kann optional den
Zielwinkel auf Π/2 rad setzen, um zeitweise Strömungs
mitteldruck nur auf den Kippzylinder zu liefern.
Nach dem Modifizieren der Hub- und Kippgeschwindigkeits
befehlssignale bestimmt der Befehlssignalgenerator 28 in
einem Schritt <112<, ob die Schaufel voll genug ist, um
den DIG- bzw. Grabbetriebszutandsteil des Arbeitszyklus
zu beenden. Falls nicht, kehrt der Befehlssignalgenerator
28 zum Schritt <108< zurück, um zusätzliche Iterationen
zur Berechnung eines Kraftvektors und Zielwinkels aus zu
führen, um die Geschwindigkeitsbefehlssignale zu modifi
zieren. Wenn im Schritt <112< die Schaufel 16 als voll
genug bestimmt wird, dann erzeugt der Befehlssignalgene
rator 18 im Schritt <114< Befehlssignale, um zu bewirken,
daß sich der Kippzylinder mit maximaler Geschwindigkeit
ausdehnt, und zwar optional gefolgt von Signalen zum Aus
fahren des Hubzylinders mit maximaler Geschwindigkeit auf
eine gegebene Höhe bis zu einer maximalen Ausdehnung. Der
Befehlssignalgenerator 28 bestimmt im Schritt <112<, ob
die Schaufel voll genug ist, und zwar durch Vergleichen
der Hub- und/oder Kippzylinderausdehnungen mit Einstell
punkte, die folgendes aufweisen:
- - Ob die Ausdehnung des Kippzylinders größer ist als ein Einstellpunkt E, wie beispielsweise 0,75 rad, was an zeigt, daß die Schaufel fast vollständig zurückgekippt ist.
- - Ob die Ausdehnung des Hubzylinders größer als ein Ein stellpunkt F ist, was anzeigt, daß die Schaufel wahr scheinlich aus dem Haufen freigebrochen ist.
- - Ob die Beladungszeitgrenze überschritten worden ist.
- - Ob der Bediener die manuelle Steuerung durch Bewegung eines der Steuerhebel 30 aus dem Neutralbereich einge leitet hat.
Zusätzlich kann die akkumulierte Energie überprüft wer
den, um zu bestimmen, ob die Schaufel als voll angesehen
werden sollte. Ein akkumuliertes Energieniveau im Bereich
von 80-90 Joule in Skalenmodelleinheiten ist als reprä
sentativ für eine volle Schaufellung für Felsen gefunden
worden. Wenn eines oder mehrere der obigen oder ähnlicher
Kriterien erfüllt wird, dann wird gesagt, daß die Schau
fel im wesentlichen gefüllt ist.
Alternativ kann ein Betriebszustand PHASENENDE (FINISH
PHASE) im Schritt <114< eingestellt werden, wodurch der
Zielwinkel schnell als eine Funktion von sowohl dem lau
fenden Schaufelwinkel θB als auch der akkumulierten Ener
gie gesteigert wird, und zwar entsprechend der Formel:
θT = m . E + b . θB
Merkmale und Vorteile, die mit der vorliegenden Erfindung
assoziiert sind, werden am besten durch Beschreibung ih
res Betriebs mit Bezug auf Radlader veranschaulicht. So
bald die automatische Schaufelsteuerung das erste Mal an
sprechend auf überwachte Drehmomentniveaus eingeleitet
wird, überwacht der Befehlssignalgenerator das Antriebs
strangdrehmoment und die Kräfte auf den Hub- und Kipp
zylindern, um zu bestimmen, wann die Schaufel vollständig
mit dem Haufen in Eingriff steht. Sobald der Haufen voll
ständig in Eingriff steht, sendet der Befehlssignalgene
rator Signale an die Steuervorrichtung, um kontinuierlich
den Angriffswinkel zu variieren, und zwar ansprechend auf
die akkumulierte Energie.
Wie beschrieben, variiert der Befehlssignalgenerator 28
die Hub- und Kippzylinderbefehlssignale, die an die Steu
ervorrichtung geliefert werden, und zwar innerhalb gewis
ser Maximalwerte, um die Hub- und Kippzylinderkräfte in
einen wirksamen Winkel ansprechend auf die angetroffene
Schwierigkeit des Grabens beizubehalten. Wenn bei
spielsweise eine spezielle Schwierigkeit an einem Punkt
während eines Grabzyklus angetroffen wird, und zwar an
gezeigt durch eine schnelle Steigerung der akkumulierten
Energie und folglich des Zielwinkels, wird die Rate, mit
der die Schaufel zurückgekippt wird, schnell proportional
zur Hubrate sinken, so daß der Befehlssignalgenerator
einfacher bei einem harten Teil des Haufens aufgeben wird
als weiter zu drücken und zu tief einzudringen. Gleich
zeitig wird eine schnelle Senkung der akkumulierten Ra
tenenergie dazu tendieren, die Hubrate proportional zur
Kipprate zu senken, und zu verhindern, daß die Schaufel
aus dem Haufen zu schnell "ausbricht". Die vorliegende
Erfindung ist insbesondere nützlich zum Laden von Spreng
felsen, der dazu tendiert, sich entlang scharfer Winkel
kanten zu verriegeln, und von hartem zusammengeklumpten
Material, und zwar aufgrund ihrer Fähigkeit, weit vari
ierende Grabzustände auszugleichen.
Fig. 5 veranschaulicht die horizontale gegenüber der ver
tikalen Bewegung entsprechend eines Probenschaufel
spitzenpfades, wenn man eingeschlossenen Felsen mit einem
Inch gemäß der vorliegenden Erfindung lädt. Eingeschlos
sener Felsen (trap rock) simuliert mit einer skalierten
Größe die schwierigen Grabumstände, die angetroffen wer
den, wenn man ineinander verriegelte oder verkeilte Hau
fen von Sprengfelsen lädt, die vom Sprengen übrig blei
ben. Eine Reihe von Beulen 60, 62, 64 und 66 veranschau
lichen die Weise, in der die vorliegende Erfindung die
Schaufelspitze ansprechend auf das Detektieren von Kraft
vektorwinkeln "hin- und herwackelt", um wirkungsvoll das
Material zu laden.
Fig. 6 veranschaulicht ein nicht lineares Geschwindig
keitsansprechen der Werkzeugsteuervorrichtung 29 und der
Hydraulikzylinder 14, 15 an den Endpositionen 70, 72 der
Steuerhebel 30. Unter manueller Steuerung ist diese
Nicht-Linearität von geringer Konsequenz, da der Bediener
typischerweise nur große Geschwindigkeitsveränderungen
unterscheiden kann und darauf reagieren kann. Bei der
vorliegenden Erfindung jedoch ist es wünschenswert, rela
tiv kleine vorhersagbare Veränderungen der Hydrau
likzylindergeschwindigkeit vornehmen zu können, um sanft
auf die tatsächlichen Kraftvektoren anzusprechen. Ent
sprechend ist gemäß eines weiteren Aspektes der vorlie
genden Erfindung die Werkzeugsteuervorrichtung 29 mit ei
ner Regelsteuerung (closed loop) oder einer Fabrikkali
brierung versehen, um sicherzustellen, daß das Hub- und
Kippzylinderansprechen vorhersagbar proportional zu Ge
schwindigkeitsbefehlen ist, die durch den Befehlssignal
generator 28 erzeugt werden.
Während gewisse vorliegende bevorzugte Ausführungsbei
spiele der Erfindung und gewisse vorliegende bevorzugte
Verfahren zur Ausführung dieser hier veranschaulicht und
beschrieben worden sind, sei es ausdrücklich erwähnt, daß
die Erfindung nicht darauf eingeschränkt ist, sondern in
anderer Weise verschiedentlich innerhalb des Umfangs der
folgenden Ansprüche verkörpert und praktisch ausgeführt
werden soll.
Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Ein elektrohydraulisches Steuersystem zur Beladung einer Schaufel einer Arbeitsmaschine weist Sensoren auf, um Si gnale zu erzeugen, die die Schaufelposition und -kräfte darstellen. Ein Befehlssignalgenerator empfängt die Sig nale und berechnet einen Zielwinkel auf der Basis der ak kumulierten Energie und einen Kraftvektorwinkel, der die tatsächlichen Kräfte darstellt, die an einem Referenz punkt an der Schaufel erzeugt werden. Hub- und Kipp befehlssignale werden ansprechend auf Unterschiede zwi schen den Zielwinkeln und den tatsächlichen Winkeln mo difiziert, und werden verwendet, um steuerbar den Hub zylinder auszufahren, um die Schaufel durch das Material zu heben, während die Schaufel mit Raten zurückgekippt wird, die berechnet sind, um wirkungsvoll das Material aufzunehmen.
Ein elektrohydraulisches Steuersystem zur Beladung einer Schaufel einer Arbeitsmaschine weist Sensoren auf, um Si gnale zu erzeugen, die die Schaufelposition und -kräfte darstellen. Ein Befehlssignalgenerator empfängt die Sig nale und berechnet einen Zielwinkel auf der Basis der ak kumulierten Energie und einen Kraftvektorwinkel, der die tatsächlichen Kräfte darstellt, die an einem Referenz punkt an der Schaufel erzeugt werden. Hub- und Kipp befehlssignale werden ansprechend auf Unterschiede zwi schen den Zielwinkeln und den tatsächlichen Winkeln mo difiziert, und werden verwendet, um steuerbar den Hub zylinder auszufahren, um die Schaufel durch das Material zu heben, während die Schaufel mit Raten zurückgekippt wird, die berechnet sind, um wirkungsvoll das Material aufzunehmen.
Claims (20)
1. Steuersystem zur automatischen Steuerung einer
Schaufel einer Erdbewegungsmaschine, um Material
aufzunehmen, wobei die Schaufel steuerbar durch ei
nen hydraulischen Hubzylinder und einen Kippzylinder
betätigt wird, wobei das System folgendes aufweist:
Druckabfühlmittel zur Erzeugung von Drucksignalen ansprechend auf die jeweiligen Hydraulikdrücke, die mit den Hub- und Kippzylindern assoziiert sind;
Positionsabfühlmittel zur Erzeugung von Positions signalen, die die jeweiligen Ausdehnungen der Hub- und Kippzylinder darstellen;
Befehlssignalerzeugungsmittel zum Empfang der Posi tions- und Drucksignale, und um darauf ansprechend korrelative Kraftvektorwinkel zu berechnen, die die zusammengesetzten Kräfte darstellen, die an einem Referenzpunkt auf die Schaufel wirken, und die Zy lindergeschwindigkeitsbefehlssignale erzeugen, und zwar ansprechend auf Unterschiede zwischen den Kraftvektorwinkeln und den Zielwinkeln; und
eine Hydraulikwerkzeugsteuervorrichtung zum Modifi zieren der Hydraulikdrücke in den Zylindern anspre chend auf die Befehlssignale.
Druckabfühlmittel zur Erzeugung von Drucksignalen ansprechend auf die jeweiligen Hydraulikdrücke, die mit den Hub- und Kippzylindern assoziiert sind;
Positionsabfühlmittel zur Erzeugung von Positions signalen, die die jeweiligen Ausdehnungen der Hub- und Kippzylinder darstellen;
Befehlssignalerzeugungsmittel zum Empfang der Posi tions- und Drucksignale, und um darauf ansprechend korrelative Kraftvektorwinkel zu berechnen, die die zusammengesetzten Kräfte darstellen, die an einem Referenzpunkt auf die Schaufel wirken, und die Zy lindergeschwindigkeitsbefehlssignale erzeugen, und zwar ansprechend auf Unterschiede zwischen den Kraftvektorwinkeln und den Zielwinkeln; und
eine Hydraulikwerkzeugsteuervorrichtung zum Modifi zieren der Hydraulikdrücke in den Zylindern anspre chend auf die Befehlssignale.
2. Steuersystem nach Anspruch 1, welches weiter die Be
fehlssignalerzeugungsmittel aufweist, die bestimmen,
wann die Schaufel einen aufzunehmenden Mate
rialhaufen berührt hat, die darauf ansprechend Zy
lindergeschwindigkeitsbefehlssignale erzeugen, um zu
bewirken, daß die Steuervorrichtung den Haufen mit
der Schaufel in Eingriff bringt, und die die akku
mulierte Energie berechnen, die von der Maschine er
zeugt wird, und zwar unter Verwendung der Druck
signale und der Veränderungen der Positionssignale.
3. Steuersystem nach Anspruch 1 oder 2, welches weiter
die Befehlssignalerzeugungsmittel aufweist, die den
Zielwinkel als eine Funktion der akkumulierten Ener
gie berechnen.
4. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 2, welches weiter
die Befehlssignalerzeugungsmittel aufweist, die die
akkumulierte Energie mit mindestens einem Einstell
punkt vergleichen und die den Zielwinkel als eine
Funktion von sowohl dem Schaufelwinkel als auch der
akkumulierten Energie berechnen, wenn die akkumu
lierte Energie den Einstellpunkt überschreitet.
5. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 2, welches weiter
folgendes aufweist:
Mittel zur Auswahl einer Materialzustandseinstel lung; und
wobei die Befehlssignalerzeugungsmittel den Ziel winkel als eine lineare Funktion der akkumulierten Energie berechnen, und zwar mit einer Steigung und einem Schnittpunkt bestimmt durch die Materialzu standseinstellung.
Mittel zur Auswahl einer Materialzustandseinstel lung; und
wobei die Befehlssignalerzeugungsmittel den Ziel winkel als eine lineare Funktion der akkumulierten Energie berechnen, und zwar mit einer Steigung und einem Schnittpunkt bestimmt durch die Materialzu standseinstellung.
6. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 5, wobei die Mittel
zum Auswählen einer Materialzustandseinstellung min
destens einen vom Bediener betätigten Schalter auf
weisen.
7. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 5, wobei die Mittel
zum Auswählen einer Materialzustandseinstellung die
Schwierigkeit der Beladung auf der Basis der Distanz
bestimmen, über die die Schaufel gelaufen ist, wenn
die akkumulierte Energie um ein vorbestimmtes Ausmaß
steigt.
8. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 1, welches weiter
folgendes aufweist:
Antriebsstrangdrehzahlabfühlmittel zur Erzeugung von Signalen, die die Antriebsstrangdrehzahl und das Drehmoment darstellen, welches von der Maschine er zeugt wird; und
wobei die Befehlssignalerzeugungsmittel die Posi tions-, Druck- und Drehmomentsignale empfangen und die Energieniveaus berechnen, die die von der Ar beitsmaschine akkumulierte Energie darstellen.
Antriebsstrangdrehzahlabfühlmittel zur Erzeugung von Signalen, die die Antriebsstrangdrehzahl und das Drehmoment darstellen, welches von der Maschine er zeugt wird; und
wobei die Befehlssignalerzeugungsmittel die Posi tions-, Druck- und Drehmomentsignale empfangen und die Energieniveaus berechnen, die die von der Ar beitsmaschine akkumulierte Energie darstellen.
9. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 2, wobei die Be
fehlssignalerzeugungsmittel weiter folgendes aufwei
sen:
Mittel zur Bestimmung, wann die Schaufel den Haufen berührt hat, und zwar unter Verwendung der Antriebs strangdrehmomentsignale, und die darauf ansprechend die Akkumulierung der Maschinenenergieniveaus begin nen.
Mittel zur Bestimmung, wann die Schaufel den Haufen berührt hat, und zwar unter Verwendung der Antriebs strangdrehmomentsignale, und die darauf ansprechend die Akkumulierung der Maschinenenergieniveaus begin nen.
10. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 1, welches weiter
die Befehlssignalerzeugungsmittel aufweist, die die
Positionssignale mit einer Vielzahl von Positions
einstellpunkten vergleichen, und die im wesentlichen
maximale Kippzylindergeschwindigkeitsbefehlssignale
erzeugen, um die Schaufel vollständig zurückzukip
pen, wenn die Position von einem der Hub- und Kipp
zylinder jeweilige Positionseinstellpunkte über
schreitet.
11. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 1, welches weiter
den Befehlssignalgenerator aufweist, der iterativ
die Zylindergeschwindigkeitsbefehlssignale für den
Kippzylinder modifiziert, und zwar als eine Funktion
des Quadrates der Differenz zwischen den Kraftvek
torwinkeln und den Zielwinkeln.
12. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 1, welches weiter
den Befehlssignalgenerator aufweist, der die Zylin
dergeschwindigkeitsbefehlssignale für den Hubzylin
der erzeugt, und zwar als eine Funktion der Diffe
renz zwischen den Kraftvektorwinkeln und den Ziel
winkeln versetzt von einem konstanten Hubgeschwin
digkeitsbefehlssignal.
13. Steuersystem zum automatischen Steuern eines Ar
beitswerkzeuges einer Erdbearbeitungsmaschine zur
Aufnahme von Material, wobei das Arbeitswerkzeug ei
ne Schaufel aufweist, wobei die Schaufel steuerbar
durch einen Hubhydraulikzylinder und einen Kipphy
draulikzylinder betätigt wird, wobei das System fol
gendes aufweist:
Kraftsensoren zur Erzeugung von Signalen, die die auf die Schaufel wirkenden abgefühlten Kräfte dar stellen;
Positionssensoren zur Erzeugung von Signalen, die die Schaufelposition darstellen;
einen Befehlssignalgenerator, der die Kraftsignale empfängt, der die kummulativen Kraftvektoren an ei nem Referenzpunkt an der Schaufel berechnet, und der Hub- und Kippzylinderbefehlssignale ansprechend auf die Differenzen zwischen dem Winkel der korrelativen Kraftvektoren und der Zielwinkel erzeugt; und
eine Werkzeugsteuervorrichtung zum Empfang der Hub befehlssignale und um steuerbar den Hubzylinder aus zufahren, um die Schaufel durch das Material zu he ben, und zum Empfang der Kippbefehlssignale und um steuerbar den Kippzylinder auszufahren, um die Schaufel zur Aufnahme des Materials zu kippen.
Kraftsensoren zur Erzeugung von Signalen, die die auf die Schaufel wirkenden abgefühlten Kräfte dar stellen;
Positionssensoren zur Erzeugung von Signalen, die die Schaufelposition darstellen;
einen Befehlssignalgenerator, der die Kraftsignale empfängt, der die kummulativen Kraftvektoren an ei nem Referenzpunkt an der Schaufel berechnet, und der Hub- und Kippzylinderbefehlssignale ansprechend auf die Differenzen zwischen dem Winkel der korrelativen Kraftvektoren und der Zielwinkel erzeugt; und
eine Werkzeugsteuervorrichtung zum Empfang der Hub befehlssignale und um steuerbar den Hubzylinder aus zufahren, um die Schaufel durch das Material zu he ben, und zum Empfang der Kippbefehlssignale und um steuerbar den Kippzylinder auszufahren, um die Schaufel zur Aufnahme des Materials zu kippen.
14. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 13, welches weiter
den Befehlssignalgenerator aufweist, der bestimmt,
wann die Schaufel mit einem aufzunehmenden Material
haufen in Eingriff gekommen ist, der darauf anspre
chend eine akkumulierte Energie berechnet, die durch
die Maschine erzeugt wird, und zwar unter Verwendung
von Kraftsignalen und Veränderungen der Positions
signale.
15. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 14, welches weiter
den Befehlssignalgenerator aufweist, der den Ziel
winkel als eines Funktion der akkumulierten Energie
berechnet.
16. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, insbesondere nach Anspruch 15, welches weiter
den Befehlssignalgenerator aufweist, der iterativ
das Zylindergeschwindigkeitsbefehlssignal für den
Kippzylinder reduziert, wenn der Zielwinkel den
Kraftvektorwinkel überschreitet.
17. Verfahren zur automatischen Steuerung eines Ar
beitswerkzeuges einer Erdbewegungsmaschine zur Auf
nahme von Material, wobei das Arbeitswerkzeug eine
Schaufel aufweist, wobei die Schaufel steuerbar von
mindestens einem hydraulischen Hubzylinder und min
destens einem hydraulischen Kippzylinder betätigt
wird, wobei das Verfahren folgende Schritte auf
weist:
Erzeugung von hydraulischen Drucksignalen, die die von den jeweiligen Hub- und Kippzylindern erzeugten Kräfte darstellen;
Erzeugung von Positionssignalen, die die Position der Schaufel darstellen;
Erzeugung von Hydraulikzylindergeschwindigkeits befehlssignalen, um mit der Schaufel Material in Eingriff zu bringen und aufzunehmen;
Berechnung der akkumulierten Energie, die von der Maschine auf die Schaufel aufgebracht wurde;
Berechnung von Kraftvektorwinkeln, die die kumula tiven Kräfte darstellen, die von der Maschine auf die Schaufel an einem Referenzpunkt aufgebracht wer den;
Modifizieren der Hydraulikzylindergeschwindigkeits befehlssignale ansprechend auf Unterschiede zwischen den Kraftvektorwinkeln und den Zielwinkeln.
Erzeugung von hydraulischen Drucksignalen, die die von den jeweiligen Hub- und Kippzylindern erzeugten Kräfte darstellen;
Erzeugung von Positionssignalen, die die Position der Schaufel darstellen;
Erzeugung von Hydraulikzylindergeschwindigkeits befehlssignalen, um mit der Schaufel Material in Eingriff zu bringen und aufzunehmen;
Berechnung der akkumulierten Energie, die von der Maschine auf die Schaufel aufgebracht wurde;
Berechnung von Kraftvektorwinkeln, die die kumula tiven Kräfte darstellen, die von der Maschine auf die Schaufel an einem Referenzpunkt aufgebracht wer den;
Modifizieren der Hydraulikzylindergeschwindigkeits befehlssignale ansprechend auf Unterschiede zwischen den Kraftvektorwinkeln und den Zielwinkeln.
18. Verfahren nach Anspruch 17, welches weiter die Ziel
winkel als eine Funktion der akkumulierten Energie
aufweist.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 17, welches weiter das
iterative Verringern des Zylindergeschwindigkeitsbe
fehlssignals für den Kippzylinder aufweist, wenn der
Zielwinkel den Kraftvektorwinkel überschreitet.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
insbesondere nach Anspruch 17, welches weiter fol
gendes aufweist:
Auswählen einer Materialzustandseinstellung; und
Berechnung des Zielwinkels als eine lineare Funktion der akkumulierten Energie, und zwar mit einer Stei gung und einem Schnittpunkt bestimmt durch die Ma terialzustandseinstellung.
Auswählen einer Materialzustandseinstellung; und
Berechnung des Zielwinkels als eine lineare Funktion der akkumulierten Energie, und zwar mit einer Stei gung und einem Schnittpunkt bestimmt durch die Ma terialzustandseinstellung.
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