DE19800184A1

DE19800184A1 - System und Verfahren zur automatischen Schaufelbeladung unter Verwendung von Kraftvektoren

Info

Publication number: DE19800184A1
Application number: DE19800184A
Authority: DE
Inventors: Andrew G Shull
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1997-01-06
Filing date: 1998-01-05
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2018-01-06
Also published as: DE19800184B4; AU734233B2; CA2225083A1; JPH10204927A; US5974352A; AU4681997A

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 F_T entspricht der Differenz zwischen dem Pro dukt des Kopfenddruckes und der Fläche und dem Produkt des Stangenenddruckes und der Fläche:

F_T = P_H . A_H - P_R . A_R

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 F_L 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 ΣF_xdx, der vertikalen Arbeit ΣF_ydy und der Rotationsarbeit ΣM_θdθ 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 ΣF_xdx 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 θ_ERR durch Abziehen eines Zielwinkels θ_T vom Vektorwinkel θ_F, 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 θ_T 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 θ_ERR gesteigert, und zwar multipliziert mit einem Ver stärkungsfaktor K₁, wenn der Zielwinkel θ_T 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 θ_ERR multipliziert mit einem Verstärkungsfaktors K₂ von einem vorbestimmten konstanten Hubgeschwindigkeitssignal. Wenn der Zielwinkel θ_T größer als der Vektorwinkel θ_F 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 θ_F linear als eine Funktion der akkumulierten Energie gesteigert, und zwar gemäß der fol genden Beziehung:

θ_T = 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 θ_B als auch der akkumulierten Ener gie gesteigert wird, und zwar entsprechend der Formel:

θ_T = m . E + b . θ_B

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.

Claims

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.