DE3812875C1 - Position-data recording system for hydraulic excavators - Google Patents

Abstract

The invention is directed towards a position-data recording system for hydraulic excavators for indicating the position of the relevant implement where the working point cannot be seen by the excavator operator. In a conventional manner, the output signals from a multiplicity of motional-quantity transducers (30) for the individual motional axes are here fed to a common optoelectric indicating device for the obvious indication of the instantaneous position of the implement. Meanwhile, at least some of the motional-quantity transducers (30), which hitherto were arranged in an exposed position at articulation points, are integrated in the drive means (14, 20, 24) of the respective axis. Ultrasonic reflected-pulse probes are preferably used as motional-quantity transducers (30). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Positionsdatenerfassungssystem für Hydraulikbagger gemäß Gattungsbegriff des Patentan­ spruchs.The invention relates to a position data acquisition system for hydraulic excavators according to the generic term of the patent saying.

Ein derartiges System dient dazu, z. B. bei Tief­ löffelbaggern, die in tiefe Arbeitsgruben greifen, oder auch bei unter Wasser arbeitenden Baggern schlechthin dem Bagger­ führer nichtsdestoweniger ein genaues Bild von der jeweili­ gen Position seines Arbeitsgeräts zu verschaffen. Wenn hierbei und im folgenden von "Bewegungsachsen" oder "Achsen" die Rede ist, so in dem Sinn, in dem diese Begriffe bei­ spielsweise auch bei Industrierobotern Anwendung finden.Such a system is used, for. B. at low backhoes that reach into deep work pits, or maybe for excavators working under water par excellence nonetheless, a precise picture of the respective position of his implement. If here and in the following of "movement axes" or "axes" is in the sense in which these terms are used can also be used, for example, with industrial robots.

Bei bekannten Positionsdatenerfassungssystemen der betrach­ teten Art sind die Bewegungsgrößengeber, beispielsweise in Form von Kodierern, an den Gelenkstellen des Baggerauslegers etc. angebracht, wo sie jedoch exponiert, d. h. der Gefahr von Beschädigungen ausgesetzt, und nur schwer gegen umgeben­ des Wasser abzudichten sind. Auch kann bei einem solchen Bagger bei Versand in zerlegtem Zustand die erforderliche Einjustierung des Systems erst nach Wiederzusammenbau vorge­ nommen werden.In the case of known position data acquisition systems teten type are the movement quantity encoder, for example in Form of encoders on the articulation points of the excavator boom etc. where it is exposed, e.g. H. the danger exposed to damage, and difficult to surround against of the water are to be sealed. Even with such Excavator when shipped in disassembled condition the required Adjustment of the system only after reassembly be taken.

Ein Positionsdatenerfassungssystem mit den Gattungsmerkmalen des Patentanspruchs ist in prinzipieller Form der DE-OS 32 28 108 zu entnehmen. Dabei sollen die Bewegungsgrößen­ geber Meßsignale in Form elektrischer Impulsfolgen liefern.A position data acquisition system with the generic features of the claim is in the basic form of the DE-OS 32 28 108. The movement variables should provide encoder measurement signals in the form of electrical pulse trains.

Die DE-OS 29 33 557 zeigt einen Weglängen durch elektrische Impulsfolgen darstellenden Bewegungsgrößengeber, der in eine Kolben-Zylinder-Einheit integriert ist. Dabei weist die Kolbenstange aufeinanderfolgende unterschiedlich magne­ tisierte Zonen auf, die von Hallgeneratoren abgetastet werden. Die DE-OS 35 11 782 zeigt eine Lösung zur Bestimmung der Kolbenweglängen, bei der sich über den Kolben schließen­ de magnetische Kreise verändert werden.DE-OS 29 33 557 shows a path length through electrical Movement magnitude representing pulse sequences, which in a piston-cylinder unit is integrated. It points the piston rod may be successively different zones identified by Hall generators  will. DE-OS 35 11 782 shows a solution for determination the piston path lengths at which the piston closes de magnetic circles can be changed.

Bei den letztgenannten Lösungen erübrigt sich zwar weitge­ hend die Anbringung sorgfältig abzukapselnder und abzudich­ tender Komponenten ebenso wie die Notwendigkeit einer er­ neuten Einjustierung nach Zerlegen, jedoch erfordern die betreffenden Bewegungsgrößengeber aufwendige und z. T. auch schwer realisierbare Veränderungen an den betreffenden Kolben-Zylinder-Einheiten, die zumindest zu einer empfind­ lichen Verteuerung führen. Hinzu kommt eine Alterungsempfind­ lichkeit auf der einen bzw. mangelnde Genauigkeit sowie die Notwendigkeit eines häufig zu wiederholenden Abgleichs auf der anderen Seite.The latter solutions are largely unnecessary the encapsulation carefully sealed and sealed tender components as well as the need for a he readjustment after disassembly, but require relevant movement quantity sensor complex and z. T. also difficult to implement changes to the concerned Piston-cylinder units that are at least sensitive lead to higher prices. There is also an aging sensation on the one hand or lack of accuracy as well the need for a frequently repeated comparison on the other hand.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Positionsdatenerfassungssystem gemäß Gattungsbegriff so auszubilden, daß exponierte und schwer abzudichtende Bewe­ gungsgrößengeber ebenso wie wesentliche Änderungen an den üblichen Komponenten des Baggers entfallen, daß das betref­ fende Positionsdatenerfassungsgerät nach Zerlegung des Baggers keiner erneuten Einjustierung bedarf und daß bei guter Meßgenauigkeit auch keine häufig zu wiederholenden Abgleichungsmaßnahmen erforderlich sind.The invention is therefore based on the object Position data acquisition system according to the generic term see above to train that exposed and difficult to seal movement size givers as well as significant changes to the Conventional components of the excavator are omitted that this concerns Position data acquisition device after disassembling the Excavators do not need readjustment and that at good measuring accuracy also no frequently to be repeated Matching measures are required.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale im An­ spruch 1 gelöst.This task is characterized by the characteristic features in the To spell 1 solved.

Das erfindungsgemäße System ist kompakt, unempfindlich und ver­ hältnismäßig preiswert. Der Einbau der betreffenden Ultra­ schall-Echoimpulssonden in die Kolben-Zylinder-Einheiten erfordert keine andere Maßnahme, als in serienmäßige Zylin­ der eine leicht abzudichtende Gewindebohrung einzubringen. Da die Wegmessung durch Bestimmung der praktisch unveränder­ lichen Laufzeit der Echoimpulse erfolgt, ist die Meßgenauig­ keit ebenso unveränderlich, ohne daß es dazu irgendwelcher Abgleichungs- oder Nachjustierungsmaßnahmen bedarf. Auch braucht das betreffende Positionsdatenerfassungssystem nach eventueller Zerlegung des Baggers nicht erneut einju­ stiert zu werden.The system according to the invention is compact, insensitive and ver relatively inexpensive. The installation of the relevant Ultra sound echo pulse probes in the piston-cylinder units does not require any other measure than in standard Zylin  the easy to seal threaded hole. Since the distance measurement by determining the practically unchanged union time takes place, the measurement is accurate equally unchangeable, without any one Adjustment or readjustment measures are required. Also needs the relevant position data acquisition system Do not re-insert after dismantling the excavator to be bulled.

Nachfolgend wird ein entsprechendes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung genauer beschrieben. Dabei zeigtBelow is a corresponding embodiment described in more detail with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 einen etwas schematisierten Aufriß eines Baggers, an dem mit den betreffenden Bewegungsgrößengebern auszustattende Antriebsmittel dargestellt sind, Fig. 1 is a somewhat schematic elevational view of an excavator are shown on which to be fitted with the respective movement variable donors drive means,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eines der betreffenden Antriebsmittel in Gestalt einer Kolben-Zylinder-Einheit und Fig. 2 shows a schematic cross section through one of the relevant drive means in the form of a piston-cylinder unit and

Fig. 3 ein Blockdiagramm, welches die wesentlichsten Kompo­ nenten des betreffenden Positionsdatenerfassungs­ systems erkennen läßt. Fig. 3 is a block diagram which shows the most essential components of the position data acquisition system in question.

Der in Fig. 1 dargestellte Bagger 2, ein im wesentlichen normaler Tieflöffelbagger, befindet sich auf einem Ponton 4, um von diesem aus unter Wasser zu arbeiten. Die Arbeits­ stelle ist aus diesem Grunde für den Baggerführer nicht einsehbar. Er verfügt daher in seiner Kabine 6 über Anzeige­ mittel, die ihm die jeweilige Position seines Arbeitsgeräts 8, in diesem Falle eines Löffels, sinnfällig angeben.The excavator 2 shown in Fig. 1, a substantially normal backhoe, is located on a pontoon 4 to work underwater from there. For this reason, the job site is not visible to the excavator operator. He therefore has in his cabin 6 display means that indicate the respective position of his implement 8 , in this case a spoon, clearly.

Der Löffel ist an der Stelle 10 an einen Arm 12 angelenkt und gegenüber diesem mittels einer hydraulischen Kolben-Zylinder- Einheit 14 schwenkbar. Entsprechend ist der Arm 12 an der Stelle 10 an einen Ausleger 18 angelenkt und diesem gegenüber mittels einer hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheit 20 schwenkbar. Der Ausleger 18 wiederum ist an einer in dieser Darstellung verdeckten Stelle an den Baggergrundkörper 22 angelenkt und diesem gegenüber mittels einer Kolben-Zylinder-Einheit 24 schwenkbar. Auf diese Weise besitzt der Löffel gegenüber dem Baggergrundkörper 22 drei Freiheitsgrade oder "Bewe­ gungsachsen". Ein vierter Freiheitsgrad wird durch eine Drehbarkeit des Grundkörpers 22 um eine vertikale Drehachse 26 gebildet, die durch einen Drehkranz 28 verwirklicht ist.The spoon is articulated to an arm 12 at point 10 and can be pivoted relative to it by means of a hydraulic piston-cylinder unit 14 . Accordingly, the arm 12 is articulated to a boom 18 at point 10 and can be pivoted relative to it by means of a hydraulic piston-cylinder unit 20 . The boom 18 is in turn articulated at a location hidden in this illustration to the excavator base body 22 and can be pivoted relative thereto by means of a piston-cylinder unit 24 . In this way, the bucket has three degrees of freedom or "movement axes" compared to the excavator body 22 . A fourth degree of freedom is formed by the rotatability of the base body 22 about a vertical axis of rotation 26 , which is realized by a slewing ring 28 .

Fig. 2 zeigt, wie ein Bewegungsgrößengeber 30 in Gestalt einer Ultraschall-Echoimpulssonde in einfacher Weise in eine jede der Kolben-Zylinder-Einheiten 14, 20 und 24 integriert sein kann, um als Charakteristikum für den be­ treffenden Schwenkwinkel die jeweilige Kolbenstellung an­ zugeben. Fig. 2 shows how a movement quantity transmitter 30 in the form of an ultrasonic echo pulse probe can be integrated in a simple manner in each of the piston-cylinder units 14, 20 and 24 in order to indicate the respective piston position as a characteristic of the swivel angle concerned.

Wie ersichtlich, weist der betreffende Zylinder in seiner der Durchführung 32 der Kolbenstange 34 gegenüberliegenden Stirnwand 36 eine zentrale Aussparung 38 auf, in die von außen her, durch eine radiale Bohrung 40, der Bewegungs­ größengeber 30 eingesetzt ist. Es versteht sich, daß dieser gegen von außen anstehendes Wasser leicht abzudichten ist.As can be seen, the cylinder in question in its implementation 32 of the piston rod 34 opposite end wall 36 has a central recess 38 , into which, from the outside, through a radial bore 40 , the movement size transmitter 30 is inserted. It is understood that this is easy to seal against water present from the outside.

Der Bewegungsgrößengeber 30 sendet gegen die ihm zugewandte Stirnfläche 42 des Kolbens 44 in regelmäßigen, kurz aufeinan­ derfolgenden Zeitintervallen Ultraschallimpulse aus, wie dies durch die strichpunktierte Linie 46 angedeutet ist. Diese Ultraschallimpulse werden an der Stirnfläche 42 reflek­ tiert, von dem Bewegungsgrößengeber 30 wieder aufgefangen und sodann als elektrische Signale an eine Auswerteinrich­ tung weitergeleitet, wie dies in der Ultraschall-Echo­ graphietechnik üblich ist. Die Laufzeit zwischen dem Aussen­ den und Empfangen eines jeden Echoimpulses stellt ein unmit­ telbares Maß für den Abstand des Kolbens 44 von dem Bewe­ gungsgrößengeber 30 dar. Es versteht sich, daß diese Zeit von der Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Ultraschalls in der in dem Zylinder befindlichen Hydraulikflüssigkeit mitbestimmt wird. Da diese sich jedoch im Laufe der Zeit in ihrer Zusammensetzung kaum ändern wird, wird auch die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der auf die angegebene Weise erfolgenden Wegmessung damit nicht in Frage gestellt.The movement quantity transmitter 30 emits ultrasound impulses against the end face 42 of the piston 44 facing it at regular, short time intervals, as indicated by the dash-dotted line 46 . These ultrasound pulses are reflected on the end face 42, collected by the movement quantity transmitter 30 and then passed on as electrical signals to an evaluation device, as is common in ultrasound echo graphics technology. The transit time between the outside and receiving each echo pulse is a direct measure of the distance of the piston 44 from the movement size transmitter 30. It is understood that this time is determined by the speed of propagation of the ultrasound in the hydraulic fluid in the cylinder . However, since its composition will hardly change in the course of time, the accuracy and reliability of the path measurement carried out in the specified manner is not called into question.

Fig. 3 gibt die wesentlichsten Schaltmittel des soweit beschriebenen Positionsdatenerfassungssystems an. Hierbei sind die Bewegungsgrößengeber 30 (Ultraschall-Echoimpulssonden) der einzelnen Kolben-Zylinder-Einheiten 14, 20 und 24 der Unterscheidbarkeit halber mit 30 a, 30 b und 30 c bezeichnet. Die von den Bewe­ gungsgrößengebern 30 a, 30 b und 30 c erhaltenen Echoimpuls­ signale werden über einen gemeinsamen Knotenrechner 50 einem Zentralrechner 52 zugeführt. Da sich die Bewegungen in den einzelnen Freiheitsgraden überlagern und zudem noch die durch die Kolben-Zylinder-Einheiten 14, 20 und 24 herbeigeführten Winkelän­ derungen nicht proportional zu den betreffenden Kolbenbe­ wegungen verlaufen, nimmt der Rechner 52 in an sich, z. B. bei Industrierobotern oder Echographiegeräten, bekannter Weise eine Signalverarbeitung vor. Das auf diese Weise erhaltene Signal wird einer Anzeigeeinrichtung 54 zugeführt, die die jeweilige Position der Teile 8, 12 und 18 auf einem Bildschirm 56 innerhalb eines Koordinatensystems 58 dar­ stellt. Abstimmittel, wie sie mit einer Tastatur 60 ange­ deutet sind, erlauben es, im Bedarfsfall beim Auftreten systembedingter Abweichungen, die angezeigte Stellung der genannten Teile 8, 12, 18 mit deren tatsächlicher Stellung wieder in Übereinstimmung zu bringen. Hierzu wird der Löffel bei­ spielsweise in eine durch Anschläge festgelegte, vorbe­ stimmte Position in bezug auf den Ponton 4 verbracht, die als Ausgangsposition gewertet wird. Fig. 3 shows the essential switching means specifies the position data acquisition system as described so far. Here, the movement quantity transmitter 30 (ultrasonic echo pulse probes) of the individual piston-cylinder units 14, 20 and 24 are designated 30 a , 30 b and 30 c for the sake of differentiation. The echo pulse signals received by the movement magnitudes 30 a , 30 b and 30 c are fed to a central computer 52 via a common node computer 50 . Since the movements overlap in the individual degrees of freedom and, moreover, the changes in angle caused by the piston-cylinder units 14, 20 and 24 are not proportional to the movements in question, the computer 52 takes on itself, for. B. in industrial robots or echography devices, known signal processing. The signal obtained in this way is fed to a display device 54 which shows the respective position of the parts 8, 12 and 18 on a screen 56 within a coordinate system 58 . Tuning means, as indicated with a keyboard 60 , make it possible, if necessary when system-related deviations occur, to bring the indicated position of said parts 8, 12, 18 back into line with their actual position. For this purpose, the spoon is placed in, for example, a predetermined position with respect to the pontoon 4 , which is evaluated as the starting position.

Claims (1)

Positionsdatenerfassungssystem für Hydraulikbagger (2) zum Anzeigen der jeweiligen Position des Arbeitsgeräts (8), mit den Gelenken von Ausleger (18) und Arbeitsgerät (8) zugeordneten Weglängen messenden Bewegungsgrößengebern (30) mit einer die davon stammenden Signale verarbeitenden Rechen­ einheit (50, 52) und mit einer dieser nachgeschalteten elektrooptischen Anzeigeeinrichtung (54), dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bewegungsgrößengeber (30) jeweils aus einer in die betreffende Kolben-Zylinder-Einheit (14, 20, 24) integrierten und gegen die Kolbenstirnfläche (42) abstrahlenden Ultraschall-Echoimpulssonde bestehen.Position data acquisition system for hydraulic excavators ( 2 ) for displaying the respective position of the working device ( 8 ), with path length measuring devices ( 30 ) measuring the lengths associated with the joints of the boom ( 18 ) and working device ( 8 ), with a computing unit ( 50, 52 ) processing the signals coming from them ) and with one of these downstream electro-optical display device ( 54 ), characterized in that the movement quantity transmitter ( 30 ) each from an in the piston-cylinder unit ( 14, 20, 24 ) integrated and against the piston end face ( 42 ) emitting ultrasound -Echo pulse probe exist.