DE10056157A1

DE10056157A1 - Verfahren und System zur elektrohydraulischen Ventilsteuerung

Info

Publication number: DE10056157A1
Application number: DE10056157A
Authority: DE
Inventors: Noah D Manring; Yu Lifei
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1999-11-22
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2001-06-13
Also published as: JP2001193707A; US6286412B1

Abstract

Ein elektrohydraulisches Ventilsteuersystem, welches die simultane Fluß- und Drucksteuerung für den Betrieb eines Werkzeugs oder eines anderen Arbeitselementes, das mit einer Arbeitsmaschine assoziiert ist, durch Anwendung einer Konstruktion mit einem einzigen Steuerventil ermöglicht, wird offenbart, wobei das vorliegende Steuersystem die tatsächliche Ventilausgangsflußrate des Hydraulikströmungsmittels, welches durch das Ventil fließt, mit einer erwünschten Ventilausgangsflußrate vergleicht, und danach die Eingangsflußrate in das Ventil basierend auf der Differenz zwischen der tatsächlichen Ventilausgangsflußrate und der erwünschten Ventilausgangsflußrate modifiziert. Die erwünschte Ventilausgangsflußrate wird dasierend auf dem tatsächlichen Lastdruck bestimmt, der gegen das Werkzeug oder das Arbeitselement ausgeübt wird, und basierend auf dem Bedienereingangssignal, welches von dem Bediener bei der Aktivierung eines Bedienereingabesteuermechanismus erzeugt wird, der verwendet wird, um den Betrieb des Werkzeuges oder Arbeitselementes zu steuern. In dieser Hinsicht speichert das Steuersystem eine Vielzahl von Druck-Fluß-Kurven, die die erwünschte Ventilausgangsflußrate basierend auf dem tatsächlichen Lastdruck und dem Bedienereingabesignal bestimmen. Die tatsächlichen Ventilausgangsflußrate wird durch Anwendung eines Flußsensors bestimmt, oder durch Anwendung einer Flußratenberechnungsvorrichtung, die das Ausgangssignal aus verschiedenen Drucksensoren und einem ...

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine elek trohydraulische Ventilsteuerung und insbesondere auf ein Verfahren und ein System zur simultanen Druck- und Fluß steuerung durch eine Einzelkonstruktion eines elektrohy draulischen Ventils.

Technischer Hintergrund

Werkzeuge bei Arbeitsmaschinen werden gewöhnlicherweise durch Anwendung von Hydraulikmitteln betrieben. Gesteuer te Ventile spielen eine wichtige Rolle bei der Steuerung des Flusses und des Druckes des Hydraulikströmungsmit tels, wenn es zu diesen Werkzeugen oder anderen Arbeits elementen und/oder Anbringungen verteilt wird, die mit einer speziellen Arbeitsmaschine assoziiert sind. Derar tige Ventile können auf eine Vielzahl von Arten gesteuert werden. Sie können mechanisch unter Verwendung eines Vor steuerdruckes zur hydraulischen Aktivierung gesteuert werden, so daß das Ventil entweder einen konstanten Fluß oder einen konstanten Druck liefern kann, oder mit stei gender Nachfrage nach Elektrohydraulik können solche Ven tile auch über elektronische Elektromagneten oder andere elektronische Betätigungsmittel gesteuert werden, und zwar entweder mit oder ohne Rückkoppelung, abhängig von den Anforderungen der Anwendung.

Um die Steuerung (open loop) von solchen Ventilen zu er reichen, werden Betätigungsvorrichtungen ohne Rückkoppe lung verwendet. Jedoch erfordern einige Anwendungen mehr Genauigkeit, weniger Hysterese, bessere Wiederholbarkeit, schnelles Ansprechen und größere Leistungskapazität. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist eine Steuerung mit Rückkoppelung bzw. eine Regelung (closed loop) erforder lich. Die meisten verfügbaren Rückkoppelungsregelsysteme, die gegenwärtig auf dem Markt sind, sehen entweder eine Kolbenpositionsrückkoppelung oder eine Druckrückkoppelung vor. Wenn die Kolbenpositionsrückkoppelung verwendet wird, kann eine konstante Flußrate erreicht werden. Wenn die Druckrückkoppelung verwendet wird, kann ein konstan ter Druck erreicht werden.

Es gibt zwei Arten von elektrohydraulischen Ventilkon struktionen, die oft verwendet werden, um den Betrieb ei ner großen Vielzahl von unterschiedlichen Arten von Werk zeugen zu steuern, die bei einer großen Vielzahl von un terschiedlichen Arten von Arbeitsmaschinen verwendet wer den, wie beispielsweise bei Vorderladern, Baggerladern, Dozern bzw. Raupen und anderen Erdbewegungs- und Bauaus rüstungsgegenständen, nämlich ein Ventil mit offener Mit te und ein Ventil mit geschlossener Mitte. Die Schlitz konstruktionen der Kolben von jeden Ventil, die ziemlich komplex sind, diktieren ihre Leistungscharakteristiken. Ein Ventil mit offener Mitte verwendet die Einstellung der Kolbenposition, um einen konstanten Fluß vorzusehen, und zwar ungeachtet der Last, die wiederum das Werkzeug oder das Arbeitselement mit konstanter Bewegungsgeschwin digkeit versieht. Solche Ventile sind relativ billig und sie sind viel wichtiger auf den Lastdruck empfindlich, so daß der Bediener lernen kann, den Druck "zu fühlen", der auf das Werkzeug oder seinen Betätigungszylinder ausgeübt wird, und er kann somit besser den Betrieb und die Bewe gung des Werkzeuges steuern. Jedoch können Ventile mit offener Mitte keinen konstanten Fluß mit hohem Druck lie fern. Zusätzlich sind derartige Ventile mit hohen Lei stungsverlusten assoziiert und sind somit ineffizient, insbesondere für schwere Lasten, die bei niedrigen Ge schwindigkeiten betrieben werden. Ein Ventil mit ge schlossener Mitte andererseits liefert nur den Fluß, der erforderlich ist, um die Werkzeuganforderung zu erfüllen, und arbeitet mit einem festen Druckrahmen über der höch sten Systembelastung. Diese Ventile mit "konstantem Druck" werden typischerweise bei Anwendungen mit langsa mer Geschwindigkeit und hoher Last verwendet. Als eine Folge ist diese Bauart des Ventils wirkungsvoller und besser mit den Regelleistungscharakteristiken (closed lo op) kompatibel, wie im Vergleich zu den Ventilen mit of fener Mitte. Jedoch werden solche Ventile mit geschlosse ner Mitte durch geringe Dämpfung charakterisiert und ha ben somit nicht die Drucksteuerung von Ventilen mit offe ner Mitte.

Werkzeuge werden in einer großen Vielzahl von unter schiedlichen Anwendungen verwendet, die die Leistungscha rakteristiken von sowohl Ventilen mit offener Mitte (insbesondere Drucksteuerung) als auch Ventilen mit ge schlossener Mitte (insbesondere Flußsteuerung) erfordern. Beispielsweise ist bei einer Baggerladeranwendung, wenn die Schaufel gräbt, eine geringe Strömungsmittelflußrate und ein hoher Druck zum Werkzeug (Schaufel) normalerweise erforderlich. Wenn andererseits die Schaufel nach oben bewegt wird und gedreht wird, um das Material an einer neuen Stelle abzulassen, ist normalerweise eine hohe Flußrate und ein geringer Druck zum Werkzeug (Schaufel) erforderlich. Mit nur der konstanten Flußsteuerung, wie sie von Ventilen mit geschlossener Mitte vorgesehen wird, wird die Schaufel sich weiter bewegen, wenn die Schaufel zufälligerweise ein unterirdisches Rohr oder ein anderes Hindernis trifft, wodurch sie das Rohr oder ein anderes Objekt zerbricht, und zwar aufgrund des Mangels an Druck steuerung, der durch die Anwendung von Ventilen mit offe ner Mitte geboten wird. Jedoch bei einer Steuerung für nur konstanten Druck, wie von Ventilen mit offener Mitte vorgesehen, wird die Schaufel zu graben aufhören, wenn ein Rohr oder ein anderes Hindernis angetroffen wird, je doch wird die Geschwindigkeit der Bewegung der Schaufel bei einer vollen Schaufel verringert werden im Vergleich zu einer leeren Schaufel, und zwar aufgrund des Mangels an Flußsteuerung, der von Ventilen mit geschlossener Mit te vorgesehen wird.

Daher sollte ein wünschenswertes Werkzeugsteuersystem ei ne Flexibilität bei der Druck- und Flußsteuerung haben, so daß sowohl der Fluß als auch der Druck simultan ge steuert werden können. Darüber hinaus sollte eine solche Steuerung von Software bzw. Programmen gesteuert werden, um nicht von der speziellen verwendeten Ventilkonstrukti on abzuhängen. Durch Steuerung von sowohl dem Fluß als auch dem Druck simultan mit einer einzigen Ventilkon struktion kann die Leistung von Hydraulikmaschinenwerkzeugen einschließlich ihrer assoziierten Betätigungsme chanismen, wie beispielsweise Betätigungszylindern, Moto ren und ähnlichem bei einer Vielzahl von unterschiedli chen Anwendungen optimiert werden.

Entsprechend ist die vorliegende Erfindung darauf gerich tet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Steuersystem offenbart, welches eine gleichzeitige Fluß- und Drucksteuerung für ein elektrohydraulisches Steuer ventil vorsieht, welches verwendet wird, um den Betrieb eines Werkzeuges oder Arbeitselementes zu steuern, das mit einer Arbeitsmaschine assoziiert ist, wobei das Werk zeug oder Arbeitselement von einem Bediener betrieben und gesteuert wird, und zwar durch Anwendung der Bedienerein gabesteuermechanismen, die die Bedienereingabesignale bei deren Anwendung erzeugen. Das Steuerventil ist mit dem Arbeitselement über eine Hydraulikschaltung verbunden, die einen Betätigungszylinder oder andere Betätigungsmit tel aufweist. Das Steuersystem weist einen Flußsensor auf, der geeignet ist, um eine tatsächliche Ventilaus gangsflußrate des Hydraulikströmungsmittels zu bestimmen, welches aus dem Steuerventil fließt, und einen Drucksen sor, der in Strömungsmittelverbindung mit dem Betäti gungszylinder oder mit anderen Betätigungsmitteln posi tioniert ist, der geeignet ist, um den tatsächlichen Lastdruck abzufühlen, der auf dem Zylinder oder einer anderen Betätigungsvorrichtung aufgebracht wird. Eine Be stimmungsvorrichtung für eine erwünschte Ventilausgangs flußrate ist in Verbindung mit dem Drucksensor und den Bedienereingabesignalen und ist geeignet, um den Lastdruck und die Bedienereingabesignale aufzunehmen, um eine erwünschte Ventilausgangsflußrate basierend darauf zu bestimmen. Ein Komparator bzw. eine Vergleichsvorrich tung in Verbindung mit dem Flußsensor und der Bestim mungsvorrichtung für die erwünschte Ventilausgangsflußra te vergleicht die tatsächliche Ventilausgangsflußrate und die erwünschte Ventilausgangsflußrate, um ein Vergleichs vorrichtungsausgangssignal zu erzeugen, was die Differenz dazwischen darstellt. Eine elektronische Steuervorrich tung oder andere Prozessormittel sind in Verbindung so wohl mit der Vergleichsvorrichtung als auch mit dem Steu erventil und sind betreibbar, um das Vergleichsvorrich tungsausgangssignal zu empfangen. Ansprechend auf das Vergleichsvorrichtungsausgangssignal gibt die Steuervor richtung ein entsprechendes Signal an das Steuerventil aus, um die Eingangsflußrate zu dem Ventil zu modifizie ren, so daß die erwünschte Steuerventilausgangsflußrate erreicht wird.

Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung verwendet das vorliegende Steuersystem eine Druckabfall bestimmungsvorrichtung, die geeignet ist, um einen Druck abfall am Steuerventil zu bestimmen, und einen Kolbenver schiebungssensor, der geeignet ist, um die Verschiebung zu bestimmen, die mit dem Steuerventilkolben assoziiert ist, und zwar relativ zu seiner Neutralposition oder zu irgendeiner anderen vorbestimmten Position. Ein Ist- Ventilausgangsflußratenrechner nimmt die Kolbenverschie bungs- und Druckabfalldaten auf, und berechnet unter Ver wendung dieser Daten die Ist-Ventilausgangsflußrate des Hydraulikströmungsmittels, welches aus dem Steuerventil fließt. Diese Steuersystemanordnung ersetzt die Anwendung des Leitungsflußsensors, der in dem vorherigen Ausfüh rungsbeispiel offenbart wurde, und zwar aufgrund der Ko sten des Hinzufügens eines Flußsensors zum System genauso wie aufgrund der Zeitverzögerung, die beim Empfang eines Signalansprechens von jedem Sensor auftritt. Der restli che Teil dieses Ausführungsbeispiels der vorliegenden Er findung ist im wesentlichen identisch mit dem oben er wünschten Ausführungsbeispiel, und zwar dahingehend, daß die Ist-Ventilausgangsflußrate mit der erwünschten Ven tilausgangsflußrate verglichen wird, und daß ein entspre chendes Signal von der elektronischen Steuervorrichtung an das Steuerventil ausgegeben wird, um die Ausgangsfluß rate zu modifizieren, um die erwünschte Rate bzw. Soll-Ra te zu erreichen.

Gemäß noch eines weiteren Aspektes der vorliegenden Er findung wird ein Verfahren offenbart, um simultan den Fluß und den Druck eines elektrohydraulischen Ventils zu steuern, das in Strömungsmittelverbindung mit einem Werk zeug oder einem anderen Arbeitselement einer Arbeitsma schine über eine entsprechende Hydraulikschaltung verbun den ist, die einen Betätigungszylinder oder andere Betä tigungsmittel aufweist, wobei die Arbeitsmaschine von ei nem Bediener durch Anwendung von Bedienereingabesteuerme chanismen betätigt wird, die Bedienereingabesignale bei ihrer Anwendung erzeugen. Das vorliegende Verfahren weist die Schritte auf, eine Ist-Ventilausgangsflußrate des Hy draulikströmungsmittels zu bestimmen, welches aus dem Steuerventil fließt, einen Lastdruck abzufühlen, der auf das Werkzeug oder Arbeitselement aufgebracht wird, eine erwünschte Steuerventilausgangsflußrate ansprechend auf den Lastdruck und die Bedienereingabesignale zu bestim men, die Ist-Ventilausgangsflußrate mit der erwünschten Ventilausgangsflußrate zu vergleichen, und die Eingangs flußrate zum Steuerventil zu modifizieren, und zwar ba sierend auf der Differenz zwischen der Ist- Ventilausgangsflußrate und der erwünschten Ventilaus gangsflußrate, um die erwünschte Ventilausgangsflußrate vom Steuerventil zu erreichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sei Bezug genommen auf die beigefügten Zeichnungen, in denen die Figuren folgendes darstellen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Vorderschaufelbag gerarbeitsmaschine;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines typischen Steu erventils, welches verwendet wird, um das Werk zeug oder die Schaufel zu steuern, die mit der in Fig. 1 veranschaulichten Arbeitsmaschine assoziiert sind, und zwar in Kombination mit dem Steuersystem der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein Blockdiagramm von einem Ausführungsbeispiel des Steuersystems der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungs beispiels des Steuersystems der vorliegenden Erfindung.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine typische Arbeitsmaschine 10, wie beispielsweise ein Vorderschaufellader bzw. ein Vorderschaufelbagger gezeigt. Die Arbeitsmaschine 10 weist einen Hauptrahmen oder Hauptkörperteil 12 auf, der eine Bedienerkabine 26 aufweist, von der aus ein Bediener nicht nur die Bewegung der Arbeitsmaschine 10 steuert, sondern auch den Betrieb und die Bewegung von verschiede nen Arbeitselementen, wie beispielsweise vom Werkzeug oder von der vorderen Schaufel 14, vom Ausleger 16 und vom Vorderausleger 18, die alle miteinander verbunden sind, wie in Fig. 1 in herkömmlicher Weise veranschau licht. Das Werkzeug 14, der Ausleger 16 und der Vorder ausleger 18 werden alle über elektrohydraulische Steuer ventile gesteuert, die jeweils damit durch eine oder meh rere (nicht gezeigte) Hydraulikschaltungen verbunden sind, die den Betrieb des Werkzeugzylinders 20, des Aus legerzylinders 22 und des Vorderauslegerzylinders 24 steuern. In dieser Hinsicht werden eine oder mehrere Hy draulikpumpen Hydraulikströmungsmittel unter Druck zu den verschiedenen elektrohydraulischen Steuerventilen lie fern, wobei der Betrieb dieser Ventile typischerweise elektrisch durch Anwendung einer elektronischen Steuer vorrichtung oder von anderen Verarbeitungsmitteln gesteu ert wird, die entsprechende Signale an die Betätigungs mittel der Steuerventile ausgeben, um den Fluß und/oder den Druck zu einem Betätigungszylinder, einem Motor oder zu anderen Betätigungsmitteln zu steuern, die mit einem speziellen Arbeitselement oder Werkzeug gekoppelt sind. In dem speziellen in Fig. 1 veranschaulichten Ausfüh rungsbeispiel werden entsprechende elektrohydraulische Steuerventile eine entsprechende Menge eines Strömungs mittelflusses zum Werkzeugzylinder 20 zumessen, um die Bewegung des speziellen Werkzeuges (vordere Schaufel) 14 ansprechend auf entsprechende Signale zu steuern, die in diese Steuerventile über eine elektronische Steuervor richtung eingegeben wurden. Diese Signale, die von der elektronischen Steuervorrichtung an die speziellen Steu erventile ausgegeben wurden, werden ansprechend auf Be dienereingabesignale erzeugt, die durch Aktivierung von gewissen Bedienereingabesteuermechanismen erzeugt werden, wie beispielsweise durch verschiedene Steuerhebel oder elektronische Steuerhebel bzw. Joysticks, die verwendet werden, um den Betrieb und die Bewegung des speziellen Werkzeuges oder Arbeitselementes zu steuern. Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Art der in Fig. 1 gezeigten Arbeitsmaschine beschrieben wird, und insbe sondere mit Bezug auf das Werkzeug 14 als das Arbeitsele ment, wird dem Fachmann klar sein, daß die vorliegende Erfindung in Verbindung mit irgendeiner Bauart einer Ar beitsmaschine verwendet werden kann, die irgendeine Bau art von Elementen hat, die durch Anwendung von einem oder mehreren elektrohydraulischen Ventilen gesteuert werden.

Mit Bezug auf Fig. 2 wird nun ein Ausführungsbeispiel eines Ventils 32 mit geschlossener Mitte veranschaulicht, und zwar zum Gebrauch bei der Steuerung des Betriebes des Werkzeuges 14. Es wird jedoch dem Fachmann klar sein, daß die vorliegende Erfindung bei irgendeiner Art einer Ven tilkonstruktion eingerichtet werden kann. Das Ventil 32 weist einen Kolben 34 auf, der geeignet ist, um sich ho rizontal von rechts nach links und von links nach rechts zu bewegen, und zwar ansprechend auf entsprechende Signa le, die in die Ventilbetätigungsmittel von einer elektro nischen Steuervorrichtung 46 eingegeben werden, oder von irgendwelchen anderen entsprechenden Prozessormitteln. Eine entsprechende Hydraulikpumpe 36 wird verwendet, um den Strömungsmittelfluß unter Druck zum Werkzeugzylinder 20 zu liefern. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Pumpendrucksensor 64 in Strömungsmittelverbin dung mit der Pumpe 36 gesetzt, um den Strömungsmittelaus gangsdruck abzufühlen, der mit dem Strömungsmittelfluß assoziiert ist, der von der Pumpe 36 ausgelassen wird. Der Tank 38 enthält das Hydraulikströmungsmittel, welches von der Pumpe 36 verwendet wird, um unter Druck gesetztes Strömungsmittel zum Ventil 32 zu liefern, und die Positi on des Kolbens 34 gibt vor, ob und wieviel Strömungsmit tel innerhalb des Tankes 38 durch das Ventil 32 fließen kann. In dieser Hinsicht wird der Kolben 34, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, in einer geschlossenen. Position po sitioniert, um zu verhindern, daß Hydraulikströmungsmit tel vom Tank 38 durch den Strömungsmittelpfad 40 in das Ventil 32 fließt. Ein Verdrängungssensor 44 ist mit dem Kolben 34 verbunden, um die Verschiebung des Kolbens 34 relativ zu einer gewissen vorbestimmten Position abzufüh len und zu bestimmen, wie beispielsweise zu der in Fig. 2 veranschaulichten geschlossenen Position.

Das Ventil 32 ist weiter in Strömungsmittelverbindung mit dem Betätigungswerkzeugzylinder 20 über die Strömungsmit telpfade 28 und 30 verbunden, und der Werkzeugzylinder 20 ist weiter mit dem Werkzeug 14 verbunden. Der Fluß und der Druck des Strömungsmittels durch das Steuerventil 32 und in den Werkzeugzylinder 20 hinein und dort heraus be wirkt, daß der Werkzeugzylinder 20 und somit das damit verbundene Werkzeug 14 sich entsprechend bewegen. Ein Drucksensor 48 ist genauso in Strömungsmittelverbindung mit dem Werkzeugzylinder 20 angeordnet, um den Strömungs mitteldruck abzufühlen und zu bestimmen, der in den Kopf teil des Zylinders 20 fließt. Dieser Strömungsmitteldruck stellt die tatsächliche Last dar, die gegen die vordere Schaufel oder das Werkzeug 14 ausgeübt wird. In dieser Hinsicht sei bemerkt, daß der Drucksensor 48 derart ge zeigt ist, daß er in Strömungsmittelverbindung mit dem Strömungsmittelpfad 28 positioniert ist, der zum Kopfteil des Zylinders 20 führt. Es sei auch bemerkt, daß ein an derer Drucksensor in Strömungsmittelverbindung mit dem Strömungsmittelpfad 30 positioniert sein kann, der zum Stangenteil des Zylinders 20 führt, um den Druck abzufüh len, der gegen diesen Teil des Zylinders ausgeübt wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist auch ein Flußsensor 42 in Strömungsmittelverbindung mit dem Hy draulikströmungsmittel angeordnet, welches vom Ventil 32 zum Tank 38 fließt, um die tatsächliche Ventilausgangs flußrate des Hydraulikströmungsmittels abzufühlen und zu bestimmen, welches durch das Ventil 32 läuft. Eine elek tronische Steuervorrichtung 46 ist in Verbindung mit dem Steuerventil 32 und dem Kolben 34 angeordnet, um eine Rückkoppelungsregelung zum Ventil 32 vorzusehen, wie wei ter hier beschrieben wird.

Insbesondere wird die Steuervorrichtung 46 mit einem Kom parator- bzw. Vergleichsvorrichtungsausgangssignal von einem Komparator bzw. einer Vergleichsvorrichtung 50 prä sentiert, wie beispielsweise von einer Summen- bzw. Addi tionsverbindung, die die tatsächliche Ventilausgangsfluß rate Q in Volt, die von dem Flußsensor 42 abgefühlt wur de, mit einer erwünschten Ventilausgangsflußrate Q₀ in Volt vergleicht. Die erwünschte Ventilausgangsflußrate Q₀ wird basierend auf einem Bedienereingabesignal 52 be stimmt, welches vom Bediener bei der Aktivierung eines (nicht gezeigten) Bedienereingabesteuermechanismusses er zeugt wird, wie beispielsweise von einem oder mehreren Steuerhebeln oder Joysticks, und basierend auf dem vom Drucksensor 48 abgefühlten Lastdruck.

Insbesondere weist das Steuersystem 100 einen (nicht ge zeigten) Speicher auf, um eine Vielzahl von Stetigzu stands-Druckfluß-(PQ-)Kurven 54 zu speichern, die die Be ziehung zwischen dem Lastdruck und der erwünschten Ven tilausgangsflußrate für ein gegebenes Bedienereingabesi gnal 52 definieren. Die PQ-Kurven können eine Drucksteue rung, eine Flußsteuerung oder eine Kombination aus beiden darstellen, und zwar abhängig von der speziellen Anwen dung, die vom Bediener angefordert wird. In dieser Hin sicht sei bemerkt und vorhergesehen, daß die Beziehung zwischen dem Lastdruck und der erwünschten Ausgangsfluß rate des Ventils 32 in die Steuervorrichtung 46 in einer großen Vielzahl von anderen Formaten und mit anderen Mitteln und Techniken programmiert werden kann, die in der Technik wohlbekannt sind, ohne vom Kern und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die tatsächliche Ven tilausgangsflußrate Q und die erwünschte Ventilausgangs flußrate Q₀ werden in die Vergleichsvorrichtung 50 einge geben, um das Vergleichsvorrichtungsausgangssignal zu er zeugen. Wenn die erwünschte Ventilausgangsflußrate Q₀, die von den PQ-Kurven 54 bestimmt wird, nicht die gleiche ist, wie die tatsächliche Ventilausgangsflußrate Q, die vom Flußsensor 42 abgefühlt wird, wird die Steuervorrich tung 46 beim Empfang des Vergleichsvorrichtungsausgangs signals das Vergleichsvorrichtungsausgangssignal in einen Strom (d. h. Ampere) umwandeln, und dann das umgewandelte Vergleichsvorrichtungsausgangssignal in das Ventil 32 eingeben, was wiederum das umgewandelte Vergleichsvor richtungsausgangssignal in Millimeter umwandelt, wobei die Verschiebung des Kolbens 34 dargestellt wird, die er forderlich ist, um die erwünschte Ventilausgangsflußrate Q₀ durch das Ventil 32 zu erzeugen. Der Kolben 34 wird dann die entsprechende Menge in der entsprechenden Rich tung bewegen, und zwar ansprechend auf das von der Steu ervorrichtung 46 ausgegebene Signal. Dieser Prozeß wird kontinuierlich ausgeführt, um die erwünschte Ventilaus gangsflußrate Q₀ durch das Ventil 32 basierend auf dem Bedienereingabesignal 52 zu erhalten. Es sei bemerkt, daß der in Fig. 2 veranschaulichte Pumpendrucksensor 64 nicht notwendigerweise im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 erforderlich ist.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Steuersystems 100', welches die simultane Steuerung von sowohl dem Strömungsmittelfluß als auch dem Druck durch ein Ventil 32' vorsieht, und zwar ungeachtet von der Art des verwendeten Steuerventils.

Diese Steuersystemkonfiguration vermeidet die Online- bzw. Leitungsflußmessungen des Steuersystems der Fig. 3 und eliminiert somit die Notwendigkeit zur Verwendung des Flußsensors 42, der teuer sein kann, und dessen Ausgangs größe Zeitverzögerungen als eine Folge der Art und Weise unterworfen ist, in der diese Sensoren die Flußrate mes sen. Als eine Alternative mißt daher das Steuersystem 100' die Verschiebung des Kolbens, der mit dem Ventil 32' assoziiert ist, wie beispielsweise vom Kolben 34, und zwar von einer vorbestimmten Referenzposition, wie bei spielsweise der geschlossenen Position, die in Fig. 2 veranschaulicht ist, und das System 100' mißt auch einen Druckabfall 60 am Ventilkolben, um die tatsächliche Ven tilausgangsflußrate des Ventils 32 zu berechnen. Die Ver schiebung des Kolbens wird von einem Verschiebungssensor 56 abgefühlt, und ein Signal, welches eine derartige Ver schiebung darstellt, wird in die Berechnungsvorrichtung 62 für die tatsächliche Ventilausgangsflußrate eingege ben. Ein Druckkomparator bzw. eine Druckvergleichsvor richtung 58, wie beispielsweise eine Additionsverbindung, vergleicht den Ausgangsdruck, der mit der Pumpe, wie bei spielsweise der Pumpe 36, assoziiert ist, der über den Pumpendrucksensor 64 abgefühlt wird, und zwar mit dem tatsächlichen Lastdruck, der vom Drucksensor 48 abgefühlt wird, und bestimmt den Druckabfall 60 am Ventilkolben. Der Druckabfall 60 wird die Differenz zwischen dem Pum penausgangsdruck und dem Lastdruck sein, der gegen den Zylinder 20 ausgeübt wird, und diese Differenz oder der Druckabfall 60 wird genauso in die Berechnungsvorrichtung 62 für die tatsächliche Ventilausgangsflußrate eingege ben, und zwar über ein Signal, welches eine derartige Druckdifferenz darstellt. Die tatsächliche Ventilaus gangsflußrate Q wird dann von der Berechnungsvorrichtung 62 für die tatsächliche Ventilausgangsflußrate bestimmt, die die folgenden Berechnungen gemäß der unten aufge schriebenen Gleichung ausführt, um die tatsächliche Ven tilausgangsflußrate Q zu berechnen, nämlich

Q = CdxAx√2xΔP/ρ

wobei gilt
Q = tatsächliche Flußrate bzw. Ist-Flußrate
Cd = Auslaßkoeffizient
A = Zumeßfläche (Zumeßquerschnitt)
ΔP = Druckabfall 60
ρ = Dichte des Hydraulikströmungsmittels

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Berech nungsvorrichtung 62 für die tatsächliche Ventilausgangs flußrate in den (nicht gezeigten) Speicher der Steuervor richtung 46' gespeichert. In jeglicher anderer Hinsicht arbeitet das Steuersystem 100' im wesentlichen ähnlich wie das Steuersystem 100, wobei die Vergleichsvorrichtung 50' die erwünschte Ventilausgangsflußrate Q₀ mit der tat sächlichen berechneten Ventilausgangsflußrate Q verglei chen, und die Vergleichsvorrichtung 50' wird danach ein entsprechendes Signal an die Steuervorrichtung 46 ausge ben, um das Eingangssignal in das Ventil 32' zu modifizieren, um die Verschiebung des Ventilkolbens einzustel len, um die erwünschte Ventilausgangsflußrate zu errei chen.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie hier beschrieben gestattet das Steuersystem der vor liegenden Erfindung es einem Bediener einer Arbeitsma schine 10, simultan die tatsächliche Ventilausgangsfluß rate und den Druck durch eine einzige Ventilkonstruktion zu steuern. Insbesondere wird bei der Aktivierung des Be dienereingabesteuermechanismusses ein Bedienereingabesi gnal an das Steuersystem gesandt. Das Steuersystem be stimmt eine erwünschte Ventilausgangsflußrate basierend auf dem Lastdruck, der vom Drucksensor 48 abgefühlt wird, und auf dem empfangenen Bedienereingabesignal. Insbeson dere zeigt die Art des vom Bedienereingabesignal darge stellten Befehls an, ob die Flußsteuerung, die Druck steuerung oder sowohl die Druck- als auch die Flußsteue rung erwünscht ist. Die Vielzahl von Druck-Fluß-Kurven 54 oder 54', die im Speicher des Steuersystems gespeichert sind, werden dann verwendet, um die erwünschte Ventilaus gangsflußrate zu bestimmen, die benötigt wird, um das Werkzeug 14 in der erwünschten Weise zu bewegen. Die er wünschte Ventilausgangsflußrate wird dann mit der tat sächlichen Ventilausgangsflußrate verglichen, die entwe der vom Flußsensor 42 abgefühlt wird oder von der Berech nungsvorrichtung 62 für den tatsächlichen Ventilausgangs fluß berechnet wird. Wenn die zwei Flußraten nicht die gleichen sind, modifiziert die Steuervorrichtung 46 oder 46' das Eingangsflußratensignal zum Ventil 32 oder 32', um die erwünschte Ventilausgangsflußrate von diesem Steu erventil zu erzeugen. Das Steuersystem überwacht kontinu ierlich den Betrieb des Werkzeuges 14, so daß die Lei stung der Arbeitsmaschine optimiert werden kann.

Das vorliegende Steuersystem findet insbesondere Anwen dung bei irgendeiner Bauart eines Hydrauliksystems, wel ches ein elektrohydraulisches Steuerventil zur Steuerung des Betriebes von irgendeiner Art eines Arbeitswerkzeuges oder von anderen Betätigungsmitteln verwendet, egal ob ein derartiges Hydrauliksystem bei gewissen Bauarten von Arbeitsmaschinen verwendet wird, oder bei irgendeiner an deren Art von hydraulisch gesteuerten Vorrichtungen.

Zusätzlich werden elektronische Steuervorrichtungen oder Module oder irgendeine andere Art von Prozessormitteln, wie beispielsweise die Steuervorrichtung 46 oder 46' üb licherweise in Assoziation mit Arbeitsmaschinen und ande ren Vorrichtungen zur Durchführung verschiedener Aufgaben verwendet. In dieser Hinsicht kann die Steuervorrichtung 46 oder 46' typischerweise Verarbeitungsmittel aufweisen, wie beispielsweise einen Mikrocontroller oder einen Mi kroprozessor, assoziierte elektronische Schaltungen, wie beispielsweise eine Eingabe/Ausgabe-Schaltung, Analog schaltungen oder programmierte Logikanordnungen, genauso wie einen assoziierten Speicher. Die Steuervorrichtung 46 oder 46' kann daher programmiert sein, um die entspre chenden Signale vom Komparator bzw. der Vergleichsvor richtung 50 und 50' zu erkennen und aufzunehmen, und ba sierend auf einem solchen Signal entsprechende Signale an das Steuerventil 32 oder 32' auszugeben, um die Verschiebung des entsprechenden Kolbengliedes zu modifizieren, um die erwünschte Ausgangsflußrate des Steuerventils zu er reichen.

Noch weiterhin sind die verschiedenen Sensoren, die bei dem vorliegenden System verwendet werden, wie beispiels weise der Sensor 42, 44, 48, 48' und 64 in der Technik wohlbekannt, und eine große Vielzahl von unterschiedli chen Arten von Kolbenverschiebungssensoren, Flußsensoren und Drucksensoren können bei dem vorliegenden Steuersy stem verwendet werden, ohne vom Kern und Umfang der vor liegenden Erfindung abzuweichen.

Wie aus der vorangegangenen Beschreibung offensichtlich ist, sind gewisse Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht auf die speziellen Details der hier veranschaulich ten Beispiele beschränkt. Es wird daher in Betracht gezo gen, daß andere Modifikationen und Anwendungen, die ande re Sensoren und Verfahren zur Bestimmung der tatsächli chen Ausgangsflußrate des Steuerventils 32 oder 32' ge nauso wie andere Sensoren und Verfahren zur Bestimmung der erwünschten Ausgangsflußrate für diese Ventile dem Fachmann einfallen werden. Es ist daher beabsichtigt, daß alle diese Modifikationen und Veränderungen und andere Gebrauchsmöglichkeiten und Anwendungen, die nicht vom Kern und Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen, von der vorliegenden Erfindung abgedeckt werden sollen.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Er findung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Of fenbarung und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1. Steuersystem für ein elektrohydraulisches Ventil, daß zur Steuerung des Betriebes eines Arbeitselemen tes durch Anwendung von Bedienereingabesteuermecha nismen verwendet wird, die bei ihrer Anwendung Be dienereingabesignale erzeugen, wobei das Ventil mit dem Arbeitselement über eine Hydraulikschaltung ver bunden ist, die Betätigungsmittel aufweist, die mit dem Arbeitselement gekoppelt sind, um dessen Betrieb zu steuern, wobei das Steuersystem folgendes auf weist:
einen Flußsensor, der in Verbindung mit dem Ventil positioniert ist, und geeignet ist, um eine tatsäch liche Ventilausgangsflußrate eines dort hindurch fließenden Hydraulikströmungsmittels zu bestimmen, wobei der Flußsensor ein Signal ausgibt, welches die tatsächliche Ventilausgangsflußrate anzeigt;
einen Drucksensor, der in Verbindung mit den Betäti gungsmitteln positioniert ist und geeignet ist, um einen Lastdruck abzufühlen, der auf die Betätigungs mittel aufgebracht wird, wobei der Drucksensor ein Signal ausgibt, welches den Lastdruck anzeigt;
Bestimmungsmittel für die erwünschte Ventilausgangs flußrate in Verbindung mit dem Drucksensor und den Bedienereingabesteuermechanismen zur Aufnahme des Lastdrucksignals und des Bedienereingabesignals und zur Bestimmung einer erwünschten Ventilausgangsfluß rate für das Ventil basierend darauf, wobei die Be stimmungsmittel ein Signal ausgeben, welches die erwünschte Ventilausgangsflußrate anzeigt;
einen Komparator bzw. eine Vergleichsvorrichtung in Verbindung mit dem Flußsensor und den Bestimmungs mitteln für die erwünschte Ventilausgangsflußrate, und zwar geeignet zur Aufnahme von Signalen davon, wobei die Vergleichsvorrichtung betreibbar ist, um die tatsächliche Ventilausgangsflußrate mit der er wünschten Ventilausgangsflußrate zu vergleichen und ein Komparator- bzw. Vergleichsvorrichtungsausgangs signal zu erzeugen, welches eine Differenz dazwi schen darstellt; und
eine Steuervorrichtung in Verbindung mit der Ver gleichsvorrichtung und dem Ventil, die geeignet ist, um das Vergleichsvorrichtungsausgangssignal aufzu nehmen und ein Eingangsflußratensignal in das Ventil zu modifizieren, und zwar basierend auf dem Ver gleichsvorrichtungsausgangssignal, so daß die er wünschte Ventilausgangsflußrate aus dem Ventil er reicht wird.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei der Flußsensor mit der Steuervorrichtung und dem Ventil in Rege lungsrückkoppelungsweise (closed loop) gekoppelt ist, und wobei die Bestimmungsmittel für die er wünschte Ventilausgangsflußrate mit der Steuervor richtung, dem Ventil und dem Drucksensor in Rückkop pelungsregelungsweise gekoppelt sind.

3. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Bestimmungs mittel für die erwünschte Ventilausgangsflußrate ei ne Vielzahl von Druck-Fluß-Kurven aufweisen, die eine Beziehung zwischen dem Lastdruck und der er wünschten Ventilausgangsflußrate basierend auf dem Bedienereingabesignal darstellen.

4. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Vergleichs vorrichtung bzw. der Komparator eine Additionsver bindung ist.

5. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Betätigungs mittel ein Hydraulikzylinder sind.

6. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Arbeitsele ment eine Vorderschaufel ist.

7. Steuersystem für ein elektrohydraulisches Ventil, welches verwendet wird, um den Betrieb eines Ar beitselementes zu steuern, und zwar durch Anwendung von Bedienereingabesteuermechanismen, die Bediener eingabesignale bei ihrer Anwendung erzeugen, wobei das Ventil einen Kolben besitzt, um den Strömungs mittelfluß dort hindurch zu steuern, wobei das Ven til weiter mit dem Arbeitselement über eine Hydrau likschaltung verbunden ist, die eine Hydraulikpumpe aufweist, um einen Strömungsmittelfluß zum Arbeits element zu liefern, und Betätigungsmittel, die mit dem Arbeitselement gekoppelt sind, um dessen Betrieb zu steuern, wobei das Steuersystem folgendes auf weist:
einen Drucksensor, der in Verbindung mit den Betäti gungsmitteln positioniert ist und geeignet ist, um einen Lastdruck abzufühlen, der auf die Betätigungsmittel aufgebracht wird, wobei der Drucksensor ein Signal ausgibt, welches den Lastdruck anzeigt;
Druckabfallbestimmungsmittel zur Bestimmung eines Druckabfalls am Ventil, wobei die Druckabfallbestim mungsmittel ein Signal ausgeben, welches den Druck abfall anzeigt;
einen Kolbenverschiebungssensor, der in Verbindung mit dem Kolben positioniert ist und geeignet ist, um eine Verschiebung des Kolbens relativ zu einer vor bestimmten Position zu bestimmen, wobei der Kolben verschiebungssensor ein Signal ausgibt, daß die Kol benverschiebung anzeigt;
eine Berechnungsvorrichtung für die tatsächliche Ventilausgangsflußrate, die geeignet ist, um das Kolbenverschiebungssignal und das Druckabfallsignal aufzunehmen und eine tatsächliche Ventilausgangs flußrate des Hydraulikströmungsmittels zu berechnen, welches aus dem Ventil fließt, wobei die Berech nungsvorrichtung ein Signal ausgibt, welches die tatsächliche Ventilausgangsflußrate anzeigt;
Bestimmungsmittel für die erwünschte Ventilausgangs flußrate in Verbindung mit dem Drucksensor und den Bedienereingabesteuermechanismen zur Aufnahme des Lastdrucksignals und des Bedienereingabesignals und zur Bestimmung einer erwünschten Ventilausgangsfluß rate für das Ventil basierend darauf, wobei die Be stimmungsmittel für die Ausgangsflußrate ein Signal ausgeben, welches eine erwünschte Ventilausgangs flußrate anzeigt;
einen Komparator bzw. Vergleichsmittel in Verbindung mit der Berechnungsvorrichtung für die tatsächliche Ventilausgangsflußrate und den Bestimmungsmitteln für die erwünschte Flußrate, und zwar geeignet zur Aufnahme von Signalen daraus, wobei die Vergleichs vorrichtung betreibbar ist, um die tatsächliche Ven tilausgangsflußrate mit der erwünschten Ventilaus gangsflußrate zu vergleichen und ein Vergleichsvor richtungsausgangssignal zu erzeugen, welches eine Differenz dazwischen darstellt; und
eine Steuervorrichtung in Verbindung mit der Ver gleichsvorrichtung und dem Ventil, die geeignet ist, um das Vergleichsvorrichtungsausgangssignal aufzu nehmen und ein Eingangsflußratensignal für das Ven til basierend auf dem Vergleichsvorrichtungsaus gangssignal zu modifizieren, so daß die erwünschte Ventilausgangsflußrate aus dem Ventil erreicht wird.

8. Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die Bestimmungs mittel für die erwünschte Ventilausgangsflußrate ei ne Vielzahl von Druckflußkurven aufweist, die eine Beziehung zwischen dem Lastdruck und der erwünschten Ventilausgangsflußrate basierend auf dem Bediener eingabesignal darstellen.

9. Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die Vergleichs vorrichtung eine Additionsverbindung ist.

10. Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die Druckabfall bestimmungsmittel folgendes aufweisen:
einen Pumpendrucksensor, der in Verbindung mit der Hydraulikpumpe positioniert ist, um den Pumpendruck abzufühlen, wobei der Pumpendrucksensor ein Signal ausgibt, das den Pumpendruck anzeigt; und
eine Druckvergleichsvorrichtung in Verbindung mit dem Drucksensor und dem Pumpendrucksensor und geeig net zur Aufnahme von Signalen davon, wobei die Druckvergleichsvorrichtung betreibbar ist, um den Lastdruck mit dem Pumpendruck zu vergleichen, um ein Druckvergleichsvorrichtungsausgangssignal zu erzeu gen, welches den Druckabfall am Ventil darstellt.

11. Steuersystem nach Anspruch 10, wobei die Druckver gleichsvorrichtung eine Additionsverbindung ist.

12. Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die Betätigungs mittel ein Hydraulikzylinder sind.

13. Verfahren zur Steuerung eines elektrohydraulischen Ventils, das zur Steuerung des Betriebs eines Ar beitselementes verwendet wird, welches mit einer Ar beitsmaschine verbunden ist, und zwar durch Anwen dung von Bedienereingabesteuermechanismen, die Be dienereingabesignale bei ihrer Anwendung erzeugen, wobei das Ventil mit dem Arbeitselement über eine Hydraulikschaltung verbunden ist, die Betätigungs mittel aufweist, die mit dem Arbeitselement gekop pelt sind, um dessen Betrieb zu steuern, und mit ei ner Hydraulikpumpe zum Liefern eines Strömungsmit telflusses an die Betätigungsmittel, wobei das Steu ersystem folgendes aufweist:
Bestimmung einer tatsächlichen Ventilausgangsflußra te des Hydraulikströmungsmittels, welches aus dem Ventil fließt;
Abfühlen eines Lastdruckes, der auf das Arbeitsele ment aufgebracht wird;
Bestimmung einer erwünschten Ventilausgangsflußrate für das Ventil basierend auf dem Lastdruck und dem Bedienereingabesignal;
Vergleich der tatsächlichen Ventilausgangsflußrate mit der erwünschten Ventilausgangsflußrate; und
Modifizieren eines Eingangsflußratensignals in das Ventil basierend auf der Differenz zwischen der tat sächlichen Ventilausgangsflußrate und der erwünsch ten Ventilausgangsflußrate, um die erwünschte Ven tilausgangsflußrate zu erhalten.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt der Bestimmung der tatsächlichen Ventilausgangsflußrate das Abfühlen der Flußrate des Hydraulikströmungsmit tels aufweist, welches aus dem Ventil fließt, und zwar mit einem Flußsensor.

15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ventil einen Kolben aufweist, um den Strömungsmittelfluß dort hindurch zu steuern, wobei der Schritt der Bestim mung der tatsächlichen Ventilausgangsflußrate fol gendes aufweist:
Abfühlen der Verschiebung des Kolbens relativ zu ei ner vorbestimmten Position;
Abfühlen der Last, die auf das Arbeitselement aufge bracht wird;
Abfühlen des Pumpendruckes;
Vergleich des Lastdruckes und des Pumpendruckes zur Bestimmung einer Druckdifferenz; und
Berechnung einer tatsächlichen Ventilausgangsflußra te basierend auf der Kolbenverschiebung und der Druckdifferenz.

16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Betätigungs mittel ein Hydraulikzylinder sind.