DE69613670T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung einer Baumaschine - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Apparatur zur Steuerung von Baumaschinen, beispielsweise von Hydraulik- und Löffeltiefbaggern.
• Bezugnehmend auf Fig. 6 verfügt ein Löffeltiefbagger über einen drehbaren Oberwagen 12, der auf einem Unterwagen 1 montiert ist. Am drehbaren Oberwagen 12 ist ein Arbeitsgerät, in diesem Fall ein Löffeltiefbagger 12, angebracht.
• Der Löffeltiefbagger 13 besteht aus einem Auslegearm 15bm, einem Knickarm 15st und einem Löffel 15bk, wobei der Auslegearm 15bm mit seinem Sockel drehbar am Oberwagen 12 befestigt ist. Der Auslegearm 15bm wird durch einen Auslegezylinder 14bm bewegt. Der Knickarm 15st ist drehbar an einem distalen Ende des Auslegearms 15bm gelagert und wird durch einen Knickzylinder 14st gedreht. Der Löffel 15bk ist drehbar an einem distalen Ende des Knickarms 15st angebracht und wird über einen Löffelkippzylinder 14bk bewegt.
• Die Drehwinkel des Auslegearms 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk werden jeweils von Resolvern oder anderen geeigneten Winkelsensoren 16bm, 16st und 16bk erkannt. Die Signale, welche die Winkelgröße repräsentieren, werden durch Signalschleifen 1Bbm, 1Bst, 1Bbk an einen Signalwandler 17 übertragen, der sich in einer am Oberwagen 12 angebrachten Steuereinheit 21 befindet. Die Steuereinheit 21 ist mit einem Mikrocomputer ausgestattet.
• Mit der Steuereinheit 21 ist ein Schalt- und Anzeigefeld 22 verbunden, das als Mensch- Maschine-Schnittstelle dient. Zu den mit der Eingabeeinheit der Steuereinheit 21 verbundenen Elementen gehört ein Kontrollschalter 23, eine Motorpumpen-Steuereinheit 24, ein Drucksensor 25 sowie ein Neigungssensor 26. Der Kontrollschalter 23 ist an einem Bedienhebel angebracht und dient dem Bediener der Maschine zur Auslösung der automatischen Kontrolle bzw. zur Kontrolle der Motordrehzahl. Die Motorpumpen- Steuereinheit 24 regelt einen Motor (nicht abgebildet) und eine Pumpe, wobei die Grundlage für die Einstellungen die von einem Motordrehzahlsensor 24a erkannte Motordrehzahl ist. Der Drucksensor 25 erkennt die Position des Bedienhebels. Der Neigungssensor 26 erkennt den Neigungswinkel des Fahrzeugs. Ein Magnetventil 27 ist mit einem Ausgangsanschluß der Steuereinheit 21 verbunden.
• Die Steuereinheit 21 verfügt über einen Steuerkompensator, durch den der Auslegerzylinder 14bm, der Knickzylinder 14st und der Löffelzylinder 14bk gesteuert werden. Zusammen mit dem Steuerkompensator bildet die Steuereinheit 21 ein Rückkopplungsregelsystem zur Positionserkennung und -steuerung. Dieses System überwacht permanent die Betriebshübe der jeweiligen Zylinder. Es nimmt die Rückkopplungsregelung der tatsächlichen Positionen und der Geschwindigkeiten des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk durch einen Vergleich der Befehlssignale des Bedienhebels mit jenen Signalen vor, welche die Drehwinkel des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk repräsentieren und die von den Winkelsensoren 16bm, 16st, 16bk rückgekoppelt werden. Damit die Baumaschine solche Arbeitsgänge wie horizontales Planieren oder das Glätten von Neigungen ausführen kann, regelt die Steuereinheit 21 indirekt Proportional-Regelventile (nicht abgebildet), wozu sie elektrische Signale nutzt, die vom Steuerkompensator berechnet wurden, um die Differenz (den Fehler) zwischen den Rückkopplungssignalen (der Winkelsensoren 16bm, 16st, 16bk) und jenen Signalen auszugleichen, welche die Zielwerte repräsentieren und die vom Mikrocomputer errechnet wurden. Das Aus- bzw. Einfahren des Auslegerzylinders 14bm, des Knickzylinders 14st und des Löffelzylinders 14bk erfolgt durch die Pilotregelung der (nicht dargestellten) Regelventile unter Verwendung des von den Proportional-Regelventilen generierten Pilotdrucks. Die Steuereinheit 21 kann folglich bei einer solchen Operation wie dem horizontalen Planieren oder dem Glätten von Neigungen automatisch den Löffel in einem konstanten Winkel bzw. die Spitze der Löffelzähne in einer konstanten Ebene halten.
• Die Löffelposition wird automatisch mit Hilfe eines Mikrocomputers geregelt. Auf diese Weise wird der richtige Löffelwinkel beibehalten, und die Spitze der Löffelzähne bleibt beim horizontalen Planieren oder beim Glätten von Neigungen automatisch in der richtigen Position. Bei einem konventionellen Hydraulikbagger wird im allgemeinen ein Regelkreis verwendet, in dem die Signalausgänge der Winkelsensoren 16bm, 16st, 16bk der jeweiligen Elemente des Arbeitswerkzeugs (in diesem Falle eines Löffeltiefbaggers) an die Steuereinheit 21 übertragen werden. Die Steuereinheit 21 emittiert finale Steuersignale zur Minimierung der Abweichung der Zylinder 14bm, 14st, 14bk (welche die Positionen des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk steuern) von den berechneten Bedingungen, wobei die Berechnungsgrundlage durch die Löffelposition gebildet wird.
• Beim Steuermechanismus nach dem aktuellen Stand der Technik wird die Arbeitsbelastung des Löffels 15bk (die an den Zylindern 14bm, 14st, 14bk entstehenden Lasten) lediglich als Störung betrachtet. Solche Faktoren wie die Verdichtungskraft an der beim Ausbaggern entstehenden Oberfläche werden ausgeschlossen und sind kein Bestandteil des Regelsystems. Das heißt: Für diese lastbezogenen Variablen existieren keine voreingestellten Zielwerte. Deshalb kann eine gleichförmige Härte der bearbeiteten Oberfläche nicht nur nicht garantiert werden, sondern es besteht auch die Möglichkeit einer Verschlechterung der Bearbeitungsgenauigkeit, verursacht durch die Schwankungen hinsichtlich der Gralokraft. Darüber hinaus kann sich die Arbeitseffizienz des Werkzeugs bei übermäßigen Arbeitsbelastungen durch einen Rückgang der Zylindergeschwindigkeit verschlechtern.
• Wenn während der Aushubarbeiten die Arbeitsbelastung des Löffels 15bk zunimmt (anders ausgedrückt: wenn die Störungen im Regelsystem zunehmen) erhöht sich im Vergleich zu Arbeiten bei geringeren Lasten die Arbeitsbelastung des Auslegerzylinders 14bm. Dadurch verzögert sich die folgende Bewegung des Auslegers 15bm. Folglich kann die tatsächlich bei den Aushubarbeiten gebildete Oberfläche von der durch die Positionsgrenzen des Werkzeugs (in diesem Falle des Löffels) gebildeten Positionsgrenzen abweichen. Anders ausgedrückt: Die Synchronität der verschiedenen Bewegungsglieder geht verloren, da unter Umständen an jedem Zylinder eine unterschiedliche Lastveränderung erfolgt. Kommt es während horizontaler Planierarbeiten oder dem Glätten von Untergrund zu einer solchen Verzögerung, kann dies mit einer mangelnden Präzision bei der Ausführung der Arbeiten verbunden sein.
• Zur Lösung dieses Problems kann in den Steuerkompensator ein Integrationsfaktor integriert werden, mit dem die Differenz zwischen einer Zielposition und der Ist-Position des Auslegerzylinders 14bm verringert wird. Allein beim Nachdenken über einen Integralterm zum Ausgleich dieser Differenz werden jedoch Probleme deutlich. Beispielsweise kann ein großer Integralterm die Folgebewegung verlangsamen, was wiederum aufgrund der langsamen Reaktion auf rasche Veränderungen im Bereich der Arbeitsbelastung eine Desynchronisierung der Bewegungsglieder zur Folge hat. Außerdem kann es (je nach den Positionen der Verbindungen) zu Instabilitäten im Regelsystem kommen. Folglich darf ein Integrationsfaktor nicht zu groß werden, weshalb es schwierig ist, die Wirkung des Integrationsfaktors in dem gewünschten Maße zu nutzen.
• Der Leser wird darüber hinaus auf den Stand der Technik verwiesen, der aus den Offenlegungen der JP-A-56085037 und DE-A-195 10 376 hervorgeht. Die vorliegende Erfindung wird durch einen Verweis auf die DE-A-195 10 376 charakterisiert.
• Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Vorstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Steuerung einer Baumaschine, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit und die Gleichförmigkeit der Härte der bearbeiteten Oberfläche verbessert werden kann.
• Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die automatische Steuerung einer Baumaschine durch das Verfolgen der Position und der Belastung der beweglichen Elemente eines Werkzeugs und/oder der Ableitungen dieser Belastungen, um Variablen wie die Grab- oder Verdichtungskraft bestimmen zu können.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Verfolgung und Koordination der Bewegung beweglicher Elemente einer Baumaschine, wodurch eine bestimmte Bearbeitungspräzision erreicht werden kann, selbst wenn die bei den Grabarbeiten auftretenden Belastungen während des horizontalen Planierens, des Glättens von Oberflächen und während anderer Operationen, die eine gesteuerte, koordinierte Bewegung eines Werkzeugs erfordern, unterschiedlich sind.
• Dementsprechend wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Baumaschine entsprechend der Definition aus Anspruch 1 vorgestellt.
• Kurz gesagt, kann die Genauigkeit der Bearbeitung und die Gleichförmigkeit der Härte einer durch eine Baumaschine (beispielsweise einen Löffeltiefbagger) bearbeiteten Oberfläche durch eine Veränderung der Ziele eines Regelsystems zur Positionsverfolgung verbessert werden. Die Wirkungsweise dieses Systems basiert auf der Arbeitsbelastung, welche auf das Wirkorgan der Baumaschine wirkt. Beispielsweise kann die Verdichtungskraft bei der Bearbeitung einer Oberfläche durch einen Tieflöffel, dessen Position verfolgt wird, gleichförmiger gestaltet werden. Dazu sind die Ziele des Stellgliedes, die anderenfalls auf der Grundlage von Beschränkungen hinsichtlich der Position und der Geschwindigkeit geregelt werden, in Abhängigkeit von der auf das Wirkorgan wirkenden Arbeitsbelastung zu korrigieren. Zur Erkennung der Arbeitsbelastung kann ein Hydraulikflüssigkeits-Drucksignal an einen Computer übertragen werden, der an das Rückkopplungssystem eine bestimmte Zielposition und Geschwindigkeitsbefehle überträgt. Der Regelkreis kann so angeordnet sein, daß die Arbeitsbelastung konstant bleibt (beispielsweise durch das Erzeugen einer konstanten Verdichtungskraft). Es ist auch möglich, das System so zu konfigurieren, daß der Regelkreis in Reaktion auf ein bestimmtes Prioritätssignal ein bestimmtes Gewicht ausgibt, das den hinsichtlich der Position und der Arbeitsbelastung geltenden Beschränkungen entspricht. Ein weiterer Vorteil der Veränderung der Positionsverfolgung in Reaktion auf die Arbeitsbelastung ist eine verbesserte Koordinierung der Stellglieder. Beispielsweise kann die Verstärkung der Rückkopplungs- und Vorwärtsregelungssignale eines auf der Positionserkennung basierenden Regelsystems erhöht werden, wenn es sich um eine schwere Last handelt, so daß die Reaktion verstärkt wird, während es bei einer leichten Last zu einer Abschwächung der Reaktion kommt.
• Die vorliegende Erfindung stellt ein Steuerverfahren zur Steuerung der Bewegung des Wirkorgans einer Baumaschine und insbesondere solcher Maschinen vor, bei denen ein Rückkopplungs-Regelsystem zur Steuerung der einzelnen Positionen der Stellzylinder eines Wirkorgans dient. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Arbeitsbelastung des Wirkorgans aus dem auf den bzw. die Stellzylinder des Wirkorgans wirkenden Belastungsdruck ermittelt. Die Zielwerte für das Rückkopplungs-Regelsystem, welches die Positionserkennung durchführt, werden in Reaktion auf von der Arbeitsbelastung abhängigen Rückkopplungssignalen ermittelt. Nach diesem Verfahren wird die Arbeitsbelastung des Wirkorgans, beispielsweise die Verdichtungskraft, durch die Ermittlung des Belastungsdrucks am Zylinder erkannt, und die Position des Stellzylinders des Wirkorgans wird zur Erreichung der gewünschten Verdichtungskraft usw. gesteuert. Beispielsweise kann die Verdichtungskraft durch ein Anheben oder Absenken des Löffels in Reaktion auf die erkannte Arbeitsbelastung verringert bzw. erhöht werden. Das zur Positionserkennung dienende Rückkopplungs-Regelsystem führt folglich zur Aufrechterhaltung der Arbeitsbelastung eines Wirkorgans (beispielsweise der Grab- oder der Verdichtungskraft) eine Rückkopplungssteuerung aus, indem ermittelt wird, welcher Belastungsdruck auf die Stellzylinder des Wirkorgans ausgeübt wird. Folglich kann mit dieser Erfindung durch die Nutzung eines vorhandenen, zur Positionserkennung dienenden Rückkopplungs-Regelsystems die Genauigkeit der Oberflächenbearbeitung verbessert werden, und es ist mit dieser Erfindung möglich, der Härte der bearbeiteten Oberfläche durch eine Steuerung der Verdichtungskraft und/oder anderer Arbeitsbelastungen des Wirkorgans zu regulieren. Dies wird durch den Einsatz eines Rückkopplungs-Regelsystems für die Arbeitsbelastung des Wirkorgans erreicht.
• Die Erfindung beinhaltet darüber hinaus ein Verfahren zur Steuerung des Wirkorgans einer Baumaschine, wobei die relative Priorität zwischen Positionserkennung und - steuerung einerseits sowie Steuerung der Arbeitsbelastung andererseits eingestellt werden kann. Wird die Priorität auf die Steuerung der Arbeitsbelastung des Wirkorgans gelegt, wird das Werkzeug so gesteuert, daß die Verdichtungskraft oder eine andere, von der Arbeitsbelastung abgeleitete Variable konstant gehalten wird. Wird der Positionserkennung und - steuerung die Priorität eingeräumt, wird die Bewegung des Werkzeugs auf einen bestimmten Wirkungsbereich eingeschränkt. Die Möglichkeit, entweder der Positionserkennung und - steuerung oder der Steuerung der Arbeitsbelastung des Wirkorgans Priorität einräumen zu können, bietet verschiedene Vorteile. Je höher beispielsweise der Grad der Priorität ist, die der Belastungskontrolle des Wirkorgans eingeräumt wird, desto gleichmäßiger ist die Härte der bearbeiteten Oberfläche. Darüber hinaus kann eine Überlastung und damit das Absinken der Arbeitseffizienz dadurch minimiert werden, daß der Steuerung der Arbeitsbelastung des Wirkorgans im Vergleich zur Positionserkennung und -steuerung die Priorität eingeräumt wird, was eine Verringerung der Zylindergeschwindigkeit verhindert.
• Darüber hinaus wird mit der Erfindung ein Verfahren zur Steuerung einer Baumaschine vorgestellt, insbesondere ein Steuerungsverfahren, bei dem die derivative Variable und damit das Ziel der Steuerung die Verdichtungskraft ist. Um es genauer zu beschreiben, wird bei diesem Verfahren die vom Wirkorgan der Maschine generierte Verdichtungskraft durch die Regelung der Vertikalposition des Wirkorgans gesteuert. Bei diesem Verfahren wird die Verdichtungskraft, welche der Belastung am Wirkorgan entspricht, über ein Rückkopplungssystem so gesteuert, daß sie während der Steuerung der Vertikalposition des Geräts durch das Positionserkennungs- und -steuerungssystem konstant bleibt. Entsprechend diesem Merkmal der Erfindung ist es durch Einstellung der Ziele des Positionserkennungs- und - steuerungssystems, mit dem die vertikale Position des Wirkorgans gesteuert wird, möglich, in ein solches System eine Rückkopplungssteuerung für die Verdichtungskraft zu implementieren.
• Mit der Erfindung wird außerdem eine Apparatur entsprechend Anspruch 11 vorgestellt, die zur Steuerung des Wirkorgans einer Baumaschine dient und mit einem Rückkopplungs- Regelsystem ausgestattet ist, das die jeweiligen Positionen der Stellzylinder des Wirkorgans steuert. Zur Steuerapparatur gehört ein Druckdetektor zur Erkennung der Arbeitsbelastung des Wirkorgans, was durch das Erkennen der auf die Stellzylinder des Wirkorgans wirkenden Drücke erfolgt. Darüber hinaus beinhaltet diese Konfiguration eine Vorrichtung zum Einstellen der Arbeitsbelastung eines Wirkorgans, welche die Zielwerte für das Positionserkennungs- und -steuerungssystem durch einen Vergleich mit den aufgrund der Arbeitsbelastung des Wirkorgans emittierten Rückkopplungssignalen bestimmt. Auf diese Weise wird die Höhe des Wirkorgans automatisch so eingestellt, daß die vom entsprechenden Detektor erkannte Arbeitsbelastung des Wirkorgans einem voreingestellten Wert entspricht, den der Bediener über eine variable Steuervorrichtung eingab. Durch die automatische Einstellung wird folglich (beispielsweise im Falle der Verdichtungskraft) das Wirkorgan angehoben, was die Verdichtungskraft reduziert, oder abgesenkt, was die Verdichtungskraft erhöht. Das zur Positionserkennung und -steuerung dienende Rückkopplungs-Regelsystem führt folglich eine Rückkopplungssteuerung aus, um die Arbeitsbelastung am Wirkorgan dadurch auf einem voreingestellten Wert zu halten, daß ein Sensor diese Belastung mißt und weiterleitet. Die Zielwerte für die Arbeitsbelastung werden mit Hilfe einer entsprechenden Steuervorrichtung eingestellt. Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung kann eine bestimmte Bearbeitungsgenauigkeit durch die Verwendung eines an der Maschine bereits vorhandenen, zur Positionserkennung dienenden Rückkopplungs-Regelsystems sichergestellt werden. Außerdem kann mit der Erfindung eine gleichmäßige Härte der bearbeiteten Oberfläche durch eine Steuerung der Verdichtungskraft und der anderen Arbeitsbelastungen des Wirkorgans gewährleistet werden.
• Die Erfindung beinhaltet darüber hinaus eine Apparatur zur Steuerung des Wirkorgans einer Baumaschine, die einen Zielwert für die Arbeitsbelastung der Maschine und eine Vorgabe für die variable Priorität zwischen Arbeitsbelastung und Positionserkennung akzeptieren kann. In Fällen, in denen die Vorrichtung zur Festlegung der Priorität der Arbeitsbelastung der Maschine die Priorität einräumt, wird dieser Wert konstant gehalten. Zur Verbesserung der Oberflächenqualität soll hingegen unter Umständen der Positionserkennung eine höhere Priorität eingeräumt werden. Letzteres wird entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung dadurch verwirklicht, daß die Vorrichtung zur Festlegung der Priorität das Prioritätsniveau für die Arbeitsbelastung des Wirkorgans absenkt, was automatisch zu einer höheren Priorität für die Positionserkennung führt. Durch den Einsatz der Vorrichtung zum Einstellen der Priorität ist es möglich, den Steuerungsmodus entsprechend der Art der Arbeiten zu verändern und entweder der Steuerung der Arbeitsbelastung oder der Steuerung der Positionserkennung die Priorität einzuräumen. Folglich kann die Erfindung bei unterschiedlichen Betriebsarten zum Einsatz kommen: bei einer Betriebsart, in der die Betonung auf der Gleichförmigkeit der Grab- oder Verdichtungskraft liegt, und bei einer anderen Betriebsart, deren Schwerpunkt der Genauigkeit der Positionserkennung gilt, beispielsweise, wenn eine besonders präzise Bearbeitung der Oberfläche oder einer Neigung notwendig ist.
• Die Erfindung beinhaltet darüber hinaus eine Apparatur zur Steuerung des Wirkorgans einer Baumaschine, bei der ein Rückkopplungs-Regelsystem zum Einsatz kommt, das die jeweiligen Positionen der Stellzylinder des Wirkorgans steuert. Diese Apparatur enthält eine Vorwärtsregelungsschleife, die in dem zur Positionserkennung dienenden Rückkopplungs- Regelsystem untergebracht ist, und ein Instrument zur Abstimmung der Verstärkung der Vorwärtsregelungsschleife entsprechend der Grabbelastung, wobei die Fähigkeit zur Positionserkennung in bezug auf die Grabbelastung durch eine Erhöhung oder Verminderung der Verstärkung der Vorwärtsregelsignale entsprechend der Grabbelastung verbessert wird. Da das Rückkopplungs-Regelsystem, welches die Positionen der Stellzylinder für das Wirkorgan steuert, folglich um eine Vorwärtsregelungsschleife ergänzt wird, verbessert die vorliegende Erfindung die Effizienz der Positionserkennung durch die Stellzylinder des Wirkorgans. Darüber hinaus wird durch den Einsatz eines Instruments zur Abstimmung der Verstärkung der erwähnten Vorwärtsregelungsschleife entsprechend der Grabbelastung die Abweichung der Ist-Position eines Zylinders von seiner Zielposition vermindert. Dadurch wird die Genauigkeit der Positionserkennung der Stellzylinder des Wirkorgans unabhängig von der Grabbelastung verbessert. Eine festgelegte Bearbeitungsgenauigkeit ist auch dann sichergestellt, wenn die Arbeitsbelastung während der Bodenbearbeitung, beispielsweise während des horizontalen Planierens oder des Glättens von Neigungen, erhöht wird. Bei einer kleinen Arbeitsbelastung während der Grabarbeiten wird die Verstärkung automatisch verringert, wodurch die Stabilität des Regelsystems sichergestellt wird.
• Die Erfindung beinhaltet darüber hinaus eine Apparatur zur Steuerung des Wirkorgans einer Baumaschine durch Einstellung einer Vorwärtsregelungsverstärkung, die auf Drucksensoren reagiert, welche zur Erkennung des Belastungsdrucks des/der Stellzylinder(s) angebracht wurden. Die Einstellung der Verstärkung erfolgt entsprechend einer Verweistabelle, die im Speicher abgelegt ist. In dieser Verweistabelle ist eine Beziehung zwischen dem von den Drucksensoren erkannten Belastungsdruck am Zylinder und der Verstärkung definiert. Dabei wird zunächst der auf ein Wirkorgan wirkende Belastungsdruck erkannt, ehe der Zylinder in Reaktion auf den erkannten Druck und das Abrufen einer gewünschten, dem erkannten Belastungsdruck entsprechenden Verstärkung aus einem Speicher angesprochen wird. Danach erfolgt automatisch eine Verstärkung der Vorwärtsregelungsschleife um das gewünschte Maß. Folglich kann mit einer Ausführungsform der Erfindung trotz Veränderungen hinsichtlich der Grabbelastung eine Vorwärtsregelung erreicht werden.
• Darüber hinaus beinhaltet die Erfindung eine Apparatur zur Steuerung des Wirkorgans einer Baumaschine, in der ein Rückkopplungs-Regelsystem zum Einsatz kommt, das die jeweiligen Positionen der Stellzylinder des Wirkorgans verfolgt. Die Apparatur beinhaltet eine Vorwärtsregelungsschleife, die in das zur Positionserkennung und -steuerung dienende Rückkopplungs-Regelsystem integriert ist. Die Vorwärtsregelungsverstärkung wird entsprechend der Grabbelastung eingestellt. Darüber hinaus wird entsprechend dieser Ausführungsform eine Rückkopplungsverstärkung des zur Positionserkennung und - steuerung dienenden Rückkopplungs-Regelsystems entsprechend der Grabbelastung eingestellt. Die Genauigkeit der Positionserkennung in bezug auf die Grabbelastung wird durch eine Erhöhung oder Verringerung der jeweiligen Verstärkung der Vorwärtsregel- und Rückkopplungssignale entsprechend der Grabbelastung verbessert. Durch die Korrektur der Vorwärtsregelungsverstärkung und die Einstellung der Verstärkung des zur Positionserkennung und -steuerung dienenden Rückkopplungs-Regelsystems entsprechend der Grabbelastung kann durch die Erfindung sowohl die Vorwärtsregelungsverstärkung, als auch die Rückkopplungsverstärkung optimiert werden. Folglich wird entsprechend der Erfindung die Genauigkeit der Erkennung der Position der Wirkorgan-Stellzylinder verbessert, auch wenn die Grabbelastung während bestimmter Operationen zur Bodenbearbeitung, beispielsweise während des horizontalen Planierens oder der Oberflächenbearbeitung von Neigungen, erhöht wird. Darüber hinaus wird durch das System sichergestellt, daß bei kleinen Grabbelastungen die Verstärkungen auf ein niedriges Niveau korrigiert werden können, wodurch die Stabilität des Regelsystems gewährleistet ist.
• Die Erfindung beinhaltet darüber hinaus eine Apparatur zur Steuerung des Wirkorgans einer Baumaschine, bei der die Vorwärtsregel- und die Rückkopplungsverstärkung entsprechend der Ausgabe von Drucksensoren erfolgt, welche den an den Stellzylindern des Wirkorgans wirkenden Belastungsdruck erkennen. Die erfindungsgemäße Apparatur verfügt über Kontrollspeicher, in denen die jeweiligen Verweistabellen abgelegt sind. Jede Verweistabelle definiert eine Beziehung zwischen einem bestimmten, von den entsprechenden Drucksensoren erkannten Arbeitsdruck an einem Zylinder und der Rückkopplungsverstärkung. Entsprechend einem Verfahren zur Regelung der Apparatur werden die Arbeitsdrücke am Zylinder erkannt, die Verstärkungen aus den entsprechenden Verweistabellen abgerufen und auf die Vorwärtsregelung und die Rückkopplung angewandt. Folglich kann eine Apparatur entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Vorwärtsregelung auch bei wesentlichen Veränderungen in der Grabbelastung gewährleisten. Das ist darauf zurückzuführen, daß entsprechend der oben beschriebenen Vorgehensweise die Verstärkungen der Vorwärtsregelsignale und der Rückkopplungssignale unter Bezugnahme auf die Veränderung des von den Drucksensoren erkannten Belastungsdrucks am Zylinder korrigiert werden.
• Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung des Wirkorgans einer Baumaschine vorgestellt, das mit einem zur Positionserkennung dienenden Rückkopplungs-Regelsystem ausgestattet ist, über das die jeweiligen Positionen eines Stellgliedes zur Steuerung der Positionen eines Wirkorgans verfolgt werden, wobei dieser Prozeß folgende Schritte umfaßt: Generierung eines Zielwertes für eine Belastungskraft, die auf das Stellglied wirkt und auf eine Wirkung des Wirkorgans gegen ein Arbeitsmaterial zurückzuführen ist, Erkennung der tatsächlichen Belastung und Veränderung eines Steuersignals des Rückkopplungs-Regelsystems in Reaktion auf ein Ergebnis, das in der Stufe des Erkennens der Belastung sowie des Zielwerts ermittelt wurde.
• Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Apparatur zur Steuerung eines Wirkorgans einer Baumaschine vorgestellt, die über ein Rückkopplungs-Regelsystem verfügt, das die jeweiligen Positionen der Stellzylinder, welche des Wirkorgan bewegen, verfolgt und folgende Elemente umfaßt: einen Drucksensor, der mit dem Stellglied verbunden ist und mit einer Hydraulikflüssigkeit kommuniziert, deren Druck von der Arbeitsbelastung des Wirkorgans abhängt, einen Einstellindikator, der dem Benutzer das Einstellen eines bestimmten Signals zur Angabe einer Ziel-Arbeitsbelastung gestattet, und eine Arbeitsbelastungs-Regeleinheit, deren Funktion im Empfang eines Signals mit der Ziel-Arbeitsbelastung besteht. Dabei ist die Arbeitsbelastungs-Regeleinheit mit dem Rückkopplungs-Regelsystem verbunden und verfolgt die jeweiligen Positionen so, daß eine Verfolgung dieses Systems in Reaktion auf das Signal zur Angabe einer gewünschten Arbeitsbelastung und ein Drucksignal des Drucksensors erfolgt.
• Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Apparatur zur Steuerung des Wirkorgans einer Baumaschine vorgestellt, die über ein Rückkopplungs-Regelsystem verfügt, das die jeweiligen Positionen der Stellzylinder, welche des Wirkglied ansprechen, verfolgt und folgende Elemente umfaßt: eine Vorwärtsregelungsschleife in dem zur Positionserkennung und -steuerung dienenden Rückkopplungs-Regelsystem, einen in die Vorwärtsregelung integrierten Verstärker zur Einstellung einer Verstärkung der Vorwärtsregelungsschleife und einen mit dem Verstärker verbundenen Detektor (zur Erkennung der Grabbelastung ist die Verstärkung des Verstärkers in Reaktion auf den Detektor stufenlos einstellbar), und eine Rückkopplungsschleife mit einem integrierten Verstärker zur Einstellung der Verstärkung eines Rückkopplungssignals der Rückkopplungsschleife, wobei die Verstärkung in Reaktion auf die am Sensor erkannten Werte stufenlos einstellbar ist.
• Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung einer hydraulischen Baumaschine vorgestellt, die mit einem Rückkopplungs-Regelsystem zur Positionserkennung und -überwachung ausgestattet ist und folgende Schritte umfaßt: Speicherung einer gewünschten Positionsgrenze für ein Wirkorgan der Baumaschine, Speicherung einer Angabe der gewünschten Geschwindigkeit des Wirkorgans, Überwachung einer auf das Wirkorgan wirkenden Arbeitskraft, ein Signal, welches auf eine Position des Wirkorgans reagiert und das durch eine Rückkopplungsschleife des Rückkopplungs-Regelsystems zur Positionserkennung und -überwachung reagiert" wobei das Signal in Reaktion auf die Ergebnisse der Überwachung einer Arbeitskraft verstärkt werden.
• Die obigen Ausführungen und weitere Ziele, Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung deutlich, die in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen zu lesen ist, wobei gleiche Referenzzahlen dieselben Elemente kennzeichnen.
• Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer Steuerapparatur für das Wirkorgan einer Baumaschine entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Regeleinheit der in Fig. 1 dargestellten Steuerapparatur für das Wirkorgan einer Baumaschine.
• Fig. 3 (A) ist eine Explosionszeichnung, die Beispiele für die Position der Spitze der Löffelzähne illustriert, wobei diese Position vom Grad der Priorität abhängt, welche der Steuerung der Position der Zähne und der Verdichtung durch die besagte Apparatur eingeräumt wird.
• Fig. 3 (B) ist ein Diagramm, das die Veränderungen der Grabkraft in Abhängigkeit von dem besagten Prioritätsniveau illustriert.
• Fig. 4 ist ein Blockdiagramm einer Steuerapparatur für das Wirkorgan einer Baumaschine entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 5 ist ein Blockdiagramm der Regeleinheit der in Fig. 4 dargestellten Steuerapparatur für das Wirkorgan einer Baumaschine.
• Fig. 6 ist eine Explosionszeichnung, welche die Systemkonfiguration eines konventionellen Hydraulikbaggers illustriert.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 1 umfaßt das an der Front befindliche Wirkorgan einen Auslegerzylinder 14bm, einen Knickzylinder 14st und einen Löffelkippzylinder 14bk, die gemeinsam als Wirkorgan-Stellzylinder 14 bezeichnet werden können. Die Wirkorgan- Stellzylinder bewegen eine Frontkonstruktion, die aus einem Ausleger 15bm, einem Knickarm 15st und einem Löffel 15bk besteht.
• Das Wirkorgan wird von einer Steuereinheit 21 gesteuert. Über einen Knickarm- Bedienhebel 33 wird ein Signal ausgelöst, das eine Zielgeschwindigkeit der Löffelzähne in der Grabrichtung angibt. Über eine Neigungs-Einstellvorrichtung 41 wird eine Zielneigung p der fertig bearbeiteten Oberfläche A festgelegt. Eine Verdichtungs-Einstellvorrichtung 42 gibt eine Ziel-Verdichtungskraft an. Die Prioritäts-Einstellvorrichtung 43 schafft ein Gleichgewicht zwischen den widerstreitenden Prioritäten der Begrenzung der Geometrie einer Bewegung (das heißt, des Ziehens der Löffelzähne durch eine Ebene) und der Aufrechterhaltung einer konstanten Verdichtungskraft. Die jeweiligen Zielwerte für die beiden Arten der Steuerung werden durch die Neigungs-Einstellvorrichtung 41 bzw. die Verdichtungs-Einstellvorrichtung 42 bestimmt.
• Die Steuereinheit 21 generiert Ausgangssignale, die an Proportional-Regelventile 35 übertragen werden. Diese Ventile emittieren entsprechend den von der Steuereinheit 21 empfangenen Signalen bestimmte Pilotdrücke. Die Regelventile 36 steuern die Drücke und Volumina der Hydraulikflüssigkeit, die von einer Hydraulikquelle (nicht abgebildet) zu Wirkorgan-Stellzylindern 14 übertragen werden. Zur Einstellung der Regelventile 36 dient die Einstellung der Spulenpositionen unter Ausnutzung der Pilotdrücke, die von den Proportional-Regelventilen 35 generiert wurden.
• Darüber hinaus wirken die zur Positionsüberwachung dienenden Signalschleifen 18bm, 18st und 18bk (zusammengefaßt bezeichnet als Rückkopplungsschleifen 18) über Winkelsensoren 16bm, 16st bzw. 16bk auf die Steuereinheit 21. Die Winkelsensoren 16bm, 16st, 16bk erkennen die jeweiligen Drehwinkel der Bewegungselemente am Oberwagen 12, das heißt, die Winkel des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st bzw. des Löffels 15bk. Die oben beschriebenen Elemente bilden ein Regelsystem. Als Winkelsensoren 16bm, 16st, 16bk können Resolver, Encoder oder andere geeignete Bauelemente genutzt werden. Die Winkelsensoren 16bm, 16st, 16bk werden zusammengefaßt als Winkelsensoren 16 bezeichnet. Die zur Hydraulikflüssigkeitsversorgung und -abführung dienenden Leitungen 31bm, 31st führen zum Auslegerzylinder 14bm und zum Knickzylinder 14st und sind jeweils mit Druckdetektoren 32bm bzw. 32st ausgestattet. Die Druckdetektoren 32bm, 32st erkennen den Belastungsdruck, der während der Arbeiten auf den Auslegerzylinder 14bm und den Knickzylinder 14st wirkt. Diese Drücke können zusammen mit den Positionsdaten zur Angabe der zwischen dem Löffel 15bk und der Oberfläche A wirkenden Kontaktkraft genutzt werden. Beispielsweise wird eine Verdichtungskraft, die durch eine vertikale Bewegung des Löffels 15bk generiert wird, durch den Belastungsdruck des Zylinders angegeben, insbesondere des Auslegerzylinders 14bm.
• Die Verdichtungskraft kann durch Multiplikation des Belastungsdrucks des Auslegerzylinders 14bm mit der Innenfläche des Zylinders, der den Druck aufnimmt, ermittelt werden. Die Grabkraft wird durch Multiplikation des Belastungsdrucks des Knickzylinders 14st mit der Innenfläche des Zylinders, der den Druck aufnimmt, ermittelt.
• Eine Rückkopplungsschleife 44 wird von den Druckdetektoren 32bm, 32st angesprochen und überträgt die so erkannten Belastungsdaten an eine Steuereinheit 21. Die Steuereinheit 21 ist mit Steuerkompensatoren 52b, 52st, 52bk ausgestattet, die die jeweiligen Wirkorgan- Stellzyllinder 14 steuern. Die Steuereinheit 21 überwacht permanent die tatsächlichen Positionen und Geschwindigkeiten des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk. Darüber hinaus überwacht die Steuereinheit 21 durch Signale, welche die Drehwinkel und Winkelgeschwindigkeiten des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk steuern, indirekt die Arbeitspositionen und Geschwindigkeiten der jeweiligen Wirkorgan-Stellzylinder 14. Diese Signale werden durch Winkelsensoren 16 erkannt und an die Steuereinheit 21 zurückgegeben. Die Steuereinheit 21 führt über die Proportional- Regelventile 36 in Reaktion auf Befehlssignale von der Neigungs-Einstellvorrichtung 41 und vom Bedienhebel 33 eine Rückkopplungssteuerung der Regelventile 36 des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk aus. Diese Befehlssignale bestimmen die Positionen bzw. Geschwindigkeiten der Frontkonstruktion.
• Während des horizontalen Planierens oder des Glättens von Neigungen werden die jeweiligen Proportional-Regelventile 35 zur Steuerung des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk elektrisch auf der Grundlage von Signalen gesteuert, die durch die Steuerkompensatoren 52b, 52st und 52bk berechnet werden. Die von den Kompensatoren berechneten Signale eliminieren die Differenz zwischen den Rückkopplungssignalen und den vom Mikrocomputer berechneten Zielsignalen. Dadurch werden die Löffelzähne automatisch auf einen bestimmten Bereich von Punkten eingegrenzt, und der Löffelwinkel wird während des horizontalen Planierens bzw. des Glättens von Neigungen konstant gehalten. Die Regelung erfolgt durch Proportional-Regelventile 35, welche den Pilotdruck zu den Spulen der Regelventile 36 steuern, auf dessen Grundlage die entsprechenden Zylinder 14bm, 14st und 14bk den Ausleger 15bm, den Knickarm 15st und den Löffel 15bk steuern.
• Bezugnehmend auf Fig. 2, ist jeder der Druckdetektoren 32bm und 32st als ein Differentialdruckindikator ausgeführt, der aus einem Drucksensor 32 h und einem Drucksensor 32r besteht, die jeweils an der Ausfahrseite (der Kopfseite) und der Einfahrseite (der Gestängeseite) des entsprechenden Zylinders angebracht sind. Folglich erkennt jeder der Druckdetektoren 32bm und 32st den am Zylinder wirkenden Belastungsdruck, das heißt, die Differenz zwischen dem vom Drucksensor 32 h an der Ausfahrseite und dem vom Drucksensor 32r an der Einfahrseite erkannten Belastungsdruck.
• Die Rückkopplungsschleife 44 und die Verdichtungs-Einstellvorrichtung 42 emittieren Signale an einen Komparator 45. Der Ausgang des Komparators 45 ist mit einer Recheneinheit 46 verbunden, welche die Zielgeschwindigkeit für die vertikale Bewegung der Spitze der Löffelzähne errechnet. Das von der Recheneinheit 46 generierte Signal für die vertikale Zielgeschwindigkeit wird durch einen Multiplikator 47 verstärkt/korrigiert und durch einen Begrenzer 48 in seinem Spitzenwert begrenzt. Das korrigierte, begrenzte Signal wirkt auf eine Berechnungseinheit 51. Die Verstärkung des Multiplikators 47 wird entsprechend eines Signals von der Prioritäts-Einstellvorrichtung 43 bestimmt. Durch den Begrenzer 48 werden die oberen und unteren Grenzen der vertikalen Zielgeschwindigkeit der Löffelzähne festgelegt, was die Verdichtungskraft beeinflußt. Die Berechnungseinheit 51 ist mit einem Mikrocomputer ausgestattet (nicht abgebildet), der die jeweiligen Zielpositionen und -geschwindigkeiten der Wirkorgan-Stellglieder 14 berechnet.
• Die Berechnungseinheit 51 emittiert an die Steuerkompensatoren 52 ein Signal mit der Angabe der berechneten Zielwerte. Jeder Steuerkompensator 52 ist mit einem Ausgleichskreis ausgestattet, durch den die Steuerungseigenschaften verbessert werden, beispielsweise die Stabilität, die Reaktionsgeschwindigkeit und die Gleichgewichtsabweichung, um sicherzustellen, daß die Erkennungssignale, welche eine aktuelle Position und die Geschwindigkeit des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st oder des Löffels 15bk repräsentieren, über die Rückkopplungsschleife 18 rückgekoppelt werden und exakt den Zielsignalen zum Ansprechen der entsprechenden Zylinder folgen. Das heißt, die Zielposition und die Geschwindigkeit des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st oder des Löffels 15bk, die von der Berechnungseinheit 51 ausgegeben werden, bewirken ein horizontales Planieren, ein Glätten von Neigungen oder ein Einrichten der Verdichtungskraft innerhalb kontrollierter Grenzen. Über die oben beschriebenen Kompensationskreise geben die einzelnen Steuerkompensatoren 52 elektrische Signale ab, so daß die Proportional- Regelventile 35 für den Ausleger 15bm, den Knickarm 15st oder den Löffel 15bk durch die Ausgabe elektrischer Signale gesteuert werden.
• Bezugnehmend nunmehr auf Fig. 3 wird die bisher beschriebene Ausführungsform wie folgt bedient. Zunächst richtet der Bediener mit Hilfe der Neigungs-Einstellvorrichtung 41 eine Zielneigung p für die Arbeiten an der Neigung A ein. Danach muß er den Knickarm- Bedienhebel 33 bewegen, um die Zielgeschwindigkeit der Löffelzähne in Grabrichtung festzulegen. Dadurch wird die Berechnungseinheit 51 verlaßt, die entsprechenden Zielpositionen und die Geschwindigkeiten der Wirkorgan-Stellzylinder 14 zu berechnen und auszugeben.
• In der Zwischenzeit vergleicht der Komparator 45 die Differenz zwischen den Drücken, die von den Drucksensoren 32 h, 32 an der Ausfahrseite und an der Einfahrseite der jeweiligen Wirkorgan-Stellzylinder 14 erkannt wurden, mit dem von der Verdichtungs- Einstellvorrichtung 42 eingestellten Wert. Die Höhe des Löffels über dem Erdboden wird danach automatisch so eingestellt, daß jede Druckdifferenz mit dem Zielwert für den entsprechenden Zylinder übereinstimmt. Genauer ausgedrückt: Der Löffel 15bk wird angehoben, um die auf das Erdreich wirkende Verdichtungskraft zu verringern, und er wird abgesenkt, um die Verdichtungskraft zu erhöhen.
• Obwohl die Spitzen der Löffelzähne vom voreingestellten Zielbereich abweichen, kann diese Abweichung negiert werden. Hierzu ist mit Hilfe der Prioritäts-Einstellvorrichtung 43 der Grad der Priorität zwischen der Positionserkennung und -steuerung einerseits sowie der Steuerung der Arbeitsbelastung andererseits festzulegen. Die Priorität kann folglich so eingerichtet werden, daß der Positionserkennung und -steuerung eindeutig (oder zu 100%) der Vorzug gegeben wird, so daß die tatsächlichen Zylinderdrücke mit den Zieldrücken übereinstimmen, und eine konventionelle Kontrolle der Löffelzahnpositionen, also eine Steuerung der Zylinderpositionen, möglich ist.
• Wie aus dem in Fig. 3 (A) dargestellten Beispiel hervorgeht, würde bei einer Festlegung der Priorität zugunsten der Positionserkennung- und -steuerung der Löffelzähne die Genauigkeit der Löffelbewegung und damit der Oberflächenbearbeitung verbessert. In diesem Fall kann jedoch die Grabkraft (in Fig. 3 [B] anhand einer durchgehenden Linie dargestellt) schwanken.
• Wie in den Beispielen durch die dicken unterbrochenen Linien, die entlang der die Grabkraft repräsentierenden Linie in Fig. 3 (B) verlaufen, dargestellt, wird durch eine Festlegung der Priorität zugunsten der Verdichtungskräfte eine genaue Steuerung dieser Kräfte möglich, während die Grabkraft nahezu konstant bleibt. Bei diesem Szenario besteht jedoch die Tendenz, daß die Lage der Punkte, welche durch die Bewegung der Löffelzähne definiert werden, von dem Ziel einer angenommenen Gerade abweicht, wie aus der höchsten unterbrochenen Linie in Fig. 3 (A) hervorgeht.
• Der Zielpunkt der Löffelzähne und die Ziel-Verdichtungskraft (der Ziel-Belastungsdruck des Zylünders) können mit Hilfe einer Neigungs-Einstellvorrichtung 41 und einer Verdichtungs-Einstellvorrichtung 42 eingerichtet werden.
• Der Grad der Priorität zwischen den beiden Zielen (dem Ziel der Steuerung der Verdichtung und dem Ziel der Steuerung der Position der Löffelzähne) kann mit Hilfe der Prioritäts-Einstellvorrichtung 43 eingestellt werden. Mit der oben beschriebenen Apparatur wird es durch das Einrichten dieser Einstellungen möglich, die Genauigkeit der Bearbeitung und die Härte der bearbeiteten Oberfläche oder eine Kombination beider Kriterien festzulegen. Das heißt: Der Bediener kann selbst festlegen, welchem der beiden Kriterien in Abhängigkeit von der auszuführenden Aufgabe eine größere Bedeutung eingeräumt werden soll.
• Mit der oben beschriebenen Apparatur ist es möglich, die Verdichtungskraft durch ein halbautomatisches Anheben oder Absenken des Löffels 15bk entsprechend der oben beschriebenen Priorität zu steuern, denn auch der Löffel 15bk übt während der Bewegung über die zu bearbeitende Oberfläche eine Verdichtungskraft aus.
• Bezugnehmend auf die Fig. 4 und 5 beinhaltet eine andere Ausführungsform ein an der Front befindliches Wirkorgan, das von einem Auslegerzylinder 14bm, einem Knickzylinder 14st und einem Löffelzylinder 14bk angetrieben wird, die zusammengefaßt als Wirkorgan-Stellzylinder 14 bezeichnet werden. Das an der Front befindliche Wirkorgan umfaßt eine Frontvorrichtung, die einen Ausleger 15bm, einen Knickarm 15st und einen Löffel 15bk umfaßt.
• Ein zur Positionserkennung und -steuerung dienendes Rückkopplungs-Regelsystem umfaßt eine Steuereinheit 21, die als Hauptglied zur Steuerung des an der Front befindlichen Wirkorgans dient. Ein Knickarm-Bedienhebel 33 überträgt an eine Steuereinheit 21 ein Signal, das für den Löffelzahn eine Zielgeschwindigkeit in Grabrichtung angibt. Die Proportional-Regelventile 35 geben Pilotdrücke ab, deren Größe proportional zu den von der Steuereinheit 21 übertragenen elektrischen Signalen ist. Die Regelventile 36 regeln die Drücke und Mengen der Hydraulikflüssigkeit, die von einer Hydraulikquelle (nicht abgebildet) an die Wirkorgan-Stellzylinder 14 übertragen werden. Die Wahrnehmung der Steuerungsfunktion durch die Regelventile 36 erfolgt über Spulen, deren Positionen durch die Pilotdrucksignale von den Proportional-Regelventilen 35 gesteuert werden. Die Winkelsensoren 16bm, 16st und 16bk (zusammengefaßt bezeichnet als Winkelsensoren 16) erkennen die Drehwinkel des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk. Die Signalschleifen 1Bbm, 1Bst und 1Bbk (zusammengefaßt bezeichnet als Signalschleifen 18) stellen die Verbindung zwischen den einzelnen Winkelsensoren 16 und der Steuereinheit 21 her.
• Die zur Hydraulikflüssigkeitsversorgung und -abführung dienenden Leitungen 31 bm, 31st und der Knickzylinder 14st sind jeweils mit Druckdetektoren 32bm bzw. 32st ausgestattet. Die Druckdetektoren 32bm, 32st erkennen den Belastungsdruck, der während der Arbeiten auf den Auslegerzylinder 14bm und den Knickzylinder 14st wirkt. Die Belastung während eines Grabvorgangs (die Grabkraft) kann durch Multiplikation des am Zylinder wirkenden Belastungsdrucks mit der Größe der Innenfläche des Zylinders, welcher den Druck aufnimmt, berechnet werden.
• Da sich die Belastung am Knickzylinder 14st während des horizontalen Planierens bzw. des Glättens von Neigungen wesentlich verändert, ist der Druckdetektor 32st für den Knickzylinder 14st unverzichtbar. Da andererseits die Belastungsveränderung am Auslegerzylinder 14bm minimal ist, kann auf den Druckdetektor 32bm für den Auslegerzylinder 14bm gegebenenfalls auch verzichtet werden.
• Ein Verdichtungskraft-Signal 71 wird aus der von den Druckdetektoren 32bm, 32st erkannten Arbeitsbelastung des Zylinders berechnet und zur Steuereinheit 21 übertragen. Die Verweistabellen 72a und 72b (zusammengefaßt mit der Zahl 72 bezeichnet) korrigieren das Verdichtungskraft-Signal 71 und emittieren Rückkopplungssignale 71a und 71b. Die Tabellen 72 vermindern oder verstärken die Rückkopplungs- oder Vorwärtsverstärkung entsprechend dem am Zylinder wirkenden Belastungsdruck (der Grabbelastung).
• Die Steuereinheit 21 ist mit Steuerkompensatoren 52bm, 52st und 52bk ausgestattet, die gemeinsam als Steuerkompensatoren 52 bezeichnet werden. Die Steuereinheit 21 steuert die jeweiligen Wirkorgan-Stellzylinder 14 durch eine konstante Überwachung der tatsächlichen Positionen und Geschwindigkeiten des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk. Die Steuereinheit 21 überwacht darüber hinaus indirekt die Arbeitspositionen und Geschwindigkeiten der Wirkorgan-Stellzylinder 14 durch Signale, welche die jeweiligen Drehwinkel und Winkelgeschwindigkeiten des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk repräsentieren und die durch die Winkelsensoren 16 an die Steuereinheit 21 rückgekoppelt werden, wobei die Positionen und Geschwindigkeiten auf der Grundlage der bekannten Geometrie der Frontkonstruktion berechnet werden können. Die Steuereinheit 21 führt eine Rückkopplungssteuerung der Regelventile 36 über die Proportional-Regelventile 35 aus, so daß der Ausleger 15bm, der Knickarm 15st und der Löffel 15bk Befehlssignalen folgen, welche die Zielpositionen und -geschwindigkeiten der Frontkonstruktion bestimmen.
• Erneut bezugnehmend auf Fig. 3, werden während des horizontalen Planierens oder des Glättens von Neigungen die Proportional-Regelventile 35 zur Steuerung des Auslegers 15bm, des Knickarms 15st und des Löffels 15bk elektrisch auf der Grundlage von Signalen gesteuert, die von den Steuerkompensatoren 52b, 52st, 52bk berechnet wurden. Die Steuerkompensatoren 52b, 52st, 52bk eliminieren die Differenzen zwischen den Rückkopplungssignalen 18 und den vom Mikrocomputer errechneten Zielsignalen zum Ansprechen der einzelnen Zylinder. Um automatisch die Position der Punkte, welche durch die Bewegung der Löffelzähne (beispielsweise in einer Ebene) definiert werden, einzugrenzen, und um den Löffelwinkel während des horizontalen Planierens oder vertikalen Glättens konstant zu halten, regeln die Magnetventile 35 die Proportional-Regelventile 36 für den Ausleger, den Knickarm und den Löffel so, daß durch die von den Regelventilen 36 abgegebenen Hydraulikdrücke die Wirkorgan-Stellzylinder 14 aus- oder eingefahren werden. Der Bedienhebel 33 und die Neigungs-Einstellvorrichtung 41, die bei Bodenbearbeitungen zum Festlegen einer Zielneigung p für eine Neigungsfläche A verwendet werden, sind mit einer Recheneinheit 61 verbunden. Die Recheneinheit 61 berechnet die Zielgeschwindigkeiten der einzelnen Wirkorgan-Stellzylinder 14. Nachdem die Zielneigung p für die Neigungsfläche A durch die Neigungs-Einstellvorrichtung 41 eingerichtet wurde, muß der Bediener lediglich mit Hilfe des Bedienhebels 33 an das System die gewünschte Zielgeschwindigkeit der Löffelzähne in der Grabrichtung übertragen. Danach erfolgt die Berechnung und Ausgabe der entsprechenden Zielpositionen und -geschwindigkeiten der Wirkorgan-Stellzylinder 14 durch die Recheneinheit 61.
• Ein Integrator 62 integriert die von der Recheneinheit 61 berechneten Zielpositionen und -geschwindigkeiten und generiert Signale, die den jeweiligen Zielpositionen des Auslegers, des Knickarms und des Löffels entsprechen. Die vom Integrator 62 und den Rückkopplungsschleifen 18 emittierten Signale werden an einen Komparator 64 übertragen, der das von ihm ermittelte Ergebnis an einen Steuerkompensator 52 weiterleitet. Ein Verstärker verstärkt bzw. steuert die Ausgabe des Komparators 64 in Reaktion auf das Rückkopplungssignal 71a.
• Jeder Steuerkompensator 52 verfügt über einen Kompensationskreis zur Verbesserung der Steuerungseigenschaften des Rückkopplungs-Regelsystems, beispielsweise der Stabilität, der Reaktionsgeschwindigkeit und der Gleichgewichtsabweichung. Der Steuerkompensator 52 generiert ein Signal zur Steuerung der Zylinder, so daß das Signal, welches die tatsächlichen Positionen des Auslegers, des Knickarms oder des Löffels repräsentiert, präzise mit dem Zielsignal zum Ansprechen des entsprechenden Zylinders übereinstimmt, das heißt, mit der Zielposition des Auslegers, des Knickarms oder des Löffels.
• Die Magnetspulen und andere geeignete Elemente der Proportional-Regelventile 35 sind über ein Addierglied 67, einen Verstärker (nicht dargestellt) und andere notwendige Vorrichtungen mit den oben beschriebenen Steuerkompensatoren 52 verbunden. Das Ausgabesignal der Berechnungseinheit 61, das die Zielgeschwindigkeit angibt, wird durch einen Verstärker 68 verstärkt bzw. geregelt und an ein Addierglied 67 weitergeleitet, wodurch eine Vorwärtsschleife 69 gebildet wird. Die Verstärkung des Verstärkers 68 wird durch das Rückkopplungssignal 71b gesteuert.
• Bei den Druckdetektoren 32bm und 32st handelt es sich um Differentialdruckindikatoren, die aus einem Drucksensor 32 h und einem Drucksensor 32r bestehen, die jeweils an der Ausfahrseite (der Kopfseite) bzw. der Einfahrseite (der Gestängeseite) des entsprechenden Zylinders angebracht sind. Folglich erkennt jeder der Druckdetektoren 32bm und 32st den Belastungsdruck am Zylinder, das heißt, die Differenz zwischen dem vom Drucksensor 32 h erkannten Belastungsdruck auf der Ausfahrseite und dem vom 32r erkannten Belastungsdruck auf der Einfahrseite.
• Die Signalleitung 71 überträgt jene Signale, welche die von Drucksensoren 32 h und 32r erkannten Zylinderbelastungen repräsentieren. Diese Leitung wird in eine Signalleitung 71a zur Korrektur der Rückkopplungsverstärkung und eine Signalleitung 71b zur Korrektur der Vorwärtsregelungsverstärkung verzweigt. Die Verweistabelle 72a dient zur Korrektur der Verstärkung des Rückkopplungssignals, und die Verweistabelle 72b dient zur Korrektur der Verstärkung des Vorwärtsregelungssignals. Diese Verstärkungssignale wirken über die Leitungen 71a bzw. 71b auf die Verstärker 65 bzw. 68.
• Während die Drucksensoren 32 h und 32r sowie die Verweistabelle 72a eine Vorrichtung zur Korrektur der Rückkopplungsverstärkung bilden, die zur Korrektur der Verstärkung des zur Positionserkennung und -steuerung dienenden Rückkopplungs-Regelsystems genutzt wird, bilden die Drucksensoren 32 h und 32r sowie die Verweistabelle 72b eine Vorrichtung zur Korrektur der Rückkopplungsverstärkung, die zur Korrektur der Verstärkung der Vorwärtsregelungsschleife 69 genutzt wird. Beide Einstellungen werden entsprechend der Grablast vorgenommen.
• In den Verweistabellen 72a, 72b sind vorbestimmte Beziehungen zwischen der Arbeitsbelastung der Zylinder, einschließlich des Knickzylinders 14st, und den jeweiligen Verstärkungen der Rückkopplungssignale gespeichert, so daß eine automatische Korrektur der Verstärkungen durch Reduzierung oder Erhöhung entsprechend der von den Drucksensoren 32 h, 32r erkannten Arbeitslast am Zylinder (der Grabkraft) möglich sind. Jener Teil der Signalleitung 71a zur Korrektur der Rückkopplungsverstärkung, der durch die Verweistabelle 72a verläuft, ist mit dem Verstärker 65 verbunden, während der Teil der Signalleitung 71b zur Korrektur der Vorwärtsregelungsverstärkung, welcher durch die Verweistabelle 72b verläuft, mit dem Verstärker 68 verbunden ist.
• Aufgrund der oben beschriebenen Konfiguration, bei der die Verstärkungen der Rückkopplungs- und Vorwärtsregelungssignale von den Verweistabellen 72a, 72b entsprechend den von den Drucksensoren 32 h, 32r registrierten Schwankungen in der Arbeitsbelastung der Zylinder automatisch reduziert oder erhöht werden, kann mit der Erfindung die Präzision bei der Erkennung der Position des Knickzylinders 14st unter Bezugnahme auf solche Störungseinflüsse wie die Grablast verbessert werden. Durch eine Erhöhung der Verstärkung kann mit der oben genannten Konfiguration die integrale Kompensation der Steuerkompensatoren 52 genutzt werden, um die Abweichung der tatsächlichen Positionen des Knickarms 15st und der anderen Elemente von ihren Zielpositionen zu verringern. Dies verbessert die Bearbeitungsgenauigkeit beim horizontalen Planieren und beim Glätten von Neigungen, wie in den Zeichnungen dargestellt.
• Während des halbautomatischen Anlegens von Neigungen sollte beispielsweise beobachtet werden, ob sich die Grablast aufgrund der Druckerhöhung an der Ausfahrseite (der Kopfseite) des Knickzylinders 14st erhöht. Ist dies der Fall, werden die Verstärkungen der Rückkopplungs- und Vorwärtsregelungssignale automatisch durch die entsprechenden Verweistabellen 72a, 72b erhöht. Eine große Grablast entsteht bei großen Mengen des zu bewegenden Materials (Erde/Sand) im Bereich des Löffels 15bk, was zu einer stärkeren Abmilderung der Bewegung der Frontkonstruktion führt. Aufgrund dieser Abschwächung tendiert der Zustand des Steuersystems zu Instabilität, die selbst bei der Erhöhung der Verstärkung der Rückkopplungs- und Vorwärtsregelungssignale zu verzeichnen ist. Bei einer kleinen Grablast wird durch die Verweistabellen 72a, 72b automatisch die Verstärkung der Rückkopplungs- und Vorwärtsregelungssignale reduziert und damit eine stabile Kontrolle gewährleistet.
• Zu beachten ist folgendes: Obwohl entsprechend der beschriebenen Ausführungsformen die Lasten am Wirkorgan durch eine Messung des Hydraulikdrucks festgestellt werden, können Fachleute hierfür auch andere Alternativen einsetzen. Beispielsweise könnten entsprechend der Erfindung Dehnmeßstreifen, Halbfeiterbauelemente und elektromechanische Kraftsensoren verwendet werden, um dieselben Ergebnisse wie oben dargelegt zu erreichen. Mindestens einer der folgenden Ansprüche soll diese Alternativen einschließen.
• Obwohl die vorliegende Ausführungsform die Erfindung in Verbindung mit der Steuerung eines Löffeltiefbaggers erörtert, geht aus der Offenlegung hervor, daß die Erfindung auch bei anderen Maschinen anwendbar ist, beispielsweise Schürf- und Krählmaschinen sowie Kränen. Bei der Oberflächenbearbeitung muß die Erfindung nicht eingesetzt werden, da jedes zur Positionserkennung zu verwendende Gerät durch eine Erweiterung des beschriebenen Lasterkennungssystems koordinierter arbeitet. Bei solchen Varianten ist davon auszugehen, daß sie in den Geltungsbereich mindestens eines Anspruchs fallen.
• Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit einem Hydraulikgerät beschrieben wurde, ist sie auch auf Maschinen mit anderen Stellgliedern anwendbar. Es ist davon auszugehen, daß mindestens einer der Ansprüche diese Alternativen beinhaltet.
• Obwohl nur eine einzelne oder wenige exemplarische Ausführungsformen dieser Erfindung oben detailliert beschrieben wurden, können Fachleute leicht erkennen, daß an der/den exemplarischen Ausführungsform(en) viele Veränderungen möglich sind, ohne dadurch eine wesentliche Abweichung von den neuen Lehren und Vorzügen dieser Erfindung zu begründen. Dementsprechend ist davon auszugehen, daß alle diese Modifikationen in den Geltungsbereich dieser Erfindung entsprechend den Definitionen in den folgenden Ansprüchen fallen. In diesen Ansprüchen sollen Klauseln, welche Instrumentarien und Funktionen beschreiben, Strukturen in der Ausführung der vorgesehenen Funktion abdecken und sich folglich nicht nur auf strukturelle Äquivalente, sondern auch auf äquivalente Strukturen beziehen. Um es an einem Beispiel zu verdeutlichen: Obwohl ein Nagel und eine Schraube insofern keine strukturellen Äquivalente sind, als sich die Funktion eines Nagels allein auf die Friktion zwischen einem Holzteil und einer zylindrischen Oberfläche gründet, während die gewundene Oberfläche einer Schraube positiv in ein hölzernes Bauteil eingreift, können Nagel und Schraube äquivalente Strukturen sein.

Claims (20)

1. Verfahren zur Steuerung einer Baumaschine mit einem zur Positionserkennung und - steuerung dienenden Rückkopplungs-Regelsystem, das die Positionen eines Stellgliedes (14) verfolgt, welches die Positionen eines Wirkorgans (15) steuert, Schritte des Erkennens einer tatsächlich wirkenden Kraftbelastung des besagten Stellgliedes umfaßt und durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

Generierung einer Ziellast als Zielwert für die tatsächliche Kraftbelastung, die auf das besagte Stellglied (14) wirkt und die in Reaktion auf die Einwirkung des besagten Wirkorgans (15) auf ein zu bearbeitendes Material entstand; und

Veränderung eines Steuersignals des besagten Rückkopplungs-Regelsystems in Reaktion auf die tatsächliche Kraftbelastung und den besagten Zielwert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der besagte Schritt zur Erkennung einer tatsächlichen Kraftbelastung das Erkennen eines Drucks, den eine Hydraulikflüssigkeit auf das besagte Wirkorgan (15) ausübt, beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Stellglied (14) ein lineares Stellglied ist und der besagte Schritt des Erkennens das Erkennen eines Differentialdrucks der auf die Ausfahr- und Einfahrseite des Stellglieds (14) wirkenden Hydraulikflüssigkeit beinhaltet.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der besagte Schritt der Veränderung das Einrichten einer Zielgeschwindigkeit eines Bewegungsgliedes des besagten Wirkorgans (15) beinhaltet, wobei das besagte Bewegungsglied so auszuwählen ist, daß es die besagte tatsächliche Kraftbelastung beeinflußt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem folgende Schritte umfaßt: Aufbau einer Priorität zwischen einem Ziel der Positionserkennung des besagten, zur Positionserkennung und -steuerung dienenden Rückkopplungs-Regelsystems einerseits und dem besagten Zielwert der besagten Kraftbelastung andererseits; wobei in Reaktion auf den Aufbau der Priorität für das besagte Wirkorgan (15) mindestens eine Zielgeschwindigkeit und eine Zielposition generiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei:

die besagte Ziel-Kraftbelastung proportional zu einer von der besagten Maschine ausgeübten Bodenverdichtungskraft ist;

der besagte Schritt zur Generierung mindestens einer Zielgeschwindigkeit des besagten Steilgliedes (14) und einer Zielposition des besagten Stellgliedes (14) die Bestimmung einer Position des besagten Wirkorgans (15) in einer Richtung beinhaltet, die normal für eine von der besagten Maschine bearbeitete Oberfläche ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei:

die besagte Ziel-Kraftbelastung proportional zu einer von dem besagten Exemplar einer Baumaschine ausgeübten Bodenverdichtungskraft ist;

der besagte Schritt zur Generierung die Bestimmung einer Position des besagten Wirkorgans (15) in einer Richtung beinhaltet, die normal für eine von der besagten Maschine bearbeitete Oberfläche ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, das folgende Schritte umfaßt:

Speicherung einer Angabe einer gewünschten Positionsgrenze für das Wirkorgan (15) der besagten Baumaschine;

Speicherung einer Angabe einer Wunschgeschwindigkeit des besagten Wirkorgans (15);

Erkennung einer Arbeitskraft, die auf das besagte Wirkorgan (15) wirkt; Generierung eines Signals in Reaktion auf eine Position des besagten Wirkorgans (15) durch eine Rückkopplungschleife des besagten Rückkopplungs-Regelsystems;

Verstärkung des besagten Signals in Reaktion auf die besagte Arbeitskraft.

9. Verfahren nach Anspruch 8, das darüber hinaus der Schritt der Verstärkung eines Vorwärtsregelungssignals in Reaktion auf mindestens eine gespeicherte Wunschgeschwindigkeit und eine gespeicherte Wunsch-Positionsgrenze in Reaktion auf die besagte Arbeitskraft umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der besagte Schritt einer Verstärkung das Einstellen einer Verstärkung in Reaktion auf die in einem Speicher abgelegte Funktion umfaßt.

11. Verfahren zur Steuerung eines Wirkorgans (15) einer Baumaschine, das ein zur Positionserkennung und -steuerung dienendes Rückkopplungs-Regelsystem umfaßt, mit dem die jeweiligen Positionen der Stellzylinder (14), die das besagte Wirkorgan (15) bewegen, verfolgt werden:

ein Drucksensor (32) ist mit dem besagten Stellglied (14) verbunden, um einen Druck einer Hydraulikflüssigkeit zu messen, der in Reaktion auf eine auf das besagte Wirkorgan wirkende Arbeitsbelastung aufgebaut wurde;

gekennzeichnet dadurch, daß eine Vorrichtung (42) zur Einstellung der Arbeitsbelastung einem Bediener das Einrichten eines gewünschten Signals zur Angabe einer Ziel-Arbeitsbelastung gestattet;

ein Steuerungselement (45) für die Arbeitsbelastung so angeschlossen ist, daß es das besagte Signal mit der Angabe einer Ziel-Arbeitsbelastung entgegennimmt, wobei das besagte Steuerungselement (45) so mit dem besagten Rückkopplungs-Regelsystem verbunden ist, daß die jeweiligen Positionen verfolgt werden können, und zwar so, daß eine Verfolgung des besagten Rückkopplungs-Regelsystems in Reaktion auf das besagte Signal erfolgt, welches eine Wunsch-Arbeitsbelastung und ein Drucksignal des besagten Drucksensors angibt.

12. Apparatur nach Anspruch 11, die folgendes umfaßt:

eine vom Bediener zu aktivierende Prioritäts-Einstellvorrichtung (43) mit:

einem Instrument zur Veränderung einer Empfindlichkeit auf eine Reaktion des besagten Rückkopplungs-Regelsystems, so daß eine Verfolgung der jeweiligen Positionen der besagten Arbeitsbelastungssteuerung möglich ist.

13. Apparatur nach Anspruch 11, wobei das Rückkopplungs-Regelsystem geeignet ist, die Position der Stellglieder (14) des Wirkorgans (15) zu verfolgen und das besagte, zur Positionserkennung dienende Rückkopplungs-Regelsystem eine Vorwärtsregelungsschleife (71b) umfaßt; und

ein Vorwärtsregelungsverstärker (68) angeschlossen ist, der ein Signal in der besagten Vorwärtsregelungsschleife (71b) verstärkt;

wobei die Verstärkung des besagten Verstärkers (68) in Reaktion auf eine Arbeitsbelastung erfolgt, die auf das besagte Wirkorgan (15) wirkt.

14. Apparatur nach Anspruch 13, wobei: ein Ausgang des besagten Drucksensors (32) an einen die Verstärkung regelnden Eingang des besagten Verstärkers (68) angeschlossen ist, wobei die besagte Verstärkung in Reaktion auf eine Ausgabe des besagten Drucksensors (32) eingestellt wird.

15. Apparatur nach Anspruch 14, wobei: das besagte Stellglied (14) einen Hydraulikzylinder umfaßt und der besagte Drucksensor (32) einen Druckdetektor umfaßt, der mit dem besagten Hydraulikzylinder (14) verbunden ist und mit einer Hydraulikflüssigkeit des besagten Hydraulikzylinders (14) kommuniziert.

16. Apparatur nach Anspruch 15, die folgendes umfaßt: einen Speicher, einen Signalfilter, der zwischen den besagten Drucksensor (32) und den besagten, die Verstärkung regelnden Eingang geschaltet ist, wobei der besagte Signalfilter auf den die Verstärkung regelnden Eingang in Reaktion auf die vom besagten Drucksensor (32) und vom besagten Speicher übertragenen Werte ein Signal emittiert.

17. Apparatur nach Anspruch 13, wobei es sich bei dem Verstärker (68) um einen Vorwärtsregelungsverstärker handelt und die Verstärkung des besagten Vorwärtsregelungsverstärkers in Reaktion auf den besagten Drucksensor (32) stufenlos einstellbar ist.

18. Apparatur nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei das Rückkopplungs-Regelsystem eine Rückkopplungsschleife (71a) mit einem darin integrierten Rückkopplungsverstärker (65) zur Einstellung einer Verstärkung eines Rückkopplungssignals der besagten Rückkopplungsschleife umfaßt, und die besagte Verstärkung des besagten Rückkopplungsverstärkers (65) in Reaktion auf den besagten Drucksensor (32) stufenlos einstellbar ist.

19. Apparatur nach Anspruch 18, wobei der besagte Vorwärtsregelungsverstärker (68) über einen ersten Filter (72b) mit dem besagten Drucksensor (32) verbunden ist, der Filter die besagte Verstärkung des besagten Vorwärtsregelungsverstärkers in Reaktion auf den besagten Drucksensor (32) und die in einem Speicher abgelegten Daten steuert, wobei die besagten Daten eine Beziehung zwischen der gewünschten Verstärkung des besagten Vorwärtsregelungsverstärkers (68) und der beim Graben wirkenden Arbeitsbelastung angeben.

20. Apparatur nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei der Rückkopplungsverstärker (65) über einen zweiten Filter mit dem besagten Drucksensor (32) verbunden ist, der Filter die Verstärkung in Reaktion auf den Drucksensor (32) und die in einem Speicher abgelegten Daten steuert, wobei die besagten Daten eine Beziehung zwischen der gewünschten Verstärkung und der Arbeitsbelastung angeben.