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Dokumentenidentifikation DE102004018841A1 03.02.2005
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Ausführung einer Temperaturkompensation für ein Nutzlastmesssystem
Anmelder Caterpillar Inc., Peoria, Ill., US
Erfinder Drake, J. Micheal, Chillicothe, Ill., US;
Lueschow, Kevin J., Elmwood, Ill., US
Vertreter WAGNER & GEYER Partnerschaft Patent- und Rechtsanwälte, 80538 München
DE-Anmeldedatum 19.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004018841
Offenlegungstag 03.02.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.02.2005
IPC-Hauptklasse G01G 19/08
Zusammenfassung Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, die konfiguriert ist, um eine relative Lastkompensation für ein Nutzlastmessungssystem einer Maschine auszuführen. Die Maschine hat mindestens einen Zylinder zum Anheben eines Nutzlastträgers. Der Zylinder ist mit einer Strömungsmittelschaltung mit einem Betätigungsströmungsmittel verbunden. Das Nutzlastmessungssystem ist kalibriert. Dann wird eine Last von unbekanntem Gewicht angehoben. Um das Gewicht dieser Last zu bestimmen, bestimmt das System ein nicht kompensiertes Nutzlastgewicht als eine Funktion von abgefühlten Druckwerten des Betätigungsströmungsmittels. Ein Parameter, der die Viskosität des Betätigungsströmungsmittels anzeigt, wie beispielsweise die Temperatur, wird abgefühlt, und dieser Parameter wird als eine Funktion des Kalibrierungsgewichtes und des nicht kompensierten Gewichtes skaliert. Ein Nutzlastgewicht wird als eine Funktion des skalierten Paramters, des abgefühlten Parameters und des nicht kompensierten Nutzlastgewichtes bestimmt.

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Maschinen zum Transport von Schüttgut und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Gewichtes des transportierten Schüttgutes.

Hintergrund

Maschinen wie beispielsweise Lader werden im allgemeinen verwendet, um Schüttgut von einem Lagerhaufen auf Transportmaschinen zum transportieren, wie beispielsweise auf einen Lastwagen oder auf Eisenbahnwaggons. Bei solchen Anwendungen zur Beladung von Maschinen ist es typischerweise wünschenswert, dass die Transportmaschinen bis zu ihrer maximalen Nenn-Kapazität jedoch nicht darüber beladen werden. Eine zu geringe Beladung einer Maschine verursacht eine schlechte Ausnutzung des Materiallieferzyklus und eine Unterforderung von solchen Transportmaschinen. Eine Überladung bewirkt zusätzliche Instandhaltungskosten und zusätzliche Abnutzung der Räder des Lastwagens und der Aufhängungssysteme für die Maschine. Darüber hinaus kann es nötig sein, dass das überladene Material entladen werden muss, um Gewicht zu verringern, was somit zusätzliche Kosten verursacht. Daher ist eine genaue Nutzlastmessung wünschenswert.

Eine Nutzlastmessung ist auch wünschenswert als ein Verfahren zur Bestimmung der Produktivität des Betriebs. Beispielsweise kann die Fähigkeit, das Gewicht des während einer einzigen Schicht geladenen Materials, während einer Periode von 24 Stunden oder während irgend einer anderen Zeitperiode zu messen für einen Betriebsmanager wertvoll sein.

Nutzlastmessungssysteme sind entwickelt worden, die abgefühlte Hubzylinderdrücke verwenden, die es ermöglichen, dass das System unter Verwendung von bekannten Gewichten kalibriert wird und dann das Nutzlastgewicht während des Betriebs der Maschine zu bestimmen. Das gemessene Verfahren hängt von dem Verhältnis von Druck zu Gewicht ab, welches konsistent zu dem Zeitpunkt bleibt, wo die Maschine kalibriert wird, und zu dem Zeitpunkt, zu dem die Maschine eine unbekannte Last misst. Zusätzlich nehmen solche Systeme an, dass das Verhältnis von Druck zu Gewicht über einen großen Temperaturbereich konsistent bleibt. Es ist bekannt, Messungssysteme bezüglich Veränderungen der Umgebungstemperatur einzustellen; zusätzlich ist es allgemein bekannt, eine gemessene Nutzlast bezüglich Veränderungen der Betätigungsströmungsmitteltemperatur zu kompensieren. Solche Systeme skalieren typischerweise das gemessene Nutzlastgewicht mit einem absoluten Koeffizienten. Jedoch berücksichtigt die Anwendung einer absoluten Zahl nicht Veränderungen des relativen Gewichtes der Last.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es sei bemerkt, dass sowohl die vorangegangene allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erklärend sind und nicht die Erfindung einschränken, wie sie beansprucht wird.

In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur dynamischen Messung eines Nutzlastgewichtes für eine Maschine offenbart. Die Maschine hat mindestens einen Zylinder zum Anheben eines Nutzlastträgers, wobei der Zylinder mit einer Strömungsmittelschaltung mit einem Betätigungsströmungsmittel verbunden ist. Das Verfahren weist die Bestimmung eines Kalibrierungsgewichtes auf, welches mit dem Nutzlastträger assoziiert ist; die Bestimmung eines nicht kompensierten Nutzlastgewichtes; die Bestimmung einer Temperaturverstärkung (Gain) die mit dem Betätigungsströmungsmittel assoziiert ist, und zwar ansprechend zumindest auf das Kalibrierungsgewicht und das nicht kompensierte Nutzlastgewicht; und Bestimmung des Nutzlastgewichtes ansprechend auf mindestens das nicht kompensierte Nutzlastgewicht und die Temperaturverstärkung.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur dynamischen Messung eines Nutzlastgewichtes für eine Maschine offenbart. Die Maschine hat mindestens einen Zylinder zum Anheben eines Nutzlastträgers, wobei der Zylinder mit einer Strömungsmittelschaltung verbunden ist, die ein Betätigungsströmungsmittel besitzt. Das Verfahren weist die Bestimmung eines Kalibierungsgewichtes auf, welches mit dem Nutzlastträger assoziiert ist; die Bestimmung einer Kalibrierungstemperatur des Betätigungsströmungsmittels, die mit dem Kalibrierungsgewicht assoziiert ist; die Bestimmung eines nicht kompensierten Nutzlastgewichtes; die Skalierung und der Kalibrierungstemperatur durch eine Skalierungsfunktion des nicht kompensierten Nutzlastgewichtes und des Klibrierungsgewichtes; und die Bestimmung des Nutzlastgewichtes als eine Funktion von mindestens dem unkompensierten Nutzlastgewicht und der skalierten Kalibrierungstemperatur.

Gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels wird eine Vorrichtung zur dynamischen Messung eines Nutzlastgewichtes für eine Maschine offenbart. Die Maschine hat mindestens einen Zylinder zum Anheben eines Nutzlastträgers, wobei der Zylinder mit einer Strömungsmittelschaltung mit einem Betätigungsströmungsmittel verbunden ist. Die Vorrichtung weist Kalibrierungsmittel auf, um ein Kalibrierungsgewicht zu bestimmen, welches mit dem Nutzlastträger assoziiert ist; Temperaturmittel zur Bestimmung einer ersten und einer zweiten Temperatur des Betätigungsströmungsmittels; Nutzlastmittel zur Bestimmung eines nicht kompensierten Nutzlastgewichtes; und Kompensationsmittel zur Bestimmung des Nutzlastgewichtes.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Seitenansicht des vorderen Teils einer Ladermaschine, die ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist;

2 ist ein Beispiel einer Hydraulikschaltung, die mit einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung assoziiert ist;

3 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

4 ist eine grafische Darstellung eines Zylinderdruckes gegenüber der Zylinderausfahrbewegung; und

5A, 5B veranschaulichen ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung

In 1 ist ein Nutzlastüberwachungssystem im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 dargestellt. Obwohl 1 einen vorderen Teil einer Radladermaschine 11 mit einem Nutzlastträger in Form einer Schaufel 16 zeigt, ist die Erfindung gleichfalls anwendbar auf Maschinen, wie beispielsweise Raupenlader, Kipplastwägen und andere Maschinen mit ähnlichen Lademöglichkeiten. Die Schaufel 16 ist mit einer Hubarmanordnung 12 verbunden, die schwenkbar von zwei hydraulischen Hubzylindern 14 betätigt wird (von denen nur einer gezeigt ist) und zwar um ein Paar von Hubarmschwenkstiften 13 (von denen nur einer gezeigt ist), die an dem Fahrzeugrahmen angebracht sind. Ein Paar von Hubarmlasttragschwenkstiften 19 (von denen einer gezeigt ist), ist an der Hubarmanordnung 12 und an den Hubzylindern 14 angebracht. Die Schaufel 16 kann auch durch einen Schaufelkippzylinder 15 gekippt werden.

Das Nutzlastüberwachungssystem 10 weist einen Ausfahrpositionssensor 20 auf, der konfiguriert ist, um eine Charakteristik abzufühlen, die die Ausfahrposition des Zylinders 14 anzeigt. In einem Ausführungsbeispiel ist der Ausfahrpositionssensor ein Drehsensor 20, der konfiguriert ist, um die Drehung von einem der Hubarmschwenkstifte 13 abzufühlen, woraus die Geometrie der Hubarmanordnung 12 oder die Ausfahrposition der Hubzylinder 14 abgeleitet werden kann. Der gleiche Drehsensor 20 kann alternativ in den Lasttragschwenkstiften 19 eingebaut sein, um die gleiche Information zu liefern. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist der Ausfahrpositionssensor ein Positionssensor, der konfiguriert ist, um die Ausfahrposition oder die Position eines Zylinders 14 abzufühlen.

Ein Druckwandler 21 fühlt den Hydraulikdruck in einem der Hubzylinder 14 ab. Obwohl des zwei Zylinder 14 gibt, ist der Druck in den Zylindern im allgemeinen der Gleiche für eine gegebene Nutzlast und eine gegebene Hubarmanordnungsgeometrie. Somit reicht das Abfühlen des Strömungsmitteldruckes, der mit einem der Zylinder 14 assoziiert ist, für die gegenwärtige Anwendung. Zusätzlich ist der Zylinder 14 an eine Betätigungsströmungsmittelschaltung 202 angeschlossenen und nimmt Betätigungsströmungsmittel von dieser auf, wie beispielsweise von einer Hydraulikschaltung, wie in 2 veranschaulicht.

2 veranschaulicht ein Beispiel einer Betätigungsschaltung 202, die mit zwei Hubzylindern 14 und einem Kippzylinder 15 verbunden ist. Der Ausfahrpositionssensor 20 ist als einen Drucksensor 20 veranschaulicht, der mit dem Zylinder assoziiert ist, um die Position des Kolbens 50 zu bestimmen. Der Druckwandler 20 kann an anderen Stellen der Betätigungsströmungsmittelschaltung 202 gelegen sein, solange der Druckwandler 21 in einer Weise angeordnet ist, die das Abfühlen eines Druckes ermöglicht, der den Strömungsmitteldruck innerhalb des Zylinders 14 anzeigt.

Zusätzlich kann ein in den 2 und 3 veranschaulichter Temperatursensor 25 verwendet werden, um die Temperatur des Strömungsmittels abzufühlen, welches in der Betätigungsströmungsmittelschaltung 202 verwendet wird, die mit dem Hubzylinder 14 verbunden ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor 25 in einer Weise angeordnet, die ermöglicht, dass der Sensor die Temperatur des Betätigungsströmungsmittels in dem Tank oder dem Strömungsmittelreservoir abfühlt, der bzw. die mit der Betätigungsströmungsmittelschaltung 202 assoziiert sind. Der Temperatursensor 25 erzeugt ein Signal, welches die Temperatur des Betätigungsströmungsmittels anzeigt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Betätigungsströmungsmittel ein hydraulisches Strömungsmittel, wie beispielsweise Hydrauliköl.

Mit Bezug auf 3 werden das Zylinderdrucksignal, dass Ausfahrpositionssensorsignal und die Temperatursignale an einen Mikroprozessor oder eine Steuervorrichtung 24 geliefert. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Signale durch jeweilige Analog/Digital-(A/D-)Wandler 27 verarbeitet, bevor sie an die Steuervorrichtung 24 geliefert werden. Zusätzlich können die Signale in dem inneren Speicher innerhalb der Steuervorrichtung 24 oder in einer getrennten Speichervorrichtung 30 gespeichert sein.

4 veranschaulicht grafisch die Beziehung zwischen dem Zylinderdruck und der Zylinderausfahrposition in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Druck- und Ausfahrpositionsdaten sind auf einer Kurvendarstellung aufgezeichnet, die den linken Zylinderdruck auf der vertikalen y-Achse und die Ausfahrposition des linken Zylinders auf der horizontalen x-Achse hat. Eine erste Kurve 38 stellt den auf die Kurve eingepassten Druck gegenüber den Daten für die Ausfahrposition für ein erstes Gewicht einer leeren Laderschaufel 16 dar. Eine zweite Kurve 40 stellt den in die Kurve eingepasstden Druck gegenüber den Daten für die Ausfahrposition für eine Nutzlast von bekanntem Gewicht dar. Diese Kurven 38, 40 können während eines Kalibrierungsverfahrens bestimmt werden. Das bekannte Gewicht ist vorzugsweise auf oder nahe der Nenn-Kapazität der Maschine 11. Natürlich können zusätzliche Nutzlastgewichte, anstelle oder in Verbindung mit der bevorzugten leeren Last und nahe der maximalen Nenn-Last während des Kalibrierungsprozesses verwendet werden. Die Signale bezüglich des tatsächlichen Druckes, die von dem Druckwandler 21 aufgenommen wurden, sind zu einer Kurve eingepasst worden und gemittelt worden, um zufällige Druckspitzen zu entfernen, um die ersten und zweiten Kurven 38 und 40 zu bilden. Die Kurven 38 und 40 können als Referenzgewichtskurven für das Nutzlastüberwachungssystem während des Kalibrierungsprozesses aufgenommen und gespeichert werden, wie im Folgenden besprochen wird. Wie in 4 gezeigt, steigt der Zylinderdruck, wenn die Zylinderausfahrposition während des Anhebens des Nutzlastträgers 16 steigt.

Eine dritte Hubkurve 43 veranschaulicht einem Hubkurve, die mit einem unbekannten Gewicht assoziiert ist. Die Kurve 43, die über die Bahn 42 überlagert gezeigt ist, ist in einer Kurve eingepasst und gemittelt worden, um die zufälligen Druckwellen zu entfernen. Die Bahn 42 ist eine Bahn bzw. Kurve von tatsächlichen Druckmessungen in einem Beispiel für einen Hubvorgang. Die Kurve 43 ist eine Darstellung des Druckes gegenüber der Ausfahrposition des gemessenen Gewichtes. Experimente haben gezeigt, dass der Hubzylinderdruck linear mit dem Gewicht einer Nutzlast bei einer speziellen Ausfahrposition des Zylinders variiert. Daher kann das Nutzlastgewicht durch eine Interpolation berechnet werden, wenn die Kurve 43 zwischen die Referenzkurven 38 und 40 fällt, und durch Extrapolation, wenn die Kurve 43 außerhalb der Referenzkurven 38 und 40 ist.

Weiterhin haben Experimente auch gezeigt, dass der Strömungsmitteldruck innerhalb der Betätigungsströmungsmittelschaltung 202 zusätzlich von dem relativengewicht der angehobenen Last abhängt. Beispielsweise kann der Strömungsmitteldruck, um eine Last von acht Tonnen anzuheben, um 20 kPa/°C ansteigen, während der Druck, der erforderlich ist, um eine Last von vier Tonnen anzuheben, um 10 kPa/°C ansteigen kann. Der Strömungsmitteldruck, der notwendig ist, um eine Last anzuheben, verringert sich linear bezüglich des relativengewichtes der Last.

5A und 5B veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren ist konfiguriert, um Veränderungen der Viskosität während der dynamischen Messung eines Nutzlastgewichtes zu kompensieren, die mit dem Betätigungsströmungsmittel der Hydraulikschaltung assoziiert sind, die mit den Hubzylindern verbunden ist. Die vorliegende Erfindung weist ein Kalibrierungsverfahren für das Nutzlastmesssystem auf. Das Kalibrierungsverfahren weist das Anheben von zwei Nutzlasten von unterschiedlichem Gewicht und die Bestimmung der Veränderungen der Druckmessungen auf, die während des Anheben das auftreten. Ein Parameter, der die Viskosität des Betätigungsströmungsmittels zeigt, wird während des Kalibrierungsverfahrens eingerichtet. Beispielsweise wird in einem Ausführungsbeispiel die Temperatur bestimmt, um eine Viskositätskompensation für die gewogene Nutzlast auszuführen. Das heißt, in einem Ausführungsbeispiel werden Temperaturmessungen verwendet, um Veränderungen der Viskosität des Betätigungsströmungsmittels von dem Zeitpunkt, zu dem das Kalibrierungsverfahren ausgeführt wird, zu dem Zeitpunkt zu berücksichtigen, wo die Nutzlast mit unbekanntem Gewicht angehoben wird. Zusätzlich sind die Temperaturmessungen skaliert, um das Gewicht, welches angehoben wird, verglichen mit dem Kalibrierungsgewicht zu berücksichtigen.

In einem Ausführungsbeispiel kann der Beginn des Kalibrierungsverfahrens dadurch beginnen, dass der Bediener eine Nutzlastkalibrierungsoption aus einer (nicht gezeigten) Bildschirmanzeige auswählt, die mit der Steuervorrichtung 24 verbunden ist. Die Steuervorrichtung 24 kann dann die Kalibrierungsroutine einleiten und das Anheben der Nutzlast überwachen. Sobald die Kalibrierungsroutine eingeleitet ist, wird dann in einem ersten Steuerblock 502 eine erste Nutzlast mit bekanntem Gewicht angehoben. In dem bevorzugten Verfahren ist der Nutzlastträger 16 während einem der Hubvorgänge zur Kalibrierung leer. Daher können Kalibrierungsmessungen unter Verwendung eines leeren Nutzlastträgers 16 ausgeführt werden. In einem zweiten Steuerblock 504 wird eine Vielzahl von Druckwerten des Betätigungsströmungsmittels während des Anheben und der ersten Nutzlast abgefühlt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird auch eine Vielzahl von Zylinderausfahrpositionswerten während des Anhebens der ersten Nutzlast abgefühlt. Zusätzlich werden die Strömungsmitteldruckmessungen und die Messungen der Ausfahrposition vorzugsweise miteinander in Beziehung gesetzt und im Speicher gespeichert. In einem Ausführungsbeispiel wird die Nutzlast von dem Erdbodenniveau auf eine maximale Hubposition angehoben. Jedoch können andere Variationen im Bereich des Hubvorganges ausgeführt werden, um die Druckmessungen aufzunehmen.

Bei einem Ausführungsbeispiel überwacht das Nutzlastmessungssystem kontinuierlich die Ausfahrposition des Zylinders. Basierend auf der Analyse der Ausfahrpositionsdaten des Zylinders kann eine Bestimmung vorgenommen werden, ob der Nutzlastträgers 16 angehoben ist. Wenn beispielsweise die Zylinderausfahrposition eine Hubausfahrpositionsschwelle überschreitet, kann das System daraus schließen, dass eine Nutzlast angehoben ist, und der Strömungsmitteldruck kann zusammen mit den Messungen der Zylinderausfahrposition abgefühlt und gespeichert werden. Wenn die Zylinderausfahrposition eine zweite Hubausfahrpositionsschwelle überschreitet, kann daraus geschlossen werden, dass der Hubvorgang vollendet ist, und zwar für die Zwecke der Nutzlastberechnungen. Wenn alternativ die Ausfahrposition an einer Position für mehr als eine festgelegte Zeitdauer anhält, dann kann der Hubvorgang als vollendet angesehen werden. Alternativ kann der Hubvorgang als vollendet angesehen werden, wenn es einen schnellen Abfall des Strömungsmitteldruckes gibt, d. h., wenn der Nutzlastträger 16 Material ablässt, wobei der Strömungsmitteldruck im Zylinder 14 schnell abfällt.

In einem dritten Steuerblock 506 wird eine zweite Nutzlast mit einem bekannten Gewicht angehoben. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die zweite Nutzlast nahe an einem maximalen Nutzlastgewicht. In einem vierten Steuerblock 508 wird eine Vielzahl von Druckwerten für das Betätigungsströmungsmittel während des Hubvorganges der zweiten Nutzlast abgefühlt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird auch eine Vielzahl von Zylinderausfahrpositionswerten während des Anhebens der zweiten Nutzlast abgefühlt. In einem Ausführungsbeispiel werden die abgefühlten Druckwerte und die Ausfahrpositionswerte, falls diese aufgenommen werden, in dem Speicher gespeichert. Zusätzlich werden die Druckmessungen und die Ausfahrpositionsmessungen vorzugsweise miteinander in Beziehung gesetzt und im Speicher gespeichert.

Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Zustände der Hydraulikschaltung die Gleichen für jeden der Hubvorgänge. Beispielsweise ist vorzugsweise die Geschwindigkeit für jeden der Hubvorgänge vorzugsweise die Gleiche.

In einem fünften Steuerblock 510 wird ein erster Parameter eingerichtet, der die Viskosität des Strömungsmittels während der ersten und zweiten Hubvorgänge anzeigt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Betätigungsströmungsmitteltemperatur (TKalibrierung) abgefühlt, und zwar als der Parameter, der die Viskosität anzeigt. Daher wird die Temperatur des Betätigungsströmungsmittels, die mit den ersten und zweiten Hubvorgängen assoziiert ist, eingerichtet bzw. aufgestellt. Die ersten und zweiten Hubvorgänge werden vorzugsweise zeitlich gesehen relativ nahe aneinander ausgeführt, so dass es eine minimale Veränderung der Betätigungsströmungsmitteltemperatur (TKalibrierung) gibt. Daher kann die Temperatur des Betätigungsströmungsmittels während des zweiten Hubvorganges abgefühlt werden und als die Temperatur verwendet werden, die mit den ersten und zweiten Hubvorgängen assoziiert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die Temperaturen miteinander verglichen. Wenn eine Differenz zwischen den Temperaturen der ersten und zweiten Hubvorgänge eine Temperaturschwelle überschreitet, beispielsweise 2 Grad, dann kann der Kalibrierungsprozess abgebrochen werden und erneut gestartet werden. Wenn die Temperaturdifferenz geringer als die Temperaturschwelle ist, dann kann jeder der Temperaturwerte verwendet werden, um die Temperatur (TKalibrierung) während der Hubvorgängen darzustellen, oder die Temperaturen können zusammen gemittelt werden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Temperaturen einfach zueinander gemittelt werden. Auf jeden Fall wird eine Temperatur (TKalibrierung), die mit den ersten und zweiten Hubvorgängen assoziiert ist, bestimmt und in einem Speicher gespeichert. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Messungen zur Kalibrierung aufgenommen worden, und das Nutzlastsystem ist nun bereit für den Betrieb.

In einem sechsten Steuerblock 512 wird während des Betriebs der Maschine eine dritte Nutzlast von unbekanntem Gewicht angehoben. In einem siebten Steuerblock 514 wird eine Vielzahl von Druckwerten während des Hubvorganges des unbekannten Gewichtes abgefühlt. In einem achten Steuerblock 516 wird ein Parameter aufgestellt, der die Viskosität des Betätigungsströmungsmittels anzeigt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der aufgestellte Parameter die Temperatur des Betätigungsströmungsmittels (TIst).

Daher wird die Temperatur während des Anhebens des unbekannten Gewichtes abgefühlt. Wie oben besprochen kann die Bestimmung, wann ein Hubvorgang beginnt oder endet, basierend auf der Überwachung der Ausfahrposition der Zylinder und ihrer Veränderung vorgenommen werden und/oder durch eine Überwachung des Strömungsmitteldruckes und seiner Veränderung. Daher versucht bei einem Ausführungsbeispiel das Nutzlastmessungssystem nicht kontinuierlich, ein Nutzlastgewicht zu bestimmen, wenn die Maschine keinen Hubvorgang ausführt.

In einem neunten Steuerblock 518 wird ein Nutzlastgewicht (WIst) der dritten Nutzlast ansprechend auf die ersten und zweiten die Viskosität anzeigenden Parameter aufgestellt (beispielsweise die ersten und zweiten Temperaturen (TKalibrierung und TIst)), weiter ansprechend auf die erste, zweite und dritte Vielzahl von Strömungsmitteldruckwerten und die ersten und zweiten Nutzlastgewichte. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Nutzlastgewicht (WIst) der dritten Nutzlast nicht bestimmt, bevor der Hubvorgang der dritten Nutzlast vollendet ist. Alternativ kann die Nutzlast bestimmt werden, wenn die Daten aufgenommen sind, oder sobald alle erwünschten Daten aufgenommen sind. Zusätzlich werden die Ausfahrpositionssensordaten vorzugsweise verwendet, um das Nutzlastgewicht der dritten Nutzlast zu bestimmen.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Bestimmung des dritten Nutzlastgewichtes (WIst) die Bestimmung eines nicht kompensierten Gewichtswertes (W') für die Nutzlast auf. Das nicht kompensierte Nutzlastgewicht wird dann modifiziert, um das relative Gewicht der angehobenen Last zu kompensieren.

Ein erster Differenzdruck zwischen den Drücken, die während des Hubvorganges des unbekannten Gewichtes abgefühlt wurden, und den Strömungsmitteldrücken, die während des Hubvorganges einer leeren Schaufel (d. h. im ersten Hubvorgang) abgefühlt werden, wird bestimmt. Ein zweiter Differenzdruck zwischen den Strömungsmitteldrücken, die während des Hubvorganges des bekannten Gewichtes abgefühlt wurden, und den Strömungsmitteldrücken, die während des Hubvorganges des leeren Nutzlastgewichtes abgefühlt wurden, wird bestimmt. Der ersten Differenzdruck wird durch den zweiten Differenzdruck geteilt, und das Ergebnis wird mit dem bekannten Nutzlastgewicht (WKalibrierung) multipliziert. Die folgende Gleichung wird in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet, um das nicht kompensierte unbekannte Nutzlastgewicht (W') zu bestimmen.

Wobei gilt:

W' ist das unbekannte Gewicht.

WKalibrierung Ist das bekannte Gewicht zum Zeitpunkt der Kalibrierung, d. h. das zweite Gewicht minus das erste Gewicht.

Pd ist die Differenz zwischen dem abgefühlten Strömungsmitteldruck bei einer gegebenen Zylinderausfahrposition während des Anhebens eines unbekannten Gewichtes und dem assoziierten Druck, der während des Anhebens einer leeren Schaufel abgefühlt wird.

Cd ist die Differenz zwischen dem abgefühlten Strömungsmitteldruck für eine gegebene Zylinderausfahrposition während des Anhebens eines bekannten Gewichtes und des assoziierten abgefühlten Druckes für eine gegebene Zylinderausfahrposition während des Anhebens einer leeren Schaufel.

n ist die Anzahl der Druckmessungen, die bei der Bestimmung verwendet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel werden alle gültigen aufgenommenen Druckmessungen verwendet. Alternativ kann einen Untersatz von einer oder mehreren Messungen verwendet werden.

Sobald ein nicht kompensiertes Gewicht (W') für die dritte Nutzlast bestimmt wurde, kann das Gewicht modifiziert werden, um die relative angehobene Last zu kompensieren.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Temperatur des Betätigungsströmungsmittels (TKalibrierung) als eine Funktion des relativen Gewichtes der Nutzlast (W') skaliert. Die Gleichung für die Skalierung der Temperatur (TKalibrierung) ist Wie folgt:

Wobei gilt:

W' ist das nicht kompensierte Nutzlastgewicht

TKalibrierung Ist die Temperatur des Betätigungsströmungsmittels, die zum Zeitpunkt der Kalibrierung abgefühlt wurde

WKalibrierung Ist das bekannte Gewicht zum Zeitpunkt der Kalibrierung, d. h., das zweite Gewicht – das erste Gewicht

Tskaliert ist die unbekannte skalierte Temperatur

Das unkompensierte Gewicht (W') kann dann modifiziert werden, um die Lastveränderungen zu kompensieren. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Gleichung zur Bestimmung des tatsächlichen kompensierten Gewichtes (WIst) der dritten Nutzlast die Folgende: WIst = W' – Tskaliert·TIst

Wobei gilt:

W' ist das nicht kompensierte Nutzlastgewicht

Tskaliert ist die skalierte Temperatur des Betätigungsströmungsmittels abgefühlt zum Zeitpunkt der Kalibrierung

TIst ist die abgefühlte Temperatur des Betätigungsströmungsmittels, wenn die dritte Nutzlast angehoben wird

WIst ist das kompensierte Gewicht der dritten Nutzlast

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Kalibrierungsverfahren ausgeführt, wenn die Betätigungsströmungsmitteltemperatur über der Kalibrierungstemperaturschwelle ist. Experimente haben gezeigt, dass wenn das Betätigungsströmungsmittel unter einer Temperaturschwelle ist, beispielsweise 50 Grad Celsius, die Druckauslesungen während des Kalibrierung Prozesses stark variieren können, was zu ungenauen Nutzlastmessungen führt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird gesagt, dass das System einen stetigen Zustand erreicht hat, wenn die Betätigungsströmungsmitteltemperatur auf oder über der Kalibrierungstemperaturschwelle ist. Wenn daher in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Strömungsmitteltemperatur unter einer Kalibrierungstemperaturschwelle ist, wird das System keine Kalibrierung ausführen. Wenn vorherige Kalibrierungswerte verfügbar sind, können die vorherigen Werte weiter für die Nutzlastmessungen verwendet werden. Alternativ kann der Bediener der Maschine den Motor aufwärmen lassen, beispielsweise den Motor im hohen Leerlauf laufen lassen, oder kann die Schaufel 16 ein oder mehrere Male Anheben, bis die Betätigungsströmungsmitteltemperatur ansteigt, so dass eine Kalibrierung ausgeführt werden kann.

Industrielle Anwendbarkeit

Der Betrieb der vorliegenden Erfindung wird am besten mit Bezug auf ihre Anwendung bei Beladungsanwendungen beschrieben, wo es wichtig ist, das Nutzlastgewicht zu kennen. Diese Nutzlastmessung ist auch wertvoll bei Betriebsvorgängen, wo es wünschenswert ist, die Produktivität eines Laderfahrzeugs bzw. beladenen Fahrzeugs zu überwachen.

Vor der Anwendung der Nutzlastüberwachung 10 sollte das System kalibriert werden. Eine Kalibrierung sollte auch immer dann wiederholt werden, wenn es eine Veränderung der Hubarmanordnungskonfiguration gegeben hat, wie beispielsweise wenn man auf eine andere Schaufel 16 umbaut, oder nach einer wesentlichen Überholung von irgend einem der Hubarmanordnunguntersysteme. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Kalibrierung der Nutzlastüberwachung 10 das Anheben der Hubarmanordnung 12 vom Niveau des Erdbodens auf das Abladeniveau mit einer leeren Schaufel 16 auf, was das Nutzlastgewicht einrichtet, und die Wiederholung des Verfahrens mit einem Material mit bekanntem Gewicht in der Schaufel 16. Vorzugsweise ist das bekannte Gewicht nahe der Nenn-Kapazität des beladenen Fahrzeugs 11 oder auf dieser Kapazität. Zusätzlich sollte vorzugsweise die Schaufel 16 während des Hubprozesses zurück gekippt seien, um sicherzustellen, dass der Schwerpunkt des Nutzlastgewichtes nahe der Mitte der Schaufel 16 bleibt. Die Einschränkung der zurückgekippten Schaufel 16 kann vermieden werden, indem man einen Positionssensor in dem Kippzylinder 15 vorsieht, um die Gradposition der Schaufelverkippung abzufühlen, um die Verschiebung des Schwerpunktes zu kompensieren.

Ein typischer Beladungszyklus eines Laders 11 weist in Reihenfolge folgendes auf: Graben und/oder Einfahren in einen Materialhaufen, zurück Kippen der Schaufel 16, um die Last zu halten, Rückwärtsfahrt und Rückwärtsbewegung aus dem Haufen, während man die Schaufel 16 anhebt, Fahren zu einer Abladestelle oder einem Transportfahrzeug, während die Schaufel kontinuierlich angehoben ist, und schließlich Abladen der Last aus der angehobenen Position. Dieser Ladezyklus wird nicht durch die Anwendung der dynamischen Nutzlastüberwachung 10 unterbrochen, weil ein Stoppen der Maschine nicht erforderlich ist, und weil die Schaufel 16 nicht für eine Zeitperiode auf einer speziellen Höhe positioniert sein muss.

Die vorliegende Erfindung ist auf andere Maschinen mit anderen Verbindungs- bzw. Gelenkskonfigurationen erweiterbar, indem man die Unterschiede dafür kompensiert. Vorausgesehene anwendbare Maschinenarten sind beispielsweise Bagger, Front-Schaufellader, Baggerlader, Kipplastwägen und vielen Maschinen mit mindestens einer Verbindung bzw. mit mindestens einem Gelenk mit mindestens einem Hydraulikzylinder zur Modifikation der Verbindungskonfiguration. Für diese Fahrzeugverbindungskonfigurationen können zusätzliche Sensoren für Druck und Ausfahrposition benötigt werden, um den Zylinderdruck und die Verbindungsgeometrie während des Arbeitszyklus zu detektieren. Jedoch bleiben die grundlegenden Nutzlastgewichtsberechnungen die gleichen.

Andere Aspekte, Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung können aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der Ansprüche erhalten werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur dynamischen Messung eines Nutzlastgewichtes für eine Maschine (11) mit mindestens einem Zylinder (14) zum Anheben eines Nutzlastträgers (16), wobei der Zylinder (14) mit einer Strömungsmittelschaltung mit einem Betätigungsströmungsmittel verbunden ist, welches Folgendes aufweist:

    Bestimmung eines Kalibrierungsgewichtes, welches mit dem Nutzlastträger (16) assoziiert ist;

    Bestimmung eines nicht kompensierten Nutzlastgewichtes;

    Bestimmung einer Temperaturverstärkung, die mit dem Betätigungsströmungsmittel assoziiert ist, und zwar ansprechend auf mindestens das Kalibrierungsgewicht und das nicht kompensierte Nutzlastgewicht; und

    Bestimmung des Nutzlastgewichtes ansprechend auf mindestens das nicht kompensierte Nutzlastgewicht und die Temperaturverstärkung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Bestimmung des Kalibrierungsgewichtes Folgendes aufweist:

    Anheben einer ersten Nutzlast mit einem ersten Nutzlastgewicht; Abfühlen einer ersten Vielzahl von Druckwerten für das Betätigungsströmungsmittel während des Anhebens der ersten Nutzlast;

    Anheben einer zweiten Nutzlast mit einem zweiten Nutzlastgewicht; und

    Abfühlen einer zweiten Vielzahl von Druckwerten des Betätigungsströmungsmittels während des Anhebens der zweiten Nutzlast.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt der Bestimmung des nicht kompensierten Nutzlastgewichtes Folgendes aufweist:

    Anheben einer dritten Nutzlast mit einem dritten Nutzlastgewicht; und Abfühlen einer dritten Vielzahl von Druckwerten des Betätigungsströmungsmittels während des Anhebens der dritten Nutzlast.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, welches weiter folgendes aufweist:

    Bestimmung einer ersten Temperatur des Betätigungsströmungsmittels, die mit dem Kalibrierungsgewicht assoziiert ist; und wobei die Temperaturverstärkung (Gain), die mit dem Betätigungsströmungsmittel assoziiert ist, ansprechend auf zumindest die erste Temperatur des Betätigungsströmungsmittels bestimmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, welches weiter folgendes aufweist:

    Bestimmung einer zweiten Temperatur des Betätigungsströmungsmittels, die mit dem nicht kompensierten Nutzlastgewicht assoziiert ist; und

    wobei das Nutzlastgewicht ansprechend auf mindestens die zweite Temperatur bestimmt wird.
  6. Verfahren zur dynamischen Messung eines Nutzlastgewichtes für eine Maschine (11) mit mindestens einem Zylinder (14) zum Anheben eines Nutzlastträgers (16), wobei der Zylinder mit einer Strömungsmittelschaltung verbunden ist, die ein Betätigungsströmungsmittel aufweist, wobei das Verfahren folgendes aufweist:

    Bestimmung eines Kalibrierungsgewichtes, welches mit dem Nutzlastträger (16) assoziiert ist;

    Bestimmung einer Kalibrierungstemperatur des Betätigungsströmungsmittels, die mit dem Kalibrierungsgewicht assoziiert ist; Bestimmung eines nicht kompensierten Nutzlastgewichtes;

    Skalierung der Kalibrierungstemperatur durch eine Skalierungsfunktion des nicht kompensierten Nutzlastgewichtes und des Kalibrierungsgewichtes; und

    Bestimmung des Nutzlastgewichtes als eine Funktion von mindestens dem nicht kompensierten Nutzlastgewicht und der skalierten Kalibrierungstemperatur.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Skalierungsfunktion ein Verhältnis des nicht kompensierten Nutzlastgewichtes zu dem Kalibrierungsgewicht aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, welches weiter folgendes aufweist:

    Bestimmung einer gegenwärtigen Temperatur (Ist-Temperatur) des Betätigungsströmungsmittels, die mit dem nicht kompensierten Nutzlastgewicht assoziiert ist; und

    wobei das Nutzlastgewicht als eine Funktion von mindestens der gegenwärtigen Temperatur bestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Nutzlastgewicht bestimmt wird durch Multiplikation der skalierten Kalibrierungstemperatur mit der gegenwärtigen Temperatur und durch Subtrahieren von dem nicht kompensierten Nutzlastgewicht.
  10. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt der Bestimmung des Kalibrierungsgewichtes folgendes aufweist:

    Anheben einer ersten Nutzlast mit einem ersten Nutzlastgewicht; Abfühlen einer ersten Vielzahl von Druckwerten des Betätigungsströmungsmittels während des Anhebens der ersten Nutzlast;

    Anheben einer zweiten Nutzlast mit einem zweiten Nutzlastgewicht; und

    Abfühlen einer Vielzahl von Druckwerten des Betätigungsströmungsmittels während des Anhebens der zweiten Nutzlast.
  11. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt der Bestimmung der Kalibrierungstemperatur folgendes aufweist:

    Abfühlen einer ersten Hubtemperatur des Betätigungsströmungsmittels während eines ersten Hubvorganges;

    Abfühlen einer zweiten Hubtemperatur des Betätigungsströmungsmittels während eines zweiten Hubvorganges;

    Mittelwertbildung der ersten Hubtemperatur und der zweiten Hubtemperatur; und

    Festlegen der Kalibrierungstemperatur ansprechend auf die Mittelwertbildung.
  12. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt der Bestimmung des nicht kompensierten Nutzlastgewichtes folgendes aufweist:

    Anheben eines unbekannten Nutzlastgewichtes; und

    Abfühlen einer Vielzahl von Druckwerten des Betätigungsströmungsmittels während des Anhebens des unbekannten Nutzlastgewichtes.
  13. Vorrichtung zur dynamischen Messung eines Nutzlastgewichtes für eine Maschine (11) mit mindestens einem Zylinder (14) zum Anheben eines Nutzlastträgers (16), wobei der Zylinder (14) mit einer Strömungsmittelschaltung mit einem Betätigungsströmungsmittel verbunden ist, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist:

    Kalibrierungsmittel zur Bestimmung eines Kalibrierungsgewichtes, welches mit dem Nutzlastträger assoziiert ist;

    Temperaturmittel zur Bestimmung einer ersten und einer zweiten Temperatur des Betätigungsströmungsmittels;

    Nutzlastmittel zur Bestimmung eines nicht kompensierten Nutzlastgewichtes; und

    Kompensationsmittel zur Bestimmung des Nutzlastgewichtes.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Kompensationsmittel folgendes aufweisen:

    Skalierungsmittel zur Einstellung der ersten Temperatur als eine Funktion des Kalibrierungsgewichtes und des nicht kompensierten Nutzlastgewichtes; und

    Berechnungsmittel zur Bestimmung des Nutzlastgewichtes als eine Funktion des nicht kompensierten Nutzlastgewichtes, der skalierten Temperatur und der zweiten Temperatur.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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