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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen eines
Zuführdruckes
in einem hydraulischen System, das eine Zuführpumpe zum Erzeugen des Zuführdruckes,
wenigstens zwei hydraulische Betätigungseinrichtungen,
Meßmittel
zum Messen des Druckpegels der Betätigungseinrichtungen, und ein Druckmediumflußkanalsystem
aufweist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein hydraulisches
System entsprechend diesem Verfahren.
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Insbesondere
für Waldmaschinen
sind Systeme entwickelt worden, in denen die Vorwärtsbewegung der
Waldmaschine mit mechanischen Beinen anstelle von Rädern durchgeführt wird.
Eine derartige Waldmaschine bewirkt weniger Schaden in dem Unterholz
bzw. der Untervegetation des Waldes. Darüberhinaus ist es auf einem
schwierigen Gelände
leichter, sich mit Beinen zu bewegen, als mit einer mit Rädern ausgestatteten Waldmaschine.
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Um
eine hinreichende Zuverlässigkeit
und Fortbewegung zu gewährleisten,
erfordert eine Schreitmaschine, die mit derzeit bekannter Technologie
ausgestattet ist, sechs Beine, wobei jedes Bein drei Freiheitsgrade
erfordert. Somit hat die Maschine insgesamt 18 sogenannte Servo-Schäfte bzw.
Servo-Wellen. Um all diese Servo-Schäfte bzw. Servo-Wellen mit einem
optimalen Grad bzw. Koeffizient der Belegung zu verwenden, würde jeder
Servo-Schaft bzw. Servo-Welle eine separate Servo-Pumpe, d. h. insgesamt
18 Servo-Pumpen erfordern. In praktischen Anwendungen wird eine
Grenze durch z. B. den Preis, die Raumerfordernisse, die Zuverlässigkeit
und die Wartbarkeit der Anzahl von verwendeten Pumpen und der verwendeten
Art der Steuerung bzw. Regelung gesetzt. In der Praxis ist die Anzahl
der Pumpen auf ein oder zwei begrenzt, und die Art der in den Betätigungseinrichtungen
verwendeten Steuerung ist eine Ventilsteuerung.
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Für die Effizienz
ist es wichtig, den hydraulischen Zuführdruck derartig einzustellen,
daß der
Zuführdruck
dem höchsten
Lastdruck entspricht, der mit den Betätigungseinrichtungen erreichbar
ist. Dieses Verfahren ist als sogenanntes Last messendes bzw. Last feststellendes
(LS) hydraulisches System bekannt. Ein typisches Last messendes
hydraulisches System ist in der deutschen Patentschrift
DE 35 46 336 gezeigt. In
der Praxis werden Last messende hydraulische Systeme in einer mechanischen
hydraulischen bzw. mechanisch-hydraulischen Weise unter Verwendung
sogenannter Last messender Ventile, die für diesen Zweck hergestellt
sind, verwirklicht. Wenn die Betätigungseinrichtung
bewegt wird, wird ein bestimmter Last messender Kanal in diesen
Ventilen zu einer bestimmten Austausch-Gegenventil-Kette, die in
dem Ventilsystem integriert ist, geöffnet. Durch Verwendung dieser
Kette wird der höchste
Lastdruck p
Lmax, der für die Bewegung der Betätigungseinrichtungen
erforderlich ist, für
den Regulator bzw. die Stelleinrichtung der Pumpe erreicht. Der Pumpenregulator
stellt den Pumpenzuführdruck
p
S auf eine vorgegebene Druckdifferenz Δ
P oberhalb
des Pegels, der dem maximalen Lastdruck p
Lmax entspricht,
ein, wodurch sichergestellt wird, daß alle Bewegungen durchgeführt werden
können.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP 104 613 zeigt
ein elektro-hydraulisches System insbesondere für Maschinen mit mehreren Betriebszylindern.
Ein solches Beispiel ist ein Schaufellader mit separaten Zylindern
zum Drehen und Heben der Schaufel und einem Hydraulikmotor zum Bewegen
der Traktorschaufel. Das System, das in der Veröffentlichung gezeigt ist, ist
darauf ausgerichtet, einen Volumenfluß zu erreichen, der in der
jeweiligen Lastsituation optimal ist. Das System wendet zwei Pumpen
mit ungleichen maximalen Ausgangsflüssen an. Somit ist es möglich, entweder
eine Pumpe alleine oder, bei größeren Lasten,
beide Pumpen gleichzeitig zu verwenden. Das System wird auf Grundlage
von Signalen, die von dem mit den Zylindern gekoppelten Sensoren
(Geschwindigkeit/Position) erzeugt werden, sowie von Steuerbefehlen
gesteuert, die von dem Bediener der Maschine derartig gegeben werden,
daß die
Volumenflüsse,
die von den Pumpen erzeugt werden, der jeweiligen Benutzungs- und
Lastsituation entsprechen. Diese Veröffentlichung zeigt dennoch
nicht das spezielle Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß zum Bestimmen
des benötigten
Druckes nur der Druckpegel von solchen Betätigungseinrichtungen verwendet
wird, die eine positive Arbeit bewirken bzw. durchführen.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE 35
35 771 zeigt ein hydraulisches System mit einer hydraulischen Pumpe
zum Erzeugen von Druck in den hydraulischen Systemen, Ventilen zum
Steuern von Betätigungseinrichtungen,
einem Druckausgleichsventil, und einer Druckmeßleitung. In dem System wird
der Druck in einem Druckzuführkreislauf
gemessen. Ein Anlaßventil
bzw. Startventil ist mit dieser Zuführungsdruckleitung und einer
Druckmeßleitung
verbunden. Wenn der Druckpegel in diesen Leitungen im wesentlichen
gleich gehalten wird, wird das Druckausgleichsventil unabhängig von
dem absoluten Druckpegel geschlossen. In einer Situation, in der
die Position des Druckventils für
eine Betätigungseinrichtung
geändert
wird, wird der Druck der Zuführdruckleitung
geändert
und der Druck der Druckmeßleitung
momentan bzw. umgehend reduziert. Dementsprechend wird die Druckdifferenz
somit erhöht
und ein Druckführventil
geöffnet,
wobei der Druck der Zuführleitung
begrenzt wird, indem der Fluß des
Hydraulikfluids entlang eines Rückführkanales
zu einem Hydraulikfluidbehälter
geführt
wird. Das System ist ein konventionell aufgebautes Lastmeßsystem
mit Druckmeßleitungen
für die
Steuerventile. Die Einstellung wird hydraulisch durchgeführt, und
darüberhinaus
verwendet das System keine Sensoren zum Bestimmen der Bewegungsrichtungen
der Betätigungseinrichtungen.
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Die
Deutsche Patentanmeldung
DE 43
07 827 zeigt auch ein elektro-hydraulisches System. In
dem System werden die Einstellungen den Betätigungseinrichtungen elektrisch,
z. B. mittels Potentiometern oder dergleichen eingegeben, wobei
eine Steuereinrichtung auf Grundlage des Setzwertes jeder Betätigungseinrichtung
bestimmt, eine wie hohe Druckzufuhr benötigt wird. Diese wird primär bestimmt
als eine Summe des für
jede Betätigungseinrichtung
erforderlichen Volumenflusses. Danach stellt die Steuereinrichtung
die Pumpe ein, um den gewünschten
Volumenfluß zu
erreichen. In der Einstellung werden konventionelle, hydraulische Lastmeßventile
verwendet. Zusätzlich
kombiniert das System die Lastmeßleitungen dieser Ventile zu
einer Druckmeßleitung
mittels Austausch-Gegenflußventilen,
wobei es möglich
ist, den höchsten
Druckpegel der Betätigungseinrichtungen
zu messen. Die Druckmeßleitung
ist mit einem Drucksensor zum elektrischen Messen des Druckes versehen.
Auch ist in dem in der deutschen Veröffentlichung gezeigten System
ein Lastmeßsteuerventil
erforderlich, welches neben anderen Dingen den Aufbau des hydraulischen
Systems und den Aufwand für
seine Wartung und Einstellbarkeit verkompliziert.
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Die
deutsche Anmeldung
DE 35 32 816 zeigt
ein Steuersystem für
ein hydraulisches System. Das hydraulische System weist zwei oder
mehr Betätigungseinrichtungen
und wenigstens eine Pumpe auf. In dieser Veröffentlichung ist die Grundidee,
daß in
einer Situation, in der der von der Pumpe erzeugte Zuführdruck
nicht ausreichend ist, der Zuführdruck
jeder Betätigungseinrichtung
im wesentlichen in gleichem Maße
bzw. gleichen Verhältnis
reduziert wird. Der Zweck hiervon ist, sicherzustellen, daß alle Steuerventile
einstellbar sein werden und daß der
Volumenfluß nicht
zu einem Steuerventil entweicht. Diese Hilfspumpe wird von der Betätigungseinrichtung,
die den höchsten
Druckpegel erfordert, gesteuert. Das System ist ein konventionelles,
hydraulisches Druckmeßsystem,
daß keine
elektrischen Meß-
und Steuereinrichtungen anwendet.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE 33
47 000 zeigt ein elektro-hydraulisches Steuersystem. Das
elektro-hydraulische System, das in der Veröffentlichung gezeigt ist, steuert
einen bidirektionalen Zylinder bzw. hydraulischen Motor, der zwei
Betätigungsleitungen
und Ventile hierin aufweist. Die Steuersysteme der zwei verschiedenen
Richtungen sind unabhängig
voneinander, ausgenommen die Steuereinrichtung. Das Steuersystem
besteht aus zwei Ventilen: ein Drei-Wege-Ventil und ein 4/4-Wege-Ventil.
Das Steuersystem ist als ein versagungssicherer Typ aufgebaut, wobei
zum Beispiel im Falle eines Schadens an der Steuereinrichtung kein Steuerdruck
zu dem hydraulischen Motor überführt wird.
Weiterhin wird der Druckpegel der Zuführdrucke des hydraulischen
Motors an beiden Seiten des Kolbens gemessen, und diese Messungen
können
verwendet werden, um die Steuerventile einzustellen. Das System
ist nicht darauf ausgerichtet, den Pumpzuführdruck einzustellen, sondern
die Drücke
der Betätigungseinrichtungsleitungen.
Der hydraulische Motor kann differential gesteuert werden, indem
der Zylinder des hydraulischen Motors mit einer festen Steuerung
an einer Seite des Kolbens und an der anderen Seite mit einer Steuerung
bzw. einem Steuerungssignal entsprechend dem jeweiligen Bedarf für eine Einstellung
versehen ist, um den Druck und den Volumenfluß einzustellen. Das in der
Veröffentlichung
gezeigte System wendet keine Steuerpumpe an, sondern der Volumenfluß wird mit
einer Pumpe mit konstantem Volumen erzeugt. Das gezeigte System
ist relativ teuer, insbesondere aufgrund der Ventile.
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Eine
Gehbewegung der Arbeitsmaschine erfordert eine präzise Koordination
der Bewegungen der Beine. Dies bedeutet, daß die Verwendung von normalen
Last messenden Ventilen, die auf mobile Maschinen ausgerichtet sind,
nicht möglich
ist aufgrund deren robusten Aufbaus. Der höchste Lastdruck kann weiterhin hydraulisch
unter Verwendung einer separaten Gegenventil-Kette gemessen werden.
Somit wird jedoch ein Problem bezüglich der Betriebseffzienz
erreicht aufgrund der sogenannten negativen Last oder Fluchtlast.
Das hydraulische System kann nicht unterscheiden, ob der Lastdruck
durch Bewegen der Last (positive Arbeit) oder Abbremsen der Last
(negative Arbeit) bewirkt wird. Somit kann in einigen Betätigungseinrichtungen
ein Abbremsen der Last einen höheren
Lastdruck als eine Bewegung der Last in anderen Betätigungseinrichtungen
bewirken. Somit empfängt
das System einen falschen Wert bzw. Betrag des erforderlichen Druckpegels, wobei
ein unnötig
hoher Zuführdruck
in das hydraulische System eingegeben wird, der die Betriebseffizienz des
Systems verschlechtert.
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Die
oben genannte positive Arbeit und negative Arbeit werden in den 1a und 1b, die ein Bein 1 einer Schreitmaschine 2 zeigen,
gezeigt. Das Bein 1 weist einen oberen Arm 3,
der mit einem Hüftgelenk
L in dem Maschinenrahmen 2a verbunden ist, einen Unterarm 4,
der mit einem Kniegelenk P am entgegengesetzten Ende des Oberarms 3 verbunden
ist, und ein Tretelement 5, das an dem entgegengesetzte
Ende des Unterarmes befestigt ist, auf. Im folgenden wird angenommen,
daß die
Maschine in die durch den Pfeil S angezeigten Richtung derartig
bewegt wird, daß die
Höhe des
Rahmenteils 2a in Relation zu dem Untergrund konstant bleibt.
In der nachstehenden Beschreibung werden die folgenden Definitionen,
die die Bewegung der Gelenke in ihren Bewegungsbereichen beschreiben,
verwendet. In der Figur wird der Winkel θP des
Gelenkes P erhöht,
wenn der Unterarm 4 in Gegenuhrzeigerichtung (mit einer
gestrichelten Linie gezeigt) in der Zeichenebene gedreht wird, und
der Winkel θL des Gelenkes L wird erhöht, wenn der Oberarm 3 in
Uhrzeigerichtung (mit einer gestrichelten Linie gezeigt) in der
Zeichenebene gedreht wird, d. h. nach oben angehoben wird. Wenn
die Maschine in der Richtung des Pfeils S bewegt wird, drehen die
Betätigungseinrichtungen
des Unterarms 4 (nicht gezeigt) den Unterarm 4 derartig,
daß der
Unterarm 4 in Uhrzeigerichtung gedreht wird, d. h. der Winkel θP verringert wird. Somit hebt sich das Kniegelenk
P höher
von dem Bodenniveau ab. Die Bewegung des Kniegelenks P wird durch
eine gestrichelte Linie SP in 1a gezeigt. Um den Rahmen 2a der
Maschine in einer konstanten Höhe
zu halten, muß der
Oberarm 3 in Gegenuhrzeigerichtung gedreht werden, wobei
der Winkel θL erhöht
wird. Im Bewegungszustand wirkt das äußere Drehmoment, das an dem
Unterarm 4 angreift und primär aufgrund von Gravitation
bewirkt wird, dahin, das Kniegelenk nach unten zu drücken, d.
h. den Unterarm 4 in Gegenuhrzeigerichtung zu drehen. Die
Betätigungseinrichtungen
zum Bewegen des Unterarmes 4 drehen den Unterarm 4 im
Uhrzeigersinn, der die tatsächliche
Richtung der Bewegung in dieser Situation ist; d.h. die Richtung
des externen Drehmomentes ist entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung
des Unterarmes 4. Somit verrichten die Betätigungseinrichtungen
zum Bewegen des Unterarmes 4 positive Arbeit. Dennoch wirkt
das äußere Drehmoment,
das an dem Oberarm 3 angreift und primär aufgrund von Gravitation
bewirkt wird, dahingehend, das Hüftgelenk
in Relation zum Kniegelenk nach unten zu drücken, d.h. den Oberarm 3 in
Gegenuhrzeigerichtung zu drehen (θL wird
erhöht).
In dieser Situation drehen die Betätigungseinrichtungen zum Bewegen
des Oberarms 3 den Oberarm 3 in Gegenuhrzeigerrichtung,
der die tatsächliche
Bewegungsrichtung in dieser Situation ist. Da das äußere Drehmoment
parallel zu der Bewegungsrichtung des Oberarmes 3 gerichtet
ist, verrichten die Betätigungseinrichtungen
negative Arbeit.
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Diese
Situation wird umgedreht, in dem Zustand, wenn der Unterarm im wesentlichen
zu der anderen Seite der vertikalen Position, die durch eine gestrichelte
Linie eingezeichnet ist, bewegt worden ist. In diesem Zustand wirkt
das Gewicht des Rahmens dahingehend, den Unterarm 4 zu
dem Bodenniveau zu drehen (der Winkel θP wird
weiter verringert). Auch die Betätigungseinrichtungen
zum Bewegen des Unterarmes 4 drehen den Unterarm in die
gleiche Richtung. Dementsprechend ist in dieser Situation das äußere Drehmoment
parallel zu der Richtung der Bewegung des Unterarms 4,
d. h. die Betätigungseinrichtungen
verrichten negative Arbeit. In entsprechender Weise verrichten die
Betätigungseinrichtungen
zum Bewegen des Oberarms 3 positive Arbeit, da die Bewegungsrichtung
des Oberarms 3 entgegengesetzt der Richtung des äußeren Drehmomentes
verläuft.
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Weiterhin
zeigen die 1c und 1d eine verringerte Differenz
zwischen positiver und negativer Arbeit in einem doppelt wirkenden
hydraulischen Zylinder. Der Kolben des hydraulischen Zylinders ist
mit einem Hebelarm V verbunden, wobei ein Stück m an dem anderen Ende des
Hebelarms V angebracht ist. In der in 1c gezeigten
Situation negativer Arbeit wird das Stück m nach unten bewegt, indem
Druckmedium in einen ersten Block A des doppelt wirkenden hydraulischen
Zylinders geführt
wird, um ein Drehmoment M1 in dem Hebelarm V zu erzeugen. In einem
zweiten Block B des doppelt wirkenden hydraulischen Zylinders herrscht
ein Druck p2, der die Abwärtsbewegung
des Stückes
m abbremst. Der Abbremsdruck p2 kann größer als
der Druck p1 sein, der die Schiebekraft
an der Seite des ersten Zylinderblockes A erzeugt, aufgrund der Gravitation
g, die an dem Stück
m angreift. Die Kraft g erzeugt in dem Hebelarm V ein Drehmoment
M2, dessen Richtung die gleiche Richtung ist, wie die Bewegungsrichtung
des Kolbens des Zylinders. In dieser Situation ist der für die tatsächliche
Arbeit erforderliche Druck p1.
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In
entsprechender Weise zeigt 1d eine ähnliche
Situation zu der oben genannten, in der das Stück m nach oben angehoben wird,
Um die Hebekraft, das heißt
das Drehmoment M1, zu erzeugen, wird Druckmedium zu dem zweiten
Block B des doppelt wirkenden Zylinders zugeführt, um einen Druck p2 zu erzeugen. Die Kraft g erzeugt in dem
Hebelarm V ein Drehmoment M2, dessen Richtung entgegengesetzt zu
der Richtung der Bewegung des Kolbens des Zylinders ist. Der für die positive
Arbeit, d. h. das Heben des Stückes
m erforderliche Druck ist somit p2 und ist
somit größer als
der Druck p1 in dem ersten Block A des doppelt
wirkenden Zylinders.
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In
hydraulischen Systemen gemäß Techniken
des Standes der Technik, würde
das hydraulische System in der Situation in der 1C einen
Zuführdruck
auf Grundlage des Abbremsdruckes p2 in dem
zweiten Block B des doppelt wirkenden Zylinders entwickeln, obwohl
der kleinere Druck p1 tatsächlich ausreichend
sein würde
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die o.g. Nachteile in einem
größeren Maße zu verhindern und
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einstellen der Druckzufuhr
in einem hydraulischen System zu schaffen, die die bestmögliche Betriebseffizienz
bzw. eine sehr gute Betriebseffizienz erreichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
daß ein
Verfahren zumindest folgende Schritte aufweist:
- – elektrisches
Prüfen
bzw. Ermitteln der Bewegungsrichtung der Betätigungseinrichtung und der
Richtung der Wirkung des äußeren an
der Betätigungseinrichtung
angreifenden bzw. anliegenden Drehmomentes, um herauszufinden, ob
die Betätigungseinrichtungen
positive, eine Last bewegende Arbeit verrichten,
- – Auswählen des
höchsten
der Druckpegel der Betätigungseinrichtungen,
die eine Last befördernde
Arbeit verrichten, und
- – Einstellen
des Zuführdruckes
auf Basis des gewählten
Druckpegels.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
dadurch gelöst,
daß ein
hydraulisches System aufweist:
- – eine Einrichtung
zum Bestimmen der Betätigungseinrichtungen,
die eine positive Last befördernde
Arbeit verrichten, auf elektrische Weise auf Basis der Bewegungsrichtung
der Betätigungseinrichtung
und der Wirkrichtung eines externen Drehmomentes, das auf die Betätigungseinrichtung
einwirkt,
- – eine
Einrichtung zum Auswählen
des höchsten
Druckpegels der Druckpegel von denjenigen Betätigungseinrichtungen, die eine
Last tragen, und
- – eine
Einrichtung zum Einstellen des Zufuhrdruckes auf Grundlage des ausgewählten Druckpegels.
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Dementsprechend
basiert die Erfindung auf der Idee, die Betätigungseinrichtung in Last
bewegende Betätigungseinrichtungen
(positive Arbeit) und Last abbremsende Betätigungseinrichtungen (negative
Arbeit) jeweils aufzuteilen. Danach wird der Druckpegel der Last
bewegenden Betätigungseinrichtungen
geprüft
und der höchste
Pegel ausgewählt.
Der Zuführdruck
wird auf Grundlage des gewählten
Druckpegels eingestellt.
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Die
Erfindung gibt bedeutende Vorteile für Lösungen, die mit der Technologie
des Standes der Technik verbunden sind. Durch Einstellen des Zuführdruckes
des hydraulischen Systems durch das erfindungsgemäße Verfahren
ist es möglich,
die gesamte bzw. totale Betriebseffizienz des hydraulischen Systems
zu verbessern, da der Zuführdruck
jeweils optimal ist. Dies verringert den Energieverbrauch des hydraulischen
Systems. Weiterhin wird die Zuverlässigkeit des hydraulischen
Systems verbessert und Service-Intervalle können vergrößert werden, da die mittlere
Last des hydraulischen Systems verringert ist. Eine verbesserte
Betriebseffizienz erhöht
auch die Lebensdauer des hydraulischen Systems, z. B. als ein Ergebnis
der geringeren Abnutzung.
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Im
Folgenden wird die Erfindung im Detail mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen erläutert,
in denen
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1a bis 1d das
Prinzip der positiven und negativen Arbeit zeigen,
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2 ein
grobes hydraulisches Diagramm ist, das die Einstellung des Zuführdruckes
des hydraulischen Systems gemäß der Erfindung
zeigt.
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3 den
Betrieb eines mechanischen Beines auf vereinfachte Weise wiedergibt,
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4 eine
Anwendung der Druckeinstellung in einem vereinfachten bzw. groben
hydraulischen Diagramm wiedergibt, und
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5 eine
Maschine zeigt, in der die Erfindung vorteilhafterweise verwendet
werden kann.
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Eine
Schreitmaschine 2 erfordert vorzugsweise sechs mechanische
Beine 1, die vorteilhafterweise sechs Bewegungsfreiheitsgrade
haben. Jedes Bein 1 weist vorteilhafterweise einen Oberarm 3,
der in dem Maschinenrahmen 2a angelenkt ist, einen Unterarm 4,
der an dem entgegengesetzten Ende des Oberarms 3 angelenkt
ist, sowie ein Tretelement 5, das an dem entgegengesetzten
Ende des Unterarms befestigt ist, auf. Die drei Freiheitsgrade des
mechanischen Beines 1 sind vorteilhafterweise derartig
angeordnet, daß der
Oberarm 3, der an dem Rahmen 2a angelenkt ist,
in zwei Richtungen um zwei voneinander unabhängige Drehachsen bewegbar ist.
Aufgrund der Tatsache, daß ein
dazwischen liegendes Stück
derartig befestigt ist, das es um die Drehachse in der Längsrichtung
des Rahmens drehbar ist, ist der Oberarm wiederum an diesem drehbar
um eine Achse senkrecht zu dieser Achse befestigt. Der dritte Freiheitsgrad
wird durch eine Anlenkung zwischen dem Oberarm 3 und dem
Unterarm 4 erreicht, wobei der Unterarm 4 in der
vertikalen Ebene drehbar ist. Das Tretelement 5 kann entweder
stationär
an einem Ende des Unterarms 4 befestigt sein, oder die
Befestigung kann flexibel sein, wobei das Tretelement 5 der
Rauheit des Untergrundes in einem gewissen Maße folgt.
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Um
jedes Bein 1 zu bewegen, wird zumindest eine Betätigungseinrichtung 8 für jeden
Freigheitsgrad benötigt.
Somit ist in Verbindung mit dem Hüftgelenk eine Erstbetätigungseinrichtung 8a zum
Drehen des Oberarmes 3 und damit des ganzen mechanischen
Beines 1 relativ zu dem an dem Rahmen angelenkten Teil vorgesehen.
Eine zweite Betätigungseinrichtung 8b ist
vorgegeben, um den Unterarm 4 in der gleichen Ebene zu
drehen, in der der Unterarm 3 gedreht wird. Darüberhinaus
dreht eine dritte Betätigungseinrichtung 8c das Zwischenstück und das
ganze mechanische Bein 1 um die Drehachse in der Längsrichtung
des Rahmens, d. h. in einer im wesentlichen senkrechten Richtung
relativ zu der Bewegungsrichtung, die von der ersten Betätigungseinrichtung 8a erzeugt
wird. Die Betätigungseinrichtungen 8a, 8b, 8c sind
vorzugsweise hydraulische Zylinder oder Torsionsmotoren, die aus
Paaren hydraulischer Zylinder gebildet sind. Die Durchführung bzw. Ausbildung
der Bewegungen des mechanischen Beines ist dem Fachmann bekannt,
weshalb sie in diesem Zusammenhang nicht weiter beschrieben wird.
Zum Beispiel zeigen das frühere
finnische Patent 87171 und die Patentanmeldung FI-955297 des gleichen
Anmelders einige vorteilhafte Ausführungsformen eines derartigen
Beinmechanismus.
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In
Verbindung mit dem mechanischen Beinen 1a bis 1f sind
Sensoren vorgesehen, durch die es möglich ist, für jedes
Bein 1a bis 1f die Bewegungsrichtung und vorzugsweise
auch die Position des Oberarmes 3 und des Unterarmes 4 zu
bestimmen. Weiterhin können
in Verbindung mit den Tretelementen 5 der Beine Sensoren
zum Feststellen, ob das Tretelement 5 (und somit auch das
jeweilige Bein 1) sich auf den Boden oder in der Luft befindet,
vorgesehen sein. Darüberhinaus
sind in Verbindung mit den Betätigungseinrichtungen 8a bis 8c zum
Bewegen der mechanischen Beine Sensoren 12a bis 12f vorgesehen,
mittels derer es möglich
ist, den momentanen Druckpegel jeder Betätigungseinrichtung 8a bis 8c herauszufinden
bzw. festzustellen, entweder mittels Drucksensoren oder mittels
einer Berechnung, zum Beispiel aus einem Kraftvektor, der auf den Knöchel wirkt,
der zumindest zwei-, vorzugsweise dreidimensional (Richtungen xyz)
ist. Der Kraftvektor kann mit Kraftsensoren gemessen werden, wobei
es möglich
ist, die Drehmomente herauszufinden bzw. festzustellen und die Druckpegel
zu berechnen. Die Informationen über
den Druckpegel und die Bewegungsrichtung werden zum Beispiel verwendet,
um herauszufinden, welche Betätigungseinrichtungen
positive Arbeit verrichten und in welchen Betätigungseinrichtungen negative
Arbeit durchgeführt
wird.
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Um
die Fortbewegung der Maschine 2 zu bewirken, ist eine komplexe
Steuerlogik erforderlich, wobei die Befehle zum Steuern der Betätigungseinrichtungen
den Betätigungseinrichtungen 8a, 8b, 8c der
mechanischen Beine 1a bis 1f übermittelt werden. Während der
Fortbewegung befördern
einige Betätigungseinrichtungen 8 die
Last in Richtung positiver Arbeit und einige in Richtung negativer
Arbeit. Beide Situationen erzeugen einen Anstieg in dem Druckpegel
der Druckmediumkanäle
der Betätigungseinrichtungen,
wobei die Druckzufuhr entsprechend dem Bedarf eingestellt werden
muß. In
derzeit bekannten Lösungen
wird auch eine Änderung
des Druckpegels, die durch eine verzögerte bzw. abgebremste Betätigungseinrichtung
hervorgerufen wird, in die Bestimmung des Zuführdruckes eingezogen, wobei
der Zuführdruck
in einigen Situationen unnötig hoch
sein kann. Stattdessen wird in der vorliegenden Erfindung der Zuführdruck
auf Grundlage nur der Last bewegenden Betätigungseinrichtungen eingestellt,
um die bestmögliche
Betriebseffizienz zu erreichen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird im folgenden mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben.
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2 zeigt
einen Steuerschaltkreis für
ein mechanisches Bein 1a. In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die anderen Steuerschaltkreise in Bezug auf die
wesentlichen Teile identisch mit der in 2 gezeigten
Anordnung, wobei sie nicht detaillierter dargestellt sind. Die Betätigungseinrichtungen 8a bis 8c sind
vorzugsweise doppelt wirkend, wobei das Druckmedium zu den Betätigungseinrichtungen
entweder über
eine erste Betätigungsleitung 9a, 9c, 9e oder über eine
zweite Betätigungsleitung 9b, 9d, 9f auf
Basis der gewünschten
Bewegungsrichtung der Betätigungseinrichtung
geführt
werden. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind die Betätigungsleitungen 9a bis 9f verbunden
mit einem doppelt wirkenden Ventil 10a bis 10c mit
drei Positionen (4/3 Wegeventil). In 2 sind die
Ventile in der mittleren Position gezeigt, in der kein Gruppenmedium
zu den Betätigungseinrichtungen 8a bis 8c geführt wird.
Die Ventile 10 sind vorzugsweise elektrisch steuerbar,
wobei die Position des Ventiles 10 geändert werden kann durch ein
elektrisches Steuersignal. Dies ist als solches einem Fachmann bekannt,
wobei es nicht notwendig ist, dies in diesem Zusammenhang weiter
auszuführen.
Der Zuführdruck
wird zu dem Betätigungseinrichtungen 8a, 8b, 8c mittels
einer Druckzuführleitung 11 und
den Ventilen 10a bis 10c zugeführt. In dem Druckzuführventil 11 wird
der Zuführdruck
des Druckmediums mittels einer Zuführpumpe und einem Steuerventil
in einer an sich bekannten Weise erzeugt.
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Um
die Druckpegel der Betätigungsleitungen 9a, 9b zu
messen, wird das Drucksignal bzw. die Druckinformation vorzugsweise
in ein Spannungssignal oder Stromsignal umgewandelt. Zu diesem Zweck
ist es möglich,
Druck-Spannungsumwandler (p/U-Umwandler) 12a bis 12g des
Standes der Technik zu verwenden. Die Druck-Spannungsumwandler erzeugen eine Spannung,
die proportional dem Druck ist und in eine Steuereinheit 13 geführt wird.
In der Steuereinheit 13 wird das analoge Spannungssignal,
das von dem p/U-Umwandler erzeugt ist, vorzugsweise in ein digitales
Signal mittels eines analog-digital-Umwandlers (A/D-Umwandlers)
umgewandelt. Anstelle eines Druck-Spannungs-Umwandlers 12a bis 12f ist
es auch möglich,
Umwandler zu verwenden, die das Drucksignal direkt in ein digitales
Signal umwandeln. Das digitale Signal kann entweder in parallelem
Format, bei dem. eine separate Leitung ist für jedes Bit vorgesehen ist,
oder in seriellem Format, wobei das digitale Signal in sukzessiven
Bits entlang der gleichen Leitung befördert wird, vorliegen. Wenn
ein Umwandler für
ein paralleles Format verwendet wird, werden mehr Leitungen benötigt als
bei einem Umwandler für
ein serielles Format; z. B. werden bei einer Umwandlungsgenauigkeit
von 8 Bits 8 separate Leitungen für jeden Umwandler benötigt.
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Informationen über die
Bewegungsrichtungen der Arme 3, 4 jedes Beines
werden von Bewegungssensoren 24a, 24b, 24c in
die Steuereinheit 13 geführt. Die Bewegungssensoren 24a bis 24c sind
als solche bekannt, z. B. als Quadraturimpulssensoren oder Impulszähler. Die
Quadraturimpulssensoren erzeugen zwei Impulsformat-Signale mit gleicher
Frequenz und einer Phasendifferenz von z. B. ± 90 °, wobei vorzugsweise es auf
Basis der Richtung (+/-) der Phasendifferenz der Signale möglich ist,
die Bewegungsrichtung abzuleiten. Bei Verwendung von Impulszählern kann
die Bewegungsrichtung vorzugsweise aus der Richtung der Änderung
der Summe bzw. des gezählten
Betrages des Impulszählers
abgeleitet werden, d. h., ob der gezählte Betrag erhöht oder
verringert wird. Die zu der Steuereinheit 13 zuführenden
Richtungsdaten können
auch ein Spannungssignal sein, wobei die Richtung der Änderung
der Spannung (Erhöhung/Verringerung)
die Bewegungsrichtung wiedergibt. Das Spannungssignal wird vorzugsweise
mit einem A/D-Umwandler in digitales Format umgewandelt. Die Steuereinheit 13 verwendet
das Signal der Bewegungssensoren 24a bis 24c z.
B. dafür, um
abzuleiten bzw. herauszufinden, ob positive oder negative Arbeit
in der Betätigungseinrichtung,
die den betreffenden Arm 3, 4 steuert, verrichtet
wird.
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Die
Spannungssignale, die in der Steuereinheit 13 in digitalem
Format vorliegen, werden vorzugsweise zu einem Mikroprozessor MPU
zur Verarbeitung geführt.
Für die
Anwendungssoftware des Mikroprozessors weist die Steuereinheit 13 auch
einen Nur-Lese-Speicher
ROM auf, der auch ein elektrisch löschbarer programmierbarer Festspeicher
EEPROM sein kann. Darüberhinaus
weist die Steuereinheit 13 einen Speicher mit wahlweisen
Zugriff RAM und andere elektronische Steuermittel auf. Die Steuereinheit 13 kann
auch durch eine sogenannte Mikrosteuereinheit MCU ausgebildet sein,
wobei die meisten der Funktionen der Steuereinheit 13 mit
einem integrierten Schaltkreis ausgebildet werden können. Vorteilhafterweise
ist es möglich,
einen Mikrocontroller mit A/D-Umwandlern,
einen Nur-Lese-Speicher ROM, einen Speicher mit wahlweisem Zugriff RAM,
einen digital-analog-Umwandler (D/A-Umwandler), sowie einen Mikroprozessor
MPU zu verwenden. Die Steuereinheit 13 kann auch mit als
solchen bekannten anderen Steuermitteln ausgebildet werden. Dies
ist als solches Stand der Technik, der dem Fachmann bekannt ist,
weswegen eine detailliertere Beschreibung der Steuereinheit 13 in
diesem Zusammenhang nicht notwendig ist.
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Dementsprechend
werden zwei Spannungs- oder Stromsignale, die dem Druck proportional
sind, von jeder Betätigungseinrichtung 8a, 8b, 8c gewonnen.
Die Differenz zwischen den von der gleichen Betätigungseinrichtung kommenden
Signalen gibt an, in welcher Richtung die Betätigungseinrichtung sich in
dem Fall bewegt, daß eine
Last mit der Betätigungseinrichtung
aktiv befördert
wird. 3 zeigt auf vereinfachte Weise die Bewegungsrichtungen
eines mechanischen Beines in einer Ebene, zum Beispiel in der vertikalen
Ebene. Die erste Betätigungseinrichtung 8a,
die den Oberarm 3 in der vertikalen Ebene vorzugsweise
derartig bewegt, daß eine
Drehbewegung bzw. Schwenkbewegung bezüglich des Hüftgelenkes L erreicht wird,
weist vorzugsweise zwei hydraulische Zylinder 14a, 14b auf.
Entsprechend weist die zweite Betätigungseinrichtung 8b,
die den Unterarm 4 in der vertikalen Ebene vorzugsweise
derartig bewegt, daß eine
Drehbewegung bzw. Schwenkbewegung bezüglich des Kniegelenkes P erreicht
wird, vorzugsweise zwei hydraulische Zylinder 15a, 15b auf.
Die Winkel θL und θP, die in 3 eingezeichnet
sind, entsprechen den Benennungen der 1a und 1b,
wobei Bezug auf die in Zusammenhang mit den 1a und 1b gegebene
Beschreibung gemacht wird. Darüberhinaus
sind in 3 die Druckpegel der Betätigungsleitungen 9a, 9b der
ersten Betätigungseinrichtung 8a auf
folgende Weise gekennzeichnet: pa bezieht
sich auf den Druckpegel der ersten Betätigungsleitung 9a,
und pa+1 bezieht sich auf den Druckpegel
der zweiten Betätigungsleitung 9b.
Auf entsprechende Weise sind die Druckpegel der Betätigungsleitungen
der zweiten Betätigungseinrichtung 8b mit
dem Bezugszeichen pb und pb+1 bezeichnet.
Die Wirkung der äußeren Drehmomente
kann somit aus 3 abgeleitet werden. Es wird
hierbei angenommen, daß sich
das Bein auf einem Untergrund befindet. Wenn somit die durch den
Rahmen gebildete Last angehoben wird, wirkt die erste Betätigungseinrichtung 8a zum
Steuern des Oberarmes 3 dahingehend, daß der Oberarm 3 im
Uhrzeigersinn (θL wird veringert) gedreht wird; um dies durchzuführen, ist der
Druckpegel pa der ersten Betätigungsleitung 9a größer als
der Druckpegel pa+1 der zweiten Betätigungsleitung 9b.
Das von der Last hervorgerufene äußere Moment
wirkt dahingehend, daß der
Oberarm in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird (θL wird erhöht). Wenn auf entsprechende
Weise die Last abgesenkt wird, wirkt die erste Betätigungseinrichtung 8a dahingehend,
den Oberarm 3 entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen (θL wird erhöht). Aufgrund der Verzögerungskraft
bzw. Abbremskraft, die durch die Last hervorgerufen wird, ist somit
der Druckpegel pa der ersten Betätigungsleitung 9a größer als
der Druckpegel pa+1 der zweiten Betätigungsleitung 9b.
Aus einem Vergleich zwischen den Drücken, die an verschiedenen
Seiten der Betätigungseinrichtung
vorliegen und in zwei Richtungen wirken, kann explizit die Richtung
der Wirkung des äußeren Momentes
ermittelt werden, wenn die Oberflächenbereiche usw. symmetrisch
angeordnet sind. Das gleiche Ergebnis kann auch erreicht werden,
indem eine Situation geprüft
wird, in der das Bein in der Luft ist und der Oberarm bewegt wird.
Somit bildet das Gewicht des Beines eine Last, die ein äußeres Moment
bewirkt, das in Richtung „θL wird verringert" wirksam ist. Die oben beschriebenen
Alternativen sind in der linken Spalte in Tabelle 1 aufgeführt. Die
mittlere Spalte zeigt die Richtung der Bewegung des Oberarms 3 gemäß der Informationen,
die von dem Bewegungssensor abgegeben werden, d. h. der tatsächlichen
Bewegungsrichtung. Die rechte Spalte gibt die Information wieder,
die auf Grundlage der oben genannten Spalten bezüglich der in der Betätigungseinrichtung 8a zu
verrichtenden Arbeit abgeleitet werden: „+" bezeichnen eine positive Arbeit und „-„ bezeichnet
eine negative Arbeit.
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An
dem Unterarm 4 ist die Situation analog zu der oben beschriebenen,
mit der Ausnahme, daß in
dem mechanischen Bein 1a bis 1f der Schreitmaschine 2 gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung die Kolben der hydraulischen Zylinder der zweiten
Betätigungseinrichtung 8b mit
dem Oberarm 3 verbunden sind, wobei mit Bezug auf die Funktion
des Oberarms 3, die oben beschrieben wurde, und der Bezugszeichen der 3,
Tabelle 2, gewonnen wird, in der der Wert der Spalten den Spalten
der Tabelle 1 entspricht.
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In
der Position der 3 wird bei Annahme, daß sich das
Bein auf dem Boden befindet, das äußere Drehmoment in die Richtung „θP wird verringert" wirken. Wenn der Unterarm an der anderen
Seite der vertikalen Position ist, wirkt das Drehmoment in die Richtung „θP wird erhöht". In diesem Zusammenhang wird Bezug genommen
auf die Bezeichnungen der 1a und 1b und
auch die hierzu abgegebene Beschreibung. Die Tabelle 1 und 2 können verallgemeinert
werden, so daß sie
auch auf die anderen Beine 1b bis 1f angewandt
werden.
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In
der Anwendungssoftware der Steuereinheit 13 wird der Druckpegel
jede Betätigungsleitung
messen, und die Position und Bewegungsrichtung der Betätigungseinrichtung
oder die Bewegungsrichtung des Gelenkes werden mit einem separaten
Bewegungssensor geprüft,
woraus die Bewegungsrichtung der Betätigungseinrichtung ermittelt
wird. Danach werden die o. g. Tabellen angewendet, um abzuleiten,
ob positive Arbeit oder negative Arbeit in der Betätigungseinrichtung
verrichtet wird. Die Druckpegel der Betätigungseinrichtungen, die negative
Arbeit verrichten, werden nicht beachtet, und der höchste der
Druckpegel der Betätigungseinrichtung,
die positive Arbeit verrichten, wird ausgewählt. Die oben beschriebenen
Operationen werden somit in der Steuereinheit 13 vorzugsweise
als digitale Zahlen durchgeführt,
wobei der gewählte
Druckpegel in einem Digital-Analog-Umwandler 16 in ein
analoges Format umgeformt wird. Aus dem Digital-Analog-Umwandler 16 wird
ein analoges Spannungssignal, das dem gewählten Druckpegel proportional
ist, ausgegeben und zu einer ersten Addiereinheit 17 weitergeleitet.
In die erste Addiereinheit 17 wird auch ein Spannungssignal
eingegeben, daß proportional
dem Zuführdruck
der Zuführdruckleitung
ist und das mit einem Druck-Spannungs-Umwandler 12g in
der Zuführdruckleitung
gebildet worden ist. Somit wird die Differenz zwischen dem gewählten Druckpegel
und dem momentanen Druckpegel der Zuführdruckleitung aus dem Ausgangssignal
der ersten Addiereinheit 17 gewonnen. Die Differenz wird
zu einem PI-Regler 18 geführt, der somit ein Integral-Regler
bzw. integrierender Regler ist. Der von dem PI-Regler 18 gebildete
Steuerwert wird zu einem Verstärker 19 geführt, in
dem das analoge Spannungssignal vorzugsweise in ein dem Spannungssignal proportionales
Stromsignal umgewandelt wird. Mittels des Stromsignales kann die
Einstellung der Druckzufuhr in als solche bekannter Weise durchgeführt werden.
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4 zeigt
eine Lösung
zum Steuern bzw. Regeln der Druckzufuhr eines hydraulischen Systems.
In dieser Ausführungsform
wird ein Sicherheitskoeffizient ΔP als eine digitale Zahl zu dem Eingang der
digitalen Steuereinheit geführt.
In der ersten Addiereinheit 17 wird das digitale Spannungssignal,
das durch die Steuereinheit gebildet ist und proportional zu dem
gewählten
Druckpegel ist, in dem Sicherheitskoeffizienten ΔP aufsummiert.
Das Spannungssignal, das dem Zuführdruck
pS der Zuführdruckleitung proportional
ist, wird aus der Summe abgeleitet. Die Differenzspannung wird in
eine digitale Steuereinrichtung 20 eingegeben, die vorzugsweise
einen digitalen PI-Regler 18, einen Verstärker 19,
und einen Digital-Analog-Wandler aufweist. Von der digitalen Steuereinheit 20 wird
das analoge Steuersignal zu einer Steuereinheit 21 einer
Zuführpumpe
geführt. Eine
Rückführung bzw.
Rückführkopplung
zu der Steuereinheit 21 für die Zuführpumpe wird auf Basis des
Winkels der Zuführpumpe 23 gebildet,
der dem Rotationsvolumen der Zuführpumpe
entspricht. Somit erzeugt die Steuereinheit 21 für die Zuführpumpe
ein Steuersignal für
eine Betätigungseinrichtung 22 der
Zuführpumpe zum
Steuern bzw. Regeln des Winkels der Zuführpumpe, um eine Übereinstimmung
mit dem gewählten
Druckpegel zu erreichen.