DE3831764A1

DE3831764A1 - Servo-geregeltes bearbeitungsgeraet mit kapazitiver pflanzenabtastung

Info

Publication number: DE3831764A1
Application number: DE3831764A
Authority: DE
Inventors: Werner Feser
Original assignee: Individual
Current assignee: FESER, WERNER, 8701 REICHENBERG, DE
Priority date: 1988-09-19
Filing date: 1988-09-19
Publication date: 1990-03-29

Description

Das Bearbeiten des bepflanzten Bodens, bei dem die Pflanzen in Reihen angeordnet sind, erfolgt oft durch das maschinelle Hacken des Erdstreifens zwischen den benachbarten Pflanzen reihen.

Das genaue manuelle Führen der Hackschare und andere natur gegebene Einflüsse bringen Probleme mit sich, die unter Ver wendung eines speziellen servo-geregelten Bearbeitungsgerätes gelöst werden.

Stand der Technik

Bekannt sind mir im Handel zwei verschiedene Gerätearten. Zum einen gibt es Anbaugeräte an die Dreipunktaufhängung des Schleppers, ausgerüstet mit einem Querbalken, an dem die Hackschare montiert sind, und in der Längsachse verlängert, eine steuerbare Spurrolle, die von einer zusätzlichen Person zu bedienen ist, welche durch die Lenkbewegung die gesamte Maschine seitlich bewegt.

Problematisch ist hierbei das Bearbeiten von geneigten Flächen, wobei unter großem körperlichem Kraftaufwand das Gerät stark gegen die Steigung gesteuert werden muß.

Das Abdriften aus der Spur ist nicht immer zu vermeiden. Noch schwieriger wird dieses bei sehr engen Pflanzreihen, wie z.B. im Getreidefeld, bei Spurbreiten unter 15 cm.

Zum Zweiten verwendet man Zwischenachshackgeräte, bei denen sich kurz nach den vorderen Lenkrädern des Traktors der Quer balken mit den Hackscharen befindet. Den Verlauf der Hackspur regelt hierbei der Fahrzeugführer durch die Lenkbewegung. Auch hierbei taucht das obengenannte Problem bei Hanglagen auf. Auf geneigten Flächen driften Vorder- wie Hinterräder gleicher maßen ab.

Erschwerend wirken sich zudem auch noch ungünstige Bodenverhält nisse, wie z.B. feuchte Flächen, aus.

Aufgaben der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Grundgerät zu schaffen, das selbsttätig, geführt durch eine Pflanzenreihe, die Bear beitungsgeräte trägt und diese mittels einer Regelung der ab getasteten Pflanzenreihe ölhydraulisch nachführt.

Es muß auf schmalen wie auf breiten Pflanzenreihen, sowie auf engen wie auf weiten Reihenabständen gleichermaßen ein setzbar sein und durch einen genügend langen Verfahrweg, d.h. der Weg zwischen beiden seitlichen Endpositionen, ein optimales Bearbeiten ermöglichen.

Es stellt hohe Anforderungen an das Regelverhalten, denn es erfordert von dem Steuersystem eine optimale Eingabegenauig keit, d.h. Regelabweichungen müssen genau und schnell erfaßt, ausgewertet und dem Regler zugeführt werden, welcher schnell und dynamisch Regelbewegungen am Hydraulikzylinder durchführt. Störgrößen, wie z.B. starke Temperaturschwankungen, Bodenbe schaffenheit, feuchte Böden, sehr hoher Unkrautbesatz, Ein flüsse durch Wind und Unwetter dürfen das Regelverhalten der Maschine nicht beeinträchtigen.

Ferner muß bei Pflanzlücken der Führungsreihe die Regleraus gabe gesperrt sein, d.h. der Stand des Gerätes wird erst wie der korrigiert, sobald die Abtasteinheit wieder eine Pflanz reihe meldet.

Die gesamte Zuführung der Energie vom Traktor zu übernehmen ist ein weiteres Ziel, das gelöst wird über die 12 V-Norm steckdose für die elektrische Energie und über zwei ölhydrau lische Steckverbinder, über die die Maschine vom Bordnetz des Traktors aus versorgt wird.

Gerätebeschreibung

Das Grundgerüst der Maschine besteht aus einem Rahmen, der so angeordnet ist, daß vorne Aufhängungen für die Dreipunktbe festigung am Traktor seitlich die Befestigungsvorrichtung für die Stützräder, die hohenverstellbar sein müssen, und hinten die Laufschiene für den beweglichen Teil, angebracht ist. Die Stützräder sollten den gleichen Spurstand aufweisen wie der Traktor, da bei verändertem Spurstand unnötige Verdich tungen entstehen würden.

Die Laufschiene ist unten als Rohr, in der Mitte als starker Flachstahl und oben als U-Führungschiene gefertigt, um starke Druckkräfte eines angebauten Bodenbearbeitungsgerätes problem los auf den Grundrahmen übertragen zu können.

Der bewegliche Teil besteht aus einer, wie im Landmaschinen bau üblichen, Universal-Montageschiene, die an zwei Schlitten befestigt ist. Der Schlitten verfährt auf Lagern bzw. gela gerten Rollen auf der Laufschiene in seitlicher Richtung. Der Hydraulikzylinder, der die Regelfunktion ausführt, ist an der Laufschiene befestigt und dessen Kolbenstange am bewegli chen Schlitten.

Vorne an dem beweglichen Teil ist die Abtasteinheit für die Erkennung der Pflanzen angebracht. Diese muß in seitlicher Richtung, um den Sollwert einstellen zu können, und in verti kaler Richtung verstellbar sein, damit eine Anpassung an die Pflanzenhöhe erfolgen kann.

Diese Abtasteinheit ist durch Federn und Gelenke in Fahrtrich tung frei beweglich, um ein Ausweichen vor eventuellen Hinder nissen, wie z.B. Steinen oder Erdhaufen, zu ermöglichen. Die Abtasteinheit besteht aus zwei Abtastarmen, die um einen Drehpunkt frei einstellbar sind und mit Hilfe von Stützarmen arretiert werden können. Geschützt in den Abtastarmen sind die Sensoren an der Unterseite bündig eingesetzt, die als kapazitive Näherungsinitiatoren berührungslos den Pflanzen bestand abtasten. Der Winkel der Abtastarme ist so einzustellen, daß das Maß zwischen den beiden äußersten Sensoren dem Reihen abstand entspricht, da immer nur eine Pflanzenreihe von der Abtasteinheit erfaßt werden darf.

Damit sich auch unsymmetrische Pflanzreihen erfassen lassen, die meistens durch einseitigen Winddruck oder Sturm entstehen, ist der Abtasteinheit ein Kamm vorzubauen, der grob ausge führt ist und tiefer als die Abtasteinheit die Pflanzreihe durchkämmt und diese bündelt.

Die Regelelektronik sowie die Hydraulikkomponenten sind ge schützt am vorderen Grundrahmen angebracht.

Das Gesamtgerät ist leicht verändert auch für den Zwischen achseinsatz geeignet und kann natürlich auch in bestehende fahrbare Arbeitsmaschinen integriert werden.

Beschreibung der Hydraulik

Um das verfahrbare Teil der Maschine zu bewegen, wird eine Energieform benötigt, die am Traktor vorhanden und leicht zu regeln ist - die Ölhydraulik.

Als Stellorgan wird ein Differentialzylinder verwendet. Benötigt werden, falls noch nicht vorhanden, am Traktor zwei hydraulische Steckverbinder, eine Druckleitung und eine Rückleitung zum Hydrauliktank.

In Fig. 7 ist der Gesamthydraulikplan der Maschine ersichtlich. Von der Hydraulikpumpe 1 am Traktor über die Steckverbindung P steht der Eingangsdruck am Druckregler 2 und an der Druck waage 3 an. Der Druckregler 2 hält den Eingangsdruck auf einen eingestellten Wert konstant.

Die 3-Wege-Druckwaage 3 regelt über den anstehenden Druck den Volumenstrom zum 4-Wege-Proportionalventil 4, welches den Differentialzylinder 5 steuert. Der Ölrücklauf vom Druck regler, von der Druckwaage und vom Proportionalventil läuft über ein Rücklauffilter 6 über die Steckverbindung T zurück zum Hydrauliktank 7.

Die Funktion der Volumenstromregelung wird durch das Propor tionalventil ausgeführt, welches von einer speziellen Regel elektronik angesteuert wird.

Anstelle eines Proportionalventils ist auch ein Servoventil verwendbar, welches schneller und genauer arbeitet.

Beschreibung der Regelektronik

Nur die vorhandene 12 V-Bordspannung des Traktors für die Gesamtregelung zu verwenden, ist ein Ziel der Erfindung. Allerdings ist zusätzlich eine Glättung und Spannungskon stanthaltung erforderlich.

Als Sensoren werden handelsübliche kapazitive Näherungsini tiatoren verwendet, die aus einem RC-Schwingkreis bestehen. Durch Annähern an die aktive Fläche des Sensors ändert sich die Frequenz. Über einen Demodulator und einen nachgeschal teten Komparator wird der Ausgangstransistor aktiviert. Wie in Fig. 8 ersichtlich, wird eine zweikanalige Eingangs führung angewendet. Der linke Abtastarm, bestehend aus den Sensoren 1÷6, ergibt Kanal 1 und der rechte Abtastarm, bestehend aus den Sensoren 7÷12, ergibt Kanal 2.

Das Eingangssignal wird zuerst einer Spannungsglättung und Störsignalunterdrückung 1 zugeführt, um zum einen sehr kurze Schaltspitzen zu unterdrücken und zum anderen einen schnellen Schaltwechsel in eine lineare Spannung umzuwandeln. Danach wird jedem Sensor eine konstante Spannung 2 zugeordnet. Diese für jeden Sensor frei einstellbare Spannung soll bei den inneren Sensoren (E 6, E 7) am niedrigsten, und bei den äußeren Sensoren (E 1, E 12) am höchsten eingestellt werden. Außerdem soll ein lineares Ansteigen der Spannungen von E 6 nach E 1 bzw. von E 7 nach E 12 erfolgen und streng kanal-symme trisch eingestellt werden. Diese Spannungseinstellungen sind ein Maß für die Regelab weichung vom Nullpunkt. Danach werden die Spannungen des linken Abtastarms der Addi tionsstelle 4 und die des rechten Abtastarms der Additions stelle 3 zugeführt. Hier wird die Summe aller belegten Ein gangsspannungen 1 ÷6 für den linken Kanal und den Eingangs spannungen 7÷12 für den rechten Kanal gebildet. Bei nicht belegten Sensoren wird 0 addiert, bei schnell wechselnden Eingangsfunktionen der entsprechende Mittelwert.

Nach der Additionsstelle werden die beiden Ergebnisse einem Subtrahierer 5 zugeführt, der durch die Subtraktion der Spannungsabbilder für den linken und den rechten Kanal bzw. Abtastarm die Abweichung vom Mittelwert bestimmt. Somit ist die Regelabweichung als Spannungsgröße (±U) realisiert. Dieses Signal passiert nach der Rampe 6, die nur stetig ver änderbare Ausgangswerte liefert, den Sprungfunktionsgeber 7, der erst oberhalb eines eingestellten Spannungspegels (um den Nullpunkt der Elektronik) durchschaltet. Dieser Span nungssprung wird anschließend in einem Summierer S dem Grundsignal zuaddiert.

Die Sprungfunktion ist zum einen wichtig, um die Eingangs stromüberdeckung des Proportionalventils zu erzeugen, denn dieses liefert erst ab eines Mindeststromes der Spule einen Ölstrom durch das Ventil, zum anderen wirkt sie bei Regelab weichung 0 als Reglersperre. Das ist in der Praxis wichtig beim Ausheben der Maschine aus dem Bestand sowie bei Pflanz lücken der Führungsreihe. In diesen Fällen bleibt der Stand des Gerätes konstant, bis die Abtasteinheit wieder Pflanzen bestand meldet.

Das Ausgangssignal wird nun dem PID-Regler 9 zugeführt, der über seine eingestellten Parameter Stellbefehle an die Aus gabesteuerung weitergibt. Die zweikanalige Ausgabesteuerung übernimmt das positive Signal in Kanal 1 und das negative Signal über einen Inverter 10 in Kanal 2.

Zusätzlich wird den beiden Spannungen eine Ditherspannung überlagert, die von einem Frequenzgeber erzeugt wird und in Frequenz und Amplitude frei einstellbar ist. Der Ditherstrom ist für ein optimales Arbeiten des Ventilkolbens wichtig, denn dieser soll sich beim Regeln in schwingendem Zustand be finden. Über das gebildete Spannungsignal wird der Konstant stromausgang 12, 13 gesteuert, der direkt den Spulenstrom für die Proportionalventile 17 liefert.

Die Abtasteinheit vorne und die Bearbeitungsgeräte hinten sind um den Abstand "A" versetzt. Der PID-Regler ist so ein zustellen, daß bei einer mittleren Fahrgeschwindigkeit optimal ausgeregelt wird, d.h. die Regelabweichung, gemessen an der Stelle "X" des Ackerbodens, muß beim Passieren der Stelle "X" des Bearbeitungsgerätes bereits korrigiert worden sein. Mit dem Abstand "A" und der Fahrgeschwindigkeit der Maschine sind die Regelparameter berechenbar.

Verbessern läßt sich diese Regelung noch durch eine separate elektronische Rückführung vom beweglichen Teil der Maschine, z.B. über eine Wegmessung am Differentialzylinder oder über eine Volumenstrommessung im Zylinderkreis. Die Stellwerte werden über eine Spannungsanpassung 15, Verstärkung 16 und dem Schalter "S 1" dem PID-Regler rückgeführt. Soll das Regelverhalten unabhängig von der Zuggeschwindigkeit des Traktors sein, ist eine weitere Rückführung über einen mitlaufenden Tachometer vorzusehen. Dieser liefert ein der Geschwindigkeit proportionales Spannungsignal, welches über Glättung 18, Verstärkung 19 und den Schalter "S 2" dem PID- Regler rückgeführt wird. Die Ausführung der elektronischen Schaltung ist mittels Bau teilen der Linearelektronik oder durch einen Kleincomputer, dessen Programm die beschriebene Funktion erfüllt, realisierbar. Anwendungsbeispiel Im ökologischen Landbau sowie in vielen geschützten Gebieten, in denen Pflanzenschutzmittel nicht erlaubt sind, stellt sich im Getreideanbau das Problem der Unkrautbekämpfung. Bisher wurde breitflächig gestriegelt oder im Zwischenachsgeräteträger gehackt. Bei verkrusteten oder schweren Böden gibt es immer Probleme, da der Striegel nicht ins Erdreich eindringen kann. Das Hacken mittels Geräteträger stellt hohe Ansprüche an den Steuermann, besonders in Hanglagen. Die Unkrautbekämpfung kann durch die Erfindung bedeutend er leichtert werden: Besonders Getreidepflanzen sind wegen ihres gleichmäßigen Wuchses genau von der Abtasteinheit zu orten und stellen keine Probleme für das servo-geregelte Hackgerät dar. Beim Säen sollte bereits ein kleiner Raum zwischen den Fahr bahnen gelassen werden, um beim Hacken keine Überschneidungen zu bekommen. Die Hackbreite muß genau mit der Saatbreite übereinstimmen. An dem Montagebalken werden die Hackschare montiert und genau auf dem Feld nach den Pflanzreihen ausgerichtet. Bei einem verbreiterten Getreidereihenabstand von 19 cm kann mit einer 15 cm breiten Gänsefußschar problemlos gehackt werden. Zeichnungen Fig. 1 Bearbeitungs-Grundgerät in 3-Punkt-Aufhängung am Traktor - in Draufsicht,

Fig. 2 Bearbeitungsgerät wie oben - in Seitenansicht,

Fig. 3 gesamte Abtasteinheit montiert - Seitenansicht,

Fig. 4 Abtastarme geöffnet - maximale Breite - Vorderansicht,

Fig. 5 Abtastarme geöffnet - Draufsicht,

Fig. 6 Abtastarme geschlossen - minimale Breite - Draufsicht,

Fig. 7 Hydraulikplan,

Fig. 8 Plan der Regelelektronik.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen:

1 3-Punkt-Maschinenaufhängung
2 Stützräder
3 Laufschiene
4 Laufrollen des Schlittens
5 Montagebalken
6 Abtasteinheit
7 Hydraulikzylinder
8 Hackschar mit Befestigung
9 Höheneinstellung der Abtasteinheit
10 Seitenverstellung der Abtasteinheit
11 Abtastarme
12 Stützarme
13 Sensoren
14 Kamm

Claims

1. Servo-geregeltes Bearbeitungsgerät, gekennzeichnet dadurch, daß ein als Leitlinie dienender Pflanzenbestand mittels kapazitiven Näherungsinitiatoren abgetastet wird und diese Signale über eine Regelelektronik einem Hydraulikzylinder weitergegeben werden, der eine Regelbewegung einleitet.

2. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Gerät an der 3-Punkt-Aufhängung hinter dem Traktor und in Zwischenachsaufhängung am Traktor anbaubar ist.

3. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Regelsystem in andere fahrbare Landmaschinen integriert werden kann.

4. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Hydraulikzylinder einen Montagebalken seitlich verfährt, der mit vielen Bodenbearbeitungsgeräten oder Unkrautbekämpfungsgeräten kombiniert werden kann.

5. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekenn zeichnet, daß an dem Montagebalken auch bewegliche ins Erdreich schneidende Arbeitsgeräte, wie z.B. Fräsen, montierbar sind.

6. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß mit dem geregelten Hydraulikzylinder eine Sä maschine geführt und der Einlauf einer Erntemaschine ge regelt werden kann.

7. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Laufschiene,auf der der Montagebalken über Schlitten verfahren wird, aus einem Stahlrohr mit auf gesetztem breitem Flachstahl und einer U-Führungschiene besteht.

8. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß sich die Abtasteinheit am vom Hydraulikzylinder bewegten Teil der Maschine befindet.

9. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abtasteinheit höhen- und seitenverstell bar ist und daß sie federnd montiert sein muß, um Hinder nissen ausweichen zu können.

10. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekenn zeichnet, daß sich die Höhen- bzw. Seitenverstellung der Abtasteinheit auch mittels Stellmotoren von einem Bedie nungsgerät aus verändern läßt.

11. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abtasteinheit aus zwei Abtastarmen be steht, die um einen Drehpunkt verstellbar sind und mit tels Stützarmen arretiert werden können.

12. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die angereihten kapazitiven Näherungsini tiatoren in den Abtastarmen symmetrisch zur Mittellinie der Abtasteinheit eingebaut sind.

13. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Breite der Abtastarme auf die Pflanz breite abzustimmen ist.

14. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß der Sollwert des Regelsystems, durch die Kon struktion gegeben, sich immer auf der Mittellinie der Abtasteinheit befindet.

15. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekenn zeichnet, daß der Abtasteinheit ein aus Stahlteilen zu sammengesetzter Kamm vorgebaut wird, um die Pflanzen reihe vor der Abtastung auszurichten und zu bündeln.

16. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 13, dadurch gekenn zeichnet, daß jedem Sensor eine einstellbare Spannung zugeordnet wird, die symmetrisch zur Mittellinie der Ab tasteinheit und ansteigend sein muß, mit wachsendem Ab stand von der Mittellinie.

17. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 16, das die Regel abweichung so bestimmt, daß sämtliche Ausgangsspannungen der Sensoren des linken Abtastarmes sowie des rechten Abtastarmes getrennt addiert werden und die beiden Ergeb nisse voneinander subtrahiert werden.

18. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich net, daß die Breite der Pflanzenreihe durch die Subtrak tion bedeutungslos wird und keinen Einfluß auf die Regel abweichung ausübt.

19. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß das Signal der Regelabweichung über eine elek tronische Rampe und einen Sprungfunktionsgeber einem Addierer zugeführt wird, der den PID-Regler ansteuert.

20. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich net, daß das Ausgangssignal des PID-Reglers die Ausgangs- Konstantstromquelle ansteuert, die den Regelstrom für die Hydraulikventile liefert.

21. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich net, daß eine elektronische Reglerrückführung vom Stell weg des Hydraulikzylinders eine Verbesserung der Regel genauigkeit ergibt.

22. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich net, daß eine elektronische Reglerrückführung über den hydraulischen Volumenstrom durch den Differentialzylinder eine Verbesserung der Regelgenauigkeit ergibt.

23. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich net, daß eine elektronische Reglerrückführung der Fahr geschwindigkeit über einen Tachometer das Regelsystem von der Fahrgeschwindigkeit unabhängig macht.

24. Bearbeitungsgerät nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die hydraulische Volumenstromregelung des Differentialzylinders über eine 3-Wege-Druckwaage und über ein 4-Wege-Proportionalventil geregelt wird, wobei der Eingangsdruck des Systems von einem Druckregler konstant gehalten wird.