DESCRIZIONE dell 'invonzione industriale dal titola: "Sistema di controllo automatico per il coordinamento di sollevamento ed inclinazione e suo procedimento di uso"
DESCRIZIONE
CAMPO TECNICO DELL *INVENZIONE ;La presente invenzione si riferisce in generale a veicoli fuoristrada che hanno un attrezzo in grado di muovere terra o oggetti. Più in particolare l'invenzione si riferisce ad un meccanismo e ad un procedimento per coordinare automaticamente funzioni di sollevamento e di inclinazione dell'attrezzo del veicolo in modo che l'altezza dell'attrezzo rimanga costante anche se l'operatore ha variata l'angolo di inclinazione dell'attrezzo. ;;SFDNDO DELL'INVENZIONE ;Veicoli fuoristrada come caricatori su ruote, bulldozer, e caricatori di autocarri, ad esempio, hanno una benna o altra attrezzo per muovere terra a altri oggetti. La descrizione seguente degli svantaggi ed inconvenienti di veicoli noti è fornita nella presente con riferimento ad un bulldozer. Tuttavia questi svantaggi valgono per altri veicoli simili aventi un attrezzo. ;Un operatore di bulldozer ha tipicamente due comandi che variano l'orientamento della lama del bulldozer: un controllo di inclinazione ed un controllo di sollevamento. Il controllo di inclinazione regola l'angolo della lama rispetto al terreno. Il controllo di sollevamento regola l'altezza della lama, in cui l'altezza della lama è una misura della distanza tra lo spigolo di taglio ed il terreno. Questi due comandi non sono del tutto indipendenti. Ad esempio la diminuzione dell'angolo della lama aumenta generalmente l'altezza dello spigolo di taglio. Così, se lo spigolo di taglio appoggia inizialmente sul terreno, la diminuzione dell'angolo della lama solleva lo spigolo di taglio dal terreno. Si può notare che il sollevamento dello spigola di taglio dal terreno durante alcune operazioni potrebbe compromettere la produttività . ;L'operatore del bulldozer può compensare manualmente la variazione dell'altezza della lama utilizzando i comandi di sollevamento, ma è richiesta abilità e diligenza poiché le correzioni manuali richiedono regolazioni fini che sono noiose e difficili da eseguire svolgendo le altre funzioni dell'operatore associate con lo sgombro o livellamento. ;La presente invenzione è diretta al superamento di uno o più di questi svantaggi. ;;SOMMARIO DELL'INVENZIONE ;In un aspetto di una forma di attuazione preferita della presente invenzione, è descritto un dispositivo di controllo utilizzato su un bulldozer. Il sistema di controllo comprende un attuatore di sollevamento ed un attuatore di inclinazione, ed un mezzo di comando per generare un segnale di comando di inclinazione corrispondente ad una posizione desiderata della lama. Un sensore di velocità del motore produce un segnale di velocità del motore che è ricevuto da mezzi di controllo. I mezzi di controllo sono adattati in modo da ricevere anche il segnale di comando di inclinazione, e calcolano una variazione dell'altezza della lama in risposta al segnale di comando di inclinazione, calcolano una variazione di posizione di sollevamento della lama per compensare la variazione di altezza della lama, e generano un segnale di controllo per l'attuatone di sollevamento. Secondo ancora un altro aspetto di una forma di attuazione preferita, è descritto un procedimento per controllare una lama di bulldozer avente un meccanismo di inclinazione ed un meccanismo di sollevamento, in cui il procedimento comprende le seguenti fasi: selezione di una posizione desiderata di angolo della lama; calcolo di una variazione dello spostamento dello spigolo di taglio tra lo spostamento dello spigolo di taglio in una posizione desiderata di angolo della lama ed una posizione precedente di angolo della lama; generazione di un segnale di comando per un meccanismo di sollevamento, in cui il segnale di comando corrisponde alla variazione di spostamento dello spigolo di taglio; e movimento del meccanismo di sollevamento in una misura uguale alla variazione di spostamento dello spigolo di taglio. I precedenti ed altri aspetti della presente invenzione risulte ranno evidenti dalla lettura della descrizione dettagliata dell'invenzione in unione con i disegni annessi e le rivendicazioni. ;;DESCRIZIONE DEI DISEGNI ;La figura 1 rappresenta una vista laterale di un bulldozer provvisto del controllo automatico di coordinamento di sollevamento e di inclinazione secondo la presente domanda. ;La figura H rappresenta una vista laterale della lama di bulldozer. ;La figura 3 rappresenta uno schema a blocchi del circuito di controllo automatico di sollevamento e di inclinazione. ;La figura A rappresenta un diagramma di flusso che mostra generalmente il controllo software della presente invenzione. ;;;DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL'INVENZIONE ;La presente invenzione può essere utilizzata in unione con qualsiasi veicolo fuoristrada avente un attrezzo che movimenta terra o altri oggetti. Ad esempio l'invenzione potrebbe essere utilizzata in unione con un caricatore su ruote, un caricatore su autocarro, un bulldozer o altri veicoli simili aventi un attrezzo. Anche se la descrizione dettagliata seguente di una forma di attuazione preferita descrive l'invenzione con riferimento ad un bulldozer, si riconoscerà che la descrizione si applica anche all'uso dell'invenzione su altri veicoli simili. La presente invenzione non è limitata all'uso su un bulldozer. Al contrario la presente invenzione come definita dalle rivendicazioni comprende altri veicoli fuoristrada simili aventi un attrezzo. ;Con riferimento alla figura 1, è rappresentata una vista laterale di un bulldozer comprendente la presente invenzione. La lama 10 del bulldozer è controllata attraverso il movimento ed il posizionamento dei cilindri di sollevamento 15 e dei cilindri di inclinazione 20. Anche se non è illustrato nella figura 1, il bulldozer comprende preferibilmente due cilindri di sollevamento 15 e due cilindri di inclinazione 20, uno su ogni lato della lama 10 del buildozer. ;L'angolo 25 della lama è una misura dell'angolo tra un piano formato sostanzialmente dalla porzione inferiore 30 della lama 20 del bulldozer ed un piano formato sostanzialmente dal terreno 35. L'operatore pub regolare la posizione dei cilindri di inclinazione 20 variando l'angolo 25 della lama. Analogamente l'operatore pub regolare la posizione dei cilindri di sollevamento 15 che possono essere fatti muovere per regolare l'altezza 27 dello spigolo di taglio, misurata come distanza tra lo spigolo di taglio 26 e il terreno 35. ;Tipicamente un bulldozer è azionato in sequenza in tre modi differenti. Questi modi comprendono un modo di carico, un modo di spargimento ed un modo di trasporto- Durante il modo di carico l'operatore taglia o raschia il terreno con lo spigolo di taglio per allentare il terreno- Durante il modo di trasporto il terreno allentato è spinto o trasportato in una seconda posizione, e durante il modo di spargimento il terreno è scaricato o sparso nella seconda posizione. Ognuno di questi tre modi di funzionamento ha un angolo ottimale differente 15 della lama. ;La figura 2 illustra la relazione generale tra gli angoli ottimali tipici della lama per il modo di trasporto 40, il modo di carico 45 ed il modo di spargimento 50. L'angolo ottimale 25 della lama per .il modo di trasporto 40 è il più piccolo, mentre l'angolo ottimale per il modo di spargimento 50 è il più grande. L'angolo ottimale dalla lama per il modo di carico 45 è intermedio tra questi due angoli. ;Tipicamente l'operatore del bulldozer passerà in sequenza attraverso ognuno di questi modi in diodo relativamente rapido. Così l’operatore eseguirà il caricamento per un breve periodo di tempo fino a quando una quantità sufficiente di terreno non έ stata raschiata dall'area di lavoro. Quindi l'operatore trasporterà il terreno in una seconda area spargendo il terreno. L'operatore ritornerà quindi all'area di caricamento ripetendo tutta la sequenza. ;Per operare in modo più effiriente, l'operatore· devo variare l'angolo della lama portandolo all'angolo ottimale della lama per ogni modo di funzionamento specifico. Tuttavia, come precedentemente indicato, la variazione dell'angolo della lama modifica anche l'altezza della lama e può fare in modo che lo spigolo di taglio si stacchi dal terreno. L'operatore deve perciò tentare simultaneamente di manovrare il controllo di sollevamento per mantenere costante l'altezza 27 dello spigolo di taglio. Tuttavia, poiché le richieste che l'operatore deve soddisfare sono notevoli passando in sequenza attraverso i modi , l'operatore non può generalmente mantenere la lama ad una altezza costante. Tuttavia ciò può notevolmente danneggiare la produttività. Ad esempio, quando l'operatore diminuisce l'angolo della lama nel movimento dal modo di carico al modo di trasporto, lo spigolo di taglio si solleva dal terrena. Se l'operatore non regola i cilindri di sollevamento 15, il carico può cadere dalla lama 10 senza essere trasportato alla seconda posizione. ;La figura 3 mostra uno schema a blocchi dei componenti del sistema di controllo automatico di coordinamento di sollevamento e di inclinazione secondo una forma di attuazione preferita. L'operatore controlla la lama utilizzando la leva di controllo 60. Sulla sommità della leva vi è un interruttore 6b a tre posizioni azionabile col pollice che permette che l'operatore selezioni uno dei tre modi di funzionamento: carico, trasporto o spargimento. Per aumentare l'angolo 25 della lama l'operatore sposta verso destra la leva 60. Per diminuire l'angolo 25 della lama l'operatore sposta verso sinistra la leva 60. Quando non si esercita nessuna forza sulla leva 60, essa rimane in una posizione intermedia tra arresti di sinistra e di destra. ;Sono previsti sensori nella base 61 della leva per produrre segnali sinistro e destro 63, 64 che sono funzione della posizione della leva 60. I segnali sinistro e destro 63, 64 sono applicati al controllo elettronico 68, Il controllo elettronico 68 calcola segnali di comando di solenoide 66, 67 per fare in moda che la valvola pilota proporzionale 70 trasmetta un flusso di fluido idraulico dall'alimentazione pilota 71 alla valvola di azionamento di inclinazione 75. La valvola pilota proporzionale 70 controlla cosi la posizione della valvola di azionamento di inclinazione 75 che controlla la quantità e la direzione di fluido ad alta pressione che scorre verso i cilindri di inclinazione 20. In questo modo, manovrando la leva di controllo 60, l'operatore può controllare il flusso di fluido verso i cilindri di inclinazione 20, e pub regolare l'angolo 25 della lama . ;Come si pub notare, conoscendo la relazione geometrica dei componenti del bulldozer e la posizione dei cilindri di inclinazione 20 e dei cilindri di sollevamento 15, il controllo elettronico 68 pub calcolare l'angolo 25 della lama- Vi sono diversi dispositivi noti sensori di posizione lineare che misurano una posizione assoluta e possono essere utilizzati in unione con i cilindri. Ad esempio sensori RF (radiofrequenza) o sensori LVDT (trasformatore differenziale variabile lineare) sono entrambi sensori di posizione ben noti. Tuttavia questi dispositivi sono costosi ed aumentano notevolmente il costo del controllo. Invece, in una forma di attuazione preferita della presente invenzione, una posizione relativa é calcolata in funzione della quantità di fluido idraulico che entra in un cilindro, che è funzione della portata di fluido idraulico e del tempo per cui il fluido entra nel cilindro. In una forma di attuazione preferita, il controllo elettronico calcola la posizione dei cilindri di inclinazione secondo l'equazione 1: Equazione 1 ;;;;;;in cui ;;;;;Poiché l'equazione 1 calcola una posizione relativa, come indicato nell'equazione, è necessario stabilire dapprima una posizione iniziale nota. ;Il controllo elettronico 6B calcola la posizione dei cilindri di inclinazione 20 "azzerando" inizialmente i cilindri di inclinazione. Ossia il controllo elettronico 68 fa in modo che i cilindri di inclinazione 20 si muovano in una posizione nota, quindi memorizza il valore corrispondente a questa posizione nota nella memoria 69. La procedura di azzeramento é preferibilmente eseguita dal controllo elettronico 68 che genera segnali di azionamento di solenoide 66, 67 che fanno in modo che la valvola di azionamento di inclinazione 75 provochi il ritiro dei cilindri di inclinazione 20. I segnali di azionamento 66 , 67 sono applicati per un intervallo di tempo sufficiente per assicurare che i cilindri di inclinazione 20 si ritirino contro un arresto meccanico (non illustrato nella figure). Il controllo elettronico 68 memorizza un valore di posizione nella memoria 69 corrispondente al ritiro completo dei cilindri di inclinazione 20 contro i loro arresti. Quindi, come indicato nell'equazione 1, la posizione dei cilindri d.i inclinazione 20 pub essere determinata calcolando un movimento relativo del cilindro rispetto a questa posizione nota. Il controllo elettronico 68 calcola una nuova posizione relativa alla posizione nota misurando la portata del fluido idraulico e l'intervallo di tempo per cui il fluido può entrare o uscire dal cilindro a quella portata. ;La portata del fluido può essere calcolata disponendo un flussometro 8 sui condotti verso i cilindri di inclinazione 20. Tuttavia nella presente invenzione il flussometro è stato eliminato, e la portata è invece approssimata in funzione della velocità del motore. Gli esperimenti hanno mostrato che la portata può essere approssimata con precisione in funzione della velocità del motore purché vi sia un'unica richiesta per il sistema idraulico. Cosi, in una forma di attuazione preferita, il controllo elettronico 68 della presente invenzione calcola la portata dal segnale di velocità del motore 76 del sensore di velocità del motore 77. Il controllo elettronico può determinare con precisione il “tempo di attivazione" del cilindro di inclinazione dalla durata dei segnali di azionamento di solenoide 66, 67 diretti verso la valvola pilota proporzionale. Dal "tempo di attivazione" e dal segnale di velocità del motore 76, l'unità elettronica di controllo può quindi calcolare la posizione dei cilindri di inclinazione 20. ;Poiché la posizione dei cilindri di inclinazione è calcolata integrando una portata, nel tempo si può sviluppare un forte errore di integrazione. Così è necessario "azzerare" periodicamente i cilindri di inclinazione riportandoli in una posizione nota ed impostando un valore memorizzato nel controllo elettronico a questo valore noto. Come precedentemente indicato, in una forma di attuazione preferita i cilindri di inclinazione HO sono azzerati ritirandoli completamente contro arresti meccanici ed impostando il valore di posizione di inclinazione nella memoria 69.a zero. ;In una forma di attuazione preferita, il controllo elettronico 68 calcola anche una posizione relativa dei cilindri di sollevamento 15 in un modo simile come descritto con riferimento ai cilindri di inclinazione. Conoscendo la posizione sia dei cilindri di sollevamento 15 sia dei cilindri di inclinazione 20, .il controllo elettronico può calcolare l'altezza 27 dello spigolo di taglio. Quindi, quando l'operatore comanda una variazione dell'angolo 25 della lama, il controllo elettronico 23 può calcolare la regolazione ;necessaria dei cilindri di sollevamento 15 per mantenere l'altezza 27 dello spigola di taglio uguale a quella prima della variazione dell'angolo della lama. ;La figura 4 mostra un diagramma di flusso della realizzazione software della strategia di controllo del controllo automatico di coordinamento di sollevamento e di inclinazione secondo la presente domanda. II. diagramma di flusso mostra un insieme completo ed esauriente di istruzioni per creare il software necessario per l'uso con qualsiasi micropròcessore adatto. La scrittura delle istruzioni software dal diagramma di flusso sarà una fase meccanica per un tecnico del ramo della scrittura di tale software. ;L'operatore avvia dapprima il motore del bulldozer ed inserisce la caratteristica di coordi namento automatica di sollevamento e di inclinazione premendo l'interruttore di inclinazione automatica 80 indicato nello schema a blocchi della figura 3. Il controllo elettronico 68 non ha inizialmente un valore di posizione memorizzato nella memoria 69 per la posizione dei cilindri di inclinazione 20. E' perciò necessario “azzerare" la lama spostandola in una posizione nota. Come precedentemente descritto, il dispositivo di controllo esegue questa operazione ritirando dapprima completamente i cilindri di inclinazione 20 per un intervallo di tempo sufficiente per assicurare che i cilindri di inclinazione siano ritirati contro gli arresti meccanici memorizzando un valore nella memoria 69 che corrisponde alla posizione di ritiro completo. ;Successivamente, quando l'operatore inserisce la caratteristica di coordinamento automatico d.i sollevamento e di inclinazione premendo l'interruttore di inclinazione automatica 80, il sistema di controllo procede attraversa la strategia di controllo illustrata nella figura 4 regolando automaticamente l'altezza della lama. Ognuna delle variabili illustrate nella figura 4 è elencata e descritta nella Tabella 1 seguente. ;;;;Con riferimento alla figura 4, è rappresentato un diagramma di flusso del controllo software realizzato nel controllo elettronico 68 secondo una forma di attuazione preferita. All'inserimento della caratteristica di coordinamento automatico di sollevamento e di inclinazione mediante pressione dell'interruttore di inclinazione automatica 80, il controllo elettronico 60 inizia il controllo software nel blocco 100. Il controllo passa quindi al blocco 103 in cui il controllo elettronico determina se i cilindri di inclinazione sono stati azzerati (inclinazione azzerata) e la posizione inclinazione al momento memorizzata nella memoria 69 del controllo elettronico 68 è maggiore di zero. E' necessario assicurare che la posizione memorizzata sia maggiore di zero poiché, come precedentemente indicato, errori di integrazione nel calcolo di posizione dell'equazione 1 possono fare in modo che le posizioni relative calcolate dei cilindri di inclinazione abbiano un valore negativo. Se i cilindri di inclinazione 20 non sono stati azzerati allora l'indicatore inclinazione azzerata non sarà impostato e il controllo passa al blocco 115. Analogamente se errori hanno fatto in modo che il valore memorizzato di posizione inclinazione sia negativo, allora il controllo passa al blocco 115. Nel blocco 115, la ultima posizione inclinazione è impostata alla posizione inclinazione corrente, la posizione sollevamento desiderata è impostata alla posizione sollevamento corrente, e lo spostamento dello spigolo di taglio è azzerato. Se l'indicatore inclinazione azzerata è impostato e la posizione inclinazione è maggiore di zero, il controllo passa dal blocco 105 al blocco 110. ;;Nel blocco 110, il controllo elettronico 68 calcola l'angolo inclinazione corrente 25. Come indicato, l'angolo inclinazione 25 è funzione dell'angolo inclinazione nominale (l'angolo di inclinazione quando i cilindri di inclinazione 20 sono completamente ritirati), della posizione inclinazione corrente 31, e della altezza inclinazione 21. L'equazione specifica indicata nel blocco 110 è funzione della relazione geometrica specifica tra la funzione di inclinazione, le funzioni di sollevamento ed altri componenti di un BULLDOZER CATERPILLAR MODELLO N. D10N. L'equazione indicata nel blocco 110 pub essere facilmente modificata da un tecnico del ramo per adattarla alla relazione geometrica specifica tra le funzioni di inclinazione e di sallevamento di un bulldozer specifico. Il controllo passa quindi al blocco 120 in cui il controllo elettronico 68 calcola lo spostamento spigolo taglio corrente 31, che è funzione della lunghezza spigolo taglio 55, dell'angolo inclinazione corrente 25 e dell'angolo inclinazione nominale. ;Da uno dei blocchi 115 o 120, il controllo passa al blocco 125, in cui il controllo elettronico determina se deve asserare la posizione sollevamento desiderata, e in casa affermativo imposta l'indicatore di azzeramento posizione sollevamento desiderata. Come indicato nel blocco 125, l'indicatore di asseramento pasisione sollevamento desiderata è azzerato quando l'operatore ha eseguito una correzione dell'angolo inclinazione o la posisione inclinazione non è variata o l'operatore ha selezionato il modo di carico sull 'interruttore azionabile con il pollice 65. La posizione sollevamento desiderata è la posizione a cui i cilindri di sollevamento 15 devono trovarsi per mantenere un certo spostamento spigolo taglio 27 data una variazione dell'angolo inclinazione 25. ;;Se l'operatore sta eseguendo una correzione manuale dei cilindri di sollevamento per variare l'angolo inclinazione 25 della lama, o non vi è stata nessuna variazione dell'angolo inclinazione (misurata da una variazione della posizione inclinazione corrente in funzione della ultima posizione inclinazione), o il bulldozer funziona nel modo di carico, allora la posizione_sollevamento_desiderata deve essere reimpostata ad una nuova pòsizione_sollevamento_desiderata. Così il controlla elettronico 68 attiva l'indicatore di reimpostazione_posizione_sollevamento_desiderata. In questo caso il controllo passa dal blocco 130 al blocco 140. Nel blocco 140, la posizione_sollevamento_desiderata e la posizione_sallevamento_iniziale sono entrambe impostate alla posizione_sollevamento corrente e lo spostamento_spigalo_desiderato è impostato allo spostarnento_spigolo_taglio. Poiché la posizione_sollevamento _desiderata è stata impostata alla posizione_sollevamento corrente, il controllo elettronico 68 non genera un segnale di azionamento di solenoide 66, 67 per azionare i cilindri di sollevamento 15. ;Se, d'altra parte, la reimpostazione_pasizione__sollevamento_desiderata non é stata attivata, allora è richiesta una regolazione automatica mediante i cilindri di sollevamento 15 per mantenere lo spostamento_spigolo_taglio ad una altezza costante ed il controllo passa dal blocco 130 al blocco 135. Nel blocco 135, il controllo elettronico 68 calcola una nuova posizione_sollevamento_desiderata in funzione della posizione_sollevamento_iniziale, dello spastamento_spigolo__taglio 27, e della spostamento_spigolo_desiderato come indicato dall'equazione nel blocco 135. ;Con riferimento alla figura 4b, nel blocco decisionale 145 il controllo elettronico 68 rileva i segnali anteriore e posteriore 63, 64 determinando se l'operatore sta eseguendo una regolazione dei cilindri di sollevamento 15 della lama 10. Se l'operatore sta eseguendo una regolazione allora nel blocco 150 il controllo elettronico 68 impasta l'indicatore rnantenimento_sollevamento. Il controllo passa quindi al blocco 155 in cui il controllo elettronico 68 impedisce una regolazione automatica dei cilindri d.i sallevamento 15 se non dopo che l'operatore ha terminato l'esecuzione della correzione di sollevamento mantenendo l'uscita di valvola da questa funzione uguale a zero. Cosi non si genera un comando di sollevamento automatico da parte del controllo elettronico 68. ;Se l'operatore non sta eseguendo una correzione dei cilindri di sollevamento 15, allora il controllo passa al blocco 160. Se la posizione sollevamento rientra entro sei millimetri dalla posizione sollevamento_desiderata, allora il controllo passa al blocco 155 in cui il controllo elettronico 68 imposta i segnali di azionamento di solenoide 66, 67 per la valvola pilota proporzionale 70 a zero, arrestando così un ulteriore movimento dei cilindri di sollevamento 15. Benché nella presente Forma di attuazione dell'invenzione la tolleranza sia fissata a sei millimetri, si pud notare che un'altra tolleranza potrebbe essere facilmente realizzata senza allontanarsi dallo spirito della presente invenzione. Nel blocco 160, se la posizione_sollevamento si scosta per più di sei millimetri dalla posizione_sollevamento_desiderata, allora il controllo passa al blocco 165 in cui il controllo elettronico 68 calcola i segnali di azionamento di solenoide 66, 67 necessari per fare in modo che i cilindri di sollevamento 15 si muovano nella pòsizione_sollevamento_desiderata, ed applica i segnali di azionamento di solenoide calcolati 66, 67* alla valvola pilota proporzionale 70 che fa in moda che i cilindri di sollevamento si muovano entro sei millimetri dalla pòsizione_sollevamento_desiderata. Nel blocco 175, il sistema di controllo di correlazione automatica di sallevamento e di inclinazione ritorna «quindi al blocco 100 per iniziare un'altra sequenza di controllo.
APPLICABILITA' INDUSTRIALE
Si può notare che, utilizzando la presente invenzione su un bulldozer, l'operatore può mantenere una altezza costante della lama senza dover regolare manualmente i cilindri di sollevamento. Poiché .l'operatore esegue in sequenza vari modi di funzionamento differenti, ognuno avente un angolo ottimale differente, l'operatore deve regolare in modo ripetitivo i cilindri di sallevamento per mantenere una altezza costante della lama. La presente invenzione aumenta la produtt ivit-à e rende meno faticoso il lavoro dell'operatore mantenendo automaticamente un'altezza costante della lama in tutta la sequenza di modi di funzionamento, a meno che l'operatore regali manualmente l'altezza di sollevamento.