CZ2010292A3 - Zpusob aktivní manipulace s bremenem, zarízení k jeho provádení a príslušný program - Google Patents

Abstract

Zjištuje se skutecný pohyb a zrychlení bremene (3) nebo háku (3.1), které se prostrednictvím softwarového modulu predikce následného pohybu bremene (3) nebo háku (3.1) ci jiné zmeny jeho polohy využívá jako zpetná vazba do rídícího automatu (8) pro rízení alespon jednoho motoru (11k, 11m, 11z) jerábu (1) a/nebo jeho kocky (2). Zarízení obsahuje snímac (6), který je usporádaný na pevném konci (4.1) lana (4) nebo na háku (3.1) a který je pres propojení (7) spojen s rídícím automatem (8), který je upraven pro rízení príslušného pojezdového motoru (11k, 11m, 11z) pres príslušný frekvencní menic (10k, 10m, 10z).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu aktivní manipulace s břemenem, případně jiným předmětem, zejména pomocí jeřábů, s výhodou mostových jeřábů. Dále se vynález týká zařízení k provádění tohoto způsobu a příslušného počítačového programu.

Dosavadní stav techniky

Většina současných mostových jeřábů má tři pohonné soustavy, a to pohon mostu, jeřábové kočky a pohon zdvihu, a je řízena tak, že obsluha jeřábu přímo prostřednictvím různých tlačítek rychlosti břemene, nebo pák nastavuje pojezdu. Tím pochopitelně přičemž velikost kývání je hodnotu dochází úměrná požadované ke kýváni zkušenosti

Obecně kývání břemene obsluhy.

samozřejmě i bezpečnost.

snižuje efektivitu práce a

Bylo vyvinuto mnoho způsobů, jak eliminovat nekontrolovaný pohyb břemene. Z konstrukčního hlediska a podle použitého řídícího systému se stávající řešení obecně rozdělují na následující skupiny:

1. mechanické tlumení - princip spočívá v uchycení břemene na více lánech (zavěšení do „V, případně prostorové zavěšení ve tvaru obrácené pyramidy). Toto řešení

NZ090C0 (NZ09000t*)·

-2• · * · · · • « stabilizuje kýváni velmi dobře a rychle, ale je použitelné pouze u jeřábů malých zdvihů. Velikou nevýhodou je přenos setrvačných sil do konstrukce jeřábu a s tím související zvýšené požadavky na pevnost a odolnost systému, které negativně ovlivňují jeho hmotnost a cenu.

2. aktivní tlumení bez zpětné vazby - nejedná se o regulaci. Výchylka břemene je závislá na parametrech pohybu jeřábové kočky (zrychlení). Definujeme-li její časový průběh pomocí určitých funkcí a tyto pak dosadíme do diferenciálních rovnic popisujících dynamický model soustavy, obdržíme průběh řídících veličin. Jestliže není teoreticky soustava výrazně ovlivňována poruchovými veličinami, je toto řešení velice dobře použitelné a jeho aplikace v praxi jednoduchá a levná. Ovšem v praxi je soustava vždy výrazně ovlivňována chybovými veličinami, jako je šikmý tah při zvedání břemene, či např. vítr.

3. aktivní tlumení se zpětnou vazbou - jednalo by se o nejefektivnější způsob regulace, kdy snímáme aktuální výchylku břemene včetně rychlosti a zrychlení. Pokusy na tomto principu byly prováděny již v minulém století, ovšem bez plně uspokojivého výsledku.

Až dosud tedy byla obdobná zařízení vybavena elektronikou, která zahrnovala pouze výpočetní model, jak se pravděpodobně břemeno bude chovat při manipulaci mostovým jeřábem. Tj. bez možnosti ověření, jak se soustava chová ve skutečnosti. Systém tedy nemá zpětnou vazbu. Případně se používá pouze mechanická, pasivní stabilizace jako ochrana proti kývání břemene. Systém pro vyloučeni šikmého tahu při zvedání břemene není dosud známý.

-39 9 999 9

Např. CS253147 a 273 436 představuji mechanické řešeni kýváni břemene u manipulátoru.

Jeřáby s nůžkovou stabilizaci (tzv. „pantograf) zcela zamezuji odklonu břemene od horizontální roviny. Díky nůžkovému mechanismu je zajištěna stabilizace v jedné pohybové ose jeřábu. Ve druhé ose se břemeno stabilizuje vlastní hmotností, ovšem nedostatečně, což je dáno pružností vodícího mechanizmu nůžek. Tento systém slouží zejména ke stabilizaci lehčích břemen. Dále se používají vždy v kombinaci s určitým manipulátorem upevněným na spodní straně nůžek, často s vakuovým manipulátorem. Používají se pro mezioperační manipulace ve výrobních provozech, vkládání výrobků do obráběcích center, nakládku na další manipulační prostředky, v expedicích, atd. Obdobou je stabilizace břemene proti kývání pomocí speciálních závěsů, např. teleskopicky, což je opět použitelné pouze pro lehčí břemena, protože mechanická pružnost tubusu zdvihu více neumožňuj e.

U jiného známého zařízení pro potlačení kývání břemene se řídící odměřování systém skládá z řídícího počítače a čidla pro délky závěsného lana. K odměřování délky závěsného lana je použito indukční čidlo, které lze namontovat na kladkostroj jeřábu. Řídící počítač snímá signály od požadavku obsluhy na pojezdy kočky, portálu jeřábu a délky závěsného lana. Na základě těchto informací generuje takovou rozjezdovou a dojezdovou rampu, při které nedochází k rozkývání břemene. Tento signál je vstupním signálem pro frekvenční měniče příslušných pohonů. Ovšem i zde je v praxi soustava vždy ovlivňována chybovými veličinami, jako je šikmý tah při zvedání břemene, či např.

vítr.

N7fíOOW) (N709rWH)

Dále je z diplomové práce o názvu Bezsenzorové řízení mostového jeřábu ve dvou osách autora Radovan Jíra, z roku 2006 známé řešeni mj . problému kývání břemen u jeřábů pomocí odvození rovnic, které popisující dynamické chování zjednodušeného modelu jeřábu. Jejich vhodnou parametrizací se usiluje o dosažení nulové výchylky břemene v požadovaných fázích pohybu, zejména při rozjezdu a zastaveni. Dále je zde provedena optimalizace parametrů vystupujících v popisu soustavy a její výsledky aproximovány neuronovou sítí. Celý algoritmus bezsenzorického tlumení je poté implementován na laboratorní model pomocí pohonů realizovaných krokovými motory.

Ve všech výše uvedených případech jde o pouhý předpoklad, jak by se soustava měla chovat, nikoliv jak se chová ve skutečnosti, v závislosti na reálných podmínkách, tj. setrvačnosti, průhybu mostu, tření, šikmém tahu, který způsobí rozkývání břemene atd.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je odstranit nevýhody stávajícího stavu techniky, zejména dosáhnout manipulace co nejvíce bez kývání břemen a co možná zamezit vyvolání šikmého tahu břemene.

Tento úkol je řešen způsobem aktivní manipulace s břemenem, případně jiným předmětem, zejména pomocí jeřábů, s výhodou mostových, kde se zjišťuje skutečný pohyb a zrychlení břemene nebo háku, které se prostřednictvím softwarového modulu predikce následného pohybu břemene nebo háku či jiné změny jeho polohy využívá jako zpětná vazba do +ÍZU90M (ΝΖ09θ6θβ)

-5• « « řídicího automatu pro řízení alespoň jednoho motoru jeřábu a/nebo jeho kočky.

Výhodné provedení spočívá v tom, že se zjišťování skutečného pohybu a/nebo polohy a/nebo zrychlení břemene nebo háku provádí gravitačním dvouosým akcelerometrem, a to v obou horizontálních osách pohybu břemene.

Další výhodné provedení spočívá podle vynálezu v tom, že způsob dále obsahuje následující kroky:

zjišťování zatížení jeřábu svislé polohy ve dotaz, zda a odchylky lana od potom směru kočky je zatíženi pokud ne, čekání na ano, dotaz, a mostu, větší než 0, zvednutí, zda j e pokud odchylky větší než 0, pokud ne, povolení pohybu způsobu, pokud ano, zákaz pohybu nahoru potom návrat ke kroku zjišťováni zatížení absolutní nahoru a hodnota ukončení jeřábu.

Další výhodné provedení spočívá podle vynálezu v tom, že způsob obsahuje následující kroky:

- zjišťování odchylky a rychlosti kývání břemene, potom dotaz, zda je břemeno uklidněno, pokud ano, ukončení, ne, provádění výpočtu predikce pohybu pokud i břemena, potom výpočet pohybu jeřábu (1), následně provedení změny pohybu jeřábu (1) a návrat k prvnímu kroku.

Výše uvedený úkol je řešen i zařízením k provádění výše

HZ09000 (NZ0000&4

uvedeného způsobu, které obsahuje snímač, který je uspořádaný na pevném konci lana nebo na háku a který je přes propojeni spojen s řídícím automatem, který je upraven pro řízení příslušného pojezdového motoru přes příslušný frekvenční měnič.

Výhodné provedení zařízení spočívá podle vynálezu v tom, že obsahuje snímač, který je upravený pro zjišťování zatížení jeřábu a odchylky lana od svislé polohy ve směru kočky a mostu a/nebo odchylky a rychlosti kývání břemene.

Další výhodné provedení zařízení spočívá podle vynálezu v tom, že řídící automat je pro řízení příslušného pojezdového motoru vybaven programovým nosičem, uspořádaným ke vložení odpovídajícího počítačového programu, a procesorovou jednotkou pro zpracovávání zjištěných údajů a k vydávání příslušných příkazů alespoň jednomu pojezdovému motoru podle tohoto programu.

Výše uvedený úkol je řešen i počítačovým programem pro řízení zařízení pro manipulaci s břemenem, obsahující kroky výše uvedeného způsobu.

Jinými slovy podstata vynálezu spočívá ve využití snímacího členu, instalovaného na jeřábu, který zprostředkuje skutečnou zpětnou vazbu pro řídící systém jeřábu. Tato zpětná vazba poskytuje řídícímu systému jeřábu informace o skutečném pohybu, poloze a zrychlení břemene. Nezbytnou součástí je softwarový modul predikce následného pohybu břemene. Na základě těchto informací pak řídící systém jeřábu eliminuje pomocí pohybu kočky a mostu jeřábu kývání či šikmý tah břemene na minimum.

- NZ00060 (NZOOOSOa) i i. I| <

Snímací zpětnovazební člen využívá optického a/nebo elektromagnetického principu, včetně využití principu akcelerometru.

Řešení tedy spočívá v aktivní stabilizaci kývání břemen elektronickou cestou, s využitím zpětné vazby o skutečném chování břemene, zejména jeho pohybu.

Výhodně tedy tento systém, jako dosud jediný, umožňuje potlačení efektu „šikmého tahu břemene, při kterém dochází k nebezpečnému rozkyvu břemene. Ten je velmi častou příčinou nechtěného „kývání břemene, příp. jeho rotace.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže vysvětlen prostřednictvím konkrétních příkladů provedení znázorněných na výkresech, na kterých představuje obr. 1 obr. 2 obr. 3 obr. 4 obr. 5 schématické znázornění umístění snímače na pevném konci lana mostového jeřábu, schématické znázornění umístění snímače na háku mostového jeřábu, algoritmus pro eliminaci šikmého tahu, algoritmus pro uklidnění kývání břemene, se zpětnou vazbou, vč. predikce, a blokové schéma systému.

Na obr. č. 1 je snímač 6 uspořádán na pevném konci 4.1

-8lana 4. V průběhu manipulace s břemenem 3 snímá výkyv lana 4, resp. jeho pevného konce 4,1. Lano 4, včetně jeho pevného konce 4.1, se kýve současně s hákem 3.1, resp. s na něm upevněným břemenem 3. Systém pak prostřednictvím elektroniky vyrovnává aktuální a budoucí výkyv břemene 3 odpovídajícím protipohybem.

V této první variantě je měření kývání břemene 3 založené na principu současného měření statické složky zrychlení (tj . gravitace) a současně dynamické složky zrychlení vyvolané pohybem břemene 3, a to v obou horizontálních osách x, y. V závislosti na konkrétních provozních podmínkách se může použít způsob měření optický, indukční, magnetický, příp. elektromagnetický.

Ve druhé variantě dle obr. 2 je snímání pohybu břemene 3, resp. háku 3.1 v obou horizontálních osách X, Y absolutní, tzn. vůči zemi. Snímač 6, umožňující zpětnou vazbu, je umístěn na háku 3.1 jeřábu 1. Zde jsou používány akcelerometry, tj. snímače 6 zrychlení, a to jak gravitačního, tak i vlastního háku 3.1, resp. břemene 3. Obě složky zrychlení jsou pak vyhodnocovány.

Při eliminaci šikmého tahu se vychází z následujících veličin (viz obr. 4) :

zatížení jeřábu

Χπι odchylka lana od svislé polohy ve směru kočky a mostu v_k,

V_n rychlost kočky a mostu

Zařízení pro eliminaci šikmého tahu začíná pracovat pokud dojde k zvedání břemene 3. Pokud je zatížení

Z, tzn.

hmotnost břemene 3, resp. zatížení na háku

3.1, nenulové a « 0

-9existuje šikmý tah, tzn. že plati vztah (abs(x_k)>0 nebo abs(x_m)>0) (1) , zablokuje se pohyb nahoru a pohybem kočky 2 a/nebo mostu se šikmý tah vyrovná. Teprve po vyrovnáni je povolen pohyb vzhůru a je možno břemeno 3 zvednout.

Velice výhodně je zařízeni také možno použít k ruční manipulaci s břemenem 3. Pokud totiž manuálně zatlačíme na visící břemeno 3, kočka 2, resp. most jeřábu 1^ výchylku ve smyslu výše uvedeného sleduje a svým pohybem následuje břemeno 3.

Co se týká vlastního postupu, resp. algoritmu (viz obr. 4) pro uklidnění kývání břemene 3, se zpětnou vazbou, vč. predikce, je možno příkladně uvést následující. V prvním přiblížení lze považovat břemeno 3 visící na jeřábu 1 za matematické kyvadlo, jehož pohyb se řídí vztahem:

x = Xo cos(2n/T *t) (2) ,

kde je
X	odchylka břemene 3 od svislé osy
xo	maximální odchylka břemene 3 od	svislé osy
T	perioda kyvu T = 2π — vg
1	délka lana 4
g	gravitační zrychlení
t	čas
	Zde je třeba poznamenat, že	pohyb v obou osách je

popsán stejnými rovnicemi a postup výpočtu je stejný.

NZOOOCO (NZOOOeOa)

-10Při pohybu dochází neustálo k přeměně kinetické energie na potenciální energii a zpět, takže celkový součet je pokud zanedbáme třeni stálý. K uklidnění kývání je nutno tuto energii odebrat. Lze to provést vhodným pohybem horního závěsu kyvadla, nebo-li pohybem kočky 2 a/nebo mostu jeřábu 1.

Pro kinetickou a potenciální energii platí:

(3) o m o

E_P = 2ir — (x_b - x_k)

T (4)

Pro změnu celkové energie v čase platí:

dE dv_{v ?} m —- = m(v + v_k) (A + —-) + 4π² — (x_b - x_k) (v - v_k) dt dt T (5) kde je

Ek/ E_p, E_c kinetická, potenciální a celková energie

hmotnost břemene 3

V	rychlost pohybu břemene 3 vzhledem	ke	kočce 2
Vk	rychlost pohybu kočky 2
Vb	rychlost pohybu břemene 3 vzhledem	k	zemi
X	poloha břemene 3 vzhledem ke kočce	2	(odchylka
	od svislé osy)
Xk	poloha kočky 2_
Xb	poloha břemene 3 vzhledem k zemi
A	zrychlení břemene 3 vzhledem ke kočce	2

Pokud nastavíme rychlost kočky 2 a její změnu (v_k,

-NZ00060-fNZ090gOÍJ)

-11 dv_k/dt) tak, aby energie klesala (dE_c/dt<0) dojde k uklidnění kýváni.

S ohledem na reálné vlastnosti zařízení je nutno počítat s omezeními: Rychlost jeřábu 1 je omezená vztahem (abs (v_k) š ^max) ( θ ) a rozjezdové a zastavovaci rampy jsou konečné ve smyslu vztahu (abs (dvk/dt) áv_max/R) (7), kde je

Vmax maximální rychlost jeřábu 1. a

R rampa.

Vzestupná rampa je přitom doba, za kterou se jeřáb rozjede z nuly na plnou rychlost, sestupná je pak doba, za kterou z plné rychlosti zastaví. Vztah k zrychleni je: a[m/s2] = Max. rychlost[m/s]/Rampa[s] (8)

Protože měření veličin kyvu, výpočet regulačního zásahu i vlastní regulační zásah trvá jistou dobu, je doba reakce často nezanedbatelná vzhledem k době kyvu a proto by regulační zásah mohl proběhnout v jiné fázi kyvu, než pro který byl vypočítán, a v extrémním případě by mohl naopak kývání zesilovat. Proto je nutné eliminovat dopravní zpoždění při regulaci. Při predikci budoucích hodnot je vycházeno z naměřených a vypočtených parametrů pohybu:

-ΜΖ09060 (NZ09000H)---12x + vAt + aAt ν' = v + a At (9) (10) a z rovnice periodického pohybu kyvadla:

xo	2 V‘T = . x2 + --- V 2π	(11)
tg	(2n/T*t)= -vT/x2n	(12)
X '	= x0 cos(2n/T * (t+At))	(13)
v1	= -x0 2n/T sin(2n/T *(t+At))	(14)

V obecném schématu zapojení systému aktivní stabilizace (viz obr. 5) nejsou z důvodů jednoduchosti a přehlednosti zakresleny bezpečnostní prvky, např. koncové spínače. Z tohoto zjednodušeného blokového schématu systému je zřejmé, že na řídící automat 8 je jednak vhodným způsobem napojen dvouosý akcelerometr 9, který řídícímu automatu 8 dodává zjištěné veličiny k dalšímu zpracování. Řídící automat 8 je pro řízení příslušného pojezdového motoru llk, lim, liz vybaven programovým nosičem, uspořádaným ke vložení odpovídajícího počítačového programu, a procesorovou jednotkou pro zpracovávání zjištěných údajů a k vydávání příslušných příkazů alespoň jednomu pojezdovému motoru llk, lim, liz podle tohoto programu, a to výhodně prostřednictvím příslušného frekvenčního měniče lOk, lOm, lOz.

U způsobu aktivní manipulace s břemenem 3, případně jiným předmětem, se jinými slovy zjišťuje skutečný pohyb a zrychlení břemene 3 nebo háku 3.1, které se prostřednictvím softwarového modulu predikce následného pohybu břemene 3 nebo háku 3.1 či jiné změny jeho polohy využívá jako zpětná vazba do řídicího automatu 8 pro řízení alespoň jednoho

-13motoru llk, lim, 11a jeřábu 1. a/nebo jeho kočky 2.

Zjišťováni skutečného pohybu a/nebo polohy a/nebo zrychlení břemene 3 nebo háku 3.1 se provádí gravitačním dvouosým akcelerometrem _9, a to v obou horizontálních osách pohybu břemene 3.

Vlastní postup pak obsahuje následující kroky (obr. 3): zjišťování zatížení jeřábu 1 a odchylky lana 4 od svislé polohy ve směru kočky 2 a mostu, potom dotaz, zda je zatížení větší než 0, pokud ne, čekání na zvednutí, pokud ano, dotaz, zda je absolutní hodnota odchylky větší než 0, pokud ne, povolení pohybu nahoru a ukončení způsobu, pokud ano, zákaz pohybu nahoru a potom návrat ke kroku zjišťováni zatížení jeřábu 1.

Variantně pak postup obsahuje následující kroky (obr.

4) :

- zjišťování odchylky a rychlosti kývání břemene potom dotaz, zda je břemeno 3 uklidněno, pokud ano, ukončení, pokud ne, provádění výpočtu predikce pohybu břemena 3, potom výpočet pohybu jeřábu 1, následně provedení změny pohybu jeřábu 1 a návrat k prvnímu kroku.

Přestože byl předložený vynález popsán v souvislosti s přednostními provedeními za použití mostového jeřábu 1^ k manipulaci s hákem 3.1, resp. na něm upraveným břemenem 3, není úmyslem tohoto popisu omezit jeho rozsah pouze na tato popsaná provedení. Naopak, záměrem tohoto popisu je • · * * · * ♦··· ♦

- 14obsáhnout a pokrýt všechny alternativy, modifikace a ekvivalenty provedení a aplikací, které spadají do podstaty a nárokovaného rozsahu předloženého vynálezu tak, jak je tento definovaný v připojených patentových nárocích, resp. jak vyplývá odborníkovi z daného oboru z popisu a připojených výkresů.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob aktivní manipulace s břemenem, případně jiným předmětem, zejména pomocí jeřábů, s výhodou mostových, vyznačující se tía, že se zjišťuje skutečný pohyb a zrychlení břemene (3) nebo háku (3.1), které se prostřednictvím softwarového modulu predikce následného pohybu břemene (3) nebo háku (3.1) či jiné změny jeho polohy využívá jako zpětná vazba do řídicího automatu (8) pro řízení alespoň jednoho motoru (llk, lim, liz) jeřábu (1) a/nebo jeho kočky (2).
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se zjišťování skutečného pohybu a/nebo polohy a/nebo zrychlení břemene (3) nebo háku (3.1) provádí gravitačním dvouosým akcelerometrem (9) , a to v obou horizontálních osách pohybu břemene (3).
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že obsahuje následující kroky:

   zjišťování zatížení jeřábu (1) a odchylky lana (4) od svislé polohy ve směru kočky (2) a mostu, potom dotaz, zda je zatížení větší než 0, pokud ne, čekání na zvednutí, pokud ano, dotaz, zda je absolutní hodnota odchylky větší než 0, pokud ne, povolení pohybu nahoru a ukončení způsobu, pokud ano, zákaz pohybu nahoru a potom návrat ke kroku zjišťování zatížení jeřábu (1) -

   NZ09000 (NZOOQBOa) « a * ·
4. 4. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že obsahuje následující kroky:

   zjišťování odchylky a (3) , rychlosti kývání břemene potom dotaz, zda je břemeno (3) uklidněno, pokud ano, ukončení, pokud ne, provádění výpočtu predikce pohybu břemena (3) , potom výpočet pohybu jeřábu (1) , následně provedení změny pohybu jeřábu (1) a návrat k prvnímu kroku.
5. 5. Zařízení k provádění způsobu podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje snímač (6), který je uspořádaný na pevném konci (4.1) lana (4) nebo na háku (3.1) a který je přes propojení (7) spojen s řídícím automatem (8), který je upraven pro řízení příslušného pojezdového motoru (llk, lim, liz) přes příslušný frekvenční měnič (lOk, lOm, lOz) .
6. 6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že obsahuje snímač (6), který je upravený pro zjišťování zatížení jeřábu (1) a odchylky lana (4) od svislé polohy ve směru kočky (2) a mostu a/nebo odchylky a rychlosti kývání břemene (3).
7. 7. Zařízení podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že řídící automat (8) je pro řízení příslušného pojezdového motoru (llk, lim, liz) vybaven programovým nosičem, uspořádaným ke vložení odpovídajícího počítačového programu, a procesorovou jednotkou pro

   Φ φ

   φ φ · ·* · φ · zpracováváni zjištěných údajů a k vydávání příslušných příkazů alespoň jednomu pojezdovému motoru (llk, lim, liz) podle tohoto programu.
8. 8. Počítačový program pro řízení zařízení pro manipulaci s břemenem, obsahující kroky nároku 3 a/nebo 4.