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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuerungseinrichtung
zur Steuerung der Bewegung eines bewegbaren Kranelements eines Kransystems,
das zu einer Schwingung mit einer Eigenfrequenz anregbar ist, durch
Ansteuern des bewegbaren Kranelements mit einem Steuersignal.
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Kransysteme
sind in unterschiedlichen Ausprägungen
bekannt. Kennzeichnend für
Kransysteme ist insbesondere, dass ein bewegbares Kranelement zur
Beförderung
einer Last vorgesehen ist, die beispielsweise mittels eines Auslegearms
und einer Laufkatze des Kransystems transportiert wird. Wie jedes
schwingungsfähige,
mechanische System sind insbesondere auch Kransysteme in der Regel
durch mindestens eine Eigenfrequenz gekennzeichnet, die bei einem
Verfahrvorgang des bewegbaren Kranelements, etwa in Form einer Laufkatze,
angeregt wird. Mit der Anregung einer Eigenfrequenz ist das Kransystem
höheren
mechanischen Belastungen ausgesetzt. Aus diesem Grund ist man bestrebt,
eine Anregung des Kransystems mit der Eigenfrequenz zu vermeiden,
um eine geringere Belastung der einzelnen mechanischen Teile zu
erreichen, ohne dass jedoch große
Nachteile in der Bearbeitungszeit entstehen.
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Bei
einem Kransystem treten insbesondere Pendelschwingungen einer zu
transportierenden Last auf, die im Allgemeinen entweder durch Laststöße, z.B.
verursacht durch Wind, oder durch ein Steuersignal eines Ansteuerkreises
angeregt werden. Um ein übermäßiges Schwingen
bei Laststößen zu verhindern,
sind entsprechende Gegenmaßnahmen
erforderlich. Erschwerend tritt hinzu, dass sich eine Eigenfrequenz
einer Pendelschwingung des Kransystems mit der Bewegung beispielsweise
der Laufkatze verändert.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Bewegung eines
bewegbaren Kranelements eines Kransystems der eingangs genannten
Art anzugeben, die eine Möglichkeit
eröffnen,
Pendelschwingungen eines Kransystems weitgehend zu reduzieren oder
zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines bewegbaren Kranelements
eines Kransystems nach Patentanspruch 1 sowie durch eine Steuerungsvorrichtung
zur Steuerung der Bewegung eines bewegbaren Kranelements eines Kransystems
nach Patentanspruch 7.
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Erfindungsgemäß ist somit
vorgesehen ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines bewegbaren
Kranelements, eines Kransystems, das zu einer ersten Schwingung
mit einer ersten Eigenfrequenz anregbar ist, durch Ansteuern des
bewegbaren Kranelements mit einem Steuersignal, wobei das Spektrum
des Steuersignals im Wesentlichen frei von der ersten Eigenfrequenz
ist.
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Ferner
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
eine Steuervorrichtung zum Steuern der Bewegung eines bewegbaren
Kranelements eines Kransystems, das zu einer ersten Schwingung mit
einer ersten Eigenfrequenz anregbar ist, mit einer Ansteuereinrichtung
zum Ansteuern des beweglichen Kranelements mit einem Steuersignal,
wobei mit der Ansteuereinrichtung das Steuersignal derart generierbar
ist, dass sein Spektrum im Wesentlichen frei von der ersten Eigenfrequenz
ist.
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Das
Kranelement oder das Kransystem kann mindestens zu einer zweiten
Schwingung mit einer zweiten Eigenfrequenz anregbar sein, weshalb
das Steuersignal im Wesentlichen auch frei von der zweiten Eigenfrequenz
generiert wird. Auf diese Weise können die wesentlichen Schwingungen
des Kranelements bzw. Kransystems vermieden werden.
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Vorzugsweise
wird eine Schwingungsgröße von dem
Kranelement bzw. Kransystem erfasst und zur Generierung des Steuersignals
berücksichtigt. Dadurch
ist es möglich,
dynamische Änderungen
des Kranelements bzw. Kransystems für dessen Ansteuerung zu berücksichtigen.
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Falls
es sich bei dem Kranelement um eine Laufkatze eines Krans handelt,
kann als Schwingungsgröße die aktuelle
Seillänge
des Lastseils erfasst bzw. gemessen werden. Dadurch lässt sich
die Frequenz der Pendelschwingung eines Lasthakens an dem Lastseil
abschätzen,
so dass diese Frequenz bei der Erzeugung des Ansteuersignals der
Laufkatze nicht verwendet wird.
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Insgesamt
wird mit der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit eröffnet, kritischen
Resonanzfrequenzen einer Pendelschwingung eines Kransystems weitgehend
entgegenzuwirken, so dass diese reduziert oder gar vermieden werden.
Insbesondere bei der Anwendung in Verbindung mit der Steuerung einer
Laufkatze des Kransystems wird über
die Rückführung der
Seillänge
des Lastseils als Messgröße der maßgebliche
Einfluss derselben auf die Frequenz der Pendelschwingung berücksichtigt.
Eine Abhängigkeit
von Last- und Wagenmasse kann nur unter bestimmten Bedingungen auftreten,
auf die vorliegend jedoch nicht weiter eingegangen werden soll.
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Mit
der Erfindung kann auch vorteilhaft die Generierung des Steuersignals
unter Berücksichtigung
des Regeleinflusses einer Antriebsregelung der Laufkatze derart
erfolgen, dass die durch die Dämpfung
der Pendelschwingung veränderte
Eigenfrequenz bei der Generierung des Steuersignals berücksichtigt
wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird zur Generierung der Führungsgröße ein Verfahren zur ruckbegrenzten
Geschwindigkeitsführung
des bewegbaren Kranelements eingesetzt. Ein derartiges Verfahren
ist beispielsweise in
DE
102 00 680 A1 beschrieben. Mit einer Ruckbegrenzung ist
es ermöglicht,
den Aufbau der Beschleunigung für
einen Verfahrvorgang so zu verzögern,
dass der Sollwert geglättet
und die Mechanik möglichst
wenig schwingungsanregend bewegt wird. Insbesondere hat sich gezeigt,
dass höherfrequente Beschleunigungs-
und Bremsvorgänge
mit geringerer Dynamik durchgeführt
werden müssen,
um die schwingungsfähige
Mechanik nicht zu stark anzuregen.
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In
Weiterverfolgung dieses Ansatzes wird in vorteilhafter Weise eine
Bewegungsbahn des Kranelements in unmittelbar aufeinanderfolgende
interpolierbare Bewegungsabschnitte aufgelöst, wobei bei der Interpolation
resultierende Ruckprofile gezielt derart angepasst werden, dass
eine filternde Wirkung der Ruckbegrenzung als Bandsperren so beeinflusst
wird, dass die Frequenzen der Bandsperren im wesentlichen mit den
Eigenfrequenzen des Kransystems zusammenfallen. Ein derartiger Ansatz
ist in
DE 102 00 680
A1 mit Bezug auf eine ruckbegrenzte Geschwindigkeitsführung eines
bewegbaren Maschinenelements einer numerisch gesteuerten industriellen
Bearbeitungsmaschine wie einer Werkzeugmaschine, einem Roboter oder
dergleichen ausführlich beschrieben.
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Beispielsweise
werden zur gezielten Anpassung der Frequenzen der Bandsperren der
Parameter Ruck und/oder Beschleunigung und/oder Geschwindigkeit
im Hinblick auf das bei der Interpolation resultierende Ruckprofil
vorgegeben. Alternativ oder zusätzlich
kann zur gezielten Anpassung der Frequenzen der Bandsperren eine
Formänderung
des Ruckprofils erfolgen durch Vorgabe von entsprechenden Formfunktionen
für den
Ruck. Damit wird erreicht, dass im Bereich kritischer Frequenzen
nur geringe spektrale Anteile vorliegen. Beispielsweise kann eine
Formänderung
des Ruckprofils durch Verrundung eines rechteckförmigen Ruckverlaufs erfolgen.
Hierbei hat sich eine Verrundung eines rechteckförmigen Ruckverlaufs mit harmonischen
Funktionen, insbesondere mit dem Quadrat einer Sinus-Funktion als
vorteilhaft erwiesen.
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Weitere
vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten
Figuren näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines beispielhaften Kransystems zur Beförderung
von Lasten,
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2 eine
Detaildarstellung des Kransystems nach 1 mit dargestellter,
zu befördernder Last,
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3 ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung;
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4 das
Spektrum eines Verfahrprofils;
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5 einen
Schwingungsverlauf mit einer Anregung gemäß dem Verfahrprofil von 4;
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6 das
Spektrum eines alternativen Verfahrprofils; und
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7 den
Schwingungsverlauf mit einer Dämpfung
gemäß dem Verfahrprofil
von 6.
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In 1 ist
eine schematische Darstellung eines beispielhaften Kransystems in
Form eines Krans mit einem Auslegearm zur Beförderung von Lasten gezeigt.
Das Kransystem 20 ist auf einem Kranfuß 23 gelagert, der
ein feststehendes Basis-Chassis darstellt, beispielsweise mit einem
drehbaren Aufsatz, um den Kran in der Horizontalen drehen zu können. Weiterhin
weist der Kran ein Turmelement 21 auf, an dem ein Kranauslegearm 24 befestigt
ist, welcher in Richtung der Horizontalen geneigt ist. Das gezeigte
Kransystem wird in üblicher
Form durch Seilkonstruktionen und durch ein Ausgleichsgewicht 22 stabilisiert.
Der Auslegearm 24 weist beidseitig Führungsarme 28 auf,
an denen eine Laufkatze 25 auf Rollen geführt ist.
An der Laufkatze 25 ist ein Lastseil mit einem Kranhaken 26 befestigt
oder geführt,
um eine Last in vertikaler Richtung mit veränderbarer Seillänge des
Lastseils zu bewegen. Die horizontale Bewegung der Laufkatze 25 wird über ein Bewegungsseil 27 veranlasst,
das entlang des Kranauslegearms 24 geführt ist.
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In 2 ist
eine Detaildarstellung des Kransystems 20 nach 1 gezeigt,
wobei am Kranhaken 26 eine zu befördernde Last 31 angebracht
ist. An der Laufkatze 25 ist das Lastseil 30 geführt oder befestigt,
um die Last 31 in vertikaler Richtung mit veränderbarer
Seillänge
des Lastseils 30 zu bewegen. Die Last 31 wird
dabei vom Kranhaken 26 mittels einer Schlaufe aufgenommen.
Mittels des Bewegungsseils 27, das über die Trommel 29 an
der Laufkatze 25 befestigt ist, lässt sich dieselbe in horizontaler
Richtung des Kranauslegearms 24 entlang der Führungsarme 28 bewegen.
Zu diesem Zweck ist die Laufkatze 25 auf Rollen 32 gelagert,
die entlang der Führungsarme 28 geführt werden.
Das Bewegungsseil 27 wird beispielsweise von einem Motor
am Fuß 23 des
Krans angetrieben.
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Bei
einem Kransystem 20, wie anhand von 1 und 2 erläutert, besteht
die Problematik, dass Pendelschwingungen der Last 31 infolge
einer veranlassten Bewegung der Laufkatze 25 auftreten können. Hierbei
werden die Schwingungen entweder durch Laststöße, beispielsweise infolge
von Wind, oder durch ein Steuersignal zur Steuerung der Bewegung
der Laufkatze 25 angeregt. Hierbei hängt die Frequenz der Pendelschwingung
in erster Linie von der Länge
des Lastseils 30 ab. Eine Abhängigkeit von Last- und Wagenmasse
kann nur unter bestimmten Bedingungen auftreten, auf die im Folgenden
jedoch nicht weiter eingegangen wird. Wie jedes schwingungsfähige mechanische
System ist auch das Kransystem 20 gemäß 1 und 2 durch mindestens
eine Eigenfrequenz gekennzeichnet, die bei einem Verfahrvorgang
der Laufkatze 25 unter Umständen angeregt wird. Mit einer
Pendelschwingung in Höhe
der Eigenfrequenz des Kransystems kann eine vergleichsweise hohe
Belastung des Krans einhergehen, was zu Instabilitäten und
anderen großen
Nachteilen bei der Beförderung
von Lasten führen
kann. Ist die Bewegung der Laufkatze 25 ungebremst, entsteht
eine Wechselwirkung zwischen der Last 31 und der Laufkatze 25 bei
einem Beschleunigungs- oder Bremsvorgang, was die Pendelschwingung
anregen kann. Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass sich mit
der Bewegung der Laufkatze 25 die Eigenfrequenz des Kransystems ändert, da sich
die Eigenwerte des Systems zur Berechnung der Eigenfrequenz mit
dem Bewegungsvorgang der Laufkatze 25 verändern.
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Anhand
von 3 ist ein Steuerkreis veranschaulicht, der die
genannten Einflüsse
auf eine Pendelschwingung des Kransystems berücksichtigt und die Bewegung
der Laufkatze 25 derart steuert, dass eine minimale oder
geringe Anregung der Pendelschwingung erfolgt. Hierbei zeigt 3 ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Steuerungseinrichtung.
Zur Bewegung der Laufkatze 25 gemäß 1 und 2 über das
Bewegungsseil 27 dient eine Kranmechanik 6, die
in 3 der Einfachheit halber durch einen Block mit dem
Bezugszeichen 6 dargestellt ist. Über die Kranmechanik 6 wird
das Bewegungsseil 27 zum Antrieb der Laufkatze 25 bewegt,
angetrieben durch einen Motor 5, der ein Drehmoment Mmot an die Kranmechanik 6 bereitstellt.
Der Motor 5 wird von einer Antriebsregelung 4 angesteuert,
wobei beide Komponenten zusammen mit der entsprechenden Kranmechanik 6 eine
Prozesseinheit zur Bewegung der Laufkatze 25 bilden.
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Ein
Steuerkreis 2 dient zur Ansteuerung dieser Prozesseinheit.
Ein Anschluss 8 dient zum Empfang eines Eingabewerts X
für den
Verfahrweg der Laufkatze 25. Die Führungsgröße, d.h. der Lagesollwert,
Xsoll, für
die Antriebsregelung 4 wird von einer Ansteuerungseinrichtung
bzw. Führungsgrößenberechnungseinheit 3 bereitgestellt,
die mit dem Anschluss 8 zum Empfang des Eingabewerts X
für den Verfahrweg
verbunden ist. Die Führungsgrößenberechnungseinheit 3 ist
mit der Antriebsregelung 4 verbunden, die die Führungsgröße Xsoll empfängt
und eine entsprechende Antriebsgröße I zur Einspeisung in den
elektrischen Motor 5 vorgibt. Die Antriebsgröße I stellt
beispielsweise einen Stromsollwert dar, der dazu führt, dass
der Motor ein bestimmtes Drehmoment Mmot zur
Verfügung
stellt. Mit der Rotation des Motors 5 wird beispielsweise über ein
Getriebe das Bewegungsseil 27, wie oben beschrieben, angetrieben.
Eine Regelgröße Y wird
von der Kranmechanik 6 an die Antriebsregelung 4 zurückgeführt.
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Zusätzlich ist
in der Kranmechanik 6 eine Sensoreinrichtung vorgesehen,
um die Seillänge
des Lastseils 30 zwischen der Laufkatze 25 und
der Last 31 als Messgröße p aufzunehmen.
Die Messgröße p wird über die
Rückführung 7 in
die Führungsgrößenberechnungseinheit 3 eingespeist.
Die Führungsgrößenberechnungseinheit 3 ist
derart ausgebildet und eingerichtet, in Abhängigkeit der Messgröße p als Maß für die Seillänge des
Lastseils 30 die Eigenfrequenz der Pendelschwingung des
Kransystems 20 zu berechnen und davon abhängig die
Führungsgröße Xsoll zu generieren. Hierbei erfolgt die Generierung der
Führungsgröße Xsoll unter Berücksichtigung des Regeleinflusses
derart, dass die durch Dämpfung
der Pendelschwingung veränderte
Eigenfrequenz bei der Generierung der Führungsgröße Xsoll berücksichtigt wird.
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Als
Führungsgröße kann
eine Lage, eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung oder ein Ruck
in Abhängigkeit
der Zeit gewählt
werden, so dass sich ein entsprechendes Verfahrprofil ergibt.
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Vorteilhaft
wird gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
zur Generierung der Führungsgröße X
soll ein Verfahren zur ruckbegrenzten Geschwindigkeitsführung der
Laufkatze
25 eingesetzt. Ein derartiges Verfahren ist ausführlich in
DE 102 00 680 A1 in
Zusammenhang mit der Regelung eines Maschinenelements einer numerisch
gesteuerten industriellen Bearbeitungsmaschine beschrieben. Mit
einer Ruckbegrenzung ist es ermöglicht,
den Aufbau der Beschleunigung für
einen Verfahrvorgang der Laufkatze so zu verzögern, dass der Sollwert der Führungsgröße geglättet und
die Mechanik des Krans möglichst
wenig schwingungsanregend bewegt wird.
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Zur
Realisierung einer solchen Ruckbegrenzung wird in der Ansteuereinrichtung
bzw. Führungsgrößenberechnungseinheit
3 ein
so genanntes ruckäquivalentes
Filter mit einem Frequenzgang A(f) eingesetzt, dessen Arbeitsweise
in
DE 102 00 680 A1 beschrieben
ist. Insoweit für
das weitere Verständnis erforderlich
und für
die vorliegende Problematik übertragbar
wird diesbezüglich
der Inhalt dieser Druckschrift in die Ausführungen zur vorliegenden Erfindung
mit einbezogen.
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Bei
der Generierung der Führungsgröße X
soll können
bestehende Maximalwerte für
Ruck r0, Beschleunigung a0 und Geschwindigkeit v0 sowie die Form
des Ruckverlaufs des Rucks r gezielt so verändert werden, dass im Bereich
kritischer Frequenzen nur geringe spektrale Anteile vorliegen. Dies
geschieht auf Grundlage des ruckäquivalenten
Filters mit dem Frequenzgang A(f) nach
DE 102 00 680 A1 , das in
Abhängigkeit
der genannten Größen sowie des
Verfahrwegs bestimmt werden kann. Zusätzlich wird, wie oben bereits
beschrieben, im Zusammenhang mit der Bewegung der Laufkatze
25 die
Messgröße p bei
der Berechnung der Führungsgröße X
soll mit berücksichtigt, da die Frequenz
der Pendelschwingung des Kransystems in erster Linie von der Seillänge des
Lastseils
30 abhängt.
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4 zeigt
das Spektrum eines Verfahrprofils. Die Eigenfrequenz feigen ist
in diesem Beispiel bei 2Hz gewählt.
Dies bedeutet, dass die Eigenfrequenz durch das Verfahrprofil stark
angeregt wird. Dementsprechend würde
bei dem Kransystem die Last an dem Lastseil starke Schwingungen
vollführen,
wenn die Laufkatze mit diesem Verfahrprofil angesteuert wird.
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Die
Graphik in 5 verdeutlicht dies. Das Verfahrprofil
besteht in dem vorliegenden Beispiel aus zwei Beschleunigungsstößen a1 und
a2 ohne Ruckbegrenzung. Beide Stöße a1 und
a2 sind in Schwingungsrichtung gerichtet und regen somit die Schwingung
an.
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In 6 ist
das Spektrum eines alternativen Verfahrprofils wiedergegeben. Es
zeigt, dass bei der Eigenfrequenz feigen praktische
keine Anregung des Systems stattfindet. Dies bedeutet, dass das
Verfahrprofil im Bereich der Eigenfrequenz feigen so
gut wie keine Spektralanteile besitzt.
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Demzufolge
wird eine Schwingung durch das Verfahrprofil von 6 nicht
angeregt, was durch 7 verdeutlicht wird. Der Stoß a2 beim
Einfahren in die Endposition ist bei diesem Verfahrprofil gegen
die Schwingung gerichtet und dämpft
sie dadurch vollständig
ab.
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Auf
diese Weise kann erfindungsgemäß gewährleistet
werden, dass die Laufkatze durch ein Verfahrprofil so angesteuert
werden kann, dass sich nach dem Verfahrvorgang praktisch keine Pendelbewegung
der Last an dem Seil ergibt.