DE102012220039A1

DE102012220039A1 - Durch Schwerkraft angetriebenes Ausgleichssystem

Info

Publication number: DE102012220039A1
Application number: DE102012220039A
Authority: DE
Inventors: Thierry Laliberte; Clement Gosselin; Dalong Gao; Roland J. Menassa
Original assignee: Universite Laval; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Universite Laval; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2032-11-03
Also published as: CN103086268B; DE102012220039B4; CN103086268A; US20130112641A1

Abstract

Ein Ausgleichsunterstützungssystem umfasst eine Tragestruktur, eine Unterstützungsvorrichtung, ein variables Ausgleichssystem und ein Ausgleichsseil. Das variable Ausgleichssystem ist zum Bewegen einer Masse in eine vertikale Richtung entlang einer Z-Achse ausgestaltet. Das variable Ausgleichssystem enthält eine Ausgleichsplattform, einen Hebel und ein mobiles Gegengewicht. Der Hebel ist an der Ausgleichsplattform bei einem feststehenden Drehpunkt drehbar derart angebracht, dass der Hebel bei dem feststehenden Drehpunkt um eine Ausgleichsachse herum drehbar ist. Das mobile Gegengewicht ist an dem Hebel relativ zu der feststehenden Ausgleichsachse beweglich angeordnet und zwischen einer Minimalposition und einer Maximalposition beweglich. Die Minimalposition entspricht einer Masse, die ein Minimalgewicht derart aufweist, dass die Masse entlang der Z-Achse statisch ausgeglichen ist. Auf ähnliche Weise entspricht die Maximalposition einer Masse, die ein Maximalgewicht derart aufweist, dass die Masse entlang der Z-Achse statisch ausgeglichen ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Patentanmeldung mit der Nr. 61/555,817, die am 4. November 2011 eingereicht wurde und durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hier mit aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ausgleichsunterstützungssystem, das zum Bewegen einer Nutzlast in eine vertikale Richtung ausgestaltet ist.
HINTERGRUND
Hängende Brückenkräne werden häufig verwendet, um große Nutzlasten anzuheben und wieder abzusetzen. Das Versetzen bei einer Aufnahme- und Absetzoperation umfasst allgemein drei translatorische Freiheitsgrade und einen rotatorischen Freiheitsgrad um eine vertikale Achse. Dieser Satz von Bewegungen, der als Selective Compliance Assembly Robot Arm Bewegungen (”SCARA”-Bewegungen) oder ”Schönflies”-Bewegungen bezeichnet wird, wird in der Industrie häufig verwendet. Ein Brückenkran ermöglicht Bewegungen entlang zweier horizontaler Achsen. Mit geeigneten Gelenken ist es möglich, eine vertikale Translationsachse und eine vertikale Rotationsachse hinzuzufügen. Eine erste Bewegung entlang einer horizontalen Achse wird erreicht, indem eine Brücke auf feststehenden Schienen bewegt wird, während die Bewegung entlang der zweiten horizontalen Achse erreicht wird, indem eine Krankatze entlang der Brücke rechtwinklig zu der Richtung der feststehenden Schienen bewegt wird. Die Translation entlang der vertikalen Achse wird unter Verwendung eines vertikalen Schiebegelenks oder durch die Verwendung eines Riemens erreicht. Die Rotation um die vertikale Achse wird unter Verwendung eines Drehgelenks mit einer vertikalen Achse erreicht.
Es gibt teilmotorisierte Versionen von hängenden Brückenkränen, die von einem menschlichen Bediener entlang horizontaler Achsen manuell verschoben werden und um die vertikale Achse manuell gedreht werden, die aber eine motorbetriebene Hebevorrichtung enthalten, um die Schwerkraft entlang der vertikalen Richtung zu bewältigen. Außerdem werden einige Brückenkrane entlang aller Achsen manuell verschoben, aber das Gewicht der Nutzlast wird durch eine Ausgleichsvorrichtung kompensiert, um die Arbeit des Bedieners zu erleichtern. Derartige Brückenkräne werden manchmal als Unterstützungsvorrichtungen bezeichnet. Der Ausgleich wird oft durch Druckluftsysteme erreicht. Diese Systeme benötigen Druckluft, um – in Abhängigkeit vom verwendeten Prinzip – einen Druck oder einen Unterdruck aufrechtzuerhalten, was erhebliche Leistung benötigt. Aufgrund der Reibung in den Druckluftzylindern ist die Verschiebung außerdem nicht sehr gleichmäßig und kann sogar ruckelig sein. Ein Ausgleich kann unter Verwendung von Gegengewichten erreicht werden, welche die Massenträgheit des Systems erheblich erhöhen. Obwohl derartige Systeme hilfreich und für die vertikale Bewegung sogar notwendig sind, fügen sie, wenn sie an der Krankatze eines Brückenkrans angebracht sind, aufgrund des Bewegens der Masse dieser Systeme eine erhebliche Massenträgheit hinsichtlich einer horizontalen Bewegung hinzu. Im Fall von Ausgleichssystemen, die auf Gegengewichten beruhen, kann die hinzugefügte Masse sehr groß sein, sogar größer als die Nutzlast selbst. Wenn die horizontale Bewegungsgeschwindigkeit signifikant ist, wird die zu dem System hinzugefügte Massenträgheit zu einem großen Nachteil.
Es gibt auch vollständig motorgetriebene Versionen derartiger Brückenkräne, die leistungsstarke Stellglieder benötigen, speziell für die vertikale Bewegungsachse, die das Gewicht der Nutzlast tragen muss. Diese Stellglieder sind im Allgemeinen an der Krankatze oder der Brücke angebracht und befinden sich dann in Bewegung. Das Stellglied für die vertikale Translation ist manchmal an der Brücke angebracht und mit der Krankatze durch ein System gekoppelt, das demjenigen ähnelt, das in Turmkränen verwendet wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Ausgleichsunterstützungssystem umfasst eine Tragestruktur, eine Unterstützungsvorrichtung, ein variables Ausgleichssystem und ein Ausgleichsseil. Die Unterstützungsvorrichtung wird durch die Tragestruktur beweglich getragen. Die Unterstützungsvorrichtung ist zur Bewegung relativ zu der Tragestruktur entlang einer X-Achse und/oder einer Y-Achse ausgestaltet. Die Masse wird von der Unterstützungsvorrichtung vertikal getragen. Das variable Ausgleichssystem ist ausgestaltet, um die Masse entlang einer Z-Achse in eine vertikale Richtung zu bewegen. Das variable Ausgleichssystem enthält eine Ausgleichsplattform, einen Hebel und ein mobiles Gegengewicht. Der Hebel ist an einem feststehenden Drehpunkt an der Ausgleichsplattform drehbar derart angebracht, dass der Hebel am feststehenden Drehpunkt um eine Ausgleichsachse herum drehbar ist. Das mobile Gegengewicht ist am Hebel beweglich relativ zu der feststehenden Ausgleichsachse angeordnet und zwischen einer Minimalposition und einer Maximalposition beweglich. Das Ausgleichsseil verbindet die Tragestruktur, den Hebel und die Masse wirksam miteinander derart, dass die Masse von der Tragestruktur über das Ausgleichsseil vertikal getragen wird. Die Minimalposition entspricht einer Masse, die ein Minimalgewicht derart aufweist, dass die Masse entlang der Z-Achse statisch ausgeglichen ist. Auf ähnliche Weise entspricht die Maximalposition einer Masse, die ein Maximalgewicht derart aufweist, dass die Masse entlang der Z-Achse statisch ausgeglichen ist.
Ein variables Ausgleichssystem ist ausgestaltet, um eine Masse in eine vertikale Richtung entlang einer Z-Achse zu bewegen. Das variable Ausgleichssystem enthält eine Ausgleichsplattform, einen Hebel und ein mobiles Gegengewicht. Der Hebel ist an der Ausgleichsplattform an einem feststehenden Drehpunkt drehbar derart angebracht, dass der Hebel an dem feststehenden Drehpunkt um eine Ausgleichsachse herum drehbar ist. Das mobile Gegengewicht ist an dem Hebel relativ zu der feststehenden Ausgleichsachse beweglich angeordnet und zwischen einer Minimalposition und einer Maximalposition beweglich. Die Minimalposition entspricht einer Masse, die ein Minimalgewicht derart aufweist, dass die Masse entlang der Z-Achse statisch ausgeglichen ist. Auf ähnliche Weise entspricht die Maximalposition einer Masse, die ein Maximalgewicht derart aufweist, dass die Masse entlang der Z-Achse statisch ausgeglichen ist.
Ein Verfahren zum Ausgleichen eines variablen Ausgleichssystems umfasst, dass eine Masse entlang der Z-Achse von einem Hebel vertikal getragen wird, der an einem Drehpunkt drehbar gelagert ist. Ein Gegengewicht wird entlang des Hebels bewegt, um einen Schwerpunkt des Hebels zu verändern. Eine Bewegung des Gegengewichts entlang des Hebels wird gestoppt, sobald der Schwerpunkt des Hebels mit der Masse so übereinstimmt, dass die Masse entlang der Z-Achse statisch ausgeglichen wird.
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der Ausführungsformen und besten Arten, um die beschriebene Erfindung auszuführen, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen gelesen wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausgleichsunterstützungssystems, das ein variables Ausgleichssystem enthält, welches mit einer Tragestruktur wirksam verbunden ist;
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht des variablen Ausgleichssystems von 1;
3A–3J sind schematische diagrammartige Ansichten einer Abfolge von zehn Operationen einer passiven Ausgleichsvorrichtung des variablen Ausgleichssystems mit einer Bremse an einem feststehenden Drehpunkt;
4A–4J sind schematische diagrammartige Ansichten einer Abfolge von zehn Operationen einer passiven Ausgleichsvorrichtung des variablen Ausgleichssystems ohne eine Bremse an einem feststehenden Drehpunkt;
5A–5C sind schematische diagrammartige Ansichten einer Abfolge von drei Operationen eines mechanischen Skalensystems für einen durch Schwerkraft angetriebenen sich selbst einstellenden Ausgleich;
6A–6D sind schematische diagrammartige Ansichten einer Abfolge von vier Operationen eines mechanischen Skalensystems für einen durch Schwerkraft angetriebenen sich selbst einstellenden Ausgleich unter Verwendung einer Hebeaktion;
7 ist eine schematische diagrammartige Ansicht von Parametern des mechanischen Skalensystems der 5 und 6;
8A und 8B sind schematische diagrammartige Ansichten des Ausgleichssystems von 1, das an der Nutzlast durch eine Seilführung angebracht ist; und
9A und 9B sind schematische diagrammartige Ansichten einer Abfolge von zwei Operationen einer Ausgleichsvorrichtung des variablen Ausgleichssystems unter Verwendung eines kleinen Gegengewichts zusätzlich zu einem Gegengewicht.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten bezeichnen, ist in 1 ein Ausgleichsunterstützungssystem bei 10 gezeigt. Das Ausgleichsunterstützungssystem 10 umfasst eine stationäre Tragestruktur 12, ein variables Ausgleichssystem 14, eine Unterstützungsvorrichtung 16 und eine Masse 18. Das variable Ausgleichssystem 14 ist ausgestaltet, um die Masse 18 in eine vertikale Richtung 20 entlang einer Z-Achse 22 relativ zum Boden 24 zu bewegen, wie in 1 gezeigt ist. Die Masse 18 kann ein Greiforgan 26 umfassen, wobei das Greiforgan 26 von der Unterstützungsvorrichtung 16 getragen wird. Das Greiforgan 26 kann selektiv eine Nutzlast 28 tragen.
Wenn schwere Nutzlasten 28 von einem Bediener 30 manuell bewegt werden, ist es von Interesse, das Gewicht zu kompensieren. Dies kann unter Verwendung des Ausgleichsunterstützungssystems 10 erledigt werden, das auf Gegengewichten beruht. Wenn Massen an einem Hebel 34 montiert sind, der sich um einen feststehenden Drehpunkt 36 drehen kann, ist das globale System statisch ausgeglichen, wenn der Schwerpunkt der sich bewegenden Massen mit dem feststehenden Drehpunkt 36 übereinstimmt. Dieses Prinzip kann auch durch andere mechanische Übertragungsvorrichtungen implementiert werden, etwa Seile, pneumatische Komponenten oder eine Kombination daraus. In der Praxis ist eine der sich bewegenden Massen im Allgemeinen eine Nutzlast 28, während die anderen Gegengewichte sind, die gewählt sind, um die Nutzlast 28 auszugleichen. Wenn ein mechanisches System ausgeglichen ist, kann die Nutzlast 28 mit sehr geringem Aufwand vertikal nach oben und nach unten bewegt werden, weil die Gravitationskräfte immer kompensiert sind. Bei Anwendungen, bei denen die Nutzlast 28 variieren kann, können Gegengewichte entlang des Hebels 34 (oder anderer mechanischer Systeme) verschoben werden, um sie an die variable Nutzlast 28 anzupassen. Es ist interessant, durch Schwerkraft betriebene mechanische Systeme zu verwenden, um die Nutzlast 28 in der vertikalen Richtung 20 auszugleichen, d. h. mechanische Systeme, welche die Verwendung externer Leistung nicht benötigen.
Die Tragestruktur 12 umfasst ein Paar paralleler Schienen 38 oder Bahngleise, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Unterstützungsvorrichtung 16 wird allgemein von den parallelen Schienen 38 der Tragestruktur 12 getragen. Die Unterstützungsvorrichtung 16 kann einen Brückenkran 40 und eine Krankatze 42 umfassen. Der Brückenkran 40 ist eine Struktur, die mindestens einen Träger 44 umfasst, der das Paar paralleler Schienen 38 überspannt. Der Brückenkran 40 ist ausgelegt, um die Nutzlast 28 entlang einer Y-Achse 48 relativ zum Boden 24 horizontal zu befördern. Die Krankatze 42 ist an den Trägern 44 des Brückenkrans 40 beweglich derart angebracht, dass die Krankatze 42 ausgelegt ist, um die Nutzlast 28 entlang einer X-Achse 46 relativ zum Boden 24 horizontal zu befördern. Die Z-Achse 22 erstreckt sich relativ zum Boden 24 in eine allgemein vertikale Richtung 20. Zudem erstreckt sich das Greiforgan 26 von der Krankatze 42 aus beweglich derart, dass das Greiforgan 26 ausgelegt ist, um die Nutzlast 28 in der allgemein vertikalen Richtung 20 entlang der Z-Achse 22 zu befördern oder zu tragen.
Mit Bezug auf 1 ist eine Bewegung entlang der Z-Achse 22 von einer horizontalen Bewegung der Unterstützungsvorrichtung 16 entlang der X- und Y-Achse 46, 48 entkoppelt. Das bedeutet, dass die vertikale Bewegung der Unterstützungsvorrichtung 16 von der horizontalen Bewegung des Greiforgans 26 und einer beliebigen zugehörigen Nutzlast 28 entlang der X- und Y-Achsen 46, 48 entkoppelt ist.
Das variable Ausgleichssystem 14 kann auf dem Boden 24 angeordnet sein. Das variable Ausgleichssystem 14 ist so ausgestaltet, dass es ein Gegengewicht für die Masse 18 bereitstellt, d. h. das Greiforgan 26 und eine beliebige zugehörige Nutzlast 28, so dass das Greiforgan 26 und eine beliebige zugehörige Nutzlast 28 entlang der Z-Achse 22 statisch ausgeglichen sind. Statisch ausgeglichen bedeutet, dass sich die Masse 18 entlang der Z-Achse 22 in Ansprechen auf das Aufbringen einer vertikalen Kraft 50 auf die Masse 18 selektiv bewegen kann. Wenn das Aufbringen der vertikalen Kraft 50 jedoch gestoppt wird, bleiben das Greiforgan 26 und eine beliebige zugehörige Nutzlast 28 allgemein in der gleichen vertikalen Position entlang der Z-Achse 22, da sie ”statisch ausgeglichen” sind. Mindestens ein Ausgleichsseil 52 verbindet das Greiforgan 26, das variable Ausgleichssystem 14 und die Tragestruktur 12 wirksam miteinander. Insbesondere ist das Ausgleichsseil 52 an einem Ende mit der Tragestruktur 12 wirksam verbunden. Das Ausgleichsseil 52 kann ein Seil, ein Riemen, eine Kette oder ein beliebiger anderer Gegenstand oder eine beliebige andere Vorrichtung sein, der bzw. die ausgestaltet ist, um die Tragestruktur 12, das variable Ausgleichssystem 14 und das Greiforgan 26 miteinander zu verbinden. Mit Bezug auf 8A und 8B sind zusätzlich beide Enden des Ausgleichsseils 52 an der Struktur 12 angebracht und eine Riemenscheibe 53 ist zwischen dem Ausgleichsseil 52 und dem Greiforgan 26 wirksam angeordnet.
Wie in 1 und 2 gezeigt ist, umfasst das variable Ausgleichssystem 14 eine Ausgleichsplattform 54 und den Hebel 34, der an der Ausgleichsplattform 54 an dem feststehenden Drehpunkt 36 drehbar derart angebracht ist, dass sich der Hebel 34 an dem feststehenden Drehpunkt 36 um eine Ausgleichsachse 56 dreht. Das statische Ausgleichen der Nutzlast 28 wird unter Verwendung eines mobilen Gegengewichts 32 durchgeführt, das entlang des Hebels 34 angeordnet wird, um zu bewirken, dass der Schwerpunkt des sich bewegenden Systems, d. h. des Greiforgans 26 und der Nutzlast 28, mit dem feststehenden Drehpunkt 36 übereinstimmt. Der Hebel 34 weist entgegengesetzte Enden 58 auf. Das Ausgleichsseil 52 ist nahe bei einem der Enden 58 an der Tragestruktur 12 wirksam angebracht. Eine erste Riemenscheibe 64 kann entfernt vom variablen Ausgleichssystem 14 angeordnet sein, z. B. an der Tragestruktur 12 angeordnet sein. Eine zweite Riemenscheibe 60 kann zwischen der ersten Riemenscheibe 64 und einem der Enden 58 des Hebels 34 angeordnet sein. Der Hebel 58 ist an der zweiten Riemenscheibe 60 nahe bei einem der Enden 58 wirksam angebracht, wie in 2 dargestellt ist. Das Ausgleichsseil 52 kann an einem Befestigungspunkt 62 an der Tragestruktur 12 befestigt sein, wobei das Ausgleichsseil 52 dann um die zweite Riemenscheibe 60 herum verläuft, welche an dem Hebel 58 wirksam angebracht ist. Dann verläuft das Ausgleichsseil 52 von der zweiten Riemenscheibe 60 aus und verläuft um die erste Riemenscheibe 64 herum, welche an der Tragestruktur 12 wirksam angebracht ist.
Mindestens ein mobiles Gegengewicht 32 ist am Hebel 34 wirksam angebracht. Das mobile Gegengewicht 32 ist ausgestaltet, um sich um eine Distanz 66 entlang des Hebels 34 zwischen einer Minimalposition 68 und einer Maximalposition 70 zu bewegen, um dem Gewicht entgegenzuwirken, das mit der Masse 18 verbunden ist, und um die Masse 18 statisch auszugleichen. Wenn sich das mobile Gegengewicht 32 bei der Minimalposition 68 befindet, wird das mobile Gegengewicht 32 entlang des Hebels 34 derart bewegt, dass sich das mobile Gegengewicht 32 näher bei der Ausgleichsachse 56 befindet, als wenn das mobile Gegengewicht 32 sich bei der Maximalposition 70 befindet. Die Position des mobilen Gegengewichts 32 bei der Minimalposition 68, der Maximalposition 70 oder bei einer beliebigen anderen Position zwischen der Minimal- und Maximalposition 68, 70 ist ausgestaltet, um das Greiforgan 26 und eine beliebige zugehörige Nutzlast 28 entlang der Z-Achse 22 statisch auszugleichen. Wenn sich das mobile Gegengewicht 32 daher bei der Minimalposition 68 befindet, kann das Greiforgan 26 keine Nutzlast 28 tragen oder es kann eine minimale Nutzlast 28 tragen, d. h. eine Nutzlast 28 mit einem minimalen Gewicht für die Konstruktion des variablen Ausgleichssystems 14, bei der es entlang der Z-Achse 22 statisch ausgeglichen bleibt. Auf ähnliche Weise trägt das Greiforgan 26, wenn sich das mobile Gegengewicht 32 bei der Maximalposition 70 befindet, eine maximale Nutzlast 28, d. h. eine Nutzlast 28 mit einem maximalen Gewicht für die Konstruktion des variablen Ausgleichssystems 14, bei der es entlang der Z-Achse 22 statisch ausgeglichen bleibt. Das mobile Gegengewicht 32 kann jedoch auch an einer beliebigen Stelle entlang des Hebels 34 zwischen der Minimalposition 68 und der Maximalposition 70 positioniert sein, welche ausgestaltet ist, um das Greiforgan 26, das eine Nutzlast 28 trägt, die weniger als die maximale Nutzlast 28 aber mehr als die minimale Nutzlast 28 wiegt, vertikal auszugleichen. Wenn sich das mobile Gegengewicht 32 entlang des Hebels 34 in einer ausgeglichenen Position befindet, kann die Masse 18 vertikal entlang der Z-Achse 22 mit sehr wenig Aufwand, der von dem Bediener 30 ausgeübt wird, bewegt werden.
In Ansprechen auf die Bewegung entlang der Z-Achse 22 kann sich der Hebel 34 relativ um die Ausgleichsachse 56 herum drehen, während das Gegengewicht 32 eine Unterstützung für die vertikale Bewegung bereitstellt, wobei die Masse 18 in die vertikale Richtung statisch ausgeglichen gehalten wird. Mit Bezug auf 1 und 2 bewegt sich die zweite Riemenscheibe 60 in der vertikalen Richtung, wenn sich der Hebel 34 um die Ausgleichsachse 56 herum dreht, so dass sich die zweite Riemenscheibe 60 entlang des Ausgleichsseils 52 relativ zu dem zugehörigen Befestigungspunkt 62 bewegt. Wenn sich die zweite Riemenscheibe 60 entlang des Ausgleichsseils 62 bewegt, bewegt sich das Ausgleichsseil 62 außerdem gleichermaßen relativ zu der ersten Riemenscheibe 60.
Im Betrieb muss die Nutzlast 28 aufgenommen und freigegeben werden und daher werden mindestens zwei Ausgleichszustände benötigt. Ein perfekter Ausgleich kann in beiden Zuständen erhalten werden, indem das mobile Gegengewicht 32 entlang des Hebels 34 bewegt wird. Um die Verwendung leistungsstarker Stellglieder zu vermeiden, wird die Schwerkraft verwendet, um das mobile Gegengewicht 32 entlang des Hebels 34 zu verschieben. Mit spezieller Bezugnahme auf 3A–3J werden Bremsen 74 verwendet, um eine Abfolge von ausgeglichenen Zuständen herzustellen. Diese Abfolge wird nachstehend im Detail dargestellt. Der vorgeschlagene passive Ausgleich ist unter bestimmten Bedingungen möglich. Hauptsächlich muss die Nutzlast 28 an einer Stelle aufgenommen werden, die in der Z-Richtung höher als die Freigabestelle ist, was die Verwendung der potentiellen Energie der Schwerkraft der Nutzlast 28 ermöglicht, um das variable Ausgleichssystem 14 mit Energie zu versorgen.
Das Ausgleichssystem kann auf das Gewicht der Nutzlast 28 abgestimmt werden. Dies ist möglich, indem die Nutzlast 28 unter Verwendung einer mechanischen Skala gewogen wird, die eine Feder 96 enthält. Unter Verwendung einer mechanischen Skala wird das mobile Gegengewicht 32 entlang des Hebels 34 um eine Distanz bewegt, die proportional zu dem Gewicht der Nutzlast 28 ist, um ein ausgeglichenes System zu erhalten. Wie bei der vorherigen Ausführungsform werden Bremsen 74 verwendet, um die Abfolge von Zuständen zu erhalten, die einen Ausgleich ermöglicht. Die Bedingungen, die einen korrekten Ausgleich ermöglichen, sind im Nachfolgenden beschrieben und die mathematischen Beziehungen, die erfüllt sein müssen, sind angegeben.
Mit Bezug auf 3A–3J ist eine Abfolge von Operationen einer passiven Ausgleichsvorrichtung mit einer Bremse 74 bei dem feststehenden Drehpunkt 36 gezeigt. Als Bezugspunkt bezeichnet das Kreuz ”X” ein verriegeltes Gelenk 76. Unter bestimmten Bedingungen ist es möglich, das Ausgleichen einer Unterstützungsvorrichtung 16 zwischen unbelasteten und belasteten Zuständen ohne eine wesentliche externe Leistung zu verstellen. Insbesondere wird das mobile Gegengewicht 32 entlang des Hebels 34 zwischen den zwei Positionen unter Verwendung der Schwerkraft zum Antreiben der Bewegung bewegt. Die folgende Abfolge erläutert das Funktionsprinzip. Die entsprechenden Schritte in 3A–3J sind in einer Abfolge dargestellt, die bei 3A startet und sich in sequentieller Reihenfolge zu 3J bewegt. Mit Bezug speziell auf 3A ist die Position des mobilen Gegengewichts 32 im unbelasteten Zustand nahe beim Drehgelenk verriegelt und der Hebel 34 kann sich frei bewegen oder anderweitig drehen. Mit Bezug auf 3B wird das Greiforgan 26 nahe bei der Nutzlast 28 platziert, die hoch genug angeordnet ist, so dass die Seite des Hebels 34 mit dem mobilen Gegengewicht 32 nach unten auf den Boden 24 zeigt. Dann wird der Hebel 34 am feststehenden Drehpunkt 36 verriegelt. 3C zeigt, dass die Nutzlast 28 aufgenommen wird, wenn der Hebel 34 am feststehenden Drehpunkt 36 verriegelt ist. 3D zeigt, dass das mobile Gegengewicht 32 entriegelt wird, um das belastete Greiforgan 26 auszugleichen, und (mit Unterstützung durch die Schwerkraft) entlang des Hebels 34 fällt, bis eine (über einen mechanischen Anschlag 75) eingestellte Position erreicht wird, die ein belastetes Greiforgan 26 ausgleicht. Mit Bezug auf 3E wird das mobile Gegengewicht 32 an dem Hebel 34 verriegelt. Mit Bezug auf 3F wird der Hebel 34 am feststehenden Drehpunkt 36 entriegelt, was ein Verschieben des belasteten Greiforgans 26 in der Z-Richtung ermöglicht, während es statisch ausgeglichen ist. Mit Bezug auf 3G wird die Nutzlast 28 an ihrer neuen Stelle platziert, welche in der Z-Richtung tief genug angeordnet ist, so dass die Seite des Hebels 34 mit dem mobilen Gegengewicht 32 relativ zum Boden 24 nach oben zeigt, und der Hebel 34 wird am feststehenden Drehpunkt 36 verriegelt. Mit Bezug auf 3H wird die Nutzlast 28 vom Greiforgan 26 freigegeben. Mit Bezug nun auf 3I wird das mobile Gegengewicht 32 entriegelt, um das unbelastete Greiforgan 26 auszugleichen, und fällt (mit Unterstützung durch die Schwerkraft) entlang des Hebels 34, bis eine (über einen mechanischen Anschlag 77) eingestellte Position erreicht wird, die das unbelastete Greiforgan 26 ausgleicht. 3J zeigt, dass das mobile Gegengewicht 32 am Hebel 34 verriegelt wird. Wenn der feststehende Drehpunkt 36 der Konfiguration von 3J entriegelt wird, kehrt die Ausgleichsvorrichtung zu der Konfiguration zurück, die in 3A gezeigt ist.
Es ist festzustellen, dass das vorstehend beschriebene System nur arbeiten kann, wenn das Gewicht der Nutzlast 28 und des Greiforgans 26 im Vorfeld bekannt sind. Diese Bedingung ist notwendig, um die Positionen der mechanischen Anschläge 75, 77, die mit den Ausgleichszuständen verbunden sind, korrekt einzustellen. Wenn die Masse von neuen Nutzlasten 28 bekannt ist, können die mechanischen Anschläge 75, 77 schnell entsprechend erstellt werden. Zudem muss die vertikale Höhe, beider die Nutzlast 28 aufgenommen wird, höher als eine Referenzhöhe sein, und die Höhe, bei der die Nutzlast 28 freigegeben wird, muss niedriger als die Referenzhöhe sein (der Hebel 34 ist bei der Referenzhöhe horizontal), wodurch ermöglicht wird, dass sich das mobile Gegengewicht 32 zum Ausgleichen in die geeignete Richtung bewegt. Außerdem wird bei dieser Bedingung die Energie, die notwendig ist, um das mobile Gegengewicht 32 zu verschieben, durch die potentielle Schwerkraftenergie geliefert, welche die Nutzlast 28 zwischen ihren Aufnahme- und Freigabezuständen verliert. Zudem müssen zwei Verriegelungssysteme 78 enthalten sein: eines für den feststehenden Drehpunkt 36 und eines für das mobile Gegengewicht 32. Diese zwei Systeme ermöglichen, dass ein Bediener 30 den Ausgleichszustand der Unterstützungsvorrichtung 16 steuert. Diese Systeme sollten keine wesentliche Leistung benötigen. Das Abbremsen des mobilen Gegengewichts 32 kann durch Energieabsorber an den Enden des Hubs minimiert werden. Darüber hinaus kann die Beschleunigung der mobilen Gegengewichte 32 am Beginn ihrer Bewegung entlang des Hebels 34 durch Federn erhöht werden, welche Energie liefern würden, die beim vorherigen Abbremsen gespeichert wird. Wenn unterschiedliche Nutzlasten 28 mit unterschiedlichen bekannten Gewichten gehandhabt werden müssen, können die Ausgleichseinstellungen vor dem Aufnehmen von dem Bediener 30 oder dem System modifiziert werden.
Bei der vorstehend beschriebenen Abfolge wird angenommen, dass die Nutzlast 28 bei der Aufnahmestelle am Greiforgan 26 platziert wird und von der Unterstützungsvorrichtung 10 bei der Freigabestelle abgesetzt wird. In den meisten Fällen jedoch wird die Nutzlast 28 tatsächlich von einem Gestell aufgenommen und auf einer Halterung oder einer anderen feststehenden Oberfläche freigegeben. Unter diesen Bedingungen kann das Gestell, von dem die Nutzlast 28 aufgenommen oder an dem sie freigegeben wird, zur Stabilisierung verwendet werden, und die Bremse 74 am feststehenden Drehpunkt 36 ist nicht mehr notwendig, wie in 4A–4J dargestellt ist. Die folgende Abfolge erläutert das Funktionsprinzip der Ausgleichsvorrichtung ohne die Bremse 74 an dem feststehenden Drehpunkt 36. Die entsprechenden Schritte in 4A–4J sind in einer Abfolge dargestellt, die bei 4A startet und sich in sequentieller Reihenfolge zu 4J bewegt. Mit Bezug speziell auf 4A ist die Position des mobilen Gegengewichts 32 im unbelasteten Zustand nahe bei dem feststehenden Drehpunkt 36 verriegelt und der Hebel 34 kann sich frei bewegen oder um den feststehenden Drehpunkt 36 drehen. Mit Bezug nun auf 4B wird das Greiforgan 26 nahe bei der Nutzlast 28 platziert, welche vertikal hoch genug angeordnet ist, so dass die Seite des Hebels 34 mit dem mobilen Gegengewicht 32 mit Bezug auf den Boden 24 nach unten zeigt. Mit Bezug nun auf 4C wird die Nutzlast 28 aufgenommen. Da die Nutzlast 28 auf einem Gestell ruht, wird jegliche Bewegung des Hebels 34 verhindert. Mit Bezug auf 4D wird das mobile Gegengewicht 32 entriegelt, um die belastete Unterstützungsvorrichtung 16 auszugleichen, und fällt (mit Unterstützung durch die Schwerkraft) entlang des Hebels 34, bis eine eingestellte Position erreicht ist, die ein belastetes Greiforgan 26 ausgleicht. Mit Bezug auf 4E wird das mobile Gegengewicht 32 verriegelt. Mit Bezug auf 4F ist es dann möglich, das belastete Greiforgan 26 zu verschieben, während es statisch ausgeglichen ist. 4G zeigt, dass die Nutzlast 28 an ihrer neuen Stelle platziert ist, welche in der Z-Richtung vertikal tief genug angeordnet ist, so dass die Seite des Hebels 34 mit dem mobilen Gegengewicht 32 relativ zum Boden 24 nach oben zeigt. Da die Nutzlast 28 auf einem Gestell ruht, wird jegliche Bewegung des Hebels 34 verhindert. 4H veranschaulicht, dass das mobile Gegengewicht 32 entriegelt wird, um das unbelastete Greiforgan 26 auszugleichen, und (mit Unterstützung durch die Schwerkraft) entlang des Hebels 34 fällt, bis eine eingestellte Position erreicht wird, die ein unbelastetes Greiforgan 26 ausgleicht. Mit Bezug auf 4I wird das mobile Gegengewicht 32 mit dem Hebel 34 verriegelt. 4J zeigt, dass die Nutzlast 28 vom Greiforgan 26 freigegeben wird, was das Greiforgan 26 in seinen Anfangszustand (4A) bringt.
Wenn eine automatische Abfolge verwendet wird, muss der Bediener 30 nur die Unterstützungsvorrichtung 16 bewegen, das Greiforgan 26 zum Aufnehmen der Nutzlast 28 bedienen und das Greiforgan 26 zur Freigabe der Nutzlast 28 bedienen. Wenn die Nutzlast 28 aufgenommen ist, wird dann das mobile Gegengewicht 32 freigegeben und fällt entlang des Hebels 34 in die neue Position. Um zu verhindern, dass das Greiforgan 26 eine Nutzlast 28 aufnimmt oder eine Nutzlast 28 freigibt, während sich das mobile Gegengewicht 32 entlang des Hebels 34 bewegt, kann das Aufnehmen und/oder Freigeben durch das Greiforgan 26 deaktiviert werden, während sich das mobile Gegengewicht 32 entlang des Hebels 34 in Bewegung befindet. Als ein Beispiel, das nicht einschränken soll, kann ein Begrenzungsschalter am Hebel 34 wirksam angebracht sein, um die Position des mobilen Gegengewichts 32 zu erfassen.
Um den Bewegungsbereich zu vergrößern, in welchem die Nutzlast 28 freigegeben werden kann, kann unter Annahme, dass der Bewegungsbereich zum Aufnehmen kleiner sein kann, die Referenzhöhe verschoben werden. Dies kann durchgeführt werden, indem eine konstante Kraft auf das mobile Gegengewicht 32 entlang seiner Bewegungsachse aufgebracht wird. Ein Weg zum Aufbringen dieser Kraft besteht darin, an dem mobilen Hauptgegengewicht 32 durch das Ausgleichsseil 52 eine Masse anzubringen und die Masse durch eine Riemenscheibe abzuhängen, um die Masse kontinuierlich unter dem Drehpunkt anzuordnen. Dies ermöglicht, dass eine Gleichgewichtskonfiguration des mobilen Gegengewichts 32 erhalten wird, die sich von derjenigen unterscheidet, bei der der Hebel 34 horizontal ist.
Wenn mit Bezug auf 9A und 9B der vordefinierte Anschlag 75 entfernt wird, wird das mobile Gegengewicht 32 den Hebel 34 entlang weiter nach unten rutschen. Wenn bei diesem Szenario die Nutzlast 28 einfach getragen wird und das mobile Gegengewicht 32 ein wenig weiter nach unten gleitet als die ausgeglichene Position auf dem Hebel 34, wird sich der Hebel 34 in einem leichten Übergewicht befinden (mehr Drehmoment vom mobilen Gegengewicht 32 an dem Drehgelenk als das Drehmoment von der Nutzlast 28) und das mobile Gegengewicht 32 wird die Nutzlast 28 anheben. Dieses Übergewicht kann verwendet werden, um zu detektieren, dass das mobile Gegengewicht 32 zum Ausgleichen geeignet angeordnet ist, und zum Anpassen an unterschiedliche Nutzlasten 28. Statt eine vordefinierte Anschlagposition für das mobile Gegengewicht 32 für jede Nutzlast 28 aufzuweisen, wird das mobile Gegengewicht 32 an der Position gestoppt, die ein leichtes vertikales Anheben der Nutzlast 28 ermöglicht und sich nahe bei der ausgeglichenen Konfiguration befindet. Das leichte Ungleichgewicht kann entfernt werden, um zum perfekten Ausgleich zurückzukehren. Dies kann durch das Verschieben eines kleinen Gegengewichts 33 oder durch das Aufbringen einer kleinen Hubkraft auf den Hebel 34 während des Ausgleichsprozesses erledigt werden, so dass das Anheben ein klein wenig eher auftritt. Sobald das Anheben detektiert wird, wird das kleine Gegengewicht 33 in seine Anfangsposition zurückgesetzt oder die kleine Hubkraft wird entfernt, wodurch der perfekte Ausgleich ermöglicht wird. Diese Operation verwendet nur eine kleine Menge zusätzlicher Leistung.
Bei dieser Implementierung müsste die Geschwindigkeit, mit welcher das mobile Gegengewicht 32 entlang des Hebels 34 ”fällt”, begrenzt werden, z. B. durch eine viskose Reibung zwischen dem mobilen Gegengewicht 32 und dem Hebel 34, um das Abbremsen zu minimieren, das induziert wird, wenn das mobile Gegengewicht 32 gestoppt wird.
Das Ausgleichssystem ist ausgestaltet, um sich unter bestimmten Bedingungen ohne einen Controller und Stellglieder selbst auf die Nutzlast 28 einzustellen. Dies ist mit der Hilfe eines mechanischen Skalensystems 80, das eine Federskala 82 enthält, möglich. Insbesondere wird mit Bezug auf 5A–5C das mobile Gegengewicht 32 vom feststehenden Drehpunkt 36 (d. h. der Drehachse) weg entlang eines Hebels 34 um eine Distanz, die proportional zu dem Gewicht der Nutzlast 28 ist, entlang des Hebels 34 bewegt, während die Bewegung des Hebels 34 an einer gegebenen Position verriegelt ist, wie in 5A und 5B gezeigt ist. Sobald ein Gleichgewicht erreicht ist, wird die Position des mobilen Gegengewichts 32 verriegelt und der Hebel 34 wird entriegelt. Um das System korrekt auszugleichen, wird eine Feder 96 mit einer geeigneten Steifigkeit eingeführt. Mit anderen Worten misst eine Federskala 82 das Gewicht der Nutzlast 28. Statt eine Anzeige zu bewegen, die dann das mobile Gegengewicht 32 entsprechend bewegen wird, verschiebt die Federskala 82 das mobile Gegengewicht 32 direkt. Zur besseren Klarheit hängt die Nutzlast 28 mit fortgesetzter Bezugnahme auf 5B und 5C an einem ersten Seil 84, das an einer dritten Riemenscheibe 86 angebracht ist. Die dritte Riemenscheibe 86 ist mit einer vierten Riemenscheibe 88 starr verbunden – mit einem gleichen Mittelpunkt 90 – an welcher ein zweites Seil 92 angebracht ist. Das zweite Seil 92 windet sich um eine fünfte Riemenscheibe 94, die am entgegengesetzten Ende des Hebels 34 montiert ist, und ist schließlich am mobilen Gegengewicht 32 angebracht. Das mobile Gegengewicht 32 wiederum ist am Ende einer Feder 96 angebracht. Die Abfolge der Operationen ist ähnlich wie das vorstehend dargestellte durch Schwerkraft angetriebene Ausgleichssystem.
Das System. kann nur unter den folgenden Bedingungen arbeiten. Insbesondere muss die vertikale Höhe, bei welcher die Nutzlast 28 durch das Greiforgan 26 aufgenommen wird, größer oder gleich der Höhe sein, bei welcher die Nutzlast 28 vom Greiforgan 26 freigegeben wird. Wie bei der vorherigen Implementierung erörtert wurde, ist diese vertikale Höhendifferenz notwendig, weil es gewünscht ist, die Verwendung einer signifikanten Energiemenge zum Verschieben des mobilen Gegengewichts 32 zu vermeiden. Das Wiegen der Nutzlast 28 zum Zeitpunkt des Aufnehmens der Nutzlast 28 muss immer bei der gleichen vertikalen Höhe durchgeführt werden. Diese Höhe zum Aufnehmen der Nutzlast 28 ist nicht unbedingt die Höhe, bei welcher der Hebel 34 horizontal steht. Dies ist kein Problem, wenn die Nutzlasten 28 immer an der gleichen Stelle aufgenommen werden können. Das bedeutet, dass sich der Hebel 34 während des Wiegeprozesses bei verschiedenen Winkeln befinden wird, wenn der Wiegeprozess bei unterschiedlichen vertikalen Höhen durchgeführt wird, und die Feder 96 die verschiedenen von der Schwerkraft des mobilen Gegengewichts 32 stammenden Kräftebeträge überwinden muss. Um die Nutzlast 28 bei unterschiedlichen vertikalen Höhen freizugeben, müssen die Ausgleichsbedingungen ohne die Nutzlast 28 im Voraus bekannt sein, was ermöglicht, dass die Position des mechanischen Anschlags 77 entlang des Hebels 34 entsprechend eingestellt wird. Andernfalls würde sich das mobile Gegengewicht 32 abhängig vom Freigabewinkel an unterschiedlichen Positionen befinden, was zu einem unkorrekten Ausgleich ohne Last führen würde. Es soll darauf hingewiesen werden, dass das mobile Gegengewicht 32 beim Freigeben immer zu nahe beim feststehenden Drehpunkt 36 sein würde, wenn keine Anschlagposition im Voraus bestimmt würde, weil die Freigabe der Nutzlast 28 vertikal tiefer als die Aufnahme ist. Da das mobile Gegengewicht 32 jedoch immer bei einer eingestellten Position gestoppt wird, die ohne eine Nutzlast 28 ausgeglichen ist, ist der Ausgleich ohne Last sichergestellt. Die Nutzlast 28 muss sich frei vertikal nach unten bewegen, um das mobile Gegengewicht 32 zu verschieben und mechanisch gewogen zu werden. Die notwendige Verschiebung kann minimiert werden, wenn ein ausreichend großes Übersetzungsverhältnis zwischen der Bewegung der Nutzlast 28 und der Bewegung des mobilen Gegengewichts 32 und der Feder 96 vorhanden ist. Das Verhältnis der Radien der zwei starr befestigten dritten und vierten Riemenscheiben 86, 88 an der Seite des Hebels 34 mit der Nutzlast 28 stellt das Übersetzungsverhältnis bereit. Die Feder 96 muss im mechanischen Skalensystem 80 enthalten sein. Die Größe und Steifigkeit der Feder 96 kann minimiert werden, wenn ein ausreichend großes Übersetzungsverhältnis zwischen der Bewegung der Nutzlast 28 und der Bewegung des mobilen Gegengewichts 32 und der Feder 96 vorhanden ist. Es müssen zwei Verriegelungssysteme 78 enthalten sein, ein erstes Verriegelungssystem für den feststehenden Drehpunkt 36 und ein zweites Verriegelungssystem für das mobile Gegengewicht 32. Die Verriegelungssysteme 78 ermöglichen dem Bediener 30, den Ausgleichszustand des Greiforgans 26 zu steuern. Diese Verriegelungssysteme 78 sollten keine signifikante Leistung benötigen.
Mit Bezug nun auf 6A wird die getragene Nutzlast 28 mit dem mobilen Gegengewicht 32 angehoben und der feststehende Drehpunkt 36 wird entriegelt. Es wird angemerkt, dass die benötigte Hubkraft minimal ist, da das durch die Schwerkraft angetriebene System zu jedem Zeitpunkt statisch ausgeglichen ist. Da die Nutzlast 28 getragen wird, erzeugt ein leichtes Anheben des Hebels 34 eine Zugkraft auf dem Seil. Das mobile Gegengewicht 32 bewegt sich dann entsprechend entlang des Hebels 34, um das Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, wie in 6B gezeigt ist. Diese Bewegung wird in 6C fortgesetzt, bis die Nutzlast 28 angehoben wird, wie in 6D gezeigt ist, was das mobile Gegengewicht 32 in einer ausgeglichenen Position lässt. Das mobile Gegengewicht 32 wird in dieser letzteren Position verriegelt, sobald ein Anheben der Nutzlast 28 detektiert wird. Die Detektion kann von einem automatisierten System durchgeführt werden, das die Bewegung der Nutzlast 28 überwacht, oder von dem Bediener 30 detektiert werden.
Wenn unterschiedliche Nutzlasten 28 vom Gestell abgehoben werden, wird sich der Hebel 34 in Abhängigkeit vom Gewicht jeder Nutzlast 28 bei unterschiedlichen Winkeln befinden. Wenn die Änderung des Winkels des Hebels 34 beim Anheben der Nutzlast 28 klein ist (bei der Verwendung eines großen Übersetzungsverhältnisses), wird die Veränderung bei der Nutzlast 28 zu einer linearen Veränderung des Endwinkels nach dem Wiegeprozess führen. Gleichzeitig ändert sich die Federkraft, die zum Kompensieren der Schwerkraft des mobilen Gegengewichts 32 notwendig ist, linear. Es ist leicht, diese lineare Veränderung der Kraft zu kompensieren, indem eine steifere lineare Feder 96 gewählt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Implementierung zu einem linearen Wiegewinkel mit Bezug auf die Masse der Nutzlast 28 führen kann, und nicht zu einem zufälligen Wiegewinkel für eine Masse. Die ausgeglichene Nutzlast 28 kann dann von dem Bediener 30 gehandhabt werden, bis die gewünschte Freigabestelle erreicht ist.
Da sich der Hebel 34 während der Wiegephase der Operation bewegt, ändert sich die Richtung der Kraft, die von dem mobilen Gegengewicht 32 auf die Feder 96 ausgeübt wird, mit Bezug auf die Schwerkraft, und damit auch die Größe der aufgebrachten Kraft. In den nachstehenden mathematischen Herleitungen kann gezeigt werden, dass dieser Effekt durch eine korrekte Wahl der Steifigkeit der Feder 96 kompensiert werden kann. Bei diesem Schema gibt es keine Notwendigkeit, die Nutzlast 28 abzusetzen. Außerdem besteht keine Notwendigkeit für ein Verriegelungssystem, das bei dem feststehenden Drehpunkt 36 bereitgestellt werden muss.
Es wird angemerkt, dass die Hebeoperation automatisiert werden kann, indem das System ein wenig unausgeglichen gemacht wird. Dieses temporäre Ungleichgewicht kann durch die Verschiebung eines kleinen Gegengewichts oder durch das Aufbringen einer kleinen Hebekraft auf den Hebel 34 erreicht werden, die bzw. das von dem Bediener 30 aktiviert werden kann, wenn die Nutzlast 28 aufgenommen wird, und deaktiviert werden kann, wenn das Anheben der Nutzlast 28 von ihrem Gestell detektiert wird.
Das System kann nur unter den folgenden Bedingungen arbeiten. Die Höhe, bei welcher die Nutzlast 28 aufgenommen wird, muss größer oder gleich der Höhe sein, bei welcher die Nutzlast 28 freigegeben wird. Wie bei der vorherigen Implementierung erörtert wurde, ist dies notwendig, weil es gewünscht ist, das Einbringen einer erheblichen Energiemenge in das System zu vermeiden. Die Wiegeoperation beim Aufnehmen muss immer bei der gleichen Höhe durchgeführt werden. Die Wiegehöhe muss nicht unbedingt die Höhe sein, bei der der Hebel 34 horizontal ist. Dies ist kein Problem, wenn die Nutzlasten 28 immer an der gleichen Stelle aufgenommen werden können. Um das Objekt bei unterschiedlichen Höhen freizugeben, müssen die Ausgleichsbedingungen ohne Nutzlast 28 im Voraus bekannt sein, was ermöglicht, dass der Bediener 30 die Position eines mechanischen Anschlags entsprechend einstellt. Andernfalls würde sich das mobile Gegengewicht 32 in Abhängigkeit vom Freigabewinkel bei unterschiedlichen Positionen befinden, was zu einem nicht korrekten Ausgleich ohne Last führen würde. Es wird darauf hingewiesen, dass das mobile Gegengewicht 32 beim Freigeben immer zu nahe am feststehenden Drehpunkt 36 sein würde, wenn vorab keine Anschlagposition bestimmt würde, weil die Freigabestellung niedriger als die Aufnahmestellung ist. Da das mobile Gegengewicht 32 jedoch immer bei einer Einstellposition gestoppt wird, die ohne Last ausgeglichen ist, ist das Ausgleichen ohne Last sichergestellt. Die Feder 96 muss im System enthalten sein. Die Größe und Steifigkeit der Feder 96 kann minimiert werden, wenn ein ausreichend großes Übersetzungsverhältnis zwischen der Bewegung der Nutzlast 28 und der Bewegung des mobilen Gegengewichts 32 und der Feder 96 vorhanden ist (das hier durch das Verhältnis der Radien der zwei starr verbundenen Riemenscheiben an der Seite der Nutzlast 28 gegeben ist). Ein Verriegelungssystem für das mobile Gegengewicht 32 muss enthalten sein. Es ermöglicht einem Bediener 30, den Ausgleichszustand der Unterstützungsvorrichtung 16 zu steuern. Dieses System sollte keine wesentliche Leistung benötigen.
Hier werden die mathematischen Beziehungen dargestellt, die erfüllt sein müssen, um ein korrekt ausgeglichenes System zu erhalten. Die Parameter sind in 7 definiert. Ein Winkel α stellt die Orientierung des Hebels 34 mit Bezug auf eine horizontale Linie dar. Dieser Winkel nimmt den Wert α₁ an, wenn die Wiegeoperation eingeleitet wird, und den Wert α₂, wenn die Wiegeoperation abgeschlossen ist. In dem Fall, bei dem die Nutzlast 28 abgesetzt ist, sind die Winkel α₁ und α₂ identisch (α₁ = α₂). Die zwei Winkel sind jedoch unterschiedlich, wenn die Hebeaktion verwendet wird. Die Variablen in dem in 7 dargestellten mechanischen System sind die Masse M der Nutzlast 28 und die Ausdehnung x der Feder 96. Die feststehende Masse B, die mobile Masse C, die Längen l₁ und l₂ und das Riemenscheibenübersetzungsverhältnis r werden als bekannt angenommen. Dann kann gezeigt werden, dass zum korrekten Ausgleichen eines Systems, wie es in 5A–5C dargestellt ist (Absetzen der Nutzlast 28) die Steifigkeit der Feder 96 auf
eingestellt werden muss. Außerdem kann gezeigt werden, dass zum korrekten Ausgleichen des in 6 dargestellten Systems (Anheben der Nutzlast 28) die Steifigkeit der Feder 96 auf
eingestellt werden muss. In beiden Fällen ist die Position der Feder 96 bei einer Nullkraft gegeben durch
Außerdem ist die vertikale Verschiebung δ zwischen dem Hebel 34 und der Nutzlast 28, die zum Wiegen der Masse M der Nutzlast 28 benötigt wird, gegeben durch
was entweder einem Absetzen der Nutzlast 28 entspricht, wie in 5A–5C dargestellt ist, oder einer vertikalen Bewegung des Befestigungspunkts 62 des Hebels 34, wie in 6A–6D dargestellt ist.
Es wird angemerkt, dass im Kontext der Implementierung von 3A–3J die Bestimmung der Position des mobilen Gegengewichts 32, die eine belastete Unterstützungsvorrichtung 16 ausgleicht, durch ein Wiegen der Nutzlast 28 mit einer Federskala 82 ähnlich derjenigen von 5A–5C durchgeführt werden kann. Dies kann durchgeführt werden, indem der mechanische Anschlag unter Verwendung eines Wiegeprozesses ähnlich demjenigen von 5A–5C positioniert wird. Wenn die Nutzlast 28 abgesenkt wird, wird der mechanische Anschlag entlang des Hebels 34 verschoben und die Feder 96 entsprechend ausgedehnt. Sobald sich der mechanische Anschlag bei der gewogenen Position befindet, bei der die Federkraft gleich der Schwerkraft der Nutzlast 28 ist, wird er verriegelt. Es wird darauf hingewiesen, dass der Drehpunkt während dieses Prozesses verriegelt sein sollte, da er zu einer erheblich unausgeglichenen Struktur führen wird. Erst dann wird das mobile Gegengewicht 32 fallen, bis es bei dem Anschlag zur Ruhe kommt, der an der gewogenen Position angeordnet ist. Da sich das mobile Gegengewicht 32 C während der Wiegephase nicht entlang des Hebels 34 bewegt und da angenommen werden kann, dass der mechanische Anschlag eine vernachlässigbare Masse aufweist, ist das Wiegen unabhängig vom Winkel α. Daher wären die Verwendungsbedingungen eine Kombination derjenigen der Implementierungen von 3 und 5. Die resultierenden mathematischen Beziehungen sind identisch wie diejenigen, die im vorherigen Abschnitt dargestellt sind, mit Ausnahme der Position der Feder 96 bei einer Nullkraft, welche durch die folgende Gleichung gegeben ist:
Dieses System kann nur unter den folgenden Bedingungen arbeiten. Insbesondere muss die Höhe, bei welcher die Nutzlast 28 aufgenommen wird, größer als eine Referenzhöhe sein, und die Höhe, bei welcher die Nutzlast 28 freigegeben wird, muss kleiner als die Referenzhöhe sein. Der Hebel 34 ist bei der Referenzhöhe horizontal, was ermöglicht, dass sich das mobile Gegengewicht 32 in die zum Ausgleichen geeignete Richtung bewegt. Außerdem wird unter dieser Bedingung die zum Verschieben des mobilen Gegengewichts 32 benötigte Energie durch die potentielle Schwerkraftenergie geliefert, welche die Nutzlast 28 zwischen ihren Aufnahme- und Freigabezuständen verliert. Die Nutzlast 28 muss sich frei nach unten bewegen, um den Anschlag bei der Wiegeposition zu verschieben. Die benötigte Verschiebung kann minimiert werden, wenn es ein ausreichend großes Übersetzungsverhältnis zwischen der Bewegung der Nutzlast 28 und der Bewegung des mechanischen Anschlags und der Feder 96 gibt. Eine Feder 96 muss im System enthalten sein. Die Größe und Steifigkeit der Feder 96 kann minimiert werden, wenn ein ausreichend großes Übersetzungsverhältnis zwischen der Bewegung der Nutzlast 28 und der Bewegung des Skalenanschlags und der Feder 96 vorhanden ist. Es müssen drei Verriegelungssysteme 78 enthalten sein: eines für den Drehpunkt, eines für das mobile Gegengewicht 32 und eines für den verstellbaren mechanischen Anschlag. Diese Verriegelungssysteme 78 ermöglichen, dass ein Bediener 30 den Ausgleichszustand der Unterstützungsvorrichtung 16 steuert. Diese Systeme sollten keine wesentliche Leistung benötigen.
Mit Bezug auf 7 können mathematische Ausdrücke für die Steifigkeit k der Feder 96 und die Nullkraftposition x₀, die zu einem ausgeglichenen System für eine beliebige gegebene Nutzlast 28 führen, erhalten werden. Die konstanten Parameter für eine gegebene Einstellung sind die Masse C des mobilen Gegengewichts 32, die Masse B des Hebels 34, die Position l₁ der Nutzlast 28, die Position l₂ des Schwerpunkts des Hebels 34, das Übersetzungsverhältnis r und der Winkel α₁ bei der Wiegeposition. Die Masse M der Nutzlast 28, die Ausdehnung x der Feder und der Winkel α₂ des Hebels 34 am Ende der Wiegeoperation variieren in Übereinstimmung mit der Nutzlast 28, die gerade gehandhabt wird. Daher müssen k und x₀ unabhängig von M, x und α₂ sein. Es wird daran erinnert, dass α₁ = α₂, wenn die Nutzlast 28 abgesetzt ist, aber α₁ ≠ α₂, wenn die Nutzlast 28 angehoben ist.
Wenn die Nutzlast 28 abgesetzt ist, sollte die Summe der Momente um den feststehenden Drehpunkt 36 herum Null sein, damit das System ausgeglichen ist. Das heißt Ml₁gcosα + Bl₂gcosα = C(x + x₀)gcosα (Gleichung 6) was vereinfacht werden kann zu Ml₁ + Bl₂ = C(x + x₀). (Gleichung 7)
Am Ende der Wiegeoperation sollte, wenn die Nutzlast 28 im Gleichgewicht hängt, die Summe der Kräfte entlang des Seils gleich Null sein. Das heißt Mg / r + Cgsinα₂ = kx. (Gleichung 8)
Wenn keine Nutzlast 28 vorhanden ist, dann in jedem Fall M = 0 und α₁ = α₂, da es kein Absetzen oder Anheben gibt. In dieser Situation wird aus Gleichung 7:
und aus Gleichung 8 wird:
wobei x_np die Ausdehnung der Feder 96 ist, wenn keine Nutzlast 28 vorhanden ist. Durch Kombinieren der Gleichungen 9 und 10 erhält man:
Durch Einsetzen von Gleichung 11 in Gleichung 7 erhält man dann:
was vereinfacht und umgestellt werden kann zu:
Außerdem kann Gleichung 8 umgestellt werden zu:
Dann erhält man durch Kombinieren der Gleichungen 13 und 14 und unter Berücksichtigung, dass α₁ = α₂, da die Nutzlast 28 abgesetzt worden ist:
was vereinfacht und umgestellt werden kann zu
Dann wird die vertikale Verschiebung δ zwischen der Nutzlast 28 und dem Hebel 34 während des Wiegeprozesses geschrieben als:
und durch Einsetzen von x aus Gleichung 8 und x_np aus Gleichung 10 in die vorstehende Gleichung erhält man:
Dann erhält man durch Einsetzen von k aus Gleichung 16:
was die Herleitungen der Gleichungen abschließt, die zutreffen, wenn das mobile Gegengewicht 32 in das Wiegen einbezogen wird und die Nutzlast 28 abgesetzt wird.
Nun wird der Fall betrachtet, bei dem die Nutzlast 28 gewogen wird, während sie angehoben wird. Es wird daran erinnert, dass der Winkel α₂ der Winkel zwischen dem Hebel 34 und der horizontalen Richtung am Ende der Wiegeoperation ist, d. h., wenn die Nutzlast 28 anfängt, sich zu bewegen, während α₁ der Winkel zu Beginn der Wiegephase ist. Die Gleichungen 7 bis 11 bleiben gültig. Da die Winkel α₁ und α₂ jedoch nicht mehr gleich sind, trifft der Rest der Herleitung nicht zu und es müssen neue Ausdrücke gesucht werden. Als Ergänzung zu Gleichung 17 kann die folgende Beziehung zwischen den Winkeln des Hebels 34 und der vertikalen Verschiebung am Ende des Hebels 34 mit der Nutzlast 28 wie folgt geschrieben werden:
Durch Einsetzen von Gleichung 11 in Gleichung 7 und Umstellen erhält man:
Außerdem erhält man durch Einsetzen von Gleichung 10 in Gleichung 17 und Umstellen:
Durch Kombinieren der Gleichungen 21 und 22 erhält man:
Dann erhält man durch Auflösen von Gleichung 20 nach sinα₂, Einsetzen des Ergebnisses in Gleichung 8 und Umstellen:
Dann erhält man durch Kombinieren der Gleichungen 21 und 24:
Durch Einsetzen der Gleichung 23 in Gleichung 25 erhält man:
welche vereinfacht und umgestellt werden kann zu
was die Herleitung der Gleichungen abschließt, die zutreffen, wenn das mobile Gegengewicht 32 in das Wiegen einbezogen wird und die Nutzlast 28 angehoben wird.
Der Fall, bei dem das mobile Gegengewicht 32 in die Wiegephase nicht einbezogen wird, d. h. der mechanische Anschlag während der Wiegephase direkt verschoben wird, wird nun betrachtet. Damit das System ausgeglichen ist, sollte die Summe der Momente um den feststehenden Drehpunkt 36 Null sein, was zu Gleichung 7 führt, wie vorstehend gezeigt ist. In der Wiegekonfiguration – wobei das mobile Gegengewicht 32 von der Feder 96 und dem zweiten Seil 92 getrennt ist – sollte die Summe der Kräfte entlang des Seils Null sein. Das heißt Mg / r = kx. (Gleichung 28)
Wenn keine Nutzlast 28 vorhanden ist, dann ist M = 0 und Gleichung 7 wird zu:
während aus Gleichung 28 wird: 0 = x_np. (Gleichung 30)
Durch Kombinieren der Gleichungen 29 und 30 erhält man:
Dann erhält man durch Einsetzen von x₀ in Gleichung 7:
welche vereinfacht und umgestellt werden kann zu:
Außerdem kann Gleichung 28 umgestellt werden zu: Mg / kr = x. (Gleichung 34)
Dann erhält man durch Kombinieren der Gleichungen 33 und 34:
welche identisch zu Gleichung 16 ist. Schließlich wird δ erhalten, indem die Gleichungen 28 und 30 in Gleichung 17 eingesetzt werden, was zu Gleichung 18 führt und die Herleitung der Gleichungen für den Fall abschließt, bei dem das mobile Gegengewicht 32 in die Wiegephase nicht einbezogen wird.
Die genaue Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren unterstützen und beschreiben die Erfindung, aber der Umfang der Erfindung wird nur durch die Ansprüche definiert. Obwohl einige der besten Arten und andere Ausführungsformen zum Ausführen der beanspruchten Erfindung im Detail beschrieben wurden, existieren verschiedene alternative Konstruktionen und Ausführungsformen zum Umsetzen der Erfindung, welche in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, in die Praxis.

Claims

Ausgleichsunterstützungssystem, umfassend: eine Tragestruktur; eine Unterstützungsvorrichtung, die von der Tragestruktur beweglich getragen wird, wobei die Unterstützungsvorrichtung zur Bewegung relativ zu der Tragestruktur entlang einer X-Achse und/oder einer Y-Achse ausgestaltet ist; eine Masse, die von der Unterstützungsvorrichtung vertikal getragen wird; ein variables Ausgleichssystem, das ausgestaltet ist, um die Masse in eine vertikale Richtung entlang einer Z-Achse zu bewegen, wobei das variable Ausgleichssystem umfasst: eine Ausgleichsplattform; einen Hebel, der an der Ausgleichsplattform an einem feststehenden Drehpunkt drehbar derart angebracht ist, dass der Hebel an dem feststehenden Drehpunkt um eine Ausgleichsachse herum drehbar ist; ein mobiles Gegengewicht, das an dem Hebel relativ zu der feststehenden Ausgleichsachse beweglich zwischen einer Minimalposition und einer Maximposition angeordnet ist; und ein Ausgleichsseil, das die Tragestruktur, den Hebel und die Masse wirksam derart verbindet, dass die Masse über das Ausgleichsseil von der Tragestruktur vertikal getragen wird; wobei die Minimalposition einer Masse entspricht, die ein Minimalgewicht derart aufweist, dass die Masse entlang der Z-Achse statisch ausgeglichen ist; und wobei die Maximalposition einer Masse entspricht, die ein Maximalgewicht derart aufweist, dass die Masse entlang der Z-Achse statisch ausgeglichen ist.
Ausgleichsunterstützungssystem nach Anspruch 1, wobei sich das mobile Gegengewicht bei der Minimalposition näher bei der Ausgleichsachse befindet, als wenn sich das mobile Gegengewicht bei der Maximalposition befindet.
Ausgleichsunterstützungssystem nach Anspruch 2, das ferner eine erste Riemenscheibe umfasst, die an der Tragestruktur wirksam angebracht ist; wobei das Ausgleichsseil um die erste Riemenscheibe herum verläuft und das Ausgleichsseil die Masse und den Hebel wirksam derart verbindet, dass eine Bewegung der Masse entlang der Z-Achse von einer Bewegung der Masse entlang sowohl der X-Achse als auch der Y-Achse entkoppelt ist; und wobei eine vertikale Bewegung der Masse entlang der Z-Achse bewirkt, dass sich der Hebel um die Ausgleichsachse herum dreht.
Ausgleichsunterstützungssystem nach Anspruch 3, das ferner eine zweite Riemenscheibe umfasst, die zwischen der ersten Riemenscheibe und dem Hebel wirksam angeordnet ist; wobei das Ausgleichsseil ferner so definiert ist, dass es um die erste Riemenscheibe und die zweite Riemenscheibe herum verläuft; und wobei die zweite Riemenscheibe mit einem Ende des Hebels wirksam derart verbunden ist, dass ein Drehen des Hebels um die Ausgleichsachse herum bewirkt, dass sich die zweite Riemenscheibe gemeinsam mit einer Bewegung des Endes des Hebels bewegt.
Ausgleichsunterstützungssystem nach Anspruch 3, wobei das mobile Gegengewicht zur Bewegung entlang des Hebels zwischen der Minimalposition und der Maximalposition in Ansprechen darauf ausgestaltet ist, dass sich der Hebel um den feststehenden Drehpunkt dreht.
Ausgleichsunterstützungssystem nach Anspruch 4, wobei das mobile Gegengewicht ferner so definiert ist, dass es ausgestaltet ist, um sich in Ansprechen auf die Schwerkraft entlang des Hebels zu bewegen.
Ausgleichsunterstützungssystem nach Anspruch 5, wobei das variable Ausgleichssystem ferner eine Bremse enthält, die an dem feststehenden Drehpunkt angeordnet ist; wobei die Bremse ausgestaltet ist, um selektiv aktiviert zu werden, um ein Drehen des Hebels um die Ausgleichsachse herum bei dem feststehenden Drehpunkt zu verhindern.
Ausgleichsunterstützungssystem nach Anspruch 6, wobei das mobile Gegengewicht ausgestaltet ist, um mit Bezug auf den Hebel selektiv derart verriegelt zu werden, dass verhindert wird, dass sich das mobile Gegengewicht entlang des Hebels bewegt.
Ausgleichsunterstützungssystem nach Anspruch 1, wobei die Masse ein Greiforgan umfasst, das ausgestaltet ist, um eine Nutzlast selektiv in die vertikale Richtung zu tragen.
Ausgleichsunterstützungssystem nach Anspruch 8, wobei die Unterstützungsvorrichtung umfasst: einen Brückenkran, der an den Schienen beweglich angebracht ist und für eine Bewegung relativ zu den Schienen entlang der Y-Achse ausgestaltet ist; eine Krankatze, die am Brückenkran beweglich angebracht ist und für eine Bewegung relativ zum Brückenkran entlang der X-Achse ausgestaltet ist; wobei sich das Greiforgan von der Krankatze aus wirksam erstreckt.