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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines Masts einer Vorrichtung zum Austragen von Dickstoff und eine Vorrichtung zum Austragen von Dickstoff.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern einer Bewegung eines (Verteiler-) Masts einer Vorrichtung zum Austragen von Dickstoff und eine Vorrichtung zum Austragen von Dickstoff zur Verfügung zu stellen, die ein möglichst sicheres Betreiben der Vorrichtung ermöglichen.
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Das Verfahren dient zum Steuern einer Bewegung eines Masts einer Vorrichtung, wobei die Vorrichtung zum Austragen von Dickstoff ausgebildet ist. Bei dem Dickstoff kann es sich beispielsweise um Flüssigbeton handeln. Die Vorrichtung kann beispielsweise ein stationärer Verteilermast oder eine Autobetonpumpe sein.
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Der Mast ist in unterschiedlichen Maststellungen bzw. Mastposen positionierbar. Eine Maststellung bzw. Mastpose kann beispielsweise durch eine Drehwinkelstellung des Masts und/oder durch Winkel zwischen verschiedenen Mastsegmenten des Masts definiert sein.
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Zunächst wird eine momentane Maststellung ermittelt, indem beispielsweise geeignete die Maststellung erfassende Sensoren ausgelesen werden. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Weiter wird eine momentane Bewegungsgeschwindigkeit des Masts, insbesondere einer Mastspitze, ermittelt. Die Bewegungsgeschwindigkeit kann beispielsweise dem Betrag eines Geschwindigkeitsvektors an der Mastspitze entsprechen. Auch insoweit sei auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Erfindungsgemäß wird, insbesondere fortlaufend, ein theoretisch notwendiger Bremsweg des Masts bis zum Stillstand des Masts berechnet. Das Berechnen des Bremswegs basiert auf einem (hinsichtlich des Bremswegs optimalen) Brems-Antriebssteuersignal, bei dem Frequenzanteile einer Eigenfrequenz oder Frequenzanteile mehrerer Eigenfrequenzen des Masts unterdrückt sind. Der notwendige Bremsweg wird dann unter Zugrundelegung des Brems-Antriebssteuersignals in Abhängigkeit von der momentanen Bewegungsgeschwindigkeit des Masts berechnet.
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In Abhängigkeit von dem berechneten Bremsweg, der momentanen Maststellung und vorgegebenen Bewegungsgrenzen des Masts erfolgt erfindungsgemäß ein automatisches Abbremsen des Masts durch Ansteuern eines Mast-Antriebs mit dem Brems-Antriebssteuersignal. Mit anderen Worten erfolgt ein automatisches Abbremsen des Masts, sobald erkannt wird, dass der Mast ohne Einleitung einer optimalen Bremsung vorgegebene Bewegungsgrenzen verlassen würde. Die Bewegungsgrenzen werden beispielsweise in Abhängigkeit von einer Abstützkonfiguration der Vorrichtung zum Austragen von Dickstoff bzw. des Masts, und/oder in Abhängigkeit von Arbeitsbereichen/Winkelbereichen, die von einem Bediener vorgegeben sind, und/oder in Abhängigkeit von mechanischen Anschlägen von Gelenken des Masts bestimmt/vorgegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Brems-Antriebssteuersignal in Abhängigkeit von einer momentanen Maststellung eingestellt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist eine Dickstoffförderleitung entlang des Masts angeordnet, durch die Dickstoff von einer Dickstoffpumpe zu einem Dickstoffausbringungsort gefördert wird, wobei das Brems-Antriebssteuersignal in Abhängigkeit von einer örtlichen Verteilung des Dickstoffs in der Dickstoffförderleitung und/oder in Abhängigkeit von einer Dichte des Dickstoffs eingestellt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Brems-Antriebssteuersignal durch Filtern eines Bremsrampen-Signals mit einer Filtercharakteristik derart erzeugt, dass im Frequenzspektrum des Brems-Antriebssteuersignals Frequenzanteile der Eigenfrequenz(en) des Masts, die gegebenenfalls im Bremsrampen-Signal enthalten sind, unterdrückt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform verläuft das Bremsrampen-Signal zeitlich von der momentanen Bewegungsgeschwindigkeit des Masts innerhalb einer Bremsdauer, insbesondere linear, bis zum Stillstand des Masts.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Filtern des Bremsrampen-Signals folgende Schritte auf: Falten des Bremsrampen-Signals im Zeitbereich mit einem Filtersignal, wobei das Frequenzspektrum des Filtersignals keine Frequenzanteile an der Eigenfrequenz bzw. den Eigenfrequenzen des Masts aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform besteht das Filtersignal aus zwei zeitlich beabstandeten Impulsen, wobei der zeitliche Abstand der beiden Impulse der halben Eigenschwingdauer des Masts entspricht.
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Bei Vorrichtung zum Austragen von Dickstoff, wie beispielsweise Autobetonpumpen oder stationären Verteilermasten, ist der Arbeitsraum typisch begrenzt, d.h. der Mast darf sich nur innerhalb bestimmter Bewegungsgrenzen bewegen. Der Arbeitsraum bzw. die Bewegungsgrenzen sind beispielsweise abhängig von einer Abstützkonfiguration, von Arbeitsbereichen/Winkelbereichen, die durch einen Bediener vorgegeben werden, und/oder von mechanischen Anschlägen der Mast-Gelenke.
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Diese Grenzen bzw. Anschläge sollen beim Verfahren des Mastes weder statisch noch dynamisch überschritten werden, um die Standsicherheit zu gewährleisten und die mechanische Beanspruchung möglichst gering zu halten. Dazu muss der Mast bzw. einzelne Gelenke des Masts rechtzeitig und möglichst frei von Schwingungen abgebremst werden.
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Erfindungsgemäß wird der Mast bzw. dessen Gelenke möglichst schwingungsfrei dadurch abgebremst, dass das zum Bremsen verwendete Brems-Antriebssteuersignal frei von Eigenfrequenzen des Masts ist. Mit Hilfe Der Erfindung ist es möglich, während der Bewegung des Masts den aktuell kürzesten, schwingungsfreien Bremsweg zu berechnen und vorzeitig eingreifend zu reagieren. Ausgehend von der aktuellen Mastposition bzw. Maststellung, dem optimalen Bremsweg und den Arbeitsraumgrenzen wird erfindungsgemäß entschieden, ob automatisch abgebremst werden muss, um im erlaubten Arbeitsraum zu bleiben. Wenn nicht gebremst werden muss, wird der Mast wie von einem Bediener gewünscht weiter bewegt.
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Aus der Bremswegberechnung (geschwindigkeits- und systemparameterabhängig) resultieren die (Gelenk-)Winkel des Masts, bei welchen das/die Gelenke zum Stillstand kommen würden. Diese Winkel werden mit den mechanischen Anschlagswinkeln und vorgegebenen Gelenkwinkelgrenzen abgeglichen und ggf. der Bremsvorgang eingeleitet.
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Für die Bremsentscheidung an Arbeitsraumgrenzen können zusätzlich, ausgehend von der Mastgeometrie, die Gelenkendpositionen und/oder Mastspitzenendposition (Vorwärtskinematik) ausgerechnet und mit einer Überschreitung der Arbeitsraumgrenzen abgeglichen werden und ggf. der Bremsvorgang eingeleitet werden.
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Die Einleitung des automatischen Bremsvorgangs kann einem Bediener beispielsweise mittels eines Signaltons zur Warnung mitgeteilt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch als Kollisionsschutz verwendet werden. Wenn der Arbeitsraum überwacht wird, beispielsweise mittels einer Kamera, und bewegte oder unbewegte Hindernisse erkannt und deren Bewegung vorausberechnet werden, ist es mittels der Erfindung möglich, die Bahn des Mastes und die Bahn des Objektes auf Kollision zu prüfen und den Mast gegebenenfalls vor der Kollision anzuhalten.
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Die valide Berechnung des Bremsweges setzt ein möglichst schwingungsfreies Abbremsen des Mastes voraus, was aufgrund des erfindungsgemäß erzeugten Brems-Antriebssteuersignals ermöglicht wird, bei dem Frequenzanteile von Eigenfrequenzen des Masts unterdrückt sind. Werden nämlich durch den Bremsvorgang Schwingungen des Masts induziert, so kann bislang nur die Endposition der Mastspitze bzw. der einzelnen Gelenke nach dem Ausschwingen berechnet werden oder der Bremsvorgang sehr langsam und damit sehr frühzeitig begonnen werden.
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Grenzen wie Arbeitsraumgrenzen, Standsicherheitsgrenzen, vorgegebene Grenzen durch Bediener, Endanschläge, Kollisionsschutz usw. wird/werden erfindungsgemäß durch automatisches, geschwindigkeitsabhängiges und schwingungsfreies Abbremsen nicht überschritten.
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Durch die Kenntnis des Mastverhaltens können Sicherheitsfaktoren, insbesondere dynamische Zuschläge, reduziert werden. Der zulässige Arbeitsbereich wird größer, beispielsweise bei Schmalabstützung. Weiter wird eine Überlastung der Mechanik vermieden, da Schwingungen reduziert bzw. vermieden werden und mechanische Endanschläge mit minimaler Geschwindigkeit angefahren werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt:
- 1 hoch schematisch eine Vorrichtung zum Austragen von Dickstoff und
- 2 ein Bremsrampen-Signal im Zeitbereich und im Frequenzbereich und ein zugehöriges Filtersignal im Frequenzbereich.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100 zum Austragen von Dickstoff DS in Form eines Mastes 1 einer Autobetonpumpe.
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Die Vorrichtung 100 weist einen herkömmlichen, mehrgelenkigen bzw. mehrsegmentigen Mast 1 mit einer Mehrzahl von über Gelenke 8a bis 8e miteinander verbundenen Mastsegmenten 1a bis 1e auf, wobei der Mast 1 in unterschiedlichen Maststellungen positionierbar ist. Verschiedene Maststellungen können sich durch ihre Drehwinkelstellung (siehe Pfeil) unterscheiden und/oder durch die Winkel zwischen den Mastsegmenten 1a bis 1e unterscheiden.
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Die Vorrichtung 100 weist einen hoch schematisch und exemplarisch dargestellten Mast-Antrieb 2 zur Positionierung des Masts 1 bzw. der Mastsegmente 1a bis 1e in den unterschiedlichen Maststellungen auf. Der Mast-Antrieb 2 weist exemplarisch ein Getriebe 2a, eine Hydraulikpumpe 2b und ein Steuerventil 2c auf und bildet ein Drehwerk. Es versteht sich, dass der Mast-Antrieb 2 weitere, nicht dargestellte Komponenten aufweisen kann, beispielsweise jeweilige Hydraulik-Zylinder zwischen den Mastsegmenten 1a bis 1e bzw. Gelenken 8a bis 8e, mittels derer Winkel zwischen den Mastsegmenten 1a bis 1e einstellbar sind. Im Übrigen sei insoweit auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Die Vorrichtung 100 weist weiter eine Dickstoffförderleitung 3 auf, die entlang des Masts 1 angeordnet ist. Durch die Dickstoffförderleitung 3 hindurch wird Dickstoff DS von einer Dickstoffpumpe 4 zu einem Dickstoffausbringungsort an der Mastspitze gefördert.
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Eine exemplarisch dargestellte Steuereinrichtung 5 steuert den Betrieb der Vorrichtung 100.
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Die Bewegungssteuerung des Masts 1 wird nachfolgend beschrieben.
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Zunächst gibt ein Nutzer der Vorrichtung 100 mittels einer Bedieneinrichtung 6, beispielsweise in Form einer Funkfernsteuerung, eine gewünschte Mastbewegung vor, die in ein elektrisches Bewegungssteuersignal BS umgesetzt wird.
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Das Bewegungssteuersignal BS wird mit einer Filtercharakteristik zum Erzeugen eines Antriebssteuersignals AS derart gefiltert, dass im Frequenzspektrum des Antriebssteuersignals AS Frequenzanteile einer Eigenfrequenz fe des Masts 1, die gegebenenfalls im Bewegungssteuersignal BS enthalten sind, unterdrückt werden. Schließlich wird der Mast-Antrieb 2 in Abhängigkeit von dem Antriebssteuersignal AS angesteuert.
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Die Filtercharakteristik kann in Abhängigkeit von einer momentanen Maststellung und/oder in Abhängigkeit von einer örtlichen Verteilung des Dickstoffs DS in der Dickstoffförderleitung 3 und/oder in Abhängigkeit von einer Dichte des Dickstoffs DS eingestellt werden.
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Sobald sich der der Mast 1 in Bewegung gesetzt hat, werden erfindungsgemäß folgende Schritte ausgeführt.
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Es werden fortlaufend mit herkömmlichen Mitteln eine momentane Maststellung sowie eine momentane Bewegungsgeschwindigkeit des Masts 1 bzw. der Mastspitze am Austragungsort des Dickstoffs DS ermittelt.
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Weiter wird fortlaufend ein notwendiger Bremsweg des Masts 1 basierend auf einem Brems-Antriebssteuersignal BAS zum Bremsen des Masts 1 berechnet, wobei bei dem Brems-Antriebssteuersignal BAS Frequenzanteile von einer oder mehreren Eigenfrequenzen fe des Masts 1 unterdrückt sind. Der Bremsweg wird basierend auf dem Brems-Antriebssteuersignal BAS in Abhängigkeit von der momentanen Bewegungsgeschwindigkeit des Masts und in Abhängigkeit von vorgegebenen Bewegungsgrenzen 9 des Masts 1 berechnet.
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Der theoretische Bremsweg kann beispielsweise wie folgt berechnet werden:
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Hierbei bezeichnen:
- takt:
- Aktueller Zeitschritt
- tBrems:
- Bremszeit
- φBrems:
- Bremsweg/-winkel
- f(τ):
- Faltungsfunktion
- v:
- Geschwindigkeitsvektor mit Bedienereingabe der letzten Zeitschritte und Annahme der sofortigen Bremseinleitung
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Der Mast 1 wird automatisch durch Ansteuern des Mast-Antriebs 2 mit dem Brems-Antriebssteuersignal BAS abgebremst, sobald der berechnete Bremsweg mit den vorgegebenen Bewegungsgrenzen 9 zu kollidieren droht. Das auf dem Bewegungssteuersignal BS basierende Antriebssteuersignal AS wird hierzu mit dem Brems-Antriebssteuersignal BAS überschrieben.
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Das zum Bremsen verwendete Brems-Antriebssteuersignal BAS wird durch Filtern eines Bremsrampen-Signals BRS mit einer Filtercharakteristik derart erzeugt, dass im Frequenzspektrum des Brems-Antriebssteuersignals BAS Frequenzanteile der Eigenfrequenz fe des Masts 1, die gegebenenfalls im Bremsrampen-Signal BRS enthalten sind, unterdrückt werden.
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Das Bremsrampen-Signal BRS verläuft zeitlich von der momentanen Bewegungsgeschwindigkeit vm des Masts 1 innerhalb einer Bremsdauer tb bis zum Stillstand des Masts 1 linear.
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Das Bremsrampen-Signal BRS wird im Zeitbereich mit einem Filtersignal FS gefiltert, wobei das Frequenzspektrum des Filtersignals FS keine Frequenzanteile an der Eigenfrequenz fe des Masts 1 aufweist.
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Das Filtersignal FS besteht aus zwei zeitlich beabstandeten Impulsen P1, P2, siehe 1, wobei der zeitliche Abstand der beiden Impulse P1, P2 der halben Eigenschwingdauer des Masts 1 entspricht.
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Einen Spezialfall stellen Mastgelenke 8a bis 8e mit entsprechenden Gelenk-Kinematiken dar. Hier werden erfindungsgemäß Geschwindigkeiten der Gelenkpunkte bzw. Hydraulik-Zylinder mit dem eigenfrequenzfreien Antriebssteuersignal AS bzw. Brems-Antriebssteuersignal BAS gestellt. Die translatorische Bewegung der Hydraulikzylinder wird über die Gelenkkinematik in eine rotatorische Bewegung der Gelenkpunkte überführt. Damit die Gelenkpunkte die eigenfrequenzfreie Bewegung durchführen, wird das Antriebssteuersignal AS bzw. das Brems-Antriebssteuersignal BAS für die Hydraulik-Zylinder über eine Gelenk-Kinematik-Übertragungsfunktion zusätzlich umgerechnet.
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Der Mast 1 kann eine oder mehrere Eigenschwingdauern aufweisen, die von der Maststellung abhängen. Zu beachten ist, dass dieselbe Position der Mastspitze mit unterschiedlichen Maststellungen erreicht werden kann und somit der Mast 1 bei gleicher Mastspitzenposition verschiedene Eigenschwingdauern aufweisen kann.
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Die Eigenschwingdauern zu unterschiedlichen Maststellungen können in einem Kennfeld 7 hinterlegt sein und mittels Interpolation für die aktuelle Maststellung berechnet werden. Das Kennfeld 7 zeichnet sich durch eine komplexe Struktur im 6-dimensionalen Raum (bei 5 Gelenken zwischen den Mastsegmenten + leere und volle Förderleitung) aus, da es jede Gelenkwinkelkombination beinhalten muss.
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Das Kennfeld kann beispielsweise durch Messungen an der Vorrichtung 100 und/oder durch Berechnung anhand von Simulationsmodellen im Voraus befüllt werden. Es ist denkbar, dass das Kennfeld 7 während des Betriebs der Vorrichtung 100 bei auftretenden Schwingungen durch Messen der Eigenschwingdauern mit einem Lernalgorithmus stetig verbessert wird.
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Eine weitere Möglichkeit die Eigenschwingdauer zu bestimmen ist die ständige Berechnung durch ein in der Steuereinrichtung 5 hinterlegtes mathematisches Modell des Masts 1 bzw. der Vorrichtung 100.
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Der Vorteil der Kennfeldvariante und der Modellberechnung liegt darin, dass an der Vorrichtung 100 keine Schwingungen auftreten müssen, um die Eigenschwingdauer zu bestimmen.
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Weitere Ausgestaltung ist die permanente Messung der Eigenfrequenz und ggf. der Dämpfungsrate durch geeignete Sensoren. Zum Beispiel kann ein Positions- oder Beschleunigungssensor an der Mastspitze geeignet angeordnet sein, um Schwingungen des Systems bzw. des Masts 1 zu detektieren.
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Alternativ können die Kennfeld-Parameter auch aus einem Motordrehmoment/Motordrehstrom und/oder den hydraulischen Drücken der Gelenke 8a bis 8e bestimmt werden. Die Berechnung erfolgt aufgrund vorhandener Schwingungen, die mittels Fast Fourier Transformation ausgewertet werden können.
