DE3210450C2

DE3210450C2 -

Info

Publication number: DE3210450C2
Application number: DE3210450A
Authority: DE
Inventors: Hans 8000 Muenchen De Tax; Herbert Dipl.-Ing. 8011 Putzbrunn De Kurz
Original assignee: Vulkan Kocks 2820 Bremen De GmbH
Current assignee: VULKAN KOCKS GMBH, 2820 BREMEN, DE
Priority date: 1982-03-22
Filing date: 1982-03-22
Publication date: 1992-09-10
Also published as: DE3210450A1; US4603783A; EP0089662B1; EP0089662A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung an Hebezeugen für die selbsttätige Steuerung der Bewegung des Lastträgers mit Beruhigung des beim Beschleunigen oder Abbremsen der an ihm hängenden Last auftretenden Pendelns der Last während eines Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitintervalls, umfassend einen Signalgeber zur Abgabe von Lastträgerbewegungssteuerungssignalen zur Bewegungssteuerung eines Lastträgerverfahrmotors, insbesondere durch Vorgabe einer Lastträgerbeschleunigung, wobei der Signalverlauf einem zur Intervallmitte symmetrischen Lastträgerbeschleunigungsverlauf entspricht mit Beschleunigungsmaximalwerten am Intervallanfang bzw. -ende und dazwischenliegenden kleineren, ggf. verschwindenden Beschleunigungminimalwerten.

Aus der US-PS 39 21 818 ist ebenfalls eine Einrichtung der beschriebenen Gattung bekannt. Auch dort ist das die Lastträgerbeschleunigung vorgebende Steuersignal aus zwei Beschleunigungsstufen gebildet, nämlich einer Anfangsperiode mit konstanter Beschleunigung (Beschleunigungsmaximalwert), einer Endperiode mit gleicher konstanter Beschleunigung und einer dazwischenliegenden Zwischenperiode. Während der Zwischenperiode wird der Lastträger gebremst. Durch geeignete Wahl der Beschleunigung während der Anfangs- und der Endperiode und der Abbremsung während der Zwischenperiode können etwas kleinere Beschleunigungszeiten und Beschleunigungswege als nach der DE-AS 11 72 413 erreicht werden.

Die DE-AS 12 09 266 gibt eine der möglichen Arten an, wie ein Abbremsen des Lastträgers gesteuert werden kann. Dabei sind Beschleunigung, Gechwindigkeit und Weg des Lastträgers vor Beginn des Abbremsens beliebig. Soweit physikalisch möglich, wird mit dem angegebenen Verfahren erreicht, daß Lastträger und Last an einem vorbestimmten Zielort gleichzeitig zum Stillstand kommen und daß zu diesem Zeitpunkt die Last pendelfrei am Lastträger hängt. Die Lösung der Aufgabe besteht darin, die Schlußphase einer Abbremsung dann beginnen zu lassen, wenn der Pendelwinkel der Last ein Maximum erreicht. Der Lastträger erfährt ab diesem Zeitpunkt eine stetig veränderliche und von der Zeit nach einer Cosinusfunktion abhängige Verzögerung.

Die Aufgabe der Erfindung liegt demgegenüber darin, daß Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitintervall bei vorgegebener maximaler Fahrmotor-Zugkraft weiter zu verkürzen.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der vom Signalerzeuger erzeugte Signalverlauf einer zwischen den Beschleunigungsmaximalwerten und dem bzw. den ggf. umgekehrtes Vorzeichen annehmenden Beschleunigungsminimalwerten jeweils kontinuierlich oder wenigstens in zwei Stufen monoton fallenden bzw. steigenden Lastträgerbeschleunigung entspricht. Hierbei macht sich die Erfindung die Erkenntnis zunutze, daß der von der Beschleunigung der Last herrührende Anteil an der vom Lastträgerverfahrmotor aufzubringenden Zugkraft von Null am Intervallanfang auf einen Maximalwert in der Intervallmitte kontinuierlich ansteigt und dann wieder hierzu symmetrisch abfällt. Bei konstanter Anfangsbeschleunigung gemäß der bekannten Lösung steigt demnach die aufzuwendende Zugkraft kontinuierlich an, um dann am Ende der Anfangsperiode mehr oder minder stark abzufallen und dann wieder bis zur Intervallmitte anzusteigen. Da bei der Erfindung der von der Lastträgerbeschleunigung herrührende Anteil an der gesamten Zugkraft kontinuierlich oder stufenweise abfällt, treten keine Zugkraftspitzen zwischen Intervallanfang und Intervallende mehr auf. Für den Fall, daß die Masse der Last wesentlich größer ist als die des Lastträgers, kann der Beschleunigungsminimalwert in der Intervallmitte auch im Vergleich zum Beschleunigungsmaximalwert umgekehrtes Vorzeichen annehmen, um eine Zugkraftspitze in diesem Bereich zu vermeiden. Aufgrund dieser Vergleichmäßigung der Zugkraft kann zum einen ein höherer Beschleunigungsanfangswert (=Beschleunigungsmaximalwert) gewählt werden; zum anderen wird auch noch zu späteren Zeitpunkten Beschleunigung- bzw. Abbremsarbeit geleistet, so daß sich insgesamt eine spürbare Verkürzung des Beschleunigungs- oder Abbremszeitintervalls bei vorgegebener maximaler Zugkraft ergibt. Auch kann das Zeitintervall unter den vorstehend angegebenem Grenzfall (halbe Periode) weiter verkürzt werden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der Signalverlauf einem im wesentlichen kosinusförmigen ein- oder mehrperiodischen Lastträgerbeschleunigungsverlauf entspricht mit konstanter Grundbeschleunigung. Ein derartiger Signalverlauf kann schnell und einfach ermittelt werden. Bei besonders kurzer Pendellänge ergeben sich kurze Intervallängen, um auch in diesem Falle keine zu hohen Beschleunigungsmaximalwerte zu erhalten, wird die Beschleunigung bzw. Abbremsung der Last in mehreren aufeinanderfolgenden Perioden der Kosinusform vorgenommen.

Für eine vorbestimmte Pendellänge und eine vorbestimmte Differenz der Geschwindigkeiten vor und nach dem Abbremsen bzw. Beschleunigen steht eine Schar von Kosinuskurven für den Beschleunigungsverlauf zur Verfügung mit variierender Periodenlänge, Amplitude und Grundbeschleunigung, wovon man die den jeweiligen Bedingungen am besten entsprechende auswählen kann. Bei einem vorgegebenen Massenverhältnis von Last und Lastträger entspricht der Signalverlauf bevorzugt einer derart festgelegten Lastträgerbeschleunigung, daß die vom Lastträgerverfahrmotor während des Zeitintervalls zur Beschleunigung von Lastträger und Last aufzuwendende Zugkraft im wesentlichen konstant ist. Ein für diese Zugkraft ausgelegter Fahrmotor wird optimal ausgenützt. Auch ergibt sich im Falle vergleichsweise geringer Fahrwiderstände die Möglichkeit einer einfachen Motorsteuerung, nämlich die der Regelung nach konstantem Motordrehmoment.

Im Falle unterschiedlicher Lastmassen bei im wesentlichen konstanter Pendellänge wird vorgeschlagen, daß der vom Signalgeber erzeugte Signalverlauf jeweils derselbe und derart festgelegt ist, daß die aufzuwendende Zugkraft bei der maximal aufzutretenden Lastmasse im wesentlichen konstant ist. Es ist daher lediglich ein einziger Signalverlauf festzulegen, ohne daß die Gefahr bestünde, daß bei irgendeiner der verwendeten Lastmassen die maximale Zugkraft überschritten wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen erläutert.

Es zeigt

Fig. 1A bis 1D den Verlauf der Bewegungsparameter bei konstanter Zugkraft, nämlich

Fig. 1A die Beschleunigung,

Fig. 1B die Geschwindigkeit,

Fig. 1C den Weg und

Fig. 1D die Zugkraft;

Fig. 2A eine Schar von kosinusförmigen Lastträgerbeschleunigungskurven;

Fig. 2B eine stufenförmige Lastträgerbeschleunigungskurve; und

Fig. Fig. 3 eine stark vereinfachte Ansicht eines Lastträgers mit Last und gesteuertem Fahrmotor.

In den Fig. 1 und 2 ist mit t die Zeit und T bzw. T₁ bis T₆ das Beschleunigungszeitintervall angegeben; b_K ist die Lastträgerbeschleunigung. Im nachfolgend beschriebenen Beispiel wird der Lastträger als Katze bezeichnet, was den Index K erklärt. Es kommen natürlich auch andere Lastträger in Frage, wie z. B. Ausleger. Dementsprechend bezeichnet der Index L die an der Katze an einem Seil oder dergl. hängende Last. Der in Fig. 1A mit b_L bezeichnete Parameter ist also die Lastbeschleunigung.

Fig. 1B zeigt die Geschwindigkeit v_K und v_L von Katze und Last während des Zeitintervalls T. In Fig. 1C ist der jeweilige momentan zurückgelegte horizontale Weg s_K und s_L von Katze bzw. Last angegeben. In Fig. 1D erkennt man den zeitlichen Verlauf der vom Laufkatzenmotor zur Beschleunigung von Katze und Last aufzuwendenden Zugkraft P.

Es läßt sich nachweisen, daß man einen der Beziehung

b_L = C · (1 - cos βt)

gehorchenden Verlauf der Lastbeschleunigung (bzw. -verzögerung erhält (C ist eine Konstante), wobei Katze und Last sowohl zum Zeitpunkt t=0 als auch zum Zeitpunkt

t = T = n · T_o = n · 2π/β

senkrecht übereinanderstehen, wenn für die Katzbeschleunigung b_K folgende Beziehung gilt:

Hierbei ist v_N die Differenz der Geschwindigkeiten nach und vor dem Beschleunigen bzw. Abbremsen; 1 steht für die Pendellänge, g für die Erdbeschleunigung und n für eine ganze Zahl mit den Werten 1, 2, 3 . . . usw.; T_o ist die Periode (Eigenschwingzeit des Pendels), für die folgende Beziehung gilt:

Hierin ist mit b_K (0) der Wert der Katzbeschleunigung zum Zeitpunkt t=0 bezeichnet, welcher gleich dem Beschleunigungsmaximalwert ist.

Aus dem Ausdruck für die Katzbeschleunigung b_k läßt sich durch Integration die Katzgeschwindigkeit wie folgt ermitteln:

Eine weitere Integration ergibt folgende Beziehung für den Katzweg:

Um einer Last eine bestimmte Geschwindigkeitsänderung aufzuprägen, ohne daß anschließend die Last weiterpendelt, ist es also lediglich erforderlich, die Bewegung der Katze durch Vorgabe eines der drei Bewegungsparameter b_K, v_K oder s_K (Gleichung A oder C oder D) unter Berücksichtigung der Periode T_o (Gleichung B) zu steuern.

In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 3 sind diese Parameter eingetragen. Man erkennt eine Last 10, die über ein Tragseil 12 der Länge 1 an einer Laufkatze 14 hängt. Diese ist längs einer horizontalen Schiene 16 verfahrbar, wobei sie von einem elektrischen Fahrmotor 18 angetrieben wird. Der Fahrmotor 18 wird von einer steuerbaren Energieversorgung 20 angetrieben, mit der er über strichpunktiert angedeutete Leitungen 22 verbunden ist. Die Energieversorgung 20 wird von einem Signalgeber 24 gesteuert, mit dem sie über Steuerleitungen 26 verbunden ist. Der Signalgeber 24 gibt das in Fig. 1A dargestellte Katzbeschleunigungssignal b_K vor, woraufhin die Energieversorgung 20 den Fahrmotor 18 derart elektrische Energie zuführt, daß dieser die Laufkatze 14 entsprechend beschleunigt. Da man bei einer derartigen Fahrmotorsteuerung häufig (z. B. bei den Stellmotoren) von einem Lage-Istwert ausgeht und diesen Lage-Istwert entweder unmittelbar mit einem Lage-Sollwert vergleicht oder nach zeitlicher Differenzierung mit einem Geschwindigkeits-Sollwert vergleicht oder, wie im vorliegendem Falle, nach einer zweiten zeitlichen Differenzierung mit einem Beschleunigungs-Sollwert vergleicht, kann man der Bewegungsregelung der Laufkatze auch den Geschwindigkeitsverlauf v_K gemäß Fig. 1B bzw. den Laufweg s_K gemäß Fig. 1C zugrundelegen. Da die Pendelbewegung von der Lastmasse m_l in erster Näherung unabhängig ist, kann für die vorkommenden unterschiedlichen Lastmassen in der Regel die gleiche Bewegungssollkurve (b_K oder v_K oder s_K) vorgegeben werden. Bei bekannter Lastmasse besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit, die zum Beschleunigen von Katze und Last aufzuwendende Zugkraft P (d. h. Gesamtkraft abzüglich der zur Überwindung der Fahrwiderstände aufzuwendenden Kräfte) des Fahrmotors 18 gemäß der zugeordneten Kurve (Fig. 1D) zu steuern.

Fig. 2A zeigt 6 Beschleunigungskurven b_K1 bis b_K6 aus der einer bestimmten Pendellänge l und einer bestimmten Geschwindigkeitsdifferenz v_n zugeordneten Kurvenschar mit n=1. Aus der Anfangsbeschleunigung b_K(0) ergibt sich gemäß vorstehender Gleichung B die Periode T_o sowie gemäß vorstehender Gleichung A der Verlauf der Katzbeschleunigung b_K. Man erkennt, daß die Periode T_o in einem weiten Bereich variiert werden kann und damit das Zeitintervall T=n·T_o (n=1 in Fig. 2). Die Beschleunigungskurve mit dem kürzesten Zeitintervall T₁ ist mit b_K1 bezeichnet, die nächstfolgende mit dem Zeitintervall T₂ mit b_K2 usw. bis b_K6. Ein Sonderfall ist die Kurve b_K4 mit horizontalem Verlauf, die sich dann ergibt, wenn

Die Kurven b_K5 und b_K6 mit negativem Faktor vor der Kosinusfunktion in Gleichung A scheiden im Normalfalle aus, da diese zu einem unerwünschten Spitzenwert der vom Fahrmotor 18 aufzubringenden Zugkraft in der Periodenmitte führen. Für die vom Fahrmotor aufzubringende Beschleunigungs-Zugkraft P gilt nämlich folgende Beziehung:

P = m_L · b_L + m_K · b_K

Wie Fig. 1A zeigt, steigt die Lastbeschleunigung ausgehend von Null auf einen Maximalwert in der Periodenmitte, was nach Multiplikation mit der im allgemeinen die Katzmasse m_K übersteigenden Lastmasse m_L zu einem entsprechend hohen Zugkraftbeitrag in der Periodenmitte führt. Um eine entsprechende Zugkraftspitze in der Periodenmitte zu vermeiden, wird durch entsprechende Wahl der Katzbeschleunigung b_K der von der Katze herrührende Anteil an der Zugkraft entsprechend reduziert und im dargestellten Beispiel sogar auf umgekehrtes Vorzeichen gebracht.

Man kann nun bei gegebenem Massenverhältnis m_K: m_L gerade diejenige Katzbeschleunigung aus der Kurvenschar auswählen, die zu konstanter Zugkraft P während der gesamten Periode führt. Es läßt sich zeigen, daß die mit P₀ bezeichnete konstante Zugkraft folgenden Wert annimmt:

Für den Periodenanfangspunkt gilt:

P₀ = m_K · b_K(0),

woraus die Anfangsbeschleunigung b_K(0) resultiert, die in die Gleichungen A und B einzusetzen ist, woraus sich die Kurvenform b_K gemäß Fig. 1A ergibt. Den Fig. 1A bis 1B liegen folgende Werte zugrunde:

l = 24,85 m,
b_K(0) = 1,22 m/sec²
m_L = 1000 kg
m_K = 427 kg
v_N = 2 m/sec
n = 1

Es ergibt sich eine Schwingungsperiode T_o von 5,47 sec; die konstante Zugkraft P₀ beträgt 522·9,81 N. Soll für die vorgegebene Lastmasse von 1000 kg ein Fahrmotor mit optimal angepaßter maximaler Zugkraft gewählt werden, so ist dies ein Fahrmotor, der für eine Zugkraft von 522 · 9,81 · N zuzüglich der zur Überwindung der Fahrwiderstände aufzubringenden Kraft ausgelegt ist. Der Fahrmotor kann dann über die gesamte Beschleunigung bzw. Abbremsstrecke mit im wesentlichen gleichem Antriebsmoment fahren.

Wird nun bei unveränderter Pendellänge l und Katzmasse m_K eine geringere Lastmasse m_L angehängt, so könnte für dieses neue Massenverhältnis wiederum diejenige Beschleunigungskurve b_k aus der zugeordneten Kurvenschar ausgewählt werden, die zu konstanter Zugkraft P₀ führt, was wiederum besonders gleichmäßigen Lauf der Katze zur Folge hätte. Der Einfachheit halber kann man jedoch auch in vielen Fällen die Beschleunigungskurve b_K unverändert beibehalten, was dann dazu führt, daß die Zugkraft P zur Periodenmitte hin abfällt. Dies ist in Fig. 1D mit einer strichpunktierten Linie dargestellt, für den Fall, daß die Lastmasse m_K nurmehr etwa 410 kg beträgt.

Mit abnehmender Pendellänge l nimmt auch die Periode T_o gemäß Gleichung B ab; dementsprechend wächst die Amplitude der Katzbeschleunigung b_K. Um weiterhin zu vermeiden, daß die maximale Zugkraft überschritten wird, ist es zweckmäßig, das Beschleunigen bzw. Abbremsen während wenigstens zweier aufeinanderfolgender Perioden vorzunehmen, wobei dann n=2 in die Gleichungen A und B einzusetzen wäre. Die gesamte Beschleunigungs- oder Verzögerungszeit T ist das n-fache, also das zweifache der Periode T_o gemäß Gleichung B mit n=2 bzw. das etwa 1,586fache der Periode T_o gemäß Gleichung B mit n=1.

Näherungsweise kann anstelle eines kontinuierlichen Verlaufes der Katzbeschleunigung b_K auch ein stufenweiser Verlauf der Steuerung des Fahrmotors 18 zugrundegelegt werden, wie dies durch die Kurve b_K7 in Fig. 2B angedeutet ist. Man erkennt jeweils 3 Stufen links und rechts von der Intervallmitte T₇/2, die zur Intervallmitte hin in gleicher Weise abfallen und zur Intervallmitte symmetrisch sind.

Vorstehend wurde anhand der Fig. 1A bis 1D zwar lediglich der Anfahrvorgang erläutert, bei dem die Lastgeschwindigkeit vom Werte 0 auf den Wert v_N gebracht wird; es ist jedoch klar, daß der Abbremsvorgang in gleicher Weise vonstatten geht, wobei lediglich die Beschleunigungskurve b_K gemäß Fig. 1A jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen vom Signalgeber 24 der Motorsteuerung zugrundezulegen ist. Um an einen definierten Lastabladepunkt zu gelangen, muß dementsprechend der Abbremsvorgang in einer Entfernung s₀ von diesem Punkt eingeleitet werden, die der in Fig. 1C eingezeichneten Anfahrbeschleunigungsstrecke s₀ entspricht.

Claims

1. Einrichtung an Hebezeugen für die selbsttätige Steuerung der Bewegung des Lastträgers (14) mit Beruhigung des beim Beschleunigen oder Abbremsen der an ihm hängenden Last (10) auftretenden Pendelns der Last (10) während eines Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitintervalls (T), umfassend einen Signalgeber (24) zur Abgabe von Lastträgerbewegungssteuerungssignalen zur Bewegungssteuerung eines Lastträgerverfahrmotors (18), insbesondere durch Vorgabe einer Lastträgerbeschleunigung (b_K), wobei der Signalverlauf einem zur Intervallmitte (T/2) symmetrischen Lastträgerbeschleunigungsverlauf (b_K) entspricht mit Beschleunigungsmaximalwerten (b_K(0)) am Intervallanfang und -ende und dazwischenliegenden kleineren, ggf. verschwindenden Beschleunigungsminimalwerten, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Signalgeber (24) erzeugte Signalverlauf einem zwischen den Beschleunigungsmaximalwerten (b_K(0)) und dem bzw. den ggf. umgekehrtes Vorzeichen annehmenden Beschleunigungsminimalwerten (b_K(T/2)) jeweils kontinuierlich oder in wenigstens zwei Stufen monoton fallenden bzw. steigenden Lastträgerbeschleunigung (b_K) entspricht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverlauf einem im wesentlichen kosinusförmigen ein- oder mehrperiodischen Lastträgerbeschleunigungsverlauf (b_K) entspricht mit konstanter Grundbeschleunigung.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverlauf einer derart festgelegten Lastträgerbeschleunigung (b_K) entspricht, daß die vom Lastträgerverfahrmotor (18) während des Zeitintervalls (T) zur Beschleunigung von Lastträger (14) und Last (10) aufzuwendende Zugkraft (P) im wesentlichen konstant ist (P₀).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei im wesentlichen konstanter Pendellänge (L) für unterschiedliche Lastmassen (m_L) der vom Signalgeber (24) erzeugte Signalverlauf jeweils derselbe und derart festgelegt ist, daß die aufzuwendende Zugkraft (P) bei der maximal aufzutretenden Lastmasse (m_L) im wesentlichen konstant ist (P₀).