DE4011260A1 - Messeinrichtung und messverfahren an einem hubmittel, insbesondere einem unter last stehenden hubseil fuer hebeeinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung und ein Meßverfahren an einem Hubmittel, insbesondere einem unter Last stehenden Hubseil für Hebeeinrichtungen.

Aus der DE-OS 21 15 587 ist eine Meßeinrichtung zur Erfassung der Seilauslenkung für eine Ladevorrichtung, insbesondere für selbsttätigen Ladebetrieb bekannt. Die Seilauslenkung wird in den Fahrrichtungen der Ladevorrichtung und der Laufkatze erfaßt. Die Ladevorrichtung besteht im wesentlichen aus einer verfahrbaren Hubvorrichtung, die über mehrere Hubseile mit einer Greifereinrichtung für einen Container verbunden ist. Die Meßeinrichtung ist an einem Seilende an der Hubvorrichtung angeordnet und besteht hauptsächlich aus zwei in um 90° versetzten Achsen nach Art einer Kardanlagerung gelagerten Bügeln, die mit einem Ring das vertikale Hubseil umfassen. Eine Seilauslenkung bedingt eine Schwenkbewegung der kardanischen Achsen. Die Schwenkbewegung wird über Zahnsegmente von Potentiometern abgegriffen. Die Potentiometer sind an einer Signalverarbeitungseinrichtung zur Bestimmung der Seilauslenkung angeschlossen.

Diese Meßeinrichtung erweist sich als nachteilig, da die Genauigkeit der Bestimmung der Seilauslenkung allein durch die Linearitätsfehler der Potentiometer für eine Anwendung mit z. B. automatischen Pendelausgleichssteuerungen unzureichend ist.

Außerdem sind nach dem oben beschriebenen Meßprinzip arbeitende Meßeinrichtungen betriebsintern bekannt, die an einem zusätzlich zu den Hubseilen gespannten Meßseil angeordnet sind. Das Meßseil wird von einem Stillstandsmotor unter Spannung gehalten. Der bauliche Aufwand für diese Meßeinrichtung erhöht sich nachteilig durch das zusätzliche Meßseil in Verbindung mit dem Stillstandsmotor.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung zu schaffen und ein Meßverfahren anzugeben, die mit einfachen Mitteln bei hoher Genauigkeit aussagefähige Meßwerte sowohl zur Erfassung und Bestimmung der am Hubmittel, insbesondere an einem Hubseil, angreifenden Kräfte einschl. der Gewichtskraft, der daran befindlichen Last und des Pendelwinkels des Hubmittels, als auch als Meßwertgeber für eine Pendelausgleichsssteuerung geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Meßeinrichtung an einem Hubmittel, insbesondere einem unter Last stehenden Hubseil für Hebeeinrichtungen dadurch gelöst, daß an einem an einer Hubvorrichtung angeordneten Tragelement mindestens zwei Kraftaufnehmer über je ein Traggelenk befestigt und die freien Enden der Kraftaufnehmer über ein gemeinsames Gelenk miteinander verbunden sind, daß an dem Gelenk das Hubmittel angreift und daß die Kraftaufnehmer zur Übertragung der kraftproportionalen Meßsignale an eine Signalverarbeitungseinrichtung angeschlossen sind.

Die Erfindung macht gleichermaßen ein gattungsgemäßes Meßverfahren verfügbar. Das Meßverfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die an einem Gelenk angreifende und in ein Tragelement eingeleitete Seilkraft von mindestens zwei Kraftaufnehmern gemessen wird und daß durch eine Signalverarbeitung aus den kraftproportionalen Meßsignalen der Kraftaufnehmer und aus der festen geometrischen Anordnung der Kraftaufnehmer zueinander der Pendelwinkel des Hubmittels sowie ggf. die Seilkraft und die Gewichtskraft bestimmt werden.

Erfindungsgemäß erzielt die gattungsgemäße Meßeinrichtung mit der speziellen geometrischen Anordnung und Aufhängung der Kraftaufnehmer eine gezielte Einleitung der zu messenden eindimensionalen Kraftkomponenten der Seilkraft. Hierdurch werden die vorzugsweise als Zugmeßstäbe mit Dehnungsmeßstreifen ausgebildeten Kraftaufnehmer nur in ihrer Beanspruchungsrichtung belastet und erzielen genaue Meßwerte. Die Verwendung von zwei Meßwertaufnehmern ermöglicht eine Bestimmung des Pendelwinkels in einer Fläche, die von den durch die Beanspruchungsrichtung beschreibbaren Geraden aufgespannt wird.

In z. B. Krananlagen pendelt die aufgehängte Last durch die Kranfahrt und die Katzfahrt auf einer etwa elliptischen Bahn in zusätzlicher Abhängigkeit von der Seillänge. Die Bestimmung der Lage des Seiles ist mit einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung mit mindestens drei Meßwertaufnehmern möglich. Die Signalverarbeitungseinrichtung bestimmt hierbei den Pendelwinkel jeweils in z. B. Katzfahrt- und Kranfahrt-Richtung. Die drehsymmetrische Anordnung der Meßwertaufnehmer um eine durch den Schwenkmittelpunkt des Hubseiles verlaufende senkrechte Achse hat sich als vorteilhaft erwiesen. Eine Beschränkung des zu messenden Pendelwinkels auf die Größe des Winkels zwischen der Geraden der Beanspruchungsrichtung und der senkrechten Achse gewährleistet eine Belastung der Meßwertaufnehmer nur in Zugrichtung.

Das Meßverfahren erreicht über die Zerlegung der Seilkraft in mindestens zwei Kraftkomponenten und deren Messung, sowie über die Auswertung der geometrischen Anordnung und des Verhältnisses der Kraftkomponenten eine Bestimmung des Pendelwinkels eines Tragseiles mit hoher Genauigkeit. Die Genauigkeit der Pendelwinkelbestimmung ermöglicht die Anwendung dieses Meßverfahrens und der Meßeinrichtung als winkelgebende Einheit für Pendelausgleichssteuerungen in Automatikkrananlagen. Die Ausgestaltung der Signalverarbeitung mit einer vorzugsweise als Mikroprozessor ausgeführten Recheneinheit hat den Vorteil, daß zusätzlich die Seilkraft aus dem Pendelwinkel und den Kraftkomponenten bestimmt werden kann. Die ermittelte Seilkraft ist dann als Eingangsgröße für Überlastsicherungen von Hebeeinrichtungen verwendbar. Aus der Kombination der bestimmten Seilkraft und des Pendelwinkels läßt sich leicht die Gewichtskraft einer pendelnd aufgehängten Last bestimmen.

Beim Anheben von Lasten soll Schrägzug vermieden werden, weil die freiwerdende Last danach eine unkontrollierte Pendelbewegung ausführt, die zu einer Gefährdung von Personen und Sachen führt. Mit einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, die die Zugkraft und den Auslenkwinkel gleichzeitig erfaßt, kann das Schräganziehen von Lasten erkannt und verhindert werden.

Das Meßverfahren und die Meßeinrichtung bieten durch die wahlweise Bestimmung von Pendelwinkel, Seilkraft und Gewichtskraft in einer Meßeinheit, sowie die Anwendungsmöglichkeit als Meßwertgeber für Pendelausgleichssteuerungen große Vorteile für eine wirtschaftliche und kompakte Bauweise.

Aus der DE 26 39 762 C3 ist zwar eine Lastmeßeinrichtung für Hebezeuge mit einem im Hubseilverlauf angeordneten Zugmeßstab bekannt, jedoch ist hier nicht die Möglichkeit zur Bestimmung des Pendelwinkels des Tragseiles gegeben. Außerdem wird die Lastanzeige bei pendelnder Last verfälscht.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsformen mit zwei und drei Kraftaufnehmern anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht der Meßeinrichtung mit zwei Kraftaufnehmern,

Fig. 2 eine schematische Schaltungsanordnung der Signalverarbeitungseinrichtung,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht der Meßeinrichtung mit eingezeichneten Kräften,

Fig. 4 eine schematische Ansicht der Meßeinrichtung mit drei Kraftaufnehmern.

Die Fig. 1 ist eine Meßeinrichtung an einem Hubseil mit zwei Kraftaufnehmern 1 dargestellt. Die Kraftaufnehmer 1 sind jeweils mit einem Ende 2 über ein Traggelenk 4 mit einem Tragelement 5 verbunden. Das Tragelement 5 kann Bestandteil einer nicht dargestellten Laufkatze einer Krananlage sein, an der über die Meßeinrichtung das Seilende eines als Flaschenzug ausgeführten Hubmittels 10 angreift. Die Traggelenke 4 sind als Bolzenverbindungen ausgeführt. Je ein Gelenkbolzen 6 verbindet Laschen 7 des Tragelementes 5 mit den mit ballig abgerundeten Bohrungen versehenen oberen Enden 2 der Kraftaufnehmer 1. Die unteren Enden 3 der Kraftaufnehmer 1 sind gemeinsam über weitere als Bolzenverbindungen ausgebildete Verbindungsgelenke 11 an einem Verbindungsköprer 8 angeordnet. Der Verbindungskörper 8 ist an dem dem Tragelement 5 abgewandten Ende über ein weiteres Gelenk 9 mit dem Hubseil 10 verbunden.

Die Beanspruchungsrichtung der als Zugmeßstäbe ausgebildeten Kraftaufnehmer 1 ist durch eine Gerade g beschreibbar. Die Kraftaufnehmer 1 sind so angeordnet, daß sich die Geraden g in einem Schwenkmittelpunkt M des Gelenkes 9 schneiden. Außerdem ist die Lage der Meßwertaufnehmer 1 durch einen Winkel b zwischen den Geraden g und einer durch den Schwenkmittelpunkt M senkrecht verlaufenden Achse v beschreibbar. Der Pendelwinkel a bezeichnet den Ausschlag des Tragseiles 10 von der senkrechten Achse v aus gemessen.

Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung der Signalverarbeitung der Meßeinrichtung. Die als Zugmaßstäbe ausgebildeten Kraftaufnehmer 1 erzeugen in ihren Dehnungsmeßstreifen 1a eine kraftproportionale elektrische Spannung, die von elektronischen Verstärkern 12 verstärkt und an eine Abtast- und Halteschaltung 13 weitergeleitet wird. Eine als Mikroprozessor ausgeführte Recheneinheit 14 steuert u. a. den Abtastzeitpunkt und ein nachfolgendes serielles Aufschalten der gespeicherten Spannungssignale auf einen nachfolgenden Analog-Digital-Wandler 15. Der Analog-Digital-Wandler 15 gibt einen digitalen Wert der gemessenen Kraftsignale für die arithmetische Verarbeitung durch die Recheneinheit 14 aus. Mit Hilfe allgemein bekannter Zusammenhänge aus der technischen Mechanik bestimmt die Recheneinheit den Pendelwinkel a, die Seilkraft S und die Gewichtskraft F. Je nach Anwendungsfall können diese Wert für z. B. eine Anzeige des Lastgewichtes oder als Eingangsgröße für eine Pendelausgleichssteuerung verwendet werden.

Anhand der Fig. 3 wird der Rechengang der als Mikroprozessor ausgeführten Recheneinheit 13 erläutert. Es ist die Seilkraft S in einem geschlossenen Kräftedreieck mit den auf ihren Wirkungslinien verschobenen von den Kraftaufnehmern 1 gemessenen Kraftkomponenten K₁ und K₂ dargestellt. Die drei Kräfte S, K₁ und K₂ sind zusätzlich durch ihre kartesischen Kraftkomponenten in x- und y-Richtung dargestellt. Der Mikroprozessor berechnet den Pendelwinkel a aus dem trigonometrischen Zusammenhang

Die Kraftkomponenten S_x und S_y lassen sich mit Gleichgewichtsbetrachtungen wie aus Fig. 3 ersichtlich durch die kartesischen Kraftkomponenten K_1x, K_1y, K_2x und K_2y wie folgt ausdrücken:

S_x = K_2x-K_1x (2)

S_y = K_1y+K_2y (3)

Unter Zuhilfenahme der Winkel b₁ und b₂ können wiederum die kartesischen Kraftkomponenten K_1x, K_1y, K_2x und K_2y durch die gemessenen Kräfte K₁ und K₂ ausgedrückt werden.

K_1x = K₁ sin b₁ (4)

K_1y = K₁ cos b₁ (5)

K_2x = K₂ sin b₂ (6)

K_2y = K₂ cos b₂ (7)

Setzt man die Gleichungen (2)-(7) in die Ausgangsgleichung (1) ein, so erhält man als Formel für die Bestimmung des Pendelwinkels a:

Mit der Annahme, daß nach der vorzugsweisen Ausgestaltung der Meßeinrichtung die Winkel b₁ und b₂ gleich sind, folgt:

Der Betrag der Seilkraft S und der Gewichtskraft F ergeben sich aus den folgenden Formeln:

F = S cos a (11)

In Fig. 4 ist eine Meßeinrichtung mit drei Kraftaufnehmern 1 schematisch dargestellt. Die Kraftnehmer 1 sind über je ein Traggelenk 4 an einem Tragelement 5 befestigt. Die freien Enden 3 der Kraftaufnehmer 1 laufen in einem Gelenk 9 zusammen. Zur Verdeutlichung der Richtungen ist hier ein x-, y-, z-Koordinatensystem eingezeichnet. Im Gegensatz zu den in dem vorigen Figuren verwendeten x-, y-Koordinatensystem ist hier die vertikale Achse v in z-Richtung dargestellt. Zur Vereinfachung der schamtischen Darstellung ist nur ein Winkel b zwischen einer Geraden g, die durch die Gelenke 4 und 9 verläuft, und der vertikalen Achse v und ein Abstand c zwischen dem Gelenk 4 und der vertikalen Achse v in x-, y-Ebene dargestellt. An dem Gelenk 9 greift ein Hubmittel 10 und dadurch gleichzeitig eine Seilkraft S an. Unter Hubmittel sind im Sinne der Erfindung Seile, Ketten, Gurte oder dergleichen zu verstehen. Zwischen dem Hubmittel 10 und der vertikalen Achse v ist eine Pendelwinkel a mit seinen kartesischen Komponenten a_x, a_y eingezeichnet. Die Winkelkomponente a_x ist z. B. der Pendelwinkel in Kranfahrrichtung und die Winkelkomponente a_y der Pendelwinkel in Katzfahrrichtung. Die Bestimmung dieser beiden Winkelkomponenten a_x und _y wird durch die Signalverarbeitungseinrichtung aus den kraftproportionalen Meßsignalen der Kraftaufnehmer 1 bestimmt.

Claims (13)

1. Meßeinrichtung an einem Hubmittel, insbesondere einem unter Last stehenden Hubseil für Hebeeinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß an einem an einer Hubvorrichtung angeordneten Tragelement (5) mindestens zwei Kraftaufnehmer (1) über je ein Traggelenk (4) befestigt und die freien Enden (3) der Kraftaufnehmer (1) über ein gemeinsames Gelenk (9) miteinander verbunden sind, daß an dem Gelenk (9) das Hubmittel (10) angreift und daß die Kraftaufnehmer (1) zur Übertragung der kraftproportionalen Meßsignale an eine Signalverarbeitungseinrichtung (12-15) angeschlossen sind.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenk (9) in Belastungsrichtung außerhalb einer die Traggelenke (4) verbindenden Ebene angeordnet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (c) zwischen den Traggelenken (4) und einer senkrecht durch den Schwenkmittelpunkt (M) des Gelenkes (9) verlaufenden Achse (v) gleich sind.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (c) so gewählt sind, daß die von der senkrechten Achse (v) und den durch die Traggelenke (4) und das Gelenk (9) verlaufenden Geraden (g) eingeschlossenen Winkel (b) 30° betragen.

5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Traggelenke (4) der Kraftaufnehmer (1) in einer horizontalen Ebene angeordnet sind.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Traggelenke (4) gleichmäßig verteilt auf einem konzentrisch zur Achse (v) verlaufenden, gedachten Kreis angeordnet sind.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß drei Kraftaufnehmer (1) vorgesehen sind und daß deren Gelenke (4, 9) in den Eckpunkten einer gedachten Pyramide mit gleichschenkliger Dreiecksgrundfläche liegen.

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftaufnehmer (1) mit ihren von dem Tragelement (5) abgewandten Enden (3) über Verbindungsgelenke (11) an einem gemeinsamen Verbindungskörper (8) angeordnet sind und daß der Verbindungskörper (8) auf der den Kraftaufnehmer (1) gegenüberliegenden Seite das Gelenk (9) aufnimmt.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftaufnehmer (1) als Zugmeßstäbe mit Dehnungsmeßstreifen ausgebildet sind.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Signalverarbeitungseinrichtung (12-15) mit mindestens einem die kraftproportionalen Meßsignale verstärkenden elektronischen Verstärker (12), einer die verstärkten Meßsignale speichernden und getaktet weitergebenden Abtast- und Halteschaltung (13) einem die getakteten Meßsignale umwandelnden Analog-Digital-Wandler (15) und einer aus den digitalen Meßsignalen den Pendelwinkel, sowie ggf. die Seilkraft und die Gewichtskraft bestimmenden Recheneinheit (14).

11. Meßverfahren an einem Hubmittel, insbesondere einem unter Last stehenden Hubseil für Hebeeinrichtungen unter Verwendung der Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die an einem Gelenk (8) angreifende und in ein Tragelement (5) eingeleitete Seilkraft (S) von mindestens zwei Kraftaufnehmern (1) gemessen wird und daß durch eine Signalverarbeitung (12-15) aus den kraftproportionalen Meßsignalen der Kraftaufnehmer (1) und aus der festen geometrischen Anordnung der Kraftaufnehmer (1) zueinander der Pendelwinkel (a) des Hubmittels (10), sowie ggf. die Seilkraft (S) und die Gewichtskraft (F) bestimmt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Signalverarbeitung (12-15) die Signale von den Kraftaufnehmern (1) verstärkt, die verstärkten Meßsignale von einer Abtast- und Halteeinheit (13) zwischengespeichert und getaktet an einen Analog-Digital-Wandler (15) weitergeleitet, die weitergeleiteten Meßsignale von dem Analog-Digital-Wandler (15) umgewandelt und aus den digitalen Meßsignalen von einer Recheneinheit (14) der Pendelwinkel (a) sowie ggf. die Seilkraft (s) und die Gewichtskraft (F) der bestimmt werden.

13. Anwendung der Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10 als Meßwertgeber für Pendelausgleichssteuerungen an Automatikkrananlagen.