DE4011260A1 - Messeinrichtung und messverfahren an einem hubmittel, insbesondere einem unter last stehenden hubseil fuer hebeeinrichtungen - Google Patents
Messeinrichtung und messverfahren an einem hubmittel, insbesondere einem unter last stehenden hubseil fuer hebeeinrichtungenInfo
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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 Sx und Sy lassen sich mit
Gleichgewichtsbetrachtungen wie aus Fig. 3 ersichtlich durch die
kartesischen Kraftkomponenten K1x, K1y, K2x und K2y wie folgt
ausdrücken:
Sx = K2x-K1x (2)
Sy = K1y+K2y (3)
Unter Zuhilfenahme der Winkel b₁ und b₂ können wiederum die kartesischen
Kraftkomponenten K1x, K1y, K2x und K2y durch die gemessenen Kräfte K₁
und K₂ ausgedrückt werden.
K1x = K₁ sin b₁ (4)
K1y = K₁ cos b₁ (5)
K2x = K₂ sin b₂ (6)
K2y = 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 ax, ay eingezeichnet. Die Winkelkomponente ax
ist z. B. der Pendelwinkel in Kranfahrrichtung und die Winkelkomponente
ay der Pendelwinkel in Katzfahrrichtung. Die Bestimmung dieser beiden
Winkelkomponenten ax 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
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