DE4238795A1

DE4238795A1 - Damping pendulum movement of hanging loads on crane - using microprocessor to control crane movement and load cable length using sensor input of cable angular velocity and acceleration

Info

Publication number: DE4238795A1
Application number: DE19924238795
Authority: DE
Inventors: Edgar Von Dipl Ing Hinueber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-11-17
Filing date: 1992-11-17
Publication date: 1993-07-01

Description

Es ist bekannt, daß pendelnde Lasten an Kransystemen ein sehr hohes Sicherheitsrisiko für Last, Kran und Bedienpersonal dar stellen. Dem Phänomen des Pendelns von Lasten an einem Kran liegen hauptsächlich zwei Ursachen zugrunde:

Um eine Last in endlicher Zeit mit einem Kran von einem Punkt A zu einem Punkt B zu transportieren, muß die Masse der Last über die Kinematik des Kranes beschleunigt und entsprechend wieder abgebremst werden. Da sich die Masse im Schwerefeld der Erde befindet, stellt sie am Kran zusammen mit dessen Zugseil ein physikalisches Pendel dar, d. h. sie ist Teil eines schwingfähigen Systems, dessen Schwingfre quenz in erster Näherung von der Seillänge und der Erd schwere abhängt. Um die Last ohne Überschwingen bewegen zu können, bedarf es einer komplexen Bewegungsstruktur des oberen Pendelseilpunktes.

Äußere Störkräfte wie z. B. Windlasten oder auch eine zeit variante Schwerpunktänderung der Last selbst führen zu Schwingungen der Last, die nur sensoriell erfaßbar sind.

Werden die Pendelbewegungen nicht hinreichend bedämpft, so droht der Last Kollisionsgefahr mit der Umgebung oder dem Kran system selbst. Aufgrund der trägen Masse der Last können aus Pendelbewegungen große dynamische Beanspruchungen auf das ge samte Kransystem resultieren.

Stand der Technik zur Bedämpfung dieser Schwingungen ist, daß der Kranführer mit seinem Expertenwissen die Kranantriebe manu ell so steuert, daß die Schwingungen gedämpft werden. Dies ent spricht einer sehr einfachen Gegenkopplung, die allerdings mit zunehmender Komplexität der kinematischen Ketten auch bei er fahrenem Bedienpersonal immer unvollkommener wird. Bei Fehlein schätzung des Kranführers ist es darüber hinaus möglich, daß ungewollt eine Mitkopplung entsteht, was insbesondere bei zu sätzlichen äußeren Störkräften zu einem ggf. unkontrollierten Anwachsen der Schwingungsamplitude führt und ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt. Es sind nach dem Stand der Technik bisher keine Verfahren bekannt, Pendelschwingungen umfassend und automatisch zu bekämpfen.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Ausprägung schwach gedämpfter Pendelbewegungen von Lasten an beliebigen kinematischen Systemen durch eine hin reichende Bedämpfung mittels einer automatischen aktiven Rege lung der kinematischen Kette sicher zu vermeiden. Im Patentan spruch 2 wird dies auf die Anwendung bei Handhabungs- und Kran systemen konkretisiert.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch aufgeführten Merkmale gelöst. Diese sind gekennzeichnet durch den Einsatz von Drehratensensoren und/oder Beschleunigungsaufnehmern dicht an der pendelnden Last, also z. B. im Kranhaken, in Kombination mit einer geeigneten Signalverarbeitung, die die Sensorsignale auswertet und die Steuersignale für die einzelnen Antriebe der Glieder der kinematischen Kette (Kranantriebe) bereitstellt. Im Gegensatz zum S.d.T. ist es damit möglich, Pendelschwingungen hängender Lasten beliebiger Ursache umfassend und automatisch zu bekämpfen.

Durch die Messung des Winkelgeschwindigkeitsvektors (t) bzw. des Neigungsvektors ϕ(t) der Last bzgl. einem erdober flächenfesten Koordinatensystem kann die Bewegung der Last identifiziert werden (Fig. 1). Als Sensoren eignen sich Drehratensensoren und Drehbeschleunigungssensoren verschie denster Wirkprinzipien (z. B. mechanische, optische Kreisel, Coriolis-basierte Aufnehmer etc.) oder Inklinometer (Servo- Beschleunigungsaufnehmer, Piezo-B-Messer etc.) mit entspre chender Genauigkeit, die im Patentanspruch umfassend als "inertiale Sensoren" bezeichnet sind.

Unter Kenntnis der aus den Meßwerten o.a. Sensoren bestimm baren Auslenkwinkel ϕ(t), ϕ_y(t) der pendelnden Last (vgl. Fig. 1) ist es möglich,

a. durch eine entsprechende Ortsveränderung (x, y, z) des obe ren Seilpunktes des Pendels die Schwingungsamplitude der pendelnden Last zu bedämpfen oder
b. durch eine entsprechende Veränderung der Seillänge (1) des Pendels die Schwingungsamplitude der pendelnden Last zu bedämpfen oder
c. durch eine Kombination der Verfahren a. und b. die Schwin gungsamplitude der pendelnden Last zu bedämpfen.

Die dem Patentanspruch 1 zugrunde liegenden Ansprüche umfassen die Regelung jeder Art von kinematischen Ketten (Systeme mit nur einem translatorischen oder rotatorischen Freiheitsgrad so wie Verknüpfungen von zwei oder mehr translatorisch oder rota torisch gekoppelten Gliedern mit bis zu beliebig vielen Frei heitsgraden) zur Schwingungsdämpfung inkl. Sensorik und Algo rithmik (Signalverarbeitung). Patentanspruch 2 konkretisiert diesen Anspruch insbesondere auf Kran- und Handhabungssysteme (siehe beispielsweise Fig. 1).

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel: Portalkran mit drei Freiheitsgraden. Das Sensorsystem, das die vektorielle Auslen kung (ϕ_x(t), ϕ_y(t)) der Last erlaubt, ist in unmittelbarer Nähe der pendelnden Last angeordnet und erfährt somit die gleichen Beschleunigungen und Drehraten wie die Last selbst.

Claims

1. Verfahren zur aktiven Dämpfung der Pendelamplitude von pen delnden Lasten an kinematischen Ketten, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der pendelnden Masse Inertial-Sensoren (Drehra tensensoren und/oder Beschleunigungsaufnehmer) integriert werden und die Sensorsignale dazu verwendet werden, um Pendelbewegungen der massebehafteten Last durch geregelte Bewegungen der kinematischen Kette automatisch zu dämpfen.

2. Verfahren nach Patent Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kinematische Kette durch ein beliebiges Handha bungssystem mit beliebig vielen Freiheitsgraden verkörpert ist (z. B. beliebige Verladesysteme mit hängenden Lasten, Kransysteme, Industrieroboter etc.) und den sensoriell erfaßten Pendelbewegungen, die aus Nutzbewegungen der kinematischen Kette oder aus externen Störkräften resultieren, über einen geeigneten Signalverarbeitungs- und Regelalgorithmus durch eine automatische Ansteuerung der Stellglieder der kinematischen Kette entgegengewirkt wird.