DE4415029A1 - Steuerung des Lastenaufnahmepunktes K eines Kranes oder Baggers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerung des Lastaufnahmepunktes K eines Kranes oder Baggers gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei derartigen Arbeitsmaschinen wird der Lastaufnahmepunkt bei Betätigung eines einzigen hydraulischen Antriebes nicht nur gesenkt bzw. gehoben oder die Ausladung des Auslegersystems verändert, sondern die Bewegung erfolgt auf gekrümmten Bahnen. Das heißt, daß sich bei Betätigung eines Hydraulikantriebs außerdem das Verhältnis zwischen horizontaler und vertikaler Bewegung des Lastaufnahmepunktes in Abhängigkeit von der Auslegerstellung verändert. Damit ist die Bedienung bei hohen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit außerordentlich schwierig und nur von einem versierten Bediener über einen begrenzten Zeitraum beherrschbar.

Nach DD 2 47 937 ist ein Verfahren zur Führung von Arbeitsgeräten auf beliebigen, mathematisch formulierbaren Bewegungsbahnen bekannt, das die dazugehörigen Neigungswinkel der Auslegerteile in entsprechender Abhängigkeit voneinander in verschiedenen Bahnabschnitten steuern will.

Nachteil des Verfahrens ist, daß die auftretenden Kräfte weitestgehend unberücksichtigt bleiben; die Steuerung soll allein aus der Erfassung der Neigungswinkel an den einzelnen Auslegern erfolgen. Damit werden die realen Verhältnisse bei Kran oder Bagger nicht widergespiegelt, und eine effektive Steuerung ist nicht möglich.

Nach DE 40 09 163 ist ein Bagger mit automatischer Parallelhaltung seines von Hand steuerbaren Arbeitsgeräts und Auslegersystems durch Sensoren bekannt. Zur Funktion ist die druckmäßige Rückwirkung von einer Bezugsebene notwendig. Damit ist diese Lösung z. B. für Krane nicht anwendbar, da eine derartige Bezugsebene fehlt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Krane oder Bagger der eingangs genannten Art für den Bediener leicht steuerbar zu machen; die im Auslegersystem und in den Antrieben wirkenden Kräfte sind dabei zu berücksichtigen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den in den Ansprüchen genannten und im Ausführungsbeispiel näher erläuterten Mitteln gelöst.

Wie zu jedem vom Steuerrechner vorgegebenen Zeittakt, so ist auch zu Beginn einer Bewegung die Ausgangsposition des Lastaufnahmepunktes mit den Koordinaten r_K und z_K in der Auslegerebene bekannt. Dazu werden die augenblicklichen Kolbenhübe mittels der Lagesensoren ermittelt und durch den Steuerrechner über Winkelfunktionen die Lage der Auslegerpunkte berechnet. Durch Betätigung z. B. des für die vertikale Lastbewegung zuständigen Steuerhebels werden die Geschwindigkeit _K und die Beschleunigung _K vorgegeben. Daraus ergibt sich der nach jedem Zeittakt aktuelle Lastweg z_K. Der Steuerrechner berechnet taktweise die dazugehörigen Kolbenhübe l₁, . . ., l_n, die Kolbengeschwindigkeiten l , . . ., l , und die Kolbenbeschleunigungen l , . . ., l . Aus der Sicht der Antriebssteuerung stellen die Kolbengeschwindigkeiten und -beschleunigungen die den einzelnen Hydraulikzylindern taktweise zur Verfügung zu stellenden Ölmengen dar. Eine entsprechende Regelung nimmt diese Zuteilung vor; in Proportionaltechnik ausgeführte Steuerventile für die Hydraulikzylinder sind Voraussetzung für die Regelungsstruktur.

Der Bediener setzt die von ihm gewünschte Lastbahn aus Vertikal- und Horizontalkomponente zusammen, er bedient also im allgemeinen gleichzeitig noch den für die Horizontalbewegung der Last zuständigen Steuerhebel. Die funktionellen Zusammenhänge bei der Horizontalbewegung sind denen bei der oben geschilderten Vertikalbewegung analog. Bei gleichzeitiger Betätigung beider Steuerhebel überlagert der Steuerrechner die von ihm für die beiden Bewegungskomponenten ermittelten Werte für die Anforderungen an die Regelung.

Die gedankliche Zerlegung einer Lastbewegung in ihre Vertikal- und Horizontalkomponente kommt dem menschlichen Vorstellungsvermögen entgegen. Somit entspricht diese Art der Steuerung in idealer Weise den Bedürfnissen eines Bedieners. Schon für z. B. das Heben oder Senken einer Last wird der Bediener von aufwendigen Korrekturbewegungen vollständig entlastet. Durch die Möglichkeit der Steuerung in horizontalen und vertikalen Bahnkomponenten ist also eine leichte Steuerbarkeit des Lastaufnahmepunktes K eines Kranes oder Baggers gegeben.

Durch die erfindungsgemäße Art der Steuerung über die Kolbenhübe mit Berücksichtigung der Kolbengeschwindigkeiten und Kolbenbeschleunigungen sind die im Auslegersystem und an den Zylindern auftretenden Kräfte bei Verwendung des entsprechenden im Steuerrechner implementierten Algorithmus jederzeit bekannt, und sie können auch mit für eine optimale Steuerung eingesetzt werden.

Die an den Zylindern auftretenden Kräfte können außerdem durch die laufenden Messungen des Öldrucks auf beiden Seiten jedes Zylinders ermittelt werden. Durch Vergleich des Bordrechners mit den berechneten Kräften steht dann z. B. am Kran die am Lastaufnahmepunkt K angeschlagene Nutzmasse fest. Daraus kann der Bordrechner für diesen Lastfall optimale Reglerparameter ermitteln und durch Summation der Nutzmassen beispielsweise am Schichtende die Umschlagleistung des Krans ausweisen.

Unter "optimaler Steuerung" soll folgende Verfahrensweise verstanden werden: Sobald die Steuerung z. B. in die Nähe der Leistungsgrenzen der installierten Hydraulikpumpe(n) gelangt - zum einen reicht die Pumpen-Fördermenge nicht mehr aus, um die aktuellen vorgesehenen Kolbengeschwindigkeiten zu realisieren, zum anderen wird die aktuelle Druckreserve für die Bewältigung der gerade anstehenden Kolbenbeschleunigung zu klein -, können auf Grund der selbsttätigen Anpassung durch den Steuerrechner solche Grenzfälle vermieden werden. Der Steuerrechner setzt bei derartigen Situationen für die erforderliche Zeit die Regelung außer Betrieb und bringt taktweise die Bedienhebel-Vorgaben mit den lieferbaren Hydraulikwerten in Übereinstimmung.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Balancekranes mit zwei Arbeitszylindern,

Fig. 2 ein Beispiel für eine Kranarbeitsbewegung mit den interessierenden Wegen, Geschwindigkeiten und Beschleunigungen,

Fig. 3 die zum Beispiel gehörenden Zylinderkräfte.

In Fig. 1 ist das Gelenkviereck ABCD eines Balancekranes mit Ausleger DK und Lastaufnahmepunkt K dargestellt. Das Gelenkviereck ist um den Punkt E schwenkbar gelagert. Der Zylinder 1 zwischen den Punkten J und H übernimmt die Verstellung des gesamten Auslegersystems gegenüber dem feststehenden Kranportal EL. Dabei beschreibt der Punkt K, sofern Zylinder 2 nicht betätigt wird, eine Kreisbahn. Die aktuelle Stellung wird durch die Zylinderlänge l₁ (Kolbenhub) festgelegt; l₁ und die dazugehörige Geschwindigkeit l und Beschleunigung l liegen als Meßwerte ständig vor.

Zylinder 2 zwischen den Punkten F und G verändert die innere Geometrie des Gelenkvierecks, wobei bei Betätigung allein von Zylinder 2 der Lastaufnahmepunkt K ebenfalls eine Kreisbahn beschreibt. Die aktuelle Stellung wird durch die Zylinderlänge l₂ festgelegt; l₂ und die dazugehörige Geschwindigkeit l und Beschleunigung l liegen ebenfalls als Meßwerte ständig vor.

Entsprechend den durch die Stellung der beiden Steuerhebel ausgedrückten Forderungen eines Kranführers hinsichtlich der Vertikal- und Horizontalkomponente der Lastbewegung des Lastaufnahmepunktes K werden nun durch die erfindungsgemäße Ansteuerung der beiden Zylinder 1 und 2 die Kolbenhübe l₁ und l₂ überlagernd gestellt. Damit können problemlos auch rein vertikale und rein horizontale Lastbewegungen ausgeführt werden, so daß eine derartige Krangeometrie auch für solche Aufgaben wie z. B. den Containerumschlag zur Verfügung steht. Eine reine Vertikalbewegung ist erforderlich, um den Container vom Lager entnehmen zu können, eine reine Horizontalbewegung über die gestapelten Container hinweg.

Die dünne strichpunktierte Linie in Fig. 1 begrenzt den Arbeitsbereich des Krans. Das kartesische r,z-Koodinatensystem wird der mathematischen Beschreibung der Kranbewegung zugrunde gelegt.

In Fig. 2 sind für ein Bewegungsbeispiel die für die Steuerung des Lastaufnahmepunktes interessierenden Bewegungs-Zustandsgrößen dargestellt. Das Beispiel wird in Fig. 1 gezeigt: Zur Zeit t = 0 befindet sich der Lastaufnahmepunkt K′ bei r = 15 m, z = 0 in Ruhe. Er soll 5 m senkrecht angehoben werden (Endstellung K′′). Der Kranführer gibt mit seinem Vertikalsteuerhebel den in b) dargestellten Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf _K vor: Anfahr- und Bremszeit betragen je 2 s, die Geschwindigkeit verändert sich linear und wird auf 2 m/s begrenzt. Den dazugehörigen Beschleunigungsverlauf _K zeigt c), den Wegverlauf z_K a). Die ganze Bewegung dauert 4,5 s.

Diesen Vorgaben für den Lastaufnahmepunkt K entsprechen die Bewegungs-Zustandsgrößen in d), e), f) von Fig. 2 für den Zylinder 1, in g), h), i) für den Zylinder 2. Diese Funktionen sind die Grundlage für das Stellen der Steuerventile der beiden Antriebe. Die Funktionen folgen explizit aus den für das Auslegersystem ableitbaren kinematischen Beziehungen.

In Fig. 3 sind die für das Bewegungsbeispiel nach Fig. 2 erforderlichen Zylinderkräfte F₁ (Zylinder 1) und F₂ (Zylinder 2) dargestellt. Die Kräfte erscheinen einmal für die Nutzmasse Null (a) und b)), zum anderen ist in K eine Masse von 4 t (zusätzlich) angeschlagen (c) und d)). Zum Vergleich zeigen die Diagramme auch die rein statischen Kräfte. Die Zylinderkraft gilt als positiv, wenn die Längskraft in der Kolbenstange eine Druckkraft ist.

Claims (7)

1. Steuerung des Lastaufnahmepunktes K eines Kranes oder Baggers mit einem Auslegersystem, wenigstens 2 hydraulischen Arbeitszylindern, Gebern zur Erfassung der momentanen Hübe der Arbeitszylinder, wenigstens 2 Bedienhebeln, einem Steuerrechner mit einer Regelungsstruktur zur Steuerung, den Arbeitszylindern zugeordneten Steuerventilen, gekennzeichnet dadurch, daß der Steuerrechner mittels der Lagesensoren die augenblicklichen Kolbenhübe, ihre Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ermittelt und über Winkelfunktionen die Lage der Auslegerpunkte in der Auslegerebene, ihre Geschwindigkeiten und Beschleunigungen berechnet, durch Betätigung eines Bedienhebels die vertikale Bewegungskomponente des Lastaufnahmepunktes K, durch Betätigung eines zweiten Bedienhebels die horizontale Bewegungskomponente vorgegeben werden, der Steuerrechner aus den Bedienhebel-Vorgaben die erforderlichen Kolbenhübe l₁, l₂, . . ., l_n, die Kolbengeschwindigkeiten l , l . . ., l und die Kolbenbeschleunigungen l , l . . ., l als Sollvorgaben ermittelt und hiernach über eine Regelungsstruktur die Steuerventile stellt.

2. Steuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß durch zeitgleiche Betätigung der Bedienhebel der Lastaufnahmepunkt auf beliebiger Bahngeometrie steuerbar ist.

3. Steuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß aus den Kolbenhüben, -geschwindigkeiten und -beschleunigungen die an den Zylindern erforderlichen Kräfte berechnet und über Vergleich mit den an den Zylindern auftretenden Kräfte, gemessen über den Öldruck auf beiden Seiten jedes Zylinders, durch den Steuerrechner in die Steuerung einbezogen werden.

4. Steuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Steuerrechner die Regelung außer Betrieb setzt und eine selbsttätige Anpassung vornimmt, sobald die Regelung in die Nähe der Leistungsgrenzen der installierten Hydraulikpumpen, der Beanspruchbarkeit der Auslegerkonstruktion oder gesperrter Arbeitsbereiche gelangt.

5. Steuerung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Steuerrechner taktweise die geforderten Kolbengeschwindigkeiten und Zylinderkräfte mit den durch die Hydraulikanlage realisierbaren vergleicht und für die erforderliche Zeit, unterhalb vom zur Verfügung stehenden Fördervolumen und Druck, die Steuerventile stellt.

6. Steuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Bedienhebel-Vorgaben für die Bewegung des Lastaufnahmepunktes durch eine mathematisch beschriebene Bahn vom Steuerrechner ersetzt werden.

7. Steuerung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß aus dem Vergleich zwischen berechneten und gemessenen Zylinderkräften durch den Steuerrechner die jeweilige Nutzmasse bei Kranen bzw. die äußere Kraft bei Baggern bestimmt wird.