EP0089662B1

EP0089662B1 - Einrichtung an Hebezeugen für die selbsttätige Steuerung der Bewegung des Lastträgers mit Beruhigung des Pendels der an ihm hängenden Last

Info

Publication number: EP0089662B1
Application number: EP83102780A
Authority: EP
Inventors: Hans Tax; Herbert Dipl. Ing. Kurz
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: VULKAN KOCKS GESELLSCHAFT MIT BESCHRAENKTER HAFTUN
Priority date: 1982-03-22
Filing date: 1983-03-21
Publication date: 1986-12-30
Also published as: EP0089662A1; DE3210450C2; DE3210450A1; US4603783A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur selbsttätigen Steuerung der Bewegung des Lastträgers eines Hebezeugs mit Beruhigung des beim Beschleunigen oder Abbremsen der am Lastträger hängenden Last auftretenden Pendelns der Last während eines Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitintervalls, unter Verwendung eines Signalgebers zur Abgabe von Lastträger-Bewegungssteuersignalen zur Bewegungssteuerung eines Lastträger-Verfahrmotors, wobei der Signalverlauf einem zur Intervallmitte symmetrischen, kosinusförmigem Lastträger-Beschleunigungsverlauf mit konstanter Grundbeschleunigung entspricht.
Ein aus der FR-A-2 399 378 bekanntes Verfahren dieser Art befaßt sich mit dem Spezialfall der Pendelberuhigung bei konstanter Zugkraft. Der genannten Druckschrift ist zu entnehmen, daß die Pendelperiode und damit auch die Lastträger-Beschleunigung vom Massenverhältnis abhängig ist. Bei einer Änderung der Lastmasse muß folglich eine neue Pendelperiode und damit ein neuer Lastträger- - Beschleunigungsverlauf bestimmt werden.
Die DE-B-1 2 09 266 befaßt sich damit, wie eine bereits in Pendelbewegung geratene Last abgebremst und beruhigt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß der Moment maximaler Pendelauslenkung abgewartet wird und dann eine kosinusförmige Lastträger-Beschleunigung bzw. -Abbremsung vorgenommen wird. Ein Hinweis darauf, wie ein Pendeln der Last bei der Beschleunigung bzw. Abbremsung von vorneherein vermieden wird, ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Verfahren der eingangs genannten Art eine vom Massenverhältnis unabhängige Formel für die Lastträger-Beschleunigung sowie für die Pendelperiode anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß für den Lastträger-Beschleunigungsverlauf b_K die Beziehung gilt :
wobei _VN die Differenz der Lastgeschwindigkeiten nach und vor dem Beschleunigen bzw. Abbremsen, L die Pendellänge, g die Erdbeschleunigung, n eine ganze Zahl und T_o die Pendelperiode bezeichnen mit
und wobei der Fall konstanter Zugkraft des Lastträger-Verfahrmotors ausgenommen ist.
Gemäß der Erfindung kann also die Periode größer oder auch kleiner als die Periode im vorbekannten Spezialfall gewählt werden ; im Falle kürzerer Beschleunigungszeiten ergibt sich dann ein dementsprechend erhöhter Maximalwert der Zugkraft, und zwar in der Periodenmitte ; der Katzmotor ist dementsprechend stärker auszulegen. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei im wesentlichen konstanter Pendellänge für unterschiedliche Lastmassen der vom Signalgeber erzeugte Signalverlauf jeweils derselbe ist. Diese Maßnahme vereinfacht das Verfahren beträchtlich, da nunmehr eine einzige Beschleunigungskurve mit einer einzigen Periode für das Abbremsen bzw. Beschleunigen praktisch beliebiger Lastmassen eingesetzt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigt :

Figur 1A bis 1D den Verlauf der Bewegungsparameter bei konstanter Zugkraft, nämlich
Figur 1A die Beschleunigung,
Figur 1 B die Geschwindigkeit,
Figur 1C den Weg und
Figur 1D die Zugkraft ;
Figur 2A eine Schar von kosinusförmigen Lastträgerbeschleunigungskurven ;
Figur 2B eine stufenförmige Lastträgerbeschleunigungskurve ; und
Figur 3 eine stark vereinfachte Ansicht eines Lastträgers mit Last und gesteuertem Fahrmotor.

In den Fig. und 2 ist mit t die Zeit und T bzw. T, 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. 1 D 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
gehorchenden Verlauf der Lastbeschleunigung (bzw. -verzögerung erhält (C ist eine Konstante), wobei Katze und Last sowohl zum Zeitpunkt t = 0 als auch zum Zeitpunkt
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 ; L 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 L 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. 1 B bzw. den Laufweg s_K gemäß Fig. 1C zugrundelegen. Da die Pendelbewegung von der Lastmasse m, in erster Näherung unabhängig ist, kann für die vorkommenden unterschiedlichen Lastmassen in der Regel die gleiche Bewegungssollkurve (b_K oder v_K oder _SK) 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 1 und einer bestimmten Geschwindigkeitsdifferenz v, zugeordneten Kurvenschar mit n = 1. Aus der Anfangsbeschleunigung b_K(O) 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 To (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 :
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 Katzbeschleunigungskurve aus der Kurvenschar auswählen, die zu konstanter Zugkraft P während der gesamten Periode führt. Es läßt sich zeigen, daß die mit P_o bezeichnete konstante Zugkraft folgenden Wert annimmt :
Für den Periodenanfangspunkt gilt :
woraus die Anfangsbeschleunigung b_K (0) resultiert, die in die Gleichungen A und B einzusetzen ist, woraus sich die Kurvenform b_K gemäß Fig.lA ergibt. Den Fig.lA bis 1B liegen folgende Werte zugrunde :

L = 24,85 m,
b_K (0) = 1,22 m/sec²,
m_L = 1 000 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 1 000 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 T₀ 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 1,586-fache 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 1 D zwar lediglich der Anfahrvorgang erläutert, bei dem die Lastgeschwindigkeit vom Werte 0 auf den Wert _VN 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 s_o von diesem Punkt eingeleitet werden, die der in Fig. 1C eingezeichneten Anfahrbeschleunigungsstrecke s_o entspricht.

Claims

1. Verfahren zur selbsttätigen Steuerung der Bewegung des Lastträgers (14) eines Hebezeugs mit Beruhigung des beim Beschleunigen oder Abbremsen der am Lastträger (14) hängenden Last (10) auftretenden Pendelns der Last (10) während eines Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitintervalls (T), unter Verwendung eines Signalgebers (24) zur Abgabe von Lastträger-Bewegungssteuersignalen zur Bewegungssteuerung eines Lastträger-Verfahrmotors (18), wobei der Signalverlauf einem zur Intervallmitte (T/2) symmetrischen, kosinusförmigem Lastträger-Beschleunigungsverlauf (b_K) mit konstanter Grundbesschleunigung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß für den Lastträger-Beschleunigungsverlauf (b_K) die Beziehung gilt :

wobei _VN die Differenz der Lastgeschwindigkeiten nach und vor dem Beschleunigen bzw. Abbremsen, L die Pendellänge, g die Erdbeschleunigung, n eine ganze Zahl und T_o die Pendelperiode bezeichnen mit

und wobei der Fall konstanter Zugkraft des Lastträger-Verfahrmotors (18) ausgenommen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei im wesentlichen konstanter Pendellänge (L) für unterschiedliche Lastmassen (mJ der vom Signalgeber (24) erzeugte Signalverlauf jeweils derselbe ist.