EP4182256A1 - Hebezeug wie kran sowie verfahren und vorrichtung zum steuern eines solchen hebezeugs - Google Patents

Hebezeug wie kran sowie verfahren und vorrichtung zum steuern eines solchen hebezeugs

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Publication number
EP4182256A1
EP4182256A1 EP21765650.3A EP21765650A EP4182256A1 EP 4182256 A1 EP4182256 A1 EP 4182256A1 EP 21765650 A EP21765650 A EP 21765650A EP 4182256 A1 EP4182256 A1 EP 4182256A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
filter
pendulum
speed signal
hoist
boom
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21765650.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian STEHLE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Liebherr Werk Biberach GmbH
Original Assignee
Liebherr Werk Biberach GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Liebherr Werk Biberach GmbH filed Critical Liebherr Werk Biberach GmbH
Publication of EP4182256A1 publication Critical patent/EP4182256A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/06—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
    • B66C13/063—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads electrical

Definitions

  • Hoist such as a crane and method and device for controlling such a hoist
  • the present invention generally relates to hoists such as cranes or cable excavators, in which a load-handling device is suspended on a boom in the manner of a pendulum via a hoisting cable so that it can be raised and lowered, the boom and/or a trolley that can be moved on the boom being used to move the load-carrying device to a desired position , from which the hoist rope runs, is moved by means of at least one drive device, with a setpoint speed signal being specified for the at least one drive device.
  • the invention relates in particular to a method and a device for controlling such a crane or cable excavator, in which the setpoint speed signal specified for the at least one drive device is subjected to a sway-damping influence.
  • the drive devices mentioned are usually actuated and controlled by the crane operator using appropriate operating elements such as joysticks, toggle switches, rotary knobs and sliders and the like, which experience has shown requires a lot of feeling and experience in order to approach the target points quickly and yet gently without major pendulum movements of the load hook . While the target points should be driven as quickly as possible in order to achieve a high work output, the target point should be stopped gently without the load hook swinging with the load attached to it.
  • the load hook of other types of cranes such as telescopic jib cranes or luffing jib cranes, in which the load hook movement is generated not only by twisting the superstructure but also mainly by the luffing up and down of the jib and, if necessary, telescoping in and out, or the gripper of a cable excavator, tends to oscillating movements which should be avoided as much as possible.
  • the pendulum problem mentioned occurs with hoists whose load handling attachments are suspended over long hoist ropes in a pendulum manner on a boom that is itself adjusted or has an adjustable hoist rope stop such as a trolley in order to move the load attachment attachment.
  • Such anti-sway devices for cranes are known in various designs, for example by controlling the slewing gear, luffing and trolley drives as a function of certain sensor signals, for example inclination and/or gyroscope signals.
  • certain sensor signals for example inclination and/or gyroscope signals.
  • the documents DE 20 2008 018 260 U1 or DE 10 2009 032 270 A1 show known load swing damping on cranes, to the subject of which reference is expressly made in this respect, ie with regard to the basics of the swing damping device.
  • a gyroscope unit is used to measure the cable angle relative to the vertical and its change in the form of the cable angular velocity in order to automatically intervene in the control when a limit value for the cable angular velocity relative to the vertical is exceeded.
  • a load swing damping system for maritime cranes is known from the Liebherr company under the name "Cycoptronic", which calculates load movements and influences such as wind in advance and, based on this precalculation, automatically initiates compensation movements to prevent the load from swinging avoid.
  • this system also uses gyroscopes to record the cable angle relative to the vertical and its changes in order to intervene in the control depending on the gyroscope signals.
  • control systems that are intended to eliminate or at least dampen the swaying of the load handling device require a more or less complex sensor system in order to be able to detect the swaying movements and to be able to derive countermeasures from the swaying movements detected.
  • the documents WO 2017/178106 A1 or WO 2020/001991 A1 propose attaching so-called IMUs, ie inertial measuring devices, to the load hook or the load attached thereto in order to be able to draw conclusions about the pendulum movement from the IMU signal.
  • IMUs ie inertial measuring devices
  • Other pendulum damping devices work with gyroscopes or optical sensors to track pendulum movements of the load hook.
  • the target signal only occurs after 6.3 seconds.
  • the implementation of such an input shaper is quite complex, since the convolution of two signals over the oscillation period - i.e. approx. 6.3 seconds in the above example - has to be carried out, which at a sampling rate of, for example, 25 milliseconds for storing 254 sampled values.
  • the present invention is therefore based on the object of creating an improved hoist of the type mentioned and improved methods and devices for controlling it, which avoid the disadvantages of the prior art and develop the latter in an advantageous manner.
  • a quickly and dynamically responding control is to be created without a complex sensor system, which effectively dampens or prevents pendulum movements.
  • the setpoint speed signal specified for the at least one drive device for moving the load-carrying means to filtering, which filters out the natural frequency of the pendulum from the setpoint signal, and to use a suitable filter device for this purpose.
  • the natural frequency of the pendulum is filtered out of the predetermined target speed signal by means of a filter, which is tuned to the natural frequency of the pendulum comprising the hoisting cable that can be raised and lowered, and the target speed signal filtered in this way is used to control the drive device.
  • the setpoint speed signal which is subjected to the frequency filtering mentioned, can be specified by a machine operator in a conventional manner, for example by actuating a joystick, as is customary in crane or cable excavator driver's cabs for actuating and controlling the drives. or a slider or rotary control or other input device.
  • the target speed signal can also be specified automatically by a control module, such as a distance or target control, and then filtered in the manner mentioned.
  • the specified setpoint speed signal can be processed by an acceleration-limiting ramp shaper or generator in addition to frequency filtering, in order to avoid excessive acceleration of the translational movement of the load handling device or the accelerations implied by the setpoint speed signal, for example as a result of being too violent or too fast joystick movements, limit.
  • Such a ramp generator or rate limiter module can process and convert the setpoint speed signal specified manually or semi-automatically before the setpoint speed signal, which is limited in terms of acceleration or processed by the ramp generator module, is then subjected to the frequency filtering mentioned.
  • a parameterizable and/or adjustable filter is used for the frequency filtering, which is set continuously or cyclically with regard to a frequency band to be filtered during crane or cable excavator operation depending on a sinking depth of the hoist cable or the load handling device.
  • a different frequency band is filtered out of the specified target speed signal, whereby the frequency band is preferably set as a function of the respective sinking depth in such a way that it records the natural frequency of the pendulum.
  • the respective lowering depth of the load handling device or the hoist rope can be determined in various ways, for example by detecting the position of the hoist or hoist drive and/or by a sensor system that detects the unwound cable length or the distance between the load handling device and the boom.
  • control device can manage with only one lowering depth detection device and dispense with further sensors, as is required with other anti-sway devices, although further sensors can be provided beyond the lowering depth sensor, in particular for a more complex determination of the natural frequency to be filtered out.
  • the natural frequency of the pendulum can be determined from the sinking depth, assuming a mathematical pendulum. Since the loads hanging on the load hook or the filled excavator grab is very heavy compared to the weight of the hoisting rope and the load handling device, using the model of a mathematical pendulum as a basis can achieve sufficient accuracy when determining the natural frequency, taking into account a certain bandwidth of the filter band Certain inaccuracies or shifts in the natural frequency compared to the mathematical pendulum can also be recorded.
  • the oscillating movement is known to be determined by the two coupled differential equations where w is the angular velocity, g is the acceleration due to gravity, I is the sinking depth or thread length and ⁇ p is the deflection angle from the vertical. Since only small deflection angles ⁇ p occur regularly with pendulum movements on cranes, cable excavators or similar lifting gear, the aforementioned term can be can be assumed, so that the natural frequency of the pendulum, assuming a mathematical pendulum, is derived from the lowering depth I of the lifting device or the hoist rope according to the relationship can be determined where where is the natural frequency.
  • a mathematical model can still be used as a basis and the sinking depth can be corrected accordingly, with e.g the lowering depth of the hoist rope or the lifting device detected by sensors can be supplemented or corrected by a correction value, which can be entered manually, for example, via an input device, for example on the machine operator's stand, or by an additional sensor that measures the length of the sling and/or the extension of the load can be determined.
  • a sling used in each case can also be automatically recorded, for example by reading in a transponder attached to the sling when the sling is attached to the load hook, by the length of the sling or the resulting distance automatically provided by the load handling device of the control device.
  • a notch filter is used to filter the specified target speed signal.
  • a notch filter is easy to implement and parameterize.
  • the bandwidth of the filter can be controlled or adjusted via the adjustable filter quality of the notch filter, as a result of which the robustness of the method can be influenced.
  • a larger bandwidth leads to better robustness with, however, somewhat reduced dynamics.
  • the filter can be switched off or the natural frequency filtering can be switched off. Due to the fact that the natural frequency is filtered out of the control signal, an already existing vibration can regularly no longer be driven out. In order to be able to eliminate such already existing vibrations or pendulum movements, it is helpful to provide a quick and easy way to switch the natural frequency filter function on and off, in order to enable the machine operator to counter movement requirements without impairing the dynamics of such countermeasures through the filtering.
  • a switch-off device for switching off the frequency filtering can be provided at the control station or on the control device such as a remote control, which can include input means, for example in the form of a manual button and/or a detection device for detecting a switch-off request, for example in the form of one on/off switch integrated into the joystick, for example in the form of a push button attached to the joystick.
  • a gesture detection device as the detection device for detecting the switch-off request, which can detect a switch-off request given by gesture, for example in the form of a hand movement, which is detected by the gesture detection device.
  • such a gesture detection device can detect counter movement requests on the joystick in order to deactivate the filter function when such a counter movement is entered on the joystick.
  • a countering joystick movement is a reversal of the joystick from positive to negative deflection or vice versa.
  • Such a countering joystick movement can be detected or understood as an intuitive gesture by the machine operator, since countering intuitively attempts to stop the drive device more quickly, which can actually be achieved by switching off the filtering.
  • the gesture detection device can include a motion sensor assigned to the input means for the setpoint speed signal, which is designed to detect countering input commands that reverse the direction of movement of the drive device and to provide a signal, based on which the control device then switches off the filter device or suspends the filtering.
  • FIG. 1 a perspective representation of a tower crane, on the jib of which a movable trolley is provided, from which a hoist cable runs to a load-carrying means in the form of a load hook
  • 2 shows a schematic representation of the control device for controlling the crane from FIG. 1 , the control device having a frequency filter for filtering the target speed signal, the filter band of which can be adjusted as a function of the natural frequency of the pendulum formed by the hoist rope and the load attached to it,
  • Fig. 3 Two simulation diagrams showing the course of various system states of the crane, in particular the adjustment path, the acceleration, the deflection angle and the angular acceleration, over time when the load hook is moved, with partial view a showing the signal courses without natural frequency filtering and partial view b show the waveforms with frequency filtering, and
  • Fig. 4 a diagram showing the angular deflection and the vibration amplitude versus frequency.
  • a crane 1 can be provided as the hoist, which can be designed in the form of a tower crane.
  • the crane 1 has a boom 3 which is arranged on a tower 2 or possibly an upper carriage and can be rotated about an upright axis 5 by a slewing gear 6 .
  • the jib 3 can be braced via guying, for example on a counter-jib 4 which can carry a ballast weight.
  • the jib 3 can extend horizontally, but can also be luffed up and down via a luffing mechanism.
  • a hoist rope 7 runs from the boom 3, to which a load handling device 8 is articulated, for example in the form of a load hook, for example it can be reeved via a deflection block.
  • the hoist rope 7 can run off a trolley 9 which is movably mounted on the boom 3 and can be moved along the boom 3 by a trolley drive 10 .
  • a control stand 11 which can be arranged on the tower 2, can have input means such as joysticks, slide or rotary switches, a touch screen or other input means in a manner known per se in order to be able to enter control commands for the drive devices of the crane 1, in particular target speed signals for the Trolley drive 10, the slewing gear drive 6 and the hoist drive for the hoist rope 7 and, if necessary, for a luffing drive for luffing up and down the boom 3 and/or a telescoping drive for telescoping the boom 3 in and out.
  • the crane 1 can optionally also be operated from a remote control, which can have appropriate input means for entering control commands.
  • the desired speed signals mentioned in the form of a desired speed can be entered manually by the crane operator, for example by tilting or adjusting joysticks.
  • automated or semi-automated control modules can also be provided, which, for example, enable a specific point to be approached or a specific route to be traveled.
  • a predetermined target speed signal which actuates one or more of the drive devices mentioned and is intended to move the load hook in translation, is processed by a control device 12 or subjected to signal processing before the target speed signal is actually sent to the drive device for activation.
  • the predetermined desired speed signal for example entered on a joystick, can first be fed to a ramp generator 13 or a rate limiter module for limiting the acceleration of the translatory movement of the load hook or processed by such a ramp generator 13 .
  • said ramp generator 13 can limit the setpoint speed signal in terms of its slope and/or flatten the ramp-shaped setpoint speed signal in order to to limit and/or reduce accelerations generated by the movement of the load hook.
  • signal processing by a ramp generator 13 is not mandatory in every case.
  • the ramp generator 13 could be omitted entirely and/or a pre-filter for pre-filtering the target speed signal could also be provided.
  • a low-pass filter in particular of the first order, could be provided for pre-filtering the specified desired speed signal v_soll.
  • the setpoint speed signal v_soll_lim preprocessed by the ramp generator 13 and limited in particular with regard to the acceleration, is fed to a filter 14 in order to eliminate the natural frequency of the pendulum in the setpoint speed signal.
  • the specified desired speed signal v_soll or the possibly low-pass filtered signal can also be supplied directly to the filter 14 in order to be filtered with regard to the natural frequency.
  • the filter 14 can advantageously be or comprise a narrow-band filter and/or a notch filter, with the filter 14 being designed to filter out the natural frequency of the pendulum from the setpoint speed signal that is supplied.
  • the use of the notch filter mentioned is particularly advantageous with regard to simple implementation and parameterization, the bandwidth of the filter 14 being able to be controlled via the filter quality, and greater robustness of the method being able to be achieved in this way. A larger filter bandwidth leads to better robustness, but with reduced dynamics.
  • Said filter 14 can be adjusted in terms of its filter band, with the filter band being able to be shifted in particular to different frequency ranges and/or changed in terms of its filter bandwidth.
  • the filter 14 is advantageously continuously or cyclically during crane operation with regard to the frequency band to be filtered--that is, advantageously on-- line - set or adjusted depending at least on the lowering depth of the load hook.
  • filter 14 can be set with regard to its filter band as a function of a calculated or a specific natural frequency of the pendulum formed by hoist rope 7, load-carrying device 8 and the load attached to it, with said natural frequency of the pendulum being at least dependent on the lowering depth of the Can be determined or calculated load handling equipment.
  • the model of a mathematical pendulum can simply be assumed, which is assumed to be a point mass and completely undamped. Since the weight of the attached load is usually much greater than the weight of the hoist rope and load hook, the weight of the hoist rope can be neglected.
  • more complex pendulum models can also be used to determine the natural frequency, in which z. B. the hoist rope mass, damping or possibly the length of a chain sling or other sling can be taken into account.
  • Such a chain sling or sling with a corresponding distance between the load and the load hook and also a load body with greater expansion, which shifts the center of mass downwards, can influence the pendulum model or lead to errors when determining the natural frequency only with the lowering depth of the load hook, so that the lowering depth of the load hook detected by sensors can be corrected accordingly, as was already explained at the outset.
  • control device 12 can have an input means for inputting a correction value for the lowering depth.
  • a correction value for the lowering depth For example, an estimated distance between the center of gravity of the load and the load hook can be entered manually, or a read-in module can be provided for reading in the length of the sling or the type of sling.
  • the natural frequency of the pendulum changes depending on the lowering depth of the load-carrying means 8, ie the distance between the load-carrying means 8 and the boom 3, since the hoist rope 7 is lowered or caught up continuously or repeatedly or several times.
  • the filter band of the filter 14 is adjusted continuously or cyclically during crane operation as a function of the lowering depth I and, if necessary, a correction value.
  • the lowering depth I can be detected or determined by a detection device 15, it being possible for the detection device 15 to be assigned to the hoist drive for the hoist cable 7, for example.
  • the lowering depth I can be determined from the known length of the hoist rope 7 and the respective position of the hoist drum. In principle, however, the lowering depth I can also be determined by another sensor or other means of determination, for example a distance sensor on the trolley 9 or a cable length meter.
  • the control device 12 can do without additional sensors, although additional sensors can be provided for determining additional operating parameters.
  • the filtered target speed signal v_soll_transl is used to control the respective drive device, for example for the trolley drive 10, in order to move the trolley 9 along the boom 3, or for the slewing gear drive 6, to pivot the boom 3 about the axis 5.
  • FIG. 3 illustrates the reduction in oscillations or pendulum movements that can be achieved by said filtering, where x is the travel distance over time, x is the acceleration or change in travel over time, compared to the deflection angle of the pendulum the vertical and ⁇ T> shows the change in deflection angle and angular acceleration, respectively, over time.
  • the setpoint speed signal is used for control without filtering, as shown in partial view a of FIG. 3, significantly larger oscillations or pendulum movements occur, with the angular deflections and angular accelerations in particular being larger.
  • the setpoint speed signal is filtered, as shown in FIG. 3b, the pendulum movements and the deflection angles and angular accelerations associated therewith are significantly smaller.
  • FIG. 4 shows the frequency response in relation to the deflection angle or the amplitude.
  • the control device 12 can have a switch-off device for switching off the filter 14 or deactivating the filter 14 in an advantageous development of the invention.
  • the switch-off device can advantageously include a gesture detection device in order to be able to switch off the filter 14 as a function of a detected gesture by the machine operator.
  • the control device 12 can in particular have additional operating elements on the control stand 11 and/or on a remote control device.
  • a gesture control can be provided, with z. B.
  • the filter function can be deactivated as soon as a counter movement request is executed with the joystick or the input means for entering the target speed signal.
  • a counter movement request can be, for example, a reversal of the deflection of the joystick when it is moved from positive to negative or vice versa.
  • the gesture detection device can also detect a head movement of the machine operator. If, for example, the load hook is moved to the right and the machine operator's head tilts to the left when driving to the right, this can be recognized or interpreted as an intuitive gesture and a desire to counter.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control And Safety Of Cranes (AREA)

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Hebezeugs wie eines Krans (1) oder Seilbaggers, bei dem ein Lastaufnahmemittel (8) nach Art eines Pendels über ein Hubseil (7) an einem Ausleger (3) aufgehängt ist und der Ausleger (3) und/oder eine an dem Ausleger (3) verfahrbare Laufkatze (9) mittels zumindest einer Antriebseinrichtung (6; 10) verfahren wird, wobei zum Verfahren des Lastaufnahmemittels (8) ein Sollgeschwindigkeitssignal (v_soll) für die zumindest eine Antriebseinrichtung (6; 10) vorgegeben wird, wobei mittels eines Filters (14) aus dem vorgegebenen Sollgeschwindigkeitssignal (v_soll) die Eigenfrequenz des Pendels herausgefiltert wird und das gefilterte Sollgeschwindigkeitssignal (v_soll_transl) zum Ansteuern der zumindest einen Antriebseinrichtung (6; 10) verwendet wird.

Description

Hebezeug wie Kran sowie Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines solchen Hebezeugs
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Hebezeuge wie Krane oder Seilbagger, bei denen ein Lastaufnahmemittel nach Art eines Pendels über ein Hubseil an einem Ausleger anhebbar und absenkbar aufgehängt ist, wobei zum Verfahren des Lastaufnahmemittels zu einer gewünschten Position der Ausleger und/oder eine am Ausleger verfahrbare Laufkatze, von der das Hubseil abläuft, mittels zumindest einer Antriebseinrichtung verfahren wird, wobei für die zumindest eine Antriebseinrichtung ein Sollgeschwindigkeitssignal vorgegeben wird. Die Erfindung betrifft dabei insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines solchen Krans oder Seilbaggers, bei dem das für die zumindest eine Antriebseinrichtung vorgegebene Sollgeschwindigkeitssignal einer pendeldämpfenden Beeinflussung unterzogen wird.
Um den Lasthaken eines Krans entlang eines Verfahrwegs bzw. zwischen zwei Zielpunkten verfahren zu können, müssen üblicherweise diverse Antriebseinrichtungen betätigt und gesteuert werden. Beispielsweise bei einem Turmdrehkran, bei dem das Hubseil von einer Laufkatze abläuft, die am Ausleger des Krans verfahrbar ist, muss üblicherweise das Drehwerk, mittels dessen der Turm mit dem darauf vorgesehenen Ausleger bzw. der Ausleger relativ zum Turm um eine aufrechte Drehachse verdreht werden, sowie der Katzantrieb, mittels dessen die Laufkatze entlang des Auslegers verfahren werden kann, und das Hubwerk, mittels dessen das Hubseil verstellt und damit der Lasthaken angehoben und abgesenkt werden kann, jeweils betätigt und gesteuert werden. Die genannten Antriebseinrichtungen werden hierbei üblicherweise vom Kranführer über entsprechende Bedienelemente wie beispielsweise in Form von Joysticks, Kippschaltern, Drehknöpfen und Schiebern und dergleichen betätigt und gesteuert, was erfahrungsgemäß viel Gefühl und Erfahrung benötigt, um die Zielpunkte rasch und dennoch sanft ohne größere Pendelbewegungen des Lasthakens anzufahren. Während zwischen den Zielpunkten möglichst rasch gefahren werden soll, um eine hohe Arbeitsleistung zu erzielen, soll am jeweiligen Zielpunkt sanft angehalten werden, ohne dass der Lasthaken mit der daran angeschlagenen Last nachpendelt.
In ähnlicher Weise neigt auch der Lasthaken anderer Krantypen wie beispielsweise Teleskopauslegerkranen oder Nadelauslegerkrane, bei denen die Lasthakenbewegung neben dem Verdrehen des Oberwagens hauptsächlich durch Auf- und Niederwippen des Auslegers und ggf. Ein- und Austeleskopieren erzeugt wird, oder auch der Greifer eines Seilbaggers zu Pendelbewegungen, die es tunlichst zu vermeiden gilt.
Generell tritt die genannte Pendelproblematik bei Hebezeugen auf, deren Lastaufnahmemittel über längere Hubseile pendelnd an einem Ausleger aufgehängt sind, der selbst verstellt wird oder einen verstellbaren Hubseilanschlag wie eine Laufkatze besitzt, um das Lastaufnahmemittel zu verfahren.
Ein solches Steuern der Antriebseinrichtungen eines Krans bzw. Hebezeugs ist angesichts der erforderlichen Konzentration für den Kranführer ermüdend, zumal oft immer wiederkehrende Verfahrwege und monotone Aufgaben zu erledigen sind, beispielsweise wenn beim Betonieren ein am Kranhaken aufgenommener Betonkübel vielfach zwischen einem Betonmischer, an dem der Betonkübel befüllt wird, und einem Betonbereich, in dem der Betonkübel entleert wird, hin und her verfahren werden muss. Zum anderen kommt es bei nachlassender Konzentration oder auch bei einer nicht ausreichenden Erfahrung mit dem jeweiligen Krantyp zu größeren Pendelbewegungen der aufgenommenen Last und damit zu einem entsprechenden Gefährdungspotenzial, wenn der Kranführer die Bedienhebel bzw. - elemente des Krans nicht feinfühlig genug bedient.
Um der Problematik unerwünschter Pendelbewegungen zu begegnen, wurde bereits vorgeschlagen, die Steuervorrichtung des Krans mit Pendeldämpfeinrichtungen zu versehen, die mittels Steuerungsbausteinen in die Steuerung eingreifen und das Ansteuern der Antriebseinrichtungen beeinflussen, beispielsweise zu große Beschleunigungen einer Antriebseinrichtung durch zu schnelles oder zu starkes Betätigen des Bedienhebels verhindern oder abschwächen oder bestimmte Verfahrgeschwindigkeiten bei größeren Lasten beschränken oder in ähnlicher Weise in die Verfahrbewegungen eingreifen, um ein zu starkes Pendeln des Lasthakens zu verhindern.
Solche Pendeldämpfungseinrichtungen für Krane sind in verschiedenen Ausführungen bekannt, beispielsweise durch Ansteuerung der Drehwerk-, Wipp- und Laufkatzenantriebe in Abhängigkeit von bestimmten Sensorsignalen, beispielsweise Neigungs- und/oder Gyroskopsignalen. Beispielsweise zeigen die Schriften DE 20 2008 018 260 U1 oder DE 10 2009 032 270 A1 bekannte Lastpendeldämpfungen an Kranen, auf deren Gegenstand insoweit, das heißt hinsichtlich der Grundlagen der Pendeldämpfungseinrichtung, ausdrücklich Bezug genommen wird. Bei der DE 20 2008 018 206 U1 wird beispielsweise mittels einer Gyroskopeinheit der Seilwinkel relativ zur Vertikalen und dessen Änderung in Form der Seilwinkelgeschwindigkeit gemessen, um bei Überschreiten eines Grenzwerts für die Seilwinkelgeschwindigkeit gegenüber der Vertikalen automatisch in die Steuerung einzugreifen.
Ferner ist von der Firma Liebherr unter dem Namen „Cycoptronic“ ein Lastpendeldämpfungssystem für maritime Krane bekannt, welches Lastbewegungen und Einflüsse wie Wind im Voraus berechnet und auf Basis dieser Vorausberechnung automatisch Kompensationsbewegungen einleitet, um ein Schwingen der Last zu vermeiden. Konkret werden auch bei diesem System mittels Gyroskopen der Seilwinkel gegenüber der Vertikalen und dessen Änderungen erfasst, um in Abhängigkeit der Gyroskopsignale in die Steuerung einzugreifen.
Generell benötigen Regelungssysteme, die das Pendeln des Lastaufnahmemittels beseitigen oder zumindest dämpfen sollen, eine mehr oder minder aufwändige Sensorik, um die Pendelbewegungen erfassen und aus den erfassten Pendelbewegungen Gegenmaßnahmen ableiten zu können. Beispielsweise schlagen die Schriften WO 2017/178106 A1 oder WO 2020/001991 A1 vor, am Lasthaken oder der daran angeschlagenen Last sogenannte IMUs, das heißt Inertialmesseinrich- tungen anzubringen, um aus dem IMU-Signal auf die Pendelbewegung rückschließen zu können. Andere Pendeldämpfungseinrichtungen arbeiten mit Gyroskopen oder auch optischen Sensoren, um Pendelbewegungen des Lasthakens zu verfolgen.
Andererseits wurde auch bereits vorgeschlagen, mithilfe sogenannter Input-Shaper das Ansteuersignal der Antriebseinrichtungen zu beeinflussen bzw. zu korrigieren, um bezüglich der Erzeugung von Pendelbewegungen kritische Signalanteile des Ansteuersignals zu vermeiden. Beispielsweise beschreibt die Schrift „Anti-sway control of a tower crane using inverse dynamics“ von El-Badavi, A.A. und Shehata, M.M.G., veröffentlicht unter www.researchgate.net/publication/277707023, einen solchen Input-Shaper, der durch Faltung des Sollwertsignals einer Positionsregelung mit einer geeigneten Pulsfolge Pendelbewegungen an einem Turmdrehkran vermeiden will. Ein solcher Input-Shaper arbeitet jedoch relativ träge, da die Faltung mit einer Impulsfolge von der Länge in der Größenordnung der Schwingungsdauer erfolgt. Betrachtet man beispielsweise ein Pendel mit einer Senktiefe von 10 Metern, das eine Schwingungsdauer von etwa 6,3 Sekunden besitzt, stellt sich das Zielsignal erst nach 6,3 Sekunden ein. Hinzu kommt, dass die Implementierung eines solchen Input-Shapers recht aufwändig ist, da die Faltung zweier Signale über die Schwingungsdauer - also beim obigen Beispiel ca. 6,3 Sekunden - durchgeführt werden muss, was bei einer Samplingrate von beispielsweise 25 Millisekunden zur Speicherung von 254 gesampelten Werten führt. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Hebezeug der genannten Art sowie verbesserte Verfahren und Vorrichtungen zu dessen Steuerung zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und letzteren in vorteilhafter Weise weiterbilden. Insbesondere soll ohne eine aufwändige Sensorik eine schnell und dynamisch ansprechende Steuerung geschaffen werden, die Pendelbewegungen wirkungsvoll dämpft bzw. verhindert.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 , eine Vorrichtung gemäß Anspruch 6 sowie ein Hebezeug gemäß Anspruch 14 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird also vorgeschlagen, das für die zumindest eine Antriebseinrichtung zum Verfahren des Lastaufnahmemittels vorgegebene Sollgeschwindigkeitssignal einer Filterung zu unterwerfen, die die Eigenfrequenz des Pendels aus dem Sollwertsignal herausfiltert und hierfür eine geeignete Filtereinrichtung zu verwenden. Erfindungsgemäß wird mittels eines Filters, der auf die Eigenfrequenz des das anheb- und absenkbare Hubseil umfassende Pendel abgestimmt wird, aus dem vorgegebenen Sollgeschwindigkeitssignal die Eigenfrequenz des Pendels herausgefiltert und das solchermaßen gefilterte Sollgeschwindigkeitssignal zum Ansteuern der Antriebseinrichtung verwendet.
Im Vergleich zu den bekannten Input-Shapern ist die Verwendung eines solchen Frequenzfilters deutlich dynamischer und das Ansprechen der pendeldämpfenden Maßnahme deutlich effizienter, insbesondere bei großen Senktiefen, bei denen herkömmliche Input-Shaper lange Ansprechzeiten haben.
Das Sollgeschwindigkeitssignal, das der genannten Frequenzfilterung unterworfen wird, kann in an sich herkömmlicher Weise von einem Maschinenführer vorgegeben werden, beispielsweise durch Betätigung eines Joysticks, wie er in Kran- oder Seilbagger-Führerständen zum Betätigen und Ansteuern der Antriebe üblich ist, oder eines Schiebe- oder Drehregler oder anderer Eingabemittel. Alternativ oder zusätzlich kann das Sollgeschwindigkeitssignal aber auch von einem Steuerungsbaustein wie beispielsweise einer Weg- oder Zielsteuerung automatisiert vorgegeben werden und dann in der genannten Weise gefiltert werden.
In Weiterbildung der Erfindung kann das vorgegebene Sollgeschwindigkeitssignal zusätzlich zur Frequenzfilterung durch einen beschleunigungsbegrenzenden Rampenformer oder -generator bearbeitet werden, um zu große Beschleunigungen der translatorischen Bewegung des Lastaufnahmemittels zu vermeiden bzw. die durch das Sollgeschwindigkeitssignal implizierten Beschleunigungen, beispielsweise in Folge zu heftiger bzw. zu schneller Joystick-Bewegungen, zu begrenzen.
Ein solcher Rampengenerator- bzw. Rate-Limiter-Baustein kann das manuell oder auch halbautomatisiert vorgegebene Sollgeschwindigkeitssignal verarbeiten und umformen, bevor das hinsichtlich der Beschleunigung begrenzte bzw. vom Rampengenerator-Baustein bearbeitete Sollgeschwindigkeitssignal dann der genannten Frequenzfilterung unterworfen wird. Alternativ oder zusätzlich käme es evtl, auch in Betracht, einen solchen Rampengenerator-Baustein dem Filter nachzuordnen und das bereits gefilterte Signal hinsichtlich der Beschleunigung weiter zu begrenzen. Sinnvollerweise jedoch ist der Rampengenerator dem Frequenzfilter vorgeordnet.
In alternativer Weiterbildung der Erfindung ist es jedoch auch möglich, auf eine solche beschleunigungsbegrenzende Bearbeitung des Sollgeschwindigkeitssignals zu verzichten und das vorgegebene Sollgeschwindigkeitssignal ohne Vorabbearbeitung durch einen Rampengenerator direkt der Filterung zu unterwerfen.
Vorteilhafterweise wird für die Frequenzfilterung ein parametrierbarer und/oder einstellbarer Filter verwendet, der hinsichtlich eines zu filternden Frequenzbandes kontinuierlich oder zyklisch während des Kran- bzw. Seilbaggerbetriebs in Abhängigkeit einer Senktiefe des Hubseils bzw. des Lastaufnahmemittels eingestellt wird. Je nachdem wie weit das Lastmittel vom Ausleger abgesenkt ist, wird ein anderes Frequenzband aus dem vorgegebenen Sollgeschwindigkeitssignal herausgefiltert, wobei das Frequenzband vorzugsweise in Abhängigkeit der jeweiligen Senktiefe so eingestellt wird, dass es die Eigenfrequenz des Pendels erfasst.
Die jeweilige Senktiefe des Lastaufnahmemittels bzw. des Hubseils kann auf verschiedene Art und Weise bestimmt werden, beispielsweise durch eine Positionserfassung des Hubwerks bzw. Hubwerksantriebs und/oder durch eine Sensorik, die die abgespulte Seillänge oder die Beabstandung des Lastaufnahmemittels vom Ausleger erfasst.
In Weiterbildung der Erfindung kann die Steuervorrichtung mit nur einer Senktiefe- Erfassungseinrichtung auskommen und auf eine weitergehende Sensorik verzichten, wie sie bei anderen Pendeldämpfungs-Einrichtungen erforderlich ist, obgleich weitere Sensoren über den Senktiefe-Sensor hinaus gleichwohl vorgesehen sein können, insbesondere um eine komplexere Bestimmung der herauszufilternden Eigenfrequenz zu erreichen.
Für die Bestimmung der Eigenfrequenz bzw. des herauszufilternden Frequenzbands kann die Eigenfrequenz des Pendels unter der Annahme eines mathematischen Pendels aus der Senktiefe bestimmt werden. Da die am Lasthaken hängenden Lasten bzw. der befüllte Baggergreifer sehr schwer ist im Vergleich zum Gewicht des Hubseils und des Lastaufnahmemittels, kann das Zugrundelegen des Modells eines mathematischen Pendels eine ausreichende Genauigkeit bei der Bestimmung der Eigenfrequenz erreichen, wobei unter Berücksichtigung einer gewissen Bandbreite des Filterbands auch gewisse Ungenauigkeiten bzw. Verschiebungen bei der Eigenfrequenz gegenüber dem mathematischen Pendel miterfasst werden können.
Betrachtet man ein schwingendes Fadenpendel, wird die Schwingungsbewegung bekanntermaßen durch die beiden gekoppelten Differenzialgleichungen beschrieben, in denen w die Winkelgeschwindigkeit, g die Erdbeschleunigung, I die Senktiefe bzw. Fadenlänge und <p der Auslenkwinkel aus der Vertikalen ist. Da bei Pendelbewegungen an Kranen, Seilbaggern oder ähnlichen Hebezeugen regelmäßig nur kleine Auslenkwinkel <p auftreten, kann für den vorgenannten Term angenommen werden, sodass die Eigenfrequenz des Pendels unter der Annahme eines mathematischen Pendels aus der Senktiefe I des Lastaufnahmemittels bzw. des Hubseils gemäß der Beziehung bestimmt werden kann, wobei wo die Eigenfrequenz ist.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, komplexere Modelle als das mathematische Pendel zugrunde zu legen und für die Bestimmung der Eigenfrequenz zu verwenden, wobei in solchen komplexeren Modellen insbesondere die Hubseilmasse und/oder eine Dämpfung und/oder ggf. auch die Länge eines Lastaufnahmegehänges, mit dem die Last am Lastaufnahmemittel angeschlagen wird, berücksichtigt werden können.
Um den Einfluss der Länge eines Anschlagmittels wie beispielsweise eines Kettengehänges oder auch eines Lastkörpers mit großer Ausdehnung, der den Massenschwerpunkt deutlich unter das Lastaufnahmemittel verschieben kann, zu korrigieren, kann an sich weiterhin ein mathematisches Modell zugrundegelegt werden und die Senktiefe entsprechend korrigiert werden, wobei beispielsweise die sensorisch erfasste Senktiefe des Hubseils bzw. des Lastaufnahmemittels durch einen Korrekturwert ergänzt bzw. korrigiert werden kann, der beispielsweise manuell über eine Eingabevorrichtung beispielsweise am Maschinenführerstand manuell eingegeben werden kann oder auch durch einen ergänzenden Sensor, der die Länge des Anschlagmittels und/oder die Ausdehnung der Last erfassen kann, bestimmt werden kann. Beispielsweise kann zur Korrektur des sensorisch erfassten Senktiefewerts auch ein jeweils verwendetes Anschlagmittel wie ein Kettengehänge automatisch erfasst werden, beispielsweise durch ein Einlesen eines am Anschlagmittel angebrachten Transponders, wenn das Anschlagmittel am Lasthaken angebracht wird, um die Länge des Anschlagmittels bzw. den sich hierdurch ergebenden Abstand vom Lastaufnahmemittel der Steuervorrichtung automatisiert bereitzustellen.
In Weiterbildung der Erfindung wird ein Notch-Filter zum Filtern des vorgegebenen Sollgeschwindigkeitssignals verwendet. Ein solcher Notch-Filter ist einfach zu implementieren und parametrisieren. Insbesondere kann über die einstellbare Filtergüte des Notch-Filters die Bandbreite des Filters gesteuert bzw. eingestellt werden, wodurch die Robustheit des Verfahrens beeinflusst werden kann. Eine größere Bandbreite führt zu einer besseren Robustheit mit allerdings etwas reduzierter Dynamik.
Grundsätzlich können aber auch andere Filter eingesetzt werden, die eine vorzugsweise schmalbandige Filterung der Eigenfrequenz vorsehen.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Filter abschaltbar bzw. die Eigenfrequenzfilterung ausschaltbar. Dadurch dass die Eigenfrequenz aus dem Ansteuerungssignal gefiltert wird, kann eine schon vorhandene Schwingung regelmäßig nicht mehr herausgefahren werden. Um solche schon vorhandenen Schwingungen bzw. Pendelbewegungen eliminieren zu können, ist es hilfreich, ein schnelles und einfaches An- und Abschalten der Eigenfrequenzfilter-Funktion vorzusehen, um dem Maschinenführer konternde Bewegungsanforderungen zu ermöglichen, ohne die Dynamik solcher Gegenmaßnahmen durch die Filterung zu beeinträchtigen.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann am Steuerstand bzw. an der Steuervorrichtung wie bspw. einer Fernsteuerung eine Ausschaltvorrichtung zum Ausschalten der Frequenzfilterung vorgesehen sein, die Eingabemittel beispielsweise in Form einer manuellen Taste und/oder eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines Ausschaltwunsches umfassen kann, beispielsweise in Form eines in den Joystick integrierten Ein- und Ausschalters, beispielsweise in Form einer am Joystick angebrachten Drucktaste.
Alternativ oder zusätzlich kann es aber auch vorteilhaft sein, als Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Ausschaltwunschs eine Gestenerfassungseinrichtung vorzusehen, die einen per Geste gegebenen Ausschaltwunsch erfassen kann, beispielsweise in Form einer Handbewegung, die von der Gestenerfassungseinrichtung erfasst wird.
Beispielsweise kann eine solche Gestenerfassungseinrichtung konternde Bewegungsanforderungen am Joystick erfassen, um beim Eingeben einer solchen konternden Bewegung am Joystick die Filterfunktion zu deaktivieren. Eine solche konternde Joystickbewegung ist eine Umkehrung des Joysticks von positiver zu negativer Auslenkung bzw. umgekehrt. Eine solche konternde Joystickbewegung kann als intuitive Geste des Maschinenführers erfasst bzw. aufgefasst werden, da beim Kontern intuitiv versucht wird, ein schnelleres Anhalten der Antriebseinrichtung zu erreichen, was dann mit Abschalten des Filterns auch tatsächlich erreichbar ist.
Beispielsweise kann die Gestenerfassungseinrichtung einen dem Eingabemittel für das Sollgeschwindigkeitssignal zugeordneten Bewegungssensor umfassen, der dazu ausgebildet ist, konternde Eingabebefehle, die die Bewegungsrichtung der Antriebseinrichtung umkehren, zu erfassen und ein Signal bereitzustellen, anhand dessen dann die Steuervorrichtung die Filtereinrichtung abschaltet bzw. die Filterung aussetzt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 : eine perspektivische Darstellung eines Turmdrehkrans, an dessen Ausleger eine verfahrbare Laufkatze vorgesehen ist, von der ein Hubseil zu einem Lastaufnahmemittel in Form eines Lasthakens abläuft, Fig. 2: eine schematische Darstellung der Steuervorrichtung zum Steuern des Krans aus Fig. 1 , wobei die Steuervorrichtung einen Frequenzfilter zum Filtern des Sollgeschwindigkeitssignals besitzt, dessen Filterband in Abhängigkeit der Eigenfrequenz des vom Hubseil und der daran angeschlagenen Last gebildeten Pendels einstellbar ist,
Fig. 3: zwei Simulationsdiagramme, die den Verlauf verschiedener Systemzustände des Krans, insbesondere des Verstellwegs, der Beschleunigung, des Auslenkwinkels und der Winkelbeschleunigung, über der Zeit bei einem Verfahren des Lasthakens zeigen, wobei die Teilansicht a die Signalverläufe ohne Eigenfrequenzfilterung und die Teilansicht b die Signalverläufe mit Frequenzfilterung zeigen, und
Fig. 4: ein Diagramm, das die Winkelauslenkung und die Schwingungsamplitude über der Frequenz zeigt.
Wie Fig. 1 zeigt, kann als Hebezeug ein Kran 1 vorgesehen sein, der in Form eines Turmdrehkrans ausgebildet sein kann. Der Kran 1 besitzt einen Ausleger 3, der auf einem Turm 2 oder ggf. einem Oberwagen angeordnet ist und um eine aufrechte Achse 5 durch ein Drehwerk 6 verdreht werden kann. Der Ausleger 3 kann über eine Abspannung beispielsweise an einem Gegenausleger 4 abgespannt sein, der ein Ballastgewicht tragen kann.
Der Ausleger 3 kann sich horizontal erstrecken, ggf. aber auch über ein Wippwerk auf- und niedergewippt werden.
Vom Ausleger 3 läuft ein Hubseil 7 ab, an dem ein Lastaufnahmemittel 8 beispielsweise in Form eines Lasthakens angelenkt ist, beispielsweise über eine Umlenkflasche eingeschert sein kann. Das Hubseil 7 kann von einer Laufkatze 9 ablaufen, die an dem Ausleger 3 verfahrbar gelagert ist und durch einen Katzantrieb 10 entlang des Auslegers 3 verfahren werden kann. Ein Steuerstand 11 , der am Turm 2 angeordnet sein kann, kann in an sich bekannter Weise Eingabemittel wie Joysticks, Schiebe- oder Drehschalter, einen Touchscreen oder andere Eingabemittel aufweisen, um Steuerbefehle für die Antriebseinrichtungen des Krans 1 eingeben zu können, insbesondere Sollgeschwindigkeitssignale für den Katzantrieb 10, den Drehwerksantrieb 6 und den Hubwerksantrieb für das Hubseil 7 und ggf. für einen Wippantrieb zum Auf- und Niederwippen des Auslegers 3 und/oder einen Teleskopierantrieb zum Ein- und Austeleskopieren des Auslegers 3. Anstelle eines am Kran 1 vorgesehenen Steuerstands 11 oder zusätzlich zu diesem kann der Kran 1 ggf. auch von einer Fernsteuerung aus bedient werden, die entsprechende Eingabemittel zum Eingeben von Steuerbefehlen aufweisen kann.
Die genannten Sollgeschwindigkeitssignale in Form eines Geschwindigkeitswunschs kann beispielsweise durch Verkippen bzw. Verstellen von Joysticks manuell vom Kranführer eingegeben werden. Gegebenenfalls können auch automatisierte oder halb-automatisierte Steuerungsmodule vorgesehen sein, die beispielsweise das Anfahren eines bestimmten Punktes oder das Abfahren eines bestimmten Wegs ermöglichen.
Wie Fig. 2 zeigt, wird ein jeweils vorgegebenes Sollgeschwindigkeitssignal, das eine oder mehrere der genannten Antriebseinrichtungen betätigen und den Lasthaken translatorisch verfahren soll, von einer Steuervorrichtung 12 bearbeitet bzw. einer Signalverarbeitung unterzogen, bevor das Sollgeschwindigkeitssignal tatsächlich zur Ansteuerung an die Antriebseinrichtung gegeben wird.
Das vorgegebene, beispielsweise an einem Joystick eingegebene Sollgeschwindigkeitssignal kann zunächst einem Rampengenerator 13 bzw. einem Ratelimiter- Baustein zum Begrenzen der Beschleunigung der translatorischen Bewegung des Lasthakens zugeführt bzw. von einem solchen Rampengenerator 13 bearbeitet werden. Insbesondere kann der genannte Rampengenerator 13 das Sollgeschwindigkeitssignal hinsichtlich seiner Steigung begrenzen und/oder das rampenförmige Sollgeschwindigkeitssignal abflachen, um die bei der Ausführung der translatori- schen Bewegung des Lasthakens erzeugten Beschleunigungen zu begrenzen und/oder zu verringern. Eine solche Signalbearbeitung durch einen Rampengenerator 13 ist allerdings nicht in jedem Fall zwingend. Prinzipiell könnte der Rampengenerator 13 gänzlich weggelassen werden und/oder auch ein Vorfilter zum Vorfiltern des Sollgeschwindigkeitssignals vorgesehen werden. Beispielsweise könnte ein Tiefpassfilter insbesondere erster Ordnung zum Vorfiltern des vorgegebenen Sollgeschwindigkeitssignals v_soll vorgesehen werden.
Wie Figur 2 zeigt, wird das vom Rampengenerator 13 vorbearbeitete, insbesondere hinsichtlich der Beschleunigung begrenzte Sollgeschwindigkeitssignal v_soll_lim einem Filter 14 zugeführt, um die Eigenfrequenz des Pendels im Sollgeschwindigkeitssignal auszulöschen. Alternativ kann bei Weglassen des Rampengenerators 13 aber auch direkt das vorgegebene Sollgeschwindigkeitssignal v_soll oder das ggf. tiefpassgefilterte Signal dem Filter 14 zugeführt werden, um hinsichtlich der Eigenfrequenz gefiltert zu werden.
Der Filter 14 kann vorteilhafterweise ein schmalbandiger Filter und/oder ein Notch- Filter sein bzw. einen solchen umfassen, wobei der Filter 14 dazu ausgebildet ist, die Eigenfrequenz des Pendels aus dem zugeführten Sollgeschwindigkeitssignal herauszufiltern. Die Verwendung des genannten Notch-Filters ist besonders vorteilhaft hinsichtlich einer einfachen Implementierung und Parametrierung, wobei über die Filtergüte die Bandbreite des Filters 14 gesteuert und so eine größere Robustheit des Verfahrens erreicht werden kann. Eine größere Filterbandbreite führt zu einer besseren Robustheit, allerdings bei reduzierter Dynamik.
Der genannte Filter 14 ist hinsichtlich seines Filterbands einstellbar, wobei das Filterband insbesondere in verschiedene Frequenzbereiche verschoben und/oder hinsichtlich seiner Filterbandbreite verändert werden kann.
Der Filter 14 wird vorteilhafterweise hinsichtlich des zu filternden Frequenzbands kontinuierlich oder zyklisch während des Kranbetriebs - also vorteilhafterweise on- line - in Abhängigkeit zumindest der Senktiefe des Lasthakens eingestellt bzw. angepasst.
Insbesondere kann der Filter 14 hinsichtlich seines Filterbands in Abhängigkeit einer errechneten bzw. einer bestimmten Eigenfrequenz des Pendels eingestellt werden, das vom Hubseil 7, dem Lastaufnahmemittel 8 und der daran angeschlagenen Last gebildet wird, wobei die genannte Eigenfrequenz des Pendels zumindest in Abhängigkeit der Senktiefe des Lastaufnahmemittels bestimmt bzw. berechnet werden kann.
Für die Bestimmung der Eigenfrequenz kann einfacherweise das Modell eines mathematischen Pendels angenommen werden, das als Punktmasse und vollständig ungedämpft angenommen wird. Da üblicherweise im Vergleich zum Hubseil- und Lasthakengewicht das Gewicht der angeschlagenen Last sehr viel größer ist, können das Hubseilgewicht vernachlässigt werden. Andererseits können aber auch komplexere Pendelmodelle zur Bestimmung der Eigenfrequenz zugrundegelegt werden, bei denen z. B. die Hubseilmasse, eine Dämpfung oder ggf. auch die Länge eines Kettengehänges oder eines anderen Anschlagmittels berücksichtigt werden können. Ein solches Kettengehänge bzw. Anschlagmittel mit entsprechender Beabstandung der Last vom Lasthaken und auch ein Lastkörper mit größerer Ausdehnung, die den Massenschwerpunkt nach unten verschiebt, können das Pendelmodell beeinflussen bzw. bei der Bestimmung der Eigenfrequenz nur mit der Senktiefe des Lasthakens zu Fehlem führen, sodass die sensorisch erfasste Senktiefe des Lasthakens entsprechend korrigiert werden kann, wie dies eingangs schon erläutert wurde.
Insbesondere kann die Steuervorrichtung 12 ein Eingabemittel zum Eingeben eines Korrekturwerts für die Senktiefe aufweisen. Beispielsweise kann eine geschätzte Beabstandung des Lastschwerpunkts vom Lasthaken manuell eingegeben werden oder ein Einlesebaustein zum Einlesen der Länge des Anschlagmittels oder des Anschlagtyps vorgesehen sein. Die Eigenfrequenz des Pendels ändert sich je nach Senktiefe des Lastaufnahmemittels 8, das heißt der Beabstandung des Lastaufnahmemittels 8 vom Ausleger 3, da das Hubseil 7 laufend bzw. immer wieder oder mehrfach abgelassen oder eingeholt wird. Um den Filter 14 für die jeweilige Eigenfrequenz des Pendels passend zu machen, wird das Filterband des Filters 14 in Abhängigkeit der Senktiefe I und ggf. eines Korrekturwerts kontinuierlich oder zyklisch während des Kranbetriebs angepasst.
Die Senktiefe I kann von einer Erfassungseinrichtung 15 erfasst bzw. bestimmt werden, wobei die Erfassungseinrichtung 15 beispielsweise dem Hubwerksantrieb für das Hubseil 7 zugeordnet sein kann. Aus der bekannten Länge des Hubseils 7 und der jeweiligen Stellung der Hubwerkstrommel kann die Senktiefe I bestimmt werden. Grundsätzlich kann die Senktiefe I aber auch durch einen anderen Sensor bzw. andere Bestimmungsmittel bestimmt werden, beispielsweise einem Abstandssensor an der Laufkatze 9 oder einem Seillängenmesser.
Die Steuervorrichtung 12 kann ohne weitere Sensorik auskommen, wobei gleichwohl zusätzliche Sensormittel zur Bestimmung weiterer Betriebsparameter vorgesehen sein können.
Wie Figur 2 zeigt, wird das gefilterte Sollgeschwindigkeitssignal v_soll_transl, aus dem die berechnete Eigenfrequenz ausgelöscht wurde, für die Ansteuerung der jeweiligen Antriebseinrichtung verwendet, beispielsweise für den Katzantrieb 10, um die Laufkatze 9 entlang des Auslegers 3 zu verfahren, oder für den Drehwerksantrieb 6, um den Ausleger 3 um die Achse 5 zu verschwenken.
Die Figur 3 verdeutlicht in ihren beiden Teildarstellungen a und b die durch die genannte Filterung erzielbare Reduzierung der Schwingungen bzw. Pendelbewegungen, wobei x den Verfahrweg über der Zeit, x die Beschleunigung bzw. die Änderung des Wegs über der Zeit, den Auslenkwinkel des Pendels gegenüber der Vertikalen und <T> die Änderung des Auslenkwinkels bzw. die Winkelbeschleunigung zeigt, und zwar jeweils über der Zeit. Wird das Sollgeschwindigkeitssignal ohne Filterung zur Ansteuerung verwendet, wie dies die Teilansicht a der Figur 3 zeigt, treten deutlich größere Schwingungen bzw. Pendelbewegungen auf, wobei insbesondere die Winkelauslenkungen und die Winkelbeschleunigungen größer sind. Wird das Sollgeschwindigkeitssignal gefiltert, wie dies Figur 3b zeigt, sind die Pendelbewegungen und die damit einhergehenden Auslenkwinkel und Winkelbeschleunigungen deutlich kleiner.
Dies verdeutlicht auch Figur 4, die die Frequenzantwort in Bezug zum Auslenkwinkel bzw. zur Amplitude zeigt.
Um evtl, dennoch auftretende Pendelbewegungen manuell korrigieren zu können bzw. ein manuelles Gegenlenken nicht zu behindern bzw. zu verzögern, kann die Steuervorrichtung 12 in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung eine Abschalteinrichtung zum Abschalten des Filters 14 bzw. Deaktivieren des Filters 14 aufweisen. Vorteilhafterweise kann die Abschalteinrichtung eine Gestenerfassungseinrichtung umfassen, um den Filter 14 in Abhängigkeit einer erfassten Geste des Maschinenführers abschalten zu können.
Um ein unter Umständen erforderliches, schnelles und einfaches An- und Abschalten der Filterfunktion zu ermöglichen, um mit evtl, auftretenden Pendelbewegungen umgehen zu können, kann die Steuervorrichtung 12 insbesondere zusätzliche Bedienelemente am Steuerstand 11 und/oder an einer Fernsteuereinrichtung aufweisen. Insbesondere kann eine Gestensteuerung vorgesehen sein, wobei z. B. die Filterfunktion deaktiviert werden kann, sobald eine konternde Bewegungsanforderung mit dem Joystick bzw. dem Eingabemittel zum Eingeben des Sollgeschwindigkeitssignals ausgeführt wird. Eine solche konternde Bewegungsanforderung kann beispielsweise eine Umkehrung der Auslenkung des Joysticks sein, wenn dieser von positiv zu negativ oder umgekehrt bewegt wird. Dies wäre eine intuitive Geste, da beim Kontern intuitiv versucht wird, ein schnelleres Anhalten des Antriebs zu erreichen, was mit einem Abschalten des Filters 14 auch erreicht werden kann. Eventuell kann die Gestenerfassungseinrichtung auch eine Kopfbewegung des Maschinenführers erfassen. Wird beispielsweise der Lasthaken nach rechts verfahren und bei einer solchen Rechtsfahrt der Kopf des Maschinenführers nach links geneigt, kann dies als intuitive Geste und Wunsch zum Kontern erfasst bzw. gedeutet werden.

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Steuern eines Hebezeugs wie eines Krans (1 ) oder Seilbaggers, bei dem ein Lastaufnahmemittel (8) nach Art eines Pendels über ein Hubseil (7) an einem Ausleger (3) aufgehängt ist und der Ausleger (3) und/oder eine an dem Ausleger (3) verfahrbare Laufkatze (9) mittels zumindest einer Antriebseinrichtung (6; 10) verfahren wird, wobei zum Verfahren des Lastaufnahmemittels (8) ein Sollgeschwindigkeitssignal (v_soll) für die zumindest eine Antriebseinrichtung (6; 10) vorgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Filters (14) aus dem vorgegebenen Sollgeschwindigkeitssignal (v_soll) die Eigenfrequenz des Pendels herausgefiltert wird und das gefilterte Sollgeschwindigkeitssignal (v_soll_transl) zum Ansteuern der zumindest einen Antriebseinrichtung (6; 10) verwendet wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein parametrierbarer und/oder einstellbarer Filter (14) verwendet wird, der hinsichtlich eines zu filternden Frequenzbands kontinuierlich oder zyklisch während des Hebe- zeugbetriebs in Abhängigkeit einer Senktiefe (I) des Lastaufnahmemittels (8) eingestellt wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Eigenfrequenz des Pendels unter Zugrundelegung eines Pendelmodells, insbesondere eines mathematischen Pendelmodells, aus der Senktiefe (I) des Lastaufnahmemittels (8) und ggf. weiterer Korrektur- oder Modellparameter berechnet wird und anhand der berechneten Eigenfrequenz das Filterband des Filters (14) verschoben und/oder die Filterbandbreite verändert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels einer Erfassungseinrichtung ein Ausschaltwunsch zum Ausschalten der Frequenzfilterung erfasst und in Abhängigkeit eines Ausschaltsignals der Erfassungseinrichtung die Frequenzfilterung des vorgegebenen Sollgeschwindigkeitssignals automatisch abgeschaltet wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei von der Erfassungseinrichtung ein konternder Steuerbefehl, der eine aktuell auszuführende Bewegung des Lastaufnahmemittels (8) kontert, erfasst wird, wobei in Abhängigkeit eines erfassten konternden Steuerbefehls der Filter (14) automatisch abgeschaltet wird. Vorrichtung zum Steuern eines Hebezeugs wie eines Krans (1 ) oder eines Seilbaggers, bei dem ein Lastaufnahmemittel (8) nach Art eines Pendels über ein Hubseil (7) an einem Ausleger (3) aufgehängt ist und der Ausleger (3) und/oder eine an dem Ausleger (3) verfahrbare Laufkatze (9) mittels zumindest einer Antriebseinrichtung (6; 10) verfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter (14) zum Herausfiltern der Eigenfrequenz des Pendels aus einem Sollgeschwindigkeitssignal für die zumindest eine Antriebseinrichtung (6; 10) vorgesehen ist und ein gefiltertes Sollgeschwindigkeitssignal zum Ansteuern der zumindest einen Antriebseinrichtung (6; 10) bereitstellt. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Filter (14) hinsichtlich seines Filterbands parametrierbar und/oder einstellbar ausgebildet ist, wobei die Steuervorrichtung dazu konfiguriert ist, den Filter (14) hinsichtlich des Filterbands kontinuierlich oder zyklisch während des Hebezeugbetriebs in Abhängigkeit zumindest einer Senktiefe (I) des Hubseils (7) einzustellen. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung der Eigenfrequenz des Pendels anhand eines Pendelmodells, insbesondere eines mathematischen Pendelmodells, aus der Senktiefe (I) des Lastaufnahmemittels (8) vorgesehen ist, und die Steuervorrichtung dazu konfiguriert ist, anhand der berechneten Eigenfrequenz das Filterband des Filters (14) zu verschieben und/oder die Filterbandbreite zu verändern. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Erfassungseinrichtung (15) zum Erfassen der Senktiefe (I) des Lastaufnahmemittels (8) vorgesehen ist. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Senktiefe- Erfassungseinrichtung (15) die einzige Sensorik bildet. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Abschalteinrichtung zum Abschalten des Filters (14) bei auftretenden Pendelbewegungen vorgesehen ist. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Abschalteinrichtung eine Gestenerfassungseinrichtung zum Erfassen von Gesten des Maschinenführers umfasst und dazu ausgebildet ist, bei Erfassen einer vorbestimmten Geste den Filter (14) abzuschalten. 21 Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Gestenerfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, konternde Steuerbefehle des Maschinenführers zu erfassen, und die Abschaltvorrichtung dazu konfiguriert ist, die Frequenzfilterung des vorgegebene Sollgeschwindigkeitssignals in Abhängigkeit eines Signals der Gestenerfassungseinrichtung, das einen konternden Steuerbefehl anzeigt, abzuschalten. Hebezeug, insbesondere Kran (1), mit einer Steuervorrichtung (12), die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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