EP4182256B1

EP4182256B1 - Hebezeug wie kran sowie verfahren und vorrichtung zum steuern eines solchen hebezeugs

Info

Publication number: EP4182256B1
Application number: EP21765650.3A
Authority: EP
Inventors: Sebastian STEHLE
Original assignee: Liebherr Werk Biberach GmbH
Current assignee: Liebherr Werk Biberach GmbH
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2021-08-20
Publication date: 2025-07-02
Anticipated expiration: 2041-08-20
Also published as: DE102020126504A1; EP4182256A1; WO2022073680A1; EP4600197A2; EP4600197A3; ES3041942T3

Description

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.
Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4 sind aus dem Dokument DE 10 2017 114 789 A1 bekannt, die zur Pendeldämpfung des Lasthakens eines Krans neben den Pendelbewegungen des Seils auch die Dynamik der Kranstruktur berücksichtigt und einer Vorsteuerung Sollwerksignale zum Eliminieren der Eigenfrequenzen der Strukturdynamik zuführt. Weitere Pendeldämpfungssysteme sind aus den Schriften US 5,785,191 A , EP 1 652 810 A1 ; EP 3 689 809 A1 , CN 106927366 B und US 5,908,122 A bekannt.
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 Inertialmesseinrichtungen 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 4 sowie ein Hebezeug gemäß Anspruch 9 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.
Gemäß der Erfindung wird für die Frequenzfilterung ein parametrierbarer und/oder einstellbarer Filter verwendet, der hinsichtlich eines zu filternden Frequenzbandes kontinuierlich 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 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 $\dot{φ} = ω,$
$\dot{ω} = - \frac{g}{l} \sin φ .$
beschrieben, in denen ω die Winkelgeschwindigkeit, g die Erdbeschleunigung, I die Senktiefe bzw. Fadenlänge und φ der Auslenkwinkel aus der Vertikalen ist. Da bei Pendelbewegungen an Kranen, Seilbaggern oder ähnlichen Hebezeugen regelmäßig nur kleine Auslenkwinkel φ auftreten, kann für den vorgenannten Term $\sin (φ) \approx φ .$
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 $ω_{0} = \sqrt{\frac{g}{l}}$
bestimmt werden kann, wobei ω₀ 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 translatorischen 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 online - 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 Fehlern 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, ϕ den Auslenkwinkel des Pendels gegenüber der Vertikalen und Φ˙ 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

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 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, wobeimittels 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,
dadurch gekennzeichnet, dass ein parametrierbarer und/oder einstellbarer Filter (14) verwendet wird, der hinsichtlich eines zu filternden Frequenzbands kontinuierlich während des Hebezeugbetriebs in Abhängigkeit einer Senktiefe (I) des Lastaufnahmemittels (8) eingestellt wird,

wobei die Eigenfrequenz des Pendels unter Zugrundelegung eines Pendelmodells, insbesondere eines mathematischen Pendelmodells, aus der Senktiefe (I) des Lastaufnahmemittels (8) und 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 gemäß dem Verfahren eines vorhergehenden Anspruchs, 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, wobei eine Erfassungseinrichtung (15) zum Erfassen der Senktiefe (I) des Lastaufnahmemittels (8) vorgesehen ist, wobei 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, dadurch gekennzeichnet, dass 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 während des Hebezeugbetriebs in Abhängigkeit zumindest einer Senktiefe (I) des Hubseils (7) einzustellen, 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 dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Senktiefe-Erfassungseinrichtung (15) die einzige Sensorik bildet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, 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.
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 Vorrichtung (12), die gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8 ausgebildet ist.