FR2600316A1 - Dispositif de commande pour la fleche d'une grue hydraulique - Google Patents

Abstract

CE DISPOSITIF DESTINE A COMMANDER LA FLECHE D'UNE GRUE HYDRAULIQUE EQUIPEE D'UN CAPTEUR DE CHARGE ET DANS LAQUELLE LA VITESSE MAXIMALE ADMISSIBLE DE LA FLECHE CROIT AVEC LA DIMINUTION DE LA CHARGE ET INVERSEMENT. POUR REDUIRE LES CONTRAINTES DYNAMIQUES EXERCEES SUR LA GRUE, LE DEBIT D'HUILE DES VERINS HYDRAULIQUES EST COMMANDE PAR AJUSTEMENT DIRECT DES MOUVEMENTS DES DISTRIBUTEURS DES VERINS SUR LA BASE D'UNE INSTRUCTION DE VITESSE DE LA FLECHE 13 ET D'UN SIGNAL DE CHARGE 14, ET PAR ELIMINATION, PAR FILTRAGE, DES INSTRUCTIONS DE VITESSE QUI INDIQUENT LES VITESSES DE MOUVEMENT DES DISTRIBUTEURS SUPERIEURES A UNE VALEUR PREDETERMINEE.

Description

Pour le calcul de la résistance de la structure

de grues, on doit tenir compte des forces dynamiques.

Ces forces sont dues aux accélérations et décélérations de l'ensemble flèche et, en particulier, de celles de la charge à lever. Jusqu'à présent, la vitesse maximum admissible de l'ensemble flèche d'une grue était fixée par une pompe hydraulique donnant un débit volumique réglé sur un niveau maximum prédéterminé qui était calculé spécifique10 ment pour chaque grue. Ce débit volumique était réparti

entre les différents moyens d'actionnement, principalement entre les vérins hydrauliques, au moyen de distributeurs commandés mécaniquement à l'aide de leviers.

Un grave inconvénient consistait en ce que la 15 charge et la vitesse maximales admissibles de la grue étaient fixes et indépendantes l'une de l'autre, c'est-àdire qu'on devait calculer les dimensions de la grue pour la situation dans laquelle la charge maximum est mise en mouvement à la vitesse maximale, situation qui se 20 rencontre fréquemment en pratique. Il était possible de faire démarrer et d'arrêter très rapidement les mouvements de la grue, ce qui faisait fréquemment vibrer la structure de la grue pendant le déplacement de la charge. Les tentatives de l'opérateur pour compenser les vi25 brations ne faisaient généralement qu'accroltre les vibrations, parce que la combinaison des mouvements de commande et de la fréquence propre de la structure de la

grue engendrait une vibration non amortie.

Ceci est dû au fait que les mouvements des dis30 tributeurs des moyens d'actionnement de la grue, principalement les mouvements des distributeurs des vérins hydrauliques, étaient commandés directement, mécaniquement. L'opinion générale de l'homme de l'art était jusqu'à présent qu'il n'est pas possible de modifier les 35 accélérations dans une large mesure en réduisant les vitesses d'ouverture et de fermeture des distributeurs,

parce que la commande de la grue exigerait alors une anticipation et qu'elle deviendrait imprécise et même dangereuse.

Le brevet des E.U.A. 4 006 347 propose de tenir 5 compte de la charge en ralentissant le mouvement de la flèche de la grue dans le plan vertical lorsque la flèche s'abaisse vers une position horizontale et, inversement, en l'accélérant lorsque la flèche se relève. Toutefois, la commande est exécutée indirectement au moyen 10 d'une soupape additionnelle qui renvoie une partie du

débit à la bâche en dérivation par rapport au distributeur du vérin hydraulique, de sorte que la commande est imprécise, en particulier dans les phases de mise en marche et d'arrêt de la flèche.

L'invention a donc pour but de réaliser un dispositif pour commander en particulier l'ensemble flèche d'une grue hydraulique, dans lequel la grue est équipée d'au moins un capteur de charge qui fournit des données de mesure sur la base desquelles la vitesse de l'ensem20 ble flèche est commandée de telle manière que la vitesse

maximum admissible croisse avec la diminution de la charge et que, inversement, elle diminue avec l'accroissement de la charge.

Le but est de réaliser un nouveau dispositif de 25 commande dans lequel les forces dynamiques exercées sur

-la grue soient mieux prises en compte que dans les dispositifs connus.

Le dispositif selon l'invention- est principalement caractérisé en ce que, pour réduire les contraintes 30 dynamiques exercées sur la grue, le débit d'huile des moyens d'actionnement hydrauliques e'st commandé en ajustant directement les mouvements des distributeurs des moyens d'actionnement sur la base d'une instruction de vitesse de la flèche et d'un signal de charge et en fil35 trant les instructions de vitesse qui indiquent des vitesses de déplacement du distributeur supérieures à une

valeur prédéterminée.

De cette façon, les contraintes dynamiques provoquées par les accélérations de la charge sont réduites dans le dispositif de commande selon l'invention par le 5 fait qu'on empêche le distributeur de s'ouvrir et de se fermer trop rapidement et qu'on diminue en particulier la vitesse des mouvements de la grue aux grandes charges. Le filtrage des mouvements de commande de l'opérateur diminue les accélérations, compense les effets désa10 vantageux des faux mouvements et améliore les propriétés de commande. Grâce à la réduction des variations des contraintes dynamiques, la puissance de levage de la grue peut être augmentée et les propriétés de direction peuvent être améliorées; en outre, la durabilité des struc15 tures de la grue peut être améliorée ou, inversement, les

structures peuvent être allégées.

Les distributeurs hydrauliques sont commandés

électriquement. Le débit d'huile qui peut être commandé par l'opérateur est réglé par modification du signal de 20 commande électrique sur la base de la donnée de charge.

Le débit volumique d'huile est alors réglé au moyen du même distributeur que celui au moyen duquel la grue est commandée de toute façon. Un avantage de cet arrangement consiste en ce qu'il n'est pas nécessaire d'augmenter le 25 nombre des composants hydrauliques.

Le dispositif de commande de grue peut de préférence être construit de la façon suivante.

Le dispositif comprend une unité de commande numérique programmable qui effectue l'ajustement de la vi30 tesse maximum sur la base de l'information fournie par le capteur de charge. L'unité de commande comprend un élément filtre numérique qui contrôle la vitesse des mouvements des leviers de commande, élimine par filtrage les fréquences excessives et effectue les accélérations 35 et décélérations d'une façon échelonnée. Toutes les fonctions de commande et de contrôle de l'unité de commande peuvent être programmées séparément pour chaque grue et

pour chaque moyen d'actionnement.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la descrip5 tion qui va suivre, d'un exemple de réalisation et en se référant aux dessins annexes sur lesquels, la figure 1 est une vue de côté d'une grue la figure 2 est un schéma général du dispositif de commande; - la figure 3 est un schéma bloc de l'unité de commande électronique; la figure 4 est un schéma bloc d'un programme spécifique préféré enregistré dans la mémoire de programme de l'unité de commande; la figure 5 représente un exemple de fonction

liant la pression à la vitesse.

La grue représentée sur la figure 1 comprend une embase 1, une colonne 2, une flèche de levage 3, une flèche de déplacement 4 munie d'un prolongateur de flè20 che 5, un grappin 6, un vérin de levage 7 et un vérin de

déplacement 8.

La charge de la grue exerce la contrainte la plus forte sur la colonne 2 et sur le vérin de levage 7, de sorte qu'au moins un capteur de charge du -dispositif 25 selon l'invention est de préférence placé, soit dans la

colonne, soit dans le vérin de levage. Par exemple, le capteur de charge peut mesurer la pression régnant dans le vérin de levage ou dans son tuyau d'alimentation, ou encore une jauge de contrainte peut être fixée à la sur30 face de la colonne.

Les capteurs appropriés pour cette application

se trouvent facilement dans le commerce; leur structure et le mode de fonctionnement ne demandent pas à être décrits de façon plus détaillée dans le présent mémoire.

Sur la figure 2, le bloc 9 représente une unité

de commande électronique, le bloc 10 un groupe distribu-

teur, et le bloc Il des moyens d'actionnement (vérins hydrauliques) qui peuvent être commandés. La flèche 12 désigne un câble d'alimentation relié à une source d'énergie, la flèche 13 des instructions de vitesse données 5 par l'opérateur, la flèche 14 des données de charge, la flèche 15 un signal de commande du distributeur et les

flèches 16 et 17 le débit d'huile.

Sur la figure 3, la référence 18 désigne un capteur de charge qui fournit un signal de tension 19, le10 quel est converti dans un convertisseur analogique/numérique 20 pour être appliqué à un microprocesseur 21 sous forme numérique. Les instructions de vitesse 23, émises par un potentiométre de commande 22, sont de même converties dans le convertisseur analogique/numérique 20 pour 15 être appliquées au microDrocesseur 21 sous forme numérique. Sur la base des instructions de vitesse et du signal de charge, le microprocesseur 21 exécute les calcuis de commande et de filtrage des instructions de vitesse conformément à un programme de commande enregistré 20 dans la mémoire non volatile 24. Les instructions de vitesse modifiées sont transmises aux distributeurs 26 à partir d'un contrôleur de transmission série 27. La grandeur de commande du distributeur peut également être un signal électrique analogique, auquel cas on utilise un 25 convertisseur numérique/analogique en remplacement du

contrôleur de transmission série..

Une forme préférée de réalisation sera décrite

de façon plus détaillée dans la suite.

Le dispositif comprend un distributeur à comman30 de numérique, une électronique de commande, des leviers

de commnande électronique et des capteurs de pression.

Trois moyens d'actionnement (vérins hydrauliques) peuvent être commandés, soit simultanément, soit séparément, à l'aide de deux leviers de commande montés 35 à proximité du siège du conducteur, Trois potentiomètres

sont montés en liaison avec le levier de commande de tel-

le manière que, lorsqu'on tourne le levier, deux des potentiomètres dévient à partir de leur position moyenne dans un sens ou dans l'autre et que, lorsqu'on presse des boutons prévus dans le levier, le troisième potentio5 mètre dévie. Tous les potentiomètres sont connectés en parallèle à une tension continue de 5 V, de telle manière que, lorsque le potentiomètre se trouve dans sa position moyenne, la tension de sortie soit de 2,5 V. En conséquence, on peut obtenir au moyen du levier de com10 mande six tensions de sortie qui varient entre 0 V et V, selon la position des leviers de commande à l'instant considéré. Lorsque la tension de sortie est inférieure à 2,5 V, le vérin hydraulique se rétracte et, inversement, lorsque la tension est supérieure à 2,5 V, le 15 vérin hydraulique est mis en extension, c'est-à-dire que

sa longueur s'accrolt. Lorsque la tension est de 2,5 V, le vérin reste immobile. Plus chaque tension de sortie se rapproche de 0 V ou de 5 V, plus grande est l'instruction de vitesse que le moyen d'actionnement respectif re20 çoit.

Les tensions de commande sont transmises à une unité de commande dans laquelle la donnée est modifiée et traitée puis transmise aux distributeurs. L'unité de commande comprend, par exemple, un microprocesseur, un 25 convertisseur analogique/numérique, une mémoire de programme, une mémoire de travail, un contrôleur de transmission série et un oscillateur à quartz. La mémoire de prograrrmme est du type mémoire morte (à lecture seule) et elle est programmée au moyen d'un dispositif de program30 mation séparé. La-donnée enregistrée dans la mémoire de

programme est protégée vis-à-vis des coupures qui peuvent se produire dans l'alimentation en courant électrique. Le programme de commande est une boucle de programme sans fin qui se répète de nombreuses fois par seconde 35 lorsque le dispositif est en fonctionnement.

Le schéma bloc du programme enregistré dans la

mémoire de programme est représenté sur la figure 4.

Lorsque la tension est connectée à l'unité de commande, le processeur commence à exécuter le programme enregistré dans la mémoire de programme. Le processeur effectue 5 tout d'abord les initialisations qui sont exigées par le contrôleur d'interruption et par le contrôleur de transmission série, en écrivant des syllabes prédéterminées dans les registres desdits contrôleurs. Les registres sont placés dans ce qu'on appelle une mémoire vive ou mé10 moire à accès aléatoire, dans laquelle les données enregistrées disparaissent lorsqu'il se produit une coupure

de l'alimentation en courant électrique.

L'exécution de la boucle de programme commence par la lecture des signaux de commande. Ces signaux de 15 commande comprennent les tensions de commande (au nombre de six), qui sont fournies par les leviers de commande, et la tension émise par le capteur de pression. Le capteur de pression est un capteur du type à jauge de contrainte dont la sortie maximum est de 100 mV pour une 20 tension d'alimentation de 10 V, de sorte que le signal

de pression est amplifié à un niveau de 0 à 5 V avant d'être appliqué au convertisseur analogique/numérique.

Le convertisseur analogique/numérique convertit les tensions qui correspondent aux signaux de commande en leur 25 donnant une forme numérique (possédant 0-225 décimales).

Ensuite, le signal de pression est filtré de manière à déterminer le niveau moyen de pression dans le cylindre de levage, de sorte que les pointes de pression provoquées par les oscillations de la charge n'affectent 30 pas ce niveau. Le filtrage évite que le dispositif de commande n'entre en résonance avec les oscillations de la charge. Le filtrage est exécuté au moyen d'un algorithme mathématique dans lequel on obtient une nouvelle valeur filtrée en ajoutant la différence entre une va35 leur nominale et une valeur filtrée précédente à la valeur filtrée précédente, la différence étant multipliée

par un paramètre prédéterminé, l'algorithme se présentant sous la forme d'une formule X2 = XI + a* (O - XI), o-X1 = valeur filtrée précédente, X2 = nouvelle valeur filtrée, a = paramètre, O = valeur nominale. En faisant 5 varier le paramètre a, on obtient la fonction de filtrage désirée. En pratique, le filtrage peut amener la nouvelle valeur filtrée X2 à la valeur nominale d'une façon échelonnée, c'est-à-dire dans un temps de montée prédéterminé qui est spécifique pour le filtre.

Ensuite, les signaux de commande obtenus à partir des leviers de commande sont filtrés au moyen de l'algorithme mentionné plus haut. Les paramètres de filtrage des différents signaux de commande peuvent être choisis de manière à répondre aux besoins de chaque grue 15 particulière considérée. Les vitesses d'ouverture et de

fermeture des distributeurs voulus sont réduites par le filtrage des messages de commande et, en conséquence, les accélérations et décélérations des moyens de commande et de la charge sont elles aussi réduites.

L'ajustement de la vitesse du mouvement d'un moyen d'actionnement individuel est exécuté sur la base du signal de pression. Le programme de commande augmente la vitesse maximale admissible des moyens d'actionnement lorsque le signal de pression diminue et, inversement, il la réduit lorsque le signal de pression s'accroît, par exemple, conformément à la fonction représentée sur la figure 5. L'effet du signal de pression sur la vitesse maximale du mouvement des moyens d'actionnement

peut varier d'un moyen d'actionnement à un autre.

Les signaux -de pression mesurés initialement sur les leviers de commande sont modifiés sur la base de la commande et de l'état de charge de la grue avant d'être appliqués aux distributeurs. A la fin de la boucle du programme, les -signaux de commande sont appliqués 35 aux distributeurs à travers le contr81eur de transmission série.' Le distributeur est un appareil qui peut

être commandé au moyen d'une commande numérique du type série. Le décodage des signaux de commande et l'ajustement du distributeur sur une position désirée sont exécutés dans le distributeur lui-même.

La grue comprend habituellement plusieurs distributeurs pour les différents mouvements; sur la figure 3, ces distributeurs sont simplement indiqués par des points 28 pour simplifier le dessin. Ainsi qu'il ressort de la figure 3, la manoeuvre de tous les distributeurs 10 nécessaires peut être modifiée par une modification du programmne de commande de manière à obtenir le fonctionnement désiré pour chaque moyen d'actionnement et chaque grue. Bien entendu, diverses modifications pourront 15 être apportées par l'homme de l'art au dispositif qui

vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de l'invention.

-10

R E V END I C A T I ON S

I - Dispositif de commande pour la flèche d'une grue hydraulique caractérisé en ce que la grue est équipée d'un capteur de charge sur la base duquel.la vitesse de la flèche est corrmmandée de manière que la vitesse 5 maximale admissible de la flèche croisse avec la diminution de la charge et, qu'inversement elle décroisse avec l'accroissement de la charge, et en ce que, pour réduire les contraintes dynamiques exercées sur la grue, le débit d'huile des moyens d'actionnement hydrauliques est 10 commandé en ajustant directement les mouvements des

distributeurs des moyens d'actionnement -sur la base d'une instruction de vitesse (13) de la flèche et d'un signal de charge (14)-, et en filtrant les instructions de vitesse qui indiquent des vitesses de mouvements 15 des distributeurs supérieures une valeur prédéterminée.

2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les distributeurs hydrauliques sont à commande électrique et que le débit d'huile commandé par 20 l'opérateur est réglé par limitation du signal de commande électrique sur la base de la donnée de charge.

3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le débit volumique d'huile est réglé au moyen du même distributeur que celui qui est utilisé 25 pour la commande générale de la grue.

4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de régulation programmable, de préférence numérique, destinée à régler la vitesse maximale, ladite unité de régulation comprenant 30 un moyen de filtrage, de préférence numérique, qui contrôle les vitesses de mouvement du levier de commande et

qui filtre les fréquences excessives.