ITTO20090100A1 - Veicolo comprendente un braccio di sollevamento e relativo metodo di controllo dei sovraccarichi dinamici - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“VEICOLO COMPRENDENTE UN BRACCIO DI SOLLEVAMENTO E RELATIVO METODO DI CONTROLLO DEI SOVRACCARICHI DINAMICI”

La presente invenzione è relativa a un metodo di controllo per un veicolo comprendente un braccio telescopico di sollevamento provvisto ad una propria estremità di una attrezzatura di lavoro come una piattaforma, un attrezzo a forca o una pala.

Il braccio di sollevamento è preferibilmente telescopico e viene movimentato da un operatore tramite un joystick per movimentare pesi portati tramite l’attrezzatura di lavoro.

La movimentazione viene eseguita da un operatore tramite un sistema di comando ad anello aperto che attiva un circuito di potenza, ad esempio idraulico, tramite un elemento di controllo, ad esempio un joystick. La movimentazione di un braccio di sollevamento deve essere eseguita dall’operatore con la massima cura per non compromettere la stabilità del veicolo all’interno di uno spazio di lavoro ammissibile in cui la macchina può operare in sicurezza. Inoltre, comandi improvvisi, ad esempio fermate improvvise del braccio, possono causare accelerazioni e sovraccarichi dinamici altrettanto pericolosi per l’assetto del veicolo il quale, in caso di manovra particolarmente brusca, può perdere aderenza o addirittura ribaltarsi.

Lo scopo della presente invenzione è di realizzare un veicolo sollevatore comprendente un dispositivo di controllo per un braccio di sollevamento esente dagli inconvenienti sopra citati.

Lo scopo della presente invenzione viene realizzato tramite un veicolo secondo la rivendicazione 1 e un metodo secondo la rivendicazione 10.

Per una migliore comprensione della presente invenzione viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati in cui:

- la figura 1 è una vista prospettica di un veicolo secondo la presente invenzione;

- la figura 2 è uno schema di un circuito idraulico e di controllo montato sul veicolo di figura 1;

- la figura 3 è un grafico che illustra la variazione della prima frequenza propria di un braccio sollevatore del veicolo di figura 1 in funzione del peso sollevato e dello sfilo del braccio sollevatore;

- le figure 4a, 4b e 4c illustrano rispettivamente risultati sperimentali di misure di oscillazione residue in seguito a un segnale d’ingresso (fig. 4c) confrontate nei casi senza controllo e con il controllo oggetto della presente invenzione.

Con riferimento alla figura 1 è indicato con 1 nel suo insieme un veicolo sollevatore comprendente un telaio, un braccio 3 preferibilmente telescopico incernierato al telaio, un attrezzo a forca 4 montato ad una porzione libera di estremità del braccio 3 e una cabina di pilotaggio 5.

Il veicolo 1 è inoltre provvisto di pneumatici 6 disposti su due assi e di bracci stabilizzatori 7 sia anteriori che posteriori (in fig. 1 sono illustrati solamente i bracci anteriori). In particolare, i bracci stabilizzatori 7 anteriori e posteriori sono azionati tramite rispettivi cilindri idraulici 8 e sono mobili fra una posizione rialzata e una posizione di appoggio. Quando i bracci stabilizzatori 7 sono nella posizione rialzata gli pneumatici 6 appoggiano sul terreno e il veicolo 1 può circolare. Quando i bracci stabilizzatori 7 sono nella posizione di appoggio, questi ultimi vengono abbassati tramite i cilindri idraulici 8 ed appoggiano tramite apposite piastre 9 sul terreno.

I cilindri idraulici 7 sono dimensionati per sollevare il veicolo 1 anche in condizioni di massimo carico e pertanto, a discrezione dell’operatore seduto nella cabina di pilotaggio 5, in modo da sollevare gli pneumatici 6 dal terreno. Il braccio 3 può pertanto essere azionato sia quando gli pneumatici 6 appoggiano sul terreno e i bracci stabilizzatori 7 sono nella posizione rialzata che quando i bracci stabilizzatori 7 sono nella posizione di appoggio e gli pneumatici 6 sono sollevati dal terreno.

Il braccio 3 presenta un grado di libertà angolare, cioè l’angolo di sollevamento rispetto ad un piano passante per gli assi degli pneumatici 6, e può avere una lunghezza variabile dovuta allo sfilo del braccio 3.

L’angolo di sollevamento e lo sfilo del braccio 3 sono comandati tramite un circuito idraulico (illustrato schematicamente in figura 2) comprendente un pompa 10, una pluralità di attuatori 11 (di cui solo uno è illustrato) e mezzi di regolazione della portata 12, ad esempio una o più servovalvole preferibilmente a posizionamento continuo, per comandare gli attuatori 11.

Secondo la presente invenzione, il veicolo 1 comprende inoltre un dispositivo di controllo 13 elettronico automatico collegato alla valvola 12 e configurato per ridurre o eliminare le oscillazioni del braccio 3 dovute al movimento di sollevamento.

Il dispositivo di controllo 13 riceve in ingresso un segnale SJ elettrico, ad esempio di tensione, da un joystick 14 elettronico ed elabora un segnale di controllo SV per comandare la valvola 12. In particolare, il segnale SJ comanda mediante la valvola 12 la velocità di sollevamento del braccio 3.

Inoltre, il dispositivo di controllo 13 riceve in ingresso i segnali provenienti rispettivamente da una cella di carico 15 montata sul veicolo 1 per rilevare la massa di un carico sollevato dal braccio 3 e da un sensore di posizione 16 montato sul veicolo 1 per rilevare il livello di estrazione del braccio 3.

Ad esempio, la cella di carico 15 è montata fra la testa del cilindro idraulico 11 e il braccio 3 mentre il sensore di posizione 16 è montato direttamente sul braccio 3.

In particolare, il dispositivo di controllo 13 elabora il segnale SJ e genera un segnale SV definito dalla convoluzione del segnale SJ con una pluralità di impulsi distanziati di un intervallo temporale predeterminato e aventi un’ampiezza predeterminata, in cui l’intervallo temporale e l’ampiezza sono definiti sulla base dei segnali ricevuti dalla cella di carico 15 e dal sensore di posizione 16.

Il dispositivo di controllo 13 implementa un controllo in catena aperta, noto come FEED FORWARD, comprendente le fasi di:

- stimare l’energia cinetica associata alla modalità di vibrazione del sistema comprendente il braccio 3 per ricavare almeno la prima frequenza propria del sistema stesso nelle condizioni di carico e geometriche rilevate tramite la cella di carico 15 e/o il sensore di posizione 16;

- elaborare una pluralità di impulsi, o di pulsazioni aventi una durata finita, opportunamente distanziati tramite un intervallo temporale definito sulla base della prima frequenza propria e dimensionati in ampiezza in modo da provocare relative risposte sul sistema che, sommate fra loro secondo un opportuno sfasamento, generino per interferenza una risposta complessiva avente un’oscillazione sostanzialmente ridotta o nulla nel momento in cui l’ultimo impulso è terminato;

- convolvere la pluralità di impulsi con il segnale SJ imposto dall’utente per generare il segnale SV. Ad esempio, nel caso di un sistema lineare non smorzato, il segnale di ingresso può essere un impulso di ampiezza unitaria il quale, applicato ad un sistema meccanico, provoca una vibrazione avente una prima frequenza propria di periodo T. Un segnale SV compensato sulla base del controllo precedentemente descritto, è costituito da un primo impulso di ampiezza 0.5 e da un secondo impulso di ampiezza 0.5 ad un tempo T/2, cioè in corrispondenza del semiperiodo.

Come è facile constatare, le oscillazioni libere generate dal sistema in risposta rispettivamente al primo e al secondo impulso si annullano per interferenza al termine del secondo impulso. Inoltre, il contenuto energetico dei due impulsi è equivalente a quello dell’impulso SJ poiché la somma delle due ampiezze del segnale SV è pari a quella delle segnale SJ.

Il risultato valido per un sistema lineare non smorzato può essere esteso ad un sistema lineare smorzato. In questo caso, la risposta complessiva è sempre costituita dalla somma della risposta libera del sistema al primo impulso e della risposta libera del sistema al secondo impulso. L’equazione di vincolo per determinare la fase e l’ampiezza degli impulsi è definita dalla condizione che l’ampiezza complessiva della risposta del sistema ai due impulsi sia nulla nel momento in cui l’ultimo impulso è terminato. Le espressioni dell’ampiezza e della fase nel caso di due impulsi sono rispettivamente:

dove:

in cui:

ω0= prima frequenza propria

ξ = è lo smorzamento modale dimensionale associato alla prima frequenza propria. Lo smorzamento può essere calcolato tramite la formula del decremento logaritmico.

Come è possibile notare, al denominatore nell’espressione dell’intervallo di tempo precedentemente riportata, si trova la prima frequenza propria dell’oscillazione libera del braccio 3 avente smorzamento modale ξ. Pertanto, il ritardo a cui deve essere applicato il secondo impulso e tutti gli impulsi successivi, corrisponde a un semiperiodo di oscillazione libera del braccio 3. Nel caso di più di due impulsi, il ritardo è un multiplo intero del ∆T precedentemente riportato.

La convoluzione di una coppia di impulsi con un qualsiasi segnale SJ di ingesso consente di ‘formare’, cioè modificare, il segnale SJ in modo da ottenere un segnale SV compensato.

Ad esempio, se il segnale SJ è un segnale di velocità a rampa, il segnale SV dato dalla convoluzione di SJ con i due impulsi precedentemente descritti, è una spezzata avente tre segmenti delimitati da quattro punti singolari di cui il primo è distanziato dal secondo e il terzo è distanziato dal quarto di ∆T.

Se SJ è un gradino, cioè un segnale brusco, SV è definito da due gradini consecutivi e sovrapposti.

In ogni caso, il segnale SV ‘formato’è in grado di ridurre o sostanzialmente annullare le oscillazioni del braccio 3 dopo il secondo punto singolare.

Qualora sia necessario aumentare l’efficacia del controllo rispetto ad esempio ad errori di valutazione della prima frequenza propria, è possibile impiegare più di due impulsi. In questo caso, per ciascun impulso m oltre al secondo, l’equazione di vincolo è definita dal fatto che sia nulla la derivata rispetto alla frequenza di ordine n = m – 2 della risposta complessiva citata precedentemente ed adattata a m impulsi.

Sulla base delle formule sopra riportate, la forma del segnale SV dipende dalla prima frequenza propria del braccio 3. Tuttavia, la prima frequenza dipende direttamente dalla massa del carico sollevato tramite l’attrezzatura a forca 4.

Allo scopo di ‘formare’ il segnale SV sulla base delle effettive condizioni di lavoro del braccio 3, il dispositivo di controllo 13 memorizza una matrice all’interno della quale la frequenza propria del braccio 3 è indicizzata al variare della massa del carico applicato al braccio 3.

Inoltre, il valore della prima frequenza propria cambia, come illustrato in figura 3, anche al variare del livello di estrazione del braccio 3. In questo caso, la matrice memorizzata nel dispositivo di controllo 13 è strutturata per identificare un unico valore della prima frequenza di risonanza del braccio 3 per ciascuna coppia di valori della massa del carico e del livello di estrazione del braccio.

Inoltre, le frequenze proprie del braccio 3 possono dipendere da numerosi altri parametri di lavoro del veicolo 1, come ad esempio se il veicolo 1 è sollevato sui bracci stabilizzatori 7 oppure se i bracci stabilizzatori 7 sono nella posizione rialzata quando il braccio 3 viene comandato per sollevare un carico. Ad esempio, è stata riscontrata una sostanziale diminuzione del valore della prima frequenza propria, a parità di massa del carico applicato all’attrezzatura a forca 4 e di livello di estrazione del braccio 3, quando il veicolo 1 appoggia direttamente sugli pneumatici 6 rispetto a quando gli pneumatici 6 sono sollevati dal terreno tramite i bracci stabilizzatori 7.

In questo caso la matrice di indicizzazione è multidimensionale ed è strutturata in modo da consentire di ottenere un unico valore della prima frequenza di risonanza anche sulla base del fatto che il veicolo 1 appoggi o meno sui bracci stabilizzatori 7.

In aggiunta, è possibile memorizzare nel dispositivo di controllo 13 una seconda matrice multidimensionale per indicizzare la variazione dello smorzamento modale sulla base di uno o più dei parametri di lavoro del veicolo 1. Ad esempio, i parametri di lavoro sono uno o più dei parametri precedentemente indicati per la variazione della prima frequenza propria.

Secondo una forma preferita di realizzazione della presente invenzione, la matrice di indicizzazione viene compilata eseguendo un’apposita taratura ad esempio al termine del processo di produzione oppure in fase di definizione del prototipo del veicolo. In particolare, sono individuati una pluralità di coppie di valori di massa e livello di estrazione del braccio 3. Per ciascuna coppia viene misurato il valore della prima frequenza propria del braccio 3 quando il veicolo 1 appoggia sia sui bracci stabilizzatori 7 che direttamente sugli pneumatici 7 e viene così compilata la matrice di indicizzazione da memorizzare nel dispositivo di controllo 13.

Il valore della prima frequenza propria e di quelle di ordine superiore può essere rilevato tramite un accelerometro 17 montato sul braccio 3 e collegato al dispositivo di controllo 13 che consente di analizzare il segnale sia nel dominio del tempo che nel dominio delle frequenze.

Analogamente a quanto sopra descritto per la compilazione della matrice di indicizzazione della prima frequenza propria, un dispositivo di controllo 13 automatico secondo la presente invenzione può comprendere una matrice di indicizzazione del coefficiente di smorzamento relativo al primo modo di vibrare per memorizzare i differenti valori al variare del carico applicato al braccio 3 e/o del livello di estrazione del braccio 3 e/o del fatto che il veicolo sollevatore 1 sia o meno appoggiato sui bracci stabilizzatori 7.

La fase di taratura comprende inoltre un successivo stadio di compensazione per tenere conto del ritardo con cui il cilindro idraulico 11 risponde alle variazioni di portata comandate tramite il segnale SV e la valvola 12.

Sulla base di quanto precede, risulta importante che gli impulsi successivi al primo siano sincronizzati in modo da ottenere che le oscillazioni del braccio 3 siano ridotte o sostanzialmente nulle dopo il secondo punto singolare del segnale SV..

Tuttavia sfasamenti rispetto al semiperiodo consentono comunque di ottenere riduzioni delle oscillazioni più che soddisfacenti. Preferibilmente, gli impulsi possono essere distanziati di un ∆T* tale che 0.5 ∆T<∆T*< 1.5∆T per ottenere una diminuzione della oscillazioni del braccio 3. Ancor più preferibilmente, 0.75 ∆T<∆T*< 1.25∆T per diminuire ulteriormente le oscillazioni del braccio 3 (questo paragrafo ci consente di supportare la relativa rivendicazione in modo che possiamo colpire anche chi sfasa di un tempo diverso dal semiperiodo ma comunque ottiene dei vantaggi di riduzione anche se non una riduzione massima. Dimmi solo se secondo te i valori sono plausibili).

Inoltre, è opportuno considerare che il braccio 3 viene comandato tramite un circuito idraulico che influisce sul tempo di risposta del cilindro 11 rispetto al segnale SV che comanda la valvola 12. A tale proposito è stato verificato che il circuito idraulico a valle della valvola 12 tende a rispondere con un ritardo che differisce fra il primo e il secondo punto singolare e dal tipo di comando, cioè ad esempio se il comando è per iniziare una salita del braccio 3 oppure per iniziare una discesa del braccio 3 stesso.

In particolare, una misura nel tempo della portata del circuito idraulico sovrapposta al segnale SV in relazione a un comando per iniziare una salita del braccio 3 mostra che il ritardo della variazione di portata in risposta al primo punto singolare del segnale SV è inferiore rispetto a quello della variazione di portata in risposta al secondo punto singolare del segnale SV.

Pertanto, è preferibile che il secondo impulso sia in ritardo rispetto al primo impulso di ∆T* tale che ∆T* C = ∆T con C>0 in modo che tale ritardo modificato si presenti, nel segnale SV convoluto, fra i primi due punti singolari. In questo modo, è possibile applicare il comando voluto al cilindro 11 tenendo conto dell’effetto del circuito idraulico.

Da quanto precede, la costante di tempo C è caratteristica del circuito idraulico e non è pertanto legata al periodo di oscillazione libera del braccio 3 secondo la prima frequenza propria.

In figura 4b sono confrontati a tratto pieno e a tratto interrotto le misure eseguite sulle vibrazioni del braccio 3 rispettivamente nel caso di un comando compensato rispetto alla prima frequenza propria a due impulsi e di uno non compensato (illustrato in figura 4a).

Come è possibile notare, il picco massimo viene generato in risposta ad un segnale di comando non compensato a gradino. La risposta del sistema nel caso di segnale compensato presenta un picco notevolmente inferiore e successivamente le oscillazioni sono notevolmente ridotte.

I vantaggi che il veicolo sollevatore 1 provvisto del dispositivo di controllo 13 consente di ottenere sono i seguenti.

Il sistema di controllo 13 compensa il comportamento dinamico del braccio 3 e si adatta alla massa variabile del carico applicato in uso all’attrezzatura 4. In questo modo, il sovraccarico dinamico del braccio 3 si riduce in modo significativo. Tale risultato è particolarmente apprezzabile perché la maggior parte dei ribaltamenti è dovuta all’energia associata a tale sovraccarico e in questo modo è possibile ridurre considerevolmente il verificarsi di tale incidente.

La fase di taratura consente di compensare il dispositivo di controllo 13 sulla base del sistema accoppiato comprendente anche il circuito idraulico.

La fase di taratura può inoltre essere eseguita su ciascun veicolo sollevatore 1 in modo da garantire la massima precisione di funzionamento del dispositivo di controllo 13.

Risulta infine chiaro che al veicolo sollevatore 1 qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Le frequenze proprie possono anche essere misurate tramite l’analisi del segnale della cella di carico 15 qualora quest’ultima sia, ad esempio, di tipo estensimetrico.

Il braccio 3 può anche non essere telescopico.

La variazione dello smorzamento rispetto al livello di estrazione del braccio 3 e al carico può essere trascurato per offrire un controllo più semplice da implementare.

Un veicolo sollevatore già in uso può essere aggiornato tramite l’installazione di una centralina di controllo 13 e dei relativi sensori, cioè almeno della cella di carico 15 e del sensore di posizione 16.

Il veicolo può comprendere inoltre una piattaforma girevole attorno a un asse verticale e sulla quale viene incernierato il braccio 3.

Inoltre, il dispositivo di controllo 13 può essere programmato per eseguire la convoluzione con la pluralità di impulsi solamente per porzioni di segnale SJ. Ad esempio, è possibile che la convoluzione, e quindi il controllo vero e proprio, venga eseguita solamente per quella parte del segnale SJ costituita da un comando a gradino. Il comando a gradino corrisponde ad un comando brusco e in questo modo, il controllo viene applicato selettivamente, e in particolare solamente, nelle condizioni ritenute critiche per la stabilità del veicolo sollevatore 1.

Il veicolo sollevatore 1 può anche essere cingolato.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Veicolo sollevatore (1) comprendente un braccio di sollevamento (3) mobile e primi mezzi di misura (16) per misurare almeno un parametro di lavoro del detto braccio (3), caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di controllo (13) ricevente un segnale di ingresso (SJ) e configurato per ricavare il valore di almeno una prima frequenza propria del detto braccio (3) almeno sulla base del detto almeno un parametro di lavoro e per determinare un segnale (SV) di comando per attuare il detto braccio (3), detto segnale (SV) essendo definito almeno parzialmente dalla convoluzione del detto segnale d’ingresso (SJ) con una pluralità di impulsi aventi un ritardo temporale gli uni dagli altri e un’ampiezza definiti in funzione almeno della detta prima frequenza propria.
2. 2. Veicolo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il detto dispositivo di controllo (13) comprende mezzi di memorizzazione per memorizzare una matrice che indicizza un valore della detta prima frequenza propria rispetto a ciascun valore del detto parametro di lavoro.
3. 3. Veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che il detto parametro di lavoro comprende almeno uno fra: - una massa del carico agente sul detto braccio (3); - uno sfilo del detto braccio (3); - un indice che segnala se il detto veicolo sollevatore (1) appoggia su pneumatici (6) oppure su mezzi di stabilizzazione (7).
4. 4. Veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto dispositivo di controllo (13) è configurato per ricavare il valore di un coefficiente di smorzamento del modo di vibrare corrispondente alla detta almeno una prima frequenza propria almeno sulla base del detto parametro di lavoro, i detti ritardo temporale e ampiezza essendo definiti anche in funzione del detto coefficiente di smorzamento.
5. 5. Veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere secondi mezzi di misura (16) collegati al detto dispositivo di controllo (13) per misurare la detta almeno prima frequenza propria.
6. 6. Veicolo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che i detti secondi mezzi di misura comprendono almeno uno fra un accelerometro e una cella di carico (16).
7. 7. Veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un attuatore fluidico (11) per azionare il detto braccio (3), mezzi di regolazione della portata (12) collegati al detto attuatore fluidico (11), in cui un secondo impulso del detto segnale di comando (SV) è sfasato da un primo impulso del detto segnale di comando (SV) di un tempo compreso fra 0.5 e 1.5 del periodo della detta prima frequenza propria.
8. 8. Veicolo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il detto secondo impulso è sfasato dal detto primo impulso di un tempo compreso fra 0.75 e 1.25 del periodo della detta prima frequenza propria.
9. 9. Veicolo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che un primo e un secondo impulso della detta pluralità di impulsi sono distanziati di ∆T* tale che: ∆T* C = ∆T con C>0

   in cui: ω0= prima frequenza propria ξ = è lo smorzamento modale dimensionale associato alla detta prima frequenza propria.
10. 10. Metodo di controllo automatico di un veicolo (1) comprendente un braccio di sollevamento (3) mobile, comprendente le fasi di: - misurare almeno un parametro di lavoro del detto braccio (3); - ricavare il valore di almeno una prima frequenza propria del detto braccio (3) almeno sulla base del detto almeno un parametro di lavoro;- determinare un segnale (SV) di comando per attuare il detto braccio (3), detto segnale (SV) essendo definito almeno parzialmente dalla convoluzione di un segnale d’ingresso (SJ) con una pluralità di impulsi aventi un ritardo temporale gli uni dagli altri e un’ampiezza definiti in funzione almeno della detta prima frequenza propria.