NL9301243A

NL9301243A - Arrangement for orienting a crane load in a desired angular position

Info

Publication number: NL9301243A
Application number: NL9301243A
Authority: NL
Original assignee: Nl Metselaars Patroonbond Nmpb
Priority date: 1993-07-15
Filing date: 1993-07-15
Publication date: 1995-02-01
Also published as: NL193537C; NL193537B

Abstract

To orient a load suspended from a crane in a specific desired angular position, use is made of an arrangement which consists of a housing 1, means 2 for suspending the housing pivotally from a crane cable or crane jib (boom) 3, means 4 for suspending a load from the housing in a fixed orientation with respect to the housing, a flywheel 8 mounted in the housing, a motor 6 for rotating the flywheel in at least one direction of rotation, means for establishing the angular position of the housing with respect to a fixed direction such as a compass direction, memory means for remembering a set angular position of the housing, and a microprocessor which is programmed in such a way that the data from the memory can be used to restore the set angular position of the housing by operating the motor. <IMAGE>

Description

Titel: Inrichting voor het in een gewenste hoekstand oriënteren van een kraanlast.Title: Device for orienting a crane load in a desired angular position.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het in een gewenste hoekstand oriënteren van een kraanlast.The invention relates to a device for orienting a crane load in a desired angular position.

In de bouw wordt veel gebruik gemaakt van pakketten bakstenen bestaande uit vier of acht elk uit vijftig stenen samengestelde happen. Een dergelijk pakket wordt door een kraan naar een plaats op een steiger gevoerd. Gewoonlijk is de beschikbare ruimte tussen de steigerpijpen smal en kan het bakstenen pakket slechts de gewenste plaats bereiken door het in een bepaalde richting te oriënteren, waarbij de lengterichting van het pakket samenvalt met de breedte van de beschikbare ruimte. Dit oriënteren gebeurt tot nu toe met de hand hetgeen een gevaarlijk en zwaar karwei is. Het probleem doet zich ook voor bij het oriënteren van andere voorwerpen zoals betonmolens, wapeningsmatten en dergelijke.In construction, much use is made of packages of bricks consisting of four or eight bites each composed of fifty stones. Such a package is carried by crane to a place on a scaffold. Usually the available space between the scaffolding pipes is narrow and the brick package can only reach the desired location by orienting it in a certain direction, the length direction of the package coinciding with the width of the available space. Until now, this orientation has been done by hand, which is a dangerous and difficult task. The problem also arises when orienting other objects such as concrete mixers, reinforcement mats and the like.

Met de uitvinding wordt beoogd een hulpmiddel te verschaffen waarmee het in een gewenste hoekstand oriënteren van kraanlasten geheel automatisch kan plaats vinden.The object of the invention is to provide an aid with which the orientation of crane loads in a desired angular position can take place fully automatically.

Volgens de uitvinding omvat de in de aanhef genoemde inrichting hiertoe een huis, middelen om het huis scharnierbaar aan een kraankabel of -arm op te hangen, middelen om een last in vaste oriëntatie ten opzichte van het huis aan het huis op te hangen, een in het huis gelagerd vliegwiel, een motor om het vliegwiel in tenminste één draairichting te draaien, middelen om de hoekstand van het huis ten opzichte van een vastgestelde richting vast te stellen, geheugenmiddelen om een ingestelde hoekstand van het huis te onthouden, en een microprocessor die zodanig is geprogrammeerd dat op basis van de gegevens uit het geheugen de ingestelde hoekstand van het huis door bediening van de motor kan worden teruggevonden.According to the invention, the device mentioned in the preamble comprises, for this purpose, a housing, means for hinging the housing for hinging to a crane cable or arm, means for suspending a load from the housing in fixed orientation relative to the housing, a the housing with a mounted flywheel, a motor for turning the flywheel in at least one direction of rotation, means for determining the angular position of the housing with respect to a determined direction, memory means for remembering a set angular position of the housing, and a microprocessor which it is programmed that the set angle of the house can be found by operating the motor on the basis of the data from the memory.

Bij voorkeur worden zowel de hoekstand van de startpositie als de hoekstand van de gewenste eindpositie in het geheugen opgenomen.Preferably, both the angular position of the starting position and the angular position of the desired end position are stored in the memory.

In feite worden steeds gemeten de actuele hoekstand van het huis ten opzichte van een referentierichting (bijvoorbeeld het magnetische noorden, een vaste gyroscooprichting of een electromagnetisch signaal), de stroomsterkte door de rotorwikkelingen van de motor, het actuele toerental van het vliegwiel en de actuele accuspanning. Indien lasten van veschillende massa moeten worden verplaatst, kan het voor het op de gewenste wijze presenteren van de kraanlast nodig zijn om het massatraagheidsmoment van de kraanlast vast te stellen (bijvoorbeeld uit het uitgeoefende moment en de daaruit voortvloeiende versnelling). Een draadloze afstandsbediening verdient de voorkeur.In fact, the current angle of the house relative to a reference direction (for example, magnetic north, a fixed gyro direction or an electromagnetic signal), the amperage through the rotor windings of the motor, the current speed of the flywheel and the current battery voltage are always measured. . If loads of different masses have to be moved, it may be necessary to determine the mass moment of inertia of the crane load (for example from the applied moment and the resulting acceleration) in order to present the crane load in the desired manner. A wireless remote control is preferred.

Het verdient de voorkeur dat ook de hoek van de inrichting ten opzichte van de verticaal wordt gemeten en dat wordt vastgesteld of de oriëntator wel of niet belast is. Indien de oriëntator niet of nauwelijks belast is, dient het vliegwiel om veiligheidsredenen te worden afgeremd.It is preferable that the angle of the device relative to the vertical is also measured and that it is determined whether or not the orienter is loaded. If the orientator has little or no load, the flywheel must be braked for safety reasons.

De uitvinding zal nu aan de hand van de figuren nader worden toegelicht.The invention will now be explained in more detail with reference to the figures.

Figuur 1 toont een zijaanzicht van de inrichting volgens de uitvinding.Figure 1 shows a side view of the device according to the invention.

Figuur 2 toont een bovenaanzicht van die inrichting.Figure 2 shows a top view of that device.

De weergegeven inrichting omvat een huis 1 dat via een axiaal lager 2 aan een kraanarm of kraankabel 3 is opgehangen. Een zogenaamde steenklem 4 (of ander orgaan om een last op te pakken) is om een horizontale as scharnierbaar maar voorts in vaste oriëntatie ten opzichte van het huis 1 met het huis 1 verbonden. Met behulp van deze steenklem kan een pakket stenen 5 worden opgetild.The device shown comprises a housing 1 suspended from an crane arm or crane cable 3 via an axial bearing 2. A so-called stone clamp 4 (or other means for picking up a load) is pivotable about a horizontal axis, but is also connected to the house 1 in a fixed orientation relative to the housing 1. A package of stones 5 can be lifted with the aid of this stone clamp.

In het huis 1 bevinden zich een electromotor 6, een accu 7 en een door de motor 6 aan te drijven vliegwiel 8.The housing 1 contains an electric motor 6, a battery 7 and a flywheel 8 to be driven by the motor 6.

De kraanarm 3 kan worden verplaatst tussen een op de grond liggende voorraad stenen 9 en een smalle plek op een bouwsteiger 10. Een door de steenklem 4 van de voorraad 9 opgepikt pakket stenen dient in een bepaalde oriëntatie op de steiger 10 te worden geplaatst.The crane arm 3 can be moved between a stock of bricks 9 lying on the ground and a narrow spot on a construction scaffold 10. A package of bricks picked up by the brick clamp 4 of the stock 9 must be placed on the scaffold 10 in a certain orientation.

De hoekoriëntatie van het huis 1 met steenklem 4 kan worden gewijzigd door versnelling of vertraging van de rotatie van het vliegwiel 8. Deze versnelling en vertraging doet een reactie ontstaan waardoor bij versnelling het huis tegengesteld aan het vliegwiel gaat roteren en bij vertraging de rotatiebeweging van het huis wordt afgeremd.The angular orientation of the housing 1 with stone clamp 4 can be changed by acceleration or deceleration of the rotation of the flywheel 8. This acceleration and deceleration causes a reaction which causes the housing to rotate opposite to the flywheel during acceleration and the rotational movement of the house is slowed down.

Van belang is dat de inrichting is voorzien van middelen die de hoekstand van het huis 1 met steenklem 4 ten opzichte van een vastgestelde richting, bijvoorbeeld het magnetische noorden of een gyroscooprichting, kan bepalen. Voorts zijn aanwezig een geheugen, middelen voor het in het geheugen invoeren van gegevens zoals de hoekstand bij starten van de positioneerprocedure en de gewenste hoekstand, en een microprocessor die zodanig is geprogrammeerd dat op basis van de gegevens in het geheugen de electromotor kan worden geregeld opdat door versnelling en vertraging van het vliegwiel het huis 1 met steenklem 4 vanaf de startoriëntatie bij het oppikken van een pakket stenen kan worden gedraaid in de gewenste oriëntatie bij het op een steiger zetten van dat pakket stenen.It is important that the device is provided with means which can determine the angular position of the housing 1 with stone clamp 4 relative to a determined direction, for example the magnetic north or a gyroscope direction. Also provided are a memory, means for entering data into the memory, such as the angular position at the start of the positioning procedure and the desired angular position, and a microprocessor which is programmed such that the electric motor can be controlled on the basis of the data in the memory so that by acceleration and deceleration of the flywheel the housing 1 with stone clamp 4 from the starting orientation when picking up a package of stones can be rotated in the desired orientation when placing that package of stones on a scaffold.

De eerste maal worden de hoekoriëntaties bij starten en bij het op de steiger zetten door de kraanmachinist in het geheugen gebracht. Daarna vindt de inrichting steeds zijn startoriëntatie en gewenste oriëntatie terug.The first time the angular orientations are memorized by the crane operator when starting and when being put on the scaffolding. Thereafter, the device always finds its starting orientation and desired orientation.

Om het toerental van de door de accu 7 gevoede motor 6 te kunnen instellen moet de voedingspanning aan de klemmen van de motor te variëren zijn.In order to be able to set the speed of the motor 6 fed by the battery 7, the supply voltage at the terminals of the motor must be variable.

Om het systeem te stabiliseren moet een algoritme worden geïmplementeerd. Behalve de bovengenoemde hoekoriëntaties van het huis moeten de stroomsterkte door de rotorwikkelingen van de rotor, de hoeksnelheid van het vliegwiel, de actuele accuspanning, de hoek die het huis met de verticaal maakt en het start- en stopsignaal kunnen worden gemeten.An algorithm must be implemented to stabilize the system. In addition to the above angular orientations of the housing, the amperage through the rotor windings of the rotor, the angular speed of the flywheel, the current battery voltage, the angle that the housing makes with the vertical and the start and stop signal must be measurable.

Wanneer door versnellen of vertragen van het vliegwiel op de last een nettomoment wordt uitgeoefend zal het huis met steenklem en last gaan draaien en niet de staalkabel. Dit is het gevolg van de wijze van legering van het huis aan de staalkabel.When a net moment is exerted on the load by accelerating or decelerating the flywheel, the house will turn with stone clamp and load and not the steel cable. This is due to the method of alloying the housing to the steel cable.

De grootte en de richting van de klemspanning die wordt aangeboden aan de klemmen van de motor kan via een digitale driver ingesteld worden. De aansturing van deze driver geschiedt vanuit de microprocessor. Om een hoog rendement van de driver te behalen, is gekozen voor pulse wide modulation. Het aansturen van de motor geschiedt met een vaste frequentie. De tijd dat de motor aanblijft, de pulsbreedte, varieert. Bij voldoend hoge schakelfrequentie wordt variatie in de pulsbreedte door de motor ervaren als een variatie in de aangeboden klemspanning. Door de pulsbreedte te variëren kan zo het aangeboden vermogen gestuurd worden.The magnitude and direction of the clamp voltage applied to the motor terminals can be set via a digital driver. This driver is controlled from the microprocessor. Pulse wide modulation was chosen to achieve a high efficiency of the driver. The motor is controlled with a fixed frequency. The time the motor stays on, the pulse width, varies. At a sufficiently high switching frequency, variation in the pulse width by the motor is perceived as a variation in the applied clamping voltage. By varying the pulse width, the offered power can be controlled.

Het activeren van de inrichting zal geschieden vanaf de grond. Een 40 MHz afstandsbediening is voldoende om alle verschillende functies te activeren. Het signaal afkomstig van de afstandsbediening wordt serieel in de microprocessor ingelezen.The activation of the device will take place from the ground. A 40 MHz remote control is sufficient to activate all different functions. The signal from the remote control is read in series into the microprocessor.

De actuele hoek van de belasting moet constant gemeten worden. Daar er geen vaste referentie in de behuizing aanwezig is moet een referentiepunt buiten de oriëntator gebruikt worden. Zoals gezegd kan gebruik worden gemaakt van het magnetische noorden doch ook een gyroscooprichting en een electromagnetisch signaal behoren tot de mogelijkheden. In geval van toepassing van het magnetische noorden als referentierichting zal de positie van de te draaien last gerelateerd zijn aan dat magnetische noorden. Deze positie is te detecteren met behulp van een ronddraaiende spoel. De lengteas van de spoel ligt in hetzelfde vlak als het aardmagnetische veld. Wanneer de spoel verdraaid wordt verandert de door de spoel omvatte flux en daarmee de in de spoel opgewekte inductiespanning. Op een nuldoorgang van de inductiespanning wordt de maximale hoeveelheid flux omvat. Op dat moment ligt de breedte-as van de spoel loodrecht op een krachtlijn van het aardmagnetische veld. Hiermee is dan het noorden vastgelegd en kan de oriëntatie van de last bepaald worden.The current angle of the load must be measured constantly. Since there is no fixed reference in the housing, a reference point outside the orientator must be used. As mentioned, use can be made of magnetic north, but also a gyro direction and an electromagnetic signal are possible. If the magnetic north is used as the reference direction, the position of the load to be turned will be related to that magnetic north. This position can be detected by means of a rotating coil. The longitudinal axis of the coil is in the same plane as the Earth's magnetic field. When the coil is rotated, the flux contained by the coil changes and hence the induction voltage generated in the coil. At a zero crossing of the induction voltage, the maximum amount of flux is included. At that time, the latitude axis of the coil is perpendicular to a line of force of the earth's magnetic field. With this the north is then determined and the orientation of the load can be determined.

De stroomsterkte door de rotorwikkelingen van de motor is rechtevenredig met het af gegeven electrische koppel van de motor. Van belang is dat dit signaal nauwkeurig moet worden gemeten. Dit wordt gerealiseerd door een laag-ohmige precisieweerstand in de rotorleiding. Het spanningverschil over deze weerstand, gemeten met een analoge digitaalconvertor, is rechtevenredig met de te meten stroomsterkte. De meting wordt bijvoorbeeld elke 0,25 seconde tien maal uitgevoerd. Om storingsinvloeden te minimaliseren wordt de grootste en de kleinste gemeten stroomsterkte genegeerd. Van de overige afmetingen wordt het gemiddelde genomen. Deze waarde wordt als samplewaarde aangehouden.The current through the rotor windings of the motor is directly proportional to the delivered electrical torque of the motor. It is important that this signal must be measured accurately. This is achieved by a low-ohmic precision resistance in the rotor line. The voltage difference across this resistor, measured with an analog digital converter, is directly proportional to the current to be measured. For example, the measurement is taken ten times every 0.25 seconds. To minimize interference influences, the largest and the smallest measured amperage is ignored. The average is taken from the other dimensions. This value is used as the sample value.

Het actuele toerental van het vliegwiel (dat is ook het toerental van de motor) wordt gemeten door een tandwiel dat gemonteerd is op het vliegwiel. Middels een optisch systeem kan gedetecteerd worden of er een tand van een tandwiel gepasseerd is. Door eenvoudigweg binnen een vastgesteld tijdsinterval te tellen hoeveel tanden van het tandwiel gepasseerd zijn, kan het toerental berekend worden. Om storingsinvloeden te minimaliseren wordt het signaal, afkomstig van het optische detectiesysteem, dertig keer per sampleperiode gemeten (sampleperiode is 0,125 sec).The actual speed of the flywheel (which is also the speed of the engine) is measured by a gear wheel mounted on the flywheel. By means of an optical system it can be detected whether a tooth of a gear has passed. By simply counting how many teeth of the gear have passed within a set time interval, the speed can be calculated. To minimize interference influences, the signal from the optical detection system is measured thirty times per sample period (sample period is 0.125 sec).

De accuspanning wordt in zowel de actieve toestand (waarbij de inrichting in gebruik is) als in de passieve toestand (waarbij de accu wordt geladen) gemeten via de genoemde analoog/digitaalconvertor. De meting wordt op een zelfde manier uitgemiddeld als bij de stroommeting.The battery voltage is measured in both the active state (when the device is in use) and in the passive state (when the battery is charged) via the said analog / digital converter. The measurement is averaged in the same way as with the current measurement.

Middels een cardanische constructie in het 'huis van de inrichting kan gedetecteerd worden of de verticale hoek groter is dan een bepaalde hoek, bijvoorbeeld 10°. Middels een druksensor kan worden gedetecteerd of de inrichting belast is. Dit gegeven is van belang indien de inrichting in de veiligheidstoestand gestuurd moet worden.By means of a gimbal construction in the housing of the device it can be detected whether the vertical angle is greater than a certain angle, for instance 10 °. It is possible to detect whether the device is loaded by means of a pressure sensor. This is important if the device is to be operated in the safety state.

Bij de regelingen moet onderscheid gemaakt worden tussen de actieve en de passieve toestand. In de passieve toestand, het laden van de accu, heeft de microprocessor tot taak dat de accu volgens de door de leverancier gegeven specificaties opgeladen wordt. In de actieve toestand heeft de microprocessor tot doel de inrichting naar een gewenste oriëntatie te sturen en deze oriëntatie vast te houden.The arrangements must distinguish between the active and passive states. In the passive state, charging the battery, the microprocessor has the task of charging the battery according to the specifications given by the supplier. In the active state, the microprocessor aims to direct the device to a desired orientation and to maintain this orientation.

In de passieve toestand wordt de accu geladen met een spanningsbron. Het laden geschiedt in twee toestanden: continu laden en druppel laden. Er wordt gestopt met continu laden indien aan één van de volgende voorwaarden voldaan wordt: er is acht uur continu geladen, er is geen continu stijgende accuspanning en de maximale klemspanning per cel is bereikt.In the passive state, the battery is charged with a voltage source. Charging takes place in two states: continuous loading and drop loading. Continuous charging is stopped if one of the following conditions is met: eight hours of continuous charging, no continuously increasing battery voltage and the maximum clamping voltage per cell has been reached.

Na het continue laden wordt overgegaan op druppel laden. In deze toestand wordt om de vijf minuten gedurende één minuut de accu opgeladen. Dit dient om de accu op conditie te houden.After continuous charging, a switch is made to drop charging. In this state, the battery is charged for one minute every five minutes. This is to keep the battery in good condition.

De regeling in de actieve toestand is in drie subregelingen te onderscheiden:The active-mode control can be divided into three sub-controls:

Primaire regeling: deze beïnvloedt de dynamica van de inrichting. De regeling is zodanig gedimensioneerd dat afhankelijk van de aangeboden spanning na een bepaalde tijdsperiode een bepaald constant electrische koppel af gegeven wordt. Deze tijdsperiode - de settling time - is veel kleiner dan de settling time van het gehele systeem, hierdoor is een snellere reactietijd van het gehele systeem te realiseren. Er kan een constant koppel afgegeven worden totdat het maximaal toelaatbare toerental van het vliegwiel bereikt is. Op dat moment moet het koppel tot nul worden gereduceerd.Primary control: this influences the dynamics of the device. The control is dimensioned such that, depending on the applied voltage, a certain constant electric torque is delivered after a certain period of time. This time period - the settling time - is much smaller than the settling time of the entire system, so that a faster response time of the entire system can be realized. Constant torque can be delivered until the maximum permissible speed of the flywheel is reached. At that point, the torque must be reduced to zero.

Secundaire regeling: deze heeft tot taak de last zo snel mogelijk in de gewenste hoekoriëntatie te positioneren. Eenmaal in de gewenste oriëntatie aangekomen, moet de last in die oriëntatie blijven totdat de opdracht gegeven wordt dat de inrichting terug moet keren naar de startpositie.Secondary control: the task is to position the load in the desired angle orientation as quickly as possible. Once in the desired orientation, the load must remain in that orientation until the command is instructed to return to the starting position.

Overkoepelende regeling: deze regeling bepaalt of de oriëntator zich niet in een alarmerende toestand bevindt. De volgende toestanden zijn gedefinieerd: werkgebied: accuspanning groter dan 22 volt; bijna leeg: accuspanning gelegen tussen 20 en 22 volt; leeg: accuspanning kleiner dan 20 volt; de bewegingen van de inrichting zijn niet meer te controleren indien bij een te grote verticale hoek het vliegwiel nog draait. Vanwege deze voor de gebruiker onveilige toestand is het noodzakelijk om het vliegwiel op tijd af te remmen. Er kan geremd worden indien de inrichting niet meer belast wordt. In dat geval steunt de steenklem op de grond. Het reactiekoppel, nodig om af te remmen wordt dan geleverd door de wrijvingskracht tussen het vliegwiel en de bodem waarop de haak staat.Overarching control: this control determines whether the orientator is not in an alarming state. The following states have been defined: working range: battery voltage greater than 22 volts; almost empty: battery voltage between 20 and 22 volts; empty: battery voltage less than 20 volts; the movements of the device can no longer be controlled if the flywheel is still rotating at too great a vertical angle. Due to this unsafe condition for the user, it is necessary to brake the flywheel in time. It is possible to brake if the device is no longer loaded. In that case, the stone clamp rests on the ground. The reaction torque needed to brake is then provided by the frictional force between the flywheel and the bottom on which the hook rests.

Claims

Device for orienting a crane load in a desired angular position, comprising: a housing (1), means (2) for pivoting the housing on a crane cable (3) or arm, means (4) for a load to be suspended from the housing in fixed orientation relative to the housing (1), a flywheel (8) mounted in the housing (1), a motor (6) for rotating the flywheel in at least one direction of rotation, means for angular position of the housing in the horizontal plane relative to a predetermined direction, memory means for remembering a set angular position of the housing, and a microprocessor which is programmed such that on the basis of the data from the memory the set angular position of the housing can be found by operating the engine.

Device according to claim 1, characterized in that the device is provided with means for determining the moment of inertia of the crane load.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that the device can be operated via a wireless remote control.