SE2151107A1 - Kran med kranstyrning, samt skogsmaskin innefattande sådan kran - Google Patents

Abstract

Uppfinningen hänför sig till en kran (1) med kranstyrning (2), vilken kranstyrning innefattar, ett koordinatstyrningssystem med ett flertal i ett kranen definierade noder (N1, N2, N3, N4), ett treaxligt koordinatsystem inbegripande x-, y- och z-axlar som skär varandra i ortogonala huvudplan i rymden, en nodinformationsbehandlingsmodul (2a), en ruttetableringsmodul (2b) och en operationsbehandlingsmodul (2c) varvid nodinformationsbehandlingsmodulen är konfigurerad att insamla och lagra nodinformation i ett utgångsläge för kranen (1) och att ruttetableringsmodulen är konfigurerad att med utgångspunkt från ett av en kranoperatör angivet styrkommando etablera en för varje nod verksam operationsväg till en rutt i vilket operationsmodulen används för att i en reell rutt förflytta en i kranen ingående kranspets (TCP) från en aktuell start- eller utgångskoordinatposition (SP) i utgångsläget till en önskad målkoordinatposition (TP) i rummet. Enligt uppfinningen är ruttetableringsmodulen (2b) konfigurerad att i ett förberedande beräkningssteg planera kranspetsens (TCP) reella rörelse längs en rutt genom att dela upp den verksamma operationsvägen för varje nod (N1, N2, N3, N4) i en serie fiktiva delsteg (TS:1-TS:n) där varje nod är tilldelad en i förväg bestämd rörlighetsstatus, varvid ett i förväg bestämt regelverk genererar en styrstrategi som tilldelar den aktuella noden dess rörlighetstatus baserat på en uppgift i operatörens angivna styrkommando.

Description

KRAN l\/IED KRANSTYRNING TEKNISKT OMRÅDE Uppfinningen hänför sig till en kran med kranstyrning enligt ingressen till patentkravet 1 och en Skogsmaskin utrustad med en sådan kran enligt patentkravet 15. BAKGRUND En kran med kranstyrning, till exempel i form av en hydraulisk vikarmskran består av en s.k. pelare eller stomme som är roterbar kring en vertikal rotationsaxel och ett kranbomsystem som är monterat på pelaren och avsett att bära en last i en kranspets (Tool Center Point, TCP) vid en yttre ände av kranbomsystemet. Kranbomsystemet i en vikarmskran innefattar normalt två eller ännu fler lyftbara och sänkbara kranbommar som bildar en förbindelse mellan kranspets och pelaren och vilka kranbommar är inbördes ledbart förenade. Kranen omfattar även en manöverenhet med en eller flera styrspakar (joysticks) konfigurerade att vara manövrerbara av en kranoperatör för att styra kranbommens rörelser. För att underlätta för operatören att styra kranspetsens position i rummet på ett korrekt sätt kan styrningen av kranbommens rörelser med fördel vara baserad på ett s.k. koordinatstyrningssystem med vilket kranen kan styras med utgångspunkt på önskad positionering av exempelvis kran- eller bomspets. Koordinatstyrning av kranspetsen innebär att fokus för operatören flyttas från hur varje led på kranen skall styras, till att enbart avse hur kranspetsen skall styras, d.v.s. hur kranspetsen kan förflyttas in/ut resp. upp/ner i rummet för att nå varje önskad position. Kranspetsstyrning innebär att kranspetsens rörelseri princip kan styras med en enda styrspak.

I fallet med kranspetsstyrning används dock i praktiken vanligen två styrspakar varvid en första styrspak används för att styra pelarens och därmed kranbomsystemets svängrörelser i ett horisontalplan kring nämnda vertikala rotationsaxel och en andra styrspak används dels för att styra kranspetsen rörelse i ett vertikalplan i höjdled Upp/Ned, dels för att styra kranspetsens rörelse i ett horisontalplan ln/Ut med avseende på kranens bas. Normalt används vänster styrspak: Kransväng (x-led, och kran in/ut (y-led) och höger styrspak: Rotator (x-led) och kran upp/ned (y-led).

I samband med att kranoperatören positionerar kranspetsen regleras kranbommarnas individuella rörelser i kranbommens system av en datorbaserad kranstyrning på styrsignaler från manöverenhetens respektive styrspakar och en beräkningsmodell för styrning av kranbomsystemets kranspets, där beräkningsmodellen är upprättad av krantillverkaren i enlighet med en i förväg bestämd styr- och kontrollstrategi. Således, när kranspetsstyrning används, har kranoperatören ingen direkt kontroll över placeringen av de enskilda kranbommarna. lställetberäknar kranstyrningen hur de enskilda kranbommarna ska flyttas för att få kranspetsen att följa den bana som kranoperatören anger via styrkommando på manöverenheten.

Kranspetsstyrning är vanligen baserade på rätvinkliga koordinatsystem eller på cylindriska koordinatsystem i det tredimensionella rummet. Oavsett val av koordinatsystem är ett problem att kranspetsens läge i förhållande till styrspaken omfattar ett mycket stort antal frihetsgrader och att varje önskad rörelse från en start- eller utgångspunkt till en önskad målpunkt kan nås på i princip ett oändligt antal sätt vilket gör hittills kända kranstyrningar mycket komplexa att utforma.

I en kran sker svängning kring en vertikal axel på pelaren varvid kranen har en viss grad av rörelsefrihet på grund av sin svängbara montering kring pelarens vertikala axel. Den första armen är svängbart monterad på pelaren och kan röra sig över ett strukturellt i förväg bestämt svängningsområde för armen varvid nämnda första arm har en viss grad av rörelsefrihet på grund av sin svängbara montering. Den andra armen, som är svängbart monterad på den första armen, kan röra sig över ett strukturellt i förväg bestämt ledat svängningsområde varvid nämnda andra arm har en viss rörelsefrihet på grund av sin svängbara montering. Nämnda andra arm som därtill kan vara teleskopiskt förlängbar är i förekommande fall så monterad i den andra armen att den kan förskjutas över ett strukturellt i förväg bestämt område och har en grad av rörelsefrihet på grund av dess förskjutbara montering. Armsystemet i en vikarmskran har följaktligen fyra frihetsgrader, omfattande tre rotationsrörelser vid svänglederna mellan armdelarna och en linjär translationsrörelse för skjutbommen.

Med uttrycket nod avses i det följande varje i förväg definierad punkt i en kran såsom en skärningspunkt (ledpunkt eller svängled), förgrenings- eller ändpunkt hos de armdelar som ingår i ett kranarmsystem av en kran och är rörligt relaterade till ett system av ortogonala koordinataxlar i ett tredimensionellt rum. Förutom ledaxlar kan även kranens spets (kranspets) utgöra en nod hos kranen. Med uttrycket frihetsgrad eller frihetsgrader avses det antal oberoende rörelser som en ett kranarmsystem hos en kran kan göra med hänsyn till ett system av ortogonala koordinataxlar i ett tredimensionellt rum inbegripande x-, y- och z-axlar som skär varandra i ortogonala huvudplan i rymden, På grund av att kranbomsystem många gånger uppvisarfler frihetsgrader än vad som teoretiskt är nödvändig för att kranspetsen från en startposition skall nå varje önskad punkt eller målposition i rummet har det hittills varit svårt att beräkna och fastställa en lämplig färdväg eller rutt för kranspetsen beroende på att kranarmssystemen är matematiskt "underbestämda".

Som ett resultat, för varje tänkbar rörelsebana som kranspetsen kan följa i en koordinatstyrning, finns ett oändligt antal tänkvärda banor som lederna i armsystemet kan följa för att kranspetsen skall nå en önskad målpunkt. Inledningsvis nämndes om problematiken med armsystem medteleskoperande utskjut och att sådana armsystem är underbestämda rent matematiskt emedan kranspetsen i princip kan nå varje punkt i rummet på ett oändligt antal olika sätt. Genom val av lämpliga algoritmer och prioritering av krandelarnas rörelseschema är det dock möjligt att optimera rörelsehastigheten från en utgångspunkt till en målpunkt. Exempelvis har det visat sig fördelaktigt att i möjligaste mån prioritera nämnda andra kranarm (vipparm) och dennas teleskoperande utskjut.

Armsystemets oändliga mängd av alternativa rörelsevägar vid val av styrstrategi kan vanligen reduceras genom analys av utskjutets inverkan på lyftkraft och kranspetsens hastighet samt därtill analys av vilka krandelar som skall premieras för att kranspetsen vid en rutt skall nå en viss punkt i rummet. Alternativt kan specifika vägval förkastas exempelvis för att undvika hinder beroende på strukturella begränsningar hos kranen som sådan, strukturella hinder hos det fordon på vilken kranen är monterad eller hinder i kranens omgivning kan också vägas in vid beräkning av lämpligt vägval eller rutt för kranspetsen.

Varje punkt (nod) på kranen är således relaterad till ett system av ortogonala koordinataxlar i ett treaxligt koordinatsystem med x-, y- och z-axlar i rymden. Det antal oberoende rörelser som kranen kan göra med hänsyn till ett specifikt koordinatsystem utgör kranens frihetsgrader. En konventionell vikarmskran har exempelvis fyra frihetsgrader, tre rotationsrörelser och en translationsrörelse. Koordinattransformation av kranspetsens läge till kranfoten eller annan vald fast punkt på maskinen erhålls genom matematisk transformering. Denna typ av koordinattransformation är sedan länge känd och kommer därför inte att beskrivas mer i detalj Fastställande av styrstrategi dvs. val av rörelsebana för krandelarna och tillhörande ledhastigheter utförs vanligtvis genom så kallad bakåttransformation eller kinematisk reversering i kranstyrningens dator efter specificering av önskad bana i kartesiska koordinater för kranspetsen, dvs efter att kranoperatören har utfärdat ett motsvarande styrkommando med önskad rörelsebana för kranspetsen till en målposition. Från vilket styrkommando de ställ- och manöverdon (hydrauliska och/eller elektriska aktuatorer) som ingår i armsystemet styr armsystemet längs valda frihetsgrader för att kranens spets skall nå önskad målposition.

Kranspetsens hastighet styrs medelst en hastighetsmodell varvid ökat spakutslag på operatörens styrspak innebär ökad rörelsehastighet hos kranspetsen. Hastighetsberäkningar beräknas normalt baserat på tidsderivata i Jacobi-matriser. För hastighetsberäkning krävs emellertid att Jacobi-matrisen är kvadratisk och inverterbar vilket i praktiken aldrig är fallet vid konventionella kranar. För invertering av sådana matriser måste därför vissa bivillkor införas vilka vanligen benämns viktningsmatriser. Konstruktionen av sådana viktningsmatriser är inte trivial eftersom de kommer att utgöra en del av en matematisk lösning på ett mekaniskt problem.Av samma anledning har felsökning i hittills kända koordinatstyrningssystem visat sig vara tidsödande och svåra att genomföra i praktiken.

För att uppnå otvetydiga lösningar för sådana bakåttransformationer vid ett givet armsystem måste bakåttransformationen ske genom införande av lämpliga optimeringskriterier till Jacobi- matriserna vanligen med så kallade viktningsmatriser och liknande approximationer som är baserade på önskade strukturbegränsningar hos kransystemet som exempelvis maximal lyftkraft, maximal rörelsehastighet etc. Ett problem med nämnda kända typer av kranar med kranstyrningar som använder Jacobimatriser i kombination med olika typer av viktningsmatriser är de ställer stora krav på hög datorkapacitet på grund av omfattande och avancerad programkod samt därvid också betydande beräkningsansträngningar. Ett annat problem är att konstruktionen av varje viktningsmatris är en matematisk lösning på ett mekaniskt problem och att det i ingenjörsdiscipliner som passar varje enskild operatör av kranen så att man i möjligaste mån praktiken är svårt att finna en lämpligt avvägd kompromiss mellan olika kan undvika rörelsemönsteri kranarmssystemet som är oönskade och på grund av vilka enskilda operatörer kan uppleva rörelser i kranarmsystemet som inte är direkt förutsebara. SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med uppfinningen är att tillhandahålla en kran med en kranstyrning som medger koordinatstyrning och är enklare än hittills kända kranstyrningssystem och där komplexiteten i bakåttransformation väsentligen kan reduceras. Ett andra syfte med uppfinningen är att åstadkomma en kran med en kranstyrning där problem för operatören med oförutsedda rörelser hos kranarmssystemet kan undvikas. Ett tredje syfte med uppfinningen är att åstadkomma en kran vars datorbaserade kranstyrningssystem är så förenklat att underhåll och felsökning underlättas. Ett färde syfte med uppfinningen är att åstadkomma en skogsmaskin såsom en skotare, skördare eller liknande kranutrustade trädhanteringsmaskiner vars kran noggrant och effektivt kan följa angivna styrkommando, utan risk för uppträdande oväntade rörelser hos kranen.

Dessa syften med uppfinningen uppnås med en kran med en kranstyrning som erhållit de särdrag och kännetecken som anges i patentkravet 1 samt med en skogsmaskin såsom en skotare eller skördare utrustad med en sådan kran med kranstyrning enligt kravet Enligt ett utförande innefattar den uppfinningsenliga kranen en kranstyrning i vilken ingår en ruttetableringsmodul som är konfigurerad att i ett förberedande beräkningssteg planera kranspetsens (TCP) reella rörelse längs rutten genom att dela upp den verksamma operationsvägen för varje nod i en serie fiktiva delsteg där varje nod är tilldelad en i förväg bestämd rörlighetsstatus, varvid ett i förväg bestämt regelverk genererar en styrstrategi somtilldelar den aktuella noden dess rörlighetstatus baserat på en uppgift i operatörens angivna styrkommando.

Tack vare att den reella rörelsen för kranspetsen i ett förberedande förflyttningssteg delas upp i en serie fiktiva mindre delproblem där de noder som är definierade i kranen är tilldelade olika rörlighetsstatus via en i förväg bestämd styrstrategi som anges av ett regelverk kan såväl bakåttransformation som hastighetsberäkning av led- och translationshastigheter hos kranen väsentligen förenklas och där den av operatören önskade kranrörelsen vidare kan utföras effektivt.

I motsats till Jacobi matrisen, som beräknar transformationsrörelser hos ett armsystem genom en kombination med olika viktningsmatriser, använder kranstyrningen i föreliggande uppfinning en beräkningsmodell som är matematiskt bestämd genom att åtminstone en nod är tilldelad en låst rörlighetsstatus i varje fiktivt delsteg. Genom att kranstyrningen i ett förberedande fiktivt beräkningssteg utför en stegsvis förflyttning av kranspets i rummet med en X-komponent och en Y-komponent som är ortogonala eller vinkelräta mot varandra och som skär varandra i en fiktiv punkt B som genereras i det förberedande beräkningssteget förenklas beräkningarna utan behov av viktningsmatriser undvikas och erhålls en kranstyrning som noggrant och effektivt kan följa operatörens angivna styrkommando Kranstyrningens beräkningsmodell specificerar en prioriteringsordning i vilken olika ledpunkteri kranarmssystemet tillåts röra sig i specifika riktningar ln/Ut respektive Upp/Ned baserat på en uppgift i operatörens angivna styrkommando. Nämnda uppgift kan exempelvis handla om en av operatören angiven rörelseriktning och hastighet på kranspetsen. Att i enlighet med föreliggande uppfinning på detta sätt dela upp kranspetsen rörelse i fiktiva ortogonala rörelsesteg i X- planet/Y-planet in/ut för att på så sätt åstadkomma bestämda ekvationssystem med lika många ekvationer som okända variabler benämns i det följande "Applikationslogikmodell" (eng. Application Logic Model, ALM) lnsikten som ligger till grund för uppfinningen är att den matematiska lösningen på kranstyrningsproblematiken väsentligen underlättas om det skulle vara möjligt att fixera åtminstone en av lederna vid uträkningen så att det finns lika många okända (leder som ska röra sig) som ekvationer X = f(förändringar i leder) och Y = f(förändringar i leder).

Enligt ett annat utförande innefattar uppfinningen ett andra regelverk vilket under det förberedande beräkningssteget styr och reglerar en ordningsföljd eller prioritetsordning i vilken i kranen ingående noder och därmed olika frihetsgrader hos kranen är tilldelade rörelsefrihet under varje translativt delsteg.Enligt ett annat utförande innefattar kranstyrningen en andra beräkningsenhet vilken är konfigurerad att under det förberedande beräkningssteget fastställa en modifierad styrstrategi med avseende på en av beräkningsenheten detekterad risk att förlora en frihetsgrad av rörelsefrihet i kranen exempelvis beroende på att något av de ställ- och manöverdon som ingår i kranen tvingas gå förbi sitt ändläge för att kranspetsen TCP skall nå en önskad målkoordinatposition TP i rummet.

I ett annat utförande innefattar den dynamiska modellen ett rörelsebegränsande regelverk som kan begränsa nodernas rörelsehastighet inom en eller ett flertal i förväg definierade zoner Z:1- Z:n i det tredimensionella koordinatsystemet i rymden exempelvis för att undvika kollision med maskinstrukturer eller liknande objekt som kranen kan möta underförflyttning och vilka uppgifter ges som indata till ruttetableringsmodulen. FIGURBESKRIVNING I det följande kommer uppfinningen att beskrivas närmare med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka; Fig. 1a visar en perspektivvy av en skogsmaskin i form av skotare som är utrustad med en kran med kranstyrning enligt föreliggande uppfinning, Fig. 1b visar en skogsmaskin i form av en skördare som är utrustad med en kran med kranstyrning enligt föreliggande uppfinning, Fig. 2 visar en schematisk principvy av manöverspakar (joysticks) som ingår i en kran med kranstyrning enligt föreliggande uppfinning och vilka manöverspakar är konfigurerade för påverkan av en kranoperatör för styrning och kontroll av kranen, Fig. 3 visar en kran (vikarmskran) med kranstyrning enligt uppfinningen med fyra grader av rörelsefrihet, Fig. 4 visar schematiskt ett regelverk eller en algoritm som används för generering av en styrstrategi vid en kranstyrning enligt uppfinningen, Fig. 5 visar schematiskt ett blockdiagram av funktionssättet hos en kranstyrning som kan ingå i en kran enligt föreliggande uppfinning, Fig. 6 visar schematiskt ett blockdiagram av styr- och kontrollfunktioner som kan ingå i en kran enligt föreliggande uppfinning, BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORIVIERI fig. 1a visas en Skogsmaskin i form av en skotare med en kran 1 (vikarmskran) som har ett armsystem och vilken kran är utrustad med en allmänt med 2 betecknad kranstyrning som gör det möjligt för en kranoperatör att medelst s.k. koordinatstyrning styra kranen med utgångspunkt från kranspetsen TCP enligt föreliggande uppfinning.

I fig. 1b visas en skogsmaskin iform av en skördare med en kran 1 (vikarmskran med en roterbar svängskiva istället för kranpelare) som har ett armsystem och vilken kran är utrustad med en allmänt med 2 betecknad kranstyrning som gör det möjligt för en kranoperatör att medelst s.k. koordinatstyrning styra kranen med utgångspunkt från kranspetsen TCP enligt föreliggande uppfinning.

I det följande bör det underförstås att den uppfinningsenliga kranen 1 med tillhörande kranstyrning 2 skulle kunna omfatta vilken som helst känd typ av kran med ett armsystem för hantering av gods, även en kran av den typ som är avsedd att användas för lasthantering vid en lastbil såsom en timmerbil eller liknande lastfordon.

I enlighet med uppfinningen kan kranen 1 med datorbaserad kranstyrning 2 vara konfigurerad att omkopplas i olika driftsmod av vilket; en första driftsmod skulle kunna omfatta driftsmod för koordinatstyrning varvid armsystemet 1 styrs och kontrolleras med utgångspunkt från kranspetsens TCP önskade rörelser. Kranstyrningen 2 kan också vara så konfigurerad att kranen kan köras i en andra driftsmod för konventionell manuell styrning av kranen och således genom separat styrning och kontroll av varje ställdon för sig hos kranen. Lämpligen kan kranstyrningen 2 vara så konfigurerad att en operatör, via en omkopplare eller liknande operatörsgränssnitt som ingår i kranstyrningen 2, enkelt kan växla mellan nämnda respektive driftsmod för kranen. I ett utförande är det också tänkbart att driftmoderna skulle kunna växlas automatiskt beroende på krankonfiguration, valda funktioner i styrsystemet eller maskinens status i övrigt.

Med hänvisning till fig. 2 och 3 visas föreliggande kran 1 med kranstyrning 2 närmare i vilket kranen innefattar en kranpelare 10 som är roterbar kring en vertikal ledaxel 10a och svängbar över ett i förväg bestämt strukturellt svängningsområde samt har en frihetsgrad q1 på grund av sin svängbara montering i en första nod N1, en första kranarm 11 (lyftarm) som är svängbar på en första horisontell ledaxel 11a som samtidigt definierar en andra nod N2 monterad på pelaren 10 och svängbar över ett strukturellt i förväg bestämt svängningsområde samt har en frihetsgrad q2 på grund av sin svängbara montering, en andra kranarm 12 (vipparm) som är svängbart monterad på den första kranarmen 11 via en andra horisontell ledaxel 12a vilken samtidigt definierar en tredje nod N3, och vilken andra kranarm är svängbar över ett strukturellt i förväg bestämt svängningsområde samt har en grad av frihetsgrad q3 på grund av sin svängbara montering, en skjutbom 13, som är skjutbart monterad i den andra kranarmen 12 via en linjärglidstyrning 13a och skjutbar över ett strukturellt i förväg bestämt skjutområde samt har en frihetsgrad d på grund av sin förskjutbara montering samt är en fjärde nod N4 definierad i kranspetsen TCP.

I fig. 2 visas närmare på vilket sätt kranen 1 med kranstyrning 2 är konfigurerad att styras och kontrolleras av en operatör (ej visad) i en förarkabin (se fig. 1a, 1b). För ändamålet kan kranstyrningen 2 innefatta en första manöverspak 20a för vänster hand respektive en andra manöverspak 20b för höger hand. Styrkommandon som genereras av operatören via nämnda styrspakar 20a, 20b överförs via kommunikationsbussarna 21 a, 21 b till kranstyrenheten 2 vilken i sin tur, genom aktivering av hydrauliska ställ- och manöverdon 23, 24, 25, 26 manövrerar de olika krandelarna; kranpelare 10, första kranarm 11, andra kranarm 12 och skjutbom 13 via ett kontrollgränssnitt som omfattar elektromagnetiska ventiler 27, 28, 29, Ånyo med hänvisning till fig. 2 är mätelement 31, 32, 33, 34 anordnade till de svängbara monteringarna 10a, 11a, 12a, 13a mellan de olika krandelarna; kranpelaren 10, den första kranarmen 11, den andra kranarmen 12 och skjutbommen 13. Mätelementen 31, 32, 33, 34, mäter kranpelarens 10 läge (rotationsvinkeln i förhållande till ett givet utgångsläge), den första kranarmens 11 och den andra kranarmens 12 läge i förhållande till varandra kan innefatta vinkelgivare som mäter rotationsrörelser i varje svängrörlig nod i kranarmssystemet medan mätelementet 34 som mäter skjutbommens 13 translationsrörelse kan omfatta en linjär mätsensor. Mätelementen 31, 32, 33, 34 är anslutna till kranstyrningen 2 på ett sådant sätt att kranstyrningen 2 kan ta emot mätdata som produceras av mätelementen.

Som visas ifig. 3 innefattar den i kranen ingående kranstyrningen 2 ett koordinatstyrningssystem och ett treaxligt koordinatsystem inbegripande x-, y- och z-axlar som skär varandra i ortogonala huvudplan i rymden. Med ledning av information från ovan nämnda mätelement 31, 32, 33, 34 kan positionen hos var och en av nämnda noder N1, BN2, N3 och N4 i ett kranen bestämmas och därmed kranens strukturella läge i det treaxliga koordinatsystemet.

Kranstyrningen 2 innefattar en nodinformationsbehandlingsmoduI 2a, en ruttetableringsmodul 2b och en operationsbehandlingsmodul 2c varvid nodinformationsbehandlingsmodulen är konfigurerad att insamla och lagra nodinformation i ett utgångsläge för kranen. Ruttetableringsmodulen 2b är konfigurerad att med utgångspunkt från ett en kranoperatören angivet styrkommando etablera en för varje nod N1, N2, N3, N4 verksam operationsväg till en rutt i vilket operationsmodulen 2c används för att förflytta den i kranen ingående kranspetsen TCP och därmed också noden N4 start- utgångskoordinatposition (SP) i utgångsläget till en önskad målkoordinatposition (TP) i rummet. (kranspetsen) från en aktuell eller I denna del bör det underförstås att operationsbehandlingsmodulen 2c styr och kontrollerar såväl vart och ett av de ställ- och manöverdon 23, 24, 25, 26 som manövrerar de olika krandelarnasom de olika mätelementen 31, 32, 33, 34 som avkänner det inbördes läget mellan de olika krandelarna i kranen.

Med hjälp av mätdata från mätelementen 31, 32, 33, 34 kan kranstyrningen 2 kontinuerligt bestämma det inbördes geometriska läget mellan kranpelaren 10, den första kranarmen 11, den andra kranarmen 12 och skjutbommen 13 och med utgångspunkt av dessa beräkna kranspetsens TCP läge i det tredimensionella rummet i ett koordinatsystem betecknat X-, Y-, Z i fig. 3. Med mätelementen 31, 32, 33, 34 kan förutom den inbördes geometriska positionen mellan kranarmssystemets 10 ingående delar även avkännas och i styrenheten 2 beräknas hastighet och acceleration för varje ledpunkt (nod) och linjär glidstyrning i de axeltappar 10a, 11a, 12a, och 13a som ingåri kranens 1 armsystem elleri kranspetsen TCP med avseende på en given nollpunkt exempelvis i armsystemets 10 kranbas 22. Eftersom varje ledpunkt hos kranen 1 med avseende på varje definierad frihetsgrad q1, q2, q3, d hos kranarmssystemet är relaterad till ett system av ortogonala koordinataxlar i ett treaxligt koordinatsystem i rummet kan kranspetsens TCP relativa läge i förhållande till kranbasen 22 erhållas matematiskt genom transformering. Nämnda kranbas 22 kan härvid fungera som nollpunktsnod N0 i koordinatstyrningssystemet alternativt skulle den första kranarmens 11 infästning till kranpelaren 10 utgöra nollpunktsnod. Det bör underförstås att nollpunktsnoden N0 i princip kan utgöras av vilken som helst definierad punkt i kranen 1. Det är således möjligt att kontinuerligt koordinatbestämma kranspetsens TCP läge i förhållande till denna nollpunkt och därigenom med hjälp av den i styrenheten 2 ingående operationsmodulen 2c styra kranspetsen TCP att röra sig längs en av operatören önskad bana med utgångspunkt från en av ruttetableringsmodulen 2b fastställd rutt genom att etablera en för varje nod verksam operationsväg.

Det bör dock underförstås att det ovan beskrivna i allt väsentligt utgör sedan länge känd teknik vid kranstyrningar som medger koordinat- och kranspetsstyrning av kranar.

Som nämnts här inledningsvis är det önskvärt att åstadkomma en kran 1 med en kranstyrning 2 som är mer lämplig att använda vid den operatörsstyrda typ av kranar som ingår i exempelvis skogsmaskiner eller liknande kranbärande arbetsfordon.

Det bärande i uppfinningen baseras på insikten att beräkning av den reella förflyttningen av kranspets TCP från en aktuellt startposition SP till en målposition GP på ett enkelt sätt kan fastställas genom att i ett förberedande fiktivt beräkningssteg dels ge frihet till, dels låsa ett på förhand bestämt antal frihetsgrader q1, q2, q3, d i kranens armsystem för att sålunda bilda ett fiktivt armsystem där varje frihetsgrad, dvs. i praktiken varje ledpunkt (nod N1, N2, N3, N4) eller skjutbart rörlig del) som ingår i armsystemet 10, i ett antal av (n) fiktiva successiva translativa förflyttningssteg TS:1-TS:n steg, bara tillåts utföra rörelser i två rätlinjiga riktningar i X- och y-led som skär varandra i en fiktiv punkt B som genereras i det förberedande beräkningssteget. Den fiktiva punkten B är ingen reell punkt i koordinatsystemet utan skapas bara för att förenkla matematiken under beräkningssteget. På motsvarande sätt uppdelas koordinatstyrningens övriga förflyttningssteg TS:1-TS:n i varje frihetsgrad q1, q2, q3, d upp i ett antal successiva fiktiva hastighetskomponenter i åtminstone X- och y-led. För att underlätta förståelsen beskrivs kranarmssystemets rörelse här ovan bara med utgångspunkt från en rörelse i ett vertikalplan i X- och y-led i rummet, dvs. vid rörelse ut/in och upp/ner i planet. Genom att inkludera kranarmssystemets sväng kring z-axel och frihetsgraden q1 kan kranarmssystemet nå varje punkt i rummet vid tillämpning utgående från ett kvadratiskt koordinatsystem. Vid tillämpning med cylindriskt koordinatsystem sker svängfunktionen separat och algoritmen behöver därför bara behandla frihetsgraderna q2, q3, d och hastighetskomponenter i x- och y-led för att i kombination med den separata svängfunktionen nå varje önskad målpunkt (nod) i rummet.

Genom att på detta sätt i ett förberedande beräkningssteg generera en styrstrategi baserat på en uppgift från operatörens styrkommando dels tilldela rörelsefrihet, dels låsa noder (ledpunkter) i armsystemet under defiktiva translativa förflyttningsstegen kan beräkningarna i kranstyrningen väsentligen förenklas och behovet av komplicerade Jacobi-matriser med approximativa viktningsmatriser som hittills kända kranar med kranstyrning varit utrustade med undvikas. Uppgiften i operatörens styrkommando erhålls med avseende på operatörens önskade positionsförändring ln (-dX), Ut (+dX), Upp (+dY), Ned (-dY) för nämnda förflyttning av kranspetsen (TCP) i förhållande till koordinatsystemets huvudplan i rymden, utgående från en startposition SP till en målposition GP för kranspetsen TCP.

Med hänvisning till fig. 5 är i enlighet med uppfinningen kranstyrningen 2 anpassad att förbereda en reell förflyttning av kranspetsen TCP från en aktuell start- eller utgångskoordinatpositionen SP för kranspetsen TCP till en önskad målkoordinatposition GP för kranspetsen TCP genom, att i ett antal på varandra följande steg hos en eller ett flertal av kranarmssystemets frihetsgrader i noderna N1, N2, N3, N4 utföra en fiktiv förflyttning av åtminstone en horisontellt orienterad ledaxel som samtidigt definierar en Nod A hos lyftarmssystemet en första delsträcka dX utåt fram till en fiktiv position för noden i B och vidare i en andra delsträcka dY till position C uppåt där nämnda respektive delsträckor dX, dY är belägna i plan som är ortogonala eller vinkelräta mot varandra. Noden B som uppstår i skärningspunkten mellan delsträckorna dX och dY är en fiktiv nod som genereras under de förberedande beräkningssteget. Under nämnda fiktiva stegvisa förflyttning tillser kranstyrningen 2 att ett på förhand bestämt antal frihetsgrader i övriga noder N1, N2 i ledtapparna N4 i kranspetsen TCP är tilldelade en i förväg bestämd rörlighetsstatus som innebär att noderna antingen är låsta mot rörelse eller är fritt rörliga under varje delsteg TS:1-TS:n i det förberedande beräkningssteget.ExempelÅnyo med hänvisning till fig. 5 illustreras i ett blockschema hur en kranoperatör genom spakpåverkan begär ett styrkommando som innebär förflyttning av kranspetsen TCP från en startposition SP i A (kranspetsnod N4) till en målposition GP i C. Förarkommando görs via det normala förargränssnittet med två stycken analoga, 2-axliga styrspakar 20a, 20b. Utslaget på styrspakarna översätts till en önskad hastighet på kranspetsen TCP. Hastigheten översätts till en fysisk kranposition genom att beräkna förflyttningen under en fast deltatid At och som beskrivs mer i detalj här nedan ger detta indata till algoritmen som räknar på fasta kranpositioner.

Således delar en i nodinformationsbehandlingsmodulen 2a ingående algoritm upp den begärda förflyttningen i en första hastighetsvektor Vx för den första frihetsgraden d (skjutbom och kranspets) för utförande av en fiktiv rörelse i en horisontell in/ut-komponent dX och en andra rörelsevektor Vy för kranspetsen och utförande av en fiktiv rörelse i en vertikal upp-ner komponent dY. Det i nodinformationsbehandlingsmodulen 2a ingående regelverket 5 (se fig. 4) för kranrörelseprioritering med avseende på operatörens styrkommando genererar en styrstrategi som tilldelar den aktuella noden (kranspetsen N4) och övriga noder N1, N2, N3 i kranen en i förväg bestämd rörlighetsstatus. Således delar algoritmen upp begäran i en X- komponent och en Y-komponent. Regelverket ovan tillämpas på förflyttningen i varje led och ger därmed ett ekvationssystem med två okända och två ekvationer vilket är entydigt lösbart matematiskt.

Närmare bestämt tilldelas noden N4 i kranspetsen och övriga noder i kranen en fri rörlighetsstatus respektive en låst rörlighetsstatus och där nämnda fria rörlighetstatus innebär att noden bara tillåts förflytta sig längs en enda delsträcka +dX, +dY eller en kombination av en första delsträcka dX och en andra delsträcka dY och där varje sådan delsträcka utgör en linjärprojektion av en operationsväg för noden mot något av koordinatsystemets huvudplan, och där nämnda låsta rörlighetsstatus innebär att noden är fixerad mot förflyttning. Regelverket för kranrörelseprioritering 5 tillämpas på förflyttningen i varje led och ger därmed för varje "n" förflyttningssteg S:1-S:n ett ekvationssystem med två okända och två ekvationer vilket är entydigt lösbart matematiskt. Denna algoritm tillämpas för deltaX/deltaY separat vilket åstadkommes genom att applicera algoritmen i två steg: Först räknas en teoretisk kranposition ut med enbart förflyttning av den första frihetsgraden d iX-led till en fiktiv position B, och därefter räknas den slutliga kranpositionen ut med utgångspunkt i den teoretiska positionen, och enbart förflyttning i Y-led från den fiktiva positionen B till den reella positionen C. Som framgår i fig. 5 är den första delsträckan dX belägen i ett horisontalplan i rymden och den andra delsträckan dY är belägen i ett vertikalplan i rymden och att nämnda delsträckor skär varandra i den fiktiva punkten B som genereras i det förberedande beräkningssteget. Ãtminstone en av kranens noderN1, N2, N3, N4 i koordinatstyrningssystemet är under det förberedande beräkningssteget fixerad mot förflyttning under varje fiktivt delsteg TS:1-TS:n.

Det bör således underförstås att i enlighet med uppfinningen delas den av kranoperatören beordrade kranrörelsen i en ledpunkt upp i två diskreta steg; Ett ln/Ut (delta iX-steg) och Upp/Ned (delta iY-steg). Tack vare denna uppdelning blir det möjligt att med hjälp de iförväg bestämda regler som styrs av den i kranstyrningen 2 ingående kranrörelseprioriteringsmodulen 2d, att styra vilka frihetsgrader q1, q2, q3, d (led- och translationspunkter) som skall få röra sig under de två diskreta steg när kranspetsen TCP (nod N4) förflyttar sig Ut (delta +dX) till den fiktiva positionen B och avslutningsvis upp (delta +dY) för att slutligen nå den reella målpositionen C. Vidare bör det underförstås att eftersom de olika noderna bara tilldelas låst rörlighetsstatus i de fiktiva delstegen så innebär det slutliga beräkningsresultatet att samtliga definierade noder vanligen också har "tilldelats" en rörelse.

Den i det TCP i nodinformationsbehandlingsmodulen 2a adresseras vidare till ruttetableringsmodulen 2b som förberedande beräkningssteget planerade kranspetsrörelsen etablerar en för varje nod N1, N2, N3, N4 verksam operationsväg till en rutt vilken exekveras av operationsbehandlingsmodulen 2c så att kranspetsen TCP förflyttar sig enligt operatörens styrkommando. ExempelFör att operatören skall undvika olägenheten att kranen 1 plötsligt stannar på grund inneboende geometriska eller mekaniska begränsningari kranen och att kranspetsen TCP därmed ej heller når den av operatören önskade målpunkten GP är föreliggande kran med kranstyrning 2 utrustad med en dynamisk modell som är konfigurerad att generera en modifierad styrstrategi med avseende på en i det förberedande beräkningssteget detekterad risk att förlora en frihetsgrad q1, q2, q3, d av rörelsefrihet i kranen vid etablering av en för varje nod verksam operationsväg till en rutt för att förflytta kranspetsen TCP. Förutom geometriska begräsningar i kranen 1 kan problem med förlorade frihetsgrader uppträda genom lägesbegränsningar hos kranens ställ- och manöverdon 23, 24, 25, 26. Den dynamiska modellen styr och kontrollerar risken att förlora en frihetsgrad q1, q2, q3, d av rörelse i kranen 1 på basis av åtminstone en av följande parametrar; - i kranstyrningen 2 lagrade data som omfattar i förväg bestämda statiska och dynamiska begränsningar hos kranen med avseende på i nämnda förberedande beräkningssteg kalkylerade belastningar eller accelerationer hos kranen, i kranstyrningen 2 lagrade data som omfattar i förväg bestämda strukturella geometriska lägesbegränsningar hos kranen med tillhörande armdelar 10, 11, 12, 13 som sådan eller de ställ- och manöverdon 23, 24, 25, 26 som ingår i kranen med avseende på en i nämnda förberedande beräkningssteggenererad styrstrategi som resulterar i att något av ställ- och manöverdonen måste gå förbi sitt ändläge för att kranspetsen TCP skall nå en önskad målkoordinatposition TP i rummet. ExempelKranstyrningen 2 innefattar mjukvara som kontinuerligt beräknar uppträdande vinkelhastigheter i kranens 1 ledpunkter med ledning av signaler från de mätelement 31, 32, 33, 34 som är anordnade till de svängbara monteringarna 10a, 11a, 12a, 13a mellan de olika krandelarna. På liknande sätt mäts via längdmätgivare (liknande mätgivarens 34 i skjutbommen 13) ställ- och manöverdonens (hydraulcylindrarnas) slaglängder och rörelsehastigheter. Kranstyrningen 2 är konfigurerad att reducera eller begränsa varje nods möjliga rörelseomfång. Kranspetsen TCP kan normalt röra sig med maximal hastighet tills dess en efterföljande i förväg bestämd nod övertar rörelsen. Om två eller flera noder i kranstyrningen når sin begränsning så kan kranspetsens TCP rörelsehastighet påverkas varvid kranstyrningen 2 prioriterar att låta kranspetsen följa angiven rörelselinje längs rutt. Om operatörens önskade förflyttning av kranspetsens TCP innebär att något av de ställ- och manöverdon 23, 24, 25, 26 som används för att manövrera krandelarna i kranen 1 går mot ett ändläge tillser den i kranstyrningen ingående mjukvaran att den aktuella krandelens hastighet successivt reduceras så att funktionen stannar mjukt precis innan den når ändläget. ExempelSom visas i fig. 1a och fig. 3 kan kranstyrningens 2 dynamiska modell även omfatta ett rörelsebegränsande regelverk som kan begränsa ledernas rörelseomfång varvid lagrade uppgifter härom kan ges som indata till kranspetsstyrningsalgoritmen_ Dessa data kan omfatta en eller flera av följande rörelsebegränsningar; - begränsning av teleskophastighet hos skjutbommen vid förflyttning av kranspetsen TCP inom ett eller ett flertal "n" i förväg definierade zoner Z:1-Z:n i det tredimensionella koordinatsystemet i rymden, exempelvis över ett lastutrymme om det fordon som uppbär kranen är utrustat med en sådan överbyggnadskomponent eller i närhet av en förarhytt, lastskyddsgrind eller liknande om det kranbärande fordonet är utrustat med sådana liknande överbyggnadskomponenter varvid kan förhindras att någon av kranens lyftbommar eller liknande krandelar oavsiktligt körs in i någon av dessa.

Claims (5)

1. Kran (1) med kranstyrning (2), vilken kranstyrning innefattar, ett koordinatstyrningssystem med ett flertal i ett kranen definierade noder (N1, N2, N3, N4) och ett treaxligt koordinatsystem inbegripande X-, y- och z-axlar som skär varandra i ortogonala huvudplan i rymden, en nodinformationsbehandlingsmodul (2a), en ruttetableringsmodul (2b) och en operationsbehandlingsmodul (2c) varvid nodinformationsbehandlingsmodulen är konfigurerad att insamla och lagra nodinformation i ett utgångsläge för kranen (1) och att ruttetableringsmodulen är konfigurerad att med utgångspunkt från ett av en kranoperatör angivet styrkommando etablera en för varje nod verksam operationsväg till en rutt i vilket operationsmodulen används för att i en reell rutt förflytta en i kranen ingående kranspets (TCP) från en aktuell start- eller utgångskoordinatposition (SP) i utgångsläget till en önskad målkoordinatposition (TP) i rummet, kännetecknad av att ruttetableringsmodulen (2b) är konfigurerad att i ett förberedande beräkningssteg planera kranspetsens (TCP) reella rörelse längs en rutt genom att dela upp den verksamma operationsvägen för varje nod (N1, N2, N3, N4) i en serie fiktiva delsteg (TS:1-TS:n) där varje nod är tilldelad en i förväg bestämd rörlighetsstatus, varvid ett i förväg bestämt regelverk genererar en styrstrategi som tilldelar den aktuella noden dess rörlighetstatus baserat på en uppgift i operatörens angivna styrkommando.

2. Kran enligt kravet 1, varvid uppgiften i operatörens styrkommando erhålls med avseende på operatörens önskade positionsförändring (ln (-dX), Ut (+dX), Upp (+dY)). Ned (-dY) vid förflyttning av kranspetsen (TCP) i förhållande till koordinatsystemets huvudplan.

3. Kran enligt något av kraven 1 - 2, varje nod (N1, N2, N3, N4) är tilldelad en fri rörlighetsstatus eller en låst rörlighetsstatus under varje fiktivt delsteg och där nämnda fria rörlighetstatus innebär att noden bara tillåts förflytta sig längs en enda delsträcka (dX, dY) eller en kombination av en första delsträcka (dX) och en andra delsträcka (dY) och där varje sådan delsträcka utgör en linjärprojektion av en operationsväg för noden mot något av koordinatsystemets huvudplan och där nämnda låsta rörlighetsstatus innebär att noden är fixerad mot förflyttning.

4. Kran enligt kravet 3, varvid den första delsträckan (dX) belägen i ett horisontalplan i rymden och den andra delsträckan (dY) är belägen i ett vertikalplan i rymden och att nämnda delsträckor (dX, dY) skär varandra i en fiktiv punkt (B) som genereras i det förberedande beräkningssteget

5. Kran enligt något av kraven 1 - 3, varvid ruttetableringsmodulen (2b) är konfigurerad att i varje delsteg (TS:1- TS:n) beräkna en första fiktiv förflyttning av varje nod (N1, N2, N3, N4) utefter en delsträcka (dX) och förflyttning enbart i ett horisontalplan i rymden och därefter beräkna en andra fiktiv förflyttning av varje nod utefter en delsträcka (dY) och förflyttning enbart i ett vertikalplan i rymden. Kran enligt något av kraven 1 - 5, varvid åtminstone en nod (N1, N2, N3, N4) i koordinatstyrningssystemet är fixerad mot förflyttning under varje fiktivt delsteg (TS:1- TS:n) vid det förberedande beräkningssteget. Kran enligt något av kraven 1 - 6, varvid regelverket är konfigurerat att välja styrstrategi baserat på åtminstone en av följande uppgifter i kranoperatörens angivna styrkommando vid önskad förändringshastighet av läge på kranspetsen; - kommenderad rörelse i en in/ut-komponent (deltaX) i koordinatsystemet, - kommenderad rörelse i en upp-ner komponent (deltaY) i koordinatsystemet, eller - en kombination av nämnda rörelser i en in/ut-komponent (deltaX) och upp-ner komponent (deltaY). Kran enligt något av kraven 1 - 7, varvid ruttetableringsmodulen (2b) vidare innefattar en dynamisk modell vilken är konfigurerad att generera en modifierad styrstrategi med avseende på en i det förberedande beräkningssteget detekterad risk att förlora en frihetsgrad (q1, q2, q3, d) av rörelsefrihet i kranen (1) vid etablering av en för varje nod verksam operationsväg till en rutt för att förflytta kranspetsen (TCP). Kran enligt kravet 8, varvid den dynamiska modellen styr risken att förlora en frihetsgrad (q1, q2, q3, d) av rörelse i kranen på basis av åtminstone en av följande parametrar; - i kranstyrningen (2) lagrade data som omfattar i förväg bestämda statiska och dynamiska begränsningar hos kranen med avseende på i nämnda förberedande beräkningssteg kalkylerade belastningar eller accelerationer i kranen, - i kranstyrningen (2) lagrade data som omfattar i förväg bestämda strukturella geometriska lägesbegränsningar hos de ställ- och manöverdon (23, 24, 25, 26) som ingår i kranen med avseende på en i nämnda förberedande beräkningssteg genererad styrstrategi som resulterar i att något av ställ- och manöverdonen måste gå förbi sitt ändläge för att kranspetsen (TCP) skall nå en önskad målkoordinatposition (TP) i mmmm.Kran enligt något av kraven 1 - 9, varvid ruttetableringsmodulen (2b) är konfigurerad att reducera eller begränsa kranoperatörens önskade förändringshastighet av läget på kranspetsens (TCP) om något av de ställ- och manöverdon (23, 24, 25, 26) som ingåri kranen (1 ) går mot ett ändläge varvid hastigheten successivt reduceras så att funktionen hos det aktuella ställ- och manöverdonet stannar mjukt precis innan det når ändläget. Kran enligt något av kraven 7 - 10, den dynamiska modellen innefattar en rörelsebegränsningsmodul med ett rörelsebegränsande regelverk som kan begränsa ledernas rörelseomfång medelst indata till kranspetsstyrningsalgoritmen vilka indata, åtminstone kan omfatta följande begränsningar; - begränsning av kranspetsen (TCP) hastighet över ett lastutrymme om ett kranbärande fordon är utrustat med en sådan överbyggnadskomponent, - hindra kranen (1) från att köras om en lastgrind eller ett hyttak om ett kranbärande fordon är utrustat med sådan överbyggnadskomponent. Kran enligt något av kraven 7 - 11, varvid den dynamiska modellen innefattar ett N2, N3, N4) rörelsehastighet inom en eller ett flertal i förväg definierade zoner (Z:1-Z:n) i det rörelsebegränsande regelverk som kan begränsa nodernas (N1, tredimensionella koordinatsystemet i rymden och vilka uppgifter ges som indata till ruttetableringsmodulen (2b). Kran enligt något av kraven 1 - 12, innefattande kranstyrning 2 vara konfigurerad att via ett operatörsgränssnitt omkopplas i olika driftsmod av vilka en första driftsmod omfattar driftsmod för koordinatstyrning varvid kranen 1 styrs och kontrolleras med utgångspunkt från kranspetsens TCP önskade rörelser, en andra driftsmod för konventionell manuell styrning av kranen (1) genom separat styrning och kontroll av varje ställ- och manöverdon (23, 24, 25, 26) hos kranen. Kran enligt något av kraven 1 - 13 innefattande, - en kranbas (22), - en pelare (10) som är vridbart monterad på kranbasen (22) och svängbar relativt kranbasen kring en vertikal vridaxel (10a) som definierar en första frihetsgrad (q1) hos kranen, - en manöveranordning (23) för vridning av pelaren (10) relativt kranbasen (22), - ett kranarmssystem (10) innefattande en första och en andra kranarm (11, 12) vilka är ledbart förbundna med varandra och tillordnade ställ- och manöverdon som innefattar hydraulcylindrar (23, 24, 25, 26)för lyftning och sänkning av kranarmarna (11, 12), varvidden första kranarmen (11) hos kranarmssystemet är via en ledtapp (32) ledbart förbunden med pelaren (10)för svängning kring en horisontell ledaxel och som definierar en andra frihetsgrad (q2) hos kranen och den andra kranarmen (12) hos kranarmsystemet är via en ledtapp (33) ledbart förbunden med den första kranarmen (11) för svängning kring en horisontell ledaxel och som definierar en tredje frihetsgrad (q3) hos kranen, - en skjutbom (13), som via ett ställ- och manöverdon (26) som innefattar en hydraulcylinder är skjutbart monterad i den andra kranarmen (12) och skjutbar över ett strukturellt i förväg bestämt skjutomräde och har en frihetsgrad (q4) på grund av sin glidbara montering. Skogsmaskin, såsom en skotare, skördare eller liknande kranutrustat fordon avsett för trädhantering, kännetecknad av att den innefattar en kran (1) med kranstyrning (2) enligt nägot av kraven 1 - 14.