DE3210450A1

DE3210450A1 - Einrichtung an hebezeugen fuer die selbsttaetige steuerung der bewegung des lasttraegers mit beruhigung des pendelns der an ihm haengenden last

Info

Publication number: DE3210450A1
Application number: DE19823210450
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. 8011 Putzbrunn Kurz; Hans 8000 München Tax
Original assignee: BETAX GESELLSCHAFT fur BERATUNG und ENTWICKLUNG TECHNISCHER ANLAGEN MBH; BETAX GES fur BERATUNG und EN; Betax Gesellschaft Fuer Beratung und Entwicklung Technischer Anlagen Mbh 8000 Muenchen
Current assignee: Vulkan Kocks 2820 Bremen De GmbH
Priority date: 1982-03-22
Filing date: 1982-03-22
Publication date: 1983-10-13
Also published as: EP0089662A1; EP0089662B1; DE3210450C2; US4603783A

Description

Hans Tax
Potsdamerstraße 1a

D-8000 München 40

8000 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

Einrichtung an Hebezeugen für die selbsttätige Steuerung der Bewegung des Lastträgers mit Beruhigung des Pendeins der an ihm hängenden Last

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung an Hebezeugen für die selbsttätige Steuerung der Bewegung des Lastträgers mit Beruhigung des beim Beschleunigen oder Abbremsen der an ihm hängenden Last auftretenden Pendeins der Last während eines Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitintervalls, umfassend einen Signalgeber zur Abgabe von Lastträgerbewegungssteuerungssignalen zur Bewegungssteuerung eines Lastträgerverfahrmotors/ insbesondere durch Vorgabe einer Lastträgerbeschleunigung, wobei der Signalverlauf einem zur Intervallmitte symmetrischen Lastträgerbeschleunigungsverlauf entspricht mit Beschleunigungsmaximalwerten am Intervallanfang bzw. -ende und dazwischenliegenden kleineren, ggf.verschwindenden Beschleunigungsminimalwerten.

Aus der DE-AS 11 72 413 ist eine Einrichtung dieser Art bekannt, bei der das die Lastträgerbeschleunigung vorgebende Steuersignal aus zwei Beschleunigungsstufen gebildet ist,

nämlich einer Anfangsperiode mit konstanter Beschleunigung (Beschleunigungsmaximalwert), einer Endperiode mit gleicher konstanter Beschleunigung und einer dazwischenliegenden Zwischenperiode mit verschwindender Beschleunigung. Die Zeitdauer der Zwischenperiode ist gerade so festgelegt, daß der Pendelausschlag der Last und der Betrag der Pendelgeschwindigkeit am Periodenanfang und -ende dieselben sind jedoch mit entgegengesetztem Vorzeichen der Bewegungsrichtung. Man erhält auf diese Weise einen bezüglich des Pendeins der

_n Last am Lastträger symmetrischen Bewegungsablauf, so daß sich am Intervallende derselbe Bewegungszustand einstellt wie am Intervallanfang. Hat die Last vor dem Beschleunigen oder Abbremsen ruhig am Lastträger gehangen, so wird sie demnach auch nach erfolgter Beschleunigung bzw. Abbremsung

,_ ruhig hängen. Unter "Beruhigen des Pendeins" wird demnach Ib

in diesem Zusammenhang verstanden, daß das während der positiven oder negativen Beschleunigung der Last zwangsläufig auftretende Pendeln am Ende des Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitintervalles beseitigt ist. Mit dieser jeweils ein- _- stufigen Beschleunigung am Anfang und Ende des Zeitintervalls erreicht man eine Verkürzung des Beschleunigungs- oder Abbremszeitintervalls gegenüber einer während dieses Intervalls konstanten Beschleunigung. Bei der Lösung gemäß DE-AS 11 72 413 kann durch entsprechende Erhöhung des Beschleunigegungsmaximalwertes die Länge des Zeitintervalls im GrenZ-fall bis auf die halbe Periode des von der hängenden Last gebildeten Pendels bei unbewegtem Lastträger verkürzt werden, es sei denn die vom Verfahrmotor während des Zeitintervalls aufzubringende Zugkraft übersteigt die maximale Zugkraft des Fahrmotors.

Die Aufgabe der Erfindung liegt demgegenüber darin, das Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitintervall bei vorgegebener maximaler Fahrmotorzugkraft weiter zu verkürzen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der vom Signalerzeuger erzeugte Signalverlauf einer zwischen den Beschleunigungsmaximalwerten und dem bzw. den ggf. umgekehrtes Vorzeichen annehmenden Beschleunigungsminimalwerten jeweils kontinuierlieh oder wenigstens in zwei Stufen monoton fallenden bzw. steigenden Lastträgerbeschleunigung entspricht. Hierbei macht sich die Erfindung die Erkenntnis zunutze, daß der von der Beschleunigung der Last herrührende Anteil an der vom Lastträgerverfahrmotor aufzubringenden Zugkraft von Null am Intervallanfang auf einen Maximalwert in der Intervallmitte kontinuierlich ansteigt und dann wieder hierzu symmetrisch abfällt. Bei konstanter Anfangsbeschleunigung gemäß der bekannten Lösung steigt demnach die aufzuwendende Zugkraft kontinuierlich an, um dann am Ende der Anfangsperiode mehr oder minder stark abzufallen und dann wieder bis zur Intervallmitte anzusteigen. Da bei der Erfindung der von der Lastträgerbeschleunigung herrührende Anteil an der gesamten Zugkraft kontinuierlich oder stufenweise abfällt, treten keine Zugkraftspitzen zwischen Intervallanfang und Intervallende mehr auf. Für den Fall, daß die Masse der Last wesentlich größer ist als die des Lastträgers, kann der Beschleunigungsminimalwert in der Intervallmitte auch im Vergleich zum Beschleunigungsmaximalwert umgekehrtes Vorzeichen annehmen, um eine Zugkraftspitze in diesem Bereich zu vermeiden. Aufgrund dieser Vergleichmäßigung der Zugkraft kann zum einen ein höherer Beschleunigungsanfangswert (= Beschleunigungsmaximalwert) gewählt werden; zum anderen wird auch noch zu späteren Zeitpunkten Beschleunigungs- bzw. Abbremsarbeit geleistet, so daß sich insgesamt eine spürbare Verkürzung des Beschleunigungsoder Abbremszeitintervalls bei vorgegebener maximaler Zugkraft ergibt. Auch kann das Zeitintervall unter den vorstehend angegebenem Grenzfall (halbe Periode) weiter verkürzt werden.

Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn der Signalverlauf einem im wesentlichen kosinusförmigen ein- oder mehrperiodischen Lastträgerbeschleunigungsverlauf entspricht mit konstanter Grundbeschleunigung. Ein derartiger Signalverlauf kann schnell und einfach ermittelt werden. Bei besonders kurzer Pendellänge ergeben sich kurze Intervallängen, um auch in diesem Falle keine zu hohen Beschleunigungsmaximalwerte zu erhalten, wird die Beschleunigung bzw. Abbrerr.sung der Last in mehreren aufeinanderfolgenden Perioden der Kosinusform vorgenommen.

Für eine vorbestimmte Pendellänge und eine vorbestimmte Differenz der Geschwindigkeiten vor und nach dem Abbremsen bzw. Beschleunigen steht eine Schar von Kosinuskurven für den Beschleunigungsverlauf zur Verfügung mit variierender Periodenlänge, Amplitude und Grundbeschleunigung, wovon man die den jeweiligen Bedingungen am besten entsprechende auswählen kann. Bei einem vorgegebenen Massenverhältnis von Last und Lastträger entspricht der Signalverlauf bevorzugt einer derart festgelegten Lastträgerbeschleunigung, daß die vom Lastträgerverfahrmotor während des Zeitintervalls zur Beschleunigung von Lastträger und Last aufzuwendende Zugkraft im wesentlichen konstant ist. Ein für diese Zugkraft ausgelegter Fahrmotor wird optimal ausgenützt. Auch ergibt sich im Falle vergleichsweise geringer Fahrwiderstände die Möglichkeit einer einfachen Motorsteuerung, nämlich die der Regelung nach konstantem Motordrehmoment.

Im Falle unterschiedlicher Lastmassen bei im wesentlichen konstanter Pendellänge wird vorgeschlagen, daß der vom Signalgeber" erzeugte Signalverlauf jeweils derselbe und derart festgelegt ist, daß die aufzuwendende Zugkraft bei der maximal aufzutretenden Lastmasse im wesentlichen konstant ist. Es ist daher lediglich ein einziger Signalverlauf festzulegen, ohne daß die Gefahr bestünde, daß bei irgendeiner der verwendeten Lastmassen die maximale Zugkraft überschritten wird.

— 7

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1A bis 1D den Verlauf der Bewegungsparameter bei konstanter Zugkraft, nämlich

Fig. 1A die Beschleunigung,

Fig. 1B die Geschwindigkeit,

Fig. 1C den Weg und

Fig. 1D die Zugkraft;

Fig. 2A eine Schar von kosinusfÖrmigen Lastträgerbeschleu-η igungskurven;

Fig. 2B eine stufenförmige Lastträgerbeschleunigungskurve; und

Fig. 3 eine stark vereinfachte Ansicht eines Lastträgers mit Last und gesteuertem Fahrmotor.

In den Fig. 1 und 2 ist mit t die Zeit und T bzw. T bis T das Beschleunigungszeitintervall angegeben; h_v ist die Last trägerbeschleunigung. Im nachfolgend beschriebenen Beispiel wird der Lastträger als Katze bezeichnet, was den Index K erklärt. Es kommen natürlich auch andere Lastträger in Frage, wie z.B. Ausleger. Dementsprechend bezeichnet der Index L die an der Katze an einem Seil oder dergl. hängende Last. Der in Fig. 1A mit b_T bezeichnete Parameter ist also die Lastbeschleunigung.

Fig. 1B zeigt die Geschwindigkeit v_v und v_ von Katze und

X\ J-J

Last während des Zeitintervalls T. In Fig. 1C ist der jeweilige momentan zurückgelegte horizontale Weg s und s von Katze bzw. Last angegeben. In Fig. 1D erkennt man

den zeitlichen Verlauf der vom Laufkatzenmotor zur Beschleu nigung von Katze und Last aufzuwendenden Zugkraft P.

Es läßt sich nachweisen, daß man einander Beziehung

b_T = C ' (1-cos6t)

gehorchenden Verlauf der Lastbeschleunigung (bzw. -verzögerung erhält (C ist eine Konstante) , wobei Katze und Last sowohl zum Zeitpunkt t=0 als auch zum Zeitpunkt

t = Τ=η·Τ =η·2ττ/β

senkrecht übereinanderstehen, wenn für die Katzbeschleuni- !5 gung b_K folgende Beziehung gilt:

Hierbei ist ν die Differenz der Geschwindigkeiten nach und vor dem Beschleunigen bzw. Abbremsen? 1 steht für die Pendellänge, g für die Erdbeschleunigung und η für eine ganze Zahl mit den Werten 1, 2, 3.... usw;T ist die Periode (Eigenschwingzeit des Pendels), für die folgende Beziehung gilt:

3/ 1

ΊγΝ . 1 . . 2

Hierin ist mit b_R (0) der Wert der Katzbeschleunigung zum Zeitpunkt t =0 bezeichnet, welcher gleich dem Beschleunigungsmaximalwert ist.
35

Aus dem Ausdruck für die Katzbeschleunigung b, läßt sich durch Integration die Katzgeschwindigkeit wie folgt ermitteln:

Eine weitere Integration ergibt folgende Beziehung für den Katzweg:
10

^SK

•M^ik-^-H^^M

Um einer Last eine bestimmte Geschwindigkeitsänderung aufzuprägen, ohne daß anschließend die Last weiterpendelt/ ist es also lediglich erforderlich die Bewegung der Katze durch Vorgabe eines der drei Bewegungsparameter b , ν oder

s_v (Gleichung A oder C oder D) unter Berücksichtigung der is.

Periode T (Gleichung B) zu steuern.

In der schematischen Darstellung gemäß Fig. 3 sind diese Parameter eingetragen. Man erkennt eine Last 10, die über ein Tragseil 12 der Länge 1 an einer Laufkatze 14 hängt. Diese ist längs einer horizontalen Schiene 16 verfahrbar, wobei sie von einem elektrischen Fahrmotor 18 angetrieben wird. Der Fahrmotor 18 wird von einer steuerbaren Energieversorgung 20 angetrieben, mit der er über strichpunktiert angedeutete Leitungen 22 verbunden ist. Die Energieversorgung 20 wird von einem Signalgeber 24 gesteuert, mit dem sie über Steuerlei-tungen 26 verbunden ist. Der Signalgeber 24 gibt das in Fig. 1A dargestellte Katzbeschleunigungssignal b„ vor, woraufhin die Energieversorgung 2 0 den Fahrmotor 18 derart elektrische Energie zuführt, daß dieser die Laufkatze 14 entsprechend beschleunigt. Da man bei einer derartigen Fahrmotorsteuerung häufig (z.B. bei den Stellmoto-

i. V

ren) von einem Lage-Istwert ausgeht und diesen Lage-Istwert entweder unmittelbar mit einem Lage-Sollwert vergleicht oder nach zeitlicher Differenzierung mit einem Geschwindigkeits-Sollwert vergleicht oder, wie im vorliegendem Falle,

c nach einer zweiten zeitlichen Differenzierung mit einem Beschleunigungs-Sollwert vergleicht, kann man der Bewegungsregelung der Laufkatze auch den Geschwindigkeitsverlauf v„ gemäß Fig. 1B bzw. den Laufweg s_v gemäß Fig. 1C zugrundelegen. Da die Pendelbewegung von der Lastmasse m, _n in erster Näherung unabhängig ist, kann für die vorkommenden unterschiedlichen Lastmassen in der Regel die gleiche Bewegungssollkurve (b_v oder v_v oder s_TJ vorgegeben werden.

Ja JS. J\

Bei bekannter Lastmasse besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit, die zum Beschleunigen von Katze und Last aufzuwendende Zugkraft P (d.h. Gesamtkraft abzüglich der zur Überwindung der Fahrwiderstände aufzuwendenden Kräfte) des Fahrmotors 18 gemäß der zugeordneten Kurve (Fig. 1D) zu steuern.

2Q Fig. 2A zeigt 6 Beschleunigungskurven b_R1 bis b _ß aus der einer bestimmten Pendellänge 1 und einer bestimmten Geschwindigkeitsdifferenz ν zugeordneten Kurvenschar mit n=1. Aus der Anfangsbeschleunigung b„.(0) ergibt sich gemäß vorstehender Gleichung B die Periode T sowie gemäß vorste-

r)c hender Gleichung A der Verlauf der Katzbeschleunigung b_T,.

AID J\\

Man erkennt, daß die Periode T in einem weiten Bereich variiert werden kann und damit das Zeitintervall Τ=η·Τ

(n=1 in Fig. 2). Die Beschleunigungskurve mit dem kürzesten Zeitintervall T₁ ist mit b_v1 bezeichnet, die nächstfolgen-

ι Ja I

3Q de mit dem Zeitintervall T mit b_K„ usw. bis b_K6, Ein Sonderfall ist die Kurve b^.. mit horizontalem Verlauf, die sich dann ergibt, wenn T=T =2*ir*l' —. Die Kurven b_K_ und

b_vC mit negativem Faktor vor der Kosinusfunktion in Gleichung Kb

A scheiden im Normalfalle aus, da diese zu einem unerwünschgg ten Spitzenwert der vom Fahrmotor 18 aufzubringenden Zugkraft in der Periodenmitte führen. Für die vom Fahrmotor aufzubringende Beschleunigungs-Zugkraft P gilt nämlich folgende Beziehung:

^{P =} ™L ' ^bL ⁺ ^ ' ^bK

Wie Fig. 1A zeigt, steigt die Lastbeschleunigung ausgehend von Null auf einen Maximalwert in der Periodenmitte, was nach Multiplikation mit der im allgemeinen die Katzmasse m_R übersteigenden Lastmasse m zu einem entsprechend hohen Zugkraftbeitrag in der Periodenmitte führt. Um eine entsprechende Zugkraftspitze in der Periodenmitte zu vermeiden, · wird durch entsprechende Wahl der Katzbeschleunigung b der von der Katze herrührende Anteil an der Zugkraft entsprechend reduziert und im dargestellten Beispiel sogar auf umgekehrtes Vorzeichen gebracht.

Man kann nun bei gegebenem Massenverhältnis iil^ : m gerade diejenige Katzbeschleunigungskurve aus der Kurvenschar auswählen, die zu konstanter Zugkraft P während der gesamten Periode führt. Es läßt sich zeigen, daß die mit P- bezeichnete konstante Zugkraft folgenden Wert annimmt:

2ττη!'

Für den Periodenanfangspunkt gilt:

P₀ = m_K . b_K (0),

woraus die Anfangsbeschleunigung b„(0) resultiert, die in die Gleichungen A und B einzusetzen ist, woraus sich die Kurvenform b_R gemäß Fig. 1A ergibt. Den Fig. 1A bis 1B liegen folgende Werte zugrunde:

1 =	24	,85 m,
b_K(0) =	1,	22 m/sec²,
^mL	=	1000 kg,
^mK		427 kg.
^VN	=	2 ^m/sec,

η = 1

Es ergibt sich eine Schwingungsperiode T von 5,47 see; die konstante Zugkraft P_Q beträgt 522 · 9,81 N. Soll für die vorgegebene Lastmasse von 1000 kg ein Fahrmotor mit optimal angepaßter maximaler Zugkraft gewählt werden, so ist dies ein Fahrmotor, der für eine Zugkraft von 522 · 9,81·Ν zuzüglich der zur Überwindung der Fahrwiderstände aufzubringenden Kraft ausgelegt ist. Der Fahrmotor kann dann über die gesamte Beschleunigung bzw. Abbremsstrecke mit im wesentlichen gleichem Antriebsmoment fahren.

Wird nun bei unveränderter Pendellänge 1 und Katzmasse m eine geringere Lastmasse m_T angehängt, so könnte für dieses neue Massenverhältnis wiederum diejenige Beschleunigungskurve b_T, aus der zugeordneten Kurvenschar ausgewählt werden, die zu konstanter Zugkraft P-. führt, was wiederum besonders gleichmäßigen Lauf der Katze zur Folge hätte. Der Einfachheit halber kann man jedoch auch in vielen Fällen die Beschleunigungskurve b^. unverändert beibehalten, was dann dazu führt, daß die Zugkraft P zur Periodenmitte hin abfällt. Dies ist in Fig. 1D mit einer strichpunktierten Linie dargestellt, für den Fall, daß die Lastmasse m nur-

mehr etwa 410 kg beträgt.

Mit abnehmender Pendellänge 1 nimmt auch die Periode T gemäß Gleichung B ab; dementsprechend wächst die Amplitude der Katzbeschleunigung b . Um weiterhin zu vermeiden, daß

die maximale Zugkraft überschritten wird, ist es zweckmäßig, das Beschleunigen bzw. Abbremsen während wenigstens zweier aufeinanderfolgender Perioden vorzunehmen, wobei dann η = 2 in die Gleichungen A und B einzusetzen wäre.

Die gesamte Beschleunigungs- oder Verzögerungszeit T ist das η-fache, -also das zweifache der Periode T gemäß Gleichung B mit η = 2 bzw. das etwa 1,586-fache der Periode T gemäß Gleichung B mit η = 1.

Näherungsweise kann anstelle eines kontinuierlichen Ver-

laufes der Katzbeschleunigung b„ auch ein stufenweiser Ver-

lauf der Steuerung des Fahrmotors 18 zugrundegelegt werden, wie dies durch die Kurve h_vn in Fig. 2B angedeutet ist. Man erkennt jeweils 3 Stufen links und rechts von der Intervallmitte T_/2, die zur Intervallmitte hin in gleicher Weise abfallen und zur Intervallmitte symmetrisch sind,

Vorstehend wurde anhand der Fig. 1A bis 1D zwar lediglich der Anfahrvorgang erläutert, bei dem die Lastgeschwindig-

2Q keit vom Werte 0 auf den Wert ν gebracht wird; es ist jedoch klar, daß der Abbremsvorgang in gleicher Weise vonstatten geht, wobei lediglich die Beschleunigungskurve b gemäß Fig. 1A jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen vom Signalgeber 24 der Motorsteuerung zugrundezulegen ist.

•^5 Um an einen definierten Lastabladepunkt zu gelangen, muß dementsprechend der Abbremsvorgang in einer Entfernung s_Q von diesem Punkt eingeleitet werden, die der in Fig. 1C eingezeichneten Anfahrbeschleunigungsstrecke s_ entspricht.

Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weictcm^nn; E>ij»L.j-PqtV?. Pr. K. Fincke Dipl.-Ing. R A.WeVck'mann,' Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska 22. März 1982 8000 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 9839 21/22 Hans Tax Potsdamerstraße 1a D-8000 München 40 Einrichtung an Hebezeugen für die selbsttätige Steuerung der Bewegung des Lastträgers mit Beruhigung des Pendeins der an ihm hängenden Last Patentansprüche

1. Einrichtung an Hebezeugen für die selbsttätige Steuerung der Bewegung des Lastträgers (14) mit Beruhigung des beim Beschleunigen oder Abbremsen der an ihm hängenden Last (10) auftretenden Pendeins der Last (10) während eines Beschleunigungs- bzw. Abbremszeitintervalls (T), umfassend einen Signalgeber (24) zur Abgabe von Lastträgerbewegungssteuerungssignalen zur Bewegungssteuerung eines Lastträgerverfahrmotors (18), insbesondere durch Vorgabe einer Lastträgerbeschleunigung (b_v), wobei der Signal-

verlauf einem zur Invervallmitte (^) symmetrischen Lastträgerbeschleunigungsverlauf (b,,) entspricht mit Beschleunigungsmaximalwerten (b_K(0)) am Intervallanfang und -ende und dazwischenliegenden kleineren, ggf. verschwindenden Beschleunigungsminimalwerten, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Signalgeber (24) erzeugte Signalverlauf einem zwischen den Beschleunigungsmaximalwerten (b_v(0)) und dem bzw. den ggf. umgekehrtes Vorzeichen annehmenden Beschleunigungsminimalwerten (b (T/2)) jeweils kontinuier-

tt β » · O β *

ft β P ft β Φρι»'

-2-

lieh oder in wenigstens zwei Stufen monoton fallenden bzw. steigenden Lastträgerbeschleunigung (b_T,) entspricht,

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverlauf einem im wesentlichen kosinusförmigen ein- oder mehrperiodischen Lastträgerbeschleunigungsverlauf (b_T.) entspricht mit konstanter Grundbeschleuniis.

gung.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalverlauf einer derart festgelegten Lastträgerbeschleunigung (b_T_) entspricht, daß die vom Lastträgerverfahrmotor (18) während des Zeitintervalls (T) zur Beschleunigung von Lastträger (14) und Last (10)

IQ aufzuwendende Zugkraft (P) im wesentlichen konstant ist (P₀).

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei im wesentlichen konstanter Pendellänge (L) für unterschiedliche Lastmassen (m ) der vom Signalgeber (24) erzeugte Signalverlauf jeweils derselbe und derart festgelegt ist, daß die aufzuwendende Zugkraft (P) bei der maximal aufzutretenden Lastmasse (m ) im wesentlichen

konstant ist (P_).