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WO2017178106A1 - Kran und verfahren zum steuern eines solchen krans - Google Patents

Kran und verfahren zum steuern eines solchen krans Download PDF

Info

Publication number
WO2017178106A1
WO2017178106A1 PCT/EP2017/000450 EP2017000450W WO2017178106A1 WO 2017178106 A1 WO2017178106 A1 WO 2017178106A1 EP 2017000450 W EP2017000450 W EP 2017000450W WO 2017178106 A1 WO2017178106 A1 WO 2017178106A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
crane
drive
movements
deformations
load
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/000450
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael PALBERG
Jürgen Resch
Oliver Fenker
Original Assignee
Liebherr-Components Biberach Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Liebherr-Components Biberach Gmbh filed Critical Liebherr-Components Biberach Gmbh
Priority to BR112018068971A priority Critical patent/BR112018068971A2/pt
Priority to RU2018139354A priority patent/RU2728315C2/ru
Priority to CN201780021862.4A priority patent/CN108883913B/zh
Priority to EP17721521.7A priority patent/EP3408208B1/de
Priority to US16/092,550 priority patent/US11919749B2/en
Priority to ES17721521T priority patent/ES2901160T3/es
Publication of WO2017178106A1 publication Critical patent/WO2017178106A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C13/00—Other constructional features or details
    • B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/06—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
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    • B66C13/04—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack
    • B66C13/06—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B66—HOISTING; LIFTING; HAULING
    • B66C—CRANES; LOAD-ENGAGING ELEMENTS OR DEVICES FOR CRANES, CAPSTANS, WINCHES, OR TACKLES
    • B66C23/00—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes
    • B66C23/16—Cranes comprising essentially a beam, boom, or triangular structure acting as a cantilever and mounted for translatory of swinging movements in vertical or horizontal planes or a combination of such movements, e.g. jib-cranes, derricks, tower cranes with jibs supported by columns, e.g. towers having their lower end mounted for slewing movements

Definitions

  • the present invention relates to a crane, in particular a tower crane, with a lifting device attached to a hoist, drive means for moving a plurality of crane elements and methods of lifting device, a control device for controlling the drive means such that the load receiving means moves along a travel path, as well as a pendulum damping device for damping of pendulum movements of the load-receiving means, said pendulum damping means comprises a control module for influencing the control of the drive means in dependence of pendulum-relevant criteria.
  • the invention further relates to a method for controlling a crane, in which the control of the drive means is influenced by a pendulum damping device as a function of pendulum-relevant parameters
  • various drive devices In order to be able to move the load hook of a crane along a travel path or between two target points, various drive devices usually have to be actuated and controlled.
  • a tower crane in which the hoist rope runs off a trolley, which is movable on the boom of the crane, usually the slewing, by means of which the tower with the on it provided cantilever or the boom are rotated relative to the tower about an upright axis of rotation, and the cat drive, by means of which the trolley can be moved along the boom, and the hoist, by means of which the hoist rope adjusted and thus the load hook can be raised and lowered, each actuated and controlled.
  • the said drive means are usually operated and controlled by the crane operator via appropriate controls such as in the form of joysticks, toggle switches, knobs and sliders and the like, which experience has required a lot of feeling and experience to approach the target points quickly yet gently without major oscillations of the load hook , While driving between the target points as quickly as possible in order to achieve a high performance, should be stopped gently at the respective target point, without the load hook nachpendelt with the load on it.
  • Such pendulum damping devices for cranes are known in various designs, for example by controlling the slewing, rocker and trolley drives in response to certain sensor signals, such as inclination and / or gyroscope signals.
  • sensor signals such as inclination and / or gyroscope signals.
  • the documents DE 20 2008 018 260 U1 or DE 10 2009 032 270 A1 show known load pendulum damping on cranes, to the object of which in this respect, that is to say with regard to the principles of the pendulum damping device, is expressly referred to.
  • the cable angle is measured relative to the vertical and its change in the form of the cable angular velocity by means of a gyroscope unit, in order to automatically intervene in the control when a limit value for the cable angular velocity with respect to the vertical is exceeded.
  • Cycoptronic a load oscillation damping system for maritime cranes, which calculates load movements and influences such as wind in advance and automatically initiates compensatory movements on the basis of this prediction, in order to avoid a swinging of the load detected in this system by means of gyroscopes, the cable angle relative to the vertical and its changes to intervene in dependence of the gyroscope signals in the control.
  • dynamic effects in the structural parts can lead to delays in the transmission to the hoisting rope and the load hook when drives are operated in a pendulum-damping manner.
  • the dynamic effects mentioned can also have excessive or even counterproductive effects on a load pendulum. If, for example, a load initially oscillates too quickly by actuating the trolley drive backwards towards the tower and counteracts the pendulum damping device by delaying the trolley drive, the boom may tilt as the tower deforms correspondingly, thereby impairing the desired pendulum damping effect can be.
  • the present invention has the object to provide an improved crane and an improved method for its control, avoid the disadvantages of the prior art and further develop the latter in an advantageous manner.
  • an improved pendulum damping in tower cranes to be achieved which takes better account of the manifold influences of the crane structure.
  • the pendulum damping device regards the crane as a soft structure which, in its steel components such as, for example, the tower grille, and in drive trains, has elasticities and subsequent elasticity. shows accelerations, and takes into account this dynamics of the structural parts of the crane in the pendulum-damping influence on the control of the drive devices.
  • the pendulum damping device comprises determining means for determining dynamic deformations and movements of structural components under dynamic loads, wherein the control module of the pendulum damping device, which influences the driving of the drive device in a pendulum-damping manner, is designed to influence the determined dynamic deformations of the structural components when influencing the actuation of the drive devices to consider the crane.
  • the pendulum damping device does not consider the crane or machine structure as a rigid, so to speak infinitely stiff structure, but is based on elastically deformable and / or resilient and / or relatively soft structure, which - in addition to the Stellchisachsen the machine such as the Auslegerwippachse or Tower axis - Movements and / or position changes due to deformation of the structural components allows.
  • the vibration dynamics of the structural components is reduced by the control behavior of the control device.
  • the vibration is actively dampened by the driving behavior or not excited by the control behavior.
  • the influence of the driving behavior can be defined by this method.
  • the aforementioned elastic deformations and movements of the structural components and drive trains and the resulting self-motions can basically be determined in various ways.
  • the said determination means may comprise an estimation device which determines the deformations and movements of the machine structure under dynamic loads which depend on control commands entered at the control station and / or in response to certain drive actions of the drive devices and / or in dependence Speed and / or acceleration profiles of the drive devices result, estimated taking into account conditions characterizing the crane structure.
  • Such an estimation device can, for example, access a data model in which structural variables of the crane such as tower height, boom length, stiffness, area moment of inertia and the like are stored and / or linked together, and then based on a specific load situation, ie weight of the load recorded on the load hook and instantaneous overhang to estimate which dynamic effects, ie deformations in steel construction and in the propulsion gene for a specific operation of a drive device result.
  • the pendulum damping device can then intervene in the control of the drive means and influence the manipulated variables of the drive controller of the drive means to avoid or reduce oscillations of the load hook and the hoisting rope.
  • the determination device for determining such structural deformations can have a calculation unit which calculates these structural deformations and resulting structural part movements on the basis of a stored calculation model as a function of the control commands entered at the control station.
  • a model can be constructed similar to a finite element model or be a finite element model, but advantageously a model that is significantly simplified compared to a finite element model is used, for example empirically by detecting structural deformations under certain control commands and / or load conditions on the real crane or the real machine can be determined.
  • Such a calculation model can, for example, work with tables in which specific deformations are assigned to specific control commands, wherein intermediate values of the control commands can be converted into corresponding deformations by means of an interpolation device.
  • the pendulum damping device can also comprise a suitable sensor system by means of which such elastic deformations and movements of structural components under dynamic loads are detected.
  • sensors may include, for example, deformation sensors such as strain gauges on the steel structure of the crane, for example the trellises of the tower and / or the jib.
  • acceleration and / or speed sensors can be provided to detect certain movements of structural components, such as, for example, pitch movements of the cantilever tip and / or rotational dynamics. mike effects on the boom to capture.
  • inclination sensors or gyroscopes can also be provided, for example, on the tower, in particular on its upper section on which the arm is mounted, in order to detect the dynamics of the tower.
  • jerky strokes lead to pitching movements of the boom, which are accompanied by bending movements of the tower, wherein a ringing of the tower in turn leads to pitching oscillations of the boom, which is associated with corresponding load hook movements.
  • motion and / or acceleration sensors can also be assigned to the drive trains in order to be able to detect the dynamics of the drive trains.
  • the pulleys of the trolley for the hoist rope and / or pulleys for a guy rope of a luffing jib to be assigned rotary encoder to capture the actual rope speed at the relevant point can.
  • the drive devices themselves are also assigned suitable motion and / or speed and / or acceleration sensors in order to appropriately detect the drive movements of the drive devices and to be able to set them in connection with the estimated and / or detected deformations of the structural components such as the steel structure and in the drive trains ,
  • the pendulum damping device in a further development of the invention comprise a filter device or an observer who observes the crane reactions that adjust for certain manipulated variables of the drive controller and taking into account predetermined regularities of a dynamic model of the crane, which can be basically different and by analysis and simulation can be obtained from the steel structure, influenced by the observed crane reactions, the manipulated variables of the controller.
  • Such a filter or observer device can be designed in particular in the form of a so-called Kalman filter, to which the manipulated variables of the drive controllers of the crane and the crane movements, in particular the Load hook movement, in particular their pendulum motion, is supplied and of these input variables based on Kalman equations that model the dynamic system of the crane structure, in particular its steel components and drive trains, the manipulated variables of the drive controller influenced accordingly to achieve the desired pendulum damping effect.
  • Kalman filter to which the manipulated variables of the drive controllers of the crane and the crane movements, in particular the Load hook movement, in particular their pendulum motion
  • the position of the load hook in particular its diagonal pull relative to the vertical, that is to say the deflection of the hoisting cable relative to the vertical, is detected and supplied to said Kalman filter.
  • the detection device for the position detection of the load hook can advantageously comprise an imaging sensor, for example a camera, which looks down substantially vertically from the suspension point of the hoisting cable, for example the trolley.
  • An image evaluation device can identify the crane hook in the image provided by the imaging sensor and determine its eccentricity or its displacement out of the image center, which is a measure of the deflection of the crane hook relative to the vertical and thus characterizes the load oscillation.
  • the position sensor can be configured to detect the load relative to a fixed world coordinate system and / or the displacement control device be designed to position the load relative to a fixed world coordinate system.
  • the pendulum damping device can be designed to correct the slewing and the trolley so that the rope is always possible in vertical perpendicular to the load, even if the crane by the increasing Load torque tends more and more forward.
  • the pitching motion of the crane due to its deformation under the load may be taken into account and the trolley under consideration the detected load position so nachinate or positioned under predictive estimation of pitch deformation so that the hoist rope is in the resulting crane deformation in the vertical Lot on the load.
  • the slewing gear can also be traced under consideration of the detected load position and / or be positioned under forward-looking estimation of a transverse deformation in such a way that the hoist rope is in vertical perpendicular above the load during the resulting crane deformation.
  • Such a diagonal tension control can be reactivated by the operator at a later time, who can thereby use the crane as a manipulator.
  • this can reposition the load only by pushing and / or pulling.
  • the skew control tries to follow the deflection caused by the operator.
  • a manipulator control can be realized.
  • Said pendulum damping device can monitor the input commands of the crane operator by manual operation of the crane by operating appropriate controls such as joysticks and override if necessary, especially in the sense that the crane operator, for example, too much predetermined accelerations are reduced or countermovements are automatically initiated when a crane movement predetermined by the crane operator has led or would lead to a swinging of the load hook.
  • the pendulum damping device can also be used in an automated operation of the crane, in which the control device of the crane in the sense of an autopilot, the load handling means of the crane automatically moves between at least two target points along a travel path.
  • the control device of the crane in the sense of an autopilot, the load handling means of the crane automatically moves between at least two target points along a travel path.
  • the shuttle damping device can engage in the control of the drive controller by said Verfahr horrmodul to move the crane hook pendulum-free or to dampen oscillations.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a tower crane, in which the hook position and a rope angle relative to the vertical is detected by an imaging sensor, and in which a pendulum damping device influences the control of the drive means to prevent oscillations of the load hook and the hoist rope,
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a Kalman filter of the pendulum damping device and the influencing of the actuating variables of the drive controllers by the latter;
  • Fig. 3 a schematic representation of deformations and vibration modes of a tower crane under load and their damping or avoidance by a Hägzugquelung
  • the partial view a.) Shows a pitch deformation of the Turmdehkrans under load and an associated diagonal pull of the hoisting rope
  • the partial views b. ) and c.) show a transverse deformation of the tower crane in a perspective view and in plan view from above
  • the partial views d.) and e.) Show an associated with such transverse deformations diagonal pull of the hoisting rope.
  • the crane may be formed as a tower crane.
  • the tower crane shown in Fig. 1 for example, in a conventional manner, a tower 201 having a cantilever 202 which is supported by a counter-jib 203 is balanced, on which a counterweight 204 is provided.
  • Said boom 202 can be rotated together with the counter-arm 203 about an upright pivot axis 205, which may be coaxial with the tower axis, by a slewing gear.
  • a trolley 206 can be moved by a cat drive, wherein from the trolley 206, a hoist rope 207 runs, to which a load hook 208 is attached.
  • the crane 2 can have an electronic control device 3 which, for example, can comprise a control computer arranged on the crane itself.
  • Said control device 3 can in this case control various actuators, hydraulic circuits, electric motors, drive devices and other working units on the respective construction machine. This can, for example, in the crane shown its hoist, the slewing gear, the cat drive, whose -ggf. existing - boom rocker drive or the like.
  • Said electronic control device 3 can in this case communicate with a terminal 4, which can be arranged on the control station or in the driver's cab and, for example, in the form of a tablet with touch screen and / or joysticks, knobs, sliding switches and similar controls may have, so on the one hand different Information from the control computer 3 displayed on the terminal 4 and vice versa control commands via the terminal 4 in the control device 3 can be entered.
  • a terminal 4 can be arranged on the control station or in the driver's cab and, for example, in the form of a tablet with touch screen and / or joysticks, knobs, sliding switches and similar controls may have, so on the one hand different Information from the control computer 3 displayed on the terminal 4 and vice versa control commands via the terminal 4 in the control device 3 can be entered.
  • the said control device 3 of the crane 1 can in particular be designed to actuate the said drive devices of the hoisting gear, the trolley and the slewing gear even if a pendulum damping device 340 detects pendulum-relevant movement parameters.
  • the crane 1 may have a detection device 60, which is a diagonal pull of the hoist rope 207 and / or deflections of the load hook 208 with respect to a vertical 61, which is defined by the suspension point of the load hook 208, ie the trolley 206 goes detected.
  • the cable angle ⁇ against the gravity line, ie the vertical 62 can be detected, see. Fig. 1.
  • the determination means 62 of the detection device 60 can, for example, operate optically in order to determine the said deflection.
  • a camera 63 or another imaging sensor can be attached to the trolley 206, which looks downwards vertically from the trolley 206, so that when the load hook 208 is undeflected, its image reproduction lies in the center of the image provided by the camera 63. If, however, the load hook 208 is deflected relative to the vertical 61, for example due to jerky starting of the trolley 206 or abrupt braking of the slewing gear, the image reproduction of the load hook 208 moves out of the center of the camera image, which can be determined by an image evaluation device 64.
  • control device 3 can control the slew drive and the trolley drive with the aid of the pendulum damping device 340 to bring the trolley 206 more or less precisely over the load hook 208 again and compensate oscillations, bz. To reduce or not to let occur.
  • the pendulum damping device 430 comprises determining means 342 for determining dynamic deformations of structural components, wherein the control module 341 of the pendulum damping device 340, which influences the driving of the drive means pendelock damping, is designed to influence the specific dynamic deformations of the structural components of the crane when influencing the control of the drive means consider.
  • the determination means 342 may comprise an estimation means 343 which determines the deformations and movements of the machine structure under dynamic loads, which depend on control commands entered at the control station and / or in dependence on certain control actions of the control system.
  • a calculation unit 348 can calculate the structural deformations and resulting structural part movements on the basis of a stored calculation model as a function of the control commands entered at the control station.
  • the pendulum damping device 340 may also include a suitable sensor 344, by means of which such elastic deformations and movements of structural components are detected under dynamic loads.
  • a sensor 344 may include, for example deformation sensors such as strain gauges on the steel structure of the crane, for example, the grid frameworks of the tower 201 or the boom 202.
  • acceleration and / or speed sensors may be provided to detect certain movements of structural components, such as jib tip pitch pitch motions or rotational dynamics effects on the boom 202.
  • tilt sensors or gyroscopes for example, on the tower 201, in particular on its upper portion on which the boom is mounted, be provided to detect the dynamics of the tower 201.
  • motion and / or acceleration sensors can also be assigned to the drive trains in order to be able to detect the dynamics of the drive trains.
  • the pulleys of the trolley 206 for the hoist rope and / or pulleys for a guy rope of a luffing jib can be assigned rotary encoder to detect the actual rope speed at the relevant point can.
  • pendulum damping device 340 has a filter device or an observer 345, which observes the crane reactions which occur at certain control variables of the drive controllers 347 and taking into account predetermined regularities of a dynamics model of the crane, which can basically be designed differently and by analysis and simulation of Steel structure can be obtained, based on the observed crane reactions influenced the manipulated variables of the controller.
  • Such a filter or observer device 345b may be designed in particular in the form of a so-called Kalman filter 346, to which the manipulated variables of the drive controllers 347 of the crane and the crane movements, in particular the cable pull angle ⁇ with respect to the vertical 62 and / or its time change or the Angular velocity of the said Schrägzugs, supplied and from these input variables based on Kalman equations that model the dynamic system of the crane structure, in particular its steel components and drive trains, the manipulated variables of the drive controller 347 influenced accordingly to achieve the desired pendulum damping effect.
  • Kalman filter 346 to which the manipulated variables of the drive controllers 347 of the crane and the crane movements, in particular the cable pull angle ⁇ with respect to the vertical 62 and / or its time change or the Angular velocity of the said Schrägzugs, supplied and from these input variables based on Kalman equations that model the dynamic system of the crane structure, in particular its steel components and drive trains, the manipulated variables of the drive controller 347 influenced
  • First shows schematically a pitch deformation of the tower elbow under load as a result of bending of the tower 201 with the concomitant lowering of the boom 202 and an associated diagonal pull of the hoisting rope,.
  • the partial views b.) And c.) Of FIG. 3 exemplarily show in a schematic manner a transverse deformation of the tower crane in a perspective view as well as in a plan view from above with the occurring deformations of the tower 201 and the boom 202.
  • FIG. 3 shows, in its partial views d.) And e.), An oblique pull of the hoist cable associated with such transverse deformations.
  • the pendulum damping device 430 may comprise a diagonal tension control.
  • the position of the load hook 208 in particular also its diagonal pull relative to the vertical, that is to say the deflection of the hoisting cable 207 relative to the vertical and supplied to said Kalman filter 346.
  • the position sensor system can be designed to detect the load or the load hook 208 relative to a fixed world coordinate system and / or the pendulum damping device 430 can be designed to position the load relative to a fixed world coordinate system.
  • the pendulum damping device 430 may be configured to correct the slewing gear and the trolley so that the rope as possible in the vertical perpendicular to the load, even if the crane by the Increasing load torque tilts more and more forward.
  • the pitching motion of the crane due to its deformation under the load can be considered and the trolley can be tracked, taking into account the detected load position, or positioned under foresighted estimation of pitch deflection such that the hoist rope is vertical in resulting crane deformation Lot stands over the load.
  • the largest static deformation occurs at the point where the load leaves the ground. Then no diagonal tension control is necessary.
  • the slewing gear can also be traced under consideration of the detected load position and / or be positioned under forward-looking estimation of a transverse deformation in such a way that the hoist rope is in vertical perpendicular above the load during the resulting crane deformation.
  • Such a diagonal tension control can be reactivated by the operator at a later time, who can thereby use the crane as a manipulator.
  • the latter can only postpone the load by pushing and / or pulling. kidney.
  • the oblique tension control attempts to follow the deflection caused by the operator. As a result, a manipulator control can be realized.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control And Safety Of Cranes (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kran (2), insbesondere einen Turmdrehkran, mit einem an einem Hubseil (207) angebrachten Lastaufnahmemittel (208), Antriebseinrichtungen zum Bewegen mehrerer Kranelemente und Verfahren des Lastaufnahmemittels, einer Steuervorrichtung (3) zum Steuern der Antriebseinrichtungen derart, dass das Lastaufnahmemittel entlang eines Verfahrwegs verfährt, sowie einer Pendeldämpfungseinrichtung (340) zum Dämpfen von Pendelbewegungen des Lastaufnahmemittels, wobei die genannte Pendeldämpfungseinrichtung einen Steuerbaustein (341) zum Beeinflussen der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit von der eigentlichen Pendelbewegung des Seils und den Verformungen und/oder Bewegungen der Strukturbauteile infolge dynamischer Belastungen.

Description

Kran und Verfahren zum Steuern eines solchen Krans
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kran, insbesondere einen Turmdrehkran, mit einem an einem Hubseil angebrachten Lastaufnahmemittel, Antriebseinrichtungen zum Bewegen mehrerer Kranelemente und Verfahren des Lastaufnahmemittels, einer Steuervorrichtung zum Steuern der Antriebseinrichtungen derart, dass das Lastaufnahmemittel entlang eines Verfahrwegs verfährt, sowie einer Pendeldämpfungseinrichtung zum Dämpfen von Pendelbewegungen des Lastaufnahmemittels, wobei die genannte Pendeldämpfungseinrichtung einen Steuerbaustein zum Beeinflussen der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit von pendelrelevanten Kriterien aufweist. Die Erfindung betrifft ferner auch ein Verfahren zum Steuern eines Krans, bei dem die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen von einer Pendeldämpfungseinrichtung in Abhängigkeit von pendelrelevanten Parametern beeinflusst wird
Um den Lasthaken eines Krans entlang eines Verfahrwegs bzw. zwischen zwei Zielpunkten verfahren zu können, müssen üblicherweise diverse Antriebseinrichtungen betätigt und gesteuert werden. Beispielsweise bei einem Turmdrehkran, bei dem das Hubseil von einer Laufkatze abläuft, die am Ausleger des Krans verfahrbar ist, muss üblicherweise das Drehwerk, mittels dessen der Turm mit dem darauf vorgesehenen Ausleger bzw. der Ausleger relativ zum Turm um eine aufrechte Drehachse verdreht werden, sowie der Katzantrieb, mittels dessen die Laufkatze entlang des Auslegers verfahren werden kann, und das Hubwerk, mittels dessen das Hubseil verstellt und damit der Lasthaken angehoben und abgesenkt werden kann, jeweils betätigt und gesteuert werden. Die genannten Antriebseinrichtungen werden hierbei üblicherweise vom Kranführer über entsprechende Bedienelemente wie beispielsweise in Form von Joysticks, Kippschaltern, Drehknöpfen und Schiebern und dergleichen betätigt und gesteuert, was erfahrungsgemäß viel Gefühl und Erfahrung benötigt, um die Zielpunkte rasch und dennoch sanft ohne größere Pendelbewegungen des Lasthakens anzufahren. Während zwischen den Zielpunkten möglichst rasch gefahren werden soll, um eine hohe Arbeitsleistung zu erzielen, soll am jeweiligen Zielpunkt sanft angehalten werden, ohne dass der Lasthaken mit der daran angeschlagenen Last nachpendelt.
Ein solches Steuern der Antriebseinrichtungen eines Krans ist angesichts der erforderlichen Konzentration für den Kranführer ermüdend, zumal oft immer wiederkehrende Verfahrwege und monotone Aufgaben zu erledigen sind, beispielsweise wenn beim Betonieren ein am Kranhaken aufgenommener Betonkübel vielfach zwischen einem Betonmischer, an dem der Betonkübel befüllt wird, und einem Betonbereich, in dem der Betonkübel entleert wird, hin und her verfahren werden muss. Zum anderen kommt es bei nachlassender Konzentration oder auch bei einer nicht ausreichenden Erfahrung mit dem jeweiligen Krantyp zu größeren Pendelbewegungen der aufgenommenen Last und damit zu einem entsprechenden Gefährdungspotenzial, wenn der Kranführer die Bedienhebel bzw. -elemente des Krans nicht feinfühlig genug bedient.
Um der Problematik unerwünschter Pendelbewegungen zu begegnen, wurde bereits vorgeschlagen, die Steuervorrichtung des Krans mit Pendeldämpfeinrichtungen zu versehen, die mittels Steuerungsbausteinen in die Steuerung eingreifen und das Ansteuern der Antriebseinrichtungen beeinflussen, beispielsweise zu große Beschleunigungen einer Antriebseinrichtung durch zu schnelles oder zu starkes Betätigen des Bedienhebels verhindern oder abschwächen oder bestimmte Ver- fahrgeschwindigkeiten bei größeren Lasten beschränken oder in ähnlicher Weise in die Verfahrbewegungen eingreifen, um ein zu starkes Pendeln des Lasthakens zu verhindern.
Solche Pendeldämpfungseinrichtungen für Krane sind in verschiedenen Ausführungen bekannt, beispielsweise durch Ansteuerung der Drehwerk-, Wipp- und Laufkatzenantriebe in Abhängigkeit von bestimmten Sensorsignalen, beispielsweise Neigungs- und/oder Gyroskopsignalen. Beispielsweise zeigen die Schriften DE 20 2008 018 260 U1 oder DE 10 2009 032 270 A1 bekannte Lastpendeldämpfungen an Kranen, auf deren Gegenstand insoweit, das heißt hinsichtlich der Grundlagen der Pendeldämpfungseinrichtung, ausdrücklich Bezug genommen wird. Bei der DE 20 2008 018 206 U1 wird beispielsweise mittels einer Gyroskopeinheit der Seilwinkel relativ zur Vertikalen und dessen Änderung in Form der Seilwinkelgeschwindigkeit gemessen, um bei Überschreiten eines Grenzwerts für die Seilwinkelgeschwindigkeit gegenüber der Vertikalen automatisch in die Steuerung einzugreifen.
Ferner ist von der Firma Liebherr unter dem Namen„Cycoptronic" ein Lastpendel- dämpfungssystem für maritime Krane bekannt, welches Lastbewegungen und Einflüsse wie Wind im Voraus berechnet und auf Basis dieser Vorausberechnung automatisch Kompensationsbewegungen einleitet, um ein Schwingen der Last zu vermeiden. Konkret werden auch bei diesem System mittels Gyroskopen der Seilwinkel gegenüber der Vertikalen und dessen Änderungen erfasst, um in Abhängigkeit der Gyroskopsignale in die Steuerung einzugreifen.
Bei langen, schlanken Kranstrukturen mit ambitionierter Traglastauslegung, wie dies inbesondere bei Turmdrehkranen der Fall ist, ist es mit herkömmlichen Pendeldämpfungseinrichtungen jedoch bisweilen schwierig, in der richtigen Art und Weise in die Ansteuerung der Antriebe einzugreifen, um die gewünschte, pendeldämpfende Wirkung zu erzielen. Hierbei kommt es im Bereich der Strukturteile, insbesondere des Turms zu dynamischen Effekten und elastischem Verformen der Strukturteile, wenn ein Antrieb beschleunigt oder abgebremst wird, sodass sich Eingriffe in die Antriebseinrichtungen - beispielsweise Abbremsen oder Beschleunigen des Katzantriebs oder des Drehwerks - nicht direkt in der gewünschten Weise auf die Pendelbewegung des Lasthakens auswirken. Zum einen kann es durch dynamische Wirkungen in den Strukturteilen zu Zeitverzögerungen bei der Übertragung auf das Hubseil und den Lasthaken kommen, wenn Antriebe pendeldämpfend betätigt werden. Zum anderen können die genannten dynamischen Effekte auch übermäßige oder sogar kontraproduktive Auswirkungen auf ein Lastpendel haben. Wenn beispielsweise eine Last durch zunächst zu schnelles Betätigen des Laufkatzantriebs nach hinten zum Turm hin pendelt und die Pendeldämpfungseinrichtung gegensteuert, indem der Katzantrieb verzögert wird, kann es zu einer Nickbewegungen des Auslegers kommen, da sich der Turm entsprechend verformt, wodurch die gewünschte pendeldämpfende Wirkung beeinträchtigt werden kann.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kran sowie ein verbessertes Verfahren zu dessen Steuerung zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und letzteren in vorteilhafter Weise weiterbilden. Insbesondere soll eine verbesserte Pendeldämpfung bei Turmdrehkranen erzielt werden, die die mannigfachen Einflüsse der Kranstruktur besser berücksichtigt.
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch einen Kran gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird also vorgeschlagen, bei den pendeldämpfenden Maßnahmen nicht nur die eigentliche Pendelbewegung des Seils an sich zu berücksichtigen, sondern auch die Dynamik des Stahlbaus des Krans und dessen Antriebsstränge. Der Kran wird nicht mehr als unbeweglicher Starrkörper angenommen, der Antriebsbewegungen der Antriebseinrichtungen unmittelbar und identisch, d.h. 1 :1 in Bewegungen des Aufhängungspunktes des Hubseils umsetzt. Stattdessen betrachtet die Pendeldämpfungseinrichtung den Kran als weiche Struktur, die in ihren Stahlbauteilen wie beispielsweise dem Turmgitter, und in Antriebssträngen Elastizitäten und Nachgie- bigkeiten bei Beschleunigungen zeigt, und berücksichtigt diese Dynamik der Strukturteile des Krans bei der pendeldämpfenden Beeinflussung der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen.
Erfindungsgemäß umfasst die Pendeldämpfungseinrichtung Bestimmungsmittel zum Bestimmen von dynamischen Verformungen und Bewegungen von Strukturbauteilen unter dynamischen Lasten, wobei der Steuerbaustein der Pendeldämpfungseinrichtung, der das Ansteuern der Antriebseinrichtung pendeldämpfend be- einflusst, dazu ausgebildet ist, beim Beeinflussen der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen die bestimmten dynamischen Verformungen der Strukturbauteile des Krans zu berücksichtigen.
Die Pendeldämpfungseinrichtung betrachtet also die Kran- bzw. Maschinenstruktur nicht als starre, sozusagen unendlich steife Struktur, sondern geht von elastisch verformbaren und/oder nachgiebigen und/oder relativ weichen Struktur aus, die - zusätzlich zu den Stellbewegungsachsen der Maschine wie beispielsweise der Auslegerwippachse oder der Turmdrehachse - Bewegungen und/oder Positionsänderungen durch Verformungen der Strukturbauteile zulässt.
Die Berücksichtigung der Beweglichkeit der Maschinenstruktur infolge von Strukturverformungen unter Last oder dynamischen Belastungen ist gerade bei langgestreckten, schlanken und von den statischen und dynamischen Randbedingungen her bewusst - unter Berücksichtigung der notwendigen Sicherheiten - ausgereizten Strukturen wie bei Turmdrehkranen von Bedeutung, da hier spürbare Bewegungsanteile beispielsweise für den Ausleger und damit die Lasthakenposition durch die Verformungen der Strukturbauteile hinzukommen. Um die Pendelursachen besser bekämpfen zu können, berücksichtigt die Pendeldämpfung solche Verformungen und Bewegungen der Maschinenstruktur unter dynamischen Belastungen.
Hierdurch können beträchtliche Vorteile erreicht werden: Zunächst wird die Schwingungsdynamik der Strukturbauteile durch das Regelverhalten der Steuereinrichtung reduziert. Dabei wird durch das Fahrverhalten die Schwingung aktiv gedämpft bzw. durch das Regelverhalten erst gar nicht angeregt.
Ebenso wird der Stahlbau geschont und weniger beansprucht. Insbesondere Stoßbelastungen werden durch das Regelverhalten reduziert.
Ferner kann durch dieses Verfahren der Einfluss des Fahrverhaltens definiert werden.
Durch die Kenntnisse der Strukturdynamik und das Reglerverfahren kann insbesondere die Nickschwingung reduziert und gedämpft werden. Dadurch verhält sich die Last ruhiger und schwankt später in Ruhelage nicht mehr auf und ab.
Die vorgenannten elastischen Verformungen und Bewegungen der Strukturbauteile und Antriebsstränge und die sich hierdurch einstellenden Eigenbewegungen können grundsätzlich in verschiedener Art und Weise bestimmt werden. In Weiterbildung der Erfindung können die genannten Bestimmungsmittel eine Schätzeinrichtung umfassen, die die Verformungen und Bewegungen der Maschinenstruktur unter dynamischen Belastungen, die sich in Abhängigkeit von am Steuerstand einge- gegebenen Steuerbefehlen und/oder in Abhängigkeit von bestimmten Ansteueraktionen der Antriebseinrichtungen und/oder in Abhängigkeit bestimmter Geschwin- digkeits- und/oder Beschleunigungsprofile der Antriebseinrichtungen ergeben, unter Berücksichtigung von die Kranstruktur charakterisierenden Gegebenheiten abschätzt.
Eine solche Schätzeinrichtung kann beispielsweise auf ein Datenmodell zugreifen, in dem Strukturgrößen des Krans wie Turmhöhe, Auslegerlänge, Steifigkeiten, Flächenträgheitsmomente und ähnliches abgelegt und/oder miteinander verknüpft sind, um dann anhand einer konkreten Lastsituation, also Gewicht der am Lasthaken aufgenommenen Last und momentane Ausladung, abzuschätzen, welche dynamischen Effekte, das heißt Verformungen im Stahlbau und in den Antriebssträn- gen für eine bestimmte Betätigung einer Antriebseinrichtung ergeben. In Abhängigkeit einer solchermaßen geschätzten dynamischen Wirkung kann die Pendeldämpfungseinrichtung dann in die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen eingreifen und die Stellgrößen der Antriebsregler der Antriebseinrichtungen beeinflussen, um Pendelbewegungen des Lasthakens und des Hubseils zu vermeiden bzw. zu reduzieren.
Insbesondere kann die Bestimmungseinrichtung zur Bestimmung solcher Strukturverformungen eine Berechnungseinheit aufweisen, die diese Strukturverformungen und sich daraus ergebende Strukturteilbewegungen anhand eines gespeicherten Berechnungsmodells in Abhängigkeit der am Steuerstand eingegebenen Steuerbefehle berechnet. Ein solches Modell kann ähnlich einem Finite-Elemente-Modell aufgebaut sein oder ein Finite-Elemente-Modell sein, wobei vorteilhafterweise jedoch ein gegenüber einem Finite-Elemente-Modell deutlich vereinfachtes Modell verwendet wird, das beispielsweise empirisch durch Erfassung von Strukturverformungen unter bestimmten Steuerbefehlen und/oder Belastungszuständen am echten Kran bzw. der echten Maschine bestimmt werden kann. Ein solches Berechnungsmodell kann beispielsweise mit Tabellen arbeiten, in denen bestimmten Steuerbefehlen bestimmte Verformungen zugeordnet sind, wobei Zwischenwerte der Steuerbefehle mittels einer Interpolationsvorrichtung in entsprechende Verformungen umgerechnet werden können.
Alternativ oder zusätzlich zu einem Abschätzen oder Berechnen der elastischen Verformungen und dynamischen Bewegungen der Strukturbauteile kann die Pendeldämpfungseinrichtung auch eine geeignete Sensorik umfassen, mittels derer solche elastischen Verformungen und Bewegungen von Strukturbauteilen unter dynamischen Belastungen erfasst werden. Eine solche Sensorik kann beispielsweise Verformungssensoren wie Dehnungsmessstreifen am Stahlbau des Krans, beispielsweise den Gitterfachwerken des Turms und/oder des Auslegers umfassen. Alternativ oder zusätzlich können Beschleunigungs- und/oder Geschwindigkeitssensoren vorgesehen sein, um bestimmte Bewegungen von Strukturbauteilen wie beispielsweise Nickbewegungen der Auslegerspitze und/oder rotatorische Dyna- mikeffekte am Ausleger zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich können auch Neigungssensoren oder Gyroskope beispielsweise am Turm, insbesondere an dessen oberen Abschnitt, an dem der Ausleger gelagert ist, vorgesehen sein, um die Dynamik des Turms zu erfassen. Beispielsweise führen ruckartige Hubbewegungen zu Nickbewegungen des Auslegers, die mit Biegebewegungen des Turm einhergehen, wobei eine Nachschwingen des Turm wiederum zu Nickschwingungen des Auslegers führt, was mit entsprechenden Lasthakenbewegungen einhergeht. Alternativ oder zusätzlich können auch den Antriebssträngen Bewegungs- und/oder Beschleunigungssensoren zugeordnet sein, um die Dynamik der Antriebsstränge erfassen zu können. Beispielsweise können den Umlenkrollen der Laufkatze für das Hubseil und/oder Umlenkrollen für ein Abspannseil eines Wippauslegers Drehgeber zugeordnet sein, um die tatsächliche Seilgeschwindigkeit am relevanten Punkt erfassen zu können.
Vorteilhafterweise sind auch den Antriebseinrichtungen selbst geeignete Bewegungs- und/oder Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungssensoren zugeordnet, um die Antriebsbewegungen der Antriebseinrichtungen entsprechend erfassen und in Zusammenhang mit den abgeschätzten und/oder erfassten Verformungen der Strukturbauteile wie des Stahlbaus und in den Antriebssträngen setzen zu können.
Insbesondere kann die Pendeldämpfungseinrichtung in Weiterbildung der Erfindung eine Filtereinrichtung bzw. einen Beobachter umfassen, der die Kranreaktionen beobachtet, die sich bei bestimmten Stellgrößen der Antriebsregler einstellen und unter Berücksichtigung vorbestimmter Gesetzmäßigkeiten eines Dynamikmodells des Krans, das grundsätzlich verschieden beschaffen sein kann und durch Analyse und Simulation des Stahlbaus gewonnen werden kann, anhand der beobachteten Kranreaktionen die Stellgrößen des Reglers beeinflusst.
Eine solche Filter- bzw. Beobachtereinrichtung kann insbesondere in Form eines sogenannten Kaimanfilters ausgebildet sein, dem als Eingangsgröße die Stellgrößen der Antriebsregler des Krans und die Kranbewegungen, insbesondere die Lasthakenbewegung, insbesondere deren Pendelbewegung, zugeführt wird und der aus diesen Eingangsgrößen anhand von Kaiman-Gleichungen, die das Dynamiksystem der Kranstruktur, insbesondere dessen Stahlbauteile und Antriebsstränge, modellieren, die Stellgrößen der Antriebsregler entsprechend beeinflusst, um die gewünschte pendeldämpfende Wirkung zu erzielen.
Insbesondere wird mittels einer geeigneten Sensorik die Position des Lasthakens, insbesondere auch dessen Schrägzug gegenüber der Vertikalen, das heißt die Auslenkung des Hubseils gegenüber der Vertikalen erfasst und dem genannten Kaimanfilter zugeführt. Die Erfassungseinrichtung für die Positionserfassung des Lasthakens kann vorteilhafterweise eine bildgebende Sensorik, beispielsweise eine Kamera umfassen, die vom Aufhängungspunkt des Hubseils, beispielsweise der Laufkatze, im Wesentlichen senkrecht nach unten blickt. Eine Bildauswerteeinrichtung kann in dem von der bildgebenden Sensorik bereitgestellten Bild den Kranhaken identifizieren und dessen Exzentrizität bzw. dessen Verschiebung aus dem Bildzentrum heraus bestimmen, welche ein Maß für die Auslenkung des Kranhakens gegenüber der Vertikalen ist und damit das Lastpendeln charakterisiert.
Vorteilhafterweise kann die Positionssensorik dazu ausgebildet sein, die Last relativ zu einem fixem Weltkoordinatensystem zu erfassen und/oder die Verfahr- Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, die Last relativ zu einem fixem Weltkoordinatensystem zu postionieren.
Durch die Lastpositionserfassung kann dabei eine Schrägzugreglung realisiert werden, welche eine statische Verformung durch die angehängte Last eliminiert bzw. zumindest reduziert. Um eine Schwingungsdynamik zu reduzieren bzw. gar nicht erst entstehen zu lassen, kann die Pendeldämpfungseinrichtung dazu ausgebildet sein, das Drehwerk und das Katzfahrwerk so zu korrigieren, dass das Seil möglichst immer im senkrechten Lot zur Last steht, auch wenn sich der Kran durch das zunehmende Lastmoment immer mehr nach vorne neigt. Beispielsweise kann beim Anheben einer Last vom Boden die Nickbewegung des Krans infolge seiner Verformung unter der Last berücksichtigt und das Katzfahrwerk unter Berücksichtigung der erfassten Lastposition so nachgefahren bzw. unter vorausschauender Abschätzung der Nickverformung so positioniert werden, dass das Hubseil bei der sich ergebenden Kranverformung im senkrechten Lot über der Last steht. Die größte statische Verformung tritt dabei an dem Punkt auf, an dem die Last den Boden verlässt. Dann ist keine Schrägzugregelung mehr notwendig. In entsprechender Weise kann alternativ oder zusätzlich auch das Drehwerk unter Berücksichtuigung der erfassten Lastposition so nachgefahren und/oder unter vorausschauender Abschätzung einer Querverformung so positioniert werden, dass das Hubseil bei der sich ergebenden Kranverformung im senkrechten Lot über der Last steht.
Eine solche Schrägzugregelung kann zu einem späteren Zeitpunkt vom Bediener wieder aktiviert werden, der dadurch den Kran als Manipulator verwenden kann. Hierddurch kann dieser die Last nur durch Drücken und/oder Ziehen nachpositionieren. Die Schrägzugregelung versucht dabei der Auslenkung, welche vom Bediener hervorgerufen wird, zu folgen. Dadurch kann eine Manipulatorsteuerung realisiert werden.
Die genannte Pendeldämpfeinrichtung kann bei manueller Betätigung des Krans durch Betätigung entsprechender Bedienelemente wie Joysticks und dergleichen die Eingabebefehle des Kranführers überwachen und bei Bedarf übersteuern, insbesondere in dem Sinne, dass vom Kranführer beispielsweise zu stark vorgegebene Beschleunigungen reduziert werden oder auch Gegenbewegungen automatisch eingeleitet werden, wenn eine vom Kranführer vorgegebene Kranbewegung zu einem Pendeln des Lasthakens geführt hat oder führen würde.
Alternativ oder zusätzlich kann die Pendeldämpfungseinrichtung auch bei einer automatisierten Betätigung des Krans eingesetzt werden, bei der die Steuervorrichtung des Krans im Sinne eines Autopiloten das Lastaufnahmemittel des Krans automatisch zwischen zumindest zwei Zielpunkten entlang eines Verfahrwegs verfährt. Bei einem solchen Automatikbetrieb, bei dem ein Verfahrweg- Bestimmungsmodul der Steuervorrichtung einen gewünschten Verfahrweg beispielsweise im Sinne einer Bahnsteuerung bestimmt und ein automatisches Ver- fahrsteuermodul der Steuervorrichtung die Antriebsregler bzw. Antriebseinrichtungen so ansteuert, dass der Lasthaken entlang des bestimmten Verfahrwegs verfahren wird, kann die Pendeldämpfungseinrichtung in die Ansteuerung der Antriebsregler durch das genannte Verfahrsteuermodul eingreifen, um den Kranhaken pendelfrei zu verfahren bzw. Pendelbewegungen zu dämpfen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Turmdrehkrans, bei dem die Lasthakenposition und ein Seilwinkel gegenüber der Vertikalen durch eine bildgebende Sensorik erfasst wird, und bei dem eine Pendeldämpfungseinrichtung die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen beeinflusst, um Pendelbewegungen des Lasthakens und dessen Hubseils zu verhindern,
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Kaimanfilters der Pendeldämpfungseinrichtung und die von diesem vorgenommene Beeinflussung der Stellgrößen der Antriebsregler,
Fig. 3: eine schematische Darstellung von Verformungen und Schwingungsformen eines Turmdrehkrans unter Last und deren Dämpfung bzw. Vermeidung durch eine Schrägzugregelung, wobei die Teilansicht a.) eine Nickverformung des Turmdehkrans unter Last und einen damit verknüpften Schrägzug des Hubseils zeigt, die Teilansichten b.) und c.) eine Querverformung des Turmdrehkrans in perspektivischer Darstellung sowie in Draufsicht von oben zeigen, und die Teilansichten d.) und e.) einen mit solchen Querverformungen verknüpften Schrägzug des Hubseils zeigen.
Wie Fig. 1 zeigt, kann der Kran als Turmdrehkran ausgebildet sein. Der in Fig. 1 gezeigte Turmdrehkran kann beispielsweise in an sich bekannter Weise einen Turm 201 aufweisen, der einen Ausleger 202 trägt, der von einem Gegenausleger 203 ausbalanciert wird, an dem ein Gegengewicht 204 vorgesehen ist. Der genannte Ausleger 202 kann zusammen mit dem Gegenausleger 203 um eine aufrechte Drehachse 205, die koaxial zur Turmachse sein kann, durch ein Drehwerk verdreht werden. An dem Ausleger 202 kann eine Laufkatze 206 durch einen Katzantrieb verfahren werden, wobei von der Laufkatze 206 ein Hubseil 207 abläuft, an dem ein Lasthaken 208 befestigt ist.
Wie Fig. 1 ebenfalls zeigt, kann der Kran 2 dabei eine elektronische Steuervorrichtung 3 aufweisen, die beispielsweise einen am Kran selbst angeordneten Steuerungsrechner umfassen kann. Die genannte Steuervorrichtung 3 kann hierbei verschiedene Stellglieder, Hydraulikkreise, Elektromotoren, Antriebsvorrichtungen und andere Arbeitsaggregate an der jeweiligen Baumaschine ansteuern. Dies können beispielsweise bei dem gezeigten Kran dessen Hubwerk, dessen Drehwerk, dessen Katzantrieb, dessen -ggf. vorhandener - Ausleger-Wippantrieb oder dergleichen sein.
Die genannte elektronische Steuervorrichtung 3 kann hierbei mit einem Endgerät 4 kommunizieren, das am Steuerstand bzw. in der Führerkabine angeordnet sein kann und beispielsweise die Form eines Tablets mit Touchscreen und/oder Joysticks, Drehknöpfe, Schiebeschalter und ähnliche Bedienelemente aufweisen kann, so dass einerseits verschiedene Informationen vom Steuerungsrechner 3 an dem Endgerät 4 angezeigt und umgekehrt Steuerbefehle über das Endgerät 4 in die Steuervorrichtung 3 eingegeben werden können.
Die genannte Steuervorrichtung 3 des Krans 1 kann insbesondere dazu ausgebildet sein, die genannten Antriebsvorrichtungen des Hubwerks, der Laufkatze und des Drehwerks auch dann anzusteuern, wenn eine Pendeldämpfungseinrichtung 340 pendelrelevante Bewegungsparameter erfaßt.
Hierzu kann der Kran 1 eine Erfassungseinrichtung 60 aufweisen, die einen Schrägzug des Hubseils 207 und/oder Auslenkungen des Lasthakens 208 gegenüber einer Vertikalen 61 , die durch den Aufhängungspunkt des Lasthakens 208, d.h. die Laufkatze 206 geht, erfasst. Insbesondere kann der Seilzugwinkel φ gegen die Schwerkraftwirklinie, d.h. die Vertikale 62 erfaßt werden, vgl. Fig. 1.
Die hierzu vorgesehenen Bestimmungsmittel 62 der Erfassungseinrichtung 60 können beispielsweise optisch arbeiten, um die genannte Auslenkung zu bestimmen. Insbesondere kann an der Laufkatze 206 eine Kamera 63 oder eine andere bildgebende Sensorik angebracht sein, die von der Laufkatze 206 senkrecht nach unten blickt, so dass bei unausgelenktem Lasthaken 208 dessen Bildwiedergabe im Zentrum des von der Kamera 63 bereitgestellten Bilds liegt. Wird indes der Lasthaken 208 gegenüber der Vertikalen 61 ausgelenkt, beispielsweise durch ruckhaftes Anfahren der Laufkatze 206 oder abruptes Bremsen des Drehwerks, wandert die Bildwiedergabe des Lasthakens 208 aus dem Zentrum des Kamerabilds heraus, was durch eine Bildauswerteeinrichtung 64 bestimmt werden kann.
In Abhängigkeit der erfassten Auslenkung gegenüber der Vertikalen 61 , insbesondere unter Berücksichtigung der Richtung und Größe der Auslenkung, kann die Steuervorrichtung 3 mithilfe der Pendeldämpfungseinrichtung 340 den Drehwerksantrieb und den Laufkatzenantrieb ansteuern, um die Laufkatze 206 wieder mehr oder minder exakt über den Lasthaken 208 zu bringen und Pendelbewegungen zu kompensieren, bz. Zu reduzieren oder gar nicht erst eintreten zu lassen.
Hierzu umfasst die Pendeldämpfungseinrichtung 430 Bestimmungsmittel 342 zum Bestimmen von dynamischen Verformungen von Strukturbauteilen, wobei der Steuerbaustein 341 der Pendeldämpfungseinrichtung 340, der das Ansteuern der Antriebseinrichtung pendeldämpfend beeinflusst, dazu ausgebildet ist, beim Beeinflussen der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen die bestimmten dynamischen Verformungen der Strukturbauteile des Krans zu berücksichtigen.
Dabei können die Bestimmungsmittel 342 eine Schätzeinrichtung 343 umfassen, die die Verformungen und Bewegungen der Maschinenstruktur unter dynamischen Belastungen, die sich in Abhängigkeit von am Steuerstand eingegegebenen Steuerbefehlen und/oder in Abhängigkeit von bestimmten Ansteueraktionen der An- triebseinrichtungen und/oder in Abhängigkeit bestimmter Geschwindigkeitsund/oder Beschleunigungsprofile der Antriebseinrichtungen ergeben, unter Berücksichtigung von die Kranstruktur charakterisierenden Gegebenheiten abschätzt. Insbesondere kann eine Berechnungseinheit 348 die Strukturverformungen und sich daraus ergebende Strukturteilbewegungen anhand eines gespeicherten Berechnungsmodells in Abhängigkeit der am Steuerstand eingegebenen Steuerbefehle berechnen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Pendeldämpfungseinrichtung 340 auch eine geeignete Sensorik 344 umfassen, mittels derer solche elastischen Verformungen und Bewegungen von Strukturbauteilen unter dynamischen Belastungen erfasst werden. Eine solche Sensorik 344 kann beispielsweise Verformungssensoren wie Dehnungsmessstreifen am Stahlbau des Krans, beispielsweise den Gitterfachwerken des Turms 201 oder des Auslegers 202 umfassen. Alternativ oder zusätzlich können Beschleunigungs- und/oder Geschwindigkeitssensoren vorgesehen sein, um bestimmte Bewegungen von Strukturbauteilen wie beispielsweise Nickbewegungen der Auslegerspitze oder rotatorische Dynamikeffekte am Ausleger 202 zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich können auch Neigungssensoren oder Gyroskope beispielsweise am Turm 201 , insbesondere an dessen oberen Abschnitt, an dem der Ausleger gelagert ist, vorgesehen sein, um die Dynamik des Turms 201 zu erfassen. Alternativ oder zusätzlich können auch den Antriebssträngen Bewe- gungs- und/oder Beschleunigungssensoren zugeordnet sein, um die Dynamik der Antriebsstränge erfassen zu können. Beispielsweise können den Umlenkrollen der Laufkatze 206 für das Hubseil und/oder Umlenkrollen für ein Abspannseil eines Wippauslegers Drehgeber zugeordnet sein, um die tatsächliche Seilgeschwindigkeit am relevanten Punkt erfassen zu können.
Wie Fig. 2 zeigt, besitzt Pendeldämpfungseinrichtung 340 eine Filtereinrichtung bzw. einen Beobachter 345, der die Kranreaktionen beobachtet, die sich bei bestimmten Stellgrößen der Antriebsregler 347 einstellen und unter Berücksichtigung vorbestimmter Gesetzmäßigkeiten eines Dynamikmodells des Krans, das grundsätzlich verschieden beschaffen sein kann und durch Analyse und Simulation des Stahlbaus gewonnen werden kann, anhand der beobachteten Kranreaktionen die Stellgrößen des Reglers beeinflusst.
Eine solche Filter- bzw. Beobachtereinrichtung 345b kann insbesondere in Form eines sogenannten Kaimanfilters 346 ausgebildet sein, dem als Eingangsgröße die Stellgrößen der Antriebsregler 347 des Krans und die Kranbewegungen, insbesondere der Seilzugwinkel φ gegenüber der Vertikalen 62 und/oder dessen zeitliche Änderung bzw. die Winkelgeschwindigkeit des genannten Schrägzugs, zugeführt wird und der aus diesen Eingangsgrößen anhand von Kaiman-Gleichungen, die das Dynamiksystem der Kranstruktur, insbesondere dessen Stahlbauteile und Antriebsstränge, modellieren, die Stellgrößen der Antriebsregler 347 entsprechend beeinflusst, um die gewünschte pendeldämpfende Wirkung zu erzielen.
Mithilfe einer solchen Schrägzugregelung können insbesondere Verformungen und Schwingungsformen des Turmdrehkrans unter Last gedämpft bzw. von Anfang an vermieden werden, wie sie in Fig. 3 beispielhaft gezeigt sind, wobei dort die Teilansicht a.) zunächst schematisch eine Nickverformung des Turmdehkrans unter Last infolge eines Durchbiegens des Turms 201 mit dem damit einhergenden Absenken des Auslegers 202 und einen damit verknüpften Schrägzug des Hubseils zeigt,.
Ferner zeigen die Teilansichten b.) und c.) der Fig. 3 beispielhaft in schematischer Weise eine Querverformung des Turmdrehkrans in perspektivischer Darstellung sowie in Draufsicht von oben mit den dabei auftretenden Verformungen des Turms 201 und des Auslegers 202.
Schließlich zeigt die Fig. 3 in ihren Teilansichten d.) und e.) einen mit solchen Querverformungen verknüpften Schrägzug des Hubseils.
Um der entsprechenden Schwingungsdynamik entgegenzuwirken, kann die Pendeldämpfungseinrichtung 430 eine Schrägzugregelung umfassen. Insbesondere wird mittels der Bestimmungsmittel 62 die Position des Lasthakens 208, insbesondere auch dessen Schrägzug gegenüber der Vertikalen, das heißt die Auslenkung des Hubseils 207 gegenüber der Vertikalen erfasst und dem genannten Kalmanfil- ter 346 zugeführt.
Vorteilhafterweise kann die Positionssensorik dazu ausgebildet sein, die Last bzw. den Lasthaken 208 relativ zu einem fixem Weltkoordinatensystem zu erfassen und/oder die Pendeldämpfungseinrichtung 430 dazu ausgebildet sein, die Last relativ zu einem fixem Weltkoordinatensystem zu postionieren.
Durch die Lastpositionserfassung kann dabei eine Schrägzugreglung realisiert werden, welche eine statische Verformung durch die angehängte Last eliminiert bzw. zumindest reduziert. Um eine Schwingungsdynamik zu reduzieren bzw. gar nicht erst entstehen zu lassen, kann die Pendeldämpfungseinrichtung 430 dazu ausgebildet sein, das Drehwerk und das Katzfahrwerk so zu korrigieren, dass das Seil möglichst immer im senkrechten Lot zur Last steht, auch wenn sich der Kran durch das zunehmende Lastmoment immer mehr nach vorne neigt.
Beispielsweise kann beim Anheben einer Last vom Boden die Nickbewegung des Krans infolge seiner Verformung unter der Last berücksichtigt und das Katzfahrwerk unter Berücksichtigung der erfassten Lastposition so nachgefahren bzw. unter vorausschauender Abschätzung der Nickverformung so positioniert werden, dass das Hubseil bei der sich ergebenden Kranverformung im senkrechten Lot über der Last steht. Die größte statische Verformung tritt dabei an dem Punkt auf, an dem die Last den Boden verlässt. Dann ist keine Schrägzugregelung mehr notwendig. In entsprechender Weise kann alternativ oder zusätzlich auch das Drehwerk unter Berücksichtuigung der erfassten Lastposition so nachgefahren und/oder unter vorausschauender Abschätzung einer Querverformung so positioniert werden, dass das Hubseil bei der sich ergebenden Kranverformung im senkrechten Lot über der Last steht.
Eine solche Schrägzugregelung kann zu einem späteren Zeitpunkt vom Bediener wieder aktiviert werden, der dadurch den Kran als Manipulator verwenden kann. Hierddurch kann dieser die Last nur durch Drücken und/oder Ziehen nachpositio- nieren. Die Schrägzugregelung versucht dabei der Auslenkung, welche vom Bedie- ner hervorgerufen wird, zu folgen. Dadurch kann eine Manipulatorsteuerung realisiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kran, insbesondere Turmdrehkran, mit einem an einem Hubseil (207) angebrachten Lastaufnahmemittel (208), Antriebseinrichtungen zum Bewegen mehrerer Kranelemente und Verfahren des Lastaufnahmemittels (208), einer Steuervorrichtung (3) zum Steuern der Antriebseinrichtungen derart, dass das Lastaufnahmemittel (208) entlang eines Verfahrwegs verfährt, sowie einer Pendeldämpfungseinrichtung (340) zum Dämpfen von Pendelbewegungen des Lastaufnahmemittels (208) und/oder des Hubseils (207), wobei die Pendeldämpfungseinrichtung (340) einen Steuerbaustein (341 ) zum Beeinflussen der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit von pendelrelevanten Parametern aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pendeldämpfungseinrichtung (340) Bestimmungsmittel (342) zum Bestimmen von Verformungen und/oder Bewegungen von Strukturbauteilen des Krans infolge dynamischer Belastungen aufweist, wobei der Steuerbaustein (341) der Pendeldämpfungseinrichtung (340) dazu ausgebildet ist, beim Beeinflussen der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen die bestimmten Verformungen und/oder Bewegungen der Strukturbauteile infolge dynamischer Belastungen zu berücksichtigen.
2. Kran nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Strukturbauteile einen Turm (201) und/oder einen Ausleger (202) umfassen und die Bestimmungsmittel (342) dazu ausgebildet sind, Verformungen und/oder Belastungen des Turms (201) und/oder des Auslegers (202) infolge dynamischer Belastungen zu bestimmen.
3. Kran nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strukturbauteile Antriebsstrangteile wie Drehwerksteile, Katzantriebsteile und dergleichen, umfassen und die Bestimmungsmittel (342) dazu ausgebildet sind, Verformungen und/oder Bewegungen der Antriebsstrangteile infolge dynamischer Belastungen zu bestimmen.
4. Kran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestimmungsmittel (342) eine Schätzeinrichtung (343) zum Schätzen der Verformungen und/oder Bewegungen der Strukturbauteile infolge dynamischer Lasten auf Basis von digitalen Daten eines die Kranstruktur beschreibenden Datenmodells aufweisen.
5. Kran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestimmungsmittel (342) eine Berechnungseinheit (348) aufweisen, die Strukturverformungen und sich daraus ergebende Strukturteilbewegungen anhand eines gespeicherten Berechnungsmodells in Abhängigkeit von am Steuerstand eingegebenen Steuerbefehle berechnet.
6. Kran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bestimmungsmittel (342) eine Sensorik (344) zum Erfassen der Verformungen und/oder Dynamikparameter der Strukturbauteile aufweisen.
7. Kran nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Sensorik (344) einen Neigungs- und/oder Beschleunigungssensor zum Erfassen von Turmneigungen und/oder -geschwindigkeiten, einen Drehgeschwindigkeitsund/oder -beschleunigungssensor zum Erfassen der Drehgeschwindigkeit und/oder -beschleunigung eines Auslegers und/oder einen Nickbewegungssensor zum Erfassen von Nickbewegungen und/oder -beschleunigungen des Auslegers, und/oder einen Seilgeschwindigkeitsund/oder -beschleunigungssensor zum Erfassen von Seilgeschwindigkeiten und/oder -beschleunigungen des Hubseils (207) aufweist.
8. Kran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Erfassungseinrichtung (60) zum Erfassen einer Auslenkung (φ) des Hubseils (207) und/oder des Lastaufnahmemittels (208) gegenüber einer Vertikalen (61) vorgesehen ist, wobei der Steuerbaustein (341) der Pendeldämpfungseinrichtung (340) dazu ausgebildet ist, die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit der ermittelten Auslenkung des Hubseils (207) und/oder des Lastaufnahmemittels (208) gegenüber der Vertikalen (61) zu beeinflussen.
9. Kran nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Erfassungseinrichtung (60) eine bildgegebende Sensorik, insbesondere eine Kamera (62) aufweist, die im Bereich eines Aufhängepunktes des Hubseils (207), insbesondere einer Laufkatze (206), im Wesentlichen senkrecht nach unten blickt, wobei eine Bildauswerteeinrichtung (64) zum Auswerten eines von der bildgebenden Sensorik bereitgestellten Bilds hinsichtlich der Position des Lastaufnahmemittels (208) in dem bereitgestellten Bild und Bestimmung der Auslenkung (φ) des Lastaufnahmemittels (208) und/oder des Hubseils (207) und/oder der Auslenkungsgeschwindigkeit gegenüber der Vertikalen (61) vorgesehen ist.
10. Kran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pendeldämpfungseinrichtung (340) eine Filter- und/oder Beobachtereinrichtung (345) zum Beeinflussen der Stellgrößen von Antriebsreglern (347) zum Ansteuern der Antriebseinrichtungen aufweist, wobei die genannte Filter- und/oder Beobachtereinrichtung (345) dazu ausgebildet ist, als Eingangsgrößen die Stellgrößen der Antriebsregler (347) und die erfassten und/oder geschätzten Bewegungen von Kranelementen und/oder Verformungen und/oder Bewegungen von Strukturbauteilen, die infolge dynamischer Belastungen auftreten, zu erhalten und in Abhängigkeit der für bestimmte Reglerstellgrößen erhaltenen dynamikinduzierten Bewegungen von Kranelementen und/oder Verformungen von Strukturbauteilen die Reglerstellgrößen zu beeinflussen.
11. Kran nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Filter- und/oder Beobachtereinrichtung (345) als Kaiman-Filter (346) ausgebildet ist.
12. Kran nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Kaiman-Filter (346) erfasste und/oder geschätzte und/oder berechnete und/oder simulierte Funktionen, die die Dynamik der Strukturbauteile des Krans charakterisieren, implementiert sind.
13. Kran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pendeldämpfungseinrichtung (340) eine Positionssensorik umfaßt, die dazu ausgebildet ist, das Lastaufnahmemittel (208) relativ zu einem fixem Weltkoordinatensystem zu erfassen, und/oder dazu ausgebildet ist, das Lastaufnahmemittel (208) relativ zu einem fixem Weltkoordinatensystem zu postionieren.
14. Kran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pendeldämpfungseinrichtung (340) einen Schrägzuregier umfasst und dazu ausgebildet ist, die Antriebseinrichtungen zum Bewegen der Kranelemente und Verfahren des Lastaufnahmemittels (208) so zu betätigen, dass das Hubseil (207) möglichst immer im senkrechten Lot zur Last steht, auch wenn sich der Kran durch das zunehmende Lastmoment und/oder durch zunehmende Querkräfte und/oder zunehmende Querverwindungsmomente immer mehr verformt.
15. Verfahren zum Steuern eines Krans, insbesondere Turmdrehkrans, dessen an einem Hubseil (207) angebrachtes Lastaufnahmemittel (208) durch Antriebseinrichtungen verfahren wird, welche Antriebseinrichtungen von einer Steuervorrichtung (3) des Krans angesteuert werden, wobei die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen von einer Pendeldämpfungseinrichtung (340) in Abhängigkeit von pendelrelevanten Parametern beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pendeldämpfungseinrichtung (340) Verformungen und/oder Bewegungen von Strukturbauteilen des Krans, die infolge dynamischer Belastungen auftreten, bestimmt und beim Beeinflussen der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen berücksichtigt.
16. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Pendeldämpfungseinrichtung (340) einen Kaiman-Filter (346) aufweist, dem als Eingangsgrößen die Stellgrößen von Antriebsreglern (347) zum Ansteuern der Antriebseinrichtungen sowie sich bei diesen Stellgrößen einstellende Kranbewegungen und/oder Verformungen und/oder dynamikinduzierte Bewegungen der Strukturteile als Eingangsgrößen zugeführt werden, wobei der Kaiman-Filter (346) in Abhängigkeit der genannten Eingangsgrößen eine Beeinflussung der Stellgrößen der Antriebsregler (347) vornimmt.
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