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EP3408211B1 - Kran - Google Patents

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Info

Publication number
EP3408211B1
EP3408211B1 EP17717626.0A EP17717626A EP3408211B1 EP 3408211 B1 EP3408211 B1 EP 3408211B1 EP 17717626 A EP17717626 A EP 17717626A EP 3408211 B1 EP3408211 B1 EP 3408211B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
crane
traversing
movements
control module
path
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Active
Application number
EP17717626.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3408211A1 (de
Inventor
Michael PALBERG
Juergen Resch
Oliver Fenker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Liebherr Werk Biberach GmbH
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
Priority claimed from DE102016004249.4A external-priority patent/DE102016004249A1/de
Priority claimed from DE102016004350.4A external-priority patent/DE102016004350A1/de
Application filed by Liebherr Components Biberach GmbH filed Critical Liebherr Components Biberach GmbH
Publication of EP3408211A1 publication Critical patent/EP3408211A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3408211B1 publication Critical patent/EP3408211B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • B66C13/063—Auxiliary devices for controlling movements of suspended loads, or preventing cable slack for minimising or preventing longitudinal or transverse swinging of loads electrical
    • 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
    • B66C13/18—Control systems or devices
    • B66C13/48—Automatic control of crane drives for producing a single or repeated working cycle; Programme control

Definitions

  • the present invention relates to a system that includes a crane, in particular a tower crane, and an external master computer, the crane being equipped with a load handling device attached to a hoist rope, drive devices for moving a number of crane elements and moving the load handling device, and a control device for controlling the Drive devices such that the load handling device moves along a travel path between at least two target points.
  • the font DE 10 064 182 A1 shows a system according to the preamble of claim 1, in which target matrix points stored in the computer during a previous run of the crane are used by a path planning module to plan a target travel path, taking into account maximum accelerations and speeds of the travel drives. If necessary, an anti-sway device then intervenes again in the actuation of the traversing drives in order to prevent the load from oscillating.
  • the writing shows DE 10 2005 002 192 A1 a container crane in which a route planner planned a route in a horizontal plane around the container and rounds off the two travel path legs in the transition area in order to be able to move faster.
  • the drive devices mentioned are usually used by the crane operator via appropriate controls such as operated and controlled, for example in the form of joysticks, toggle switches or rotary knobs and the like, which experience has shown requires a great deal of feeling and experience in order to approach the target points quickly and yet gently without major pendulum movements.
  • the aim is to drive as quickly as possible between the target points, while stopping gently at the respective target point.
  • the present invention is based on the object of creating an improved crane of the type mentioned at the outset, which avoids the disadvantages of the prior art and further develops the latter in an advantageous manner.
  • fatigue-free crane operation with a reduced risk of undesired swinging loads should be achieved.
  • the control device in the sense of an autopilot, which can automatically move the load handling device of the crane between at least two target points.
  • an automatic mode is implemented in which the control device without manual Actuation of the operating elements of the control stand by the machine operator moves the load hook or the load handling device between the target points.
  • the control device has a travel path determination module for determining a desired travel path between the at least two target points, and an automatic travel control module for automatically moving the load handling device along the determined travel path.
  • the travel path determination module it is possible to interpolate between two target points or to calculate intermediate positions that determine the travel path between two target points in more detail.
  • the travel control module uses the interpolated or calculated intermediate positions to control the drive controllers or drive devices in order to approach the intermediate positions and target points mentioned with the load-receiving means or to travel the defined travel path automatically.
  • Said automatic mode of the control device prevents the crane operator from tiring prematurely and, in particular, facilitates monotonous work such as constantly driving back and forth between two fixed destinations.
  • by automatically determining the travel path between the target points and controlling the drive devices depending on the travel path defined in this way undesired pendulum movements of the load picked up due to clumsy operation of the manual controls or poorly selected travel paths can be avoided.
  • the specified travel path determination module can have a PTP or point-to-point control module, which is designed to travel to two target points exactly, although the trajectory between the points is not firmly defined.
  • Such a PTP control module can contain a smoothing function, by means of which the travel path is determined in such a way that the process is optimal in terms of time a defined target point is not approached exactly, but is bent to the next point when its blending area is reached.
  • the aforementioned blending function of the PTP control module can be designed to work asynchronously, so that blending begins when the last drive axle or drive device to be actuated reaches the sphere around the point mentioned.
  • the blending function can also be designed or controlled synchronously, so that the blending begins as soon as the leading movement or drive axis penetrates the sphere around the programmed point.
  • the travel path determination module can also have a multipoint control module, which determines a large number of intermediate points between two target points to be traveled to, preferably in such a way that the intermediate points mentioned form a dense sequence of equidistant points in time. Approaching such time-equidistant intermediate points, which are arranged in close succession, requires approximately the same period of time, so that an overall harmonious actuation of the drive devices and thus a harmonious movement of the crane elements can be achieved.
  • the travel path can also be determined by a path control module, which calculates a continuous, mathematically defined path of motion between the target points.
  • a path control module can include an interpolator that determines intermediate values on the calculated space curve according to a specified path function or partial function, for example in the form of a straight line, a circle or a polynomial, and sends them to the drive devices or their drive controllers.
  • Such an interpolator can be a linear interpolation and/or a circular interpolation and/or a spline interpolation and/or special interpolations, for example Bezier or Perform spiral interpolations, which can be done with or without smoothing.
  • the programming or determination of the path or the travel path can be done online or offline.
  • the desired travel path can be determined, in particular, by means of a teach-in device, by means of which desired target and intermediate points of the desired travel path can be approached by manually operating the operating elements of the control device or by operating a manual programming device, with the Teach-in device saves the target and intermediate points mentioned.
  • an experienced crane operator can use the control panel to move the crane or its load hook along a desired travel path between the end points. All coordinates or intermediate points reached in this way can be saved in the control.
  • the crane's control device can then approach all stored destinations and intermediate points autonomously.
  • the travel path determination module has a playback device for determining the desired travel path by manually moving the load hook along the desired travel path. During the manual guidance of the load hook along the desired travel path, coordinates or intermediate points are recorded so that the crane's control device can repeat the corresponding movements exactly.
  • the desired travel path is determined offline by connecting the travel path determination module to an external master computer that has access to a building data model and provides target and/or intermediate points for determining the travel path based on the digital data of the building data model.
  • the travel path determination module can then determine the travel path in the manner explained above, for example by PTP control, multi-point control or path control.
  • Such a building data model which is also referred to as a BIM model, contains digital information about the building to be erected or processed, which is in particular an overall model that usually contains the three-dimensional plans of all trades, the schedule and also contains the cost plan.
  • Such building data or BIM models are usually computer-readable files or file conglomerates and, if necessary, processing computer program modules for processing such data, in which information and characteristics that describe the building to be erected or processed and its relevant properties in the form of digital data .
  • the target points for crane lifts to be carried out can be determined, for which purpose a crane lift determination module can advantageously be present, which on the one hand identifies target points for such a crane lift and their coordinates, for example the delivery station of a Concrete mixer and the emptying area of the concrete bucket for a concreting task.
  • building data that reflect the geometry of the building in the respective construction phase are then taken into account for determining the travel path, in order to avoid collisions with existing contours of the building.
  • target points and intermediate points for the travel path that avoid collisions are identified in this way, they can be made available to the travel path determination module, which then uses these target points and intermediate points to determine the travel path in the manner already described.
  • intermediate points can also be set that take into account the working area limitations of the crane, for example to avoid collisions with other cranes.
  • working area limitations or data defining such working area limitations can also be obtained or made available from the named building data model.
  • working area limitations can also be taken into account dynamically, in particular if corresponding digital data for the working area limitations are provided from the building data model or BIM model, which takes into account construction progress and resulting changes in different construction phases.
  • the automatic movement control module of the control device of the crane can fundamentally work in different ways, whereby the movement control module can be designed to work independently, in particular in that the movement speeds and/or accelerations and the corresponding control signals for the drive devices do not correspond to the movement speeds or accelerations must be specified, for example, during the teach-in process or during playback programming.
  • the travel control module can determine the travel speeds and/or accelerations of the drives autonomously, in particular to the effect that high travel speeds are achieved and the power of the drive devices is utilized, but on the other hand a smooth and swing-free approach to the target points is achieved.
  • the above-mentioned travel control module can be linked to a pendulum damping device and/or can take into account specifications of a pendulum damping device.
  • Such anti-sway devices for cranes are basically known in various designs, for example by controlling the slewing gear, luffing and trolley drives as a function of certain sensor signals, for example inclination and/or gyroscope signals.
  • the writings show DE 20 2008 018 260 U1 or DE 10 2009 032 270 A1 known load swing damping on cranes, to the extent of which, ie with regard to the design of the swing damping device, is expressly referred to.
  • the movement control module for sway control can take into account in particular the deflection angle or the diagonal pull of the load hook of the crane relative to a vertical line that can go through the trolley or the suspension point of the hoist cable.
  • a corresponding detection device for detecting the deflection of the load handling device relative to the vertical can, for example, be designed to work optically and have an imaging sensor system, for example a camera, which looks essentially vertically downwards from the suspension point of the hoist cable, for example the trolley.
  • An image evaluation device can identify the crane hook in the image provided by the imaging sensors and determine its eccentricity or its displacement from the center of the image, which is a measure of the deflection of the crane hook relative to the vertical and thus characterizes the swinging load.
  • Said movement control module can take into account the deflection of the load hook determined in this way and control the drive devices in this way and/or their accelerations and speeds in this way determine that the deflections of the load hook relative to the vertical are minimized or do not exceed a certain level.
  • the position sensors can be designed to detect the load relative to a fixed world coordinate system and/or the travel control device can be designed to position the load relative to a fixed world coordinate system.
  • a control device can be provided which positions the load relative to the fixed world coordinate system or the crane foundation and is therefore not directly dependent on the crane structure vibration and the crane position.
  • Such a control device decouples the load position from the crane vibration, with the load not being guided directly relative to the crane, but rather relative to the fixed world coordinate system or the crane foundation.
  • the pendulum damping device can be designed to correct the slewing gear and the trolley so that the cable is always perpendicular to the load, even if the crane is moving due to the increasing Load moment tends more and more forward.
  • the pitching movement of the crane as a result of its deformation under the load can be taken into account and the trolley can be tracked taking into account the recorded load position or positioned with anticipatory estimation of the pitching deformation in such a way that the hoist rope is in the vertical position during the resulting crane deformation Lot above the load stands.
  • the greatest static deflection occurs at the point where the load leaves the ground. In this case, diagonal pull control is no longer necessary.
  • the slewing gear can also be tracked, taking into account the detected load position, and/or positioned with anticipatory estimation of a transverse deformation in such a way that the hoist cable is perpendicular to the load during the resulting crane deformation.
  • Such an oblique pull control can be reactivated at a later point in time by the operator, who can then use the crane as a manipulator. As a result, he can only reposition the load by pushing and/or pulling.
  • the oblique tension control attempts to follow the deflection caused by the operator. This allows a manipulator control to be implemented.
  • the traversing control module can not only take into account the actual swaying movement of the cable itself in the sway-damping measures, but also the dynamics of the steel construction of the crane and its drive trains.
  • the crane is no longer assumed to be an immobile rigid body that converts the drive movements of the drive devices directly and identically, i.e. 1:1, into movements of the suspension point of the hoist rope.
  • the anti-sway device considers the crane to be a soft structure that shows elasticity and resilience during acceleration in its steel components, such as the tower lattice, and in the drive trains, and takes this dynamic of the structural parts of the crane into account when influencing the control of the drive units to dampen sway.
  • the pendulum damping device can include determination 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 control of the drive device in a pendulum-damping manner, is designed to, when influencing the Control of the drive devices to take into account the specific dynamic deformations of the structural components of the crane.
  • the anti-sway device therefore advantageously does not regard the crane or machine structure as a rigid, infinitely stiff structure, so to speak, but is based on an elastically deformable and/or flexible and/or relatively soft structure which - in addition to the adjustment movement axes of the machine such as the boom luffing axis or the axis of rotation of the tower - allows movements and/or changes in position due to deformation of the structural components.
  • the consideration of the mobility of the machine structure as a result of structural deformations under load or dynamic loads is particularly important in the case of elongated, slender structures that are consciously exhausted from the static and dynamic boundary conditions - taking into account the necessary safety - such as tower cranes, since noticeable movement components can be felt here, for example for the jib and thus the position of the load hook due to the deformation of the structural components.
  • the sway control takes into account such deformations and movements of the machine structure under dynamic loads.
  • the steel construction is also protected and less stressed. In particular, shock loads are reduced by the control behavior.
  • the influence of the driving behavior can be defined by this method.
  • the knowledge of the structural dynamics and the control method can be used to reduce and dampen pitching oscillations in particular. As a result, the load behaves more smoothly and no longer fluctuates up and down later when it is at rest.
  • the determination means mentioned can include an estimation device which calculates the deformations and movements of the machine structure under dynamic loads, which change as a function of control commands entered at the control station and/or as a function of specific control actions of the drive devices and/or as a function of specific speed and/or acceleration profiles of the drive devices result, taking into account the circumstances 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, jib length, rigidity, area moments of inertia and the like are stored and/or linked to one another, in order to then use a specific load situation, i.e. the weight of the load picked up on the load hook and the current radius , to estimate which dynamic effects, i.e. deformations in the steel construction and in the drive trains, result for a specific actuation of a drive device.
  • structural variables of the crane such as tower height, jib length, rigidity, area moments of inertia and the like are stored and/or linked to one another, in order to then use a specific load situation, i.e. the weight of the load picked up on the load hook and the current radius , to estimate which dynamic effects, i.e. deformations in the steel construction and in the drive trains, result for a specific actuation of a drive device.
  • the sway damping device can then intervene in the control of the drive devices and influence the manipulated variables of the drive controllers of the drive devices in order to avoid or reduce swaying movements of the load hook and the hoist cable.
  • the determination device for determining such structural deformations can have a calculation unit which calculates these structural deformations and the movements of structural parts resulting therefrom using a stored calculation model as a function of the control commands entered at the control station.
  • a model can be constructed similarly to a finite element model or be a finite element model, but it is advantageous to use a model that is significantly simplified compared to a finite element model /or load conditions can be determined on the real crane or the real machine.
  • Such a calculation model can work, for example, with tables in which specific control commands are assigned specific deformations, with intermediate values of the control commands being able to be converted into corresponding deformations by means of an interpolation device.
  • the anti-sway device can also include a suitable sensor system, by means of which such elastic deformations and movements of structural components under dynamic loads are detected.
  • a sensor system can include, for example, deformation sensors such as strain gauges on the steel construction of the crane, for example the lattice framework of the tower and/or the boom.
  • acceleration and/or speed sensors can be provided in order to detect specific movements of structural components such as pitching movements of the boom tip and/or rotational dynamic effects on the boom.
  • inclination sensors or gyroscopes can also be provided, for example on the tower, in particular on its upper section on which the boom is mounted, in order to record the dynamics of the tower.
  • jerky lifting movements lead to pitching movements of the boom, which are accompanied by bending movements of the tower, with a Swinging of the tower in turn leads to pitching vibrations of the jib, which is accompanied by corresponding load hook movements.
  • movement 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.
  • encoders can be assigned to the deflection rollers of the trolley for the hoisting rope and/or deflection rollers for a guy rope of a luffing jib, in order to be able to detect the actual rope speed at the relevant point.
  • suitable movement and/or speed and/or acceleration sensors are also assigned to the drive devices themselves, in order to be able to record the drive movements of the drive devices accordingly and relate them to the estimated and/or recorded deformations of the structural components such as the steel construction and in the drive trains .
  • sway-damping measures can also be taken into account during the planning or determination of the desired travel path.
  • the travel path determination module can round off kinks in the travel path or generously dimension curve radii and/or avoid wavy lines.
  • the crane can be designed as a tower crane.
  • the tower crane shown can have, for example, in a manner known per se, a tower 201 which carries a boom 202 which is balanced by a counter-jib 203 on which a counterweight 204 is provided.
  • Said jib 202 can be rotated together with the counter jib 203 about an upright axis of rotation 205, which can be coaxial to the axis of the tower, by means of a slewing gear.
  • a trolley 206 can be moved on the boom 202 by a trolley drive, with a hoist cable 207 running off the trolley 206, to which a load hook 208 is attached.
  • the crane 2 can have an electronic control device 3, which can include, for example, 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, the hoist, the slewing gear, the trolley drive, which -if necessary. existing - cantilever luffing drive or the like.
  • Said electronic control device 3 can communicate with a terminal 4, which can be arranged on the control stand or in the driver's cab and can have the form of a tablet with a touchscreen and/or joystick, for example, so that on the one hand various information from the control computer 3 can be transmitted to the terminal 4 is displayed and, conversely, control commands can be entered into the control device 3 via the terminal 4.
  • a terminal 4 can be arranged on the control stand or in the driver's cab and can have the form of a tablet with a touchscreen and/or joystick, for example, so that on the one hand various information from the control computer 3 can be transmitted to the terminal 4 is displayed and, conversely, control commands can be entered into the control device 3 via the terminal 4.
  • Said control device 3 of crane 1 can be designed, in particular, to control said drive devices of the hoist, trolley and slewing gear even when load hook 208 and/or a component mounted on it, such as a concrete bucket, is manually operated by a machine operator using a manual control module 65 with manipulated with a handle 66, like this 6 shows, ie is pushed or pulled and/or twisted in one direction or this is attempted in order to enable manual fine-tuning of the load hook position and thus the concrete bucket position, for example when concreting.
  • the crane 1 can have a detection device 60, which detects a diagonal pull of the hoist rope 207 and/or deflections of the load hook 208 relative to a vertical line 61 that passes through the suspension point of the load hook 208, i.e. the trolley 206.
  • the determination means 62 of the detection device 60 can, for example, work optically in order to determine the said deflection.
  • a camera 63 or another imaging sensor system can be attached to the trolley 206, which looks vertically downwards from the trolley 206, so that when the load hook 208 is undeflected, its image reproduction is in the center of the image provided by the camera 63.
  • the load hook 208 is deflected relative to the vertical 61, for example by manually pushing or pulling on the load hook 208 or the concrete bucket 50 shown in Fig. 9, the image reproduction of the load hook 208 migrates from the center of the camera image, which is determined by an image evaluation device 64 can be.
  • the control device 3 can control the slewing gear drive and the trolley drive in order to bring the trolley 206 more or less exactly over the load hook 208, i.e. the control device 3 controls the drive devices of the crane 1 in such a way that the diagonal pull or the detected deflection is compensated for as far as possible. In this way, intuitive, simple conducting and fine adjustment of the position of the load hook and a load picked up on it can be achieved.
  • the named detection device 60 can also include the named control module 65, which can be designed to be mobile and can be designed to be dockable to the load hook 208 and/or a load attached thereto.
  • a hand-held module 65 can include a handle 66, for example, which can be attached by means of suitable holding means 67, preferably releasably, to the load handling means 208 and/or a component articulated thereon, such as the concrete bucket.
  • Said holding means 67 can include, for example, magnetic holders, suction cups, snap-in holders, bayonet lock holders or the like.
  • Force and/or moment sensors 68 can be assigned to said handle 66 and, if necessary, if handle 66 is mounted or designed to be movable, movement sensors can also be assigned, by means of which forces and/or moments and/or movements exerted on handle 66 can be detected.
  • the sensor system assigned to the handle 66 is advantageously designed in such a way that the forces and/or moments and/or movements can be recorded with regard to their effective direction and/or magnitude, cf. 6 .
  • control device 3 can control the drive devices of the crane 1 in such a way that the detected manual manipulations are converted into motorized crane positioning movements.
  • the manual directing of the concrete bucket or the load-carrying means 208 made possible in this way makes it possible, on the one hand, to finely readjust automatically approached target positions. On the other hand, it also enables the desired travel path to be determined between two target points in the sense of playback control.
  • control device 3 comprises a travel path determination module 300 for determining a desired travel path between at least two target points and an automatic travel control module 310 for automatic movement of the load handling device along the specific travel path by appropriately controlling the drive unit of crane 200.
  • said travel path determination module 300 can have different working modes and have corresponding modules, in particular a PTP or point-to-point control module 301, a multipoint control module 302 and a path control module 303, cf. 1 .
  • Such a PTP control module 301 can contain a blending function, by means of which the travel path is determined in such a way that a defined target point is not approached exactly for the time-optimal method, but is instead turned off to the next point when its blending area is reached, cf. 2 .
  • the named blending function of the PTP control module 301 can be designed to work asynchronously, so that blending begins when the last drive axle or drive device to be actuated reaches the sphere around the named point.
  • the blending function can also be designed or controlled synchronously, so that the blending begins as soon as the leading movement or drive axis penetrates the sphere around the programmed point.
  • the travel path determination module 300 can also have a multipoint control module 302, cf. 3 , which preferably determines a plurality of intermediate points 501, 502, 503, 504 . . . n between two destinations 500, 510 to be approached such that the named intermediate points 501, 502, 503, 504 . . . n form a dense sequence of time-equidistant points, cf. 4 . Approaching such time-equidistant intermediate points 501, 502, 503, 504 .
  • the travel path can also be determined by a path control module 303, which calculates a continuous, mathematically defined path of motion between the target points, cf. figure 5 .
  • a path control module can include an interpolator that determines intermediate values on the calculated space curve according to a specified path function or partial function, for example in the form of a straight line, a circle or a polynomial, and sends them to the drive devices or their drive controllers.
  • Such an interpolator can perform a linear interpolation and/or a circular interpolation and/or a spline interpolation and/or special interpolations, for example Bezier or spiral interpolations, and this can be performed with or without smoothing.
  • FIG. 5a shows a path without smoothing
  • FIG. 5b a path with smoothing.
  • the programming or determination of the path or the travel path can be done online or offline.
  • the desired travel path can be determined in particular by a teach-in device 320, by means of which desired target and intermediate points of the desired travel path can be approached by manually operating the operating elements of the control device or by operating a handheld programming device, with the teach-in device 320 stores the specified destination and intermediate points.
  • a teach-in device 320 stores the specified destination and intermediate points.
  • an experienced crane operator with the control console, the crane 2 or its load hook 208 along a desired traversing path between the end points. All coordinates or intermediate points reached in this way can be stored in the controller 3 .
  • the control device 3 of the crane 2 can then move to all stored destinations and intermediate points autonomously.
  • the travel path determination module 300 also has a playback device 330 for determining the desired travel path by manually moving the load hook along the desired travel path.
  • the automatic displacement control module 310 can advantageously take into account specifications of a sway damping device 340, wherein the mentioned sway damping device 340 can advantageously use the signals of the aforementioned detection device 60, which detects the deflection of the load hook 208 relative to the vertical 61.
  • control device 3 can be connected to an external, separate master computer 400 which can have access to a building data model in the sense of a BIM model and can provide digital data from this building data model to the control device 3 .
  • this digital data from the building data model can be used in particular to provide target and intermediate points for determining the desired travel path, which can dynamically take into account building data in various phases and working area limitations.
  • Said control device 3 of the crane 1 can be designed in particular to said drive devices of the hoist, the Trolley and the slewing gear to control even when said pendulum damping device 340 pendulum relevant movement parameters detected.
  • the crane 1 can use the aforementioned detection device 60, which detects a diagonal pull of the hoist rope 207 and/or deflections of the load hook 208 relative to the vertical 61, which passes through the suspension point of the load hook 208, ie the trolley 206.
  • the cable pull angle can be detected against the line of action of gravity, ie the vertical 61, cf. 1 .
  • control device 3 can control the slewing gear drive and the trolley drive with the aid of the sway damping device 340 in order to bring the trolley 206 back more or less exactly over the load hook 208 and compensate for or reduce pendulum movements or prevent them from occurring in the first place.
  • sway-damping device 340 can also have determination means 342 for determining dynamic deformations of structural components, control module 341 of sway-damping device 340, which influences the activation of the drive device in a sway-dampening manner, being designed to use the determined dynamic deformations of the structural components of the drive device when influencing the activation of the drive devices Crane to consider.
  • the determination means 342 can include an estimation device 343, which calculates the deformations and movements of the machine structure under dynamic loads, which change as a function of control commands entered at the control station and/or as a function of specific control actions of the drive devices and/or as a function of specific speed and/or or acceleration profiles of the drive devices result, taking into account the circumstances characterizing the crane structure.
  • a calculation unit 348 can Calculate structural deformations and the resulting structural part movements using a stored calculation model depending on the control commands entered at the control station.
  • the pendulum damping device 340 can also include a suitable sensor system 344, by means of which such elastic deformations and movements of structural components under dynamic loads are detected.
  • a sensor system 344 can include, for example, deformation sensors such as strain gauges on the steel construction of the crane, for example the lattice framework of the tower 201 or the jib 202 .
  • acceleration and/or speed sensors can be provided in order to detect specific movements of structural components such as pitching movements of the boom tip or rotary dynamic effects on boom 202 .
  • inclination sensors or gyroscopes can also be provided, for example on the tower 201, in particular on its upper section, on which the boom is mounted, in order to record the dynamics of the tower 201.
  • movement and/or acceleration sensors can also be assigned to the drive trains in order to be able to record the dynamics of the drive trains.
  • encoders can be assigned to the deflection pulleys of the trolley 206 for the hoist rope and/or deflection pulleys for a guy rope of a luffing jib, in order to be able to detect the actual rope speed at the relevant point.
  • the sway damping device 340 can include a filter device or an observer 345, which observes the crane reactions that occur with certain manipulated variables of the drive controllers 347 and taking into account predetermined laws of a dynamic model of the crane, which can fundamentally have different properties and can be generated by analyzing and simulating the Steel construction can be obtained, based on the observed crane reactions, influences the manipulated variables of the controller.
  • Such a filter or observer device 345 can be embodied in particular in the form of a so-called Kalman filter 346, to which the manipulated variables of the drive controller 347 of the crane and the crane movements, in particular the cable pull angle ⁇ relative to the vertical 62 and/or its change over time or the Angular velocity of said oblique pull, is supplied and which, from these input variables using Kalman equations that model the dynamic system of the crane structure, in particular its steel components and drive trains, influences the manipulated variables of the drive controller 347 accordingly in order to achieve the desired sway-damping effect.
  • Kalman filter 346 to which the manipulated variables of the drive controller 347 of the crane and the crane movements, in particular the cable pull angle ⁇ relative to the vertical 62 and/or its change over time or the Angular velocity of said oblique pull, is supplied and which, from these input variables using Kalman equations that model the dynamic system of the crane structure, in particular its steel components and drive trains, influences the manipulated variables of the drive controller 347 accordingly in
  • deformations and vibration forms of the tower crane under load can be dampened or avoided from the start, as described in 7 are shown by way of example, with partial view a.) first showing schematically a pitching deformation of the tower crane under load as a result of bending of the tower 201 with the associated lowering of the boom 202 and an associated diagonal pull of the hoist cable.
  • the pendulum damping device 340 can include an oblique pull control.
  • the position of the load hook 208, in particular its oblique pull relative to the vertical, that is, the Deflection of the hoisting rope 207 in relation to the vertical is detected and supplied to the Kalman filter 346 mentioned.
  • the position sensors can be designed to detect the load or the load hook 208 relative to a fixed world coordinate system and/or the anti-sway device 340 can be designed to position the load relative to a fixed world coordinate system.
  • the sway damping device 340 can be designed to correct the slewing gear and the trolley so that the cable is always perpendicular to the load, even if the crane is swayed by the increasing load moment tends more and more forward.
  • the pitching movement of the crane as a result of its deformation under the load can be taken into account and the trolley can be tracked taking into account the recorded load position or positioned with anticipatory estimation of the pitching deformation in such a way that the hoist rope is in the vertical position during the resulting crane deformation Lot is above the load.
  • the greatest static deflection occurs at the point where the load leaves the ground. In this case, diagonal pull control is no longer necessary.
  • the slewing gear can also be tracked, taking into account the detected load position, and/or positioned with anticipatory estimation of a transverse deformation in such a way that the hoist cable is perpendicular to the load during the resulting crane deformation.
  • Such an oblique pull control can be reactivated at a later point in time by the operator, who can then use the crane as a manipulator. This means that the load can only be lifted by pushing and/or pulling reposition.
  • the oblique tension control attempts to follow the deflection caused by the operator. This allows a manipulator control to be implemented.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, das einen Kran, insbesondere einen Turmdrehkran, und einen externen Leitrechner umfasst, wobei der Kran ausgestattet ist mit einem an einem Hubseil angebrachten Lastaufnahmemittel, Antriebseinrichtungen zum Bewegen mehrerer Kranelemente und Verfahren des Lastaufnahmemittels, sowie einer Steuervorrichtung zum Steuern der Antriebseinrichtungen derart, dass das Lastaufnahmemittel entlang eines Verfahrwegs zwischen zumindest zwei Zielpunkten verfährt.
  • Die Schrift DE 10 064 182 A1 zeigt ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem in einer vorherigen Fahrt des Krans im Rechner abgespeicherte Soll-Matrixpunkte von einem Bahnplanungsmodul verwendet werden, um unter Berücksichtigung von maximalen Beschleunigungen und Geschwindigkeiten der Verfahrantriebe eine Soll-Verfahrbahn zu planen. Eine Pendeldämpfungseinrichtung greift dann gegebenenfalls in die Betätigung der Verfahrantriebe nochmals ein, um ein Pendeln der Last zu vermeiden.
  • Ferner zeigt die Schrift DE 10 2005 002 192 A1 einen Containerkran, bei dem ein Fahrwegsplaner einen Verfahrweg in einer horizontalen Ebene um abgestellte Container herum festlegt und dabei die beiden Verfahrwegsschenkel im Übergangsbereich abrundet, um schneller verfahren zu können.
  • Weitere Krane mit Verfahrwegssteuerungen sind aus den Schriften US 2012/234781 A1 , US 2013/345857 A1 und DE 10 2004 045 749 A1 bekannt.
  • Um den Lasthaken eines Krans 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 kann, 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 oder Drehknöpfe und dergleichen betätigt und gesteuert, was erfahrungsgemäß viel Gefühl und Erfahrung benötigt, um die Zielpunkte rasch und dennoch sanft ohne größere Pendelbewegungen anzufahren. Zwischen den Zielpunkten soll dabei möglichst rasch gefahren werden, während am jeweiligen Zielpunkt sanft angehalten werden soll.
  • Ein solches Steuer 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 Betonierbereich, in dem der Betonkübel entleert wird, hin und her verfahren werden muss. Zum anderen kommt es bei nachlassender Konzentration oder auch nicht ausreichender Erfahrung mit dem jeweiligen Krantyp zu größeren Pendelbewegungen der aufgenommenen Last und damit zu einem entsprechenden Gefährdungspotential.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt hiervon ausgehend die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kran der eingangs genannten Art zu schaffen, der Nachteile des Standes der Technik vermeidet und Letzteren in vorteilhafter Weise weiterbildet. Insbesondere soll ein ermüdungsfreierer Kranbetrieb mit reduziertem Risiko unerwünschter Lastpendelbewegungen erreicht werden.
  • Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein System gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Es wird also vorgeschlagen, die Steuervorrichtung im Sinne eines Autopiloten auszubilden, der das Lastaufnahmemittel des Krans automatisch zwischen zumindest zwei Zielpunkten verfahren kann. In die Steuervorrichtung ist ein Automatikmodus implementiert, in dem die Steuervorrichtung ohne manuelle Betätigung der Bedienelemente des Steuerstands durch den Maschinenführer den Lasthaken bzw. das Lastaufnahmemittel zwischen den Zielpunkten verfährt. Erfindungsgemäß besitzt die Steuervorrichtung ein Verfahrweg-Bestimmungsmodul zum Bestimmen eines gewünschten Verfahrwegs zwischen den zumindest zwei Zielpunkten, und ein automatisches Verfahr-Steuer-Modul zum automatischen Verfahren des Lastaufnahmemittels entlang des bestimmten Verfahrwegs. Mit dem genannten Verfahrweg-Bestimmungsmodul kann zwischen zwei Zielpunkten interpoliert werden bzw. eine Berechnung von Zwischenstellungen vorgenommen werden, die den Verfahrweg zwischen zwei Zielpunkten näher bestimmen. Das Verfahr-Steuer-Modul steuert dann anhand der interpolierten bzw. berechneten Zwischenstellungen die Antriebsregler bzw. Antriebseinrichtungen an, um mit dem Lastaufnahmemittel die genannten Zwischenstellungen und Zielpunkte anzufahren bzw. den bestimmten Verfahrweg automatisch abzufahren.
  • Der genannte Automatikmodus der Steuervorrichtung vermeidet ein vorzeitiges Ermüden des Kranführers und erleichtert insbesondere monotone Arbeiten wie ein ständiges Hin- und Herfahren zwischen zwei festen Zielpunkten. Zum anderen können durch die automatische Bestimmung des Verfahrwegs zwischen den Zielpunkten und die Ansteuerung der Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit des solchermaßen festgelegten Verfahrwegs unerwünschte Pendelbewegungen der aufgenommenen Last durch ungeschickte Betätigung der manuellen Bedienelemente oder schlecht gewählte Verfahrwege vermieden werden.
  • Die Bestimmung des Verfahrwegs zwischen den Zielpunkten kann dabei grundsätzlich in verschiedener Art und Weise erfolgen. Beispielsweise kann das genannte Verfahrweg-Bestimmungsmodul ein PTP- bzw. Punkt-zu-Punkt-Steuermodul aufweisen, welches dazu ausgebildet ist, zwei Zielpunkte exakt anzufahren, wobei der Bahnverlauf zwischen den Punkten jedoch nicht fest definiert ist.
  • Ein solches PTP-Steuermodul kann hierbei eine Überschleiffunktion beinhalten, mittels derer der Verfahrweg so bestimmt wird, dass zum zeitoptimalen Verfahren ein definierter Zielpunkt nicht genau angefahren, sondern bei Erreichen dessen Überschleifbereichs zum nächsten Punkt abgebogen wird.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann die genannte Überschleiffunktion des PTP-Steuermoduls dabei asynchron arbeitend ausgebildet sein, so dass mit dem Überschleifen begonnen wird, wenn die letzte zu betätigende Antriebsachse bzw. Antriebseinrichtung die Raumkugel um den genannten Punkt herum erreicht. Alternativ kann die Überschleiffunktion auch synchron ausgebildet bzw. gesteuert sein, so dass mit dem Überschleifen begonnen wird, sobald die führende Bewegungs- bzw. Antriebsachse in die Raumkugel um den programmierten Punkt herum eindringt.
  • Alternativ oder zusätzlich zu dem genannten PTP-Steuermodul kann das Verfahrweg-Bestimmungsmodul jedoch auch ein Vielpunkt-Steuermodul aufweisen, welches zwischen zwei anzufahrenden Zielpunkten eine Vielzahl von Zwischenpunkten bestimmt, vorzugsweise derart, dass die genannten Zwischenpunkte eine dichte Folge von zeitäquidistanten Punkten bilden. Das Anfahren solcher zeitäquidistanten Zwischenpunkte, die in dichter Folge angeordnet sind, benötigt näherungsweise dieselbe Zeitspanne, so dass eine insgesamt harmonische Betätigung der Antriebseinrichtungen und damit ein harmonisches Verfahren der Kranelemente erreicht werden kann.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen Multipunkt-Steuermodul kann die Bestimmung des Verfahrweges auch durch ein Bahnsteuermodul erfolgen, welches eine kontinuierliche, mathematisch definierte Bewegungsbahn zwischen den Zielpunkten berechnet. Ein solches Bahnsteuermodul kann dabei einen Interpolator umfassen, der entsprechend einer vorgegebenen Bahnfunktion oder -teilfunktion beispielsweise in Form einer Geraden, eines Kreises oder eines Polynoms Zwischenwerte auf der berechneten Raumkurve ermittelt und sie an die Antriebseinrichtungen bzw. deren Antriebsregler gibt. Ein solcher Interpolator kann eine Linearinterpolation und/oder eine Kreisinterpolation und/oder eine Splineinterpolation und/oder Sonderinterpolationen, beispielsweise Bezier- oder Spiralinterpolationen ausführen, wobei dies mit oder ohne Überschleifen ausgeführt werden kann.
  • Die Programmierung bzw. Bestimmung der Bahnführung bzw. des Verfahrweges kann online oder offline erfolgen.
  • Bei einer Online-Programmierung kann die Bestimmung des gewünschten Verfahrweges insbesondere durch eine Teach-in-Einrichtung vorgenommen werden, mittels derer gewünschte Ziel- und Zwischenpunkte des gewünschten Verfahrweges durch manuelle Betätigung der Bedienelemente der Steuervorrichtung oder auch durch Betätigung eines Programmierhandgerätes angefahren werden, wobei die Teach-in-Einrichtung die genannten Ziel- und Zwischenpunkte speichert. Vorteilhafterweise kann ein erfahrener Kranführer mit der Steuerkonsole den Kran bzw. dessen Lasthaken entlang eines gewünschten Verfahrwegs zwischen den Endpunkten verfahren. Alle so erreichten Koordinaten bzw. Zwischenpunkte können in der Steuerung gespeichert werden. Im Automatikbetrieb kann die Steuervorrichtung des Krans dann alle gespeicherten Ziel- und Zwischenpunkte autonom anfahren.
  • Gemäß der Erfindung besitzt das Verfahrweg-Bestimmungsmodul eine Playback-Einrichtung zum Bestimmen des gewünschten Verfahrweges durch manuelles Verfahren des Lasthakens entlang des gewünschten Verfahrwegs. Während des manuellen Führens des Lasthakens entlang des gewünschten Verfahrwegs werden Koordinaten bzw. Zwischenpunkte aufgezeichnet, so dass die Steuervorrichtung des Krans die entsprechenden Bewegungen exakt wiederholen kann.
  • Zusätzlich können zur Online-Programmierung des gewünschten Verfahrweges auch noch weitere Maßnahmen ergriffen werden, beispielsweise eine Online-Programmierung vorgegebener Programmblöcke oder eine sensorgestützte Programmierung.
  • Eine Offline-Bestimmung des gewünschten Verfahrweges erfolgt gemäß der Erfindung durch Anbindung des Verfahrweg-Bestimmungsmoduls an einen externen Leitrechner , der Zugriff auf ein Bauwerkdatenmodell besitzt und auf Basis der digitalen Daten des Bauwerkdatenmodells Ziel- und/oder Zwischenpunkte für die Bestimmung des Verfahrweges bereitstellt. Anhand der aus dem Bauwerkdatenmodell bereitgestellten Ziel- und/oder Zwischenpunkte kann das Verfahrweg-Bestimmungsmodul dann in der zuvor erläuterten Weise den Verfahrweg bestimmen, beispielsweise durch PTP-Steuerung, Vielpunktsteuerung oder Bahnsteuerung.
  • In einem solchen Bauwerkdatenmodell, das auch als BIM-Modell bezeichnet wird, sind digitale Informationen über das zu errichtende bzw. zu bearbeitende Bauwerk enthalten, wobei es sich hierbei insbesondere um ein Gesamtmodell handelt, das in der Regel die dreidimensionalen Planungen aller Gewerke, den Zeitplan und auch den Kostenplan enthält. Solche Bauwerkdaten- bzw. BIM-Modelle sind in der Regel computerlesbare Dateien oder Dateikonglomerate und ggf. verarbeitende Computerprogrammbausteine zum Verarbeiten solcher Daten, in denen Informationen und Charakteristika, die das zu errichtende bzw. zu bearbeitende Bauwerk und dessen relevante Eigenschaften in Form digitaler Daten beschreiben. Anhand der vorteilhafterweise dreidimensionalen Bauwerkdaten, die als CAD-Daten vorliegen können, können für vorzunehmende Kranhübe die Zielpunkte bestimmt werden, wobei hierfür vorteilhafterweise ein Kranhub-Bestimmungsmodul vorhanden sein kann, das einerseits Zielpunkte für einen solchen Kranhub und deren Koordinaten identifiziert, beispielsweise die Anlieferungsstation eines Betonmischers und der Entleerbereich des Betonkübels für eine Betonieraufgabe. Zusätzlich werden dann für die Bestimmung des Verfahrwegs Bauwerksdaten, die die Geometrie des Bauwerks in der jeweiligen Bauphase wiedergeben, berücksichtigt, um Kollisionen mit bereits existierenden Konturen des Bauwerks zu vermeiden.
  • Sind solchermaßen die Zielpunkte und Kollisionen vermeidende Zwischenpunkte für den Verfahrweg identifiziert, können diese dem Verfahrweg-Bestimmungsmodul zur Verfügung gestellt werden, welches dann anhand dieser Ziel- und Zwischenpunkte in der bereits beschriebenen Weise den Verfahrweg bestimmt.
  • Für die Bestimmung des Verfahrwegs können auch Zwischenpunkte gesetzt werden, die Arbeitsbereichsbegrenzungen des Krans berücksichtigen, beispielsweise um Kollisionen mit anderen Kranen zu vermeiden. Solche Arbeitsbereichsbegrenzungen bzw. solche Arbeitsbereichsbegrenzungen definierende Daten können ebenfalls aus dem genannten Bauwerkdatenmodell gewonnen bzw. bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine manuelle Eingabe solcher Arbeitsbereichsbegrenzungen direkt am Kran möglich, die dann ebenfalls berücksichtigt werden können, wenn der gewünschte Verfahrweg für einen automatisierten Hub bestimmt und Zwischenpunkte hierfür gesetzt werden. Vorteilhafterweise können solche Arbeitsbereichsbegrenzungen auch dynamisch berücksichtigt werden, insbesondere wenn entsprechende digitale Daten für die Arbeitsbereichsbegrenzungen aus dem Bauwerkdatenmodell bzw. BIM-Modell bereitgestellt werden, welches Baufortschritte und sich ergebende Änderungen in verschiedenen Bauphasen berücksichtigt.
  • Das automatische Verfahr-Steuer-Modul der Steuervorrichtung des Krans kann grundsätzlich verschieden arbeiten, wobei das Verfahr-Steuer-Modul insbesondere autark arbeitend ausgebildet sein kann dahingehend, dass Verfahrgeschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen und die entsprechenden Ansteuersignale für die Antriebseinrichtungen nicht den Verfahrgeschwindigkeiten oder Beschleunigungen entsprechen müssen, die beispielsweise beim Teach-in-Prozess oder bei der Playback-Programmierung vorgegeben wurden. Das Verfahr-Steuer-Modul kann die Verfahrgeschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen der Antriebe autark bestimmen, insbesondere dahingehend, dass einerseits hohe Verfahrgeschwindigkeiten erreicht und die Leistung der Antriebseinrichtungen ausgenutzt wird, andererseits jedoch ein sanftes und pendelfreies Anfahren der Zielpunkte erreicht wird.
  • Insbesondere kann das genannte Verfahr-Steuer-Modul an eine Pendeldämpfungseinrichtung angebunden sein und/oder Vorgaben einer Pendeldämpfungseinrichtung berücksichtigen. Solche Pendeldämpfungseinrichtungen für Krane sind grundsätzlich 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, d.h. hinsichtlich der Ausbildung der Pendeldämpfungseinrichtung, ausdrücklich Bezug genommen wird.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann das Verfahr-Steuer-Modul zur Pendeldämpfung insbesondere den Auslenkwinkel bzw. den Schrägzug des Lasthakens des Krans gegenüber einer Vertikalen berücksichtigen, die durch die Laufkatze bzw. den Aufhängungspunkt des Hubseils gehen kann. Eine entsprechende Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Auslenkung des Lastaufnahmemittels gegenüber der Vertikalen kann beispielsweise optisch arbeitend ausgebildet sein und eine bildgebende Sensorik, beispielsweise eine Kamera aufweisen, 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.
  • Das genannte Verfahr-Steuer-Modul kann die solchermaßen bestimmten Auslenkung des Lasthakens berücksichtigen und die Antriebseinrichtungen derart ansteuern und/oder deren Beschleunigungen und Geschwindigkeiten derart bestimmen, dass die Auslenkungen des Lasthakens gegenüber der Vertikalen minimiert werden bzw. ein bestimmtes Maß nicht überschreiten.
  • Vorteilhafterweise kann die Positionssensorik dazu ausgebildet sein, die Last relativ zu einem fixen Weltkoordinatensystem zu erfassen und/oder die Verfahr-Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, die Last relativ zu einem fixem Weltkoordinatensystem zu postionieren.
  • Vorteilhafterweise kann eine Steuereinrichtung vorgesehen werden, welche die Last relativ zum fixen Weltkoordinatensystem oder dem Kranfundament positioniert und somit nicht direkt abhängig von der Kranstrukturschwingung und der Kranposition ist. Durch eine solche Steuereinrichtung wird die Lastposition von der Kranschwingung entkoppelt, wobei die Last nicht direkt relativ zum Kran, sondern relativ zum fixen Weltkoordinatensystem oder dem Kranfundament geführt wird.
  • Insbesondere können Strukturschwingungen des Krans bzw. dessen Strukturteile in der Steuereinrichtung mit berücksichtigt und durch das Fahrverhalten gedämpft werden. Dies wirkt sich wiederum schonend auf den Stahlbau aus, welcher dadurch weniger beansprucht wird.
  • Durch die Lastpositionserfassung kann dabei auch 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.
  • Insbesondere kann das Verfahr-Steuer-Modul bei den pendeldämpfenden Maßnahmen nicht nur die eigentliche Pendelbewegung des Seils an sich 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 Nachgiebigkeiten bei Beschleunigungen zeigt, und berücksichtigt diese Dynamik der Strukturteile des Krans bei der pendeldämpfenden Beeinflussung der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen.
  • Vorteilhafterweise kann die Pendeldämpfungseinrichtung Bestimmungsmittel zum Bestimmen von dynamischen Verformungen und Bewegungen von Strukturbauteilen unter dynamischen Lasten umfassen, wobei der Steuerbaustein der Pendeldämpfungseinrichtung, 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.
  • Die Pendeldämpfungseinrichtung betrachtet also vorteilhafterweise 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 eingegegebenen Steuerbefehlen und/oder in Abhängigkeit von bestimmten Ansteueraktionen der Antriebseinrichtungen und/oder in Abhängigkeit bestimmter Geschwindigkeits- 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 Antriebssträngen 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 Dynamikeffekte 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.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Berücksichtigung der Vorgaben einer Pendeldämpfungseinrichtung durch das Verfahr-Steuer-Modul können pendeldämpfende Maßnahmen auch bereits bei der Planung bzw. Bestimmung des gewünschten Verfahrwegs berücksichtigt werden. Beispielsweise kann das Verfahrweg-Bestimmungsmodul Knicke des Verfahrwegs runden oder Kurvenradien großzügig bemessen und/oder Schlangenlinien vermeiden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1:
    eine schematische Darstellung eines Turmdrehkrans, dessen Lasthaken zwischen zwei Zielpunkten in Form einer Betonanlieferungsstation und eines Betonierfelds hin und her zu verfahren ist,
    Fig. 2:
    ein schematisches Diagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise eines PTP-Steuermoduls, das den Verfahrweg im Sinne einer Punkt-zu-Punkt-Steuerung bestimmt,
    Fig. 3:
    ein schematisches Diagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise eines Vielpunkt-Steuermoduls, das den Verfahrweg im Sinne einer Vielpunkt-Steuerung bestimmt,
    Fig. 4:
    die durch eine Vielpunkt-Steuerung erzeugte Verfahrbahn, die durch eine dichte Folge von zeitäquidistanten Punkten definiert wird, und
    Fig. 5:
    zwei schematische Diagramme zur Verdeutlichung der Arbeitsweise eines Bahnsteuermoduls, das den Verfahrweg als kontinuierliche, mathematisch berechnete Bewegungsbahn bestimmt, wobei das Teildiagramm (a) eine Bahnsteuerung ohne Überschleifen und das Teildiagramm (b) eine Bahnsteuerung mit Überschleifen zeigt,
    Fig.6:
    eine schematische Darstellung eines Steuermoduls, das an den Lasthaken oder ein daran befestigtes Bauteil angedockt werden kann, um den Lasthaken an einem Zielpunkt feinjustieren zu können oder für eine Play-Back oder Teach-In Programmierung händisch entlang einer gewünschten Bahn verfahren zu können, und
    Fig. 7:
    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 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 der Lasthaken 208 und/oder ein daran aufgenommenes Bauteil wie beispielsweise ein Betonkübel händisch von einem Maschinenbediener mittels eines Handsteuermoduls 65 mit einem Handgriff 66 manipuliert, wie dies Fig. 6 zeigt, d.h. in eine Richtung gedrückt oder gezogen und/oder verdreht wird bzw. dies versucht wird, um ein händisches Feindirigieren der Lasthaken- und damit Betonkübelposition beispielsweise beim Betonieren zu ermöglichen.
  • 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.
  • 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 händisches Drücken oder Ziehen am Lasthaken 208 bzw. dem in Fig. 9 gezeigten Betonkübel 50, 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 den Drehwerksantrieb und den Laufkatzenantrieb ansteuern, um die Laufkatze 206 wieder mehr oder minder exakt über den Lasthaken 208 zu bringen, d.h. die Steuervorrichtung 3 steuert die Antriebsvorrichtungen des Krans 1 derart an, dass der Schrägzug bzw. die erfasste Auslenkung möglichst kompensiert wird. Hierdurch kann ein intuitives, einfaches Dirigieren und feines Einstellen der Position des Lasthakens und einer daran aufgenommenen Last erreicht werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die genannte Erfassungseinrichtung 60 auch das genannte Steuer-Modul 65 umfassen, das mobil ausgebildet und an den Lasthaken 208 und/oder eine daran angeschlagene Last andockbar ausgebildet sein kann. Wie Fig. 6 zeigt, kann ein solches Hand-teuer-Modul 65 beispielsweise einen Haltegriff 66 umfassen, der mittels geeigneter Haltemittel 67 vorzugsweise lösbar an dem Lastaufnahmemittel 208 und/oder einem daran angelenkten Bauteil wie beispielsweise dem Betonkübel befestigt werden kann. Die genannten Haltemittel 67 können beispielsweise Magnethalter, Saugnäpfe, Rasthalter, Bajonettverschlusshalter oder ähnliches umfassen.
  • Dem genannten Haltegriff 66 können Kraft- und/oder Momentensensoren 68 und ggf. bei einer möglichen beweglichen Lagerung oder Ausbildung des Haltegriffs 66 auch Bewegungssensoren zugeordnet sein, mittels derer auf den Haltegriff 66 ausgeübte Kräfte und/oder Momente und/oder Bewegungen erfasst werden können. Die dem Haltegriff 66 zugeordnete Sensorik ist dabei vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass die Kräfte und/oder Momente und/oder Bewegungen hinsichtlich ihrer Wirkrichtung und/oder betragsmäßigen Größe erfasst werden können, vgl. Fig. 6.
  • Anhand der am Haltegriff 66 ausgeübten Manipulationskräfte und/oder -momente und/oder -bewegungen, die von der Erfassungseinrichtung 60 erfasst werden, kann die Steuervorrichtung 3 die Antriebseinrichtungen des Krans 1 derart ansteuern, dass die erfassten händischen Manipulationen in motorische Kranstellbewegungen umgesetzt werden.
  • Das solchermaßen ermöglichte manuelle Dirigieren des Betonkübels bzw. des Lastaufnahmemittels 208 ermöglicht es einerseits, automatisiert angefahrene Zielpositionen nochmals fein nachzujustieren. Andererseits ermöglicht es auch ein Bestimmen des gewünschten Verfahrweges zwischen zwei Zielpunkten im Sinne einer Playback-Steuerung.
  • Um automatisierte Kranhübe ausführen zu können, beispielsweise zwischen der Betonanlieferungsstation und der Betonierfläche automatisch hin und her fahren zu können, umfasst die Steuervorrichtung 3 ein Verfahrweg-Bestimmungsmodul 300 zum Bestimmen eines gewünschten Verfahrwegs zwischen zumindest zwei Zielpunkten sowie ein automatisches Verfahr-Steuer-Modul 310 zum automatischen Verfahren des Lastaufnahmemittels entlang des bestimmten Verfahrwegs durch entsprechendes Ansteuern der Antriebseinrichtung des Krans 200.
  • Um verschiedene Betriebsarten zu ermöglichen, kann das genannte Verfahrweg-Bestimmungsmodul 300 verschiedene Arbeitsmodi haben und entsprechende Module aufweisen, insbesondere ein PTP- bzw. Punkt-zu-Punkt-Steuermodul 301, ein Vielpunkt-Steuermodul 302 und ein Bahnsteuermodul 303, vgl. Fig. 1.
  • Ein solches PTP-Steuermodul 301 kann hierbei eine Überschleiffunktion beinhalten, mittels derer der Verfahrweg so bestimmt wird, dass zum zeitoptimalen Verfahren ein definierter Zielpunkt nicht genau angefahren, sondern bei Erreichen dessen Überschleifbereichs zum nächsten Punkt abgebogen wird, vgl. Fig. 2.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann die genannte Überschleiffunktion des PTP-Steuermoduls 301 dabei asynchron arbeitend ausgebildet sein, so dass mit dem Überschleifen begonnen wird, wenn die letzte zu betätigende Antriebsachse bzw. Antriebseinrichtung die Raumkugel um den genannten Punkt herum erreicht. Alternativ kann die Überschleiffunktion auch synchron ausgebildet bzw. gesteuert sein, so dass mit dem Überschleifen begonnen wird, sobald die führende Bewegungs- bzw. Antriebsachse in die Raumkugel um den programmierten Punkt herum eindringt.
  • Alternativ oder zusätzlich zu dem genannten PTP-Steuermodul 301 kann das Verfahrweg-Bestimmungsmodul 300 jedoch auch ein Vielpunkt-Steuermodul 302 aufweisen, vgl. Fig. 3, welches zwischen zwei anzufahrenden Zielpunkten 500, 510 eine Vielzahl von Zwischenpunkten 501, 502, 503, 504 ...n bestimmt, vorzugsweise derart, dass die genannten Zwischenpunkte 501, 502, 503, 504 ...n eine dichte Folge von zeitäquidistanten Punkten bilden, vgl. Fig. 4. Das Anfahren solcher zeitäquidistanten Zwischenpunkte 501, 502, 503, 504 ...n , die in dichter Folge angeordnet sind, benötigt näherungsweise dieselbe Zeitspanne, so dass eine insgesamt harmonische Betätigung der Antriebseinrichtungen und damit ein harmonisches Verfahren der Kranelemente erreicht werden kann.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einem solchen Multipunkt-Steuermodul 302 kann die Bestimmung des Verfahrweges auch durch ein Bahnsteuermodul 303 erfolgen, welches eine kontinuierliche, mathematisch definierte Bewegungsbahn zwischen den Zielpunkten berechnet, vgl. Fig. 5. Ein solches Bahnsteuermodul kann dabei einen Interpolator umfassen, der entsprechend einer vorgegebenen Bahnfunktion oder -teilfunktion beispielsweise in Form einer Geraden, eines Kreises oder eines Polynoms Zwischenwerte auf der berechneten Raumkurve ermittelt und sie an die Antriebseinrichtungen bzw. deren Antriebsregler gibt. Ein solcher Interpolator kann eine Linearinterpolation und/oder eine Kreisinterpolation und/oder eine Splineinterpolation und/oder Sonderinterpolationen, beispielsweise Bezier- oder Spiralinterpolationen ausführen, wobei dies mit oder ohne Überschleifen ausgeführt werden kann. Fig. 5a zeigt eine Bahn ohne Überschleifen, Fig. 5b eine Bahn mit Überschleifen.
  • Die Programmierung bzw. Bestimmung der Bahnführung bzw. des Verfahrweges kann online oder offline erfolgen.
  • Bei einer Online-Programmierung kann die Bestimmung des gewünschten Verfahrweges insbesondere durch eine Teach-in-Einrichtung 320 vorgenommen werden, mittels derer gewünschte Ziel- und Zwischenpunkte des gewünschten Verfahrweges durch manuelle Betätigung der Bedienelemente der Steuervorrichtung oder auch durch Betätigung eines Programmierhandgerätes angefahren werden, wobei die Teach-in-Einrichtung 320 die genannten Ziel- und Zwischenpunkte speichert. Vorteilhafterweise kann ein erfahrener Kranführer mit der Steuerkonsole den Kran 2 bzw. dessen Lasthaken 208 entlang eines gewünschten Verfahrwegs zwischen den Endpunkten verfahren. Alle so erreichten Koordinaten bzw. Zwischenpunkte können in der Steuerung 3 gespeichert werden. Im Automatikbetrieb kann die Steuervorrichtung 3 des Krans 2 dann alle gespeicherten Ziel- und Zwischenpunkte autonom anfahren.
  • Gemäß der Erfindung weist das Verfahrweg-Bestimmungsmodul 300 auch eine Playback-Einrichtung 330 zum Bestimmen des gewünschten Verfahrweges durch manuelles Verfahren des Lasthakens entlang des gewünschten Verfahrwegs auf.
  • Während des manuellen Führens des Lasthakens 208 entlang des gewünschten Verfahrwegs, was beispielsweise mittels des Handsteuermoduls 65, vgl. Fig. 6, erfolgen kann, werden Koordinaten bzw. Zwischenpunkte aufgezeichnet, so dass die Steuervorrichtung 3des Krans 2 die entsprechenden Bewegungen exakt wiederholen kann.
  • Das automatische Verfahr-Steuer-Modul 310 kann vorteilhafterweise Vorgaben einer Pendeldämpfungseinrichtung 340 berücksichtigen, wobei die genannte Pendeldämpfungseinrichtung 340 vorteilhafterweise die Signale der vorgenannten Erfassungseinrichtung 60 nutzen kann, die die Auslenkung des Lasthakens 208 gegenüber der Vertikalen 61 erfasst.
  • Wie Fig. 1 ferner zeigt, ist kann die Steuervorrichtung 3 an einen externen, separaten Leitrechner 400 angebunden, der Zugriff auf ein Bauwerkdatenmodell im Sinne eines BIM-Modells haben kann und digitale Daten aus diesem Bauwerkdatenmodell der Steuervorrichtung 3 bereitstellen kann. In der eingangs erläuterten Weise können diese digitalen Daten aus dem Bauwerkdatenmodell insbesondere dazu genutzt werden, für die Bestimmung des gewünschten Verfahrwegs Ziel- und Zwischenpunkte bereitzustellen, die Bauwerksdaten in verschiedenen Phasen und Arbeitsbereichsbegrenzungen dynamisch berücksichtigen 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 die genannte Pendeldämpfungseinrichtung 340 pendelrelevante Bewegungsparameter erfaßt.
  • Hierzu kann der Kran 1 die genannte Erfassungseinrichtung 60 nutzen, die einen Schrägzug des Hubseils 207 und/oder Auslenkungen des Lasthakens 208 gegenüber der Vertikalen 61, die durch den Aufhängungspunkt des Lasthakens 208, d.h. die Laufkatze 206 geht, erfasst. Insbesondere kann der Seilzugwinkel gegen die Schwerkraftwirklinie, d.h. die Vertikale 61 erfaßt werden, vgl. Fig. 1.
  • 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, bzw. zu reduzieren oder gar nicht erst eintreten zu lassen.
  • Hierzu kann die Pendeldämpfungseinrichtung 340 auch Bestimmungsmittel 342 zum Bestimmen von dynamischen Verformungen von Strukturbauteilen aufweisen, 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 Antriebseinrichtungen und/oder in Abhängigkeit bestimmter Geschwindigkeits- und/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 Bewegungs- 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.
  • Insbesondere kann die Pendeldämpfungseinrichtung 340 eine Filtereinrichtung bzw. einen Beobachter 345 umfassen, 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 345 kann insbesondere in Form eines sogenannten Kalmanfilters 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 Kalman-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. 7 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. 7 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. 7 in ihren Teilansichten d.) und e.) einen mit solchen Querverformungen verknüpften Schrägzug des Hubseils.
  • Um der entsprechenden Schwingungsdynamik entgegenzuwirken, kann die Pendeldämpfungseinrichtung 340 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 Kalmanfilter 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 340 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 340 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.

Claims (15)

  1. System, das einen Kran, insbesondere Turmdrehkran, und einen externen Leitrechner umfasst, wobei der Kran ausgestattet ist mit einem an einem Hubseil (207) angebrachten Lastaufnahmemittel (208), Antriebseinrichtungen zum Bewegen mehrerer Kranelemente und Verfahren des Lastaufnahmemittels (208), sowie einer Steuervorrichtung (3) zum Steuern der Antriebseinrichtungen derart, dass das Lastaufnahmemittel (208) entlang eines Verfahrwegs zwischen zumindest zwei Zielpunkten (500, 510) verfährt, wobei die Steuervorrichtung (3)
    - ein Verfahrweg-Bestimmungsmodul (300) zum Bestimmen eines gewünschten Verfahrwegs zwischen den zumindest zwei Zielpunkten (500, 510), das mit einer Playback-Einrichtung (330) zum Bestimmen des gewünschten Verfahrwegs und/oder gewünschter Ziel- und Zwischenpunkte (500 ... 510) des Verfahrwegs durch manuelles Verfahren des Lastaufnahmemittels entlang des gewünschten Verfahrwegs verbunden ist, und
    - ein automatisches Verfahr-Steuer-Modul (310) zum automatischen Verfahren des Lastaufnahmemittels (208) entlang des bestimmten Verfahrwegs aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahrweg-Bestimmungsmodul (300) an dem externen Leitrechner (400) angebunden ist, der Zugriff auf ein Bauwerkdatenmodell (BIM) besitzt und Ziel- und Zwischenpunkte (500 ... 510) für die Bestimmung des Verfahrwegs bereitstellt, wobei von dem Leitrechner (400) zyklisch oder kontinuierlich aktualisierte Daten betreffend die Bauwerkskonturen verschiedener Bauphasen bereitgestellt werden und das Verfahrweg-Bestimmungsmodul dazu ausgebildet ist, bei der Bestimmung des Verfahrwegs die aktualisierten Daten betreffend die Bauwerkskonturen zu berücksichtigen.
  2. System nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Verfahrweg-Bestimmungsmodul (300) ein Punkt-zu-Punkt-Steuermodul (301) zum Bestimmen des Verfahrwegs zwischen den Zielpunkten (500, 510) aufweist, wobei das Punkt-zu-Punkt-Steuermodul (301) eine Überschleiffunktion aufweist und asynchron arbeitend ausgebildet ist derart, dass bei Erreichen eines Überschleifbereichs eines Zielpunkts ohne genaues Anfahren dieses Zielpunkts zum nächsten Zielpunkt abgebogen wird, wobei mit dem Überschleifen begonnen wird, wenn die letzte Bewegungsachse eine Raumkugel um den Zielpunkt erreicht, oder synchron arbeitend ausgebildet ist derart, dass bei Erreichen eines Überschleifbereichs eines Zielpunkts ohne genaues Anfahren dieses Zielpunkts zum nächsten Zielpunkt abgebogen wird, wobei mit dem Überschleifen begonnen wird, wenn die führende Bewegungsachse eine Raumkugel um den Zielpunkt erreicht.
  3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahrweg-Bestimmungsmodul (300) ein Vielpunkt-Steuermodul (302) zum Bestimmen einer Vielzahl von Zwischenpunkten (501, 502, 503 ...) zwischen zwei Zielpunkten (500, 510) aufweist, wobei das Vielpunkt-Steuermodul (302) dazu ausgebildet ist, die Vielzahl der Zwischenpunkte äquidistant voneinander festzulegen.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahrweg-Bestimmungsmodul (300) ein Bahnsteuermodul (303) zum Bestimmen einer kontinuierlichen, mathematisch definierten Bahn zwischen zwei Zielpunkten (500, 510) aufweist.
  5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahrweg-Bestimmungsmodul (300) mit einer Teach-in-Einrichtung (320) zum Bestimmen des gewünschten Verfahrwegs durch manuelles Anfahren der gewünschten Ziel- und Zwischenpunkte (500 ... 510) verbunden ist.
  6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahrweg-Bestimmungsmodul (300) dazu ausgebildet ist, Arbeitsbereichsbegrenzungen zu berücksichtigen und den Verfahrweg um Arbeitsbereichsbegrenzungen herum zu bestimmen.
  7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Pendeldämpfungseinrichtung (340) vorgesehen ist, wobei das automatische Verfahr-Steuer-Modul (310) Vorgaben und/oder ein Signal der Pendeldämpfungseinrichtung (340) bei der Ansteuerung der Antriebseinrichtungen und der Bestimmung der Verfahrgeschwindigkeiten und/oder -beschleunigungen der Antriebseinrichtungen berücksichtigt.
  8. System nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Pendeldämpfungseinrichtung (340) eine Erfassungseinrichtung (60) zum Erfassen der Auslenkung des Hubseils (207) und/oder des Lastaufnahmemittels (208) gegenüber einer Vertikalen (61) durch einen Aufhängungspunkt des Hubseils (207) aufweist, wobei das automatische Verfahr-Steuer-Modul (310) die Antriebseinrichtungen in Abhängigkeit eines Auslenkungs- und/oder Schrägzugsignals der genannten Erfassungseinrichtung (61) ansteuert.
  9. System nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei 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.
  10. System 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.
  11. System 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.
  12. System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, 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, und/oder eine Berechnungseinheit (348), die Strukturverformungen und sich daraus ergebende Strukturteilbewegungen anhand eines gespeicherten Berechnungsmodells in Abhängigkeit von am Steuerstand eingegebenen Steuerbefehle berechnet, und/oder eine Sensorik (344) zum Erfassen der Verformungen und/oder Dynamikparameter der Strukturbauteile aufweisen.
  13. System nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Sensorik (344) einen Neigungs- und/oder Beschleunigungssensor zum Erfassen von Turmneigungen und/oder -geschwindigkeiten, einen Drehgeschwindigkeits- und/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 Seilgeschwindigkeits- und/oder -beschleunigungssensor zum Erfassen von Seilgeschwindigkeiten und/oder-beschleunigungen des Hubseils (207) aufweist.
  14. System nach einem der Ansprüche 9 bis 13 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, wobei die Filter- und/oder Beobachtereinrichtung (345) als Kalman-Filter (346) ausgebildet ist, wobei in dem Kalman-Filter (346) erfasste und/oder geschätzte und/oder berechnete und/oder simulierte Funktionen, die die Dynamik der Strukturbauteile des Krans charakterisieren, implementiert sind.
  15. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (3) 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 fixen Weltkoordinatensystem zu postionieren.
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