DE19918449A1 - Verfahren und Lasthebesystem zur Feinpositionierung und aktiven Pendeldämpfung von Lasten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Lasthebesystem mit mehreren zusammenwirkenden Lasthebemitteln zur Feinpositionierung und aktiven Pendeldämpfung von Lasten, wobei sich die Lasten in allen 6 Freiheitsgraden, abhängig von äußeren und inneren Einflüssen, bewegen können. DOLLAR A Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle der einzelnen 6 Freiheitsgrade möglicher Lastbewegungen entkoppelt und in separat getrennten Kanälen gesteuert werden. DOLLAR A Das Lasthebesystem ist dadurch gekennzeichnet, daß für jeden einzelnen Freiheitsgrad jeweils ein Regelungssystem und ein Regler zur Feinpositionierung der Last und ein Regler zur Pendeldämpfung der Last angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Lasthebesystem mit mehreren zusam­ menwirkenden Lasthebemitteln zur Feinpositionierung und aktiven Pendeldämpfung von Lasten.

Insbesondere bei Hubeinrichtungen für den vollautomatischen Containerumschlag dienen solche verstellbaren Lasthebesysteme dazu, die Behälter mittels Feinposi­ tionierung zielgenau und in kürzester Zeit abzusetzen, aufzunehmen und zu stapeln, obwohl äußere Störeinflüsse, wie z. B. Windkräfte, Massenträgheitskräfte (beim Beschleunigen oder Bremsen von Kran- oder Katzfahrwerk) und exzentrische Bela­ dung die Behälter in alle beliebige Raumrichtungen verschieben, verdrehen und zum Pendeln anregen können.

Bekannt sind z. B. Krane mit einem sogenannten Seilschacht, bei dem mehrere Hubseile schräg verspannt sind. Wegen dieser schrägen Seilverspannungen haben Hebesysteme mit Seilschacht schon eine natürliche Steifigkeit und Stabilität in alle Raumrichtungen, sie genügen aber trotzdem noch nicht ganz den Anforderungen für einen vollautomatischen Lastumschlag, wo es auf schnelle und präzise Lastpositio­ nierung trotz Pendelneigung und Störkräften ankommt. Daher gibt es die verschie­ densten Bemühungen, durch Verstellmechanismen (Stellglieder), z. B. durch Hy­ draulikzylinder, Gewindespindelantriebe, verstellbare Umlenkrollen, Kipphebel, ver­ schiebbare Gestelle o. ä. die Seile zu beeinflussen und damit die Last genau zu positionieren und Lastpendelungen zu dämpfen.

Dazu ist eine Vielzahl der verschiedensten Lösungen bekannt. Jedes einzelne die­ ser bekannten Systeme hat aber für sich genommen bestimmte Nachteile, die den Erfordernissen eines präzisen und schnellen automatischen Containerumschlags entgegenstehen:

Es gibt viele Systeme, welche die Problemstellung zwar von unterschiedlichen Richtungen her angehen, z. B. Seilführungen, Stellglieder, Sensorik, Pendeldämp­ fung usw. und die in Teilbereichen Verbesserungen gebracht haben, ohne jedoch die Problematik in ihrer Gesamtheit zu sehen und ein übergeordnetes Gesamtsy­ stem anzugeben. Sie sind daher nur als Teilsysteme für bestimmte Anforderungen geeignet.

Bekannt sind diverse Sensorsysteme zur Lageerkennung der Last mittels Ka­ meras und Bildverarbeitungssystemen, Laserstrahlen, Radarsystemen oder Mi­ krowellenmeßeinheiten, z. B. DE 44 27 138 A1, EP 0 822 158 A1, EP 0 869 096 A2, DE 196 31 623 C2, DE 196 14 248 A1, DE 38 16 988.6. Sie ermitteln zwar die Istwerte der Lastposition bzw. deren Abweichung vom Ziel für bestimmte Raumkoordinaten, machen aber nur sehr unzureichende Angaben dazu, wie man damit die Last rasch und präzise entgegen den Störeinflüssen positionieren kann.

Andere Anmeldungen wie DE 195 21 066. 2, EP 0866 022 A2 beschränken sich auf ausführliche Angaben zu möglichen Seilführungen und Stellgliedern, machen aber keine Angaben dazu, wie die einzelnen Stellglieder für eine präzise Feinpositionierung anzusteuern sind. Insbesondere die für einen automatischen Containerumschlag notwendigen geschlossenen Regelschleifen, die mittels einer Sensorik die Abweichungen der Last aus ihrer Sollposition er­ kennen und die einzelnen Stellglieder permanent nachregeln, um Seildeh­ nungsänderungen wegen Störkräften (z. B. Windtasten) und Änderungen der Seilgeometrie bei unterschiedlichen Hubhöhen auszugleichen, werden dort nicht angegeben.

Wieder andere Anmeldungen sind reine Pendeldämpfungssysteme ohne Fein­ positionierung der Last. Auslenkungen wegen Windlasten oder exzentrischer Beladung werden nicht kompensiert, ein vollautomatischer Umschlag der Last ist also kaum möglich. Sie haben außerdem oft eine aufwendige Hydraulik oder Me­ chanik (zusätzliche Stabilisierungsseile, verschiebbare Gelenkrahmen, bewegli­ che Zusatzmassen auf dem Lastaufnahmemittel), siehe DE 31 26 206, DE 197 21 136, DE 42 36 696, EP 0 841 296.

• 1. Es sind aber auch Gesamtsysteme zum zielgenauen Positionieren und Stapeln von Behältern bekannt. Diese haben meistens einen sehr großen mechanischen bzw. maschinenbaulichen Aufwand, der stör- und verschleißanfällig ist und er­ hebliche, unerwünschte Zusatzlasten auf der Krankatze oder dem Lastaufnah­ memittel aufweist. Hierzu einige Beispiele:

Bekannt sind z. B. Krane, bei denen Feinpositionierung und Pendeldämpfung der Last mit schräg verspannten zusätzlichen Hilfs- und Stabilisierungs- oder Führungs­ seilen geschehen.

PCT WO 97/08094 zeigt so ein System, das wegen seiner Hilfsseile recht aufwen­ dig ist. DE 43 25 946 C2 bzw. EP 0 638 510 A1 zeigt 2 Varianten: Einmal ebenfalls mit zusätzlichen Führungsseilen mit eigenen Seiltrommeln und Antrieben, zum an­ deren durch Verstellung der Tragseile mit zwei zusätzlichen Verschiebeplatten, die an einem von der Katze abgehängten Gestell erheblicher Größe und Gewichtes angebracht sind und die durch Hydraulikzylinder verschoben werden. Beide Vari­ anten sind ebenfalls mechanisch sehr aufwendig.

Als Gesamtsystem bekannt ist auch DE 44 23 797 A1, bei welchem mittels einer Sensorik die Lage des Behälters erfasst wird und in einem geschlossenen Positi­ onsregelkreis die durch Störkräfte verursachten Abweichungen kontinuierlich aus­ geregelt werden. Bei diesem System befindet sich jedoch der Stellmechanismus ungünstig auf dem Lastaufnahmemittel statt auf der Katze und verstellt das Lastauf­ nahmemittel anstatt der Seile. Dabei gibt bei Verstellung der Last der Seilschacht nach, da der Schwerpunkt der Last sich immer zur tiefstmöglichen Stelle zurückbe­ wegt. Dieser Effekt wirkt dann der der eigentlich gewollten Verstellung entgegen und kann zur Folge haben, das die Last nicht mehr waagrecht hängt, einzelne Seile des Seilschachtes schlaff werden und der Seilschacht u. U. sogar kippen kann. Außer­ dem erhöhen die Stellmechanismen und die zugehörige Hydraulikstation auf dem Lastaufnahmemittel das Gewicht, so daß das Hubwerk stärker ausgelegt werden muß.

Weiterhin ist in EP 0 865 406 A1 ebenfalls ein Gesamtsystem angeben, bestehend aus Seilschacht, Stellgliedern, Elektronischer Steuerung/ Regelung und Sensorik zur Positionserfassung. Während der Seilschacht sehr genau beschrieben ist und seine natürliche Steifigkeit hervorgehoben wird, sind jedoch die Ansprüche für Stell­ glieder, Steuerung/Regelung und Sensorik ganz allgemein gehalten und nicht weiter beschrieben. Selbst versierte Fachleute werden an Hand dieser Schrift ein solches System nicht ohne weiteres bauen können. Außerdem sind die Seilführungen äu­ ßerst aufwendig und kompliziert über eine sehr große Zahl von Umlenkrollen ge­ führt, wie z. B. die Fig. 4 und 8 der angegebenen Anmeldung EP 0 865 406 A1 zeigen. Der mechanische Aufwand ist also kaum tragbar.

• 1. Außerdem können die bekannten Lösungen die Last meistens nur in einigen we­ nigen der 6 möglichen Freiheitsgrade der Lastbewegung beeinflussen. Die Frei­ heitsgrade sind bekanntlich:
  1. Freiheitsgrad: z (Verschiebung vertikal in z-Richtung, Hubrichtung)
  2. Freiheitsgrad: x (Verschiebung horizontal in Richtung Querachse der Last, Katzfahrrichtung)
  3. Freiheitsgrad: y (Verschiebung horizontal in Richtung Längsachse der Last, Kranfahrrichtung)
  4. Freiheitsgrad: phi (Drehung um die z-Achse, Gieren, engl.: Skew oder Yaw)
  5. Freiheitsgrad: psi (Drehung um die x-Achse, Nicken, engl.: Trim oder Roll)
  6. Freiheitsgrad: rho (Drehung um die y-Achse, Rollen, engl.: List oder Pitch)

Im folgenden einige Beispiele hierzu:

DE 38 30 429 C2 beschreibt ein rein hydraulisches System, welches wegen seiner speziellen Seilführung nur die Drehbewegungen phi, psi und rho verstellen und die entsprechenden Drehschwingungen bedämpfen kann. Außerdem ist keine Sensorik zur Positionserfassung der Last und damit keine Rückkopplung zur präzisen Fein­ positionierung vorhanden.

DE 195 21 066. 2 verstellt nur x, y und phi.

PCT WO 97/08094 positioniert und dämpft ebenfalls nur x, y, und phi.

DE 43 25 946 C2 bzw. EP 0 638 510 A1 dämpft und verstellt nur x und y, also kei­ nerlei Drehbewegungen oder Drehschwingungen.

Wegen Bodenunebenheiten schräg stehende Container müssen jedoch auch auf­ genommen werden können. Lasten, die wegen exzentrischer Beladung schräg hän­ gen, müssen zum Stapeln waagrecht ausgerichtet werden können. Dazu sind auch die Verstellungen der Freiheitsgrade psi und rho notwendig. Für einen vernünftigen vollautomatischen Containerumschlag ist also eine Beeinflussung aller 6 Freiheits­ grade erforderlich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und ein Lasthebesystem zu ent­ wickeln, das eine funktionssichere Feinpositionierung und aktive Pendeldämpfung von Lasten realisiert, die sich in allen 6 Freiheitsgraden, abhängig von äußeren und inneren Einflüssen, bewegen können.

Die Aufgabe wird durch die Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausge­ staltungen sind in den Ünteransprüchen beschrieben.

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile realisiert:

• 1. Die Last wird in allen 6 möglichen Freiheitsgraden ihrer Bewegung kontrolliert, d. h. in allen Achsen verstellt, wichtige Positionsabweichungen durch Rückkopp­ lung von Sensorsignalen genau ausregelt und Pendelungen gedämpft.
• 2. Der mechanische Aufwand ist dafür deutlich geringer und die Seilführungen ein­ facher gegenüber bisher bekannten Systemen.
• 3. Dadurch sind die Zusatzlasten auf der Laufkatze und dem Lastaufnahmemittel ebenfalls klein.
• 4. Das System erlaubt im Prinzip beliebige Seilführungen.
• 5. Der Seilschacht wird trotz Verstellung in allen Seilen stabil gehalten, so daß er nicht kippt.
• 6. Die Komplexitäten des Systems verlagern sich von der Mechanik oder Hydraulik weg in eine elektronische Steuerung, wo notwendige Struktur- oder Parameter­ anpassungen des Systems, z. B. während der Inbetriebnahme oder bei der Pro­ jektierung weiterer, modifizierter Krane, wesentlich einfacher durchzuführen sind.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze mit Stellgliedern und Seilführungen,

Fig. 2 eine Seitenansicht,

Fig. 3 eine Steuerung bei optischer Erfassung der Lastposition und

Fig. 4 eine Steuerung bei optischer Erfassung der Lastposition und zusätzlicher Seilkraftmessung.

In der beispielhaften Ausführung besteht das Lasthebesystem eines Containerkra­ nes aus einem Seilschacht mit 8 schrägverspannten Seilen, deren Seilendpunkte über Umlenkrollen am Lastaufnahmemittel nach oben zur Laufkatze zurückgeführt und dort an 8 Hydraulikzylindern 1-8 befestigt sind. Die Seilenden können also mit den Hydraulikzylindern verstellt werden.

Somit sind die Hydraulikzylinder die Stellglieder für die Lastpositionierung. Jeder einzelne dieser Zylinder 1-8 hat eine eigene Positionsregelung für seine Kolben­ stellung, bestehend aus Lagegeber, Positionsregler 31-38 und elektrisch ansteuer­ barem Proportional- oder Servoventil. Die Positionsregler 31-38 für die Hydraulikzy­ linder sind als Software in einer speicherprogrammierbaren Steuerung implemen­ tiert.

Die Istposition der Last wird entweder relativ zur Katze oder relativ zum Transport­ mittel von einem Sensorsystem erfasst, welches, wie z. B. in EP 0 822 158 A1 be­ schrieben, aus Bildverarbeitungskameras, Entfernungsmessern, Laserscannern o. ä. besteht. Es sind auch andere Meßeinrichtungen nach anderen Prinzipien mög­ lich. Wichtig ist nur, daß die Istpositionen der Last 82-84 in Form ständig aktuali­ sierte Zahlen in der speicherprogrammierbaren Steuerung zur Verfügung stehen, und zwar für diejenigen Freiheitsgrade, die in einem geschlossenen Regelkreis prä­ zise ausgeregelt werden sollen. In praktischen Anwendungen sind das meistens die Freiheitsgrade x, y und phi. Das im Beispiel verwendete Sensorsystem liefert genau diese Istwerte für die x-Verschiebung 82, y-Verschiebung 83 und die Verdrehung um die Vertikalachse 84, denn diese sind für den vollautomatischen Containerum­ schlag die wichtigsten.

Die übrigen 3 Freiheitsgrade z, psi und rho können im angegebenen Beispiel auch gesteuert werden, es gibt jedoch für sie keine Rückkopplung von der Sensorik in diesem Beispiel. Bei Erweiterung der Sensorik, z. B. durch Lastmeßbolzen für die Seilkräfte, können aber auch diese Freiheitsgrade in geschlossenen Regelschleifen mit Rückkopplung betrieben werden.

Diese Variante wird weiter unten beschrieben. Die Steuerung der 3 sensorlosen Freiheitsgrade geschieht, indem man die Stellsollwerte 61, 65 und 66 für diese Freiheitsgrade durch eine Handsteuerung verändert. Das wird dann notwendig sein, wenn sich wegen Alterung der Seile unterschiedliche Seillängungen ergeben haben, die dann ab und zu von Hand ausgeglichen werden müssen. Mit der Handsteuerung kann dann das Lasthebemittel wieder in eine waagrechte Position gebracht werden. Wichtig ist die psi- und rho- Verstellung auch, wenn ein wegen Bodenunebenheiten schräg stehender Container aufgenommen werden soll, denn dann muß das Last­ aufnahmemittel entsprechen schräg gestellt werden, oder wenn eine wegen exzen­ trischer Beladung schräg hängende Last gestapelt werden soll und dazu waagrecht ausgerichtet werden muß. Den Stellsollwert 61 für die Vertikalposition z wird man so vorgeben, daß die Zylinderkolben möglichst eine mittlere Position einnehmen und so nach oben und unten ausreichender Stellweg für die automatischen Regler bleibt.

Die Istwerte 82, 83, 84 der Lastposition (von den Meßkameras) werden mit den Sollwerten für die Lastposition 122, 123, 124 verglichen und die Differenz den Posi­ tionsreglern 102, 103, 104 zur Feinpositionierung vorgegeben. Deren Ausgangs­ signale, also die Stellgrößen der Feinpositionierung 142, 143, 144 werden durch einen Lastfaktor 163 dividiert. Der Lastfaktor wird aus dem Istwert des Lastgewichts 161 über einen Tiefpassfilter 162 gebildet und repräsentiert die träge Masse der angehängten Gesamtlast. Damit werden bei schweren, trägen Lasten die Stellglie­ der 1-8 weniger schnell verstellt als bei leichten, und die Selbsterregung von Schwingungen wegen zu nervösen Reglern bei schweren Lasten wird vermieden.

Zur Pendeldämpfung existiert für jeden geregelten Freiheitsgrad ein eigener Dämp­ fungsregler 112, 113, 114. Dazu wird zunächst für jeden Freiheitsgrad die Pendel­ abweichung 92, 93, 94 errechnet, indem man die von der Sensorik gemessenen lstpositionen der Last 82, 83, 84 mit den Istwerten der Seilverstellungen 72, 73, 74 vergleicht. Die Differenz gibt an, um wieviel die Last momentan gegenüber der Stellung der Seilfestpunkte ausgelenkt ist, also pendelt. Eine eigenen Sensorik zur Erfassung der Pendelungen wird in diesem Fall also nicht gebraucht. Die Pendel­ dämpfungsregler 112, 113, 114 errechnen aus den Istwerten der Pendelabweichun­ gen 92, 93, 94 Dämpfungsstellsignale 152, 153, 154 für die einzelnen Freiheitsgra­ de, welche dann den Stellsignalen 142, 143, 144 der Feinpositionsregler 102, 103, 104 überlagert werden. Damit erhält man die Stellsollwerte für die Seilverstellungen 62, 63, 64 in den cartesischen, rechtwinkligen Raumkoordinaten für diese geregel­ ten Freiheitsgrade. Die Dämpfungsregler 112, 113, 114 beeinflussen die Seilver­ stellung über die Hydraulikzylinder 1-8 derart, daß die Seilverstellungen den Pen­ delabweichungen 92, 93, 94 entgegenwirken und damit Lastpendelungen, die durch Störkräfte angeregt worden sind, sehr rasch abklingen lassen.

Auch für die übrigen 3 Freiheitsgrade sind Pendeldämpfungen möglich, wenn für diese Freiheitsgrade Istwerte vorliegen, die von einer Sensorik gemessen werden. Diese Variante wird weiter unten beschrieben.

Die Stellsollwerte 61-66 müssen nun in Sollpositionen 21-28 für die Stellglieder 1-8 umgerechnet werden.

Die Verstellung der Seilfestpunkte durch die Hydraulikzylinder 1-8 bewirkt eine Ver­ stellung der an den Seilen hängenden Last, die von der Seillänge (also der Hubhö­ he) und den Seilwinkeln (also der Geometrie des Seilschachtes) abhängt. Mathe­ matisch gesehen, bedeutet das eine Koordinatentransformation vom rechtwinkligen Koordinatensystem in ein schrägwinkliges Koordinatensystem, welches durch die Seilwinkel gegeben ist. Es ist vorteilhaft, sich dazu der Matrizenrechnung zu bedie­ nen, welche sich in modernen speicherprogrammierbaren Steuerungen sehr leicht programmieren läßt und die sehr übersichtlich ist, sobald man erst einmal die Transformationsmatrix erstellt hat. Die Koordinatentransformation mittels Matrizen­ rechnung hat den Vorteil, das alle Freiheitsgrade sehr anschaulich in den gewohn­ ten rechtwinkligen Koordinaten x, y, z und phi, psi, rho geregelt und gerechnet wer­ den können und nur bei Ausgabe der Stellsignale an die schrägen Stellglieder um­ gerechnet werden müssen.

Die Stellsignale 61-66 für die 6 Freiheitsgrade, die in den cartesischen Raumkoordi­ naten vorliegen, werden also durch Matritzenmultiplikation mit einer Transformati­ onsmatrix in Stellkoordinaten 21-28 für die 8 hydraulischen Stellglieder 1-8 trans­ formiert und ihnen als Sollwerte 21-28 für die Kolbenstellung vorgegeben:

v = T.u

wobei
v der Spaltenvektor der 8 Stellpositionen 21-28 für die Stellglieder,
u der Spaltenvektor der 6 Stellgrössen 41-46 für die 6 Freiheitsgrade, und
T die Transformationsmatrix der Dimension 8 × 6 ist.

Die Transformationsmatrix wird vom Konstrukteur aus der Geometrie des Seil­ schachtes, insbesondere den Seilwinkeln, bestimmt und im Speicher der SPS ab­ gelegt. Aus der gewählten Seilführung kann man also die Elemente der Transfor­ mationsmatrix errechnen. Aus den Rollendurchmessern und Rollenabständen zu den Seilfestpunkten wird eine trigonometrische Formel abgeleitet, die angibt, um wieviel man den Seilfestpunkt in Seilrichtung verstellen muß, um unten am Lastauf­ nahmemittel eine bestimmte Verstellung der Last zu erhalten. Diese mathematische Funktion ist abhängig von der Hubhöhe. Im beispielhaften Seilschacht sind alle Seile symmetrisch angeordnet und haben bei jeder beliebigen Hubhöhe alle den gleichen Winkel. Damit ist der Hubhöheneinfluß für alle Seile gleich und kann aus den Elementen der Transformationsmatrix herausgezogen werden. Als Elemente der Transformationsmatrix bleiben dann höhenunabhängige Konstanten übrig.

Im allgemeinen Fall jedoch kann der Krankonstrukteur den Seilschacht im Prinzip beliebig im Rahmen der Physik auf optimale Statik, Dynamik und Wirtschaftlichkeit hin ausgelegen, ohne zunächst die spätere Steuerung berücksichtigen zu müssen, denn im Prinzip kann zu jeder beliebigen Seilführung eine Transformationsmatrix bestimmt werden. Für die hier beschriebene Steuerungsmethode muss also die Seilführung nicht unbedingt so wie im gezeigten Beispiel sein, sondern sie kann beliebig sein, d. h. also, auch die "trapezoiden" Seilführungen von EP 0 865 406 A1, oder die "prismen-, quader- oder pyramidenstumpfförmigen" Seilführungen von DE 195 21 066.2 oder sonst eine günstige Seilführung. Eine symmetrische Anordnung der Seile hat zwar den Vorteil, daß die Matrix zur Koordinatentransformation sehr einfach wird, sie ist aber nicht zwingend notwendig.

Da sich also die Seilwinkel und damit die Wirkungsrichtung der Stellglieder mit der Hubhöhe ändern, wird in die Stellsignale 61-66 ein Höheneinflußfaktor 166 einge­ rechnet, welcher sich wiederum als Funktion der aktuellen Hubhöhe 164 errechnen läßt, die von den Drehgebern an den Seiltrommeln hergeleitet wird. Damit erhält man die Sollverstellungen für die Zylinder 41-46 in cartesischen Koordinaten. Diese werden, wie angegeben, über eine Koordinatentransformation 170 mit Matritzen­ rechnung in die Positionssollwerte 21-28 für die Stellglieder umgerechnet.

Die Istwerte der Zylinderpositionen 11-18, also der Seilverstellungen, werden über eine Koordinatenrücktransformation 171 in cartesische Koordinaten zurückgerech­ net. Die Matrix R zur Rücktransformation kann ebenfalls aus der Geometrie der Seilführung bestimmt werden.

Die Pendelsollwerte 132, 133, 134 können dazu dienen, durch Störgrößenaufschal­ tung der Beschleunigungen von Katz- oder Kranfahrwerk, die man den Antriebs­ reglern entnehmen kann, die Pendelauslenkung so vorzusteuern, daß die Anfangs­ auslenkung der Pendelung bei Beschleunigungen minimal bleibt. Alle Regler und die Koordinatentransformation sind als Software in einer üblichen speicherprogrammierbaren Steuerung implementiert. Die Regelung erfolgt quasi­ kontinuierlich mit einer Zykluszeit im Bereich zwischen 20 und 200 msec.

Eine weitere vorteilhafte Variante des erfundenen Lasthebesystems ergibt sich, wenn die einzelnen Seilkräfte z. B. durch Lastmeßbolzen gemessen werden und als Istwerte vorliegen. Diese können dann ebenfalls rücktransformiert und auf auf die Regler rückgekoppelt werden. Dann kann die Pendelung der übrigen 3 Freiheitsgra­ de (z, psi, rho) ebenfalls gedämpft werden, so daß alle 6 Freiheitsgrade eine Pen­ deldämpfung haben. Dabei ist besonders vorteilhaft, daß Schwingungen des Kran­ tragwerkes und der Laufkatze, die über die Seile auf die Last übertragen werden, ebenfalls von den Lastmeßbolzen erfaßt und dann von den Reglern gedämpft wer­ den (Fig. 3).

Zusätzliche Vorteile ergeben sich bei einer weiteren Variante, bei der aus den Kraf­ tistwerten und den bekannten Seilelastizitäten die aktuellen Seildehnungen berech­ net werden. Sind die Anforderungen an die Genauigkeit der Feinpositionierung nicht übermäßig groß, so kann auf Kamerasysteme zur Erfassung der Lastposition ganz verzichtet werden. Die Lastposition wird dann für jeden Freiheitsgrad aus der Sum­ me von rücktransformierter Seildehnung und rücktransformierten Istwerten der Seil­ verstellung gebildet. Als einzige Sensoren für eine Pendeldämpfung und Feinposi­ tionierung sind dann nur die gegenüber Kameras sehr robusten Lastmeßbolzen in jedem Seil notwendig. Da die Seilelastizitäten einem Alterungsprozeß unterworfen sind, ist es dann notwendig, ab und zu die Seilelastizitäten neu zu bestimmen und in der Steuerungssoftware abzuspeichern. Dies geschieht durch ein "Automatisches Eichen" des Seilschachtes, in dem das Lastaufnahmemittel waagrecht an festen Referenzpunkten befestigt wird und die Zylinderkraft über eine Kraftregelung gleichmäßig erhöht wird. Die Zylinderstellwege und die zugehörigen Kraftistwerte werden abgespeichert, so daß dann die neuen Seilkennlinien und Seilelastizitäten in der SPS vorliegen.

Mit solchen Lasthebesystemen, wie hier in 3 Varianten gezeigt, ist eine präzise und schnelle Feinpositionierung und Pendeldämpfung der Last in allen Bewegungsrich­ tungen (6 Freiheitsgrade) und somit ein erheblich verbesserter vollautomatischer Lastumschlag möglich.

Bezugszeichenliste

1

Hydraulikzylinder

1

mit Proportionalventil und Weggeber

2

Hydraulikzylinder

2

mit Proportionalventil und Weggeber

3

Hydraulikzylinder

3

mit Proportionalventil und Weggeber

4

Hydraulikzylinder

4

mit Proportionalventil und Weggeber

5

Hydraulikzylinder

5

mit Proportionalventil und Weggeber

6

Hydraulikzylinder

6

mit Proportionalventil und Weggeber

7

Hydraulikzylinder

7

mit Proportionalventil und Weggeber

8

Hydraulikzylinder

8

mit Proportionalventil und Weggeber

9

Lastaufnahmemittel

10

Laufkatze

11

Kolbenposition - Istwert Zylinder

1

12

Kolbenposition - Istwert Zylinder

2

13

Kolbenposition - Istwert Zylinder

3

14

Kolbenposition - Istwert Zylinder

4

15

Kolbenposition - Istwert Zylinder

5

16

Kolbenposition - Istwert Zylinder

6

17

Kolbenposition - Istwert Zylinder

7

18

Kolbenposition - Istwert Zylinder

8

21

Sollposition Zylinder

1

22

Sollposition Zylinder

2

23

Sollposition Zylinder

3

24

Sollposition Zylinder

4

25

Sollposition Zylinder

5

26

Sollposition Zylinder

6

27

Sollposition Zylinder

7

28

Sollposition Zylinder

8

31

Positionsregler Zylinder

1

32

Positionsregler Zylinder

2

33

Positionsregler Zylinder

3

34

Positionsregler Zylinder

4

35

Positionsregler Zylinder

5

36

Positionsregler Zylinder

6

37

Positionsregler Zylinder

7

38

Positionsregler Zylinder

8

41

Soll-Verstellung der Zylinder in z-Richtung

42

Soll-Verstellung der Zylinder in x-Richtung

43

Soll-Verstellung der Zylinder in y-Richtung

44

Soll-Verstellung der Zylinder in phi-Richtung

45

Soll-Verstellung der Zylinder in psi-Richtung

46

Soll-Verstellung der Zylinder in rho-Richtung

51

Ist-Verstellung der Zylinder in z-Richtung

52

Ist-Verstellung der Zylinder in x-Richtung

53

Ist-Verstellung der Zylinder in y-Richtung

54

Ist-Verstellung der Zylinder in phi-Richtung

55

Ist-Verstellung der Zylinder in psi-Richtung

56

Ist-Verstellung der Zylinder in rho-Richtung

61

Soll-Verstellung der Last in z-Richtung

62

Soll-Verstellung der Last in x-Richtung

63

Soll-Verstellung der Last in y-Richtung

64

Soll-Verstellung der Last in phi-Richtung

65

Soll-Verstellung der Last in psi-Richtung

66

Soll-Verstellung der Last in rho-Richtung

71

Ist-Verstellung der Last in z-Richtung

72

Ist-Verstellung der Last in x-Richtung

73

ist-Verstellung der Last in y-Richtung

74

Ist-Verstellung der Last in phi-Richtung

75

Ist-Verstellung der Last in psi-Richtung

76

Ist-Verstellung der Last in rho-Richtung

81

82

Lastposition x (Istwert von Kameras)

83

Lastposition y (Istwert von Kameras)

84

Lastposition phi (Istwert von Kameras)

91

92

Pendelabweichung in Richtung x

93

Pendelabweichung in Richtung y

94

Pendelabweichung in Richtung phi

101

102

Positionsregler für x-Richtung

103

Positionsregler für y-Richtung

104

Positionsregler für phi-Richtung

111

112

Pendeldämpfungsregler für x-Richtung

113

Pendeldämpfungsregler für y-Richtung

114

Pendeldämpfungsregler für phi-Richtung

121

122

Sollposition x

123

Sollposition y

124

Sollposition phi

131

Pendel-Sollwert in z-Richtung

132

Pendel-Sollwert in x-Richtung

133

Pendel-Sollwert in y-Richtung

134

Pendel-Sollwert in phi-Richtung

135

Pendel-Sollwert in psi-Richtung

136

Pendel-Sollwert in rho-Richtung

141

142

Positionierverstellung x

143

Positionierverstellung y

144

Positionierverstellung phi

151

Dämpfungsverstellung z

152

Dämpfungsverstellung x

153

Dämpfungsverstellung y

154

Dämpfungsverstellung phi

155

Dämpfungsverstellung psi

156

Dämpfungsverstellung rho

161

Gesamtgewicht von Lastmessung

162

Tiefpassfilter (P-T1-Verzögerung)

163

Massenträgheitsfaktor

164

Hubhöhen-Istwert (von Gebern an den Seiltrommeln)

165

Kennlinie Hubhöheneinfluß

166

Hubhöheneinflußfaktor

167

Multiplizierer

168

Dividierer

170

Koordinatentransformation von rechtwinkligen in schrägwinklige Koordinaten

171

Koordinaten-Rücktransformation von schrägwinkligen in rechtwinklige Koordinaten

201

Seilkraftmesseinrichtung Seil

1

202

Seilkraftmesseinrichtung Seil

2

203

Seilkraftmesseinrichtung Seil

3

204

Seilkraftmesseinrichtung Seil

4

205

Seilkraftmesseinrichtung Seil

5

206

Seilkraftmesseinrichtung Seil

6

207

Seilkraftmesseinrichtung Seil

7

208

Seilkraftmesseinrichtung Seil

8

211

Seilkraftistwert Seil

1

212

Seilkraftistwert Seil

2

213

Seilkraftistwert Seil

3

214

Seilkraftistwert Seil

4

215

Seilkraftistwert Seil

5

216

Seilkraftistwert Seil

6

217

Seilkraftistwert Seil

7

218

Seilkraftistwertf Seil

8

221

Kraftistwert z

222

Kraftistwert x

223

Kraftistwert y

224

Drehmoment-Istwert phi

225

Drehmoment-Istwert psi

226

Drehmoment-Istwert rho

231

Kraftistwert z (höhenkorrigiert)

232

Kraftistwert x (höhenkorrigiert)

233

Kraftistwert y (höhenkorrigiert)

234

Drehmoment-Istwert phi (höhenkorrigiert)

235

Drehmoment-Istwert psi (höhenkorrigiert)

236

Drehmoment-Istwert rho (höhenkorrigiert)

241

Kraftsollwert z

242

Kraftsollwert x

243

Kraftsollwert y

244

Drehmoment-Sollwert phi

245

Drehmoment-Sollwert psi

246

Drehmoment-Sollwert rho

Claims (15)

1. Verfahren zur Feinpositionierung und aktiver Pendeldämpfung von Lasten beim Stapeln von Behältern, bei dem mehrere mechanisch einfache Lasthebemittel zu­ sammenwirken, deren Seile an unterschiedlichen Angriffspunkten und in unter­ schiedliche Richtungen an einer Last oder einem Lastaufnahmemittel angreifen, und deren Seile über Stellglieder einzeln verstellt werden können, mit mindestens einer Sensorik zur Lageerkennung der Last, und einem Regelsystem, welches die Lage­ abweichung der Last durch kontinuierliches Nachstellen der einzelnen Stellglieder entgegen den Störkräften ausregelt und dabei das Lastpendeln dämpft, dadurch gekennzeichnet, daß einige oder alle der einzelnen 6 Freiheitsgrade möglicher Lastbewegungen, nämlich:
Verschiebung horizontal in x-Richtung
Verschiebung horizontal in y-Richtung
Verschiebung vertikal in z-Richtung (Hubrichtung)
Drehung um die x-Achse (Nicken, engl.: Trimm)
Drehung um die y-Achse (Rollen, engl.: List)
Drehung um die z-Achse (Gieren, engl.: Skew)
entkoppelt, d. h. separat in getrennten Kanälen und damit einfach und anschaulich, und überlagert, d. h. in mehreren Bewegungsrichtungen gleichzeitig, gesteuert wer­ den, indem die Steuersignale für die einzelnen Bewegungen (Freiheitsgrade) von den rechtwinkligen Raumkoordinaten in das schrägwinklige (affine) Koordinatensy­ stem, welches durch die Wirkungsrichtungen der Stellglieder gegeben ist, transfor­ miert werden, wobei zur Koordinatentransformation die einzelnen Steuersignale (vorteilhafterweise mit Hilfe der Matrizenrechnung) multiplikativ gewichtet und ein­ ander additiv überlagert werden und dann diese transformierten Steuersignale den einzelnen Stellgliedern als Verstellsollwerte vorgegeben werden, und wobei die Transformationsmatrix aus der Geometrie der Seilanordnung bestimmt werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von Sensoren ge­ messenen Istwerte, z. B. die Istpositionen der Stellglieder oder die einzelnen, durch Lastmesseinrichtungen gemessenen Seilkräfte durch eine Koordinaten- Rücktransformation in die anschaulichen rechtwinkligen Koordinaten des cartesi­ schen Koordinatensystems für die 6 Freiheitsgrade der Lastbewegung zurücktrans­ formiert werden, wobei ebenfalls vorteilhafterweise die Matrizenrechnung ange­ wandt wird, und wobei die Transformationsmatrix zur Rücktransformation ebenfalls aus der Geometrie der Seilanordnungen bestimmt werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden erforderli­ chen Freiheitsgrad der Lastbewegung ein seperates Regelungssystem arbeitet, dem jeweils ein Sollwert für die Lastposition zugeführt wird und von einer Sensorik gemessene und rücktransformierte Istwerte rückgekoppelt werden, und dann für diesen Freiheitsgrad entsprechend der ermittelten Regelabweichungen ein Stellsi­ gnal vom Regelsystem ausgegeben wird, welches über die Koordinatentransforma­ tion auf die einzelnen Stellglieder verteilt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koordinatentrans­ formationen und Rücktransformationen per Software in einer herkömmlichen spei­ cherprogrammierbaren Steuerung oder einem Rechner geschehen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bilderkennungs­ einrichtung mit Kameras die Istwerte der Lastposition erfaßt und als Signal an die Regler weitergibt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Lastmesseinrich­ tungen die einzelnen Seilkräfte gemessen werden und daraus resultierende Signale zur Pendeldämpfung der Last verarbeitet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastposition aus den einzelnen Seilkräften und den bekannten Seilelastizitäten errechnet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß Seilelastizitäten bzw. Seilkennlinien bei einem automatischen Eichablauf bestimmt und gespeichert werden.

9. Lasthebesystem mit Feinpositionierung und aktiver Pendelkämpfung von Lasten beim Stapeln von Behältern, bestehend aus mehreren zusammenwirkenden me­ chanisch einfachen Lasthebemitteln, deren Seile an unterschiedlichen Angriffs­ punkten und in unterschiedlichen Richtungen an einer Last oder einem Lastaufnah­ memittel angreifen, und deren Seile über Stellglieder einzeln verstellt werden kön­ nen, mindestens einer Sensorik zur Lageerkennung der Last und einem Regelsy­ stem, welches die Lageabweichung der Last durch kontinuierliches Nachstellender einzelnen Stellglieder entgegen den Störkräften ausregelt und das Lastpendeln dämpft, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden einzelnen Freiheitsgrad jeweils ein Rege­ lungssystem und ein Regler zur Feinpositionierung der Last und ein Regler zur Pendeldämpfung der Last angeordnet sind.

10. Lasthebesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelsy­ stem als Software-Regler in einer speicherprogrammierbaren Steuerung oder in einem Rechner implementiert ist.

11. Lasthebesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasthebe­ mittel Seilhubwerke oder Flaschenzüge mit schräg verspannten Seilen (Seilschacht) sind.

12. Lasthebesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stellglie­ der elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch verstellbare Kolben oder Stangen, motorgetriebene Trommeln oder sonstige Positionierantriebe sind.

13. Lasthebesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellglieder an über Umlenkrollen zurückgeführten Seilenden angreifen.

14. Lasthebesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorik zur Lageerkennung der Last und damit zur Erzeugung der Istwerte der Lastposition für die Regler eine Bilderkennungseinrichtung mit Kameras angeordnet ist.

15. Lasthebesystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorik zur Pendeldämpfung der Last Lastmesseinrichtungen zur Messung der einzelnen Seilkräfte angeordnet sind, die auf das Regelsystem rückgekoppelt werden.