EP3303732A1 - Grossmanipulator mit schnell ein- und ausfaltbarem knickmast - Google Patents

Grossmanipulator mit schnell ein- und ausfaltbarem knickmast

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EP3303732A1
EP3303732A1 EP16731808.8A EP16731808A EP3303732A1 EP 3303732 A1 EP3303732 A1 EP 3303732A1 EP 16731808 A EP16731808 A EP 16731808A EP 3303732 A1 EP3303732 A1 EP 3303732A1
Authority
EP
European Patent Office
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mast
articulated
speed
large manipulator
control device
Prior art date
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Application number
EP16731808.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3303732B1 (de
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Johannes HENIKL
Wolfgang KEMMETMÜLLER
Andreas Kugi
Reiner VIERKOTTEN
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.)
Friedrich Wilhelm Schwing GmbH
Original Assignee
Friedrich Wilhelm Schwing GmbH
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Publication date
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Publication of EP3303732B1 publication Critical patent/EP3303732B1/de
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    • B66C13/18—Control systems or devices
    • B66C13/20—Control systems or devices for non-electric drives
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • E04G21/0463—Devices for both conveying and distributing with distribution hose with booms with boom control mechanisms, e.g. to automate concrete distribution

Definitions

  • the invention relates to a large manipulator, in particular a truck-mounted concrete pump, with a rotatable about a vertical axis mast bracket, which is arranged on a frame, a folding mast, which comprises two or more mast arms, wherein the mast arms are connected by means of articulated joints with the respectively adjacent Mastbock or Mastarm by means of a respective pivot drive, with a drives controlling the control device for the mast movement and with a mast sensor for detecting the position of at least one point of the articulated mast or a swivel angle of at least one articulated joint.
  • the invention relates to a method for controlling the movement of a articulated mast of a large manipulator, in particular a truck-mounted concrete pump.
  • WO 2014/1 66637 A1 discloses a large manipulator with articulated mast.
  • a pivoting drives which are used for pivoting the mast arms about the articulated joints relative to the respective adjacent mast arm or Mastbock
  • hydraulic cylinders are typically used. These are controlled by proportional control valves of an electronic control device to specify the travel speed of the individual hydraulic cylinder variable.
  • the traversing speed of the individual hydraulic cylinder is usually limited in known large manipulators because too fast movement of the articulated mast represents a threat to people in the area.
  • the control valves of the hydraulic cylinders are operated in the prior art via a remote control connected to the control device (wireless or wired).
  • the control valves (for example, in an emergency operation) can be manually controlled by hand lever.
  • the control valves are designed so that a certain position of an operating lever on the remote control a defined volume flow of the hydraulic fluid, i. corresponds to a defined travel speed of the respective hydraulic cylinder, regardless of the pressure conditions prevailing in the hydraulic system.
  • the control valves are designed so that when simultaneous pivoting of all joints with maximum travel speed and fully extended articulated mast the maximum speed of the mast top is not reached.
  • This design of the control valves has the disadvantage that the legally permitted frame speed for the movement speed of the mast tip is used very poorly in most practical cases.
  • the previously mentioned "worst case" in which all joints are moved at maximum speed with fully extended articulated mast, practically never occurs.
  • the limitation of the movement speed therefore leads in most cases to a very slow mast movement Knickmastes considerable time delays, which makes the
  • the aforementioned WO 2014/1 6637 A1 proposes a large manipulator, in which the control device provides a rapid traverse for the rotary drive of the mast block to rotate the articulated mast with increased speed in the desired working position, the rapid traverse is selectable only when the Mast or boom is completely folded.
  • a single sensor which cooperates with the control device, is provided in the previously known large manipulator, wherein it can be determined via the sensor, whether the Articulated mast completely folded or not. The sensor generates a release signal to the control device, as long as it is ensured that the articulated mast is folded and thus has a minimum radius. In this condition, the articulated mast can be rotated at an increased speed.
  • the permissible frame for the speed of the mast top is still insufficiently utilized. Only with fully folded articulated mast a rotary movement of the mast with increased speed is possible. In all partially unfolded positions, however, the articulated mast is still moved only at a reduced movement speed corresponding to the "worst case", in such a way that the legally permissible maximum speed of the mast tip is never exceeded, regardless of the mast position Thus, the achieved mast speed is still well below the legally permissible still take the unfolding and folding of the articulated mast too long.
  • the articulated mast should be able to be brought from its fully folded state into its desired working position in minimal time. Likewise, the articulated mast from the working position in minimal time in the fully folded position can be transferred. In addition, the articulated mast should be able to move quickly from a working position to another working position when set up.
  • This object is achieved by the invention starting from a large manipulator of the type mentioned above in that the control device is set up to limit the speed of the mast movement based on the output signal of the mast sensor.
  • the pivot angle of at least one articulated joint of the articulated mast is limited depending on the current swing angle.
  • the position of a point of the mast is detected, for example, the distance of this point to the mast block, and based on the control of the speed of the mast movement limited so that a maximum allowable speed of this point, or the derived speed of another point of the articulated mast , is not exceeded.
  • the control device processes according to the invention, the detected pivoting angle and calculated from the positions of the mast joints and the travel speeds of the rotary actuators in particular the resulting speed of the mast top. Based on this calculation, the drives of the articulated joints can then be controlled and the speed of at least one of the drives can be limited.
  • the control device is set up to control the individual drives proportionally in accordance with a travel command, the travel command specifying the desired speeds of the drives.
  • the move command results, for example, from the signals of a remote control, which is used by an operator of the large manipulator to control the mast movement.
  • the control device controls the individual drives in such a way that the respective travel speed corresponds to the setpoint speed in accordance with the travel command.
  • the Control device determine the speed of the tip of the articulated boom resulting from the travel command, the Mastarmandern and the instantaneous pivoting angles, as explained above.
  • the control device can accordingly reduce the speeds of the individual drives with respect to the travel command as soon as the speed of the tip of the articulated mast exceeds a predetermined limit, which corresponds, for example, to a legally prescribed maximum speed.
  • the control device is designed to control the speed of the tip of the articulated mast by controlling the drives to a value that is less than or equal to the predetermined limit.
  • control device reduces the speeds of all drives with respect to the travel command by the same factor, so that the speed of the tip of the articulated mast is always less than or equal to the predetermined limit, regardless of the current mast position resulting from the sensed pivoting angles of Articulated joints results.
  • the control device is designed to derive the travel command, ie the setpoint speeds of the individual drives, from an operating signal which specifies the desired movement of the tip of the articulated mast.
  • an operating signal which specifies the desired movement of the tip of the articulated mast.
  • the control device determines according to an advantageous embodiment of the invention, taking into account the mast position and the mast speed, the kinetic energy in the mast movement and limits the mast speed via the control of the mast drives so that a maximum kinetic energy of the articulated mast is not exceeded during its movement. This measure prevents a mechanical overloading of the articulated boom during an abrupt acceleration or deceleration of the mast movement.
  • control device may include a ramp control for the speed, if necessary in conjunction with a vibration damping. As a result, the acceleration or deceleration of the articulated boom movement can be limited.
  • the invention makes it possible to allow higher traversing speeds at individual articulated joints of the mast, so that the legally prescribed frame for the mast speed can be utilized better than in the prior art.
  • the sensory detection of the mast position and the derivation of the mast kinematics from the swivel angles is the basis of a regulation of the travel speeds of the drives, in which compliance with the legal speed limit is always ensured.
  • the articulated mast can be moved considerably faster in most practical situations than in the large manipulators known from the prior art. When unfolding and folding the articulated mast, this results in great temporal advantages over the previously known systems.
  • Figure 1 inventive large manipulator with
  • FIG. 3 Block diagram of the control of the
  • FIG. 1 shows schematically a large manipulator according to the invention, namely a truck-mounted concrete pump, which is designated overall by the reference numeral 1.
  • a mast bracket 3 is arranged, which is rotatable about a vertical axis of the truck-mounted concrete pump 1 by means of a (not shown) rotary drive.
  • articulated mast is articulated, which comprises four mast arms 5, 6, 7 and 8 in the illustrated embodiment.
  • the first mast arm 5 is pivotally mounted on the mast block 3 via a hinge about a horizontal axis. The pivoting movement is effected by a (not shown for clarity) pivot drive.
  • the remaining mast arms 6, 7 and 8 are pivotally connected to the respective adjacent mast arms via articulated joints about mutually parallel, horizontal axes.
  • the pivoting movement also causes each one (not shown) pivot drive.
  • the part-turn actuators each have one (or more) hydraulic cylinders, which are controlled via proportional control valves. These in turn are controlled by an electronic control device (not shown) for the mast movement.
  • the large manipulator 1 has a mast sensor system (eg in the form of angle sensors for the joints, displacement sensors for detecting the piston positions of the individual hydraulic cylinders or geodetic inclination sensors).
  • a mast sensor system eg in the form of angle sensors for the joints, displacement sensors for detecting the piston positions of the individual hydraulic cylinders or geodetic inclination sensors.
  • the control device by appropriate control of the valves of the hydraulic cylinder controls the speed of the mast movement depending on the instantaneous pivot angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3 and ⁇ 4 of the articulated joints.
  • the elastic deformation of the individual boom arms 5, 6, 7, 8 is neglected, so that these are regarded as rigid bodies.
  • the absolute movements of the system are described in the inertial coordinate system O o x o y o z o , that is, in the coordinate system fixed relative to the chassis 2.
  • O d X d y d Z d denotes that coordinate system which is rotated relative to the inertial coordinate system by the angle of rotation ⁇ .
  • a local coordinate system 0 iii z i is defined for each mast arm 5, 6, 7, 8, whose x i axis extends along the longitudinal axis of the respective mast arm 5, 6, 7, 8. Since the mast arms for i> 2 typically have a kink at the beginning, their longitudinal axis does not intersect the respective hinge axis. The origin of each local coordinate system is therefore placed on the intersection of the longitudinal axis with that orthogonal line passing through the hinge axis.
  • the kinematic relationships between the local coordinate systems and the inertial coordinate system can be represented by rotation matrices and translation vectors.
  • the inertial coordinates of a point on the longitudinal axis of the / mast arm described in local coordinate system i are by
  • Inertial coordinate system o is by
  • L j denotes the length of the y-th mast arm.
  • the inertial coordinates of the end point EP of the N-th mast arm can thus as a function of the positions of the N joints and the mast bracket 3 by with the vector of degrees of freedom
  • the speed of the end point EP in the direction of the individual coordinate axes is obtained by differentiation according to time
  • the operator of the large manipulator is enabled to proportionally control the travel speeds of the individual hydraulic cylinders.
  • the resulting joint angular velocities can be determined with knowledge of the translation of the joint kinematics based on the target speeds for the hydraulic cylinder.
  • the piston position s z, i of a cylinder can generally be represented as a nonlinear function of the corresponding joint angle ⁇ i ,
  • the control device controls the hydraulic cylinders in accordance with this modified travel command and limits their movement speed, so that the mast tip EP never moves faster than allowed by law.
  • the travel speed can be maximally fast within the legal framework in any mast position, whereby considerable time can be saved when unfolding and folding the articulated mast 4, but also when moving the mast between two working positions, compared to the prior art.
  • sensors for detecting the positions of the end points of the mast arms relative to the mast block or chassis are proposed. These are generally known to the person skilled in the art and can be embodied, for example, as GPS, radio or ultrasound sensors. As shown in Fig. 2 for the position of the end point EP of the last mast element 8, for example, the horizontal distance (the radius) of the mast tip to the inertial coordinate system detected by measurement. If only the horizontal path speed is independent of the movement specifications for the individual cylinders to a value be restricted, results in the particularly simple requirement for compliance with the inequality Furthermore, it should be mentioned that for the implementation of the invention not all joint angles have to be detected. For example, the angle of the last joint not detected, the algorithm can be modified so that speed of the mast top speed
  • the end point of the penultimate mast segment is index N-1 monitored. Depending on its position, a maximum permissible speed for this end point can be determined, in compliance with which the maximum permitted speed of the mast tip is independent of the joint angle can not be exceeded. Even with this restriction, a significant time savings in the construction and dismantling of the machine over the prior art is possible.
  • An active vibration damping can reduce the dynamic load, since vibrations that occur can be quickly compensated.
  • the first rash of a vibration caused by an abrupt change in motion given by the user remains largely preserved despite vibration damping, but can be effectively reduced, for example, by a ramp control become.
  • This can, for. B. be implemented as a control rate limit, in which the amount of the rate of change of the speed setpoints is limited to a maximum value. Describe the speed specifications at the sampling times
  • the rate limit can be set in the form
  • Embodiment of a ramp control is a time-delayed first-order holding member.
  • the fact is used that the user-specified target speed with a slower time constant and being sampled. So that can
  • This approach has the advantage that results for the user a uniform deceleration behavior of the system for the entire control range.
  • FIG. 3 shows a block diagram with an embodiment of the mast sensor for controlling the boom arm 4 of a large manipulator 1 according to the invention, in which the control or limiting the speed of the mast movement is dependent on the instantaneous mast position.
  • the articulated mast 4 is controlled by a remote control 10 from an operator via the two joysticks 1 1 a and 1 1 b.
  • the joystick 1 1 a for example, the rotational movement of the rotary drive of the articulated mast 4 is controlled and with the joystick 1 1 b, for example, the rotary actuators of the individual articulated joints of the articulated mast 4 are controlled.
  • the position A is selected in particular during the concreting process.
  • very low limit speeds are preset for the individual drives of the articulated mast 4.
  • the position B corresponds to the simple control of the mast arm 4 as in the state of the technique.
  • the mast speed is optimized or maximized according to the invention.
  • the control signals of the joysticks 1 1 a, 1 1 b and the switching position of the rotary switch 12 are passed via a radio interface 13/14 to the mast control 15 with processor 17.
  • the processor 17 receives via the signal lines 26a-d, the output signals of the mast sensor which correspond to the swivel angles ⁇ 1 to ⁇ 4 of the individual articulated joints of the articulated mast 4 or can be derived therefrom.
  • the angles can be detected, for example, directly by means of rotational angle sensors, which also operate without contact (eg according to the Hall principle).
  • the bending angles of the articulated mast 4 can also be determined in the processor 17 by means of signals from geodesic inclination sensors which are mounted on the individual boom arms 5-8.
  • the processor 17 will not consider the swivel angle ⁇ 1 to ⁇ 4 in the control of the articulated mast 4 and the hydraulic valves 20 and 21 ac control so that the predetermined movement speeds of the individual drives to fixed values are limited, which ensures compliance with legal standards, regardless of the instantaneous pivoting angles, ie the articulated mast behaves in the control as known in the art.
  • the control signals from the processor 17 are passed via the control lines 24a - 24d and 25 to the proportional hydraulic valves 20 and 21 a to 21 d, wherein the hydraulic valve 20, for example, a hydraulic motor 22 drives, which sets the mast block 3 in a rotary motion and the hydraulic valves 21st a - 21 d, the hydraulic cylinder 23a-d drive, the pivoting of the mast arms 5 - 8 of the articulated mast 4, if necessary. With the aid of suitable lever, cause.
  • the processor 17 determines on the basis of the determined bending angle ⁇ 1 to ⁇ 4, the pole position of the articulated mast 4. It then controls the movement of the articulated mast 4 via the hydraulic valves 20, 21 a-21 d so that the web speed of the articulated mast 4 does not exceed a predetermined speed of the end point EP at the end point EP , The processor 17 also determines from the mast position and the calculated mast speed, the kinetic energy of the mast 4 and takes this into account, as explained above, in the control of the hydraulic valves 20, 21 a-21 d. As a result, a maximum permitted kinetic energy of the moving articulated mast 4 is not exceeded.
  • the processor 17 can apply a vibration damping algorithm, whereby vibrations of the articulated mast 4, for example during braking or during concreting work are reduced.
  • the load on the articulated mast 4 can also be reduced, in particular when the mast is being decelerated, as already explained above.
  • the processor 17 may provide ramp control, as described in detail above. The ramp control further reduces the load on the articulated mast 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Großmanipulator (1), insbesondere eine Autobetonpumpe, mit einem um eine vertikale Achse mittels eines Drehantriebs drehbaren Mastbock (3), der auf einem Gestell (2) angeordnet ist, einem Knickmast (4), der zwei oder mehr Mastarme (5, 6, 7, 8) umfasst, wobei die Mastarme (5, 6, 7, 8) über Knickgelenke mit dem jeweils benachbarten Mastbock (3) oder Mastarm (5, 6, 7, 8) mittels je eines Schwenkantriebs schwenkbeweglich verbunden sind, mit einer die Antriebe ansteuernden Steuereinrichtung für die Mastbewegung und mit einer Mastsensorik zur Erfassung der Lage mindestens eines Punktes des Knickmastes (4) oder eines Schwenkwinkels (φ1, φ2, φ3, φ4) zumindest eines Knickgelenks. Der Großmanipulator zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, die Geschwindigkeit der Mastbewegung basierend auf dem Ausgangssignal der Mastsensorik zu begrenzen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Knickmastes (4) eines Großmanipulators (1), insbesondere einer Autobetonpumpe.

Description

Großmanipulator mit schnell ein- und ausfaltbarem Knickmast Die Erfindung betrifft einen Großmanipulator, insbesondere eine Autobetonpumpe, mit einem um eine vertikale Achse mittels eines Drehantriebs drehbaren Mastbock, der auf einem Gestell angeordnet ist, einem Knickmast, der zwei oder mehr Mastarme umfasst, wobei die Mastarme über Knickgelenke mit dem jeweils benachbarten Mastbock oder Mastarm mittels je eines Schwenkantriebs schwenkbeweglich verbunden sind, mit einer die Antriebe ansteuernden Steuereinrichtung für die Mastbewegung und mit einer Mastsensorik zur Erfassung der Lage mindestens eines Punktes des Knickmastes oder eines Schwenkwinkels zumindest eines Knickgelenks.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Knickmastes eines Großmanipulators, insbesondere einer Autobetonpumpe.
Großmanipulatoren sind in einer Vielzahl von Ausgestaltungen aus dem Stand der Technik bekannt. Einen Großmanipulator mit Knickmast offenbart zum Beispiel die WO 2014/1 66637 A1 . Als Schwenkantriebe, die zum Verschwenken der Mastarme um die Knickgelenke relativ zum jeweils benachbarten Mastarm bzw. Mastbock verwendet werden, kommen typischerweise Hydraulikzylinder zum Einsatz. Diese werden über proportional arbeitende Stellventile von einer elektronischen Steuereinrichtung angesteuert, um die Verfahrgeschwindigkeit der einzelnen Hydraulikzylinder variabel vorgeben zu können. Die Verfahrgeschwindigkeit der einzelnen Hydraulikzylinder ist bei bekannten Großmanipulatoren normalerweise begrenzt, da eine zu schnelle Bewegung des Knickmastes eine Gefährdung für in der Umgebung befindliche Personen darstellt. Zur Gewährleistung der Betriebssicherheit existieren gesetzliche Normen, die die zulässige Maximalgeschwindigkeit der Spitze des Knickmastes festlegen.
Die Steuerventile der Hydraulikzylinder werden im Stand der Technik über eine mit der Steuereinrichtung (drahtlos oder drahtgebunden) verbundene Fernsteuerung betätigt. Alternativ können die Steuerventile (zum Beispiel in einem Notbetrieb) manuell über Handhebel gesteuert werden. Die Steuerventile sind dabei so ausgelegt, dass eine bestimmte Stellung eines Bedienhebels an der Fernsteuerung einem definierten Volumenstrom des Hydraulikfluids, d.h. einer definierten Verfahrgeschwindigkeit des jeweiligen Hydraulikzylinders entspricht, und zwar unabhängig von den im Hydrauliksystem jeweils vorliegenden Druckverhältnissen. Dabei sind die Steuerventile so ausgelegt, dass bei gleichzeitigem Verschwenken aller Gelenke mit maximaler Verfahrgeschwindigkeit und vollständig gestrecktem Knickmast die erlaubte Höchstgeschwindigkeit der Mastspitze nicht erreicht wird. Diese Auslegung der Steuerventile hat den Nachteil, dass der gesetzlich erlaubte Rahmen für die Bewegungsgeschwindigkeit der Mastspitze in den meisten praktischen Fällen sehr schlecht ausgenutzt wird. Der zuvor angesprochene„Worst Case", in dem sämtliche Gelenke mit maximaler Geschwindigkeit bei vollständig gestrecktem Knickmast bewegt werden, tritt praktisch nie auf. Die Begrenzung der Bewegungsgeschwindigkeit führt daher in den meisten Fällen zu einer sehr langsamen Mastbewegung. Dadurch entstehen beim Ausfalten und Einfalten des Knickmastes erhebliche zeitliche Verzögerungen. Dies macht den Betrieb ineffizient.
Die zuvor erwähnte WO 2014/1 6637 A1 schlägt einen Großmanipulator vor, bei dem die Steuereinrichtung einen Eilgang für den Drehantrieb des Mastbocks vorsieht, um den Knickmast mit erhöhter Geschwindigkeit in die gewünschte Arbeitsposition zu drehen, wobei der Eilgang nur dann wählbar ist, wenn der Mast oder Ausleger vollständig zusammengefaltet ist. Ein einzelner Sensor, der mit der Steuereinrichtung zusammenwirkt, ist bei dem vorbekannten Großmanipulator vorgesehen, wobei über den Sensor feststellbar ist, ob der Knickmast vollständig zusammengefaltet ist oder nicht. Der Sensor erzeugt ein Freigabesignal an die Steuereinrichtung, solange sichergestellt ist, dass der Knickmast zusammengefaltet ist und damit einen minimalen Radius aufweist. In diesem Zustand kann der Knickmast mit erhöhter Geschwindigkeit gedreht werden.
Bei dem aus der zuvor genannten Druckschrift vorbekannten Großmanipulator wird der zulässige Rahmen für die Geschwindigkeit der Mastspitze immer noch unzureichend ausgenutzt. Nur bei vollständig zusammengefaltetem Knickmast ist eine Drehbewegung des Mastes mit erhöhter Geschwindigkeit möglich. In sämtlichen teilweise ausgefalteten Stellungen wird aber nach wie vor der Knickmast nur mit reduzierter Bewegungsgeschwindigkeit entsprechend dem „Worst Case" verfahren, und zwar in der Weise, dass unabhängig von der Maststellung niemals die gesetzlich zulässige Maximalgeschwindigkeit der Mastspitze überschritten wird. In den meisten Fällen liegt somit die erzielte Mastgeschwindigkeit immer noch deutlich unterhalb des gesetzlich Zulässigen. Nach wie vor dauern das Ausfalten und das Einfalten des Knickmastes zu lange.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Großmanipulator bereitzustellen. Insbesondere soll der Knickmast in minimaler Zeit aus dem vollständig eingefalteten Zustand in seine gewünschte Arbeitsposition gebracht werden können. Ebenso soll der Knickmast aus der Arbeitsposition in minimaler Zeit in die vollständig eingefaltete Stellung überführt werden können. Zudem soll der Knickmast im aufgebauten Zustand zügig von einer Arbeitsposition zu einer anderen Arbeitsposition verfahrbar sein. Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Großmanipulator der eingangs genannten Art dadurch, dass die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Geschwindigkeit der Mastbewegung basierend auf dem Ausgangssignal der Mastsensorik zu begrenzen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Schwenkwinkel mindestens eines Knickgelenkes des Knickmastes, vorzugsweise über den gesamten Schwenkbereich, sensorisch erfasst, und die Geschwindigkeit der Mastbewegung wird abhängig vom momentanen Schwenkwinkel begrenzt. Alternativ wird die Lage eines Punktes des Mastes erfasst, z.B. die Entfernung dieses Punktes zum Mastbock, und darauf basierend von der Steuereinrichtung die Geschwindigkeit der Mastbewegung so begrenzt, dass eine maximal zulässige Geschwindigkeit dieses Punktes, oder auch die daraus abgeleitete Geschwindigkeit eines anderen Punktes des Knickmastes, nicht überschritten wird.
Für eine Erhöhung der Geschwindigkeit der Mastbewegung ist es schon ausreichend, den Schwenkwinkel eines Mastgelenkes zu jedem Zeitpunkt zu erfassen. Dies gilt auch unter der Annahme, dass die Knickgelenke, deren Schwenkwinkel nicht erfasst werden, eine für die Geschwindigkeit der Mastspitze ungünstige Stellung aufweisen. Durch eine derartige Ausgestaltung lässt sich schon eine Erhöhung der Verfahrgeschwindigkeit gegenüber dem Stand der Technik erreichen. Es kann aber auch eine Mastsensorik vorgesehen sein, durch die sämtliche Schwenkwinkel der Knickgelenke zu jedem Zeitpunkt erfasst werden. Beispielsweise kann der Knickmast an jedem Knickgelenk einen Winkelsensor aufweisen, der den jeweiligen momentanen Schwenkwinkel erfasst. Hiermit lässt sich die Mastgeschwindigkeit optimal begrenzen.
Die Steuereinrichtung verarbeitet gemäß der Erfindung die erfassten Schwenkwinkel und berechnet aus den Stellungen der Mastgelenke und den Verfahrgeschwindigkeiten der Schwenkantriebe insbesondere die sich ergebende Geschwindigkeit der Mastspitze. Auf Basis dieser Berechnung können dann die Antriebe der Knickgelenke angesteuert und die Geschwindigkeit mindestens eines der Antriebe begrenzt werden. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, die einzelnen Antriebe nach Maßgabe eines Fahrbefehls proportional anzusteuern, wobei der Fahrbefehl die Sollgeschwindigkeiten der Antriebe vorgibt. Der Fahrbefehl ergibt sich dabei zum Beispiel aus den Signalen einer Fernsteuerung, die von einem Bediener des Großmanipulators zur Steuerung der Mastbewegung benutzt wird. Die Steuereinrichtung steuert die einzelnen Antriebe so an, dass die jeweilige Verfahrgeschwindigkeit der Sollgeschwindigkeit gemäß dem Fahrbefehl entspricht. Dabei kann die Steuereinrichtung die sich aus dem Fahrbefehl, den Mastarmlängen und den momentanen Schwenkwinkeln ergebende Geschwindigkeit der Spitze des Knickmastes bestimmen, wie zuvor erläutert. Die Steuereinrichtung kann entsprechend die Geschwindigkeiten der einzelnen Antriebe gegenüber dem Fahrbefehl reduzieren, sobald die Geschwindigkeit der Spitze des Knickmastes einen vorgegebenen Grenzwert, der beispielsweise einer gesetzlich vorgegebenen Maximalgeschwindigkeit entspricht, überschreitet. Bevorzugt ist dabei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, die Geschwindigkeit der Spitze des Knickmastes durch Ansteuerung der Antriebe auf einen Wert zu regeln, der kleiner oder gleich dem vorgegebenen Grenzwert ist. Bei einer möglichen Ausgestaltung reduziert die Steuereinrichtung die Geschwindigkeiten aller Antriebe gegenüber dem Fahrbefehl um denselben Faktor, sodass die Geschwindigkeit der Spitze des Knickmastes stets kleiner oder gleich dem vorgegebenen Grenzwert ist, und zwar unabhängig von der momentanen Maststellung, die sich aus den sensorisch erfassten Schwenkwinkeln der Knickgelenke ergibt.
Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den Fahrbefehl, d.h. die Sollgeschwindigkeiten der einzelnen Antriebe, aus einem Bediensignal abzuleiten, das die Sollbewegung der Spitze des Knickmastes vorgibt. Dies ist im Zusammenhang mit einer sogenannten kartesischen oder zylindrischen Steuerung des Knickmastes zu sehen, bei der der Bediener mittels der Fernsteuerung nicht die Verfahrgeschwindigkeiten der einzelnen Antriebe vorgibt, sondern direkt die Bewegung der Mastspitze kontrolliert. Aus diesem Bediensignal kann die Steuereinrichtung des erfindungsgemäßen Großmanipulators die Sollgeschwindigkeiten der einzelnen Antriebe ableiten und regeln und dabei für die Einhaltung der Geschwindigkeitsgrenzen der Mastbewegung in allen Maststellungen automatisch Sorge tragen. Gemäß der Erfindung werden bei dieser kartesischen oder zylindrischen Steuerung gegenüber dem Stand der Technik höhere Geschwindigkeiten der einzelnen Antriebe zugelassen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn sich der Mast in der Nähe sogenannter singulärer Stellungen befindet, an denen höhere Geschwindigkeiten der einzelnen Antriebe für eine präzise Umsetzung der Bewegungsvorgabe für die Mastspitze erforderlich sind. Dies ist beispielsweise bei einem vollständig ausgestreckten Mast der Fall, wenn vom Benutzer eine Bewegung der Mastspitze vorgegeben wird, bei welcher der horizontale Abstand der Mastspitze zum Mastbock bei gleichzeitiger Beibehaltung der Höhe der Mastspitze verringert werden soll. Die Erfindung ermöglicht somit in der Nähe dieser singulären Stellungen eine wesentliche Verbesserung des Verhaltens des Systems mit kartesischer oder zylindrischer Maststeuerung.
Wegen der durch die Erfindung zur Verfügung stehenden hohen Geschwindigkeiten der Mastbewegung ermittelt die Steuereinrichtung gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung unter Berücksichtigung der Maststellung und der Mastgeschwindigkeit die kinetische Energie bei der Mastbewegung und begrenzt die Mastgeschwindigkeit über die Steuerung der Mastantriebe so, dass eine maximale kinetische Energie des Knickmastes bei seiner Bewegung nicht überschritten wird. Mit dieser Maßnahme wird verhindert, dass es bei einer abrupten Beschleunigung oder Verzögerung der Mastbewegung zu einer mechanischen Überlastung des Knickmastes kommt.
Ferner kann zur Vermeidung einer mechanischen Überlastung des Knickmastes die Steuereinrichtung eine Rampensteuerung für die Geschwindigkeit, ggfs. in Verbindung mit einer Schwingungsdämpfung, umfassen. Hierdurch kann die Beschleunigung bzw. das Abbremsen der Knickmastbewegung begrenzt werden.
Die Erfindung ermöglicht es an einzelnen Knickgelenken des Mastes höhere Verfahrgeschwindigkeiten zuzulassen, so dass der gesetzlich vorgegebene Rahmen für die Mastgeschwindigkeit gegenüber dem Stand der Technik besser ausgenutzt werden kann. Die sensorische Erfassung der Maststellung und die Ableitung der Mastkinematik aus den Schwenkwinkeln ist dabei Grundlage einer Regelung der Verfahrgeschwindigkeiten der Antriebe, bei der stets die Einhaltung der gesetzlichen Geschwindigkeitsbeschränkung sichergestellt ist. Gleichzeitig kann der Knickmast in den meisten praktischen Situationen deutlich schneller verfahren werden als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Großmanipulatoren. Beim Aus- und Einfalten des Knickmastes ergeben sich dadurch große zeitliche Vorteile gegenüber den bisher bekannten Systemen. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : erfindungsgemäßer Großmanipulator mit
Knickmast in einer Ausgestaltung, Figur 2 Knickmast eines erfindungsgemäßen
Großmanipulators in einer weiteren Ausgestaltung,
Figur 3: Blockschaltbild der Steuerung des
Knickmastes eines Großmanipulators gemäß der Erfindung,
Die Figur 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Großmanipulator, nämlich eine Autobetonpumpe, die insgesamt mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Auf einem Fahrgestell 2 ist ein Mastbock 3 angeordnet, der mittels eines (nicht dargestellten) Drehantriebs um eine Hochachse der Autobetonpumpe 1 drehbar ist. An dem Mastbock 3 ist ein insgesamt mit der Bezugsziffer 4 bezeichneter Knickmast angelenkt, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Mastarme 5, 6, 7 und 8 umfasst. Der erste Mastarm 5 ist an dem Mastbock 3 über ein Gelenk um eine horizontale Achse schwenkbeweglich angebracht. Die Schwenkbewegung wird durch einen (der Übersicht halber nicht dargestellten) Schwenkantrieb bewirkt. Die übrigen Mastarme 6, 7 und 8 sind mit den jeweils benachbarten Mastarmen über Knickgelenke um zueinander parallele, horizontale Achsen schwenkbeweglich verbunden. Die Schwenkbewegung bewirkt ebenfalls jeweils ein (nicht dargestellter) Schwenkantrieb. Die Schwenkantriebe weisen jeweils einen (oder mehrere) Hydraulikzylinder auf, die über proportional arbeitende Stellventile angesteuert werden. Diese wiederum werden von einer elektronischen Steuereinrichtung (nicht dargestellt) für die Mastbewegung gesteuert.
Der erfindungsgemäße Großmanipulator 1 weist eine Mastsensorik (z.B. in Form von Winkelsensoren für die Gelenke, Wegsensoren zur Erfassung der Kolbenpositionen der einzelnen Hydraulikzylinder oder geodätische Neigungssensoren) auf. Mithilfe der Mastsensorik werden beispielsweise die Schwenkwinkel φ1, φ2, φ3 und φ4 der Knickgelenke erfasst, wobei die Steuereinrichtung durch entsprechende Ansteuerung der Ventile der Hydraulikzylinder die Geschwindigkeit der Mastbewegung abhängig von den momentanen Schwenkwinkeln φ1, φ 2, φ 3 und φ4 der Knickgelenke steuert. Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel eines Algorithmus zur erfindungsgemäßen Maststeuerung anhand eines Großmanipulators im Einzelnen erläutert, welcher eine beliebige Anzahl von N Gelenken aufweist und mit dem Mastbock 3 an einem festen Punkt auf dem Fahrgestell 2 verankert ist. Figur 1 zeigt repräsentativ den Fall einer Autobetonpumpe 1 mit einem N = 4 Gelenke aufweisenden Knickmast 4. Die elastische Deformation der einzelnen Mastarme 5, 6, 7, 8 wird vernachlässigt, so dass diese als Starrkörper betrachtet werden. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Endpunktes EP des Knickmastes 4 ist die Beschreibung der Kinematik des Systems erforderlich. Die Freiheitsgrade des Systems sind die Starrkörperwinkel φi für i = 1 , . . . , N sowie der Drehwinkel Θ des Mastbocks 3 um dessen vertikale Drehachse. Die Absolutbewegungen des Systems werden im Inertialkoordinatensystem Ooxoyozo, d.h. in dem bezüglich des Fahrgestells 2 festen Koordinatensystem beschrieben. Mit OdXdydZd wird jenes Koordinatensystem bezeichnet, welches gegenüber dem Inertialkoordinatensystem um den Drehwinkel Θ verdreht ist. Des Weiteren wird für jeden Mastarm 5, 6, 7, 8 ein lokales Koordinatensystem 0i i izi definiert, dessen xi-Achse entlang der Längsachse des jeweiligen Mastarms 5, 6, 7, 8 verläuft. Da die Mastarme für i > 2 am Beginn typischerweise einen Knick aufweisen, schneidet deren Längsachse nicht die jeweilige Gelenkachse. Der Ursprung jedes lokalen Koordinatensystems wird daher auf den Schnittpunkt der Längsachse mit jener orthogonalen Geraden gelegt, welche durch die Gelenkachse verläuft. Die Abstände zwischen den Gelenkachsen und den Ursprüngen der lokalen Koordinatensysteme werden mit Di für i = 2, . . . , N bezeichnet.
Die kinematischen Beziehungen zwischen den lokalen Koordinatensystemen und dem Inertialkoordinatensystem können mit Rotationsmatrizen und Translationsvektoren dargestellt werden. Die Inertialkoordinaten eines Punktes auf der Längsachse des /-ten Mastarms beschrieben im lokalen Koordinatensystem i (gekennzeichnet durch den unteren Index), sind durch
gegeben. Die Matrix
mit
und für j = 2, . . . , N beschreibt die Verdrehung des lokalen Koordinatensystems gegenüber dem Inertialkoordinatensystem Die translatorische Verschiebung d'o zwischen dem lokalen Koordinatensystem und dem
Inertialkoordinatensystem o ist durch
gegeben. Dabei bezeichnet Lj die Länge des y-ten Mastarms.
Die Inertialkoordinaten des Endpunkt EP des N-ten Mastarms können somit als Funktion der Stellungen der N Gelenke und des Mastbocks 3 durch mit dem Vektor der Freiheitsgrade
dargestellt werden. Die Geschwindigkeit des Endpunktes EP in Richtung der einzelnen Koordinatenachsen ergibt sich durch Differentiation nach der Zeit zu
Durch die eingesetzten Hydrauliksysteme in Kombination mit der Steuereinrichtung wird dem Bediener des erfindungsgemäßen Großmanipulators eine proportionale Steuerung der Verfahrgeschwindigkeiten der einzelnen Hydraulikzylinder ermöglicht. Die resultierenden Gelenkwinkelgeschwindigkeiten können bei Kenntnis der Übersetzung der Gelenkkinematiken anhand der Sollgeschwindigkeiten für die Hydraulikzylinder bestimmt werden. Die Kolbenposition sz,i eines Zylinders lässt sich allgemein als nichtlineare Funktion des entsprechenden Gelenkwinkels φi darstellen,
Auf Geschwindigkeitsebene gilt der Zusammenhang
womit aus einer vorgegeben Kolbengeschwindigkeit die resultierende Gelenkwinkelgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Des Weiteren kann mit diesem Zusammenhang umgekehrt aus einer vorgegebenen Gelenkwinkelgeschwindigkeit die entsprechende Kolbengeschwindigkeit berechnet werden. Damit wird dem Benutzer eine gleichmäßige, proportionale Steuerung der Gelenkwinkelgeschwindigkeiten ermöglicht. Dies ist für den Benutzer von besonderem Vorteil, da dadurch die im Allgemeinen nicht vermeidbare Nichtlinearität der Gelenkskinematik kompensiert wird. Der Vektor
ist daher repräsentativ für die Benutzereingaben, d.h. den Fahrbefehl im Sinne der Erfindung, der die Sollgeschwindigkeiten der Antriebe oder direkt der Gelenke vorgibt. Für die Erfassung der Gelenkstellungen bzw. der Freiheitsgrade q ist erfindungsgemäß der Einsatz einer geeigneten Mastsensorik erforderlich. Die Absolutgeschwindigkeit der Auslegerspitze EP ist durch
gegeben. Überschreitet diese die maximal erlaubte Geschwindigkeit werden alle Geschwindigkeiten der Antriebe durch die Steuereinrichtung gegenüber den durch den Fahrbefehl vorgegebenen Sollgeschwindigkeiten gleichmäßig, d.h. um denselben Faktor reduziert. Es wird damit ein Vektor gesucht, für den gilt. Durch die Forderung nach der gleichmäßigen Reduktion der Geschwindigkeiten lässt sich dieses Problem eindeutig lösen und auf die Bestimmung eines Faktors vereinfachen. Damit gilt
woraus der Zusammenhang
folgt. Das Ergebnis für den modifizierten Fahrbefehl mit gegenüber der bedienerseitigen Vorgabe reduzierten Geschwindigkeiten lautet schließlich
Die Steuereinrichtung steuert die Hydraulikzylinder nach Maßgabe dieses modifizierten Fahrbefehls an und begrenzt deren Bewegungsgeschwindigkeit, so dass sich die Mastspitze EP niemals schneller als gesetzlich erlaubt bewegt. Gleichzeitig kann in jeder beliebigen Maststellung die Verfahrgeschwindigkeit innerhalb des gesetzlichen Rahmens maximal schnell sein, wodurch erheblich Zeit beim Aus- und Einfalten des Knickmastes 4, aber auch beim Verfahren des Mastes zwischen zwei Arbeitspositionen, gegenüber dem Stand der Technik eingespart werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden anstelle der Mastsensorik zur Erfassung der Schwenkwinkel Sensoren zur Erfassung der Positionen der Endpunkte der Mastarme relativ zum Mastbock bzw. Fahrwerk vorgeschlagen. Diese sind dem Fachmann allgemein bekannt und können beispielsweise als GPS-, Funk- oder Ultraschall-Sensoren ausgeführt sein. Wie in Fig. 2 für die Position des Endpunktes EP des letzten Mastelementes 8 gezeigt, wird z.B. der horizontale Abstand (der Radius) der Mastspitze zum Inertialkoordinatensystem messtechnisch erfasst. Soll lediglich die horizontale Bahngeschwindigkeit unabhängig von den Bewegungsvorgaben für die einzelnen Zylinder auf einen Wert beschränkt werden, ergibt sich die besonders einfache Forderung nach der Einhaltung der Ungleichung Des Weiteren ist zu erwähnen, dass für die Umsetzung der Erfindung nicht alle Gelenkwinkel erfasst werden müssen. Wird beispielsweise der Winkel des letzten Gelenks nicht erfasst, kann der Algorithmus dahingehend modifiziert werden, dass Geschwindigkeit der Mastspitze die Geschwindigkeit
des Endpunktes des vorletzten Mastsegments mit dem Index N-1 überwacht wird. In Abhängigkeit von dessen Position kann eine für diesen Endpunkt maximal zulässige Geschwindigkeit bestimmt werden, bei dessen Einhaltung die maximal erlaubte Geschwindigkeit der Mastspitze unabhängig vom Gelenkwinkel nicht überschritten werden kann. Auch mit dieser Einschränkung ist eine wesentliche Zeitersparnis beim Auf- und Abbau der Maschine gegenüber dem Stand der Technik möglich.
Bei den beschriebenen Lösungsansätzen ist zu beachten, dass durch die höheren Verfahrgeschwindigkeiten in den einzelnen Gelenken sowie dem Drehwerk ein abruptes Abbremsen der hydraulischen Aktoren bei höheren Geschwindigkeiten und damit höherer kinetischer Energie unweigerlich zu höheren dynamischen Kräften im Vergleich zu derzeitigen Systemen führt. Es muss somit gewährleistet werden, dass durch die höheren dynamischen Kräfte nicht die Belastbarkeitsgrenzen der mechanischen Komponenten überschritten werden. Obgleich ein abruptes Abbremsen im Normalbetrieb der Maschine durch eine entsprechende Bedienung des Maschinisten nicht vorkommen sollte, ist mit dieser Möglichkeit, z.B. im Rahmen eines Notstopps, immer zu rechnen.
Zur Vermeidung hoher dynamischer Belastungen im Normalbetrieb werden eine Rampensteuerung sowie ein System zur aktiven Schwingungsdämpfung vorgeschlagen. Durch eine aktive Schwingungsdämpfung kann die dynamische Belastung reduziert werden, da damit auftretende Schwingungen schnell ausgeregelt werden können. Der erste Ausschlag einer durch eine vom Benutzer vorgegebenen abrupten Bewegungsänderung verursachten Schwingung bleibt auch trotz einer Schwingungsdämpfung weitestgehend erhalten, kann jedoch z.B. durch eine Rampensteuerung effektiv reduziert werden. Diese kann z. B. als Stellratenbegrenzung implementiert werden, bei welcher der Betrag der Änderungsrate der Geschwindigkeitssollwerte auf einen Maximalwert begrenzt wird. Bezeichnen die Geschwindigkeitsvorgaben zu den Abtastzeitpunkten
mit der Abtastzeit so lässt sich die Stellratenbegrenzung in der Form
mit einer maximal erlaubten Stellrate beschreiben. Eine weitere
Ausgestaltungsform einer Rampensteuerung stellt ein zeitverzögertes Halteglied erster Ordnung dar. Bei dieser wird die Tatsache genutzt, dass die vom Benutzer vorgegebene Sollgeschwindigkeit mit einer langsameren Zeitkonstante und abgetastet wird. Damit kann
zwischen zwei Benutzervorgaben ein quasikontinuierlicher Verlauf der Stellgröße vorgegeben werden. Dieser Verlauf wird bei der hier vorgestellten Implementierungsvariante als Gerade gewählt. Wird mit der Abtastschritt für die Abtastung mit der Zeitkonstante und mit der Abtastschritt für die Abtastung der Benutzervorgabe mit der Zeitkonstante
so kann das resultierende Stellsignal durch
dargestellt werden. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass sich für den Benutzer ein einheitliches Verzögerungsverhalten des Systems für den gesamten Stellbereich ergibt.
Da die vorgeschlagene Rampensteuerung sowie eine aktive Schwingungsdämpfung im Falle eines Notstopps der Maschine nicht wirksam sein können, kann ein weiteres System vorgesehen werden, bei dem zusätzlich zur Begrenzung der Geschwindigkeit der Mastspitze die sich aus den Sollgeschwindigkeiten ergebende kinetische Energie des Auslegers begrenzt wird. Betrachtet man den Ausleger vereinfacht als Starrkörpersystem, kann die sich aus den Bewegungsvorgaben ergebende kinetische Energie durch mit der generalisierten Massenmatrix dargestellt werden. Die generalisierte Massenmatrix ergibt sich aus der aktuellen Stellung des Mastes und der Massenverteilung der einzelnen Mastarme. Sie kann mit den in der Robotik bekannten Methoden zur Beschreibung der Dynamik von Mehrkörpersystemen ermittelt werden. Überschreitet die sich ergebende kinetische Energie einen maximal erlaubten Wert für diesen kann z. B.
die kinetische Energie bei gestrecktem Mast und Maximalgeschwindigkeit aller Gelenke gewählt werden, werden alle Benutzereingaben durch das System gleichmäßig reduziert. Es wird damit ein Vektor gesucht, für den
gilt. Durch die Forderung nach der gleichmäßigen Reduktion der Geschwindigkeiten lässt sich dieses Problem eindeutig lösen und auf die Bestimmung eines Faktors vereinfachen. Damit gilt
woraus der Zusammenhang folgt. Das Ergebnis für den modifizierten Fahrbefehl « , d.h. mit gegenüber der bedienerseitigen Vorgabe reduzierten Geschwindigkeiten lautet schließlich
Die sich durch die Beschränkung der kinetischen Energie ergebenden maximalen Verfahrgeschwindigkeiten sind geringer als es die Norm verlangt. Bei ausgefaltetem Mast 4 in typischen Stellungen auf Baustellen ergeben sich dadurch nur geringe Erhöhungen der Maximalgeschwindigkeiten gegenüber dem Stand der Technik. Ist der Mast jedoch weitestgehend eingefaltet (zeitkritisch ist beim Auf- und Abbau des Mastes insbesondere das Schwenken des Drehwerks), sind dennoch wesentlich höhere Geschwindigkeiten möglich. Beim Aus- und Einfalten des Knickmastes 4 kann somit ebenso erheblich Zeit gegenüber dem Stand der Technik eingespart werden. Bei der Ermittlung der kinetischen Energie kann zudem berücksichtigt werden, dass sich beim Auf- und Abbau der Betonpumpe kein Beton in der Betonförderleitung befindet, wodurch höhere Verfahrgeschwindigkeiten ermöglicht werden als während des Betoniervorganges, bei dem der Beton in der Förderleitung die kinetische Energie des Mastes erheblich erhöht. Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild mit einer Ausführungsform der Mastsensorik zur Ansteuerung des Mastarmes 4 eines Großmanipulators 1 gemäß der Erfindung, bei der die Steuerung bzw. Begrenzung der Geschwindigkeit der Mastbewegung abhängig von der momentanen Maststellung erfolgt.
Der Knickmast 4 wird von einer Fernsteuerung 10 aus von einem Bediener über die zwei Joysticks 1 1 a und 1 1 b gesteuert. Mit dem Joystick 1 1 a wird beispielsweise die Drehbewegung des Drehantriebes des Knickmastes 4 gesteuert und mit dem Joystick 1 1 b werden beispielsweise die Schwenkantriebe der einzelnen Knickgelenke des Knickmastes 4 angesteuert. Mit dem Wählschalter 12 kann der Bediener verschiedene Verfahrgeschwindigkeiten (A = Langsame Geschwindigkeit; B = Normalgeschwindigkeit und C = hohe Geschwindigkeit) auswählen. Die Stellung A wird insbesondere während des Betoniervorganges ausgewählt. Hierbei sind für die einzelnen Antriebe des Knickmastes 4 sehr niedrige Grenzgeschwindigkeiten voreingestellt. Die Stellung B entspricht der einfachen Steuerung des Mastarmes 4 wie im Stand der Technik. Bei der Stellung C wird die Mastgeschwindigkeit gemäß der Erfindung optimiert beziehungsweise maximiert.
Die Steuersignale der Joysticks 1 1 a, 1 1 b sowie die Schaltstellung des Drehschalters 12 werden über eine Funkschnittstelle 13/14 an die Maststeuerung 15 mit Prozessor 17 geleitet. Der Prozessor 17 empfängt über die Signalleitungen 26a-d die Ausgangssignale der Mastsensorik, die den Schwenkwinkeln φ1 bis φ4 der einzelnen Knickgelenke des Knickmastes 4 entsprechen oder daraus abgeleitet werden können. Die Winkel können beispielsweise direkt mittels Drehwinkelsensoren erfasst werden, die auch berührungslos (z.B. nach dem Hall-Prinzip) arbeiten. Die Knickwinkel des Knickmastes 4 können im Prozessor 17 auch anhand von Signalen von geodätischen Neigungssensoren ermittelt werden, die auf den einzelnen Mastarmen 5-8 angebracht sind.
Solange sich der Drehschalter 12 in der Stellung B befindet, wird der Prozessor 17 die Schwenkwinkel φ1 bis φ4 bei der Steuerung des Knickmastes 4 nicht berücksichtigen und die Hydraulikventile 20 und 21 a-c so ansteuern, dass die vorgebbaren Bewegungsgeschwindigkeiten der einzelnen Antriebe auf fixe Werte begrenzt sind, welche die Einhaltung gesetzlichen Normen unabhängig von den momentanen Schwenkwinkeln gewährleistet, d.h. der Knickmast verhält sich bei der Steuerung wie im Stand der Technik bekannt. Die Steuersignale vom Prozessor 17 werden über die Steuerleitungen 24a - 24d und 25 an die Proportional-Hydraulikventile 20 und 21 a bis 21 d geleitet, wobei das Hydraulikventil 20 beispielsweise einen Hydraulikmotor 22 ansteuert, der den Mastbock 3 in eine Drehbewegung versetzt und die Hydraulikventile 21 a - 21 d die Hydraulikzylinder 23a-d ansteuern, die das Verschwenken der Mastarme 5 - 8 des Knickmastes 4, ggfs. unter Zuhilfenahme geeigneter Umlenkhebel, hervorrufen.
Wenn der Drehschalter 12 in der Stellung C für optimierte/maximierte Mastgeschwindigkeit steht, ermittelt der Prozessor 17 auf der Basis der ermittelten Knickwinkel φ1 bis φ4 die Maststellung des Knickmastes 4. Er steuert dann die Bewegung des Knickmastes 4 über die Hydraulikventile 20, 21 a-21 d so, dass die Bahngeschwindigkeit des Knickmastes 4 am Endpunkt EP eine vorgegebene Geschwindigkeit des Endpunktes EP nicht überschreitet. Der Prozessor 17 ermittelt zudem aus der Maststellung und der berechneten Mastgeschwindigkeit die kinetische Energie des Mastes 4 und berücksichtigt dies, wie oben erläutert, bei der Ansteuerung der Hydraulikventile 20, 21 a-21 d. Hierdurch wird eine maximal erlaubte kinetische Energie des bewegten Knickmastes 4 nicht überschritten. Ferner kann der Prozessor 17 einen Algorithmus zur Schwingungsdämpfung anwenden, womit Schwingungen des Knickmastes 4, z.B. beim Abbremsen oder bei Betonierarbeiten verringert werden. Hierdurch lässt sich auch insbesondere beim Abbremsen des Mastes, wie oben bereits erläutert, die Belastung des Knickmastes 4 verringern. Ferner kann der Prozessor 17 bei der Ansteuerung des Knickmastes 4 bei der Beschleunigung und Verzögerung der Bewegung des Knickmastes 4 eine Rampensteuerung, wie weiter oben detailliert beschrieben, vorsehen. Die Rampensteuerung verringert die Belastung des Knickmastes 4 weiter.
Bezuaszeichenliste
1 Großmanipulator / Autobetonpumpe
2 Fahrgestell
3 Mastbock
4 Knickmast
5, 6, 7, 8 erster bis vierter Mastarm
10 Fernsteuerung
1 1 a linker Joystick für Mastbewegung
I I b rechter Joystick für Mastbewegung
12 Drehschalter Mastgeschwindigkeit
13 Antenne Funkverbindung Fernsteuerung
14 Antenne Funkverbindung Maststeuerung
15 Maststeuerung
1 6 HF-Eingangsschaltung
17 Prozessor Maststeuerung
20 Hydraulik-Proportionalventil Mastdrehung
21 a - 21 d Hydraulik-Proportionalventile Antrieb Knickgelenke 22 Hydraulikmotor Drehantrieb 23a - 23d Mastzylinder
24a-d Ansteuerung Hydraulikventile Knickgelenke
25 Ansteuerung Hydraulikventil Maststeuerung
26a-d Messsignalleitungen Knickwinkel Mast
30 Endschlauch
P Hydraulik Versorgungsleitung
T Hydraulik Tankleitung
θ Drehwinkel
φ4- φ4 Schwenkwinkel der Mastgelenke

Claims

Patentansprüche
1 . Großmanipulator (1 ), insbesondere Autobetonpumpe, mit einem um eine vertikale Achse mittels eines Drehantriebs drehbaren Mastbock (3), der auf einem Gestell (2) angeordnet ist, einem Knickmast (4), der zwei oder mehr Mastarme (5, 6, 7, 8) umfasst, wobei die Mastarme (5, 6, 7, 8) über Knickgelenke mit dem jeweils benachbarten Mastbock (3) oder Mastarm (5, 6, 7, 8) mittels je eines Schwenkantriebs schwenkbeweglich verbunden sind, mit einer die Antriebe ansteuernden Steuereinrichtung (17) für die Mastbewegung, und einer Mastsensorik zur Erfassung der Lage mindestens eines Punktes des Knickmastes (4) oder eines Schwenkwinkels (φ1,φ 2, φ3, φ4) zumindest eines Knickgelenks,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, die Geschwindigkeit der Mastbewegung basierend auf dem Ausgangssignal der Mastsensorik zu begrenzen.
2. Großmanipulator (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, die Geschwindigkeit mindestens eines der Antriebe zu begrenzen.
3. Großmanipulator (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, die Geschwindigkeit eines Punktes des Knickmastes (4) zu begrenzen.
4. Großmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mastsensorik die relative Lage des mindestens einen Punktes des Knickmasts (4) zum Mastbock (3) erfasst.
5. Großmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, die einzelnen Antriebe nach Maßgabe eines Fahrbefehls proportional anzusteuern, wobei der Fahrbefehl die Sollgeschwindigkeiten der Antriebe vorgibt. 6. Großmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) weiter dazu eingerichtet ist, die sich aus einem Fahrbefehl, den Längen der Mastarme (5,
6, 7, 8) und dem Ausgangssignal der Mastsensorik ergebende Geschwindigkeit der Spitze (EP) des Knickmastes (4) zu bestimmen.
7. Großmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, Geschwindigkeitsvorgaben der einzelnen Antriebe gegenüber einem Fahrbefehl zu reduzieren, sobald der Fahrbefehl zu einer Überschreitung der Geschwindigkeit der Spitze (EP) des Knickmastes (4) über einen vorgegebenen Grenzwert führen würde und / oder den Grenzwert überschreitet.
8. Großmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) eingerichtet ist, die Geschwindigkeit der Spitze (EP) des Knickmastes durch Ansteuerung der Antriebe auf einen Wert zu regeln, der kleiner oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert ist.
9. Großmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) eingerichtet ist, die Geschwindigkeiten aller Antriebe gegenüber dem Fahrbefehl um denselben Faktor zu reduzieren, so dass die Geschwindigkeit der Spitze (EP) des Knickmastes (4) kleiner oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert ist.
10. Großmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, einen Fahrbefehl aus einem Bediensignal abzuleiten, das die Sollbewegung der Spitze (EP) des Knickmastes (4) vorgibt.
1 1 . Großmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (17) dazu eingerichtet ist, die kinetische Energie des Knickmastes (4) zu ermitteln und die Mastgeschwindigkeit so zu begrenzen, dass eine maximale kinetische Energie des Knickmastes (4) bei seiner Bewegung nicht überschritten wird.
12. Großmanipulator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (17) eine Rampensteuerung umfasst.
13. Verfahren zur Steuerung der Bewegung eines Knickmastes (4) eines Großmanipulators (1 ), insbesondere einer Autobetonpumpe,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schwenkwinkel (φ1 , φ2, φ3, φ4) mindestens eines Knickgelenks des Knickmastes (4) oder die Lage mindestens eines Punktes des Knickmastes (4) sensorisch erfasst werden und die Geschwindigkeit des Knickmastes (4) basierend auf den sensorisch erfassten Signalen begrenzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Antriebe der Knickgelenke nach Maßgabe eines Fahrbefehls proportional gesteuert werden, wobei der Fahrbefehl die Sollgeschwindigkeiten der Antriebe vorgibt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Spitze (EP) des Knickmastes (4) aus einem Fahrbefehl, den Längen von Mastarmem (5, 6, 7, 8) des Knickmastes (4) und den momentanen Schwenkwinkeln (φ1 , φ2, φ3, φ4 und / oder der Lage mindestens eines Punktes des Knickmastes (4) bestimmt wird.
1 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Geschwindigkeitsvorgaben der einzelnen Antriebe gegenüber einem Fahrbefehl reduziert werden, sobald der Fahrbefehl zu einer Überschreitung der Geschwindigkeit der Spitze (EP) des Knickmastes (4) über einen vorgegebenen Grenzwert führen würde und / oder den Grenzwert überschreitet.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 1 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Spitze (EP) des Knickmastes (4) durch Ansteuerung der Antriebe auf einen Wert geregelt wird, der kleiner oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeiten aller Antriebe gegenüber dem Fahrbefehl um denselben Faktor reduziert werden, so dass die Geschwindigkeit der Spitze (EP) des Knickmastes (4) kleiner oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrbefehl aus einem Bediensignal abgeleitet wird, dass die Sollbewegung der Spitze (EP) des Knickmastes (4) vorgibt.
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