ES2964216T3

ES2964216T3 - Manipulador de grandes dimensiones, en particular para bombas de hormigón

Info

Publication number: ES2964216T3
Application number: ES19167225T
Authority: ES
Inventors: Julian Wanner; Oliver Sawodny
Original assignee: Liebherr Mischtecknik GmbH
Current assignee: Liebherr Mischtecknik GmbH
Priority date: 2018-04-17
Filing date: 2019-04-04
Publication date: 2024-04-04
Anticipated expiration: 2039-04-04
Also published as: EP3556967B1; EP3556967A1; DE102018109088A1

Abstract

La presente invención muestra un manipulador de gran tamaño, en particular para bombas de hormigón, con un brazo articulado que presenta una plataforma giratoria alrededor de un eje vertical y al menos dos segmentos que pueden girarse alrededor de ejes horizontales mediante articulaciones, siendo la plataforma giratoria móvil alrededor de el eje vertical a través de un actuador y los segmentos pueden girarse alrededor de los ejes horizontales a través de actuadores, un control para controlar los actuadores, comprendiendo el control un amortiguador de vibraciones para amortiguar las vibraciones horizontales y/o verticales del brazo articulado y al menos una velocidad de rotación sensor, cuyas señales de medición están incluidas en la amortiguación de vibraciones. Se caracteriza porque la amortiguación de vibraciones determina un estado de vibración de todo el brazo articulado a partir de los valores medidos del al menos un sensor de velocidad de rotación a partir de las vibraciones de los segmentos individuales y/o porque la amortiguación de vibraciones se realiza sin el uso de sensores geodésicos y/o unidades de medición inercial dispuestas en los segmentos y/o sensores de deformación. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Manipulador de grandes dimensiones, en particular para bombas de hormigón

La presente invención se refiere a un manipulador de grandes dimensiones, en particular para bombas de hormigón, con un brazo articulado, que tiene un soporte giratorio capaz de girar alrededor de un eje vertical y/o al menos un segmento basculante alrededor de un eje horizontal por medio de una articulación, en donde el soporte giratorio es desplazable alrededor del eje vertical por medio de un actuador y/o el al menos un segmento es basculante alrededor del eje horizontal por medio de un actuador, y con un control para controlar los actuadores, en cuyo caso el control comprende un medio de amortiguación de vibraciones para amortiguar las vibraciones horizontales y/o verticales del brazo articulado. En particular, la bomba de hormigón es una bomba de hormigón montada sobre camión.

En la parte introductoria de la descripción de las figuras puede encontrarse una descripción detallada del estado de la técnica pertinente. En particular, la publicación WO 2014 165889 A1 utiliza sensores de velocidad de rotación como parte de unidades de medición inercial (IMU) para determinar la posición de los segmentos del brazo de la pluma. La amortiguación de las vibraciones, por su parte, se realiza retroalimentando las señales de un sensor de deformación. La publicación WO 2016 131977 A1 utiliza además una unidad de medición inercial para controlar la posición de la punta de pluma. La publicación EP 2 103760 B1 propone una amortiguación de vibraciones, basada en un modelo, que utiliza un modelo modal.

La publicación CN 105317 217 B divulga un dispositivo de supresión de vibraciones de la pluma que comprende: un dispositivo receptor para recibir un ángulo entre una sección de la pluma y un plano de referencia al detener la operación de oscilación de la pluma y una velocidad de giro de la pluma, y un dispositivo de control que predice el desplazamiento final de la pluma basándose en el ángulo incluido y la velocidad de giro: y aplica una corriente de control al actuador de oscilación de la pluma basándose en el desplazamiento final predicho de la pluma para suprimir una vibración de oscilación de la pluma.

El artículo de XIE GANG et al, "Modelling and Simulation of the Coupled Rigid-Flexible Multibody Systems in MWorks", Proceedings of the 48th Scandinavian conference in simulation and modelling (SIMS 2007), vol. 76, 405-416, 2012, Gotemburgo muestra un modelado de una bomba de hormigón en Modelica Toolbox MWorks.

La publicación Oliver Nehrig, Entwurf und Realisierung eines Beschleunigungssensorsystems auf der Basis von in Silizium integrierter Mikromechanik für die besonderen Anforderungen bei Schwerlasthandlingsystemen (Diseño e implementación de un sistema sensor de aceleración basado en micromecánica integrada en silicio para los requerimientos especiales de sistemas de manipulación de cargas pesadas), 04.04.2003, páginas 1 - 156, XP055923326 trata del desarrollo de sensores micromecánicos de aceleración especialmente para su uso en una bomba de hormigón.

La publicación JP H10 331426 A describe una bomba de hormigón en la que la frecuencia de bombeo se reduce cuando las vibraciones medidas en el brazo de la pluma superan un valor límite.

Es un objetivo de la presente invención proporcionar un manipulador de grandes dimensiones con amortiguación de vibraciones mejorada.

Este objetivo se logra en un primer aspecto mediante un manipulador de grandes dimensiones según la reivindicación 1, en un segundo aspecto mediante un manipulador de grandes dimensiones según la reivindicación 4 y en un tercer aspecto mediante un manipulador de grandes dimensiones según la reivindicación 6.

Las configuraciones preferidas de la presente invención son objeto de las reivindicaciones dependientes.

En un primer aspecto, la presente solicitud comprende un manipulador de grandes dimensiones, en particular para bombas de hormigón, que tiene un brazo articulado que comprende un soporte giratorio que puede girar alrededor de un eje vertical y al menos dos segmentos que pueden bascular alrededor de ejes horizontales mediante articulaciones, en cuyo caso el soporte giratorio puede moverse alrededor del eje vertical por medio de un actuador y los segmentos pueden bascular alrededor de los ejes horizontales por medio de actuadores, un sistema de control para controlar los actuadores, en donde el sistema de control comprende un sistema de amortiguación de vibraciones para amortiguar las vibraciones horizontales y/o verticales del brazo articulado, y al menos un sensor de velocidad de rotación, cuyas señales de medición se introducen en el sistema de amortiguación de vibraciones.

Según la presente invención, la amortiguación de vibraciones determina un estado de vibración de todo el brazo articulado sobre la base de los valores medidos del al menos un sensor de velocidad de rotación a partir de las vibraciones de los segmentos individuales. Por lo tanto, a diferencia de la publicación WO 2014 165889 A1, los sensores de velocidad de rotación no solo se utilizan para determinar la posición, sino que también constituyen la base para determinar el estado de vibración del brazo articulado. A diferencia de la publicación WO 2016 131977 A1, no solo se tiene en cuenta la posición de la punta de la pluma, sino que se determina el estado de vibración de todo el brazo articulado. El resultado es una amortiguación de las vibraciones significativamente mejor.

Según una configuración preferida del primer aspecto, la amortiguación de vibraciones se realiza sin el uso de sensores geodésicos y/o unidades de medición inercial y/o sensores de deformación dispuestos en los segmentos. Los inventores de la presente solicitud han reconocido que la amortiguación de vibraciones basada en los sensores de velocidad de rotación no requiere sensores geodésicos como los incorporados en las unidades de medición inercial junto con los sensores de velocidad de rotación. Más bien, las señales del sensor o sensores de velocidad de rotación pueden utilizarse para determinar las vibraciones incluso sin sensores geodésicos. Además, los inventores han reconocido que debido a que el sensor o sensores de velocidad de rotación se utilizan para detectar vibraciones, ya no hay necesidad de sensores de deformación para implementar la amortiguación de vibraciones.

En una posible configuración de la presente invención, al menos un sensor de velocidad de rotación está dispuesto en una región delantera de un segmento dispuesto entre el soporte giratorio y un segmento que forma la punta de la pluma en el brazo articulado. Esto permite que las vibraciones de este segmento sean detectadas particularmente bien por el sensor de velocidad de rotación. Preferiblemente, la señal del sensor de velocidad de rotación se utiliza para determinar las vibraciones del segmento en el que está dispuesto. Preferiblemente, la región delantera de un segmento dentro del significado de la presente invención se considera que es el 25% delantero de la expansión lineal del segmento respectivo, es decir, enfrentado a la punta de la pluma, preferiblemente el 10% delantero de la expansión lineal.

En una posible configuración de la presente invención, los sensores de velocidad de rotación están dispuestos en al menos dos segmentos. Preferiblemente, las señales de estos sensores de velocidad de rotación se utilizan para determinar las vibraciones de los segmentos en los que están dispuestos.

Preferiblemente, el sistema de amortiguación de vibraciones determina un estado de vibración de los segmentos y/o de todo el brazo basándose en los valores medidos de los al menos dos sensores de velocidad de rotación.

Preferiblemente, los sensores de velocidad de rotación están dispuestos cada uno en una región delantera de los segmentos. Esto mejora la detección de las vibraciones de estos segmentos.

Preferiblemente, los al menos dos segmentos en los que están dispuestos los sensores de velocidad de rotación están dispuestos entre el soporte giratorio y un segmento que forma la punta de la pluma en el brazo articulado. Además, preferiblemente, se dispone otro sensor de velocidad de rotación en el segmento que forma la punta de la pluma, que se utiliza preferiblemente para determinar las vibraciones de la punta de la pluma.

Según el primer aspecto de la presente invención, además de los sensores de velocidad de rotación, el manipulador grande comprende además sensores asociados con las articulaciones de giro para medir directa o indirectamente el ángulo de rotación respectivo de las articulaciones del brazo articulado, en donde las señales de medición de los sensores son introducidas en el sistema de control del manipulador grande. Estas pueden utilizarse, en particular, para compensar la deriva de los valores medidos, lo que es inevitable en el caso de los sensores de velocidad de rotación debido a su diseño.

Las señales de medición de los sensores se introducen preferentemente en el sistema de amortiguación de vibraciones. Alternativa o adicionalmente, las señales de medición de los sensores pueden servir para determinar la posición actual del brazo articulado, y en particular utilizarse para un control de posición del brazo articulado.

En un segundo aspecto, la presente invención comprende un manipulador de grandes dimensiones, en particular para bombas de hormigón, con un brazo articulado que comprende un soporte giratorio capaz de girar alrededor de un eje vertical y/o al menos un segmento basculante alrededor de un eje horizontal mediante una articulación, en donde el soporte giratorio es desplazable alrededor del eje vertical por medio de un actuador y/o el al menos un segmento es basculante alrededor del eje horizontal por medio de un actuador, y con un control para controlar los actuadores, en donde el control comprende un sistema de amortiguación de vibraciones para amortiguar las vibraciones horizontales y/o verticales del brazo articulado. El segundo aspecto se caracteriza porque la amortiguación de vibraciones se realiza utilizando un modelo físico del brazo articulado, en el que la flexibilidad de al menos un segmento se describe mediante al menos una articulación virtual dispuesta dentro de dicho segmento. A diferencia de los modelos modales del estado de vibración del brazo articulado utilizados en el estado de la técnica, dicho modelo tiene una interpretación física. Además, a diferencia de un modelo modal, el modelo no debe ser rediseñado para cada posición del brazo articulado.

Preferiblemente, al menos la flexibilidad del segmento situado directamente en el soporte giratorio se tiene en cuenta mediante una articulación virtual correspondiente, ya que las vibraciones de este segmento son las que más influyen en el estado de vibración del brazo articulado. Alternativa o adicionalmente puede tenerse en cuenta la flexibilidad del último segmento, que forma la punta de la pluma. Éste suele ser el menos estable y, por tanto, el más flexible. Sin embargo, la articulación virtual también puede proporcionarse en otro segmento.

Preferiblemente, la flexibilidad de varios, y más preferiblemente de todos los segmentos, se describe mediante al menos una articulación virtual dispuesta dentro del segmento respectivo.

En una posible configuración de la presente invención, el modelo físico es un modelo de cuerpo rígido con articulaciones accionadas. Preferiblemente, el modelo describe varios y aún más preferiblemente todos los segmentos del brazo articulado, y por lo tanto reproduce simultáneamente la posición del brazo articulado. La capacidad vibratoria de al menos uno y preferiblemente varios y aún más preferiblemente todos los segmentos se describe entonces mediante al menos una articulación virtual en los cuerpos rígidos que describen los segmentos reales.

En una posible configuración de la presente invención, un elemento de resorte y un elemento amortiguador están asociados con la articulación virtual. Esto puede utilizarse para describir la flexibilidad del segmento. Preferiblemente, la constante del resorte y la constante del amortiguador se eligen de forma que la articulación virtual describa la magnitud de la deflexión y/o torsión y/o la primera frecuencia propia del segmento real. Por lo tanto, la articulación virtual puede considerarse como una primera descripción de la primera oscilación propia del segmento en frecuencia y amplitud.

En una posible configuración de la presente invención, se proporcionan menos de 10, más preferiblemente menos de 5, más preferiblemente menos de 3, y en una posible configuración exactamente una articulación virtual dentro del segmento. Esto reduce la complejidad del modelo.

Si sólo se considera una vibración vertical u horizontal, es suficiente una articulación virtual con un solo eje de rotación. En particular, una articulación virtual con un eje de rotación horizontal puede utilizarse para amortiguar las vibraciones en la vertical.

Sin embargo, en una configuración preferida de la presente invención, la articulación virtual tiene al menos dos y preferiblemente tres grados de libertad de movimiento.

El primer y el segundo aspecto de la presente invención pueden utilizarse independientemente. En particular, los sensores de velocidad de rotación según el primer aspecto también pueden utilizarse utilizando un modelo diferente del estado vibratorio del brazo articulado que el proporcionado según el segundo aspecto. Además, el modelo según el segundo aspecto también puede utilizarse con otros sensores distintos de los sensores de velocidad de rotación.

Preferiblemente, sin embargo, el primer aspecto y el segundo aspecto se utilizan en combinación.

En un tercer aspecto, la presente invención comprende un manipulador de grandes dimensiones, en particular para bombas de hormigón, con un brazo articulado que comprende un soporte giratorio capaz de girar alrededor de un eje vertical y/o al menos un segmento basculante alrededor de un eje horizontal mediante una articulación, en donde el soporte giratorio es desplazable alrededor del eje vertical por medio de un actuador y/o el al menos un segmento es basculante alrededor del eje horizontal por medio de un actuador, y con un control para controlar los actuadores, en donde el control comprende un sistema de amortiguación de vibraciones para amortiguar las vibraciones horizontales y/o verticales del brazo articulado. El tercer aspecto se caracteriza porque el sistema de amortiguación de vibraciones tiene en cuenta una torsión de al menos un segmento y/o del brazo articulado. Los inventores de la presente invención han reconocido que, debido a la gran longitud del brazo articulado, la torsión tiene una influencia nada despreciable en el comportamiento vibratorio del brazo articulado. Por lo tanto, tener en cuenta la torsión permite una reducción significativamente mejorada de las vibraciones. Según la invención, la torsión se tiene en cuenta en una amortiguación horizontal de las vibraciones, que se lleva a cabo controlando el actuador de la plataforma giratoria.

En una posible configuración de la presente invención, la consideración de la torsión de al menos un segmento y/o del brazo articulado se realiza utilizando un modelo físico del brazo articulado que describe una torsión del brazo articulado y/o de uno o más segmentos del brazo articulado. Más preferiblemente, esto se realiza utilizando una articulación giratoria virtual según el segundo aspecto de la presente invención, que se extiende en la dirección longitudinal del segmento.

En una posible configuración de la presente invención, el manipulador de grandes dimensiones según el tercer aspecto comprende al menos dos sensores de velocidad de rotación dispuestos en diferentes segmentos, en donde la torsión se determina a partir de una comparación de los valores medidos de los sensores de velocidad de rotación.

Por ejemplo, los valores medidos de un primer sensor de velocidad de rotación dispuesto dentro del brazo articulado más cercano al soporte giratorio pueden compararse con los valores medidos de un segundo sensor de velocidad de rotación dispuesto dentro del brazo articulado más cercano a la punta de la pluma para determinar la torsión del brazo articulado entre los dos sensores de velocidad de rotación.

Alternativa o adicionalmente, los valores medidos de un primer sensor de velocidad de rotación dispuesto en un primer segmento pueden compararse con los valores medidos de un segundo sensor de velocidad de rotación dispuesto en un segmento siguiente al primer segmento dentro del brazo articulado para determinar la torsión del brazo articulado entre los dos sensores de velocidad de rotación y, en particular, la torsión del primer o segundo segmento. Para ello, los sensores de velocidad de rotación pueden, por ejemplo, estar dispuestos cada uno en una región delantera de los segmentos.

Alternativa o adicionalmente, el manipulador de grandes dimensiones según el tercer aspecto puede comprender al menos dos sensores de velocidad de rotación dispuestos en diferentes posiciones del mismo segmento, en cuyo caso la torsión del segmento se determina a partir de una comparación de los valores medidos de los sensores de velocidad de rotación. Preferiblemente, para este fin, los sensores de velocidad de rotación están dispuestos en una región delantera y otra trasera del segmento.

Además, al menos uno de los sensores de velocidad de rotación, que se utiliza para determinar la torsión, puede estar dispuesto en el soporte giratorio y/o en una región trasera del segmento dispuesto directamente en el soporte giratorio, y/o al menos uno de los sensores de velocidad de rotación, que se utiliza para determinar la torsión, puede estar dispuesto en el último segmento del brazo articulado y, en particular, en la región de la punta de la pluma.

Preferiblemente, los sensores de velocidad de rotación cuyos valores medidos se utilizan para determinar la torsión tienen al menos dos direcciones de sensibilidad, en particular una primera dirección de sensibilidad horizontal y una segunda dirección de sensibilidad que se extiende en un plano vertical. Esto permite determinar la torsión con relativa facilidad por comparación.

Sin embargo, también independientemente de la determinación de la torsión, los sensores de velocidad de rotación cuyos valores medidos se incluyen en la amortiguación de vibraciones según la invención tienen preferiblemente al menos dos direcciones de sensibilidad, en particular una primera dirección de sensibilidad horizontal y una segunda dirección de sensibilidad que se extiende en un plano vertical.

El tercer aspecto de la presente invención es inicialmente independiente del primer y/o segundo aspecto. Por ejemplo, pueden utilizarse sensores distintos de los sensores de velocidad de rotación para determinar la torsión y/o puede utilizarse un modelo diferente para describir la torsión.

Preferiblemente, sin embargo, el tercer aspecto se combina con el primer y/o el segundo aspecto.

A continuación, se describen configuraciones preferidas de la presente invención, que pueden utilizarse para desarrollar cada uno de los aspectos de la invención descritos hasta ahora, a menos que se indique lo contrario.

En una posible configuración de la presente invención, el control del manipulador de grandes dimensiones comprende un observador que estima el estado del brazo articulado. En particular, el observador puede comprender un modelo físico del brazo articulado y estimar su estado basándose en el modelo y en los valores medidos de los sensores.

Preferiblemente, la estimación se realiza sobre la base de los valores medidos de sensores como se han descrito anteriormente con respecto a uno de los aspectos según la invención, en particular sobre la base de al menos un sensor de ángulo de rotación y/o de los sensores asociados a las articulaciones para detectar directa o indirectamente los ángulos de rotación de las articulaciones.

Preferentemente, el observador emplea un modelo físico del brazo articulado como se ha descrito anteriormente con más detalle, en particular un modelo físico según el segundo aspecto.

Preferiblemente, el observador estima la posición y/o el estado de vibración del brazo articulado.

Si, en el contexto de la presente invención, se hace referencia a que se determina un estado, esto comprende en particular una estimación del estado por un observador.

En una posible configuración, la amortiguación de vibraciones comprende un control por realimentación de al menos una magnitud obtenida a partir de una señal de medición.

En una posible configuración de la presente invención, la amortiguación de vibraciones comprende un control que se realiza realimentando al menos una de las siguientes magnitudes: velocidad y posición de una o más de las articulaciones, velocidades y posiciones de flexión y/o torsión de uno o más de los segmentos.

Preferentemente, la magnitud o las magnitudes realimentadas por el control son estimadas por un observador. En particular, el observador que se ha descrito con más detalle anteriormente puede ser utilizado para este propósito.

En una posible configuración de la presente invención, una estimación del estado del sistema y/o de la amortiguación de vibraciones se realiza basándose en una linealización de un modelo físico, y en particular basándose en una linealización del modelo físico según el segundo aspecto de la presente invención. En particular, la estimación por un observador y/o el control como se ha descrito anteriormente se realiza sobre la base de una linealización.

Preferiblemente, la linealización se realiza alrededor de la posición de equilibrio de la posición actual del brazo articulado. La linealización puede ser realizada por el sistema de control en función de la posición actual del brazo articulado.

En una posible configuración de la presente invención, el sistema de control comprende un control preventivo que calcula señales de control a partir de un valor de referencia predeterminado por un operador, mediante el cual se realiza el movimiento deseado de la pluma y se reduce una excitación vibratoria del brazo articulado.

Preferiblemente, el control preventivo está diseñado para suprimir las frecuencias propias del brazo articulado. Las frecuencias propias del brazo articulado, que son tenidas en cuenta por el control preventivo, pueden ser determinadas en función de la posición actual del brazo articulado.

En una posible configuración de la presente invención, el sistema de control comprende reguladores de eje asociados con las articulaciones respectivas, en donde el sistema de control genera señales de control para la velocidad angular de referencia de los ejes, en base a las cuales el regulador de eje asociado con la articulación respectiva genera señales de control para el actuador respectivo, en donde los reguladores de eje se basan preferentemente en cinemática de deflexión inversa y/o comprenden una no linealidad inversa de la hidráulica.

Inicialmente, la presente invención puede utilizarse para cualquier manipulador de grandes dimensiones. Sin embargo, se aplica preferentemente a una bomba de hormigón, en particular a una bomba de hormigón montada sobre camión.

En una posible configuración de la presente invención, el brazo articulado sirve por tanto como pluma de distribución a lo largo de la cual se guía una tubería de hormigón alimentada con hormigón por una bomba de suministro.

La amortiguación de vibraciones según la invención sirve preferentemente al menos para amortiguar las vibraciones propias del brazo articulado.

Sin embargo, la amortiguación de vibraciones según la invención puede servir alternativa o adicionalmente para amortiguar las vibraciones inducidas por el suministro de hormigón.

En una posible forma de configuración de la presente invención, el sistema de control comprende una interrupción de perturbaciones para reducir las vibraciones de la pluma distribuidora inducidas por el suministro de hormigón.

La bomba de suministro es preferiblemente una bomba de doble pistón. Dicha bomba de doble pistón comprende dos pistones que funcionan en contrafase para suministrar el hormigón. Este tipo de bombas son conocidas.

La amortiguación de las vibraciones inducidas por la intervención previa de perturbaciones según la presente invención se basa preferentemente en un control de los actuadores del brazo articulado.

Por el contrario, el control de la bomba de suministro se realiza preferiblemente independientemente de la intervención previa de perturbaciones. En particular, la intervención previa de perturbaciones puede basarse únicamente en un control de los actuadores del brazo articulado.

En una posible primera variante de la presente invención, la intervención previa de perturbaciones se basa en un modelo físico del suministro de hormigón, que describe las fuerzas de perturbación relacionadas con el flujo del suministro de hormigón en la pluma distribuidora.

En una posible forma de realización de la primera variante, el modelo físico describe las fuerzas de fricción del hormigón en la pared interior de la tubería de hormigón y/o las fuerzas de inercia debidas a la desviación del flujo de hormigón en las curvas del tubo.

Estas dos fuerzas determinan esencialmente las fuerzas perturbadoras que actúan sobre el brazo articulado.

En una posible forma de realización de la presente invención, al menos un parámetro de funcionamiento de la bomba de suministro y/o del suministro de hormigón se incluye en la intervención previa de perturbaciones. Puede tratarse, por ejemplo, de uno o varios de los siguientes parámetros de funcionamiento: presión del hormigón, frecuencia de bombeo, velocidad de los cilindros de la bomba de suministro y/o posición de los cilindros de la bomba de suministro.

En una posible forma de realización de la presente invención, el modelo físico del suministro de hormigón tiene en cuenta la posición actual de la pluma distribuidora y, en particular, los ángulos de pliegue de las articulaciones.

Preferentemente, la determinación de la posición actual de la pluma distribuidora se efectúa sobre la base de sensores asociados a las articulaciones giratorias para medir indirecta o directamente el ángulo de rotación respectivo de las articulaciones del brazo articulado.

Preferentemente, la determinación de las fuerzas perturbadoras del suministro de hormigón en la pluma distribuidora se realiza sin medición del estado de vibración de la pluma distribuidora o de los segmentos.

Preferentemente, la posición de la pluma distribuidora y, en particular, los ángulos de pliegue de las articulaciones se incluyen en la descripción de la deflexión del flujo de hormigón mediante el modelo físico. Alternativa o adicionalmente, el modelo físico puede tener en cuenta la pérdida de presión hidrostática del flujo, teniendo en cuenta la posición actual de la pluma distribuidora.

En una posible forma de realización de la presente invención, al menos una propiedad material del fluido bombeado que se incluye en la modelización por el modelo físico se determina a partir de parámetros de funcionamiento de la bomba de suministro y/o del suministro de hormigón. Esto puede mejorar la precisión del modelo.

Preferiblemente se determina al menos la viscosidad del fluido bombeado, en particular a partir de la presión del hormigón y la velocidad de flujo del hormigón.

La densidad del fluido bombeado puede determinarse a partir de la presión estática del hormigón. Alternativamente, para la densidad del fluido bombeado, por lo contrario, se puede recurrir a un valor medio almacenado de la densidad del hormigón.

En una posible forma de realización de la presente invención, la intervención previa de perturbaciones se basa además en un modelo físico de la pluma distribuidora que se acopla al modelo físico del bombeo de hormigón para determinar la influencia de las fuerzas perturbadoras determinadas por el modelo físico del bombeo de hormigón en toda la pluma distribuidora.

Preferentemente, el modelo físico de la pluma distribuidora utilizado para este fin tiene en cuenta la deformación elástica de al menos uno de los segmentos.

En particular, puede utilizarse para este fin un modelo físico de la pluma distribuidora, tal como se ha descrito anteriormente con más detalle en relación con la amortiguación de vibraciones.

De acuerdo con la presente invención, la reducción de las vibraciones de la pluma distribuidora inducidas por el suministro de hormigón se realiza mediante la intervención previa de perturbaciones controlando los actuadores del brazo articulado.

En una posible forma de realización de la presente invención, la intervención previa de perturbaciones se realiza como control preventivo sin realimentación del estado dinámico de la pluma distribuidora. Esto simplifica el control.

Preferiblemente, el control preventivo se basa en una regulación de un modelo virtual de la pluma distribuidora. Preferentemente, la intervención previa de perturbaciones regula el modelo virtual de la pluma distribuidora, que se acopla al modelo de suministro de hormigón en el contexto de la determinación de las fuerzas perturbadoras. En particular, esta regulación puede ser tal que se compense la influencia de las fuerzas perturbadoras en al menos un punto de la pluma articulada.

Preferiblemente, el modelo virtual de la pluma distribuidora que se controla es un modelo físico, tal como se ha descrito anteriormente con más detalle en el contexto de la amortiguación de vibraciones.

En una posible forma de realización de la presente invención, la intervención previa de perturbaciones controla los actuadores del brazo articulado de tal manera que la influencia de las fuerzas de perturbación sobre la punta de la pluma distribuidora se reduce y preferiblemente se elimina.

En una posible segunda variante de la presente invención, que puede combinarse con la primera variante, la intervención previa de perturbaciones tiene en cuenta la presión del hormigón, y esta determina la presión del hormigón en la entrada de la tubería de hormigón basándose en parámetros de funcionamiento de la bomba de suministro.

La determinación indirecta de la presión del hormigón sobre la base de los parámetros de funcionamiento de la bomba de suministro tiene la ventaja considerable de que se puede prescindir de sensores de presión extremadamente propensos al desgaste en la tubería de hormigón.

Preferiblemente, la presión del hormigón a la entrada de la tubería de hormigón se determina en base a la presión hidráulica de los cilindros de suministro de la bomba de suministro y de la relación de área del pistón de la bomba de suministro. De este modo, la presión del hormigón puede determinarse a partir de un valor medido que puede determinarse de forma fiable en el sistema hidráulico de la bomba de suministro.

En una posible forma de realización de la presente invención, la intervención previa de perturbaciones tiene en cuenta la frecuencia de la bomba de suministro y/o la posición y/o velocidad de los pistones de suministro de la bomba de suministro. Aquí también se trata de parámetros de funcionamiento fácilmente accesibles de la bomba de suministro, que pueden determinarse por medición o a partir del control de la bomba de suministro, y a partir de los cuales pueden determinarse magnitudes de funcionamiento del suministro de hormigón.

En particular, la intervención previa de perturbaciones puede determinar la velocidad de flujo del hormigón en la tubería de hormigón a partir de la velocidad de los pistones de suministro de la bomba de suministro. Esta característica de la presente invención también puede utilizarse independientemente de la primera y la segunda variante.

Por otra parte, en una posible tercera variante de la presente invención, la intervención previa de perturbaciones estima las fuerzas perturbadoras a partir de valores medidos de la posición y/o del estado de vibración de la pluma distribuidora.

Esto tiene la ventaja de que no se requieren variables de funcionamiento del suministro de hormigón, que tendrían que determinarse mediante mediciones complejas. En cambio, los sensores ya disponibles para el control del brazo articulado, que describen la posición y/o el estado de vibración de la pluma distribuidora, pueden utilizarse también para la intervención previa de perturbaciones.

En una posible forma de realización de la presente invención, la intervención previa de perturbaciones se basa en un modelo modal que describe la forma de oscilación de las fuerzas perturbadoras. Tal procedimiento tiene la ventaja sobre un enfoque físicamente motivado de que la intervención previa de perturbaciones se adapta automáticamente a la posición del brazo articulado.

Preferiblemente, el modelo modal se compone de una frecuencia fundamental y uno o más múltiplos de la frecuencia fundamental.

Alternativa o adicionalmente, se prevé que la frecuencia de bombeo de la bomba de suministro se incluya como frecuencia fundamental en el modelo modal.

En una posible forma de realización de la presente invención, la intervención previa de perturbaciones determina el estado inicial del modelo modal a partir de los valores medidos de la posición y/o del estado de vibración de la pluma distribuidora.

En particular, esto puede hacerse mediante un observador que estima el estado oscilatorio generado por las fuerzas perturbadoras, en particular estimando la posición de fase y la amplitud de los modos del modelo modal.

En una posible forma de realización de la presente invención, la intervención previa de perturbaciones se realiza además sobre la base de un modelo físico de la pluma distribuidora, mediante el cual se describe la influencia de las fuerzas perturbadoras sobre el estado de vibración de la pluma distribuidora.

Preferiblemente, el modelo físico de la pluma distribuidora tiene en cuenta la deformación elástica de al menos uno de los segmentos y, preferiblemente, de varios, más preferiblemente de todos los segmentos del brazo articulado.

Preferiblemente, se utiliza aquí un modelo físico de la pluma distribuidora como el descrito anteriormente con más detalle con respecto a la amortiguación de vibraciones.

En una posible forma de realización de la presente invención, la intervención previa de perturbaciones controla los actuadores de la pluma distribuidora basándose en las fuerzas de perturbación estimadas.

Preferiblemente, la intervención previa de perturbaciones controla los actuadores de tal manera que la influencia de las fuerzas perturbadoras sobre un punto de la pluma distribuidora, en particular la punta de la pluma distribuidora, se reduce y preferiblemente se elimina.

En una posible forma de realización de la presente invención, se prevé que el sistema de control estime el estado del sistema basándose en un modelo modal de las fuerzas perturbadoras y en un modelo físico de la pluma distribuidora. En particular, se utiliza para este fin el modelo modal descrito anteriormente con más detalle. Además, el modelo modal puede acoplarse al modelo físico de tal manera que el modelo físico describa la influencia de las fuerzas perturbadoras en el estado de vibración de la pluma distribuidora.

En una posible forma de realización de la presente invención, al menos un parámetro de funcionamiento de la bomba de suministro y/o del sistema de suministro de hormigón se incluye en la intervención previa de perturbaciones. En particular, la frecuencia de bombeo de la bomba distribuidora se incluye en la intervención previa de perturbaciones.

Preferiblemente, la intervención previa de perturbaciones determina la frecuencia de bombeo de la bomba de suministro para este fin a partir de los parámetros de control y/o señales de control para la bomba de suministro.

En una posible forma de realización de la invención, la frecuencia de bombeo de la bomba de suministro representa el único parámetro operativo de la bomba de suministro y/o del suministro de hormigón, que se incluye en la intervención previa de perturbaciones.

En una posible forma de realización de la presente invención, la estimación de las fuerzas perturbadoras se basa en las señales de al menos un sensor, cuyas señales también son utilizadas por la regulación y/o la amortiguación de vibraciones.

El sistema de regulación y/o la amortiguación de vibraciones también utilizan preferiblemente varios sensores, que son utilizados por la intervención previa de perturbaciones para determinar la posición y/o el estado de vibración de la pluma distribuidora, para estimar las fuerzas perturbadoras.

Además, es preferible que la intervención previa de perturbaciones y la regulación y/o la amortiguación de las vibraciones utilicen los mismos sensores.

En una posible forma de realización de la presente invención, la intervención previa de perturbaciones y la regulación y/o la amortiguación de vibraciones se basan en los mismos valores para el estado del brazo articulado, en particular para la posición y/o el estado de vibración del brazo articulado.

En particular, se proporciona un observador que estima el estado del brazo articulado, en particular la posición y/o el estado de vibración del brazo articulado, y cuyas variables de partida son utilizadas tanto por la intervención previa de perturbaciones, como también por la regulación y/o la amortiguación de vibraciones.

En una posible configuración de la presente invención, el manipulador de grandes dimensiones comprende un brazo articulado que tiene un soporte giratorio que puede girar alrededor de un eje vertical y al menos dos segmentos que basculan alrededor de ejes horizontales por medio de articulaciones, en cuyo caso el soporte giratorio es desplazable alrededor del eje vertical por medio de un actuador y los segmentos son basculantes alrededor de los ejes horizontales por medio de actuadores. Además, preferiblemente, el brazo articulado comprende al menos tres y más preferiblemente al menos cuatro segmentos. Preferiblemente, el sistema de control, y en particular el sistema de amortiguación de vibraciones, controla todos los actuadores de los segmentos y/o del soporte giratorio.

En una posible configuración de la presente invención se realiza al menos una amortiguación vertical de la vibración. Para este propósito, el sistema de amortiguación de vibraciones controla los actuadores a través de los cuales los segmentos del brazo articulado son girados alrededor de sus ejes horizontales de rotación.

En una posible configuración de la presente invención se realiza al menos una amortiguación horizontal de la vibración. Con este fin, el sistema de amortiguación de vibraciones controla de modo correspondiente el actuador del soporte giratorio.

Los actuadores son preferiblemente actuadores hidráulicos. Los actuadores hidráulicos son preferiblemente accionados por una bomba hidráulica, que es accionada por el motor de tracción de la bomba de hormigón montada sobre camión.

Los cilindros hidráulicos se utilizan preferiblemente como actuadores para hacer bascular los segmentos.

Preferiblemente, se utiliza un motor hidráulico como actuador para girar el soporte giratorio.

Preferiblemente, los segmentos del brazo articulado pueden plegarse juntos a través de las articulaciones en una posición de transporte, donde preferiblemente los segmentos individuales son sustancialmente paralelos en la posición de transporte.

En una posible configuración de la presente invención, el sistema de control comprende un control geométrico que, mediante las instrucciones de un usuario, que se efectúan preferiblemente por medio de palancas de mano, y/o por mediante una trayectoria predeterminada de la punta de la pluma, que se genera preferiblemente de forma automática, controla los actuadores de las articulaciones del brazo articulado para generar un movimiento correspondiente de la punta de la pluma.

La presente invención comprende además un sistema de control según la reivindicación 14 para un manipulador de grandes dimensiones como el descrito anteriormente.

El sistema de control comprende preferiblemente un microprocesador y una memoria en la que está almacenado el software de control que, cuando es ejecutado por el microprocesador, implementa la estructura y/o funcionamiento del sistema de control según la invención como se ha descrito anteriormente. El sistema de control comprende además una o más entradas a través de las cuales se comunica con los sensores, en particular los sensores descritos anteriormente, y/o una o más salidas a través de las cuales controla los actuadores descritos anteriormente.

La amortiguación de vibraciones según la invención se realiza preferentemente de forma automática por el sistema de control del manipulador de grandes dimensiones.

Además, la presente invención comprende un software de control según la reivindicación 13 para un manipulador de grandes dimensiones como el descrito anteriormente. El software de control, cuando se ejecuta, implementa el sistema de control según la invención. El software de control puede almacenarse en una memoria y/o constituir un producto de programa de ordenador.

La presente invención comprende además una bomba de hormigón con un manipulador de grandes dimensiones como el descrito anteriormente, en el que el brazo articulado sirve como pluma distribuidora a lo largo de la cual se guía una tubería de hormigón. La bomba de hormigón es preferiblemente una bomba de hormigón montada sobre camión. La bomba de hormigón comprende preferiblemente un chasis sobre el que puede desplazarse, y la bomba de suministro.

La presente invención comprende además un procedimiento según la reivindicación 16 para controlar un manipulador de grandes dimensiones y/o una bomba de hormigón como se ha descrito anteriormente.

Según un primer aspecto de la presente invención, en el procedimiento según la invención, se prevé que las señales de medición procedentes de al menos un sensor de velocidad de rotación se introducen en la amortiguación de vibraciones y las señales de medición procedentes de sensores asociados a las articulaciones de rotación del manipulador de grandes dimensiones se introducen en el sistema de control para medir indirecta o directamente el ángulo de rotación respectivo de las articulaciones del brazo articulado, en donde la amortiguación de vibraciones determina un estado de vibración de todo el brazo articulado sobre la base de los valores medidos del al menos un sensor de velocidad de rotación a partir de las vibraciones de los segmentos individuales, y preferiblemente sin el uso de sensores geodésicos y/o sensores de deformación.

Según un segundo aspecto de la presente invención, en el procedimiento según la invención, se prevé que la amortiguación de las vibraciones se realice utilizando un modelo físico del brazo articulado en el que la flexibilidad de al menos un segmento se describe mediante una articulación virtual dispuesta dentro de dicho segmento.

Según un tercer aspecto de la presente invención, el procedimiento según la invención prevé que la amortiguación de vibraciones se realice controlando el actuador del soporte giratorio, en donde la amortiguación de vibraciones tiene en cuenta la torsión de al menos un segmento y/o del brazo articulado y amortigua una vibración torsional del brazo articulado.

La presente invención se describirá ahora en más detalle con referencia a ejemplos de realización y dibujos.

En ellos:

La Fig. 1 muestra un ejemplo de realización de un manipulador de grandes dimensiones según la invención y una bomba de hormigón montada sobre camión según la invención,

La Fig. 2 muestra una representación esquemática de un ejemplo de realización de un sistema de control según la invención con un sistema de amortiguación de vibraciones y una intervención previa de perturbaciones,

La Fig. 3 muestra una representación esquemática de un control preventivo tal como puede utilizarse en un control según la invención,

La Fig. 4 muestra una representación esquemática de un ejemplo de realización de un sistema de control según la invención con amortiguación de vibraciones,

La Fig. 5 muestra una representación esquemática de un regulador de eje tal como puede utilizarse en un sistema de control según la invención,

La Fig. 6 muestra una representación esquemática de las fuerzas perturbadoras que actúan sobre el brazo articulado debido al suministro de hormigón,

La Fig. 7 muestra una representación esquemática de un ejemplo de realización de un sistema de control según la invención con una intervención previa de perturbaciones,

La Fig. 8 muestra una representación esquemática de otro ejemplo de realización de un sistema de control según la invención con una intervención previa de perturbaciones, que se basa en un modelo físico del suministro de hormigón,

La Fig. 9 muestra una representación esquemática de otro ejemplo de realización de un sistema de control según la invención con una intervención previa de perturbaciones, que se basa en una estimación de las fuerzas perturbadoras a partir de valores medidos de la posición y/o del estado de vibración de la pluma distribuidora.

0. Introducción

Nuevos procedimientos de diseño, materiales y sistemas electrónicos han conducido a un desarrollo constante de las bombas de hormigón en las últimas décadas. El uso de brazos articulados de varios miembros con segmentos cada vez más largos permite mejorar la accesibilidad a zonas de difícil acceso. Sin embargo, el aumento del número y la longitud de los segmentos también incrementa el peso y las dimensiones del vehículo. La consecuencia son restricciones en el desplazamiento por carretera, la manejabilidad y la funcionalidad de la bomba de hormigón.

Un fenómeno especial de los manipuladores de grandes dimensiones es la capacidad de vibrar de la pluma distribuidora. Las vibraciones dificultan el control de la pluma por parte del operador y la distribución del hormigón por parte del operario de la manguera final. La capacidad de vibración está ligada a la esbeltez e inercia de los segmentos y a las propiedades elásticas del material.

La excitación vibratoria proviene del movimiento de la pluma plegada y del suministro del hormigón. La bomba de doble pistón de suministro de hormigón, utilizada típicamente, transmite a la pluma distribuidora fuerzas de perturbación similares a impulsos, provocando así una excitación vibratoria continua. Dependiendo de la posición de la pluma y de la frecuencia de transporte, también es posible una excitación próxima a las frecuencias propias de la pluma.

La combinación de movimiento de traslación y suministro de hormigón expone a la pluma distribuidora a una excitación vibratoria continua durante el funcionamiento normal. Esto tiene consecuencias para la vida útil de la máquina y la seguridad del operario.

El objeto de la presente invención es amortiguar las vibraciones de la pluma distribuidora para mejorar la manejabilidad y operatividad de la bomba de hormigón.

1. Estado de la técnica

La publicación EP 2 103760 B1 (Cifa) propone una amortiguación de las vibraciones utilizando un modelo modal. El algoritmo de regulación estima el estado del sistema con la ayuda de un observador y realimenta la señal estimada mediante amplificaciones de la regulación. Las amplificaciones se recuperan de una lista en función de la posición de la pluma y se interpolan. El procedimiento se basa en un modelo modal obtenido por transformación modal y posterior reducción del modelo a los primeros modos de oscilación. Los estados individuales del modelo son, por tanto, coordenadas modales y no tienen interpretación física. El procedimiento tiene el inconveniente de que, además de las amplificaciones de regulación, el modelo modal reducido del observador también depende de la posición actual de la pluma. Por lo tanto, el modelo modal debe regenerarse para cada posición de la pluma o solo es válido para determinadas posiciones de la pluma. Debido al gran número de posiciones posibles de la pluma, esto representa una limitación para la aplicabilidad de la amortiguación de vibraciones. La amortiguación de vibraciones que se propone a continuación evita estos problemas mediante un tipo diferente de modelización. La reducción del modelo está motivada físicamente y conduce a unas coordenadas elásticas físicamente interpretables. Además, la combinación de sensores utilizada para la amortiguación de vibraciones es diferente.

La publicación WO 2014165889 A1 (TTControl) presenta un sistema de amortiguación de vibraciones basado en la realimentación de señales de posición y deformación de los segmentos de la pluma. La posición se mide mediante una unidad de medición inercial y la deformación mediante galgas extensométricas. La unidad de medición inercial comprende un sensor de velocidad de rotación y un sensor de aceleración, que solo se utilizan en combinación y para la estimación de la posición (véase la reivindicación 2). El procedimiento tiene la ventaja de que la vibración de los segmentos se detecta independientemente del movimiento de desplazamiento. Con esto se suprime el procesamiento de señales adicionales para separar el movimiento de desplazamiento de la vibración estructural superpuesta. Sin embargo, el uso de galgas extensométricas tiene el inconveniente de que el montaje es complejo y debe realizarse en puntos del segmento sometidos a grandes esfuerzos. Además, el sensor es muy sensible a la temperatura y requiere un gran esfuerzo de calibración. El sistema de amortiguación de vibraciones propuesto a continuación sortea estas desventajas eligiendo un sensor de velocidad de rotación para detectar las vibraciones en la pluma distribuidora.

En la publicación WO 2016 131977 A1 (Schwing) se utilizan unidades de medición inercial para el control de posición de la punta de pluma. Las unidades de medición están montadas en los segmentos del centro de cada viga. Se proporciona un sensor adicional en la punta de la pluma. Las señales de aceleración y velocidad de rotación de los sensores se fusionan mediante un enfoque de cuerpo rígido y estiman la posición de la punta de la pluma. Para mejorar la estimación de la actitud, la señal de aceleración del sensor situado en la punta de la pluma se integra dos veces y se fusiona con la estimación existente. La determinación de la posición absoluta no es posible debido al enfoque de cuerpo rígido utilizado y a la doble integración. En su lugar, los componentes dinámicos de la posición de la pluma se calculan mediante un filtro de paso alto y se retroalimentan con un sistema de control PID. Un control de posición subordinado a nivel de articulación evita los efectos de deriva de la punta de la pluma. El algoritmo de fusión solo incluye la reconstrucción de la posición de la punta de la pluma. Debido a la posición de las unidades de medición inercial y al enfoque de cuerpo rígido utilizado, solo se estima la inclinación de los segmentos y no el estado de vibración de la pluma distribuidora. Esto difiere del enfoque basado en modelos para estimar y controlar el estado de vibración de la pluma distribuidora que se presenta a continuación. Aquí se tiene en cuenta el estado de vibración de toda la pluma. A diferencia del control de posición de la punta de la pluma, el número de sensores utilizados puede reducirse y limitarse al uso de sensores de velocidad de rotación.

La publicación EP 1537 282 B1 (Putzmeister) propone sensores angulares geodésicos para determinar la posición y amortiguar las vibraciones de la pluma distribuidora. Los sensores se montan en los segmentos y proporcionan la inclinación absoluta respectiva. Teniendo en cuenta la cinemática, las señales se dividen en un componente de baja frecuencia para el control de coordenadas y un componente de alta frecuencia para la amortiguación de vibraciones. Los sensores de inclinación utilizados habitualmente reaccionan de forma sensible a los picos de aceleración de traslación. Por lo tanto, la aplicación para la amortiguación de vibraciones teniendo en cuenta el movimiento de traslación y el suministro de hormigón está muy limitada.

La publicación EP 2778 466 A1 presenta un sistema de amortiguación de vibraciones en un plano horizontal.

La publicación EP 1122380 B1 (Putzmeister) propone un dispositivo de control para variar o modular periódicamente la frecuencia de la bomba. La variación o modulación de la frecuencia de la bomba evita que se produzcan frecuencias de excitación cercanas a la frecuencia propia de la pluma. El resultado es una menor excitación vibratoria de la pluma distribuidora. El procedimiento modifica el suministro de hormigón para amortiguar las vibraciones en la pluma distribuidora. Esto difiere de la intervención previa de perturbaciones mostrada a continuación, que utiliza el actuador de la pluma distribuidora y no afecta al suministro de hormigón.

La publicación EP 1 537 282 B1 (Putzmeister) describe un sistema de control de perturbaciones para reducir las vibraciones de la pluma distribuidora. Sin embargo, no se trata de una intervención previa de perturbaciones, ya que para amortiguar las vibraciones no se utiliza una magnitud perturbadora, sino una magnitud medida de la pluma distribuidora. La magnitud medida es el componente dinámico de la detección de la posición de la pluma. Se amplifica mediante un regulador y se realimenta a los actuadores de la pluma distribuidora. De este modo, el procedimiento representa una amortiguación de vibraciones clásica basada en la realimentación y no una intervención previa de perturbaciones.

En la publicación DE 101 01 570 B4 (Schwing) se describe una intervención previa de perturbaciones combinada con una amortiguación de vibraciones basada en la realimentación según el principio del elemento amortiguador de resorte virtual. La magnitud de perturbación medida depende del suministro de hormigón, pero no se realiza una conversión explícita basada en modelos en las fuerzas de perturbación de la pluma distribuidora. Además, el procedimiento presentado está descentralizado para cada articulación. Por tanto, no se tiene en cuenta la influencia de las fuerzas perturbadoras en toda la pluma distribuidora. El sistema de sensores propuesto para medir la presión del flujo de hormigón en la tubería de transporte no puede utilizarse en la práctica, ya que es caro y está sometido a un gran desgaste durante el funcionamiento.

2. Construcción del ejemplo de diseño en forma de bomba de hormigón montada sobre camión

La Fig. 1 muestra los elementos relevantes de la bomba de hormigón montada sobre camión. Dispone de un carro inferior con un chasis de varios ejes con neumáticos, mediante el cual la bomba de hormigón montada sobre camión puede desplazarse por carretera. En el carro inferior están previstos cilindros de apoyo delanteros y traseros 9 y 10, que están dispuestos sobre puntales 10 y 12 desplegables y/o telescópicos. Además, se muestra una caja de distribución 11.

El carro inferior porta un grupo de bombas 1 en la parte trasera y, a través de un bloque de pluma 2, un brazo articulado a lo largo del cual se guía una tubería de suministro, no mostrada.

El brazo articulado consta de un soporte giratorio 3 y cuatro segmentos 4 a 7 (es posible cualquier número de segmentos), que se acoplan mediante articulaciones A a E. La articulación A en el vehículo permite mover el grupo de bombeo. La articulación A en el vehículo permite el giro del soporte giratorio 3 alrededor del eje vertical, las articulaciones B a E permiten el giro de los segmentos 4 a 7 alrededor de ejes horizontales basculantes. El sistema de accionamiento de la bomba de hormigón consta de cilindros hidráulicos 14 a 17 en las respectivas articulaciones B a E y de un motor hidráulico para la articulación giratoria A del soporte giratorio. Los cilindros hidráulicos 14 a 17 permiten el movimiento de la pluma distribuidora en el plano vertical. El motor hidráulico hace girar toda la pluma alrededor del eje vertical. La punta de la pluma 22 (TCP) es la parte superior de la pluma distribuidora.

A la pluma distribuidora está conectada una tubería de suministro que transporta el hormigón a la punta de la pluma 22. Desde allí, el hormigón se transporta a un operario a través de un tramo de manguera 8. Una bomba de doble émbolo de la unidad de bombeo 1 genera la presión de transporte necesaria.

La estructura planificada del sistema de amortiguación de vibraciones se divide en los subsistemas mostrados en la Fig. 2: control geométrico, control previo, regulación (con observador) e intervención previa de perturbaciones.

Para cada subsistema, la estructura y el modo de funcionamiento se describen a continuación, junto con los rasgos característicos.

3. Control de geometría (control TCP)

El control geométrico se utiliza para generar trayectorias de movimiento de la pluma distribuidora. Las trayectorias de movimiento son una función temporal de posición, velocidad, aceleración y/o sacudida de los ejes de articulación de la pluma distribuidora. Se adaptan a la dinámica del sistema en el control preventivo y se transmiten al control como valor de referencia.

4. Control preventivo

4.1 Función

El control preventivo según la Fig. 3 sirve para que la pluma distribuidora se mueva rápidamente sin excitar las frecuencias propias.

- Medición de la posición de la pluma distribuidora.

- Determinación de las (primeras) frecuencias propias y de la amortiguación de la pluma distribuidora en la posición respectiva de la pluma (posición de reposo) en el plano horizontal y vertical.

- Filtrado de las señales de valor de referencia con frecuencias propias (filtro de muescas (notch), conformación de entrada).

- El control preventivo actúa sobre cada actuador vertical y horizontal.

4.2 Sensores

- Posición de la pluma distribuidora

- Codificador de giro para el ángulo de giro alrededor del eje vertical

4.3 Actuadores

- Cilindro hidráulico (plano vertical)

- Motor hidráulico (plano horizontal)

5. Regulación

El sistema de regulación, que se muestra de nuevo en la Fig. 4, se divide en dos partes: la regulación del eje (Fig. 5) y el sistema de regulación para amortiguar las vibraciones y la regulación de posición con el sistema de regulación y el observador.

5.1 Regulador del eje

El regulador de eje según la Fig. 5 sirve para convertir la velocidad angular de referencia de la articulación en la velocidad real del actuador:

- El comportamiento de transmisión del sistema hidráulico desde el control a la velocidad del actuador presenta un comportamiento no lineal.

- La regulación del eje compensa las no linealidades del sistema hidráulico y de la cinemática de desviación. - El algoritmo de control consiste en las curvas características estáticas invertidas de la hidráulica y la cinemática de deflexión. Posiblemente, se proporciona una realimentación de la presión o de la posición o velocidad del cilindro. - La regulación del eje se utiliza de forma descentralizada en cada articulación y representa el nivel más bajo del sistema global de amortiguación de vibraciones.

En su función de convertir la velocidad de referencia en la velocidad real del actuador, la regulación del eje se asume implícitamente para todos los conceptos de control y regulación posteriores.

5.2 Amortiguación de vibraciones basada en sensores de velocidad de rotación

5.2.1 Estructura de la amortiguación de vibraciones

El procedimiento incluye una amortiguación activa de las vibraciones para reducir las vibraciones en la pluma distribuidora. Se distingue entre los movimientos nominales de los segmentos por parte del operador y las vibraciones excitadas por el movimiento de traslación. La amortiguación de vibraciones tiene en cuenta el movimiento nominal y amortigua únicamente las vibraciones estructurales que se producen. También se reducen las vibraciones debidas al suministro de hormigón.

El objetivo de la amortiguación de vibraciones es reducir las vibraciones en toda la pluma distribuidora. Para ello, el estado de vibración de toda la pluma se calcula a partir de las vibraciones de los segmentos individuales. La pluma distribuidora tiene frecuencias propias variables en función de la posición y la inclinación de los segmentos. La amortiguación de las vibraciones tiene en cuenta esta variabilidad de las frecuencias propias en función de la posición de la pluma. Las primeras frecuencias propias son las que más influyen en el comportamiento vibratorio.

5.2.2 Sensores

El estado de vibración de la pluma distribuidora se detecta mediante los sensores de velocidad de rotación 18 a 21. Los sensores están montados en uno o varios segmentos 4 a 7 y miden la velocidad de rotación alrededor de los ejes de articulación. La ventaja de estos sensores para la detección de vibraciones es que pueden montarse fácilmente, a diferencia de la tecnología de sensores habitual (por ejemplo, galgas extensométricas). El sensor puede montarse en todos los lados exteriores e interiores del segmento. Los sensores de velocidad de rotación basados en MEMS también son rentables, robustos y requieren poco mantenimiento.

El sensor de velocidad de rotación 18 a 21 se monta en la región delantera del segmento respectivo 4 a 7 para detectar de forma óptima las vibraciones estructurales. Debido a la cinemática en serie del manipulador, la velocidad de rotación medida de un segmento también contiene la vibración del segmento anterior. Esta circunstancia se tendrá en cuenta en el diseño de regulación.

La posición de la pluma distribuidora se determina mediante una medición directa o indirecta de los ángulos de articulación relativos entre los segmentos. Por ejemplo, la disposición de medición puede ser una detección de los ángulos de articulación relativos mediante codificadores de ángulos de giro.

5.3.3 Modelización

El diseño de regulación se basa en un modelo matemático de la pluma distribuidora. Para ello, el sistema mecánico se representa mediante un modelo dinámico.

La pluma distribuidora se modeliza mediante un modelo de cuerpo rígido con articulaciones accionadas B a E. Las articulaciones virtuales adicionales tienen en cuenta la flexibilidad en los segmentos. Las articulaciones virtuales adicionales tienen en cuenta la flexibilidad en los segmentos. Para cada segmento se introduce una articulación virtual adicional con elementos de resorte y amortiguación. Las constantes de resorte y amortiguación se eligen de forma que se mantengan la flexión y la primera frecuencia propia del segmento real. El modelo de la pluma distribuidora se compone de varios segmentos. La rigidez de la estructura global es, por tanto, el resultado de la rigidez de los segmentos individuales. Dado que la estructura global se compone de varios segmentos, también se reproducen las frecuencias propias más altas.

Este tipo de modelización representa una discretización físicamente motivada de la pluma distribuidora elástica de dimensiones infinitas. La ventaja es que se pueden utilizar formalismos de cuerpo rígido bien desarrollados y eficientes para la modelización. Además, el modelo resultante tiene un orden de sistema relativamente bajo. A diferencia de la reducción de un modelo modal, el estado del sistema de las articulaciones virtuales sigue siendo una variable física. Describe la flexión concentrada y la vibración del segmento.

El modelo no lineal de la pluma distribuidora se linealiza en torno a la posición de equilibrio de la posición actual de la pluma. Esto da lugar a un sistema lineal dependiente de la posición y de la situación de carga de la pluma, que representa pequeñas desviaciones de la posición de equilibrio.

5.3.4 Observador

Basándose en el modelo linealizado, se utiliza un observador para estimar los estados del sistema.

El observador reconstruye el estado del sistema x con la ayuda de las entradas y salidas del sistema. Las entradas del sistema u son los valores de referencia del sistema hidráulico. Las salidas y son los valores medidos de la posición y el estado de vibración de la pluma distribuidora. La fusión de las diferentes señales de medición mejora la robustez de la amortiguación de vibraciones frente a los fenómenos de deriva del sistema de sensores de velocidad de rotación causados por el principio de medición. El observador basado en modelos garantiza además que la señal de medición de los sensores de velocidad de rotación se divida en las partes separadas del movimiento de la articulación y la vibración. De este modo, la regulación amortigua específicamente las vibraciones estructurales sin influir en el movimiento de referencia. La amplificación del observador L se selecciona mediante un procedimiento adecuado como, por ejemplo, la especificación previa de polos o mediante un filtro de Kalman.

5.3.5 Amplificación de regulación

El modelo linealizado sirve para diseñar las amplificaciones de realimentación K del círculo de regulación.

Los polos se posicionan en el semiplano complejo de manera que aumente la amortiguación del sistema. De este modo se amortiguan las vibraciones de la pluma distribuidora. El regulador recibe el estado estimado del observador x, amplifica las señales y las alimenta como valores de referencia al sistema hidráulico (véase la Fig. 4). La amplificación de regulación K se calcula mediante un procedimiento adecuado como, por ejemplo, la especificación previa de polos o procedimientos basados en la optimización (LQR).

El proceso de diseño para el observador y el regulador descrito anteriormente se aplica a una posición de equilibrio específica de la pluma distribuidora. Por lo tanto, si se modifica la posición de la pluma, se repite el proceso de diseño y se adapta a la posición actual. Mediante el seguimiento de los parámetros de control se garantiza la funcionalidad de la amortiguación de vibraciones para cada posición de la pluma.

El diseño cíclico del observador y del regulador hace que las amplificaciones dependan de la posición actual y de la situación de carga de la pluma distribuidora. De este modo, la frecuencia propia variable de la pluma se tiene en cuenta implícitamente en el diseño de regulación.

5.3.6 Amortiguación horizontal de vibraciones

La amortiguación de vibraciones también puede utilizarse para las vibraciones en el plano horizontal. El motor hidráulico en el soporte de la pluma sirve como actuador. La posición de la pluma alrededor del eje vertical se detecta mediante un codificador angular. En este caso, los sensores de ángulo de giro para la medición de vibraciones están diseñados o ampliados por una dirección de detección en el plano horizontal y la torsión. Los sensores se montan en uno o más segmentos y miden la velocidad de rotación alrededor del eje vertical y del eje longitudinal.

En el plano horizontal, la flexión horizontal se acopla a la torsión de los segmentos. La pluma distribuidora experimenta así simultáneamente una flexión horizontal y una torsión, según la posición. Este efector se tiene en cuenta en la modelización.

Se añade una componente horizontal al modelo dinámico de la pluma distribuidora (apartado 5.3.3). Para ello, las articulaciones virtuales de los segmentos se diseñan como articulaciones giratorias de varios ejes que detectan la flexión en el plano horizontal y la torsión. La rotación alrededor del eje vertical se tiene en cuenta mediante una articulación en el soporte giratorio. El tipo y la estructura del modelo siguen siendo los mismos que en la sección 5.3.3.

De forma análoga al procedimiento descrito en los apartados 5.3.3, 5.3.4 y 5.3.5, se diseñan un observador y un amplificador de realimentación para el modelo linealizado ampliado. Puede implementarse un amortiguador de vibraciones horizontal separado o un amortiguador de vibraciones vertical y horizontal combinado. El observador basado en el modelo garantiza que la señal de medición de los sensores de velocidad de rotación se divide en los componentes separados del movimiento del eje vertical y la vibración. De este modo, la regulación amortigua específicamente las vibraciones estructurales de la flexión y la torsión horizontales sin influir en el movimiento nominal.

5.3.7 Otras propiedades

La amortiguación de las vibraciones tiene en cuenta explícitamente las especificaciones de movimiento del operador. Esto significa que el movimiento deseado de desplazamiento es permitido por la regulación y solo las vibraciones estructurales superpuestas son amortiguadas. Para reducir la excitación de las vibraciones durante el desplazamiento, también se proporciona un control previo. Este calcula señales de control a partir del valor de referencia del operador que ejecutan el movimiento deseado de la pluma y en esto no provocan ninguna vibración. Para ello se utiliza un filtro de muescas, que suprime las frecuencias propias de la pluma distribuidora durante el movimiento de desplazamiento en función de la posición actual de la pluma (véase la Fig. 3).

Las señales de valor de referencia para el sistema hidráulico se convierten mediante una regulación de eje subordinado en los cilindros. La regulación de eje convierte una especificación de velocidad angular de referencia u de las articulaciones en la velocidad real de traslación de los cilindros. La cinemática de desviación y las no linealidades del sistema hidráulico se tienen en cuenta mediante un control previo (véase la Fig. 5). Como magnitud de medida para la realimentación pueden utilizarse la presión, la posición del cilindro o la velocidad del cilindro. Alternativamente, la velocidad del cilindro también puede calcularse a partir de la posición mediante un procesamiento separado de la señal. Los cilindros transmiten la fuerza Fu a la pluma distribuidora y generan así un movimiento de las articulaciones. Como se ha descrito anteriormente, la regulación de ejes está descentralizada y subordinada por separado a cada articulación.

6. Intervención previa de perturbaciones

Tradicionalmente, para reducir las vibraciones de la pluma distribuidora se utilizan controles de amortiguación de vibraciones basados en la realimentación. Estos controles se basan en la realimentación de los parámetros estáticos y dinámicos de la pluma distribuidora. Para ello se miden las vibraciones de la estructura, se procesan con un algoritmo de control y se devuelven al sistema de accionamiento de la bomba de hormigón como señal de ajuste. El movimiento generado del sistema actuador actúa sobre la pluma distribuidora y amortigua activamente las vibraciones. Una desventaja de este procedimiento es que las vibraciones solo pueden compensarse cuando se miden en la pluma. Esto significa que las vibraciones deben producirse primero en la estructura para poder ser amortiguadas. El procedimiento que se describe a continuación sigue un planteamiento diferente basado en el principio de intervención previa de perturbaciones. Este procedimiento amortigua las vibraciones del sistema en función de la causa y no del efecto, como ocurre con los procedimientos basados en la realimentación (véase la Fig. 7). La excitación vibratoria de la pluma distribuidora se debe en gran medida a la causa del suministro de hormigón. Por consiguiente, representa una magnitud perturbadora del sistema que debe compensarse.

La ventaja de la intervención previa de perturbaciones frente a la amortiguación de vibraciones tradicional es que las perturbaciones pueden compensarse antes de que afecten al sistema. Esto significa que la excitación del suministro de hormigón se elimina antes de que sea visible como vibración en la pluma distribuidora.

El objetivo de la intervención previa de perturbaciones es, por tanto, reducir las vibraciones de la pluma distribuidora en función de las magnitudes de medición características del suministro de hormigón. Las variables medidas describen el estado del suministro de hormigón y no el estado de vibración de la pluma distribuidora. Las magnitudes de medición típicas del transporte de hormigón son la presión a la entrada de la tubería de suministro, la frecuencia del proceso de bombeo y la posición y velocidad del pistón de transporte.

Las fuerzas perturbadoras en la pluma distribuidora se reconstruyen con las magnitudes medidas mediante un modelo del suministro de hormigón y se amplifican y conectan al sistema de accionamiento. La amplificación puede diseñarse de forma que se elimine la influencia de las fuerzas perturbadoras en un punto determinado de la pluma distribuidora. Para ello, se elige la punta de la pluma para mantener estable y constante la posición de la manguera final.

Se proponen dos procedimientos para reducir las oscilaciones debidas al suministro de hormigón: la intervención previa de perturbaciones basada en el modelo clásico y la intervención previa de perturbaciones con un observador de perturbaciones.

6.1 Intervención previa de perturbaciones clásica basada en modelos

6.1.1 Resumen

6.1.1.2 Función

Las fuerzas perturbadoras mostradas en la Fig. 6 se calculan utilizando un modelo matemático de suministro de hormigón a lo largo de la pluma.

- Cálculo de las fuerzas perturbadoras en la pluma distribuidora a partir de las señales de medición del suministro de hormigón (presión, frecuencia, posición del cilindro) mediante el modelo de suministro de hormigón (ver Fig. 8). - Cálculo de la influencia de las fuerzas perturbadoras sobre la pluma distribuidora en el modelo de perturbación. - Control de estado del modelo de perturbación. La magnitud de ajuste ud del modelo de perturbación controlado es la magnitud de ajuste u del sistema hidráulico de la bomba de hormigón.

- El control de estado puede ampliarse con una realimentación de salida. En este caso se amortiguan los movimientos de la punta de la pluma.

- El punto de funcionamiento es la posición actual de la pluma distribuidora. Cuando se modifica la posición de la pluma mediante un movimiento de traslación, se sigue el punto de funcionamiento. Es decir, la altura de la punta de la pluma tras el movimiento representa el nuevo punto de trabajo.

- Las desviaciones del valor nominal yd (véase la fig. 8) se compensan mediante un circuito de regulación con los valores medidos reales de la bomba de hormigón y. Este circuito de regulación puede representar la amortiguación de vibraciones del apartado 5.2.

6.1.1.2 Notas

- El circuito de control adicional del modelo de perturbación permite la compensación de las magnitudes de perturbación Fd independientemente del control externo para la amortiguación de vibraciones (señal de medición y). Dado que el regulador de estado aplica un modelo de perturbación virtual, el estado completo xd está disponible. - Las limitaciones de la magnitud de ajuste pueden tenerse en cuenta fácilmente mediante limitaciones en el circuito de control de la intervención previa de perturbaciones.

6.1.1.3 Sensores

- Posición de la pluma distribuidora

- Valores medidos para el suministro de hormigón: amplitud o posición del cilindro, velocidad del cilindro, frecuencia de la bomba y/o presión del hormigón a la entrada de la tubería de suministro.

6.1.1.3 Actuadores

- Todos los cilindros hidráulicos (plano vertical)

6.1.2 Ejemplo de realización

6.1.2.1 Modelización

La modelización del suministro de hormigón forma el flujo de hormigón en la tubería de suministro desde la bomba de suministro en el vehículo hasta la manguera final en la punta de la pluma. Se calculan las fuerzas de perturbación relacionadas con el flujo del suministro de hormigón en la pluma distribuidora.

La generación de las fuerzas perturbadoras se debe principalmente a las fuerzas de fricción en la pared interior de la tubería y a las fuerzas de inercia causadas por la desviación del flujo de hormigón en las curvas de la tubería. Debido al transporte inestable y periódico surgen fuerzas de tipo impulsivo que se transmiten a la pluma distribuidora a través de las fijaciones de la tubería. Las fuerzas dependen de diversos factores. La mayor influencia son las propiedades reológicas y la composición del hormigón. Dependiendo del tipo y la consistencia del hormigón, las excitaciones vibratorias en la pluma distribuidora varían enormemente. Otro factor es el llamado efecto pared. Debido a la viscosidad y a la composición no homogénea del fluido, durante el transporte se forma en la región de la pared una capa límite con un límite elástico y una viscosidad bajos. La capa límite actúa como una película lubricante y reduce las fuerzas de fricción en la región de la pared. Otros factores son el factor de nivel de llenado variable en el pistón de suministro y la cantidad de aire disuelto en el hormigón. La incertidumbre y variabilidad de los factores mencionados hacen que la modelización directa, basada exclusivamente en el material, conlleve grandes dificultades. Por este motivo, se propone una modelización basada en mediciones. La idea básica es prescindir de la ilustración exacta de las condiciones de flujo en el interior de la tubería y, en su lugar, considerar únicamente las fuerzas que actúan sobre la pared de la tubería.

El enfoque utiliza un fluido newtoniano equivalente para modelizar las fuerzas de fricción e inercia del fluido sobre la pared de la tubería.

Las propiedades materiales del fluido equivalente se determinan a partir de las magnitudes medidas del suministro de hormigón. En particular, al menos la viscosidad del fluido equivalente se determina a partir de la presión del hormigón y la velocidad de flujo del hormigón. Como densidad del fluido equivalente se utiliza un valor medio almacenado para la densidad del hormigón.

Aquí, suponiendo una presión ambiente en la manguera final y midiendo la presión de entrada, se puede calcular la diferencia de presión en toda la tubería. Teniendo en cuenta la posición de la pluma, también se determina la pérdida de presión hidrostática del flujo. Las magnitudes de salida del modelo son las fuerzas perturbadoras concentradas Fd en cada articulación de la bomba de hormigón (véase la Fig. 6).

El efecto de las fuerzas perturbadoras concentradas Fd se calcula mediante un acoplamiento con un modelo mecánico de la pluma distribuidora. El modelo mecánico tiene en cuenta la deformación dinámica y elástica de los segmentos bajo la influencia de las fuerzas perturbadoras en toda la pluma distribuidora.

6.1.2.2 Compensación

El modelo acoplado del suministro de hormigón y la pluma distribuidora sirve para diseñar una intervención previa de perturbaciones basada en el modelo. El modelo se amplía con un circuito de regulación para reducir las magnitudes de perturbación en la pluma distribuidora (véase el circuito de regulación del modelo de perturbación en la Fig. 8). A diferencia de la realimentación clásica, no se controla el tramo real, sino solo el modelo "virtual". Esto tiene ventajas para el diseño de regulación, ya que no se producen incertidumbres en el tramo ni magnitudes perturbadoras. Además, se dispone de todo el vector de estado sin necesidad de utilizar un observador. El control se diseña de forma que se minimice la influencia de las fuerzas perturbadoras sobre la punta de la pluma.

Para compensar las fuerzas perturbadoras en el sistema real, la magnitud de ajuste del circuito de regulación virtual se conecta al actuador. El resultado es un control preventivo que no requiere realimentación del estado dinámico de la pluma distribuidora.

6.1.2.3 Control

La intervención previa de perturbaciones se combina con la amortiguación de vibraciones tradicional para compensar las vibraciones del movimiento de traslación de la pluma y las incertidumbres en la modelización. La amortiguación de las vibraciones se basa en la medición y la realimentación de la posición y del estado de vibración de la pluma distribuidora. Teniendo en cuenta las salidas virtuales yd y las magnitudes medidas y, el control se diseña de forma que las magnitudes de ajuste de la intervención previa de perturbaciones ud actúen sin obstáculos sobre el tramo. La amortiguación de vibraciones solo interviene si los estados del tramo real se desvían de los estados del modelo virtual.

6.1.2.4 Propiedades adicionales

Para determinar la presión del hormigón a la entrada del tramo, puede medirse alternativamente la presión hidráulica de los cilindros de transporte. La presión del hormigón correspondiente resulta de una conversión con la relación de área del pistón.

Además, la velocidad de flujo del hormigón también puede determinarse a partir de la velocidad de los cilindros de transporte.

Esto evita el uso de un sensor de presión y/o un sensor de flujo en la tubería de suministro, que son caros y propensos al desgaste.

La eficiencia de la intervención previa de perturbaciones descrita anteriormente depende en gran medida de la precisión del modelo mecánico y del suministro de hormigón. Esto conduce a limitaciones de rendimiento en presencia de incertidumbre de parámetros y variabilidad de parámetros.

6.2 Compensación asintótica de perturbaciones

6.2.1 Resumen

6.2.1.1 Función

- Estimación de la magnitud perturbadora a partir de los valores de vibración medidos de la pluma distribuidora y de la frecuencia de bombeo del suministro de hormigón (véase Fig. 9).

- Amplificación de la señal perturbadora en el regulador de perturbaciones y conexión a los actuadores de la bomba de hormigón.

- Por razones de estabilidad, la compensación de perturbaciones requiere una amortiguación de vibraciones, que puede construirse, por ejemplo, como se describe en el apartado 5.2.

- En comparación con la intervención previa de perturbaciones clásica, el observador de perturbaciones tiene la ventaja de que la señal de perturbación se estima completamente a partir de los sensores existentes de la amortiguación de vibraciones. Esto hace que el procedimiento sea robusto frente a cambios en los parámetros del suministro de hormigón.

- El algoritmo de estimación puede diseñarse, por ejemplo, como compensación asintótica de perturbaciones según Davison.

- La compensación de perturbaciones se basa en el hecho de que las perturbaciones se estiman/aprenden a partir de una salida de medición yd libremente seleccionable. El objetivo es regular esta salida de medición yd a un valor constante utilizando variables de ajuste adecuadas. Una posible selección de la salida de medición yd es la altura de la punta de la pluma en el plano vertical. La compensación de perturbaciones reduce así los movimientos vibratorios de la punta de la pluma.

- El punto de funcionamiento es la posición actual de la pluma distribuidora. Cuando se modifica la posición de la pluma por movimiento de traslación, se sigue el punto de funcionamiento. Es decir, la altura de la punta de la pluma después del movimiento representa el nuevo punto de trabajo.

6.2.1.2 Sensores

- Posición de la pluma distribuidora

- Frecuencia de bombeo del suministro de hormigón

- Medición del estado de las vibraciones de la pluma distribuidora: sensores de velocidad de rotación en determinados segmentos

6.2.1.3 Actuadores

- Todos los cilindros hidráulicos (plano vertical)

6.2.1.2 Notas

- La compensación asintótica de perturbaciones se basa en ilustrar señales perturbadoras intervinientes por medio de un modelo de perturbación ficticio. El modelo de perturbación se integra en el circuito de regulación y se excita mediante una salida de medición seleccionada hasta que se compensan las perturbaciones en una salida de medición seleccionada. El modelo de perturbación tiene la propiedad de proporcionar una señal de salida no decreciente, aunque desaparezca la señal de excitación (límite estable). De este modo, la compensación de perturbaciones genera las magnitudes de ajuste necesarias para compensar el efecto de la magnitud perturbadora. - Debido al proceso de estimación, las magnitudes perturbadoras tienen al menos un efecto temporal en las salidas del sistema. Esto conduce al hecho de que la compensación de perturbaciones está sujeta a un proceso de estabilización al principio y en caso de grandes cambios en los parámetros.

6.2.2 Ejemplo de realización

6.2.2.1 Modelización

A continuación, se presenta un procedimiento alternativo a la anterior intervención previa de perturbaciones. La idea básica del procedimiento es estimar las fuerzas perturbadoras a partir de los valores medidos de la pluma distribuidora. La periodicidad del suministro de hormigón se utiliza para establecer un modelo modal de las fuerzas perturbadoras. El modelo se compone de la frecuencia fundamental y sus múltiplos. Los estados individuales reproducen la forma de oscilación de la magnitud perturbadora como coordenadas modales.

Una coordenada modal no tiene significado físico, sino que solo representa el componente de la frecuencia respectiva en la forma de oscilación de la magnitud perturbadora.

6.2.2.2 Procedimiento de estimación

Basándose en el modelo modal, las fuerzas perturbadoras se estiman mediante un observador de perturbaciones o una compensación asintótica de perturbaciones a partir de los valores medidos de la pluma distribuidora. Los procedimientos de estimación se basan en el principio del modelo interno. El principio define que un circuito de regulación estable solo puede suprimir completamente una perturbación si dispone de un modelo interno de la señal perturbadora. En este caso, el modelo es estable en los límites y solo se compone de pares de polos complejos conjugados de las frecuencias de suministro en el eje imaginario del semiplano complejo. Mediante el observador de perturbaciones o la compensación asintótica de perturbaciones, el estado inicial del modelo modal se adapta a partir de las señales de medición de la pluma distribuidora. Esto corresponde a una estimación de la amplitud y posición de fase desconocidas de las fuerzas perturbadoras. Cuantas más frecuencias contenga el modelo, con mayor precisión podrá representarse la forma de vibración de la magnitud perturbadora. Sin embargo, el mayor número de frecuencias requiere más tiempo para aprender la forma de oscilación actual. Durante el proceso de aprendizaje se produce un movimiento de estabilización cuya amplitud aumenta con el número de frecuencias. Por consiguiente, para una buena supresión de las perturbaciones, el número de frecuencias debe seleccionarse de manera que, por una parte, las magnitudes perturbadoras se reproduzcan con suficiente precisión y, por otra, la conducta de estabilización se produzca brevemente y con poca amplitud.

6.2.2.3 Regulación

Las magnitudes perturbadoras reconstruidas se conectan a los actuadores de la pluma distribuidora a través de un regulador (véase Fig. 9). Para garantizar la estabilidad del sistema, la intervención previa de perturbaciones se combina con una amortiguación de vibraciones basada en las magnitudes medidas de la pluma distribuidora y. El observador de perturbaciones calcula los estados del sistema basándose en el modelo de la pluma distribuidora y en el modelo de perturbaciones. Las magnitudes medidas son la posición de la pluma y el estado de vibración de la pluma distribuidora. De este modo, el regulador de la figura 9 amplifica las magnitudes de perturbación estimadas y los estados del sistema. La intervención previa de perturbaciones puede diseñarse para minimizar la influencia de las fuerzas perturbadoras en la punta de la pluma.

6.2.2.4 Otras propiedades

A diferencia del primer procedimiento, el observador de perturbaciones o la compensación asintótica de perturbaciones aprende las fuerzas perturbadoras a partir de los valores medidos y del estado de vibración dinámica de la pluma distribuidora. Esto permite reducir el número de sensores para el suministro de hormigón. La magnitud de medición necesaria es la frecuencia de bombeo, que puede determinarse en el software a través de los tiempos de cambio de los cilindros de transporte. Otra ventaja del procedimiento es su robustez frente a cambios en los parámetros del tramo y variaciones en las propiedades del hormigón.

6.3 Otras propiedades de la intervención previa de perturbaciones

Las compensaciones previas de perturbaciones descritas anteriormente son válidas para una posición de equilibrio específica de la pluma distribuidora. Por tanto, si se modifica la posición de la pluma, se repite el proceso de diseño y se adapta a la posición actual. Mediante el seguimiento de los parámetros de control se garantiza la funcionalidad de la intervención previa de perturbaciones para cada posición de la pluma.

Las señales de valores de referencia para el sistema hidráulico son convertidas por una regulación de eje subordinada en los cilindros. La regulación de eje convierte una especificación de velocidad angular de referencia de las articulaciones en la velocidad real de traslación de los cilindros. La cinemática de desviación y las no linealidades del sistema hidráulico se tienen en cuenta mediante un control preventivo. Dependiendo del diseño, se puede implementar una realimentación de la presión o de la posición o velocidad del cilindro. La regulación del eje está descentralizada y, por tanto, subordinada a cada articulación por separado.

Las especificaciones de movimiento del operador se tienen en cuenta explícitamente mediante la intervención previa de perturbaciones y la amortiguación de vibraciones. Esto significa que el movimiento de traslación deseado es permitido por la regulación y solo las vibraciones estructurales superpuestas son amortiguadas. Para reducir la excitación de las vibraciones durante el desplazamiento, también se proporciona un control previo. Este calcula señales de control Wref a partir del valor de referencia del operador, que ejecutan el movimiento deseado de la pluma y en esto no excitan ninguna vibración. Para este propósito se utiliza un filtro de muescas que suprime las frecuencias propias de la pluma distribuidora durante el movimiento de traslación en función de la posición actual de la pluma.

El control preventivo para las compensaciones previas de perturbaciones presentadas en las Figs. 8 y 9 se caracteriza por un bloque de señales. Para la intervención previa de perturbaciones dinámica, basada en modelo, la señal de control previo Wref se considera adicionalmente en el circuito de regulación de modelo de perturbación.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Manipulador de grandes dimensiones, en particular para bombas de hormigón, que tiene

un brazo articulado que tiene un soporte giratorio (3) que puede girar alrededor de un eje vertical (A) y al menos dos segmentos (4 - 7) que pueden bascular alrededor de ejes horizontales por medio de articulaciones (B - E), en donde el soporte giratorio (3) es desplazable alrededor del eje vertical por medio de un actuador y los segmentos (4 - 7) son basculantes alrededor de los ejes horizontales por medio de actuadores (14 - 17),

un sistema de control para controlar los actuadores (14 - 17), en donde el sistema de control comprende una amortiguación de vibraciones para amortiguar las vibraciones horizontales y/o verticales del brazo articulado, y

al menos un sensor de velocidad de rotación (18 - 21), cuyas señales de medición se incluyen en la amortiguación de vibraciones,

caracterizado porque

el manipulador de grandes dimensiones comprende sensores asociados a las articulaciones de rotación (B - E) para la medición indirecta o directa del ángulo de rotación respectivo de las articulaciones del brazo articulado, en donde las señales de medición de los sensores se incluyen en el sistema de control del manipulador de grandes dimensiones y porque la amortiguación de vibraciones determina un estado de vibración de todo el brazo articulado sobre la base de los valores medidos del al menos un sensor de velocidad de rotación (18 - 21) a partir de las vibraciones de los segmentos individuales (4 - 7), en cuyo caso la amortiguación de vibraciones tiene lugar preferentemente sin utilizar sensores geodésicos y/o unidades de medición inercial y/o sensores de deformación dispuestos en los segmentos (4 - 7).

2. Manipulador de grandes dimensiones según la reivindicación 1, en el que al menos un sensor de velocidad de rotación (18 - 20) está dispuesto en una región delantera de un segmento (4 - 6) que está dispuesto entre el soporte giratorio (3) y un segmento (7) que forma la punta de la pluma (22) en el brazo articulado, y/o en el que los sensores de velocidad de rotación están dispuestos en al menos dos segmentos ( 4 - 7), en el que preferentemente la amortiguación de vibraciones determina un estado de vibración de todo el brazo sobre la base de los valores medidos de los al menos dos sensores de velocidad de rotación (18 - 20) a partir de las vibraciones, y/o en el que los sensores de velocidad de giro (18 - 21) están dispuestos cada uno en una región delantera de los segmentos (4 - 7), y/o en el que los al menos dos segmentos (4 - 6) están dispuestos entre el soporte giratorio (3) y un segmento (7) que forma la punta de la pluma (22) en el brazo articulado, y además, preferiblemente, otro sensor de velocidad de giro (21) está dispuesto en el segmento (7) que forma la punta de la pluma (22).

3. Manipulador de grandes dimensiones según la reivindicación 1 o 2, en el que las señales de medición de los sensores asociados a las articulaciones giratorias (B - E) se incluyen en la amortiguación de vibraciones y/o sirven para determinar la posición actual del brazo articulado.

4. Manipulador de grandes dimensiones, en particular para bombas de hormigón, con

un brazo articulado que tiene un soporte giratorio (3) que puede girar alrededor de un eje vertical (A) y/o al menos un segmento (4 - 7) que puede bascular alrededor de un eje horizontal mediante una articulación (B - E), en donde el soporte giratorio (3) puede desplazarse alrededor del eje vertical mediante un actuador y/o el al menos un segmento (4 - 7) es capaz de bascular alrededor del eje horizontal mediante un actuador (14 - 17), y

una regulación para controlar los actuadores (14 - 17), en donde la regulación comprende una amortiguación de vibraciones para amortiguar las vibraciones horizontales y/o verticales del brazo articulado,

caracterizado porque

la amortiguación de vibraciones se realiza usando un modelo físico del brazo articulado, en el que la flexibilidad de al menos un segmento (4 - 7) se describe mediante al menos una articulación virtual dispuesta dentro de dicho segmento.

5. Manipulador de grandes dimensiones según la reivindicación 4, en el que el modelo físico es un modelo de cuerpo rígido con articulaciones actuadas, y/o en el que un elemento de resorte y un elemento de amortiguación están asociados a la articulación virtual, en el que la constante de resorte y la constante de amortiguación se seleccionan preferentemente de tal manera que la articulación virtual describe la magnitud de la flexión y/o la torsión y/o la primera frecuencia propia del segmento real (4 - 7), y/o en donde varios y preferiblemente todos los segmentos (4 - 7) son descritos por una articulación virtual dispuesta dentro del segmento respectivo (4 - 7) y/o en donde se proporciona exactamente una articulación virtual dentro del segmento (4 - 7), y/o en donde la articulación virtual tiene al menos dos y preferiblemente tres grados de libertad de movimiento.

6. Manipulador de grandes dimensiones, en particular según una de las reivindicaciones anteriores, en particular para bombas de hormigón, que tiene un brazo articulado que tiene un soporte giratorio que puede girar alrededor de un eje vertical y al menos un segmento que puede bascular alrededor de un eje horizontal por medio de una articulación, en donde el soporte giratorio puede desplazarse alrededor del eje vertical por medio de un actuador y el al menos un segmento es capaz de bascular alrededor del eje horizontal por medio de un actuador, y con un control para controlar los actuadores, en donde el control comprende una amortiguación de vibraciones para amortiguar las vibraciones horizontales del brazo articulado, que se efectúa controlando el actuador del soporte giratorio, caracterizado porque la amortiguación de vibraciones tiene en cuenta la torsión del al menos un segmento (4 - 7) y/o del brazo articulado.

7. Manipulador de grandes dimensiones según la reivindicación 6, en el que la amortiguación de vibraciones tiene en cuenta la torsión de al menos un segmento (4 - 7) y/o del brazo articulado mediante un modelo físico del brazo articulado que describe una torsión del brazo articulado y/o de uno o más segmentos (4 - 7) del brazo articulado, en particular mediante al menos una articulación giratoria virtual que se extiende en la dirección longitudinal del segmento (4 - 7), y/o en el que el manipulador de grandes dimensiones tiene al menos dos sensores de velocidad de rotación (18 - 21) dispuestos en diferentes segmentos (4 - 7), en el que la torsión se determina a partir de una comparación de los valores medidos de los sensores de velocidad de rotación (18 - 21), en el que los sensores de velocidad de rotación (18 - 21) tienen preferentemente al menos dos direcciones de sensibilidad, en particular una primera dirección de sensibilidad horizontal y una segunda dirección de sensibilidad que se extiende en un plano vertical.

8. Manipulador de grandes dimensiones según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el control comprende un observador que estima el estado del brazo articulado, en particular sobre la base de los valores medidos de los sensores de velocidad de rotación (18 - 21) según una de las reivindicaciones 1 a 3 o 7 y/o el modelo físico según una de las reivindicaciones 4 a 5 o 7.

9. Manipulador de grandes dimensiones según una de las reivindicaciones anteriores, en el que la amortiguación de vibraciones comprende una regulación que se realiza por realimentación de al menos una de las siguientes magnitudes: velocidad y posición de una o más de las articulaciones (B - E), velocidades y posiciones de flexión y/o torsión de uno o más de los segmentos (4 - 7), en donde las magnitudes realimentadas son preferentemente estimadas por un observador, en particular un observador según la reivindicación 8.

10. Manipulador de grandes dimensiones según una de las reivindicaciones 4 a 9, en el que una estimación del estado del sistema y/o la amortiguación de las vibraciones, en particular una estimación por un observador según la reivindicación 8 y/o una regulación según la reivindicación 9, se realiza sobre la base de una linealización de un modelo físico, en donde la linealización se realiza preferentemente alrededor de la posición de equilibrio de la posición actual del brazo articulado y/o en donde la linealización es realizada por el control en función de la posición actual del brazo articulado.

11. Manipulador de grandes dimensiones según una de las reivindicaciones anteriores, en donde el control comprende un control preventivo que calcula señales de control a partir de un valor de referencia predeterminado por un operador, mediante las cuales se realiza el movimiento deseado de la pluma y se reduce una excitación vibratoria del brazo articulado, en donde se suprimen preferentemente frecuencias propias del brazo articulado, que se determinan preferentemente en función de la posición actual del brazo articulado, y/o en donde el control comprende reguladores de eje asignados a las respectivas articulaciones (B - E), en donde el control genera señales de control para la velocidad angular de referencia de los ejes, en base a las cuales el regulador de eje asignado a la respectiva articulación (B - E) genera señales de control para el respectivo actuador (14 - 17), en donde los reguladores de eje se basan preferentemente en una cinemática de desviación inversa y/o comprenden una no linealidad inversa del sistema hidráulico.

12. Manipulador de grandes dimensiones según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el brazo articulado sirve de pluma distribuidora a lo largo de la cual se guía una tubería de hormigón alimentada con hormigón por una bomba de suministro (1), en donde preferentemente el control comprende una intervención previa de perturbaciones para reducir las vibraciones de la pluma distribuidora inducidas por el suministro de hormigón, en donde la intervención previa de perturbaciones se efectúa además preferentemente sobre la base de un modelo físico del suministro de hormigón que describe las fuerzas perturbadoras relacionadas con el flujo del suministro de hormigón sobre la pluma distribuidora o la intervención previa de perturbaciones estima las fuerzas perturbadoras a partir de valores medidos de la posición y/o del estado de vibración de la pluma distribuidora.

13. Software de control para un manipulador de grandes dimensiones según una de las reivindicaciones anteriores, en donde el software de control, en su ejecución, implementa un control para controlar los actuadores del manipulador de grandes dimensiones con una amortiguación de vibraciones para amortiguar las vibraciones horizontales y/o verticales del brazo articulado,

en donde

a) las señales de medición del al menos un sensor de velocidad de rotación (18 - 21) se incluyen en la amortiguación de vibraciones y las señales de medición de los sensores asignados a las articulaciones giratorias (B - E) del manipulador de grandes dimensiones para la medición indirecta o directa del respectivo ángulo de rotación de las articulaciones del brazo articulado se incluyen en el control, y en donde la amortiguación de vibraciones determina un estado de vibración de todo el brazo articulado sobre la base de los valores de medición del al menos un sensor de velocidad de rotación (18 - 21) a partir de las vibraciones de los segmentos individuales ( 4 - 7)

y/o

b) la amortiguación de vibraciones se lleva a cabo utilizando un modelo físico del brazo articulado, en el que la flexibilidad de al menos un segmento (4 - 7) se describe mediante al menos una articulación virtual dispuesta dentro de dicho segmento

y/o

c) la amortiguación de las vibraciones se efectúa controlando el actuador del soporte giratorio, en donde la amortiguación de las vibraciones tiene en cuenta la torsión de al menos un segmento (4 - 7) y/o del brazo articulado.

14. Control para un manipulador de grandes dimensiones según una de las reivindicaciones anteriores, para controlar los actuadores (14-17) del manipulador de grandes dimensiones, en donde el control comprende una amortiguación de vibraciones para amortiguar las vibraciones horizontales y/o verticales del brazo articulado,

donde

a) las señales de medición de al menos un sensor de velocidad de rotación (18 - 21) se incluyen en la amortiguación de vibraciones y las señales de medición de los sensores asociados a las articulaciones de rotación (B - E) del manipulador de grandes dimensiones para la medición indirecta o directa del respectivo ángulo de rotación de las articulaciones del brazo articulado se incluyen en el control, y en donde la amortiguación de vibraciones determina un estado de vibración de todo el brazo articulado sobre la base de los valores de medición del al menos un sensor de velocidad de rotación (18 - 21) a partir de las vibraciones de los segmentos individuales ( 4 - 7)

y/o

15. Bomba de hormigón, en particular bomba de hormigón montada sobre camión, con un manipulador de grandes dimensiones según una de las reivindicaciones 1-12 anteriores, en donde el brazo articulado sirve de pluma distribuidora a lo largo de la cual se guía una tubería de hormigón.

16. Procedimiento para controlar un manipulador de grandes dimensiones y/o una bomba de hormigón según una de las reivindicaciones anteriores 1-12 o 15, en el que

a) las señales de medición de al menos un sensor de velocidad de rotación (18 - 21) se incluyen en la amortiguación de vibraciones y las señales de medición de los sensores asociados a las articulaciones rotativas (B - E) del manipulador de grandes dimensiones para la medición indirecta o directa del respectivo ángulo de rotación de las articulaciones del brazo articulado se incluyen en el control, y en donde el sistema de amortiguación de vibraciones determina un estado de vibración de todo el brazo articulado sobre la base de los valores de medición del al menos un sensor de velocidad de rotación (18 - 21) a partir de las vibraciones de los segmentos individuales ( 4 - 7), y/o

y/o

c) la amortiguación de vibraciones se realiza controlando el actuador del soporte giratorio, en donde la amortiguación de vibraciones tiene en cuenta la torsión de al menos un segmento (4 - 7) y/o del brazo articulado y amortigua una vibración torsional del brazo articulado.