DE10101570B4

DE10101570B4 - Großmanipulator mit Schwingungsdämpfung

Info

Publication number: DE10101570B4
Application number: DE10101570A
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl.-Ing. Nissing; Werner Dr.-Ing. Bernzen; Karl-Heinz Dr.-Ing. Koop
Original assignee: Friedrich Wilhelm Schwing GmbH
Current assignee: Friedrich Wilhelm Schwing GmbH
Priority date: 2001-01-15
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2021-01-16
Also published as: JP2004516995A; KR100838748B1; BR0206472A; US20040076502A1; CN1292138C; US7143682B2; CN1486384A; DE10101570A1; AU2002224985B2; WO2002055813A1; KR20030088425A; EP1354106A1

Abstract

Großmanipulator, insbesondere für Autobetonpumpen, mit einem aus mehreren Gliedern (2 bis 5), insbesondere 3 bis 5 Gliedern, zusammengesetzten und auf einem Gestell, insbesondere einem Fahrgestell, angeordneten Mast (1), welcher insbesondere als einklappbarer Verteilermast ausgebildet ist, der vorzugsweise einen Drehschemel (6) umfasst, so dass er um eine im wesentlichen vertikale Drehachse mittels eines Antriebsaggregats drehbar ist, wobei die Mastglieder (2 bis 5) zueinander und zu dem Drehschemel (6) um im wesentlichen horizontale, zueinander parallele Drehachsen über weitere Antriebsaggregate (8) schwenkbar sind und mit einer ein Steuerorgan aufweisenden Fernsteuereinrichtung zur Ansteuerung der Antriebsaggregate (8) und zur Vorgabe einer gewünschten Sollstellung der Antriebsaggregate (8) beziehungsweise der Mastglieder (2 bis 5) und des Drehschemels (6), dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die mindestens eine Erfassungseinheit (15) zur Erfassung eines Parameters, welcher einen Störzustand mindestens eines Mastglieds beschreibt, der zur Abweichung von der vom Steuerorgan vorgegebenen Stellung, insbesondere zu einer Schwingung der Mastglieder...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Großmanipulator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. eine Autobetonpumpe mit einem derartigen Großmanipulator sowie ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Großmanipulators.
Großmanipulatoren finden beispielsweise bei Autobetonpumpen eine Anwendung, bei denen über eine Betonpumpe Beton durch eine Betonförderleitung gepumpt wird, welche an einem mehrgliedrigen Verteilermast angeordnet ist, so daß Beton über eine weite Strecke zielgenau an einen bestimmten Punkt gefördert werden kann. Konventionellerweise besteht der Verteilermast aus ein oder mehreren Segmenten und ist über entsprechende Hydraulikzylinder mit Umlenkkinematik in den Gelenken faltbar. Der Mast kann auf einem mobilen Unterbau, im allgemeinen eine LKW-Chassis, oder einer stationären Plattform angebracht sein und ist dabei um eine Vertikalachse schwenkbar.
Bei den konventionellen Betonpumpen wird das Schlauchende von einem Bediener über eine Fernsteuerung zu der Betonierstelle gesteuert (Grobpositionierung). Dies geschieht durch direktes Ansteuern der den einzelnen Zylindern zugeordneten Ventile eines Hydrauliksystems. Ein weiterer Bediener führt den Endschlauch über die Betonierstelle (Feinpositionierung). In den Segmenten des Verteilermastes entstehen konstruktionsbedingt elasti sche Verformungen, so daß der Ausleger zur Schwingungsbildung neigt. Insbesondere durch das nicht kontinuierliche, sondern pulsierende Fördern des Betons durch Zweizylinder-Dickstoffpumpen wird der Verteilermast, insbesondere am letzten Glied beim Austreten des Betons am Endschlauch zum Schwingen angeregt, so daß eine Schwingungsamplitude am Endschlauch von mehr als einem Meter auftreten kann. Liegt die Pumpfrequenz im Bereich der Eigenfrequenz des Verteilermastes, kann es zu Resonanzschwingungen kommen. Bei den herkömmlichen Betonpumpen mit Verteilermast wird daher die Fördermenge der Pumpe und damit die Pumpfrequenz so weit zurückgeregelt, daß sich die Schwingungen an der Mastspitze in Grenzen halten und der Schlauchführer dadurch nicht gefährdet wird.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 195 03 895 A1 offenbart einen Großmanipulator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die DE 195 20 166 A1 offenbart einen Betonpumpen-Verteilausleger, bei dem eine vereinfachte Bedienung durch Verwendung eines Joysticks oder ähnlicher Steuerungselemente geschaffen wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist daher das Schwingen des Verteilermastes, insbesondere am letzten Glied des Verteilermastes und am Endschlauch zu dämpfen und die Auslenkung der Mastspitze bei den Pumpstößen derart zu reduzieren, daß die maximale Schwingungsamplitude minimiert, vorzugsweise auf 10 bis 20 cm beschränkt wird. Darüber hinaus ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen entsprechenden Großmanipulator bereitzustellen, der diese Aufgabe mit möglichst wenig Aufwand, insbesondere konstruktiven Aufwand erreicht und eine einfache, aber sichere und effektive Bedienbarkeit gewährleistet.
Diese Aufgabe wird gelöst von dem Großmanipulator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer Autobetonpumpe nach Anspruch 18 und dem Verfahren gemäß Anspruch 19. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, daß bei einem Großmanipulator der gattungsgemäßen Art der Fernsteuereinrichtung, mit der ein Bediener die Positionierung des Großmanipulators durchführt, eine automatische Regelungseinrichtung unterlagert wird, die lediglich zwei unterschiedliche Parameter erfassen muß, um damit die bereits zur Betätigung des Großmanipulators vorhandenen Antriebsaggregate so zu steuern, daß sowohl die Schwingungen, die durch einen Störzustand, wie z. B. diskontinuierliche Pumpenstöße bei Betonpumpen, verursacht werden, minimiert und die Amplitude der Ausschläge, d. h. die Abweichung des Großmanipulators von der Sollstellung, reduziert werden. Auf diese Weise wird erreicht, daß nur wenige Daten erfaßt werden müssen, was zu einer Vereinfachung der Regelungseinrichtung führt, und daß weiterhin keine zusätzlichen Komponenten zur Betäti gung des Großmanipulators erforderlich sind, daß also mit den bereits vorhandenen Antriebsaggregaten der durch den Störzustand verursachten Schwingungen entgegen gewirkt wird.
Dabei wird von der Regelungseinrichtung ein Parameter erfaßt, welcher den Störzustand, der zur Abweichung von der vorgegebenen Sollstellung und insbesondere den Schwingungen führt, zumindest an einem Mastglied beschreibt. Beispielsweise kann dies bei einem Betonverteilermasten die Ermittlung der Druckschwankungen in der Betonförderleitung sein.
Zum anderen wird ferner die Belastung mindestens eines Antriebsaggregats, das zur Verstellung der Mastglieder dient, ermittelt. Mit diesen Größen, nämlich dem erfaßten Störparameter und der ermittelten Belastung des Antriebsaggregats wird mindestens eines der Antriebsaggregate mittels der Regelungseinrichtung so geregelt, daß durch eine Betätigung des Antriebsaggregats die Abweichung von der vorgegebenen Sollstellung minimiert und die Schwingung des oder der Mastglieder gedämpft wird. Dazu weist die Regelungseinrichtung mindestens eine Erfassungseinheit zur Erfassung des Parameters auf, die den Störzustand beschreibt, sowie mindestens eine Ermittlungseinheit zur Ermittlung der Belastung, die auf das Antriebsaggregat einwirkt.
Vorzugsweise umfaßt die Regelungseinrichtung ein Dämpfungsminimiermittel, welches als Eingangsgröße die von der Ermittlungseinheit ermittelte Belastung aufweist und als Ausgangsgröße eine Regelgröße für das Antriebsaggregat erzeugt. Die Regelgröße kann beispielsweise bei einem Betonverteilermasten, bei dem die Antriebsaggregate für die Mastglieder als Hydraulikzylinder ausgeführt sind, die Verstellgeschwindigkeit des Zylinderkolbens sein.
Vorzugsweise ist das Dämpfungsminimiermittel als ein virtuelles Feder-Dämpfer-Element ausgestaltet, welches zumindest ein Federelement und ein Dämpfungselement umfaßt, die zueinander parallel geschaltet sind. Das virtuelle Feder-Dämpfer-Element repräsentiert dabei das Antriebsaggregat, z. B. den Hydraulikzylinder bei einem Betonverteilermasten. Dem Konzept der Regelung nach dem virtuellen Feder-Dämpfer-Element liegt die Idee zugrunde, daß eine wirksame Dämpfung erreicht wird, wenn sich das Antriebsaggregat, z. B. der hydraulische Zylinder, wie ein parallel geschaltetes Feder-Dämpfer-Element verhält. Aus dem Kraftgleichgewicht der Kraftkomponente, die einerseits auf das Antriebsaggregat wirkt, und den Kraftkomponenten der Feder- und Dämpfungselemente andererseits kann dann eine entsprechende Regelgröße für das Antriebsaggregat berechnet werden. Neben dem Vorteil, daß dieses Konzept lediglich durch das Anbringen einiger Sensoren eine geringe Erweiterung der Gesamtkonstruktion eines Großmanipulators fordert, ist ein weiterer Vorteil die Stabilität des Gesamtregelkonzepts des Dämpfungsminimiermittels. Unter der Annahme, daß die Regelung funktioniert und das Antriebsaggregat sich verhält wie ein Feder-Dämpfer-Element, verhält sich der Mast stabil, da lediglich durch den Störzustand einwirkende Energie dissipiert wird. Die Steifigkeit des Federelements und Dämpfungskonstante des Dämpferelements sind hierbei beliebig wählbar. Es gibt jedoch eine Konfiguration, bei der die Schwingungsneigung des Manipulators minimal ist, und zwar bei schnellstmöglichem Führungsverhalten des Antriebsaggregats. Diese optimale Parameterkonfiguration ist wiederum abhängig von der Mastposition und der Mastgröße.
Weiterhin umfaßt die Regelungseinrichtung in vorteilhafter Weise eine Störgrößenaufschaltung, welche als Eingangsgröße den die Störung beschreibenden Parameter, der von der Erfassungseinheit erfaßt wird, aufweist, wobei die Störgrößenaufschaltung aus diesem Eingangsparameter eine gegenüber der vom Bediener vorgegebenen Sollstellung korrigierte Stellung des Antriebsaggregats berechnet, die die Störung kompensiert.
In dem bevorzugten Fall, daß die Ermittlungseinheit den Störzustand anhand des Parameters vorauseilend ermittelt, also bevor der Störzustand an der Stelle auftritt, an der eine Kompensierung durch die Regelungseinrichtung erreicht werden soll, ist ausreichend Zeit vorhanden, eine der Störung entgegengerichtete Stellung des Antriebsaggregats vorzusehen. Ist beispielsweise bei einem Betonverteilermasten durch die Ermittlungseinheit bekannt, daß eine Druckwelle sich durch die Betonförderleitung fortpflanzt, so kann rechtzeitig ein entsprechendes Mastglied durch die Störgrößenaufschaltung über eine korrigierte Stellung des Antriebsaggregats in eine der Druckwelle entgegengerichtete Stellung gebracht werden. Deshalb ist es vorteilhaft, daß die Ermittelungseinheit Sensoren aufweist, die den den Störzustand charakterisierenden Parameter an Stellen mißt, die von der Mastspitze aus gesehen vor dem zu korrigierenden Mastglied angeordnet sind. Beispielsweise ist es vorteilhaft, zu einer Kompensierung des Ausschlags an der Mastspitze die Drucksensoren bereits am Fuß des Verteilermastes für eine Betonpumpe vorzusehen, wobei ein Kompromiss bezüglich der Exaktheit der Erfassung der Störung an der zu kompensionierenden Stelle und der Möglichkeit einer ausreichenden Reaktionszeit gefunden weden muss. Alternativ kann die Störgröße auch direkt am Entstehungsort, also z. B. der Umschaltzeitpunkt der Betonpumpe an dieser, kombiniert mit einer Messung der Strömungsgeschwindigkeit in der Betonförderleitung gemessen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, die Störgrößenaufschaltung und das Dämpfungsminimiermittel in der Regelungseinrichtung so zu kombinieren, daß die korrigierte Stellung des Antriebsaggregats, die von der Störgrößenaufschaltung aufgrund der abgeschätzten Störung ermittelt worden ist, überlagert mit dem über den Bediener vorgegebenen Sollwert als Sollstellung in die Berechnung im Dämpfungsminimiermittel eingeht. Damit werden nicht nur die Schwingungen durch das Dämpfungsminimiermittel vermindert, z. B. hinsichtlich der Anzahl der Schwingungen und auch der Amplitude der Schwingungen, z. B. durch Vermeidung von Resonanzschwingungen, sondern es wird auch einer direkten Abweichung der Sollstellung durch die Störgöße entgegengewirkt, wobei durch die Einbeziehung der korrigierten Stellung in die Berechnung des Dämpfungsminimiermittels zusätzlich Schwingungen durch unnötige Bewegungen des Antriebsaggregats vermieden werden.
Aufgrund der vorzugsweise vorauseilenden Bestimmung der Störgöße und/oder der Dämpfung durch das Dämpfungsminimiermittel ist es weiterhin vorteilhaft, bei dem Großmanipulator die Regelung nicht unbedingt auf das Antriebsaggregat zu beziehen, das direkt für die Betätigung des Mastgliedes verantwortlich ist, dessen Schwingungen und Amplituden möglichst gering gehalten werden sollen, z. B. die Mastspitze, sondern eines, welches von der Mastspitze aus gesehen vor dem zu korrigierenden Mastglied angeordnet ist.
Für die Realisierung der vorher beschriebenen Regelungseinrichtung sind verschiedene Sensoren und Meßsysteme erforderlich, die zum Teil von der Wahl der entsprechenden Antriebsaggregate und vom Einsatzzweck des Großmanipulators abhängen. Im Falle eines Großmanipulators in Form eines Betonverteilermasten, dessen Gelenke über hydraulische Zylinder betätigt werden, ist es vorteilhaft, als Regelgröße die Verstellgeschwindigkeit des Zylinderkolbens zu regeln.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform, bei der das Dämpfungsminimiermittel als virtuelles Feder-Dämpfer-Element ausgeführt ist, wird als Regelgröße die Verstellgeschwindigkeit des Antriebsaggregats bestimmt. Dies ergibt sich aus dem Newton'schen Axiom
Bei einem Verhalten des Antriebsaggregats als Feder-Dämpfer-Element gilt demnach Ft(t) + d·s .(t) + c·s(t) = 0 Gleichung 2,wobei F_t(t) die durch die Störung auf das Antriebsaggregat in Abhängigkeit von der Zeit einwirkende Kraft ist, d die Dämpfungskonstante, s .(t) die Verstellgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeit, c die Federkonstante und s(t) die Stellung des Antriebsaggregats in Abhängigkeit von der Zeit ist. Durch Umstellung dieser Gleichung kann auf die Verstellgeschwindigkeit s .(t) aufgelöst werden:
Wird das Antriebsaggregat nun so geregelt, daß die über die Gleichung 3 bestimmte Verstellgeschwindigkeit s .(t) eingestellt wird, so wird die Charakteristik eines Feder-Dämpfer-Elements nachgebildet. Durch situationsspezifische Anpassung der Parameter c und d wird eine optimale Dämpfung erreicht.
Zur Regelung der Verstellgeschwindigkeit ist es demnach noch erforderlich, daß die Regelungseinichtung einen Geschwindigkeitsregler umfaßt, der die durch das Dämpfungsminimiermittel bestimmte Verstellgeschwindigkeit des Antriebsaggregats regeln kann. Weiterhin ist es erforderlich, daß die Regelungseinrichtung mindestens einen Positionssensor um faßt, der die Stellung des Antriebsaggregats feststellt. Ein entsprechender Positionssensor kann auch als Wegmeßsystem ausgeführt sein, so daß ausgehend von einer Ausgangsstellung des Antriebsaggregats die tatsächliche Stellung ermittelt werden kann. Gleichzeitig kann ein derartiges Wegmeßsystem auch zur Erfassung der Verstellgeschwindigkeit des Antriebsaggregats dienen, wenn nämlich über die Änderung der Stellung des Antriebsaggregats die Verstellgeschwindigkeit des Antriebsaggregats bestimmt wird. Alternativ kann es jedoch vorteilhaft sein, unabhängig davon einen anderen Geschwindigkeitssensor bereitzustellen, der die Verstellgeschwindigkeit des Antriebsaggregats direkt mißt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform eines Betonverteilermasten, bei dem die Antriebsaggregate für die Mastglieder hydraulisch oder pneumatisch betätigte Zylinder sind, umfaßt die Ermittlungseinheit vorzugsweise an der Kolbenstange angeordnete Kraftsensoren oder den Zylinderkammern zugeordnete Drucksensoren, die einerseits direkt über die Kraftmessung oder andererseits über die Druckdifferenz in den Zylinderkammern des Zylinders die Belastung des Antriebsaggregats ermitteln.
Weiterhin umfaßt bei dieser vorteilhaften Ausführungsform die Erfassungseinrichtung mindestens einen Drucksensor, vorzugsweise zwei oder mehr Drucksensoren in der Betonförderleitung, um auf diese Weise Druckschwankungen in der Betonförderleitung als Störgröße zu ermitteln.
Vorzugsweise regelt der Geschwindigkeitsregler, der die Verstellgeschwindigkeit des Antriebsaggregats regelt, die Verstellgeschwindigkeit des vorzugsweise hydraulisch betriebenen Zylinderkolbens über ein Ventil, welches zwischen den Zylinderkammern und einer Hydraulikölversorgung angeordnet ist, wobei sowohl Geschwindigkeitsregler als auch das Ventil in dem Hydrauliksystem ausreichend genau und schnell arbeiten müssen, um die durch das Dämpfungsminimiermittel bestimmte Verstellgeschwindigkeit möglichst genau einzustellen.
Der oben beschriebene Großmanipulator eignet sich in besonderer Weise für Autobetonpumpen, die auf einem Fahrgestell angeordnet sind, da die bei derartigen Geräten durch die verwendeten Zweizylinder-Dickstoffpumpen verursachten Störungen ideal bei dem entsprechenden Großmanipulator verringert werden können.
Außerdem hat sich gezeigt, daß der Betrieb eines derartigen Großmanipulators in der Weise vorteilhaft ist, daß der Bediener weiterhin über die Fernsteuereinrichtung die gewünschte Sollstellung der Mastglieder und/oder des Drehschemels des Großmanipulators eingeben kann und daß dann automatisch ohne eine entsprechende Nachführung die durch eine Störung verursachte Abweichung von der Sollstellung ausgeglichen und insbesondere Schwingungen gedämpft werden. Besonders vorteilhaft ist es, daß bei einem derartigen Betrieb die Sollstellung durch den Bediener unabhängig von regelmäßig wiederkehrenden Störungen, wie z. B. Druckstößen bei Betonpumpen, verändert werden kann und daß auch hier automatisch die auftretenden Störungen kompensiert werden und eine zielgenaue Ausrichtung des Großmanipulators möglich ist.
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen dabei sämtlich in rein schematischer Weise in
1 die Seitenansicht eines als Betonverteilermasten ausgeführten Großmanipulators zum einen im ausgefahrenen Zustand und zum anderen im zusammengeklappten Zustand;
2 ein schematisches Schaubild zur Verdeutlichung der Regelung eines als Antriebsaggregat zum Verkippen zweier benachbarter Mastglieder verwendeten Zylinders; und in
3 eine schematische Darstellung des Regelungskonzepts für das Antriebsaggregat gemäß eines virtuellen Feder-Dämpfer-Elements.
1 zeigt eine Seitenansicht eines Betonverteilermasten 1, der aus vier Mastgliedern 2–5 aufgebaut ist, welche wiederum an einem Drehschemel 6 angeordnet sind. Der Drehschemel 6 selbst ist drehbar auf einem Gestell, insbesondere einem Fahrgestell in Form einer LKW-Chassis, angeordnet, welche jedoch hier nicht gezeigt ist.
Die einzelnen Mastglieder 2–5 sind untereinander und mit dem Drehschemel 6 drehbar bzw. verschwenkbar verbunden, wobei sich die Drehachsen 10 zwischen den Mastgliedern parallel zueinander und im wesentlichen horizontal, also senkrecht aus der Bildebene heraus, erstrecken.
Zum Verschwenken der Mastglieder 2–5 zueinander bzw. zum Drehschemel 6 sind hydraulische Zylinder 8 vorgesehen, die über eine Umlenkkinematik 9 bei einer Betätigung des Zylinders 8 eine Verdrehung der Mastglieder 2–5 zueinander bzw. zum Drehschemel 6 ermöglichen.
An der Mastspitze ist das Ende einer Betonförderleitung in Form eines Betonschlauchs 7 gezeigt. Durch eine Verstellung des Drehschemels 6 und der Mastglieder 2–5 kann der Betonschlauch 7 an einem gewünschten Ort plaziert werden, z. B. an einer bestimmten Stelle zur Betonierung einer Geschoßdecke. Die Verstellung der Mastglieder 2–5 erfolgt dabei über die hydraulischen Zylinder 8, welche wiederum durch einen Bediener über eine Fernsteuerung angesteuert werden.
Beim Betrieb eines derartigen Betonverteilermasten 1 kommt es infolge von Druckschwankungen in der Betonförderleitung, die beispielsweise durch eine Zweizylinder-Dickstoffpumpe verursacht sein können, zu zyklischen Belastungen des Betonverteilermasten, die sich darin äußern, daß der gesamte Mast 1 eine schwingende Bewegung ausführt, und daß es insbesondere an der Mastspitze auf Grund der Schwingung zu einer großen Amplitude kommt.
Um dies zu verhindern, weist der erfindungsgemäße Großmanipulator eine Regelungseinrichtung auf, die derart mit der Fernsteuerung zusammenwirkt, daß die Schwingungen gedämpft und der Ausschlag an der Mastspitze minimiert wird. Ein schematisches Funktionsschaubild der Regelungseinrichtung ist in 2 gezeigt.
Die Regelungseinrichtung gemäß 2 umfaßt eine Störgrößenaufschaltung 11 sowie Dämpfungsminimiermittel 12 und einen Geschwindigkeitsregler 13, der über ein Ventil 14 die Verstellgeschwindigkeit des Kolbens 28 in einem Hydraulikzylinder 8 regelt. Hierzu sind an dem in 1 gezeigten Großmanipulator 1 verschiedene Sensoren und Meßsysteme vorgesehen. Bei der gezeigten Ausführungsform wird mit der Regelungseinrichtung nur ein Hydraulikzylinder 8 gesteuert, und zwar derjenige, der das C-Gelenk des Masten 1 (siehe 1) betätigt. Allerdings ist es auch denkbar, mehrere oder alle Hydraulikzylinder 8 zu regeln.
Am Hydraulikzylinder 8, der allgemein als Antriebsaggregat für die Verschwenkung der Mastglieder 2–5 untereinander und zwischen dem Drehschemel 6 dient, sind Drucksensoren 23 und 24 vorgesehen, die den Druck in den Zylinderkammern 17 und 18 des Hydraulikzylinders 8 messen. Außerdem ist ein Wegmeßsystem 25 an der Kolbenstange 16 vorgesehen, mit dem die Position und die Geschwindigkeit des Zylinderkolbens 28 ermittelt werden kann. Zusätzlich oder alternativ zu den Drucksensoren in den Zylinderkammern 17 und 18 kann an der Kolbenstange 16 ein Kraftsensor 26 vorgesehen sein, mit dem die Krafteinwirkung auf die Kolbenstange 16 gemessen werden kann.
Das Wegmeßsystem 25 kann hierbei so gestaltet sein, daß entweder lediglich die Position des Zylinderkolbens ermittelt wird und aus der Veränderung der Kolbenposition die Kolbengeschwindigkeit ermittelt wird, oder daß alternativ oder zusätzlich die Geschwindigkeit des Kolbens bzw. der Kolbenstange und die Richtung der Bewegung ermittelt wird, wobei hieraus dann unter Kenntnis einer Ausgangsstellung des Kolbens ebenfalls die Position des Kolbens berechnet werden kann.
Weiterhin umfaßt die Regelungseinrichtung eine Druckmeßeinrichtung 15 an der Förderleitung des Betons, bei der vorzugsweise verteilt über die Förderleitung zwei Drucksensoren vorgesehen sind, die Druckunterschiede in der Förderleitung ermitteln können. Da insbesondere die Schwingung und der Ausschlag der Mastspitze verringert werden soll, ist es vorteilhaft, die Drucksensoren an einem vorderen Bereich der Betonförderleitung vorzusehen, so daß beispielsweise durch die Messung des Förderdrucks an zwei Meßpunkten die Entwicklung eines Druckunterschiedes und der Verlauf einer derartigen Druckwelle durch die Förderleitung abgeschätzt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich genau vorherzusagen, wann welche Druckbelastungen in einem hinter den Meßstellen liegenden Bereich der Förderleitung und insbesondere an der Mastspitze auftreten werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform gemäß 2 erfolgt die Regelung des Hydraulikzylinders nun in der folgenden Weise: Zunächst wird über die Fernsteuereinrichtung ein Sollwert vorgegeben, der die Sollstellung des Hydraulikzylinders 8 und somit die Stellung des über den Hydraulikzylinder 8 verstellbaren Mastglieds vorgibt. Über das Druckmeßsystem 15, das die Druckschwankungen in der Betonförderleitung ermittelt, wird der Störgrößenaufschaltung 11 der zu erwartende Störzustand übermittelt. Ausgehend von dem zu erwartenden Störzustand wird der Sollwert, also die Sollstellung des Hydraulikzylinders über die Störgrößenaufschaltung 11 abgeändert und korrigiert. Beispielsweise wird bei einer zu erwartenden stärkeren Belastung des einzustellenden Mastglieds und somit einer dadurch verursachten elastischen Veränderung der Sollstellung dieser dadurch entgegengewirkt, daß der Antriebszylinder 8 in eine korrigierte Stellung gefahren wird. Zu diesem Zweck gibt die Störgrößenaufschaltung die korrigierte Stellung S₀, den sogenannten Federfußpunkt aus.
Die korrigierte Stellung S₀ wird deshalb Federfußpunkt genannt, weil bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die korrigierte Stellung als Eingangsgröße für das Dämpfungsminimiermittel verwendet wird, welches in diesem Fall ein virtuelles Feder-Dämpfer-Element ist, das aus einem parallel geschalteten Federelement 19 und Dämpferelement 20 besteht (vgl. 3).
Wie besser in 3 zu sehen ist, basiert das virtuelle Feder-Dämpfer-Element auf der Annahme, daß eine Schwingung bezüglich des Mastes 1 bzw. der Mastglieder 2–5 dann vermieden werden kann, wenn ein Kraftgleichgewicht zwischen der auf den Antriebszylinder einwirkenden Kraft und der entgegengesetzten Kraft, die durch die parallel geschalteten Feder- und Dämpferelemente 19 und 20 bereitgestellt wird, herrscht. Es wird somit durch eine entsprechende Nachgiebigkeit die Belastungsenergie aufgenommen und abgebaut.
Aus dem Konzept des Kraftgleichgewichts läßt sich eine Regelgröße für den durch das virtuelle Feder-Dämpfer-Element beschriebenen Hydraulikzylinder 8 berechnen. Bei dem ge zeigten Ausführungsbeispiel ist dies die Verstellgeschwindigkeit s .(t), die sich entsprechend der in 3 angegebenen Gleichung aus der auf den Zylinder 8 einwirkenden Kraft F_t(t), der Federkonstanten c und der Dämpfungskonstanten d sowie der Stellung s(t) des Zylinderkolbens ergibt. Wird die Verstellgeschwindigkeit s .(t) des Zylinderkolbens 28 entsprechend der Gleichung in 3 geregelt, dann wird die Schwingung der Mastglieder, hier Mastglied 4 und 5, minimiert. Die dazu erforderlichen Daten werden zum einen durch die Meßeinrichtungen der Regelungseinrichtung, wie z. B. durch den Kraftsensor 26 und das Wegemeßsystem 25 bereitgestellt, welche einerseits die Kraft F_t(t) und andererseits die Stellung des Zylinderkolbens s(t) liefern. Die Federkonstante c und die Dämpfungskonstante d sind in dem virtuellen System frei wählbar und können für eine optimale Dämpfung angepaßt werden.
Gemäß der Darstellung in 2 wird somit durch das Dämpfungsminimiermittel 12 gemäß des Feder-Dämpfer-Elementes aus der Position des Zylinderkolbens 28, der auf die Kolbenstange 16 einwirkenden Kraft F_t(t) sowie den Konstanten c für die Federsteifigkeit und d für die Dämpfung, die in dem System entweder konstant gehalten oder variabel angepaßt werden können, eine Sollverstellgeschwindigkeit s .(t) des Zylinderkolbens 28 berechnet. Alternativ kann statt einer direkten Kraftmessung über den Kraftsensor 26 an der Kolbenstange 16 die Belastung des Zylinders 8 auch durch eine Druckdifferenz in den Zylinderkammern 17 und 18 ermittelt werden, wozu die Druckwerte verwendet werden, die über die Drucksensoren 23 und 24, die in den Zylinderkammern 18 bzw. 17 angeordnet sind, ermittelt werden.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist nun die Schwingungsdämpfung über das Dämpfungsminimiermittel 12 in vorteilhafter Weise mit der Störgrößenaufschaltung 11 kombiniert, so daß nicht nur eine unabhängige Schwingungsdämpfung stattfindet, sondern daß auch die absolute Abweichung von der gewünschten Sollstellung ausgeglichen wird. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil durch das virtuelle Feder-Dämpfer-Element eine gewisse Nachgiebigkeit in das System eingeführt wird, die zu einer Vergrößerung der Abweichung von der Sollstellung führen könnte. Dagegen wird jedoch aus der abgeschätzten Belastung eine korrigierte Stellung S₀ berechnet, die als Eingangsgröße für das Dämp fungsminimiermittel 12 zur Verfügung gestellt wird, so daß bereits diese korrigierte Stellung als Basis für die Berechnung der Regelgröße, d. h. der Sollverstellgeschwindigkeit s .(t) des Zylinderkolbens 28 verwendet wird.
Die durch das Dämpfungsminimiermittel 12 bestimmte Sollverstellgeschwindigkeit s .(t) des Zylinderkolbens 28 ist die Regelgröße für einen Geschwindigkeitsregler 13, der weiterhin über das Wegmeßsystem 25 entweder fortlaufend die Positionen des Zylinderkolbens 28 oder direkt die Verstellgeschwindigkeit des Zylinderkolbens 28 als auch Angaben über den Versorgungsdruck der Hydraulikversorgung 29 und des Drucks in der Zylinderkammer 17 des Hydraulikzylinders 8 erhält. Aus diesen Angaben ermittelt der Geschwindigkeitsregler 13 eine Steuerspannung U mit der ein Ventil 14 zur Ansteuerung des Hydraulikzylinders 8 gesteuert wird. Das Ventil 14, das zwischen der Hydraulikversorgung 19 und den Zylinderkammern 17 und 18 des Hydraulikzylinders 8 angeordnet ist, sorgt durch das Einführen oder den Auslaß von Hydrauliköl in die Zylinderkammern 17 und 18 dafür, daß die gewünschte Verstellgeschwindigkeit des Kolbens 28 eingestellt wird. Da das Hydrauliksystem nicht über den gesamten Bereich ein lineares Verhalten aufweist, ist der Geschwindigkeitsregler insbesondere ein nicht-linearer Regler, der gewährleistet, daß die gewünschte Verstellgeschwindigkeit s .(t) des Zylinderkolbens 28 einstellbar ist.
Das Ventil 14 kann für diesen Fall frei gewählt werden, sofern es in dem Hydrauliksystem eine Eigenfrequenz aufweist, die oberhalb der ersten Eigenfrequenz des zu regelnden Großmanipulators 1 liegt und weiterhin einen ausreichend schnellen Hydrauliköldurchsatz aufweist, um den Hydraulikzylinder 8 zu betätigen.
Neben den bereits beschriebenen Komponenten der Regelungseinrichtung, wie z. B. Drucksensoren, Kraftsensoren usw., umfaßt die Regelungseinrichtung allgemein bekannte Hardwarekomponenten, die die Umwandlung der ermittelten Meßwerte und Sensordaten in digitale Signale erlaubt. Zudem umfaßt die Regelungseinrichtung bekannte Hardwarekomponenten, die die Programmierung des beschriebenen Regelungskonzeptes sowie ihre Umsetzung und Verarbeitung ermöglicht.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel hat es sich gezeigt, daß nicht sämtliche Betätigungszylinder entsprechend der vorher beschriebenen Regelung betrieben werden müssen. Vielmehr hat sich gezeigt, daß es ausreichend ist, einen Betätigungszylinder 8 in der oben beschriebenen Weise zu regeln, und zwar insbesondere den Zylinder 8, der das vorletzte Mastglied 4 des Verteilermastes 1 betätigt (s. 1, gestrichelter Kreis). Eine Regelung des Zylinders 8 an diesem sogenannten C-Gelenk führt sehr wirkungsvoll dazu, daß die Mastspitze und somit der Betonschlauch 7 sehr stark in ihren Schwingungen gedämpft werden und die Amplitude minimiert wird, so daß ein Bediener, der den Betonschlauch 7 zur feinen Justierung per Hand führt, keine großen Schwingungen und Amplitudenausschläge ausgleichen muß.

Claims

Großmanipulator, insbesondere für Autobetonpumpen, mit einem aus mehreren Gliedern (2 bis 5), insbesondere 3 bis 5 Gliedern, zusammengesetzten und auf einem Gestell, insbesondere einem Fahrgestell, angeordneten Mast (1), welcher insbesondere als einklappbarer Verteilermast ausgebildet ist, der vorzugsweise einen Drehschemel (6) umfasst, so dass er um eine im wesentlichen vertikale Drehachse mittels eines Antriebsaggregats drehbar ist, wobei die Mastglieder (2 bis 5) zueinander und zu dem Drehschemel (6) um im wesentlichen horizontale, zueinander parallele Drehachsen über weitere Antriebsaggregate (8) schwenkbar sind und mit einer ein Steuerorgan aufweisenden Fernsteuereinrichtung zur Ansteuerung der Antriebsaggregate (8) und zur Vorgabe einer gewünschten Sollstellung der Antriebsaggregate (8) beziehungsweise der Mastglieder (2 bis 5) und des Drehschemels (6), dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die mindestens eine Erfassungseinheit (15) zur Erfassung eines Parameters, welcher einen Störzustand mindestens eines Mastglieds beschreibt, der zur Abweichung von der vom Steuerorgan vorgegebenen Stellung, insbesondere zu einer Schwingung der Mastglieder (2 bis 5) führt, und mindestens eine Ermittlungseinheit (23, 24; 26) zur Ermittlung der auf ein Antriebsaggregat (8) einwirkenden, der vom Steuerorgan vorgegebene Stellung entgegenwirkenden Belastung umfasst, wobei die Regelungseinrichtung mit der Fernsteuereinrichtung derart zusammenwirkt, dass mindestens eines der Antriebsaggregate (8) so geregelt wird, dass durch eine Betätigung des Antriebsaggregats (8) die Abweichung von der vorgegebenen Stellung der Mastglieder (2 bis 5) minimiert und die durch den Störzustand verursachte Schwingung der Mastglieder (2 bis 5) gedämpft wird.
Großmanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung eine Störgrößenaufschaltung (11) umfasst, welche den von der Erfassungseinheit (15) erfassten Paramter als Eingangsgröße aufweist und daraus für mindestens ein Antriebsaggregat (8) eine gegenüber der von dem Steuerorgan vorgegebenen Stellung abweichende und der Störung entgegen gerichtete korrigierte Stellung des Antriebsaggregats (8) berechnet.
Großmanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (15) Parameter ermittelt, die an anderer Stelle zeitlich verzögert einen Störzustand verursachen, und die Regelungseinrichtung rechtzeitig eine der Störung entgegen gerichtete Stellung des Antriebsaggregats (8) bewirkt, bevor der Störzustand an der Stelle auftritt, an der er kompensiert werden soll.
Großmanipulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (15) den den Störzustand charkterisierenden Parameter über Sensoren an einem Mastglied (2 bis 5) ermittelt, das gesehen von der Mastspitze vor dem zu korrigierenden Mastglied angeordnet ist.
Großmanipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung ein Dämpfungsminimiermittel (12) zur Dämpfung der Schwingung der Mastglieder (2 bis 5) umfasst, in das die durch die Ermittlungseinheit (23, 24; 26) ermittelte Belastung des Antriebsaggregats (8) als Eingangsgröße eingeht und welches als Ausgangsgröße eine Regelgröße (s .(t)) für das Antriebsaggregat (8) erzeugt.
Großmanipulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsminimiermittel (12) ein virtuelles Feder-Dämpfer-Element mit parallel geschalteten Feder- und Dämpfungselementen (19, 20) umfasst, wobei über das Kraftgleichgewicht der Kraftkomponenten der auf das Antriebsaggregat (8) einwirkenden Kraft (F_t(t)) einerseits und der resultierenden Kraftkomponenten der Feder- und Dämpfungselemente (19, 20) andererseits die Regelgröße (s .(t)) für das Antriebsaggregat (8) berechnet wird.
Großmanipulator nach einem der Ansprüche 2 bis 4 und einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Störgrößenaufschaltung (11) aufgrund des von der Erfassungseinheit (15) ermittelten Parameters korrigierte Stellung (S₀) des Antriebsaggregats (8) als Sollstellung in die Berechnung der Regelgröße (s .(t)) für das Antriebsaggregat (8) für die Dämpfung durch das Dämpfungsminimiermittel (12) eingeht.
Großmanipulator nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Regelungseinrichtung beeinflusste Antriebsaggregat (8) das Mastglied betätigt, das von der Mastspitze aus gesehen vor dem zu korrigierenden Mastglied angeordnet ist.
Großmanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung weiterhin mindestens einen Positionssensor (25) umfasst, der die Stellung des Antriebsaggregats (8) feststellt.
Großmanipulator nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Dämpfungsminimiermittel (12) beeinflussbare Regelgröße (s .(t)) die Verstellgeschwindigkeit des Antriebsaggregats ist.
Großmanipulator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung einen Geschwindigkeitsregler (13) umfasst, der die von dem Dämpfungsminimiermittel (12) bestimmte Verstellgeschwindigkeit des Antriebsaggregats regelt.
Großmanipulator nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung weiterhin mindestens einen Sensor umfasst, so dass die Verstellgeschwindigkeit des Antriebsaggregats (8) erfasst oder aus dem von dem Sensor ermittelten Wert berechnet werden kann.
Großmanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsaggregate (8) zur Betätigung der Mastglieder hydraulische oder pneumatische Zylinder sind.
Großmanipulator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastung des Zylinders in Form der auf den Zylinderkolben (28) axial einwirkenden Kraft über an der Kolbenstange (16) angeordnete Kraftsensoren (26) oder als Druckdifferenz zwischen den Zylinderkammern (17, 18) des Zylinders über in den Zylinderkammern vorgesehene Drucksensoren (23, 24) bestimmbar ist.
Großmanipulator nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (8) durch ein Ventil (14) betätigbar ist, welches den Zylinder mit einer Druckversorgung (19) verbindet.
Großmanipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mast (1) eine Förderleitung zur Verteilung von flüssigem, vorzugsweise dickflüssigem Material, insbesondere Beton umfasst, wobei die Störung der vorgegebenen Stellung der Mastglieder durch diskontinuierlichen Fluss des Materials erzeugt wird und der Parameter zur Charakterisierung der Störung der Druck in der Förderleitung ist, zu dessen Messung mindestens ein Drucksensor (15) in der Förderleitung vorgesehen ist.
Großmanipulator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Förderleitung mindestens zwei Drucksensoren vorgesehen sind, die den Druck in der Förderleitung an zwei Stellen messen, so dass durch die Regelungseinrichtung eine Druckdifferenz bestimmbar ist.
Autobetonpumpe mit einem Fahrgestell, einer auf dem Fahrgestell angeordne ten Betonpumpe und einem Verteilermast, der in Form eines Großmanipulators nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt ist.
Verfahren zum Betrieb eines Großmanipulators nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Bediener über die Fernsteuereinrichtung die gewünschte Sollstellung der Mastglieder (2 bis 5), insbesondere der Mastspitze, und/oder des Drehschemels (6), eingibt, dass eine Regelungseinrichtung mittels einer Erfassungseinheit (15), einen Parameter, welcher einen Störzustand mindestens eines Mastglieds beschreibt, und mittels einer Ermittlungseinheit (23, 24; 26) eine auf ein Antriebsaggregat (8) einwirkende Belastung erfasst, und dass die Regelungseinrichtung mit der Fernsteuereinrichtung derart zusammenwirkt, dass mindestens eines der Antriebsaggregate (8) so geregelt wird, dass durch eine Betätigung des Antriebsaggregats (8) die Abweichung von der vorgegebenen Stellung minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Bediener unabhängig von regelmäßig wiederkehrenden Störungen, insbesondere bei Druckschwankungen in der Förderleitung eines Betonverteilermastes, die Sollstellung der Mastglieder durch Eingabe in die Fernsteuereinrichtung verändern kann, wobei auch bei der veränderten Sollstellung die durch die Störung auftretenden Abweichungen automatisch kompensiert werden.