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Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung für Hebebühnen, die
eine Hubhöhe
h der Hebebühne erfaßt und gemäß einer
vorgegebenen Soll-Höhe
H0 einstellt.
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Hebebühnen, insbesondere für Fahrzeuge, besitzen
in der Regel eine oder mehrere Hubeinheiten zum Anheben oder Absenken
einer Plattform, auf welcher der anzuhebende Gegenstand aufsteht.
Bekannte Hubeinheiten sind beispielsweise Stempel- oder Scherenhubwerke.
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Ein anzuhebendes Fahrzeug wird auf
eine ein- oder mehrteilige Plattform der Hebebühne (Fahrfläche) aufgefahren, die zum Arbeiten
am Fahrzeug von der bzw. den Hubeinheiten angehoben wird. Das Fahrzeug
kann auch von einem Tragwerk angehoben werden, wobei ein oder mehrere
Tragarme unter das Fahrzeug greifen und dieses anheben. Bei einigen
Hebebühnen
ist für
jede Achse bzw. jedes Rad des anzuhebenden Fahrzeugs eine separate
Hubeinheit vorgesehen.
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Um den anzuhebenden Körper auf
eine vorgegebene Hubhöhe
zu heben, ist es erforderlich, die Höhe der Plattform bzw. des Tragwerks
zu erfassen. Bei bekannten Meßvorrichtungen
zur Erfassung der Hubhöhe
werden mechanische oder optische Wegmarken von einem entsprechenden
Sensor erfaßt und
ausgewertet. Die Hubhöhe
kann dann anhand der Anzahl der den Sensor passierenden Wegmarken
ermittelt werden. Dieses Verfahren der inkrementalen Wegmessung
hat jedoch den Nachteil, daß bei
einer großen
Hubhöhe
eine Vielzahl von gleichmäßig angeordneten
Wegmarken auf einer großen Strecke
angebracht sein müssen,
wodurch der Herstellungsaufwand und die Produktionskosten für die Hebebühne steigen.
Weiterhin wird die maximale Auflösung
der Wegmeßvorrichtung
durch den Abstand der Wegmarken bestimmt. Wird die Meßstrecke
durch mechanische Hebelwerke, Hebelarme oder Seilzüge reduziert,
so verringert sich auch die Wegauflösung der Meßvorrichtung.
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In der
EP
0 866 306 wird eine Vorrichtung zur Wegmessung beschrieben,
bei der ein Reibrad auf einer Zylinderkolbenstange abrollt. Bei
dieser nicht formschlüssigen
Wegmessung kann es jedoch bei Verschmutzung zu Schlupfproblemen
kommen, insbesondere auf einer glatten, öligen Zylinderstange eines
Hubzylinders.
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Insbesondere zur Achsvermessung von Fahrzeugen
ist eine genaue Positionierung der einzelnen Fahrflächen bzw.
Tragwerke mit einer maximalen Abweichung von unter 1 mm erforderlich.
Für eine
entsprechende Ansteuerung bzw. Regelung der Hubeinheiten ist hierzu
eine präzise
Messung der Hubhöhe
notwendig. Dies kann mit den bekannten Vorrichtungen zur Wegmessung
und Steuerung der Hebebühne
nicht mit ausreichender Genauigkeit erreicht werden.
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Bei Hebebühnen mit mehreren separaten Hubeinheiten
besteht zudem das Problem, die einzelnen Hubeinheiten zu synchronisieren.
Dies erfolgt bei bekannten Hebebühnen über eine
mechanische Verbindung zwischen den Hubeinheiten, den Plattformen
und/oder den Tragwerken. Beispielsweise werden Tragwerke über eine
Zahnstange und eine Welle "zwangssynchronisiert". Eine andere Möglichkeit
ist ein längenverschiebbarer
Querbalken mit dem die Hubwerke "höhensteif" verbunden werden.
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Bei hydraulischen Hubwerken mit zwei
Hubzylindern ist aus der
DE 35
15 762 ein sogenanntes Geber/Nehmer-System bekannt. Die
Hubzylinder sind so ausgelegt, daß das Volumen im Stangenraum des
einen Zylinders dem Volumen des Kolbenraums im zweiten Zylinder
entspricht. Durch diese Anordnung werden die Bewegungen der Kolbenstangen der
beiden Hubzylinder hydraulisch synchronisiert. Ein unabhängiges Verfahren
der Kolbenstangen der beiden Hubzylinder ist jedoch nicht mehr möglich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Steuervorrichtung für
Hebebühnen
zu schaffen, die ein einfaches und genaues Erfassen und Steuern
der Hubhöhe
der Hebebühne
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch
gelöst.
Die abhängigen
Patentansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung weist
zumindest einen Ultraschallsender zum Aussenden von Ultraschallwellen
und zumindest einen Ultraschallempfänger auf. Eine Auswertevorrichtung ermittelt
anhand der Signale von Sender und Empfänger die Hubhöhe h der
Hebebühne.
Eine Ultraschallwegmessung zur Ermittlung der Hubhöhe h ist berührungslos,
wartungsfrei, für
größere Hubhöhen geeignet,
störunanfällig gegenüber von
Verschmutzungen und kostengünstig.
Die Ultraschallwegmessung ermöglicht
eine präzise
Ermittlung der Hubhöhe h.
Im Gegensatz zu einem optischen oder magnetischen Abtastsystem sind
Aufwand und Kosten unabhängig
vom Verfahrbzw. Abtastweg.
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Die Steuervorrichtung kann mindestens
eine Verstelleinrichtung zum Anheben bzw. Absenken der Hebebühne und
eine Steuereinheit zum Ansteuern der Verstelleinrichtung auf der
Grundlage der ermittelten Hubhöhe
h aufweisen. Eine derartige Steuervorrichtung ermöglicht eine
präzise
Einstellung der gewünschten
Hubhöhe
H0 über
einen weiten Bereich von wenigen Zentimetern bis zu mehreren Metern.
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Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung kann beispielsweise
zur Ansteuerung von Kraftfahrzeughebebühnen, höhenverstellbaren Arbeitsplattformen,
insbesondere zum Durchführen
von Arbeiten an Bauwerken, und fahrbaren höhenverstellbaren Arbeitsgeräten, insbesondere
zum Transport von Containern oder ähnlichem, herangezogen werden.
Aufgrund der sehr genauen Ermittlung der Hubhöhe durch die Ultraschallmessung
kann die Steuervorrichtung zum präzisen Einstellen der Höhe einer Plattform
zum Be- und Entladen von Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen verwendet
werden.
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Um die Hebebühne auf die gewünschte Soll-Höhe H0 einzustellen, ist es zweckmäßig, daß die Steuereinheit
die ermittelte Hubhöhe
h mit der vorgegebenen Soll-Höhe
H0 zu vergleicht und die Verstelleinrichtung
der Hebebühne
in Abhängigkeit von
dem Vergleichsergebnis ansteuert. Die Steuereinheit kann dazu einen
an sich bekannten Regler mit einer vorgegebenen Regelcharakteristik
und/oder einen Leistungsverstärker
zum Ansteuern der Verstelleinrichtung oder eines Hydraulikaggregats,
das einen Fluiddruck zum Betreiben der Verstelleinrichtung erzeugt,
aufweisen.
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Der Sender kann Ultraschallimpulse
einer vorgegebenen Zeitdauer aussenden und die Auswertevorrichtung
eine Schallaufzeit T der Ultraschallimpulse vom Sender zum Empfänger bestimmen. Durch
die Messung der Zeit, die eine Schallwelle benötigt, um vom Sender zum Empfänger zu
gelangen, kann die Auswertevorrichtung unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit
c den zurückgelegten
Weg der Schallwelle bestimmen. Aufgrund der bekannten Anordnung
von Sender und Empfänger kann
die Auswertevorrichtung die Hubhöhe
h der Hebebühne
errechnen. Da die Signalenergie eines Ultraschallimpulses von der
Dauer des Impulses abhängt,
ist die Länge
des Ultraschallimpulses so zu wählen,
daß eine
ausreichend sichere Detektion des Impulses durch den Empfänger gewährleistet
ist.
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Zur Ermittlung der Schallaufzeit
ist es deshalb zweckmäßig, wenn
der Sender einen Ultraschallimpuls (hurst) einer bestimmten Länge, z.B.
1 ms, aussendet. Der Empfänger
erfaßt
den emittierten Ultraschallimpuls, nachdem er die Strecke von Sender
zu Empfänger
zurückgelegt
hat. Die Auswertevorrichtung kann die Zeitverzögerung T zwischen dem Senden
und dem Empfangen des Ultraschallimpulses durch beispielsweise eine
elektronische Schaltung mit einem vom Sendersignal S getriggerten
Zähler
ermitteln. Der Zähler
zählt die
Zählimpulse eines
Taktgebers, bis das Empfangssignal E die Schwelle eines Schmitt-Triggers überschritten
hat. Diese Laufzeitmessung kann periodisch, beispielsweise alle
10 oder 100 ms, wiederholt werden.
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Der Ultraschallsender kann vorteilhafterweise
mit digitalen Steuersignalen zum Senden von digitalen Ultraschallsignalen
angesteuert werden. Die Auswertevorrichtung kann fortlaufend unterscheidbare
digitale Codewörter
erzeugen, die in Form von Impulsfolgen vom Sender gesendet werden.
Die einzelnen Codewörter
können
zufällig
oder nach einem vorgegebenen Schema erzeugt werden. Es ist besonders
vorteilhaft, optimal zu diskriminierende Codewörter zu erzeugen, die beispielsweise
einen maximalen (Hemmig-) Abstand von einem Codewort zum nächsten Codewort
aufweisen oder die orthogonal zueinan der sind. Die digitalen Codewörter werden
vom Sender zum Empfänger übertragen
und treffen dort mit einer Zeitverzögerung T ein.
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Die Auswertevorrichtung kann zweckmäßigerweise
eine Korrelationseinrichtung aufweisen, welche die Zeitverzögerung T
zwischen dem Aussenden eines Codeworts und dem Empfangen des Codeworts
ermittelt. Die Korrleationseinrichtung kann dazu einen digitalen
Korrelator aufweisen, der die Übereinstimmung
von Binärsignalen
ermittelt. Diese geschieht vorzugsweise durch die Verschiebung eines
der beiden Signale in einem Schieberegister und der Erfassung der
Signalübereinstimmung.
Durch das Maximum dieser digitalen Kreuzkorrelationsfunktion zwischen
gesendetem Codewort und empfangenem Signal kann die Signallaufzeit
mit einer zeitlichen Auflösung
von einer Taktperiode ermittelt werden. Beispielsweise kann so bei
einer Senderfrequenz von 40 kHz eine Wegauflösung von 8,25 mm erzielt werden.
Durch die Auswertung der digitalen Signalkorrelation ist die Laufzeitmessung
unempfindlich gegen Störungen.
Einzelne Bitfehler in der Signalübertragung
verringern zwar die Signalübereinstimmung
zwischen gesendetem und empfangenem Signal und verringern den Absolutwert
des Maximums der Korrelationsfunktion. Die Lage des Maximums kann
jedoch weiter ermittelt werden. Durch eine geeignete Auswahl der
aufeinanderfolgenden Codewörter
können
diese auch bei mehreren Bitfehlern noch sicher von der Korrelationseinrichtung
detektiert werden. Durch die Laufzeitmessung mittels digitaler Sendesignale
kann eine kontinuierliche Ermittlung der Signalverzögerung T
von Sender zu Empfänger
und eine entsprechend fortlaufende Ermittlung der Hubhöhe der Hebebühne erzielt
werden.
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Die Codelänge wird zweckmäßigerweise
so gewählt,
daß eine
Detektion mit ausreichender Sicherheit gewährleistet ist. Längere Codewörter haben
den Vorteil, daß sie
aufgrund der größeren Anzahl
von Bits einfacher zu diskriminieren sind und in ihren Signalen
eine größere Energie
aufweisen, wodurch die Detektionssicherheit des Empfängers erhöht werden
kann.
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Zweckmäßigerweise kann in der Auswertevorrichtung
eine Phasenauswerteeinrichtung zur Bestimmung der Phasenbeziehung
zwischen dem Sendersignal S und dem Empfängersignal E vorgesehen sein.
Dies kann beispielsweise durch eine Messung der Zeit zwischen einer
Flanke des Sendersignals S und einer Flanke des Empfängersignals
E geschehen. Durch das Erfassen einer Änderung dieser Phasenbeziehung
kann eine Änderung
des Abstands zwischen Sender und Empfänger bestimmt werden. Zur Erfassung
der Relativbewegung zwischen Sender und Empfänger vergleicht die Phasenauswerteeinrichtung
das Anregungssignal S des Senders mit dem vom Empfänger erfaßten Signal
E und ermittelt die Phasenbeziehung zwischen diesen im allgemeinen
periodischen Signalen. Die Auswertung der Phasenbeziehung hat den
Vorteil, daß sich
Sender und Empfänger
in einem stationären
Dauerbetrieb befinden können,
wodurch ein An- und Abschwellen der Schwingungen von Sender und
Empfänger
am Anfang und Ende eines Impulses verhindert werden kann und die
Meßgenauigkeit
sich erhöht.
Die maximale Auflösung
der Wegmessung wird im wesentlichen durch die Genauigkeit der Phasenauswertung, d.h.
durch eine Zeitmessung, bestimmt. Da Zeitmessungen mit sehr hohen
Genauigkeiten möglich
sind, kann auch die Hubhöhe
h präzise
bestimmt werden.
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Es ist erfingungsgemäß auch möglich, die Amplitude
der emittierten Schallwellen zu modulieren und die Schallaufzeit
sowie die Phasenbeziehung zur Wegmessung zu nutzen. Durch die Amplitudenmodulation
kann, ähnlich
wie beim Aussenden von Ultraschallimpulsen, die absolute Schallaufzeit
T vom Sender zum Empfänger
ermittelt werden. Dies kann beispielsweise durch die Auswertung
der Kreuzkorrelationsfunktion zwischen dem Sendersignal S und dem
Empfängersignal
E erfolgen. Aus dem Maximum der Kreuzkorrelationsfunktion kann die
Zeitverzögerung
zwischen diesen beiden Signalen bestimmt werden.
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Weiterhin kann auch die Schallaufzeitbestimmung
durch eine digitale Sendeimpulsfolge mit der Auswertung der Phasenbeziehung
zwischen Sendersignal S und Empfängersignal
E kombiniert werden. Durch die Kombination von absoluter und inkrementaler
Wegmessung können
die Vorteile beider Verfahren genutzt werden. Die absolute Wegmessung
ermöglicht
es, zu jedem Zeitpunkt den Abstand zwischen Sender und Empfänger zu
ermitteln, unabhängig
von etwaigen Störungen,
die beispielsweise die Schallausbreitung zwischen Sender und Empfänger kurzfristig
behindern. Um die maximale Auflösung
der absoluten Wegmessung, die durch die Wellenlänge der Ultraschallwellen bzw.
der Zeit, die zum Aussenden eines Ultraschallimpulses oder einer
digitalen Sendeimpulsfolge benötigt
wird, bestimmt wird, zu erhöhen,
kann zusätzlich
die Phasenbeziehung zwischen Sendersignal S und Empfängersignal
E ausgewertet werden.
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Zur Messung der Zeit zwischen steigender Flanke
des Sendersignals S und steigender Flanke des Empfängersignals
E weist die Phasenauswerteeinrichtung zweckmäßigerweise eine Torschaltung auf,
die bei einer steigenden Flanke des Sendersignals S öffnet und
bei einer steigenden Flanke des Empfängersignals E schließt. Es ist
vorteilhaft, die Signale des Senders und des Empfängers zuvor über Komparatoren
(Schmitt-Trigger) in Rechtecksignale zu wandeln. Eine derartige
Torschaltung kann beispielsweise durch entsprechende logische Gatter und
ein Flip-Flop realisiert werden. Statt den steigenden Flanken kann
die Phasenauswertung auch bei fallenden Flanken erfolgen. Bei Öffnung des
Tors gelangen die Zählimpulse
eines Taktgebers zu einem Zähler,
der die eingehenden Zählimpulse
zählt.
Die Phasenbeziehung zwischen Sendesignal S und Empfängersignal
E ergibt sich aus dem Zählerstand Z
des Zählers
und der Taktrate TR des Taktgebers. Die zeitliche Auflösung der
Phasenauswerteeinrichtung kann aus dem Verhältnis von Taktrate TR des Taktgebers
zur Sendefrequenz f des Senders ermittelt werden. Dieses Verhältnis TR/f
bestimmt auch den maximalen Zählerstand,
d.h. den Zählerstand der
bei einer Phasenbeziehung von 360° zwischen den
Signalen S und E auftritt.
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Der Zähler kann bis zu einer vorgegebene Anzahl
von Zählimpulsen
N zählen
und beim nächsten
eingehenden Zählimpuls
auf einen bestimmten Wert zurückgesetzt
werden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Zähler bei der durch das Verhältnis von
Taktrate zu Senderfrequenz TR/f bestimmten Anzahl von Zählimpulsen
zurückgesetzt
wird. Der Zähler
kann beispielsweise bis zu dieser Anzahl N eingehende Impulse addieren
und beim nächsten
Impuls auf Null zurück gesetzt
werden, oder er startet bei N Zählimpulsen
und subtrahiert eingehende Impulse, bis der Zählerstand Z Null erreicht.
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Da sich bei einer Änderung
des Abstands zwischen Sender und Empfänger die Phasenbeziehung zwischen
den Signalen S und E ändert,
kann die Auswertevorrichtung die Hubhöhe h anhand des Zählerstands
Z und der Anzahl R der Rücksetzungen des
Zählers
ermitteln. Bei einer Zunahme des Abstands zwischen Sender und Empfänger nimmt
die Phasenverschiebung zwischen S und E und somit der Zählerstand
Z zu, bis bei einer Abstandsänderung
von einer Wellenlänge λ des Sendersignals
ein Phasensprung erfolgt. Dieser Phasensprung wird von der Phasenauswerteeinrichtung
anhand des Rücksetzsignals
R des Zählers
erfaßt.
Der Abstand a zwischen Sender und Empfänger ergibt sich aus der Anzahl
der Phasensprünge
R, die bei der Bewegung von Sender bzw. Empfänger aufgetreten sind, multipliziert
mit der Wellenlänge λ des Ultraschallsignals. Zu
diesem Wert wird das Verhältnis
von Zählerstand Z
zur maximalen Anzahl der Zählimpulse
N multipliziert mit der Wellenlänge λ addiert.
Für den
Abstand gilt:
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Die Meßgenauigkeit dieser Phasenauswertung
beträgt
und
kann durch entsprechende Wahl von N einfach den gegebenen Anforderungen
für die
Meßgenauigkeit
der Hubhöhe
h angepaßt
werden.
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Da die Schallgeschwindigkeit c von
der Lufttemperatur abhängt,
ist es vorteilhaft, eine Schallgeschwindigkeitsbestimmungseinrichtung
vorzusehen. Anhand der ermittelten Temperatur t kann die Schallgeschwindigkeit
c, die Schallaufzeit T, die Phasenbeziehung zwischen den Signalen
S und E und/oder die Hubhöhe
h bestimmt bzw. korrigiert werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll,
wenn an unterschiedlichen Teilen der Hebebühne andere Temperaturbedingungen
auftreten, z.B. durch Sonneneinstrahlung oder eingeblasener Heißluft einer Heizung.
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Die Steuervorrichtung kann zumindest
einen Tempratursensor vorsehen, der die Lufttemperatur t in der
Nähe der
Ultraschallmeßstrecke
erfaßt.
Um unterschiedliche Temperaturen an mehreren Positionen der Hebebühne zu erfassen,
ist es zweckmäßig, mehrere
Temperatursensoren vorzusehen. Die Schallgeschwindigkeit c kann
beispielsweise anhand einer Temperaturkennlinie mit einem linearen
Zusammenhang oder einem wurzelförmigen
Zusammenhang zwischen Temperatur t und Schallgeschwindigkeit c bestimmt
werden. Anhand dieser Temperaturkompensation kann die Meßgenauigkeit der
Ultraschallwegmessung erhöht
werden.
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Zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit
c kann auch ein zweiter Empfänger
in einem vorgegebenen Abstand d vom Sender angeordnet werden. Die
Auswertevorrichtung kann anhand der Schallaufzeit T
d zu
dem zweiten Empfänger
und/oder der Phasenbeziehung zwischen dem Sendersignal S und dem
Signal des zweiten Empfängers
die Schallgeschwindigkeit c bestimmen und/oder die Hubhöhe h korrigieren.
Für die
Schallgeschwindigkeit gilt:
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Da die Schallgeschwindigkeit c direkt
bestimmt wird, haben potentielle Fehlerquellen, wie z.B. die Temperatur,
Luftdruck, Feuchtigkeit, keinen Einfluß auf die Wegmessung und es
wird eine höhere Meßgenauigkeit
erzielt.
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Um die Ausbreitungsrichtung der vom
Sender emittierten Schallwellen zu beeinflussen, ist es vorteilhaft,
eine Fokussiereinrichtung vorzusehen. Da übliche Ultraschallsender eine
nierenförmige
Abstrahlcharakteristik aufweisen, gelangen Schallsignale auch auf
nicht direktem Weg vom Sender zum Empfänger. Schallsignale können beispielsweise
von einer Gebäudewand
oder einem Teil der Hebebühne reflektiert
werden und erreichen dann den Empfänger mit einem längeren Schallweg.
In Abhängigkeit von
der Phasenlage des direkten Schalls zum reflektierten Schall am
Empfänger
können
durch Addition bzw. Subtraktion der Signale Interferenzen auftreten, welche
die Wegmessung beeinträchtigen
können. Durch
ein am Sender aufgesetztes Schallhorn kann die Abstrahlcharakteristik
des Senders beeinflußt werden
und die Schallwellen werden gebündelt.
Der größte Teil
der abgestrahlten Schallenergie kann auf den direkten Schallweg zwischen
Sender und Empfänger
konzentriert werden. Meßsignalverfälschungen
durch Reflexionen bzw. Interferenzen werden verringert.
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Zum Selektieren von einfallenden
Schallwellen kann der Empfänger
eine entsprechende Einrichtung, insbesondere eine Blende oder ein
Rohr, aufweisen. Da diese Selektionseinrichtung vorzugsweise Schallwellen
einer vorgegebenen Ausbreitungsrichtung durchläßt, ist es möglich, Schallwellen
anderer Ausbreitungsrichtungen auszublenden bzw. zu unterdrücken. Vorzugsweise
wird die Selektionseinrichtung des Empfängers auf die direkte Verbindung zum
Sender ausgerichtet, um reflektierte Schallwellen zu dämpfen.
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Vorzugsweise kann ein Reflektor zum
Reflektieren der vom Sender emittierten Schallwellen vorgesehen
sein. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Messung der Hubhöhe h durch
das Reflexionsprinzip erfolgt. Dazu sind Sender und Empfänger an
einem beweglichen Teil der Hebebühne
oder gemeinsam ortsfest an der Hebebühne angeordnet. Beispielsweise
befinden sich Sender und Empfänger auf
der Unterseite der höhenveränderlichen
Plattform der Hebebühne.
Der Sender strahlt Ultraschallsignale in Richtung des Bodens, auf
der die Hebebühne angeordnet
ist, aus. Dort werden die emittierten Ultraschallsignale von einem
Reflektor, beispielsweise einer in den Boden eingelassenen Metallplatte,
reflektiert. Bei dem Reflexionsprinzip ergibt sich die Hubhöhe h als
Hälfte
der Wegstrecke a, welche die Ultraschallsignal von Sender zu Empfänger zurücklegen.
Falls der die Schallwellen reflektierende Gegenstand (z.B. die Plattform
der Hebebühne)
eine ausreichende Schallhärte
aufweist und einen ausrei chenden Anteil der einfallenden Schallwellen
reflektiert, ist das Anbringen eines separaten Reflektors nicht
erforderlich.
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Sender und Empfänger können als kombinierter Ultraschall-Wandler
ausgebildet sein. Der Wandler wird beispielsweise mit einem Burst
von 1 ms Länge
angeregt. Danach wird der Wandler auf Empfang umgeschaltet. Entsprechend
der Hubhöhe wird
das reflektierte Signal vom Wandler verzögert empfangen. Nach dem Anregen
durch den Sende-Burst muß jedoch
eine bestimmte Wartezeit eingehalten werden, bevor das Sendesignal
abgeklungen ist und der Wandler als Empfänger benutzt werden kann. Hierdurch
ergibt sich eine minimale Weglänge,
die das Signal vom Sender zum Empfänger bzw. vom Wandler zum Reflektor
und zurück
zurücklegen
muß.
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Um diese minimale Weglänge zu vermeiden, können Sender
und Empfänger
als separate Sende- und Empfangseinheiten ausgebildet sein. Diese
sind vorzugsweise so anzuordnen, daß zwischen Sender und Empfänger keine
Körperschallkopplung
auftritt. Zur Wegmessung nach dem Reflexionsprinzip können Sende-
und Empfangseinheit beispielsweise nebeneinander angeordnet sein.
Es ist jedoch auch möglich,
zur direkten Wegmessung Sendeeinheit und Empfangseinheit ohne eine
Reflexion der Schallwellen zu betreiben. Sende- und Empfangseinheit werden
dazu an den beiden Enden der zu messenden Strecke angeordnet.
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Der Sender kann beispielsweise ortsfest
an der Hebebühne
bzw. dem Boden oder dem Fundament, auf dem die Hebebühne steht,
angeordnet sein. Durch Anordnung des Empfängers an einem beweglichen Teil
der Hebebühne
kann die Distanz a zwischen Sender und Empfänger ermittelt werden. Wird
beispielsweise der Empfänger
an einer höhenveränderlichen
Plattform der Hebebühne
bzw. einem Tragwerk zum Anheben der Last angeordnet, so entspricht
der Abstand a zwischen Sender und Empfänger im wesentlichen der Hubhöhe h der
Hebebühne. Sollte
der Empfänger
nicht direkt an dem Teil der Hebebühne angebracht sein, dessen
Hubhöhe
h zu ermitteln ist, so kann diese durch Auswertung der geometrischen
Beziehungen (Hebelarme, Winkel, Verhältnisse usw.) zwischen den
Teilen der Hebebühne ermittelt
werden. Selbstverständlich
ist auch eine umgekehrte Anordnung von Sender und Empfänger möglich.
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Sender und Empfänger können an der Verstelleinrichtung
der Hebebühne
angeordnet sein, um einen Verfahrweg v der Verstelleinrichtung zu
bestimmen. Die Auswertevorrichtung ermittelt die Hubhöhe h anhand
des Verfahrwegs v und der geometrischen Verhältnisse (Hebelarme) der Hebebühne. Eine
Anordnung von Sender und Empfänger
an der Verstelleinrichtung ist konstruktiv einfach und hat den Vorteil, daß die Meßstrecke
zwischen Sender und Empfänger
gegen eine versehentliche Unterbrechung der Schallausbreitung weitgehend
geschützt
ist.
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Die Verstelleinrichtung kann vorzugsweise als
ein Hydraulikzylinder bzw. ein druckmittelbeaufschlagter Zylinder
ausgebildet sein. In diesem Fall können Sender bzw. Empfänger einerseits
am Zylindergehäuse
und andererseits an der verfahrbaren Kolbenstange bzw. einem mit
dieser verbundenen Bauteil angeordnet sein. Selbstver ständlich sind auch
andere Verstelleinrichtungen, wie z.B. ein Spindelantrieb, möglich.
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Es ist auch möglich, daß mehrere Verstelleinrichtungen
vorgesehen sind. Die Auswertevorrichtung ermittelt zweckmäßigerweise
anhand der jeweiligen Verfahrwege v der Verstelleinrichtungen die Hubhöhe h der
Hebebühne.
Je nach Anordnung der Verstelleinrichtungen sind deren Verfahrwege
v entsprechend zu berücksichtigen.
Beispielsweise sind in einer Serienschaltung der Verstelleinrichtungen
die Verfahrwege v zu addieren.
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Um die Meßgenauigkeit zu erhöhen und/oder
die Hubhöhe
der Hebebühne
an mehreren Stellen zu bestimmen, können mehrere Sender und Empfänger vorgesehen
sein. Die Auswertevorrichtung erfaßt die entsprechenden Schallwege
zwischen den jeweiligen Sendern und Empfängern und ermittelt die Hubhöhe h der
Hebebühne.
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Vorzugsweise bestimmt die Auswertevorrichtung
die Hubhöhen
ha, hb von unterschiedlichen Teilen
der Hebebühne,
insbesondere von mehreren Hebeplattformen, Hebearmen oder Auslegern
der Hebebühne.
Dies ist besonders zweckmäßig, wenn die
Hebebühne
mehrteilig ausgebildet ist und die einzelnen Teile eigene Verstelleinrichtungen
aufweisen. Beispielsweise können
Hebebühnen
für Kraftfahrzeuge
getrennte Plattformen bzw. Fahrflächen für die linken und rechten Räder des
Fahrzeugs aufweisen. Diese getrennten Fahrflächen werden in der Regel von
separaten Hydraulikzylindern bewegt.
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Um eine gleichmäßige Bewegung der einzelnen
Teile einer mehrteilig ausgebildeten Hebebühne zu erzielen, ist es vorteilhaft,
wenn die Steuereinheit eine Regelung der Verstelleinrichtungen ausführt. Durch
die Regelung kann insbesondere der Verfahrweg v und/oder die Geschwindigkeit
der Verstellbewegung synchronisiert werden. Die Steuereinheit kann
dazu die von der Auswertevorrichtung ermittelten Hubhöhen ha, hb und/oder deren
zeitliche Änderungen
miteinander vergleichen und Abweichungen ermitteln. Bei festgestellten
Abweichungen kann die Steuereinheit beispielsweise eine vorauseilende
Verstelleinrichtung kurzfristig anhalten und/oder deren Verstellgeschwindigkeit
beeinflussen. Dies kann durch eine entsprechende Regelung eines
Hydraulikaggregats zum Erzeugen von Hydraulikdruck für die Verstelleinrichtungen
und/oder eine Betätigung
von Hydraulikventilen erfolgen. Vorzugsweise führt die Steuereinheit eine
Regelung der Verstelleinrichtungen, des Hydraulikaggregats und/oder
der Ventile aus, um eine gleichmäßige Höhe h der
Plattform bzw. gleichmäßige Hubhöhen ha, hb der Plattformen
von mehrteiligen Hebebühnen
zu erzielen. Durch die präzise
Ultraschallwegmessung und die damit mögliche genaue Regelung der
Hubhöhe
bzw. der Hubhöhen kann
die Hebebühne
sehr genau positioniert werden. Dies ist besonders bei der Durchführung von
Messungen an dem auf der Hebebühne
aufstehenden oder von ihr angehobenen Gegenstand von Bedeutung.
Durch die erfindungsgemäße Steuervorrichtung
können
beispielsweise mehrteilige Fahrflächen von Kraftfahrzeughebebühnen so
präzise
positioniert werden, daß eine
Achsvermessung an Fahrzeugen möglich
ist.
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Bei Erreichen einer vorgegebenen
Hubhöhe H0 der Hebebühne kann die Steuereinheit
auch eine vorgegebene Steuerfunktion ausführen. Durch die Steuereinheit
können
beispielsweise Warnsignale und/oder Beleuchtungen ein- und ausgeschaltet
werden. Bei Erreichend er vorgegebenen Hubhöhe H0 kann
die Steuereinheit auch automatisch ein Meß- oder Prüfprogramm starten.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch
ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Steuervorrichtung;
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2 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
eines Ausführungsbeispiels
einer Auswertevorrichtung; und
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3 eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
eines Ausführungsbeispiels
einer Steuereinheit.
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Die 1 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
für Hebebühnen. Die
Steuervorrichtung weist einen Ultraschallsender 1 zum Aussenden
von Ultraschallsignalen, z.B. mit einer Frequenz von 40 kHz, auf.
Der Ultraschallsender 1 sendet Ultraschallimpulse, z.B.
mit einer Länge
von 1 ms, aus. Das Aussenden dieser Ultraschallimpulse wird von
einer Auswertevorrichtung 3 gesteuert und überwacht.
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Um die Ausbreitungsrichtung der emittierten Schallwellen
zu beeinflussen, weist der Sender 1 ein Schallhorn 13 auf.
Das Schallhorn 13 bündelt
die abgestrahlten Schallwellen in einer bevorzugten Abstrahlrichtung,
um unerwünschte
Reflexionen der Schallwellen zu verringern.
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Die vom Sender 1 emittierten
Schallwellen treffen auf ein bewegliches Teil der Hebebühne 10 und
werden dort reflektiert. Da in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
die Schallwellen auf die Unterseite einer höhenveränderbaren Plattform 16 der
Hebebühne 10 auftreffen
und der Reflexionskoeffizient der Plattform 16 eine ausreichende
Reflexion der Schallwellen ermöglicht,
ist kein zusätzlicher
Reflektor vorgesehen.
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Die reflektierten Schallwellen werden
von einem Ultraschallempfänger 2,
der mit der Auswertevorrichtung 3 verbunden ist, erfaßt. Sender 1 und Empfänger 2 sind
in diesem Beispiel als separate Sende- und Empfangseinheiten ausgebildet,
um eine Körperschallkopplung
zu verhindern sowie das Senden und Empfangen der Schallwellen ohne
Wartezeit beim Umschalten von Sende- auf Empfangsbetrieb zu ermöglichen.
Da der Empfänger 2 nicht
auf das Abklingen des Sendesignals im Sender 1 warten muß, ist keine
Mindestsignallaufzeit für
die Schallwellen einzuhalten.
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Das Senden der Ultraschallimpulse
vom Sender
1 wird in vorgegebenen Abständen von der Auswertevorrichtung
3 angestoßen. Die
Auswertevorrichtung
3 ermittelt die Signallaufzeit T der
Ultraschallimpulse vom Sender
1 zur Plattform
16 und
zurück
zum Empfänger
2.
Die Hubhöhe
h der Hebebühne
ergibt sich als die Hälfte
des von den Schallwellen zurückgelegten
Weges. Dieser wird von der Auswertevorrichtung
3 aus Schallaufzeit
T und Schallgeschwindigkeit c bestimmt:
Um
den Einfluß der
Lufttemperatur auf die Schallgeschwindigkeit c zu berücksichtigen,
ist ein zweiter Empfänger
11 in
einem vorgegebenen festen Abstand d vom Sender
1 vorgesehen.
Die Auswertevorrichtung
3 ermittelt die Schallaufzeit T
d vom Sender
1 zu dem zweiten Empfänger
11 und
bestimmt die Schallgeschwindigkeit zu:
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Die von der Auswertevorrichtung ermittelte Hubhöhe h wird
einer Steuereinheit 4 zugeführt. Diese vergleicht die ermittelte
Hubhöhe
h mit einer vorgegebenen Soll-Höhe
H0 und steuert die Verstelleinrichtung 5,
hier ein Hydraulikzylinder, derart an, daß die Soll-Hubhöhe H0 der Hebebühne 10 erreicht wird.
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Die Steuereinheit 4 kann
in Abhängigkeit
von der ermittelten Hubhöhe
h auch weitere Steuerfunktionen ausführen, wie z.B. das Ein- und
Ausschalten von Warntönen
und/oder Beleuchtungen. Vorzugsweise sind Auswertevorrichtung 3 und
Steuereinheit 4 als eine elektronische Baueinheit, beispielsweise ein
Mikrokontroller oder eine programmierbare Steuereinheit, ausgebildet.
Die Eingabe der Soll-Höhe H0 kann manuell, beispielsweise über eine
Tastatur oder eine andere Eingabevorrichtung, erfolgen. Es ist auch
möglich,
daß die
Soll-Höhe
Ho von einem Meß- oder Leitrechner vorgegeben
wird.
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Die 2 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Auswertevorrichtung 3.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Sender 1 an der beweglichen Zylinderstange 23 eines
Hydraulikzylinders 5 angeordnet. Der Empfänger 2 befindet
sich am Zylindergehäuse 24 des
Hydraulikzylinders 5. Die Auswertevorrichtung 3 ermittelt
anhand der Phasenbeziehung zwischen Sendersignal S und Empfängersignal
E den Verfahrweg v des Hydraulikzylinders 5. Aufgrund der
bekannten geometrischen Anordnung der Hebebühne 10 kann auf der Grundlage
des Verfahrwegs v die Hubhöhe
h der Hebebühne 10 berechnet
werden.
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Die Auswertevorrichtung 3 weist
eine Phasenauswerteeinrichtung 8 auf, welche die Phasenbeziehung
zwischen dem Sendersignal S und dem Empfängersignal E bestimmt. Die
Signale E und S werden über
zwei Komparatoren (Schmitt-Trigger) 19 in Rechtecksignale
umgewandelt. Die Phasenauswerteeinrichtung 8 mißt die Zeit
zwischen der steigenden Flanke des Sendersignals S und der steigenden
Flanke des Empfängersignals
E. Hierzu ist eine Torschaltung 6 vorgesehen, die bei einer
steigenden Flanke des Signals S öffnet
und bei einer steigenden Flanke des Signals E schließt. Bei
geöffnetem
Tor werden Zählimpulse
von einem Taktgeber 7 in einem Zähler 12 addiert. Zusätzlich wird
bei einer Flanke des Sendersignals S der Zählerstand der vorherigen Messung
gespeichert.
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Bei einer Schallsendefrequenz von
40 kHz und einer Taktrate von 16 MHz ergibt sich ein maximaler Zählerstand
N = 400 bei einer Phasenverschiebung von 360° bzw. 2n. Die maximale Phasenverschiebung
zwischen den Signalen S und E entspricht der Periodendauer des Sendesignals
S bzw. dem Kehrwert der Erregerfrequenz f. Die maximale Zeit zwischen
der Flanke des Senders und der des Empfängers beträgt bei f = 40 kHz 25 ms. Die
Zeitauflösung
der Phasenauswerteeinrichtung
8 beträgt somit
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Wird die Hebebühne 10 verfahren,
d.h. Sender und Empfänger
bewegen sich relativ zueinander, verändert sich die Phasenbeziehung
zwischen Sendersignal S und Empfängersignal
E. Bewegen sich Sender und Empfänger
beispielsweise auseinander, wird die Phasenverschiebung und der
Wert Z des Zählers
größer, bis
er die maximale Anzahl von Zählimpulsen
N erreicht. Nach dem Erreichen von N beginnt der Zähler wieder
mit Null. Beim Absenken der Hebebühne wird der Zählerstand
Z entsprechend kleiner, um beim Erreichen des Wertes Null wieder auf
N zu springen. Bei einer Schallgeschwindigkeit von 340 m/s und einer
Erregerfrequenz von 40 kHz erfolgt das Rücksetzen des Zählers nach
einer Änderung
des Schallweges von 8,5 mm. Um die Hubhöhe h zu ermitteln, muß die Anzahl
der Sprünge
bzw. Zählerrücksetzungen
R beim Verfahren der Hebebühne 10 erfaßt werden.
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Die durch die Auswertung der Phasenbeziehung
erreichbare Wegauflösung
beträgt
in dem oben erwähnten
Beispiel mit N = 400 0,02 mm.
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Um den Einfluß der Lufttemperatur t auf
die Schallgeschwindigkeit zu kompensieren, ist eine Schallgeschwindigkeitsbestimmungseinrichtung
12 und
ein Temperatursensor
9 vorgesehen. Der Temperatursensor
9 ist
vorzugsweise in der Nähe
der Meßstrecke
zwischen Sender
1 und Empfänger
2 angeordnet
und mißt
die dortige Lufttemperatur t. Die Schallgeschwindigkeitsbestimmungseinrichtung
12 bestimmt
die Schallgeschwindigkeit c anhand einer Temperaturkennlinie:
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Durch die Temperaturkompensation
der Schallgeschwindigkeit c kann eine genaue Einstellung der Hubhöhe h erfolgen.
Sind mehrere Verstelleinrichtungen zum Anheben bzw. zum Absenken
der Hebebühne
vorgesehen, können
die Temperatureinflüsse
auf die einzelnen Verstelleinrichtungen korrigiert werden, wodurch
ein synchrones Anheben und Absenken auch bei unterschiedlichen Temperaturen möglich ist.
Beispielsweise kann ein Teil der Hebebühne in einer Klimakammer angeordnet
sein. Ein anderer Teil der Hebebühne
wird z.B. von der Sonne beschienen oder von einer Heizung angeblasen.
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Um Interferenzen und Störungen durch
reflektierte Schallsignale zu unterdrücken, ist am Empfänger 2 ein
Rohr 14 angebracht. Durch das Rohr 14 wird erreicht,
daß vorzugsweise
Schallwellen mit einer Ausbreitungsrichtung in axialer Rohrrichtung
den Empfänger 2 erreichen
können.
Reflektierte Schallsignale mit anderen Ausbreitungsrichtungen werden unterdrückt. Es
ist auch möglich,
den Empfänger 2 in dem
Rohr 14 zusammen mit der Hebebühne 10 zu verfahren,
wobei der Sender 1 das Rohr 14 in einem vorgegebenen
Abstand, z.B. 10 cm, anstrahlt. Auf diese Weise gelangen nur die
Schallwellen in das Meßrohr,
die im wesentlichen dem direkten Weg zwischen Sender 1 und
Empfänger 2 entsprechen.
Das Empfängersignal
E ist wesentlich stabiler, da eine Modulation mit reflektiertem
Schall verringert wird.
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Die 3 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer erfindungsgemäßen Steuereinheit 4.
Die zweiteilig ausgebildete Hebebühne 10 weist zwei
Plattformen bzw. Fahrflächen 16a, 16b auf.
An jeder der beiden Plattformen 16a, 16b ist ein kombinierter
Ultraschall-Wandler 17a, 17b vorgesehen. Im Boden
bzw. Fundament sind Reflektoren 15a, 15b angebracht,
die von den Ultraschallwandlern 17a, 17b emittierte
Schallwellen reflektieren.
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Die Auswertevorrichtung 3 ermittelt
die Höhen
ha, hb der beiden
Plattformen 16a, 16b der Hebebühne 10. Diese Hubhöhen ha, hb werden einer
Steuereinheit 4 zugeführt.
Zur Regelung der Hubhöhen ha, hb bildet die
Steuereinheit 4 die Regelabweichungen ha – H0, hb – H0 und gegebenenfalls ha – hb. Diese Differenzen werden von einer Regeleinrichtung 20 ausgewertet,
um die Hubhöhen
ha, hb der Plattformen 16a, 16b synchron
zu regeln. Leistungselemente 21a, 21b steuern
ein Hydraulikaggregat 22 zur Erzeugung des jeweiligen Hydraulikdrucks
für die
Verstelleinrichtungen 5a, 5b. Die Regeleinrichtung 20 kann eine
Höhenregelung
und/oder eine Geschwindigkeitsregelung der Verstelleinrichtungen 5a, 5b durchführen. Auf
diese Weise ist es möglich,
die Plattformen 16a, 16b synchron anzuheben bzw.
abzusenken.
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Weiterhin können proportional oder binär schaltende
Stellorgane, z.B. Hydraulikventile, vorgesehen sein, um die Regelfunktionen
auszuführen. Die
Stellorgane können
von der Regeleinrichtung 20 oder den Leistungselementen 21a, 21b betätigt werden
und den Druck in den Hydraulikzylindern 5a, 5b beeinflussen.
Da in diesem Fall die Steuerung der Hydraulikzylinder 5a, 5b über die
Stellorgane erfolgt, ist es möglich,
ein einfacheres Hydraulikaggregat 22 vorzusehen, das einen
konstanten Druck erzeugt.