FI75551C - Styrsystem foer lyftkran. - Google Patents

Description

1 75551

Nosturin ohjausjärjestelmä

Nosturin rakenteen lujuusteknisessä mitoituksessa on otettava huomioon dynaamiset kuormitukset. Niitä syn-5 tyy sekä puomiston itsensä, että varsinkin nostettavan taakan kiihtyvyyksistä ja hidastuvuuksista.

Nosturin puomiston suurin sallittu nopeus on määrätty hydraulipumpulla, jonka tuottama tilavuusvirta on asetettu tietylle nosturikohtaiselle maksimitasolle. Käytettä-10 vissä olevaa tilavuusvirtaa on jaettu eri toimilaitteille, lähinnä hydraulisille sylintereille, ohjausventtiileillä, joita on ohjattu mekaanisesti vipujen välityksellä.

Vakavana epäkohtana on ollut se, että nosturin suurin sallittu kuorma ja nopeus ovat olleet kiinteitä ja toi-15 sistaan riippumattomia, eli nosturi on jouduttu mitoittamaan sen käytännössä usein esiintyneen tilanteen perusteella, että maksimitaakkaa siirretään maksiminopeudella. Puomiston käynnistys- ja pysäytysliikkeet on ollut mahdollista tehdä erittäin nopeasti, minkä johdosta nosturirakenne jou-20 tuu taakan siirron aikana usein värähtelyyn. Ohjaajan kor- jausyritykset ovat yleensä vain pahentaneet värähtelyä, koska ohjausliikkeet ja nosturirakenteen ominaistaajuus ovat yhdessä muodostaneet vaimenemattoman värähtelyliikkeen.

Näin on ollut, koska nosturin toimilaitteiden, lä-25 hinnä hydraulisylinterien venttiilien liikkeitä on ohjattu suoraan mekaanisesti. Alalla vallinneen käsityksen mukaan kiihtyvyyksien suuruuteen ei ole voitu paljoakaan vaikuttaa ohjausventtiilien avautumis- ja sulkeutumisnopeuksia pienentämällä, koska tällöin nosturin ohjaaminen vaatisi 30 ennakointia ja muodostuisi epätarkaksi, jopa vaaralliseksi.

US-patenttijulkaisussa 4 006 347 on ehdotettu taakan huomioimista siten, että nosturin puomin liikettä pys-tytasossa hidastetaan, kun puomi kääntyy ylhäältä kohti vaaka-asentoa, ja vastaavasti nopeutetaan, kun puomi liikkuu a 1-35 haalta ylöspäin. Ohjaus on kuitenkin epäsuora ylimääräisen 2 75551 venttiilin avulla, joka ohjaa osan hydraulipumpun tuottamasta tilavuusvirrasta hydraulisylinteriventtiilin ohi takaisin tankkiin, mistä syystä ohjaus on epätarkkaa varsinkin puomin käynnistys- ja pysäytysvaiheissa.

5 Keksinnön kohteena on siten järjestelmä varsinkin hydraulisen nosturin puomiston ohjaamiseksi, jolloin nosturi on varustettu ainakin yhdellä kuormitusanturilla, jonka mittaustiedon perusteella säädetään puomiston nopeutta siten, että suurin sallittu nopeus kasvaa kuormituksen pie-10 netessä ja vastaavasti pienenee kuormituksen kasvaessa.

Tarkoituksena on saada aikaan uusi ohjausjärjestelmä, joka paremmin kuin tunnetut järjestelmät ottaa huomioon nosturiin kohdistuvat dynaamiset kuormitukset.

Keksinnön mukaiselle järjestelmälle on pääasialli-15 sesti tunnusomaista se, että nosturiin kohdistuvien dynaamisten rasitusten pienentämiseksi ohjataan hydraulisten toimilaitteiden Ö1jyvirtausta säätämällä suoraan toimilaitteiden venttiilien liikkeitä puomiston nopeusohjeen ja kuor-mitusviestin perusteella sekä suodattamalla pois sellaiset - 20 puomiston nopeusohjeet, joiden mukaiset venttiililiikeno- peudet ylittävät ennalta määrätyn arvon.

Keksinnön mukaisessa ohjausjärjestelmässä taakan kiihtyvyyksien aiheuttamia dynaamisia rasituksia on siis pienennetty estämällä ohjausventtiilin liian nopeat avautu-25 miset ja sulkeutumiset sekä pienentämällä nosturin liikeno-peuksia varsinkin suurilla kuormituksilla. Käyttäjän ohjaus-liikkeiden suodattaminen pienentää kiihtyvyyksiä, vaimentaa virheliikkeiden haitallisia vaikutuksia ja parantaa ohjaus-ominaisuuksia. Pienentyneiden dynaamisten jännitysheilahte-30 luiden ansiosta voidaan lisätä nosturin nostokykyä, parantaa ohjausominaisuuksia, lisätä puomistorakenteiden kestävyyttä tai keventää rakenteita.

Hydrauliventtiilejä ohjataan sähköisesti. Kuljettajan ohjattavissa olevaa öljyvirtaa säädetään rajoittamalla 35 kuormitustiedon perusteella em. sähköistä ohjausviestiä.

3 75551 Tällöin öljyn tilavuusvirtaa säädetään samalla venttiilillä, millä nosturia muutenkin ohjataan. Tämän järjestyksen etuna on se, että hydraulikomponenttien määrää ei tarvitse lisätä nykyisestä.

5 Nosturin nopeudensäätöjärjestelmä on edullista ra kentaa esimerkiksi seuraavassa esitetyllä tavalla.

Järjestelmä sisältää ohjelmoitavan digitaalisen sää-töyksikön, joka suorittaa maksiminopeuden säädön kuormitus-anturista saatavan informaation perusteella. Säätöyksikkö 10 sisältää myös digitaalisen suodatinosan, joka valvoo ohjaussauvojen liikenopeuksia ja suodattaa ylisuuret taajuudet pois sekä suorittaa kiihdytykset ja hidastukset penger-mäisesti. Säätöyksikön kaikki ohjaus- ja valvontaominaisuu-det voidaan ohjelmoida nosturi- ja toimilaitekohtaisesti.

15 Seuraavassa selitetään keksintöä yksityiskohtaisem min viitaten oheiseen piirustukseen.

Kuvio 1 esittää nosturia sivulta nähtynä.

Kuvio 2 esittää ohjausjärjestelmän periaatekuviota.

Kuvio 3 esittää elektronisen ohjausyksikön lohkokaa- 20 viota.

Kuvio 4 esittää ohjausyksikköön sisältyvään ohjelma-muistiin sijoitetun edullisen esimerkkiohjelman lohkokaaviota.

Kuvio 5 esittää paineen ja nopeuden välistä esimerk-25 kifunktiota.

Kuvion 1 mukainen esimerkkinosturi käsittää jalustan 1, pylvään 2, nostopuomin 3, siirtopuomin 4 ja tämän jatkeen 5/ kahmarin 6, nostosylinterin 7 ja siirtosylinterin 8.

Nosturin taakka rasittaa eniten pylvästä 2 ja nosto-30 sylinteriä 7, minkä johdosta järjestelmään sisältyvän ainakin yhden kuormitusanturin edullinen sijoituspaikka on joko pylvään tai nostosylinterin yhteydessä. Kuormitusanturi voi esimerkiksi mitata nostosylinterissä, tai sen syöttöletkus-sa vallitsevaa painetta, tai pylvään pintaan voidaan kiin-35 nittää jännitysmittausanturi.

4 75551

Tarkoitukseen sopivia antureita on helposti saatavissa, joten niiden rakennetta ja toimintaa ei tässä liene tarpeen yksityiskohtaisemmin selvittää.

Kuviossa 2 lohko 9 osoittaa elektronista säätöyk-5 sikköä, lohko 10 ohjausventtiilistöä ja lohko 11 ohjattavia toimilaitteita (hydraulisylintereitä). Nuoli 12 osoittaa virtalähteen syöttöjohtoa, nuoli 13 käyttäjän antamia nopeusohjeita, nuoli 14 kuormitustietoa, nuoli 15 venttiilin ohjasusignaalia sekä nuolet 16 ja 17 Ö1jyvirtausta.

10 Kuviossa 3 viitenumero 18 osoittaa kuormitusanturia, jolta saatava jänniteviesti 19 muunnetaan analogia/digitaa-limuuntimessa 20 mikroprosessorille 21 digitaaliseen muotoon. Ohjauspotentiometreiltä 22 saatavat nopeusohjeet 23 muunnetaan myös A/D-muuntimessa 20 edellä mainitulle mikro-15 prosessorille 21 digitaaliseen muotoon. Nopeusohjeiden ja kuormitusviestin perusteella mikroprosessori 21 suorittaa, haihtumattomassa muistissa 24 sijaitsevan ohjausohjelmiston mukaisen, nopeusohjeiden säätö- ja suodatuslaskennan. Muokatut nopeusohjeet 25 lähetetään ohjausventtiileille 26 sar-'-· 20 jaliikenneohjaimelta 27. Venttiilin ohjaussuure voi olla myös analoginen sähköviesti, jolloin sar jaliikenneohjaimen asemes-ta käytetään digitaali/analogiamuunninta ja sopivaa vahvistinta.

Seuraavassa selitetään yksityiskohtaisemmin erästä edullista toteutustapaa.

25 Järjestelmä koostuu digitaalisesti ohjattavasta oh- jausventtiilistä, ohjauselektroniikasta, sähköisistä ohjain-vivuista sekä paineanturista.

Kuljettajan istuimeen on kiinnitetty 2 kpl ohjainvi-puja, joista kummallakin voidaan ohjata kolmea toimilaitet-30 ta (hydraulisylinteriä), joko yhtäaikaa tai erikseen. Oh-jainvipuun on sijoitettu kolme potentiometriä siten, että käännettäessä vipua vaakatasossa poikkeutetaan kahta potentiometriä keskiasennostaan puoleen tai toiseen, ja painettaessa vipuun sijoitettuja painonappeja poikkeutetaan kol-35 matta potentiometriä. Kaikki potentiometrit on kytketty rin- 5 75551 nan 5 V:n tasajännitteeseen, joten potentiometrin liu'un ollessa keskiasennossa saadaan ulostulojännitteeksi 2.5 V. Ohjausvivulta saadaan siis yhteensä 6 kpl ulostulojännitteitä, jotka vaihtelevat 0 V:n ja 5 V:n välillä ohjainvi-5 pujen kulloisestakin asennosta riippuen. Ulostulojännitteen ollessa < 2.5 V hydraulisylinteri liikkuu sisään ja vastaavasti jännitteen ollessa > 2.5 V hydraulisylinteri liikkuu ulos eli sen pituus kasvaa. Jännitteen ollessa 2.5 V sylinteri on paikallaan. Mitä lähempänä kukin ulostulo-10 jännite on 0 V:a tai 5 V:a, niin sitä suuremman nopeusoh-jeen ko. toimilaite saa.

Em. ohjausjännitteet on kytketty ohjausyksikköön, jossa tapahtuu tietojen muokkaus ja käsittely sekä edelleenlähettäminen ohjausventtiileille. Ohjausyksikkö sisältää mm. 15 mikroprosessorin eli suorittimen, analogia/digitaalimuunti-men, ohjelmamuistin, työmuistin, sarjaliikenneohjaimen ja oskillaattorikiteen. Ohjelmamuisti on tyypiltään lukumuis-tia (Read Only Memory), joka ohjelmoidaan erillisellä ohjel-mointilaitteella. Ohjelmamuistin tiedot säilyvät sähkökat-20 kosten yli. Ohjausohjelma on muodoltaan päättymätön ohjel-masilmukka, joka suoritetaan useita kertoja sekunnissa, laitteen ollessa toiminnassa. Ohjelmamuistiin sijoitetun ohjelman lohkokaavio on esitetty kuviossa 4. Kytkettäessä jännite ohjausyksikköön, lähtee suoritin toteuttamaan oh-25 jelmamuistissa olevaa ohjelmaa. Aluksi suoritetaan keskey-tysohjain ja sarjaliikenneohjaimen tarvitsemat alustukset, kirjoittamalla tietyt tavut em. ohjaimien rekistereihin (30) .

Varsinaisen ohjelmasilmukan suoritus alkaa ohjaus-viestien lukemisella. Näitä ohjausviestejä ovat em. ohjain-30 sauvoilta tulevat ohjausjännitteet (6 kpl) ja paineanturilta tuleva jännite. Paineanturina käytetään venymäliuskatyyp-pistä anturia, jonka maksimiulostulo on 100 mV 10 V:n syöttö- 75551 o jännitteellä, joten paineviesti vahvistetaan ennen analo-gia/digitaalimuunninta tasolle 0 - 5 V. Analogia/digitaa-limuuntimessa muunnetaan ohjausviestejä vastaavat jännitteet digitaaliseen muotoon (0-255 desimaalisena) (31). Tä-5 män jälkeen suodatetaan paineviestiä siten, että saadaan selville nostosylinterissä vaikuttava keskimääräinen pai-netaso, jossa ei näy taakan heilahtelujen aiheuttamat pai-nepiikit. Suodatuksella estetään ohjausjärjestelmän joutuminen resonanssiin taakan heilahtelujen kanssa (32). Suoda-10 tukseen käytetään matemaattista algoritmia, jossa uusi suodatettu arvo saadaan lisäämällä edelliseen suodatettuun arvoon ohjearvon ja edellisen suodatetun arvon erotus, kerrottuna tietyllä parametrillä eli kaavana X2 = Xl + a * (O - Xl), missä Xl = edellinen suodatettu arvo, X2 = uusi suodatettu 15 arvo, a = parametri, O = ohjearvo. Parametriä a muuttamalla saadaan aikaan haluttu suodatustoiminto. Käytännössä suodatus aiheuttaa sen, että uusi suodatettu arvo X2 saavuttaa ohjearvon O pengermäisesti eli tietyssä, suodattimelle ominaisessa, nousuajassa.

20 Seuraavaksi suodatetaan myös ohjainsauvoilta saata vat ohjausviestit em. algoritmia käyttäen (33). Eri ohjaus-viestien suodatusparametrit voidaan valita nosturikohtaises-ti sopiviksi. Ohjausviestien suodatuksella pienennetään haluttujen ohjausventtiilien avautumis- ja sulkeutumisnopeuk-25 siä ja sitä tietä toimilaitteiden ja taakan kiihtyvyyksiä ja hidastuvuuksia.

Yksittäisen toimilaitteen liikenopeuden säätö suoritetaan paineviestin perusteella (34). Ohjausohjelma lisää toimilaitteen suurinta sallittua nopeutta paineviestin pie-30 netessä ja vastaavasti vähentää paineviestin kasvaessa esimerkiksi kuviossa 5 olevan funktion kuvaajan mukaisesti. Paineviestin vaikutus toimilaitteen maksimiliikenopeuteen voi vaihdella toimilaitekohtaisesti.

Ohjainsauvoilta alussa mitatut ohjausviestit on nos-35 turin ohjaus- ja kuormitustilan perusteella muokattu lähe- 7 75551 tettäviksi ohjausventtiileille. Ohjelmasilmukan lopussa lähetetään ohjausviestit sarjaliikenneohjaimen kautta venttiileille (35). Ohjausventtiilinä käytetään venttiiliä, jota voidaan ohjata sarjamuotoisella digitaaliohjauksella.

5 Venttiilissä itsessään hoidetaan ohjaussignaalien tulkkaus ja venttiilin säätäminen haluttuun asentoon.

Nosturissa on yleensä useita ohjausventtiilejä eri liikkeitä varten, joita venttiilejä on kuviossa 3 yksinkertaisuuden vuoksi hahmoteltu vain pistein 28. Kuten kuvios-10 ta 3 ilmenee, kaikkien tarvittavien venttiilien toiminta voidaan muuttaa, toimilaite- ja nosturikohtaisesti halutuksi, ohjausohjelmistoa muuttamalla.

Claims (4)

8 75551

1. Järjestelmä varsinkin hydraulisen nosturin puo-miston ohjaamiseksi, jolloin nosturi on varustettu aina- 5 kin yhdellä kuormitusanturilla, jonka mittaustiedon perusteella säädetään puomiston nopeutta siten, että puomiston suurin sallittu nopeus kasvaa kuormituksen pienetessä ja vastaavasti pienenee kuormituksen kasvaessa, tunnet-t u siitä, että nosturiin kohdistuvien dynaamisten rasi-10 tusten pienentämiseksi ohjataan hydraulisten toimilaitteiden Ö1jyvirtausta säätämällä suoraan toimilaitteiden venttiilien liikkeitä puomiston nopeusohjeen (13) ja kuormitus-viestin (14) perusteella sekä suodattamalla pois sellaiset puomiston nopeusohjeet, joiden mukaiset venttiililiikeno-15 peudet ylittävät ennalta määrätyn arvon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että hydrauliventtiilejä ohjataan sähköisesti ja että kuljettajan ohjattavissa olevaa öljyvirtaa säädetään rajoittamalla kuormitustiedon perusteella säh- 20 köistä ohjausviestiä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että öljyn tilavuusvirtaa säädetään samalla venttiilillä, millä nosturia muuten ohjataan.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestelmä, t u n-25 n e t t u siitä, että se käsittää ohjelmoitavan, edullisesti digitaalisen säätöyksikön maksiminopeuden säätämiseksi, joka säätöyksikkö sisältää edullisesti myös digitaalisen suodatinosan ohjaussauvojen liikenopeuksien valvomiseksi ja ylisuurien taajuuksien suodattamiseksi pois.