устройство для управления стреловым краном

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СТРЕЛОВЫМ КРАНОМ, содержащее датчики нагрузки, длины, угла наклона и поворота стрелы, подключенные выходами к входам блока определения допустимого вылета стрелы по нагрузке, блок сравнения, выход которого связан через блок усилителей с исполнительным блоком, блок задания допустимых координат грузозахватного органа и блок определения проекции стрелы на горизонтальную плоскость, входы которого подключены к датчикам длины и наклона стрелы, отличающееся тем, что оно снабжено блоком задания начальных координат грузозахватного органа, блоком коррекции допустимых координат, блоком определения фактических координат грузозахватного органа, входы которого соединены с выходами соответственно блока определения проекции стрелы на горизонтальную плоскость, блока задания начальных координат грузозахватного органа, блока задания допустимых координат и датчика поворота стрелы, а выход подключен к одному из входов блока сравнения, другой вход которого соединен с выходом блока коррекции допустимых координат, один из входов которого соединен с выходом блока определения допустимого вылета стрелы по нагрузке, а другой вход с выходом блока задания допустимых координат грузозахватного органа, причем блок коррекции допустимых координат содержит элемент выбора наименьшего значения, элементы И, НЕ, ИЛИ, выходом последнего из которых образован выход блока, входом одного из элементов И и одним из входов элемента выбора наименьшего значения образован второй вход блока, первый вход которого образован одним из выходов второго элемента И и вторым входом элемента выбора наименьшего значения, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И и входом элемента НЕ, выход которого подключен к второму входу первого элемента И, выход которого подключен к одному из входов элемента ИЛИ, другой вход которого соединен с выходом второго элемента И, а блок определения фактических координат грузозахватного органа содержит умножитель, выходом которого образован выход блока, функциональный преобразователь, сумматоры, входами одного из которых образованы первый и второй входы блока, а выход этого сумматора соединен с одним из входов умножителя, другой вход которого подключен к выходу функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом второго сумматора, входами которого образованы третий и четвертый входы блока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком количества троса на барабане грузовой лебедки, блоком определения проекции стрелы на вертикальную плоскость, а блок коррекции допустимых координат дополнительно снабжен сумматором, входом которого образован третий вход блока, подключенный к выходу блока задания начальных координат, вторым входом сумматора образован упомянутый второй вход блока, а выходом сумматора второй вход блока, подключенный к первому входу второго канала блока сравнения, причем блок определения фактических координат снабжен дополнительным сумматором, одним входом которого образован пятый вход блока, соединенный с датчиком количества троса на барабане грузовой лебедки, другим входом шестой вход блока, подключенный к выходу блока определения проекции стрелы на вертикальную плоскость, входы которого подключены к датчикам длины и угла наклона стрелы, а третьим входом третьего сумматора образован упомянутый второй вход блока, а выходом второй вход блока, подключенный к второму входу второго канала блока сравнения.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что оно снабжено включенными между упомянутыми блоком сравнения и блоком усилителей соединенными последовательно блоком определения допустимой скорости и блоком сравнения скоростей, подключенным к второму входу блока сравнения скоростей, блоком определения фактической скорости, к входам которого подключены упомянутые выходы датчиков длины, угла наклона и поворота стрелы и датчик количества троса на барабане грузовой лебедки, и подключенными к другим входам блока определения допустимой скорости задатчиками скоростей телескопирования, углового перемещения стрелы, поворота стрелы и вращения грузовой лебедки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к подъемно-транспортному машиностроению, а именно к устройствам управления грузоподъемными кранами, но с наибольшим эффектом может быть использовано на кранах автомобильного типа с переменным (за счет изменения длины и угла наклона стрелы) вылетом и высотой подъема груза.

Известно устройство для управления краном, содержащее датчики нагрузки, длины, угла наклона и поворота стрелы, подключенные выходами к входам блока определения нагрузки, блок сравнения, выход которого связан с исполнительным блоком, блок задания допустимых координат грузозахватного органа и блок определения проекции стрелы на горизонтальную плоскость, входы которого подключены к датчикам длины и наклона стрелы [1]

Однако известное устройство не предохраняет от столкновений с препятствием при работе крана вблизи различных конструкций.

Цель изобретения повышение надежности путем обеспечения защиты от столкновений с препятствием.

Цель достигается тем, что устройство для управления стреловым краном, содержащее датчики нагрузки, длины, угла наклона и поворота стрелы, подключенные выходами к входам блока определения допустимого вылета стрелы по нагрузке, блок сравнения, выход которого связан через блок усилителей с исполнительным блоком, блок задания допустимых координат грузозахватного органа и блок определения проекции стрелы на горизонтальную плоскость, входы которого подключены к датчикам длины и наклона стрелы, снабжено блоком задания начальных координат грузозахватного органа, блоком коррекции допустимых координат, блоком определения фактических координат грузозахватного органа, входы которого соединены с выходами соответственно блока определения проекции стрелы на горизонтальную плоскость, блока задания начальных координат грузозахватного органа, блока задания допустимых координат и датчика поворота стрелы, а выход подключен к одному из входов блока сравнения, другой вход которого соединен с выходом блока коррекции допустимых координат, один вход которого соединен с выходом блока определения допустимого вылета стрелы по нагрузке, а другой вход с выходом блока задания допустимых координат грузозахватного органа, причем блок коррекции допустимых координат содержит элемент выбора наименьшего значения, элементы И, НЕ, ИЛИ, выходом последнего из которых образован выход блока, входом одного из элементов И и одним из входов элемента выбора наименьшего значения образован второй вход блока, первый выход которого образован одним из входов второго элемента И и вторым входом элемента выбора наименьшего значения, выход которого соединен с вторым входом второго элемента И и входом элемента НЕ, выход которого подключен к второму входу первого элемента И, выход которого подключен к одному из входов элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго элемента И, а блок определения фактических координат грузозахватного органа содержит умножитель, выходом которого образован выход блока, функциональный преобразователь, сумматоры, входами одного из которых образованы первый и второй входы блока, а выход сумматора соединен с одним из входов умножителя, второй вход которого подключен к выходу функционального преобразователя, вход которого соединен с выходом второго сумматора, входами которого образованы третий и четвертый входы блока.

Кроме того, устройство снабжено датчиком количества троса на барабане грузовой лебедки, блоком определения проекции стрелы на вертикальную плоскость, а блок коррекции допустимых координат дополнительно снабжен сумматором, входом которого образован третий вход блока, подключенный к выходу блока задания начальных координат, вторым входом сумматора образован упомянутый второй вход блока, а выходом сумматора второй вход блока, подключенный к выходу блока задания начальных координат, вторым входом сумматора образован упомянутый второй вход блока, а выходом сумматора второй выход блока, подключенный к первому входу второго канала блока сравнения, причем блок определения фактических координат снабжен дополнительным сумматором, одним входом которого образован пятый вход блока, соединенный с датчиком количества троса на барабане грузовой лебедки, другим входом шестой вход блока, подключенный к выходу блока определения проекции стрелы на вертикальную плоскость, входы которого подключены к датчикам длины и угла наклона стрелы, третьим входом третьего сумматора образован упомянутый второй вход блока, а выходом второй выход блока, подключенный к второму входу второго канала блока сравнения.

Кроме того, устройство снабжено включенными между упомянутыми блоком сравнения и блоком усилителей соединенными последовательно блоком определения допустимой скорости и блоком сравнения скоростей, подключенным к второму входу блока сравнения скоростей блоком определения фактической скорости, к входам которого подключены упомянутые выходы датчиков длины, угла наклона и поворота стрелы и датчик количества троса на барабане грузовой лебедки, и подключенными к другим входам блока определения допустимой скорости задатчиками скоростей телескопирования, углового перемещения стрелы, поворота стрелы и вращения грузовой лебедки.

На фиг. 1 показан кран и плоскости, ограничивающие перемещения груза; на фиг. 2 то же, вид сверху; на фиг. 3 функциональная схема устройства с ограничением перемещения груза в горизонтальной плоскости; на фиг. 4 функциональная схема блока коррекции допустимых координат для устройства, приведенного на фиг. 3; на фиг. 5 функциональная схема блока определения фактических координат грузозахватного органа и соединенного с ним блока определения проекции стрелы на горизонтальную плоскость для устройства, приведенного на фиг. 3; на фиг. 6 функциональная схема устройства с ограничением перемещения груза в горизонтальной и вертикальной плоскости; на фиг. 7 функциональная схема блока коррекции допустимых координат для устройства, представленного на фиг. 6; на фиг. 8 функциональная схема блока определения фактических координат грузозахватного органа и соединенных с ним блоков определения проекции стрелы на горизонтальную и вертикальную плоскости для устройства, приведенного на фиг. 6; на фиг. 9 функциональная схема устройства с задатчиками скоростей движения оборудования крана; на фиг. 10 функциональная схема блока определения допустимых скоростей для устройства, приведенного на фиг. 9; на фиг. 11 вариант осуществления устройства с использованием элементов вычислительной техники.

Кран 1 имеет ходовую раму 2, поворотную платформу 3, телескопическую стрелу 4, гидроцилиндр подъема стрелы 5, грузовую лебедку 6, опоры 7 и груз 8, перемещающийся в любую точку координатного пространства, ограниченного техническими возможностями конструкции крана и возможными препятствиями, обозначенными горизонтальной АО (и МN) и вертикальной ВО плоскостями.

Устройство с ограничением перемещения груза в горизонтальной плоскости (фиг. 3) содержит датчик 9 нагрузки, датчик 10 длины стрелы (L), датчик 11 угла наклона стрелы и датчик 12 угла поворота стрелы, которые соединены с входами блока 13 определения допустимого вылета стрелы по нагрузке, блока 14 определения фактических координат грузозахватного органа и блока 15 определения проекции стрелы на горизонтальную плоскость, блок 14 соединен с одним из входов блока 16 сравнения, другой вход которого соединен с выходом блока 17 коррекции допустимых координат, входы которого соединены с выходами блока 13, блока 18 задания допустимых координат грузозахватного органа и блока 19 задания начальных координат грузозахватного органа, а выход блока 16 соединен через блок усилителей 20 с исполнительным блоком 21.

Блок 17 (фиг. 4) коррекции допустимых координат содержит элемент 22 выбора наименьшего значения (компаратор), элементы И 23 и 24, элемент НЕ 25 и элемент ИЛИ 26.

Блок 14 (фиг. 5) содержит сумматоры 27 и 28, умножитель 29 и функциональный преобразователь 30, а блок 15 содержит функциональный преобразователь 31 и умножитель 32.

Устройство с ограничением перемещения груза в горизонтальной и вертикальной плоскостях (фиг. 6) может также содержать датчик 33 количества троса на барабане грузовой лебедки и блок 34 определения проекции стрелы на вертикальную плоскость, а блок 17 (фиг. 7) в этом случае дополнительно содержит сумматор 35, своими входами подключенный к выходам блоков 18 и 19, блок 14 (фиг. 8) дополнительно содержит сумматор 36, своими входами подключенный к выходам блоков 19 и 34 и датчику 33, блок 34 содержит функциональный преобразователь 37 и умножитель 38, а блок 16 сравнения является двухканальным для сравнения допустимых и фактических координат груза в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Устройство с задатчиками скоростей движения оборудования крана (фиг. 9) может также содержать блок 39 определения допустимых скоростей и в этом случае к блоку 39 может быть подключен блок 40 сравнения и задатчики 41-44 соответственно скоростей телескопирования, углового перемещения стрелы, поворота стрелы и вращения грузовой лебедки, которые подключены к органам управления 45-48 соответственно телескопированием, угловым перемещением стрелы, поворотом стрелы и подъемом груза, а к блоку 40 сравнения подключен блок 49 определения фактических скоростей, к которому подключены датчики 10, 11, 12 и 33, при этом блок 39 определения допустимых скоростей (фиг. 10) содержит масштабирующий усилитель 50, сумматоры 51-54 и блок 55 дифференцирующих звеньев.

При выполнении устройства с использованием средств вычислительной техники устройство (фиг. 11) содержит мультиплексор 56, кодирующий блок 57, вычислительный блок 58, демультиплексор 59, регистр 60 и декодирующий блок 61.

Устройство работает следующим образом.

После установки крана 1 на опоры 7 оператор (крановщик) может начать операции по перемещению грузозахватного устройства (с грузом или без него) в точки пространства, ограниченные конструктивными возможностями крана, максимальной и минимальной длиной телескопической стрелы, максимальным и минимальным углом подъема стрелы, допустимым углом поворота стрелы (платформы) (возможен запрет перемещения груза над кабиной), а также ограничениями, связанными с наличием препятствий и грузовыми возможностями крана. Наличие препятствий создает ограничения по высоте Н оголовка стрелы

Н_доп= Н_пр-С₁ (1) и проекции R_х вылета R на перпендикуляр к вертикальной плоскости ОВ, ограничивающей препятствие.

R_x=Rcos( _k)=(Lcos -C₂) x

x cos( + _k)<R<SUB>xдоп
угол наклона стрелы;

угол поворота стрелы в горизонтальной плоскости;

_k угол между осью крана и перпендикуляром к ОВ;

Н_пр высота препятствия;

Н_доп и R_хдоп допустимые значения Н и R_х.

С₁ константа, определяемая высотой точки крепления стрелы на поворотной платформе крана относительно плоскости, на которой установлен кран, и равная 1,2.2 м;

С₂ константа, определяемая расстоянием между точкой крепления стрелы на поворотной платформе крана и осью вращения поворотной платформы и равная 1. 2,5 м.

Возможности крана, задаваемые его грузовой характеристикой, определяют ограничения по вылету R_одоп в функции переносимого груза Q

RQ_доп=f(O, L, ) (3)

Общность параметров, входящих в (1), (2) и (3), а также средств их контроля на кране позволяют создать единую систему управления краном, причем использование вычисляемого для предотвращения опрокидывания значения допустимого вылета RQ_доп позволяет обеспечить оптимизацию этого управления.

Для обеспечения совместимости управления краном по критериям защиты его от столкновения с препятствиями или защиты от перегрузки допустимую нагрузку крана целесообразно выразить по (3) через допустимый вылет.

До начала работы оператор посредством блока 18 (фиг. 3) задания допустимых координат грузозахватного органа (если имеются препятствия для перемещения груза) и с учетом габаритов груза вводит ограничения на перемещения, задавая значения R_хдоп (или R_xдоп и Н_доп для устройства на фиг. 6). Задатчики этих значений, в блоке 18 проградуированные в единицах длины, могут быть аналоговыми (например, потенциометры), если в устройстве применены аналоговые датчики 10, 11 и 12, или цифровыми, если применены цифровые датчики.

В качестве задатчика в блоке 18 может быть применено цифровое оперативное запоминающее устройство, в которое предварительно в качестве допустимых записываются значения Р_х и Н во время образцового цикла крана, для этого оборудование крана перемещается до предельных значений, в оперативное запоминающее устройство заносятся данные Р_х и Н, определенные в блоке 14 фактических координат.

После ввода допустимых координат оператор инициирует начало работы, одновременно подавая в блок 17 коррекции допустимых координат грузозахватного устройства сигналы о возможных перемещениях груза.

Одновременно путем считывания показаний датчиков нагрузки 9 (например, давления в гидроцилиндре 5), длины 10 и угла наклона 11 стрелы (трансформаторные, потенциометрические датчики перемещений) блок 13 определения допустимого вылета по нагрузке крана определяет согласно формуле (3) допустимое значение RQ_доп и в качестве второго ограничения вводит в блок 17.

Другие данные, характерные для данного типа крана, вводятся в блоки 14 и 17 блоком 19, в котором начальные координаты задаются в виде опорных напряжений для устройств с аналоговыми датчиками или в виде кодов для устройств с цифровыми датчиками.

В результате после обработки блоком 17 появляется сигнал меньшего из двух допустимых значений перемещения R_xдоп и RQ_доп, который и сравнивается в устройстве 16 с фактическим значением R_х.

На блок 16, выполняемый двухканальным, для реализации устройства (фиг. 6) поступает также сигнал ограничения по высоте в соответствии с формулой (1).

Вариант блока 17 коррекции допустимых координат приведен на фиг. 4, в соответствии с которым компаратор 22 сравнивает значения R_хдоп и RQ_доп, переключаясь таким образом, чтобы через элемент И 23 проходил на элемент ИЛИ 26 сигнал при RQ_доп<R<SUB>хдопхдоп<RQ<SUB>допдоп при RQ_доп<R<SUB>хдопхдоп при R_хдоп<RQ<SUB>доп.
Сумматор 35 в варианте блока 17, приведенном на фиг. 7, обеспечивает алгебраическое суммирование сигналов, соответствующих высоте препятствия (Н_пр при ограничении высоты подъема оголовка или (Н_пр h) при ограничении спускания груза) и константе С₁ крана.

Датчики 10 и 11, а также датчик 12 угла поворота стрелы создают сигналы на блок 14 определения фактических координат, на выходе которого появляются сигналы о фактическом положении оголовка стрелы относительно препятствия, выраженные через R_х и Н.

Блок 14 в варианте на фиг. 5 работает следующим образом.

Сигнал датчика 11 угла наклона стрелы () поступает на функциональный преобразователь 31 (cos ) блока 15, после чего на один вход умножителя 32. На другой вход умножителя 32 поступает сигнал датчика 10 длины стрелы (L), а с его выхода сигнал произведения (L cos ) поступает на один вход сумматора 28 блока 14. На другой вход сумматора 28 поступает от блока 19 величина С₂. В результате алгебраического сложения на выходе сумматора 28 появляется сигнал разности (L сos С₂), который поступает на один вход умножителя 29.

При этом сигнал датчика 12 угла поворота стрелы () складывается в сумматоре 27 с сигналом от блока 18 угла (_k) между осью крана и перпендикуляром к плоскости препятствия, характеризующим установку крана относительно препятствия, и в виде суммы ( + _k) поступает на вход функционального преобразователя 30 cos( + _k), после которого на второй вход умножителя 29. На выходе умножителя 29 появляется сигнал

R_х=(L cos -С₂) cos( + _k)

Элементы блока 14 могут быть выполнены на стандартных схемах как аналоговой, так и цифровой элементной базы.

Работа блока 14 в варианте, приведенном на фиг. 8, происходит следующим образом.

Сигнал датчика 11 угла наклона стрелы () поступает на функциональный преобразователь 37 (sin ) блока 34, после чего на один вход умножителя 38. На другой вход умножителя 38 поступает сигнал датчика 10 длины стрелы (L), а с его выхода сигнал произведения (L sin ) поступает на один вход сумматора 36. На другой вход сумматора 36 поступает от блока 19 величина С₁, а на третий вход сумматора 36 поступает сигнал датчика 33 количества троса на барабане лебедки. В результате алгебраического сложения появляется сигнал, характеризующий высоту подъема груза, либо при отсутствии сигнала (нулевом сигнале) датчика 33 количества троса на барабане грузовой лебедки высоту оголовка стрелы.

Работа устройства (фиг. 9), обеспечивающего выбор скоростных режимов движения, происходит следующим образом.

В блок 17, определяющий допустимые координаты грузозахватного устройства, поступают сигналы от блока 13 о допустимом вылете по условиям нагрузки. Сигналы блока 17 и блока 14 фактических координат алгебраически суммируются в блоке 16, в результате чего определяется степень удаленности грузозахватного устройства от предельных координат. Сигналы блока 16 поступают на входы блока 39 определения допустимой скорости, на другие входы которого поступают сигналы от задатчиков 41-44 скоростей механизмов крана.

Задание скорости производится оператором посредством органов управления 45-48.

Сигналы блока 16 поступают на масштабирующий усилитель 50 для обеспечения возможности совместной обработки их с сигналами задатчиков скорости 41-44 (по существу датчиков перемещения рукояток, сигналы которых выражены в единицах расстояния), после чего они суммируются сумматорами 51-54 и дифференцируются блоком 55 по времени с целью предания сигналам масштаба скорости для возможности сравнения в сравнивающем устройстве 40 с сигналами блока 49 определения фактических скоростей телескопирования, подъема стрелы, подъема груза и поворота стрелы.

Одновременно по сигналам датчиков 10, 11, 12, и 33 блоком 49 определения фактических скоростей путем дифференцирования сигналов датчиков определяются фактические скорости механизмов крана. Результаты сравнения блоком 40 сигналов блоков 39 и 49 передаются на блок 20 усилителей и исполнительный блок 21 (в данном случае пропорционального действия).

Работа устройства, построенного с использованием средств вычислительной техники (микропроцессорной системы) и в соответствии с фиг. 11, реализующей структурные схемы фиг. 3 и 6, происходит следующим образом.

Сигналы органов управления 45-48 и датчиков 9, 10, 11, 12 и 33 коммутируются мультиплексором 56 на вход кодирующего блока 57 и в цифровой форме поступают в вычислительный блок 58. После обработки в соответствии с описанными выше алгоритмами сигналы распределяются по видам движений механизмов демультиплексором 59 на регистры 60 внешней оперативной памяти, обеспечивающие устойчивость сигналов управления в пределах цикла обработки данных. Далее сигналы декодирующим блоком 61 преобразуются в вид, удобный для управления исполнительными механизмами, усиливаются блоком 20 усилителей и включают исполнительный блок 21.