操縱折彎杆的設備的製作方法
2023-05-07 20:14:06 1
專利名稱：操縱折彎杆的設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種操縱折彎杆的設備，折彎杆鉸接在一優選可繞機架上的豎軸旋轉的杆座上以及有至少三個杆臂，它們可各藉助一個驅動器分別繞水平的彼此平行的鉸接軸相對於杆座或相鄰杆臂有限地迴轉，設備有一個調整裝置，用以控制用於杆運動的驅動器，它有一個對優選在一個固定在機架上或杆座上的坐標系統內預定的指令參數和藉助在杆臂上的角度傳感器確定的角度測量值作出響應的坐標轉換器，用以按照預定的行程/迴轉特徵曲線的標準轉換為用於驅動器的涉及鉸接軸的運動信號。
這種設備例如使用於尤其混凝土泵的大型機械手中。此類大型機械手由操作員操縱，他通過遙控器不僅負責泵的控制而且負責設在折彎杆頂端的終端軟管的定位。為此，操作員應當在注意工地現場條件的同時，在不具有某種結構的三維工作空間，通過附屬的驅動器運動折彎杆，操縱折彎杆多個旋轉自由度。雖然單根軸操作有可將各杆臂獨立置於任意的只受其迴轉範圍限制的位置的優點。但在這種情況下為折彎杆或杆座的每根軸配設遙控器遙控機構的一個主調節方向，所以當存在三個和三個以上的杆臂時操縱並非一目了然的。操作員必須始終用眼睛注視被操縱的軸和終端軟管，以避免終端軟管失控運動的危險並由此避免傷害工地現場的人員。
為了在這方面能更容易操作，已建議了一種操縱設備(DE-A-4306127)，其中，折彎杆冗餘的鉸接軸在杆座任何旋轉位置均獨立於杆座的旋轉軸與遙控機構唯一的調節過程共同控制。在這裡，折彎杆實施一種對操作員顯而易見的伸長和縮短運動，此時杆頂端的高度保持恆定。為了能做到這一點，在那裡，控制器有一個可通過遙控器控制並有計算機支持的驅動器坐標轉換器，藉助它可獨立於杆座的旋轉軸驅動器，在杆頂端高度給定時，沿遙控機構的一個主調節方向操縱鉸接軸驅動器，以實施折彎杆伸縮運動。沿另一個主調節方向，鉸接軸的驅動器可獨立於旋轉軸的驅動器操縱，以實施杆頂端的升降運動。為了在伸縮運動時優化運動過程，在那裡認為重要的是，折彎杆冗餘的鉸接軸可分別按行程/迴轉特徵曲線的標準操縱。屬於此的是行程/迴轉特徵曲線在坐標轉換器內在取決於作用在各杆臂上的負載的彎矩和扭矩的影響下進行修正。
為了檢測折彎杆內的運動過程，在杆臂上設用於確定彎折角的角度傳感器。各個角度傳感器只分別測量一根鉸接軸的兩個杆臂之間的彎折角。此類角度測量是穩定的，因為在軸區域內的系統是比較剛性的以及因為角度傳感器相當準確地提供實際彎折角。涉及此軸的測量值與另一些軸上的測量值無關。因此人們獲得在一方面是彎折角以及另一方面是終端軟管當前位置之間的一種比較簡單的數學關係。在這裡指的是涉及鉸接軸的角坐標與以機架為基準的圓柱坐標之間的坐標轉換，機器的終端軟管在圓柱坐標內運動。
涉及鉸接軸的角度測量值還與各杆臂在負載力矩作用下的撓度無關。撓度必須另外通過數學關係考慮。為此必須首先確定各臂部分的質量以及與此同時尤其是相關布料管用混凝土充填的情況。然後撓度純計算地在坐標轉換時考慮。這被認為是有缺點的。
另一方面從動力學的觀點業已證明有利的是，涉及鉸接軸的角度測量沒有包含有關振動狀態的信息份額，所以有關的角度測量存在一種動態去耦。因此，比較穩定的軸角度使得有可能在使用有關各軸內振動狀態，例如有關在附屬的調整缸內動態壓力過程的附加的信息的情況下實施幹擾量反饋。由此可以有效地阻尼振動(參見DE-A-10046546)。
已知的設備，其中杆臂角在一個固定在機架上涉及鉸接軸的坐標系統中測量，有下列缺點a)角度傳感器安裝在鉸接軸區域內是麻煩的，因為在軸區域內存在許多結構材料，它們妨礙角度傳感器的固定。
b)涉及軸的角度傳感器連同敷設的電纜的質量比較大，每根軸約50kg。
c)用涉及鉸接軸的角度傳感器只測量彎折角，而且沒有考慮各杆臂的撓度。對於布料管有或沒有充填混凝土的通過作用的負載力矩造成的撓度需要附加的數學模件，它可能帶來誤差。
由此出發，本發明的目的是設計一種操縱尤其用於大型機械手的折彎杆的設備，它的測量設備、固定件和布線有小的重量並能方便地安裝，以及藉助它也可以通過測量技術獲知有關杆臂撓度和系統動力學的信息。
為達到此目的建議在權利要求1和11中說明的特徵組合。由從屬權利要求提供本發明有利的設計和進一步發展。
本發明第一種方案規定，在杆臂上優選地離鉸接軸有一距離處剛性地設置測地學(geodtische)的角度傳感器，用於確定各杆臂以地為基準的角度測量值。為了在坐標轉換時也能考慮杆座和支承它的機架非水平的方向，有利的是附加地設一個裝在杆座和/或至少一個裝在機架上的測地學角度傳感器，用於測量屬於杆座和/或機架的以地為基準的角度測量值。
本發明的一項優選的設計規定，測地學的角度傳感器設計為響應地心引力的斜角傳感器。
用按本發明的測地學角度傳感器確定的以地為基準的角度測量值，可以在按本發明的操縱設備中按不同的方式評估a)可按靜力學由此算出各彎折角。然後通過彎折角可建立與基於機架的圓柱坐標的關係。傳統的坐標轉換由彎折角確定各杆臂在空間的方向並由此確定終端軟管沿徑向及其離地高度的當前位置。
b)杆臂的按本發明測地學角度測量值也可以直接地不通過彎折角迂迴地換算為終端軟管的圓柱坐標。
c)在a)和b)兩種情況下基於負荷力矩的靜態變形影響已經包含在測量值內。歸因於地基變形的安裝斜度也已考慮在內。
d)在折彎杆伸展和收攏時在鉸接軸內的角度位置按照a)必須是已知的，因此杆臂可以互不衝突地運動。屬於這方面的還有自相矛盾，亦即在各杆臂與裝在它上面的零件之間的矛盾。
為了使所有這些均能實現，按本發明一項有利的設計建議，坐標轉換器有一軟體程序，用於將以地為基準涉及杆臂的角度測量值換算成彎折角。附加地，坐標轉換器還應有一個軟體程序，用於按照折彎杆預定的行程/迴轉特徵曲線的標準將在以機架為基準的圓柱坐標系統中的指令參數換算成指令彎折角。
在使用杆臂上的測地學角度傳感器時，居先的那些臂的斜度及其變化直接影響相鄰臂的角度測量值。也就是說，若第一個杆臂改變了其斜角，則也改變隨後的那些杆臂的斜度一個相應的量。這不僅應在靜態而且也應在動態的斜度改變時考慮。在發生這種改變時產生的質量效應或慣性效應也動態地分布在各杆臂上。因此在坐標轉換時必須區別，斜度變化究竟是由杆臂本身引起還是由居先的杆臂引起的。這導致一個歸屬問題在各杆臂上測量到任何角度改變時必須確定，哪一個改變份額是由哪一個杆臂引起的。為此需要一個數學模件，它造成在各杆臂內測地學角度測量的去耦。為此按本發明實施換算為涉及鉸接軸的角坐標的信號的動態去耦。為此按本發明設一個響應動態角度測量值的軟體程序，用於將它分成低頻和高頻的角度測量值分量。此外，按本發明一項優選的設計設一組涉及鉸接軸的調節比較器，它們可加入彎折角的靜態或低頻分量作為實際值以及加入指令彎折角作為額定值，以及它們在出口側與涉及鉸接軸的指令參數調節器連接，後者用於控制所涉及的鉸接軸的驅動器。
按本發明的另一項有利的設計，設一組涉及鉸接軸的幹擾量調節器，它們可加入動態的角度測量值涉及鉸接軸的高頻分量，以及它們連接在鉸接軸附屬的驅動器的信號進口上以構成一個幹擾量輸入電路。在幹擾量調節器上遊可連接一個響應彎折角以地為基準的動態角度測量值和累加的高頻分量的軟體程序，用於確定各彎折角的高頻分量。
動態角度測量值的上述分解，導致獲得各種類型不同的調整信號並在不同的調節迴路中評估，即一個指令參數調節器，它影響由操作員預定的指令特性，和一個幹擾量調節器，它影響振動特性。這兩組調節器可加入由所述的分解得出的實際值信號分量。指令參數調節器的額定值由例如控制杆輸入的數據產生，亦即由操作員的給定值產生，附加地考慮預調的行程/迴轉特徵曲線，而分出的幹擾量通過幹擾量調節器調整到零，目的是抑制振動。按本發明指令特性附加地包括杆臂的靜態變形和地基的安裝斜度。
第二種方案在於，在杆臂上分別剛性地設一個衛星支持的GPS模件(Global Positioning System)，用於確定各個杆臂以地為基準的位置測量值，其中坐標轉換器可加入GPS模件的位置測量值。有利地，另設一個裝在杆座上的GPS模件，以及必要時設至少一個裝在機架上的GPS模件，用於確定屬於杆座和/或機架的以地為基準的位置測量值。以地為基準涉及杆臂的位置測量值有利地藉助一個坐標轉換器的軟體程序轉換成彎折角。有利地，坐標轉換器附加地有一個軟體程序，用於按照預定的折彎杆行程/迴轉特徵曲線的標準將指令參數換算成以機架為基準的指令彎折角。若位置測量值還含有頻率足夠高的動態位置信息，則有利的是設一個響應動態位置測量值的軟體程序，用於將它分成低頻和高頻的位置測量分量。在這種情況下有利的是設一組調節比較器，它們可加入彎折角的靜態或低頻分量作為實際值以及加入指令彎折角作為額定值，以及，它們在出口側與一個涉及鉸接軸的指令參數調節器連接，後者用於控制所涉及的鉸接軸的驅動器。指令參數調節器保證，操作員例如藉助控制杆的給定值轉換成折彎杆期望的伸或縮運動。為了阻尼振動可以附加地設一組涉及鉸接軸的幹擾量調節器，它們可加入動態角度測量值涉及鉸接軸的高頻分量，以及它們連接在鉸接軸附屬的驅動器的信號進口上以構成一個幹擾量輸入電路。在這裡恰當地在幹擾量調節器上遊連接一個響應彎折角以地為基準的動態的位置測量值和累加的高頻分量的軟體程序，用於確定彎折角涉及鉸接軸的高頻分量。
下面藉助附圖中示意表示的實施例詳細說明本發明。其中
圖1折彎杆已收攏的自行式混凝土泵側視圖2按圖1的自行式混凝土泵，折彎杆處於工作位置；圖3將測地學(以地為基準)角度測量值轉換為涉及鉸接軸的角度測量值的簡圖；圖4操縱折彎杆的設備系統圖。
自行式混凝土泵10包括車身底盤11、例如設計為雙缸活塞泵的泥漿泵12以及作為混凝土輸送管16支架的混凝土布料杆14。在澆築混凝土時連續加入進料鬥17內的液體混凝土，通過混凝土輸送管16輸送到一個遠離汽車11停車位的混凝土澆築地點18。布料杆14由一個可藉助液壓旋轉驅動器19繞豎軸13旋轉的杆座21和可在杆座21上迴轉的折彎杆22組成，折彎杆22可連續調整，改變在汽車11與混凝土澆築地點18之間的作用距離和高度差。在圖示的實施例中，折彎杆22由五個互相鉸接的杆臂23至27組成，它們可繞彼此平行和垂直於杆座21豎軸13延伸的軸28至32迴轉。由鉸接軸28至32構成的曲鉸的彎折角α1至α5(圖2)及其相互關係按這樣的方式彼此協調，即，使布料杆能以圖1所示通過多重摺疊節省空間地運輸時的構型放置在汽車11上。通過起動為鉸接軸28至32逐個配設的驅動器34至38，折彎杆22可按在混凝土澆築地點18與汽車停車位之間不同的距離r和/或高度差h展開(圖2)。
操作員藉助無線遙控器50控制杆的運動，通過杆的運動將杆頂端33和終端軟管43移到要澆築混凝土的區域的上方。終端軟管43典型的長度為3至4m，並由於其鉸接地懸掛在杆頂端33的區域內以及基於其固有的柔性，可由軟管操作者將其出口端保持在一個對混凝土澆築點恰當的位置上。
由圖2可以看出，在每個杆臂23至27上剛性地設一個測地學的角度傳感器44至48，用於確定各個杆臂以地為基準的角度測量值εv(見圖3)。另一個測地學的角度傳感器49處於杆座21上。藉助它可以測量豎軸13相對於垂直線的斜度，並因而也可測得汽車底盤相對於地面的斜度。角度傳感器44至48代替在傳統的折彎杆控制器中所設的涉及鉸接軸的角度傳感器。
由圖3可見，在靜態，涉及鉸接軸的彎折角dv可以由杆臂藉助測地學角度傳感器44至48確定的以地為基準的角度εv計算如下v=v-n-1v-1n]]>其中v＞1以及α1＝ε1其中v＝1其中安裝斜度假定為零。測地學角度傳感器44至49恰當地設計為響應地心引力的斜角傳感器。因為角度傳感器設在鉸接軸28至32之外的杆臂23至27上，所以它們的測量值含有有關杆系統的撓度和動態振動狀況附加的信息分量。此外，在測量值內還含有有關安裝斜度和地基內變形的信息，它可以通過在杆座或機架上附加的測量點49分開。
在圖4表示的實施例中，遙控器50包括至少一個設計為控制杆的搖控機構60，它可沿三個主調節方向往復調整以輸出控制信號62。控制信號62通過無線通信距離64傳輸給固定在車上的無線接收機66，它在輸出側通過一個例如設計為CAN數據總線的數據總線系統68連接在微控制器70上。微控制器70包括軟體模塊74、76、78、80，從遙控器50接收的控制信號62(、r、h)和從測地學角度傳感器44至48接收的測量信號82(εv)通過它們解釋、轉換，並藉助指令參數調節器84、幹擾量調節器86和下遊的信號發送器88轉換成鉸接軸28至32驅動器34至38(致動器)的操縱信號(Δαv)。
在圖示的實施例中，遙控機構60沿三個主調節方向的輸出信號解釋為「前/後傾斜」用於調整杆頂端33到杆座旋轉軸13的半徑r、「左/右傾斜」用於控制繞杆座21旋轉軸13的角度以及「左/右旋轉」用於調整杆頂端33在混凝土澆築點18上方的高度h。遙控機構60沿各方向的偏轉在一個圖中未表示的內插程序中轉換為速度信號，其中一個極限值數據保證，軸的運動速度及其加速度不超過預定的最大值(參見DE-A-10060077)。
稱為「轉換程序」的軟體模塊74的任務是，將輸入的解釋為圓柱坐標、r、h的控制信號(額定值)在預定的時間節拍內轉換為旋轉軸和鉸接軸13、28至32處的角度信號s、αSv。每一根鉸接軸28至32在轉換程序74內在使用預定的行程/迴轉特徵曲線的情況下按軟體控制為，使曲鉸根據行程和時間彼此和諧運動。因此，曲鉸冗餘自由度的控制按預先編程序的策略進行，藉助此策略還可以在運動過程中排除與相鄰杆臂23至27自相矛盾的可能性。
測地學的角度傳感器44至48在預定的時間節拍內測量當前以地為基準的角度εv，並將測量值通過數據總線系統68傳輸給微型控制器74。測量值εv在軟體模塊76內換算為彎折角實際值αiv。然後，與時間有關的彎折角在稱為「過濾程序」的軟體模塊78內分為低頻(準靜態)彎折角αivN和高頻總和彎折角信號αH。涉及軸的低頻彎折角實際值αivN在調節比較器90中與額定值αsv比較並通過指令參數調節器84和信號發送器88用於控制通往驅動器34至38的閥。高頻總和分量αH在稱為「關聯程序」的軟體模塊80內利用涉及杆的以地為基準的角度測量值εv轉換為涉及鉸接軸的高頻幹擾信號αvH，它們通過調節比較器92和幹擾量調節器86在構成幹擾量輸入電路的意義上輸入信號發送器88並在那裡調整為零。
原則上也可以取代測地學的角度傳感器，採用在杆臂上的衛星控制GPS位置傳感器。由此測得的位置值可作為實際值通過適用的轉換程序76換算成彎折角以及按與以地為基準的角度測量值相同的方式通過微型控制器70評估。
可概括如下；本發明涉及一種操縱尤其用於大型機械手和混凝土泵的折彎杆的設備。折彎杆22鉸接在可繞豎軸13旋轉的杆座21上。折彎杆有至少三個杆臂23至27，它們可各藉助一個驅動器34至38分別繞水平的彼此平行的鉸接軸28至32相對於杆座21或相鄰的杆臂23至27有限地迴轉。此外設一調整裝置用於控制杆運動的驅動器，它有一個對預定的指令參數r和藉助在杆臂23至27上的角度傳感器44至48確定的角度測量值εv作為響應的坐標轉換器74、76，用於按照預定的行程/迴轉特徵曲線的標準轉換為用於驅動器34至38的涉及鉸接軸的運動信號Δαv。為了獲得一種較輕和簡單的結構方式，按本發明建議，在杆臂23至27上離鉸接軸一定距離處剛性地設測地學的角度傳感器44至48，用於確定各個杆臂23至27以地為基準的角度測量值εv。
權利要求
1.操縱折彎杆(22)的設備，折彎杆鉸接在一優選可繞機架(11)上的豎軸(13)旋轉的杆座(21)上，以及有至少三個杆臂(23至27)，它們可各藉助一個驅動器(34至38)分別繞水平的彼此平行的鉸接軸(28至32)相對於杆座(21)或一個相鄰杆臂(23至27)有限地迴轉，所述設備有一個調整裝置(微型控制器70)，用以控制用於杆運動的各驅動器(34至38)，它有一個對優選在一個固定在機架上的坐標系統內預定的指令參數(r、h)和藉助在杆臂(23至27)上的角度傳感器(44至48)確定的角度測量值(εv)作出響應的坐標轉換器(76、76)，用以按照一種預定的行程/迴轉特徵曲線的標準轉換為用於驅動器(34至38)的涉及鉸接軸的運動信號(Δαv)，其特徵為在杆臂(23至27)上剛性地設置測地學的角度傳感器(44至49)，用於確定各個杆臂(23至27)以地為基準的角度測量值(εv)。
2.按照權利要求1所述的設備，其特徵為附加地設一個裝在杆座(21)上的測地學角度傳感器(49)，用於測量屬於杆座(21)的以地為基準的角度測量值。
3.按照權利要求1或2所述的設備，其特徵為附加地設至少一個裝在機架(11)上的測地學角度傳感器，用於測量至少一個屬於機架的以地為基準的角度測量值。
4.按照權利要求1至3之一所述的設備，其特徵為測地學的角度傳感器(44至49)設計為響應地心引力的斜角傳感器。
5.按照權利要求1至4之一所述的設備，其特徵為坐標轉換器有一個軟體程序(76)，用於將以地為基準涉及杆臂的角度測量值(εv)換算成彎折角(αiv)。
6.按照權利要求1至5之一所述的設備，其特徵為坐標轉換器有一個軟體程序(74)，用於按照折彎杆(22)預定的行程/迴轉特徵曲線的標準將指令參數(r)換算成指令彎折角(αSv)。
7.按照權利要求1至6之一所述的設備，其特徵在於一個響應動態角度測量值(αiv)的軟體程序(78)，用於將它分成低頻和高頻的角度測量值分量。
8.按照權利要求6或7所述的設備，其特徵在於一組涉及鉸接軸的調節比較器(90)，它們可加入涉及鉸接軸的彎折角(αiv)的靜態或低頻分量(αivN)作為實際值以及加入相對於鉸接軸的指令彎折角(αsv)作為額定值，以及，它們在出口側與涉及鉸接軸的指令參數調節器(84)連接，後者用於控制所涉及的鉸接軸(28至32)的驅動器(34至38)。
9.按照權利要求7或8所述的設備，其特徵在於一組涉及鉸接軸的幹擾量調節器(86)，它們可加入彎折角涉及鉸接軸的高頻分量(αvH)，以及，它們連接在鉸接軸(28至32)附屬的驅動器(34至38)的信號進口(88)上以構成一個幹擾量輸入電路。
10.按照權利要求9所述的設備，其特徵為在幹擾量調節器(86)上遊連接一個響應彎折角以地為基準的角度測量值(εv)和高頻的總和分量(αH)的軟體程序(80)，用於確定彎折角涉及鉸接軸的高頻分量(αvH)。
11.操縱折彎杆(22)的設備，折彎杆鉸接在一優選可繞機架(11)上的豎軸(13)旋轉的杆座(21)上以及有至少三個杆臂(23至27)，它們可各藉助一個驅動器(34至38)分別繞水平的彼此平行的鉸接軸(28至32)相對於杆座(21)或一個相鄰杆臂(23至27)有限地迴轉，所述設備有一個調整裝置(微型控制器70)，用以控制用於杆運動的各驅動器(34至38)，它有一個對優選在一個固定在機架上的坐標系統內預定的指令參數(r、h)和藉助在杆臂(23至27)上的角度傳感器44至48)確定的角度測量值(εv)作出響應的坐標轉換器(74、76)，用以按照一種預定的行程/迴轉特徵曲線的標準轉換為用於驅動器(34至38)的涉及鉸接軸的運動信號(Δαv)，其特徵為在杆臂上分別剛性地設置一GPS模件，用於確定各個杆臂以地為基準的位置測量值，其中坐標轉換器可加入GPS模件的位置測量值。
12.按照權利要求11所述的設備，其特徵為附加地設一個裝在杆座上的GPS模件，用於測量屬於杆座的以地為基準的位置測量值。
13.按照權利要求11或12所述的設備，其特徵為附加地設至少一個裝在機架上的GPS模件，用於測量至少一個屬於機架的以地為基準的位置測量值。
14.按照權利要求11至13之一所述的設備，其特徵為坐標轉換器有一個軟體程序(74)，用於將以地為基準涉及杆臂的位置測量值轉換成彎折角(αiv)。
15.按照權利要求11至14之一所述的設備，其特徵為坐標轉換器有一個軟體程序，用於按照折彎杆(22)預定的行程/迴轉特性曲線的標準將指令參數(r)換算成指令彎折角(αsv)。
16.按照權利要求11至15之一所述的設備，其特徵在於一個響應動態位置測量值的軟體程序(78)，用於將它分成低頻和高頻的位置測量值分量。
17.按照權利要求15或16所述的設備，其特徵在於一組涉及鉸接軸的調節比較器(90)，它們可加入彎折角(αiv)的靜態或低頻分量(αivN)作為實際值以及加入指令角(αsv)作為額定值，以及，它們在出口側各與一個涉及鉸接軸的指令參數調節器(84)連接，後者用於控制所涉及的鉸接軸(28至32)的驅動器。
18.按照權利要求16或17所述的設備，其特徵在於一組涉及鉸接軸的幹擾量調節器(86)，它們可加入彎折角涉及鉸接軸的高頻分量(αDH)，以及，它們連接在鉸接軸(28至32)附屬的驅動器(34至38)的信號進口(88)上以構成一個幹擾量輸入電路。
19.按照權利要求18所述的設備，其特徵為在幹擾量調節器(86)上遊連接一個響應彎折角以地為基準的位置測量值和高頻分量(αH)的軟體程序(80)，用於確定彎折角涉及鉸接軸的高頻分量(αvH)。
全文摘要
本發明涉及一種操縱尤其用於大型機械手和混凝土泵的折彎杆的設備。折彎杆(22)鉸接在可繞豎軸(13)旋轉的杆座(21)上。折彎杆有至少三個杆臂(23至27)，它們可各藉助一個驅動器(34至38)分別繞水平的彼此平行的鉸接軸(28至32)相對於杆座(21)或相鄰的杆臂(23至27)有限地迴轉。此外設一調整裝置用於控制杆運動的驅動器，它有一個對預定的指令參數(r)和藉助在杆臂(23至27)上的角度傳感器(44至48)確定的角度測量值(ε
文檔編號B25J13/08GK1678806SQ03820315
公開日2005年10月5日 申請日期2003年6月30日 優先權日2002年8月27日
發明者H·本科特, K·勞 申請人:粉刷師股份公司