Ideen til at bygge denne kran opstod som følge af mine tidligere modeller. Jeg talte en dag med en af mine vejledere på Danmarks Tekniske Universitet, som arbejder med reguleringstekniske opgaver. Vi kom til at tale om LEGO, da vi anvender en del LEGO på Institut for Automation. Han fortalte at han altid havde "ønsket" sig en rigtig Containerkran at regulere på. Inden længe havde vi aftalt at jeg skulle forsøge at bygge en model i LEGO. Planen var først at bygge en prototype af mine egne klodser, udstyre denne model med motorer, sensorer og en række RCX'ere til at styre det hele. Hvis det viste sig at modellen fungerede som ønsket ville DTU forsøge at ansøge LEGO om donering af klodser til en permanent model som kunne anvendes til diverse regulerings og styrings projekter af andre studerende.
)
Jeg kontaktede KONECRANES i Finland, der er en stor producent af STS containerkraner, og de hjalp straks med billeder
og tegninger af deres kraner, så modellen kunne blive så virkelighedstro som muligt.
Efter lidt samtaler med KONECRANES blev vi enige om at forbilledet til modellen skulle være en kran der netop
er blevet opsat på havnen i Barcelona, se billedet til højre.
En såkaldt Ship-to-Shore (STS) containerkran er en kran der sørger for at løfte containere af og på et skib. De er normalt monteret på et par langsgående skinner på en kajkant, og kan derved kører langs skibene og losse og læsse dem for containere. Containerne løftes ind på kajen, og her hjælper små trucks og lastbiler med at flytte dem videre rundt på havnen, eller direkte ud til kunderne.
Jeg valgte at bygge kranen i skala 1:40, ud fra min vurdering af den mængde klodser jeg har til rådighed, og for at sikre mig at modellen kunne opstilles i en normal bygning, med lidt over 2 meter til loftet. Skalaforholdet på 1:40 betyder derfor også at en normal container vil være 1 fod lang.
De data jeg har at gå efter for den originale kran, er indført herunder.
 |
|
Fra start af dette projekt, var det meningen at der i første omgang skulle bygges en prototype, jeg har derfor ikke lagt vægt på udseendet under opbygningen, mest vægt og dimensioner, så kranen ville opføre sig så tæt på virkeligheden som en LEGO model giver mulighed for.
)
I bunden af en sådan containerkran sidder de såkaldte Gantry Boggies, disse boggier gør kranen istand til at bevæge sig langs havnekajen på nogle meget kraftige skinner. Se billedet til højre.
Kranen har to "ben" med to boggier på hver, på hver boggie sidder 16 hjul, der tilsammen bærer hele vægten af kranen, (flere hundrede tons).
LEGO modellen er ligeledes udstyret med 4 boggier, med ialt 64 hjul. I hver boggie er monteret en
9V gearet motor, udstyret med en gearing, der får kranen til at bevæge sig tæt på den rigtige hastighed
i skalaforholdet.
Boggierne kører på to togskinner, og imellem togskinnerne er indsat tandstænger, så man med en sensor
senere kan registrere hvor kranen befinder sig.
) |
) |
Jeg har lavet en lille video, hvor kranen bevæger sig sidevejs på skinnerne.
Læg mærke til lyden, hele konstruktionen vejer omkring 25 kg, derfor rumler den lidt når den kører.
Sidevejs bevægelse, Lav opløsning, 501KB
Sidevejs bevægelse, Høj opløsning, 2023KB
Videoerne kan bl.a. afspilles med Quicktime, som kan hentes her.
Selve kranen er opbygget omkring en meget kraftig rammekonstruktion. Oven på de 4 boggier, findes 2 kraftige firkantede rammer der i bunden støtter på boggierne og i toppen bærer selve bommen. Imellem de to rammer sidder en kraftig afstivning i ca. 17 meters højde, og i toppen sidder to mindre vandrette stænger, og to diagonale stænger der giver opbygningen dens stivhed.
De store rammer er opbyggede som firkantede profiler i LEGO, med plader på de to sider, og klodser på de
to andre sider, for at opnå den nødvendige stivhed er pladerne placeret på de lodrettet sider.
Ligeledes er den kraftige tværgående vange i bunden opbygget som et firkantet profil, forstærket indvendig
med Technic bjælker for at opnå den nødvendige styrke. For at kunne transportere kranen er alle stænger samlet
i enderne med hulklodser og aksler, så kranen kan adskilles hurtigt.
Vangerne i toppen og de diagonale vanger, er lavede som "runde" profiler, noget mindre kraftige end de andre
vanger, da de blot skal optage tryk og trækkræfter.
Størrelser |
|
På toppen af kranen findes også en række bjælker der bærer hele bommen, både hovedbommen og udliggeren.
Den består af to "bøjler" der står ovenpå de to "ben", den forreste lidt højere end den bagerste. Imellem
disse bøjler findes to vanger.
Alle vangerne på LEGO modellen er opbygget som runde profiler, men grundet mangel på klodser er nogle af
vangerne lidt sparsomt opbygget, funktionen er fin, men udseendet mangelfuldt.
Størrelser |
|
Containerne løftes og transporteres langs en bom, der går på tværs af havnekajen, dvs. fra skibet og ind på kajen eller omvendt. Bommen består af to dele, hovedbommen og udliggeren.
Hovedbommen strækker sig fra kajkanten, til ca. 40 meter bag kranens bagerste ben. Bommen hænger i to kraftige
ophæng under de to ben. Derudover støttes de af den bagerste overbygning, med to kraftige vanger fremad og bagud fra
denne.
Hovedbommen og overbygningen på rammen, støtter altså hinanden og bærer også udliggeren.
Størrelser |
|
I forlængelse af hovedbommen hænger udliggeren, den strækker sig fra kajkanten, og i dette tilfælde 51 meter
ud over vandet. På den måde kan den nå fra den ene side til den anden, af de fleste større containerskibe.
Udliggeren er fæstnet til hovedbommen med 2 kraftige hængsler, så det er muligt at vippe den op til næsten
lodret position, når skibene skal til og fra kajen.
I den yderste ende og cirka midt på bummen, er fæstnet to kraftige stænger der går op til den forreste
overbygning på rammen. Disse stænger bærer hele udliggeren, når den er i vandret position.
I den yderste ende af udliggeren, findes også et wirespil, der ligeledes går til toppen af overbygningen. Med dette spil er det muligt at hejse hele udliggeren op i lodret position. Det tager normalt ca. 5 min. Motorerne til at trække bommen op, sidder placeret i et lille hus, på den bagerste del af hovedbommen.
Størrelser |
|
Trolleyen, indeholder selve løftemekanismen til containeren, inden i den, sidder to store tromler, der kan
løfte containerne op og ned meget hurtigt. 75 meter pr. minut med 60 tons last!
Trolleyen har ruller og motorer så den kan køre frem og tilbage langs bommen. Denne hastighed er 210 meter pr. minut.
På denne model er hejseværket drevet af to almindlige 9V motorer.
Containerne hejses med 4 wires, og det største problem her er at få alle 4 wires til at spole op samtidig.
Når der er 4 wires, betyder det at alle skal vikles op lige hurtigt, ellers vil containeren blive hejst skævt op.
På de virkelige kraner, er tromlediameter, wiretykkelse, og længde afstemt så wiren rulles op i et lag ved
siden af hinanden. Hvis wiren ligger sig uden på sig selv under opspolingen, bliver diameteren på tromlen
større, og wirerne rulles da ikke ens op.
Som tromler har jeg anvendt 4 fælge fra 24x43 hjul, og lavet en trådføring med 4 snekke til de 4 wires, på den
måde sikres det at tråden ikke lægger sig oven på sig selv.
) |
) |
)
Spreaderen er den del af kranen, der griber containeren. Den hænger i 4 wires under trolleyen, og kan dermed bevæges
langs bommen, og op og ned via hejseværket i trolleyen.
Spreaderen er normalt lavet med 4 gribetapper, en i hvert hjørne. Tapperne er lidt aflange, og containeren gribes
da ved at føre de 4 aflange tapper ned i 4 tilsvarende aflange huller i containerens hjørner, derefter drejes de
4 tapper 90 grader, og containeren er da låst fast.
Jeg har lavet samme system på denne kran, for at kunne efterligne virkeligheden så meget som muligt. Tapperne drejes
af en enkelt 9V gearet motor, der via tandhjul og aksler har forbindelse til de 4 tapper.
) |
) |
I første omgang blev kranen udstyret med helt manuel styring, 3 funktioner blev koblet til et Technic Control Center,
og de sidste to funktioner på to almindelige switche.
Da kranen var bygget færdig, transporterede jeg den til Danmarks Tekniske Universitet, hvor den blev sat op i et
laboratorie for videre udbygning og tests. Kranen skal styres vha. RCX klodser, og det er derfor påkrevet at udstyre
kranen med diverse motorer og sensorer, til at kontrollere kranens bevægelser.
) |
) |
) |
) |
Her er 4 billeder af kranen på sin plads i laboratoriet, den er blevet udstyret med følgende motorer og sensorer.
Kranen er udstyret med ialt 10 stk. 9V motorer
GantryBoggies: 4 stk. gearede 9V motorer. Hejs af udligger: 1 stk. gearet 9V motor. Bevægelse af Trolley: 2 stk. 9V motorer. Hejs af Spreader: 2 stk. 9V motorer. Lås af container: 1 stk. gearet 9V motor.
Kranen er udstyret med følgende sensorer:
Boggies Vinkelsensor til positionsmåling af forreste boggie. Vinkelsensor til positionsmåling af bagerste boggie. Tryksensor til endestop i hver ende af hver boggie, ialt 4 stk. Udligger Tryksensor til endestop i top og bund, ialt 2 stk. Trolley Tryksensor til endestop i hver ende ialt 2 stk. Vinkelsensor til positionsmåling af trolley. Hejs af Spreader Tryksensor til topstop. Vinkelmåler til positionsmåling af spreader. Vinkelmåler til vinkelmåling af wire i to retninger. ialt 2 stk. sensorer. Spreader Tryksensor til registrering af container. Tryksensor til registrering af låsning af container.
Kranen er udstyret med 4 RCX klodser, til at kontrollere alle de ovennævnte motorer og sensorer.
De 4 RCX klodser kommunikerer via en IR forbindelse med et JAVA program på en PC. Styring af kranen
udføres med et 3 akset joystick tilkoblet PC'en.
X og Y retningen på joysticket bestemmer spreaderens position.
Z-aksen på joysticket, bestemmer spreaderens vertikale bevægelse. Knapperne bruges bl.a. til hejs af bommen, samt initialisering af de
enkelte dele.
) |
) |
) |
De to sæt boggier, skal kunne køres frem og tilbage langs de to skinner. Derudover er det vigtigt at de følges ad parallelt, da
hele konstruktionen kan kollapse hvis det ene sæt boggier kører for langt i forhold til det andet.
Første del af denne styring, består i at initialisere boggierne. Det foregår på følgende måde:
Begge sæt startes og kører imod venstre endestop, under denne del, kontrolleres at begge sæt kører lige langt.
Når det ene sæt når endestoppet, stoppes dette boggiesæt, reguleringen udkobles, og det andet sæt får lov at køre
imod det andet endestop. Når begge boggiesæt holder imod endestoppene, nulstilles begge positionsmålere, reguleringen
indkobles igen, og boggierne kan da bevæge sig frem og tilbage kontrolleret.
Bevægelsen styres fra computeren med et Joysticks X-retning. Initialisering aktiveres med en knap på Joysticket.
) |
) |
)
Hejset af udliggeren styres af to endestop og en enkelt motor. Normalt hænger udliggeren i 4 kraftige stænger fra toppen
af kranen. Når udliggeren hejses anvendes et kraftigt spil der sidder imellem enden af udliggeren og toppen af kranen.
I toppen af kranen sidder en tryksensor, der aktiveres når udliggeren er i næsten lodret position, denne sørger for at stoppe
spillet når udliggeren hejses. Stoppet i bunden var lidt sværere at få til at virke. Det er ikke nok at der placeres en tryksensor
et sted, som aktiveres når udliggeren er i bund. Det er først når udliggeren hænger i de fire stænger at motoren skal stoppe.
Det blev på denne prototype implementeret ved at spillet til at hejse udliggeren op med, blev placeret på et lille hængsel, derved
vipper spillet en smule op, når snorene strammes, og når udliggeren sænkes, og hænger i de 4 stænger, bliver snorene slappe
igen, og motoren vipper lidt ned og aktiverer tryksensoren.
Hejs af udliggeren sker med to knapper på Joysticket.
)
Trolleyen styres på stort set samme måde som de to boggier i bunden af kranen. Ved initialisering, køres trolleyen ud imod
det ene endestop, og positionen nulstilles, på den måde ved kranen hvor trolleyen er henne.
Trolleyen er også udstyret med en regulering for at modvirke at Spreaderen og en eventuel container ikke kommer i svingninger
forklaring kan ses under punktet "Regulering".
Bevægelsen styres fra computeren med Joystickets Y-retning. Initialisering sker ligeledes med en knap på joysticket.
)
Spreaderen kan hejses op og ned via et kraftigt spil placeret i trolleyen. I toppen under trolleyen sidder monteret
et topstop, der sikrer at Spreaderen ikke hejses for højt op. Dette topstop anvendes også ved initialisering.
Herefter kan den udregnede position anvendes som et "bundstop".
Bevægelsen styres fra computeren med Joystickets Z-retning (Throttle). Initialisering sker med en knap.
Containerenlåsen styres af to tryksensorer og en motor. Motoren drejer de fire låse, så containeren fastholdes.
Den ene tryksensor sidder monteret og registrerer om containerlåsene står i position låst eller ulåst.
Den anden sensor registrere om Spreaderen hviler korrekt oven på en container, den kan kun aktiveres hvis spreaderens
aflange tapper passer ned i de aflange huller på containeren.
Opsamling af container foregår da sådan: Først sænkes spreaderen ned over containeren, og de 4 låse rammer ned i containerens
4 huller. Den ene sensor registrere "berøring af container". Den anden sensor viser "ulåst", motoren drejer da de 4 låse over i positionen "låst".
Når de 4 låse når positionen låst, registrer den anden sensor det, og containeren kan nu løftes. Den smule slør der er i de 4 låse
gør at Spreaderen lige præcis løftes så meget fra containeren at den ikke rører den første sensor mere. Nu kan containeren flyttes rundt.
og styringen sørger for at man ikke kan tabe containeren, da den ikke vil tillade nogen bevægelse af låsene, når den ene sensor
viser "låst" og den anden viser "ingen berøring".
Når containeren sættes imod et underlag igen, synker Spreaderen lidt, viser den ene sensor igen "berøring af container", og den anden "låst".
Motoren låser da de 4 låse op, den ene senser viser da "ikke låst", og Spreaderen kan da hæves igen. Systemet er da
beskyttet imod utilsigtet håntering af containerne.
Hele ideen med dette projekt er at forsøge at kontrollere spreaderens bevægelser, dvs. undgå at spreaderen
begynder at svinge ukontrolleret. Normalt er det den rutinerede kranfører der sørger for at spreaderen ikke
kommer i svingninger, og skulle den gøre det, kan han sørge for at stoppe svingningen ved at bevæge trolleyen
i et bestemt mønster.
Ideen er nu at kontrollere disse bevægelser, og hjælpe kranføreren med at undgå svingninger, og hvis det alligevel
skulle ske, kan regulatoren hurtigt og effektivt, sørge for at indregulere svingningen igen. På sigt
kunne man også forestille sig at containerkranen kunne køre automatisk.
For at kunne foretage reguleringen, kræves der normalt tre ting: Et objekt at regulerer, en passende sensor og
en passende aktuator.
I dette tilfælde er det trolleyens bevægelse vi ønsker at kontrollere ud fra spreaderens bevægelser.
Aktuator findes i form af trolleyens motorer.
Sensoren til at bestemme spreaderens bevægelser er implementeret vha. en vinkelsensor fra firmaet DCP-Micro
Sensoren har en meget finere opløsning end standard vinkelsensoren fra LEGO. Vinkelsensoren er monteret på den
ene wire der bærer spreaderen, på den måde kan den registrere vinkelen som spreaderen hænger i, og denne ønskes
selvfølgelig at 0, i forhold til lodret.
) |
) |
Den første regulator jeg har implementeret er en såkaldt proportional-regulator, i daglig tale kaldes den en P-regulator. Det er en af de simpleste regulatorer man kan lave, og den fungerer simpelt ved at trolley-motorens hastighed er proportional med vinklen der måles på wiren. Dvs. hvis containeren hænger lidt til den ene side, så følger trolleyen med, og hænger den til den anden side, følger trolleyen med den vej. Des større vinkelen er, des hurtigere kører motoren.
Resultatet kan ses på denne video, hvor regulatoren forholdsvis hurtigt får bragt containeren i stilstand.
P-regulering, Høj opløsning, 1314KB
Videoerne kan bl.a. afspilles med Quicktime, som kan hentes her.
Den anden regulator jeg har implementeret er en såkaldt lavpas-regulering, den er noget mere effektiv end den simple P-regulator, da den også tager højde for selve svingningen, ikke kun vinkelen. Dvs. hvis wiren har en skæv vinkel, men er igang med at svinge tilbage, så ved regulatoren, at den ikke skal forsøge at rette vinkelen op, men istedet svingningen. Navnet Lavpas, kommer af at den målte vinkelfejl på wiren bliver lavpasfiltreret og summeret med positionsfejlen. Med denne regulator for man en meget hurtigere indsvingning.
Resultatet kan ses på denne video, hvor regulatoren meget hurtigt får bragt containeren i stilstand, efter de gentagne påvirkninger.Siden beskrivelsen slutter her, må jeg hellere komme med en lille konklusion på projektets status.
Som nævnt i starten, var planen at min model skulle udskiftes med en permanent model, der kunne blive stående
på DTU, og anvendes til forskellige forsøg og test. Desværre er det ikke lykkedes for DTU at få kontakt til LEGO,
og forespørge om donation af klodser til en eksisterende model. Modellen viste tydeligt at den var anvendelig, og
kunne danne basis for andre projekter. Men da jeg ikke ville donere mine klodser er projektet endt på dette sted.
Jeg ville gerne have arbejdet videre med projektet, men da der ikke er plads i mit studie på nuværende tidspunkt,
har jeg altså valgt at stoppe projektet. Alle data er gemt, og hvis det skulle lykkedes at få doneret klodserne af anden
vej vil projektet højst sandsynligt blive taget op igen.
Status på projektet er således, at kranen er i stand til at indregulere en svingning i den langsgående retning
af bommen. Reguleringen er ikke perfekt, men lavpas-reguleringen viser fint princip og funktion.
Fremtidige udvidelser ville indebære at reguleringen også kunne indregulere tværgående svingninger.
Derudover kunne regulatorern forbedres yderligere, og derefter kunne det være ønskeligt at kranen selv kunne flytte containere
fra en position til en anden. Fremtiden vil vise det.
Herunder er data for den endelige LEGO model indført.
|
|
For de særligt interesserede har jeg en stykliste. De klodser jeg har anvendt er ikke de mest hensigtsmæssige
da jeg har måttet anvende de klodser jeg havde til rådighed, en endelig model ville kunne opbygges af færre og
større klodser. Ligeledes er der 'huller' i min konstruktion der ville kunne fyldes i en endelig model.
Er De interesseret i styklisten, send gerne en email
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)