起重設(shè)備自動(dòng)吊運(yùn)工作流程已成為自動(dòng)化生產(chǎn)流程的重要環(huán)節(jié),自動(dòng)化控制起重的研究與應(yīng)用在我國已到快速發(fā)展階段。本文對自動(dòng)化控制起重機(jī)定位檢測的等關(guān)健技術(shù)作了分析,對自動(dòng)化控制起重機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮大車糾偏,起重機(jī)防搖擺控制等應(yīng)注意的問題做了簡要介紹。

關(guān)鍵詞:起重機(jī);自動(dòng)化;定位精度;測距防;搖擺擺

自動(dòng)化技術(shù)在起重機(jī)上的應(yīng)用廣泛，特別在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家已20世紀(jì)五六十展史1980年我國自主研制的計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)化立體倉庫投人營,2000年我國自主研制的半自動(dòng)控制垃圾搬運(yùn)起重機(jī)投入運(yùn)營。我國的集裝箱起重機(jī)已基本走向標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化和系列化但受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的限制,與水平相比較,我國的起重機(jī)行業(yè)的整體自動(dòng)化應(yīng)用水平還不高,起重機(jī)械制造業(yè)的從業(yè)人員尤其是技術(shù)人員對自動(dòng)化產(chǎn)品及技術(shù)的認(rèn)識還不高。但在隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)水平快速發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,生產(chǎn)效率日益提高,勞動(dòng)力成本的提高,產(chǎn)品生產(chǎn)過程中物料搬運(yùn)費(fèi)用所占比例逐漸增加,企業(yè)對大型、高速和自動(dòng)化起重機(jī)的需求量也不斷增長。起重機(jī)工作流程已成為自動(dòng)化生產(chǎn)流程的重要環(huán)節(jié),起重機(jī)的自動(dòng)化程度的要求會(huì)越來越高。

起重機(jī)吊運(yùn)的空間實(shí)體位置信息(通常為三維坐標(biāo)方向:X軸、Y軸、Z軸)的自動(dòng)檢測及起重機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)水平是起重機(jī)定位精度的關(guān)鍵。起重機(jī)的靜態(tài)剛性,即起重機(jī)的主梁、支腿等結(jié)構(gòu)在外載荷的作用下將產(chǎn)生彈性變形或振動(dòng)也會(huì)對起重機(jī)的定位精度也有直接影響。起重機(jī)是采用柔體吊運(yùn)荷載,由于大、小車的加減速和負(fù)載的提升動(dòng)作以及風(fēng)、摩擦引起的作用力等會(huì)引起負(fù)載的來回?cái)[動(dòng),起重機(jī)的防搖擺也直接影響起重機(jī)的定位精度。建筑鋼結(jié)構(gòu)廠房的剛性也會(huì)直接影響起重機(jī)的定位精度,需要設(shè)計(jì)人員予以考慮。

自動(dòng)檢測、自動(dòng)數(shù)據(jù)處理(運(yùn)算、判斷、存儲、記憶，恢復(fù))、自動(dòng)顯示、自動(dòng)控制、自動(dòng)防搖、自動(dòng)糾偏、故障診斷和自動(dòng)保護(hù)及維護(hù)等技術(shù)的水平是自動(dòng)化控制起重機(jī)質(zhì)量和性能的關(guān)鍵

2起重機(jī)定位測距

起重機(jī)現(xiàn)使用的定位測距方法主要有編碼器測距、條碼定位激光測距、超聲波測距、編碼尺定位基于圖像處理技術(shù)的檢測定位系統(tǒng)等。可依據(jù)使用環(huán)境,定位精度要求及設(shè)備制造成本等因素參考應(yīng)用。

2.1編碼器測距

編碼器(encoder)是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字脈沖信號或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通信、傳輸和存儲的信號形式的設(shè)備。

現(xiàn)在編碼器的廠家生產(chǎn)的系列比較全,一般都專智能型的,有各種并行接口可以與其他設(shè)備通信。起重機(jī)上常用的有增量式編碼器、單圈值編碼器、多圈值編碼器,他們應(yīng)用在起重機(jī)的起升、大小運(yùn)行機(jī)構(gòu)的測距。

旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出脈沖,通過計(jì)數(shù)設(shè)備來知道其位置,當(dāng)編碼器不動(dòng)或停電時(shí),依靠計(jì)數(shù)設(shè)備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣,當(dāng)停電后,編碼器不能有任何的移動(dòng),當(dāng)來電工作時(shí),編碼器輸出脈沖過程中,也不能有干擾而丟失脈沖,不然,計(jì)數(shù)設(shè)備記憶的零點(diǎn)就會(huì)偏移。所以為提高準(zhǔn)確性就需增加參考點(diǎn),編碼器每經(jīng)過參考點(diǎn),將參考位置修正進(jìn)行計(jì)數(shù)記憶位置。在參考點(diǎn)以前,是不能保證位置的準(zhǔn)確性的。為此,就有每次操作先找參考點(diǎn),開機(jī)找零等方法。

型旋轉(zhuǎn)光電編碼器,因其每一個(gè)位置、抗干擾、無需掉電記憶,已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)系統(tǒng)中的角度、長度測量和定位控制。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的,它不受停電、干擾的影響。編碼器由機(jī)械位置決定的每個(gè)位置的性,它無需記憶,無需找參考點(diǎn),而且不用一直計(jì)數(shù),什么時(shí)候需要知道位置,什么時(shí)候就去讀取它的位置。這樣,編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。多圈式編碼器在長度定位方面的優(yōu)勢明顯,已經(jīng)越來越多地應(yīng)用于工控定位中。

拉線盒式編碼器是由機(jī)械式拉線盒和增量型或決對型旋轉(zhuǎn)編碼器組合而成,用來精確測量直線距離的傳感器統(tǒng)。

直線的位移通過拉線盒內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)鼓轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng),然后通過連接在其上的旋轉(zhuǎn)編碼器將直線距離測量出來。拉線盒式編碼器的分辨率達(dá)0.025mm,測量距離可到50m。因橋、門式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)采用柔性體調(diào)運(yùn)荷載,直接采用旋轉(zhuǎn)式編碼器檢測高度,測量精度難以保證,采用拉線盒式編碼器就能大為提高測量精度,但因拉線盒式編碼器需拉線在張緊狀態(tài)下使用,這就對使用場合受一定的限制。

目前值編碼器的價(jià)格大約是增量型編碼器的4倍以上,國內(nèi)市場上70%的應(yīng)用是價(jià)格相對經(jīng)濟(jì)的增量型編碼器。

2.2激光測距

激光測距是利用激光對目標(biāo)的距離進(jìn)行準(zhǔn)確測定。激光測距在工作時(shí)向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光,由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束,計(jì)時(shí)器測定激光束從發(fā)射到接收的時(shí)間,計(jì)算出從觀測者到目標(biāo)的距離。

激光測距是光波測距中的一種方式,為非接觸測量,在保證1mm重復(fù)精度的情況下測距范圍可從30m到300m。

該技術(shù)應(yīng)用于橋式起重機(jī)大、小車上具有如下特點(diǎn):所得到的數(shù)據(jù)為精確的位置信號,可以實(shí)時(shí)確定大、小車的位置。易于實(shí)時(shí)監(jiān)控,采用認(rèn)址方式,可靠性更高。所得到的是高頻數(shù)字信號,精度高,且和上位機(jī)通信方便。將獲得的距離信息進(jìn)行簡單轉(zhuǎn)換,得到起重機(jī)小車當(dāng)前運(yùn)行的準(zhǔn)確速度,便于調(diào)速和精確定位。

但該技術(shù)在智能起重機(jī)上的應(yīng)用需注意以下事項(xiàng);一般激光測距儀不具防水功能,所以大都使用在室內(nèi);起重機(jī)運(yùn)行中,大小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏斜或震動(dòng),激光反射距離會(huì)發(fā)生變化,測量精度會(huì)產(chǎn)生影響,這就需要對起重機(jī)的大小車偏斜進(jìn)行控制;激光器是強(qiáng)度很高的光源輻射器件,所以激光對人體,特別是人眼有嚴(yán)重傷害,使用時(shí)需注意安全。

2.3條碼定位和激光測距

條碼定位系統(tǒng)(BPS)主要部件是條碼帶和讀取頭,大測距范圍可達(dá)10000m。該系統(tǒng)將條碼讀取頭安裝在行走的起重機(jī)大、小車上,條碼帶全程安裝在大、小車行走軌道側(cè)，由于條碼定位系統(tǒng)合了激光測距與旋轉(zhuǎn)編碼器的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)大、小車在軌道上行走時(shí),安裝在大車上的條碼讀取頭實(shí)時(shí)掃描當(dāng)前的條碼,通過讀取行進(jìn)路線上的條碼確定準(zhǔn)確方位

,然后經(jīng)內(nèi)置的解碼器輸出起重機(jī)大、小車當(dāng)前的位置信息，可以有效地實(shí)現(xiàn)認(rèn)址。

編碼器由于受機(jī)械結(jié)構(gòu)和易產(chǎn)生積累誤差的限制,也不能完全滿足高精度、高準(zhǔn)確性的定位要求。條形碼定位系統(tǒng)很好地解決了上述問題?；跅l形碼定位系統(tǒng)自身的特點(diǎn)近年來該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化立體倉庫中堆垛機(jī)的水平和垂直方向定位。

2.4GPS(全球定位系統(tǒng))在起重機(jī)上的應(yīng)用

GPS(全球定位系統(tǒng))現(xiàn)主要用于集裝箱輪胎龍門起重機(jī)上,集裝箱輪胎龍門起重機(jī)因其沒有固定軌道,無法用傳統(tǒng)的編碼器來檢測其相對于堆場的位置,從而使碼頭管理軟件無法得知當(dāng)前集裝箱的堆放位置,因而不利于實(shí)現(xiàn)箱位自動(dòng)管理。將GPS(全球定位系統(tǒng))技術(shù)的應(yīng)用解決了以上難題。

整個(gè)系統(tǒng)配備一個(gè)GPS基準(zhǔn)站,包括一個(gè)GPS雙頻接收器和一個(gè)調(diào)制無線發(fā)射電臺,用于提供基準(zhǔn)位置信號給起重機(jī)上的GPS移動(dòng)站,起重機(jī)上配置一個(gè)GPS移動(dòng)站硬件包括兩個(gè)GPS接收器和一個(gè)公共無線接收電臺,用于檢測當(dāng)前起重機(jī)所處位置并接收基準(zhǔn)站差分信號,從而獲得厘米級的檢測精度。位置信號將在主機(jī)運(yùn)算后送至機(jī)上PLC,進(jìn)一步進(jìn)行箱位管理和自動(dòng)糾偏等處理。

GPS在起重機(jī)上應(yīng)用的定位精度已達(dá)到小于1.5cm。應(yīng)用中需注意到兩個(gè)因素的影響:堆場周圍不能有阻擋視線的建筑物,如高樓和大山等,否則會(huì)影響GPS能夠接收的衛(wèi)星數(shù)量;二是無線電信號,GPS的差分電臺有較固定的頻率,不能受到頻繁干擾,否則GPS需要取樣重新計(jì)算,故在配置GPS時(shí)應(yīng)對周圍無線電頻率進(jìn)行研究考察。

2.5基于圖像處理技術(shù)的檢測系統(tǒng)

目前基于圖像處理技術(shù)的目標(biāo)位置定位系統(tǒng)現(xiàn)主要用于集裝箱的裝卸定位系統(tǒng)中。系統(tǒng)包括攝像頭、圖像采集卡、電腦和顯示板等。攝像頭安裝在小車下部或運(yùn)輸車輛車道旁,通過攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝集裝箱與運(yùn)輸車的位置圖像,運(yùn)用圖像處理技術(shù)進(jìn)行圖像預(yù)處理,濾波處理等將圖像信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號,已獲取集裝箱位置和姿態(tài)信息,檢測精度可達(dá)到士50mm。但該檢測方法在太陽強(qiáng)烈照射下,目標(biāo)邊緣的反光較大,模糊了目標(biāo)邊緣的特征,檢測精度會(huì)受到影響。另外在夜晚燈光的情況下性能也較差。

國內(nèi)外廠家在集裝箱起重機(jī)的集裝箱位置檢測方法及裝置、集裝箱著地控制方法等技術(shù)進(jìn)行了長期深人研究,并已運(yùn)用于實(shí)際,這對為我們其他用途起重機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)提供了參考。

3起重機(jī)靜態(tài)剛性對定位精度的影響

起重機(jī)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)剛性的計(jì)算非常重要。起重機(jī)彈性結(jié)構(gòu)在外載荷的作用下將產(chǎn)生彈性變形或振動(dòng),過大變形和振動(dòng)將影響機(jī)械的正常工作。起重機(jī)定位精度、靜態(tài)剛性、控制系統(tǒng)完善程度的相關(guān)性需充分考慮。

4起升機(jī)構(gòu)防搖控制

起重機(jī)在運(yùn)輸過程中,由于大車、小車的加(減)速和調(diào)運(yùn)荷載的提升動(dòng)作,以及風(fēng)、摩擦引起的擾動(dòng)等會(huì)引起集裝箱在大車和小車兩個(gè)運(yùn)行方向不同程度的搖擺,這樣既降低了系統(tǒng)的工作效率,對起重機(jī)的自動(dòng)化控制產(chǎn)生很大影響，防搖擺技術(shù)的研究就極為重要,也成為起重機(jī)作為現(xiàn)

代物流裝備所必需的子系統(tǒng)之一。

集裝箱門式起重機(jī)伸縮式剛性導(dǎo)桿防搖裝置,固定節(jié)剛性固定于小車的上,下表定節(jié)內(nèi)的伸縮節(jié)也無水平方向的擺動(dòng)余量,由于內(nèi)套于固定節(jié)的多節(jié)伸縮節(jié),工作時(shí)可根據(jù)需要向小車下方伸出較大長度,其可適用于起升高度較大的集裝箱門式起重機(jī)的提升防搖,并且起吊工作可靠、平穩(wěn),對位準(zhǔn)確快速,作業(yè)效率高。

集裝箱起重機(jī)的模糊防搖控制:利用模糊控制防搖的主要原理是模仿司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn),開始用中等驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)行,根據(jù)集裝箱的搖擺程度調(diào)節(jié)小車驅(qū)動(dòng)力的大小,使集裝箱重物的位置略落后于小車;當(dāng)集裝箱接近目標(biāo)時(shí),減少驅(qū)動(dòng)力,使集裝箱稍前于車頭;當(dāng)集裝箱離目的地很近時(shí),增大驅(qū)動(dòng)力,使集裝箱正好懸于目標(biāo)位置上,且當(dāng)不搖擺時(shí),電機(jī)停車。

基于倒三角形懸掛固有防搖機(jī)理的八繩雙向防搖系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于集裝箱起重機(jī),在其他用途的起重機(jī)上也有應(yīng)用實(shí)例。

5水平輪組應(yīng)用

起重機(jī)的大、小車車輪輪緣應(yīng)與軌道保持一定的聞隙,一般規(guī)定大車車輪踏面比軌道頂面寬30~40mm。小車車輪輪緣比軌道道頂面寬20~30mm。起重機(jī)大、小車運(yùn)行中車輪會(huì)有橫向滑動(dòng)產(chǎn)生。車輪在軌道面上的滑動(dòng)就會(huì)對起重機(jī)的定位精度產(chǎn)生影響。簡單的辦法是在起重機(jī)的大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的一側(cè)上設(shè)置兩個(gè)水平車輪組,每個(gè)水平輪與軌道側(cè)面的間隙通過水平輪的偏心軸調(diào)整,以達(dá)到起重機(jī)定位精度要求。但采用水平輪組需考慮水平側(cè)向力對起重機(jī)結(jié)構(gòu)和廠房結(jié)構(gòu)的影響。

6大車糾偏控制

橋、門式起重機(jī)由于其跨度大、水平剛度低,傳動(dòng)視構(gòu)的制造安裝精度的影響,特別是運(yùn)行頻繁的起重機(jī),其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的積累誤差更大,導(dǎo)致橋、門式起重機(jī)都有不同程度的大車跑偏或啃軌現(xiàn)象。這極大地威脅著起重機(jī)的安全運(yùn)行,對起重機(jī)的定位精度也產(chǎn)生很大影響,這就需要對大車運(yùn)行自動(dòng)檢測糾偏。大車糾偏控制技術(shù)主要在檢測兩側(cè)結(jié)構(gòu)的偏斜量,當(dāng)偏斜量超到定位精度要求時(shí),通過PLC控制兩側(cè)車輪轉(zhuǎn)速來解決大車糾偏問題。

7大車高速運(yùn)行狀態(tài)下的輸配電問題

軌道吊的大車運(yùn)行速度通常較高,高速運(yùn)行對整機(jī)的輸配電系統(tǒng)提出了較高要求。軌道吊采用電纜卷筒供電,高速運(yùn)行時(shí)大車與電纜卷筒須有較好的同步性。傳統(tǒng)的磁滯式電纜卷筒不能滿足這一要求,因此需采用由專門PLC控制的電纜卷筒。

8結(jié)束語

自動(dòng)化控制起重機(jī)應(yīng)用前景將非常廣闊,其關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用在我國已到快速發(fā)展階段。設(shè)計(jì)人員在起重機(jī)的設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮使用場合對定位精度的要求,選用性價(jià)比合理的自動(dòng)化控制技術(shù),增加市場的競爭力。隨著高新技術(shù)產(chǎn)品的不斷發(fā)展,將加速自動(dòng)化控制起重機(jī)向計(jì)算機(jī)、微電子、自動(dòng)控制、通訊等領(lǐng)域的縱深發(fā)展,終達(dá)到和于國外水平。

                                                                                                                              ------------豪鋼起重機(jī)械（上海)有限公司韓亞軍