基于全站儀的新型起重機(jī)軌道檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

孔慶彬 程維明

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，起重機(jī)作為物料搬運(yùn)工具在鋼鐵冶金、船舶及機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中一個(gè)主要的問(wèn)題就是啃軌問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成脫軌事故，因此對(duì)軌道狀態(tài)的定期檢測(cè)十分必要[1,2]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的起重機(jī)軌道檢測(cè)參數(shù)主要包括單軌直線度、雙軌同截面內(nèi)跨距和高度差[3]。目前儀器檢測(cè)主要采用兩種方法：激光準(zhǔn)直測(cè)量法[4,5]和全站儀測(cè)量法[6,7]。針對(duì)現(xiàn)有檢測(cè)方法和設(shè)備存在的問(wèn)題，筆者提出了一種新的起重機(jī)軌道檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了一種新型檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀成本更低、安全性更強(qiáng)、檢測(cè)更方便。

1 檢測(cè)方法與總體方案①

如圖1所示，將全站儀固定于地面某個(gè)位置建站，由全站儀建立統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系。搭載反射靶的兩部軌檢儀分別運(yùn)行在兩根軌道上，全站 儀瞄準(zhǔn)反射靶，測(cè)量靶心坐標(biāo)。測(cè)量結(jié)束后分別獲得位于同一坐標(biāo)系的兩組坐標(biāo)值。通過(guò)這兩組坐標(biāo)即可重構(gòu)出兩條軌道曲線，進(jìn)而可獲得兩根軌道直線度、雙軌跨距及雙軌高差等待測(cè)參數(shù)。系統(tǒng)功能框圖如圖2所示。

圖1 檢測(cè)方案示意圖

圖2 軌檢儀控制系統(tǒng)功能框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

軌檢儀控制系統(tǒng)硬件組成如圖3所示，軌檢儀主動(dòng)輪和反射靶是系統(tǒng)的兩個(gè)主要受控對(duì)象，可以接受兩種方式對(duì)其進(jìn)行無(wú)線控制：PC和遙控器。

圖3 軌檢儀硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。用該芯片作電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便、穩(wěn)定性好、性能優(yōu)良，可直接用單片機(jī)IO口提供信號(hào)，且?guī)в惺鼓芏?，方便PWM調(diào)速，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用比較方便。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖4所示，由于電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)突然改變時(shí)會(huì)形成很大的反向電流，因此在電路中加入了二極管，其可為反向電流提供泄放途徑，保護(hù)芯片安全。

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路

2.2 位置反饋模塊

位置反饋模塊主要用來(lái)產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)并反饋到MCU，從而使MCU得到反射靶旋轉(zhuǎn)角度和軌檢儀運(yùn)行距離信息。該模塊中的編碼器電路如圖5所示，筆者采用增量式編碼器，輸出A、B兩相的方波信號(hào)，A相超前90°。將B相信號(hào)接入單片機(jī)IO口作為中斷計(jì)數(shù)。A、B兩相信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器74ls74輸出方向信號(hào)，輸入到單片機(jī)IO口供旋轉(zhuǎn)方向判斷之用。

圖5 編碼器電路

2.3 防撞模塊

為防止軌檢儀在軌道上運(yùn)行時(shí)撞到障礙物而受損，加入了防撞設(shè)計(jì)。防撞檢測(cè)距離不宜太小，一般在300mm左右為宜，以防止因速度過(guò)快、車輪打滑造成相撞事故。采用光電式接近開(kāi)關(guān)做防撞感應(yīng)元件。采用4個(gè)NPN常開(kāi)型漫反射光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)前后方的障礙物，檢測(cè)到障礙物時(shí)輸出低電平，通過(guò)四輸入端雙與門(mén)74ls21連接至單片機(jī)。當(dāng)任一個(gè)檢測(cè)到障礙物時(shí)，都會(huì)引發(fā)輸出信號(hào)負(fù)跳變，從而提高障礙檢測(cè)的范圍和精確性，以適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。

2.4 待機(jī)控制模塊

為最大限度地延長(zhǎng)電池壽命，設(shè)計(jì)了待機(jī)控制模塊，在檢測(cè)暫停時(shí)可以很方便地通過(guò)遙控器在地面上關(guān)閉主電路電源，使儀器進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。待機(jī)控制模塊電路如圖6所示，其主要由D觸發(fā)器CD4013、三極管T1、二極管D6及繼電器K1等元件構(gòu)成。通過(guò)CD4013實(shí)現(xiàn)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，信號(hào)通過(guò)三極管放大后驅(qū)動(dòng)繼電器完成主電路電源狀態(tài)的切換。

圖6 待機(jī)控制模塊電路

3 軟件設(shè)計(jì)

儀器軟件系統(tǒng)主要由主程序(圖7)、PC指令解析子程序、遙控指令解析子程序、串口中斷子程序、定時(shí)器中斷子程序、儀器行走控制子程序及反射靶控制子程序等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行相應(yīng)初始化，隨后進(jìn)入主循環(huán)不斷掃描PC和遙控器指令并執(zhí)行相應(yīng)操作。

圖7 主程序流程

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證筆者提出的檢測(cè)方法和所研制的軌道檢測(cè)儀的性能，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。起重機(jī)軌道軌長(zhǎng)74m，設(shè)定軌檢儀采樣間隔2m，A軌采樣37點(diǎn)，B軌由于障礙物遮擋，采樣33點(diǎn)。將實(shí)驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)同上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院對(duì)該軌道的檢測(cè)鑒定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 檢測(cè)結(jié)果對(duì)比 mm

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，筆者提出的新型起重機(jī)軌道檢測(cè)方法和軌檢儀的檢測(cè)精度接近于傳統(tǒng)方法，檢測(cè)結(jié)果最大相差在3mm以內(nèi)，檢測(cè)精度可以滿足要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有起重機(jī)軌道檢測(cè)方法和裝置基本都需要檢測(cè)人員攀爬至軌道上進(jìn)行檢測(cè)，普遍存在檢測(cè)安全性差及檢測(cè)不方便等不足，針對(duì)該現(xiàn)狀，提出了一種新的檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了一種新型檢測(cè)儀。該檢測(cè)儀在檢測(cè)過(guò)程中，不需要將全站儀架至起重機(jī)高空軌道，檢測(cè)更安全、更可靠。設(shè)計(jì)的軌道檢測(cè)儀已成型，并經(jīng)過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器能夠滿足起重機(jī)軌道檢測(cè)的要求，檢測(cè)精度較高，且系統(tǒng)成本降低，檢測(cè)更安全、方便。若配合更高精度的全站儀測(cè)量，能達(dá)到更高的檢測(cè)精度。研究的起重機(jī)軌道檢測(cè)方法為起重機(jī)軌道檢測(cè)提供了一條更安全、可靠、成本更低、更易 實(shí)現(xiàn)的途徑，可替代原有全站儀法進(jìn)行較長(zhǎng)軌道的檢測(cè)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。

[1] 牛潔,陶元芳.橋門(mén)式起重機(jī)車輪啃軌現(xiàn)象的研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2012,(1):115～117.

[2] 解春花.論橋門(mén)式起重機(jī)啃軌原因分析[J].煤炭技術(shù),2003,22(10):23～25.

[3] GB/T 10183-2005，橋式和門(mén)式起重機(jī)制造及軌道安裝公差[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[4] 程維明,宋偉,劉亮，等.一種新型橋門(mén)式起重機(jī)軌道測(cè)量方法[J].中國(guó)機(jī)械工程,2010,21(18):2187～2191.

[5] 宋偉,程維明,劉亮，等.一種大長(zhǎng)度軌道直線度的測(cè)量方法和裝置[J].機(jī)械工程師,2010,21(2):32～35.

[6] 張輝輝，杜寶江,吳恩啟，等.橋門(mén)式起重機(jī)軌道檢測(cè)系統(tǒng)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2008,(7):89～91.

[7] 吳恩啟,杜寶江,張輝輝，等.橋門(mén)式起重機(jī)軌道檢測(cè)技術(shù)研究[J].無(wú)損檢測(cè),2007,29(10):578～579.

DesignofNewCraneRailDetectorBasedonTotalStation

KONG Qing-bin1, CHENG Wei-ming2

(1.SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai201620,China)

Considering the deficiency of both existing crane rail detection methods and equipment, a new crane rail detection method based on total station was proposed and a new crane rail detector was designed. The whole detection scheme of the detector was introduced, including the realization of its control system and