深水滑道井字梁自動(dòng)化、數(shù)字化調(diào)位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

張 鴻,向繼華,唐如蜜,陳少林

(中交第二航務(wù)工程局有限公司,武漢 430040)

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深水滑道井字梁自動(dòng)化、數(shù)字化調(diào)位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

張 鴻,向繼華,唐如蜜,陳少林

(中交第二航務(wù)工程局有限公司,武漢 430040)

提出了一種基于CAN(Controller Area Network)總線的自動(dòng)化調(diào)位系統(tǒng),通過對(duì)多個(gè)三向千斤頂協(xié)同工作的聯(lián)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了液壓同步技術(shù)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)在深水滑道井字梁自動(dòng)化精確調(diào)位方面的應(yīng)用,解決了長(zhǎng)期以來困擾水下工程高精度定位的難題.

井字梁; 調(diào)位系統(tǒng); 液壓系統(tǒng); CAN總線

用于大型船舶上、下水的滑道在陸上匹配后固定在預(yù)制鋼筋混凝土井字梁上,隨井字梁一起安裝到已完成的基礎(chǔ)上,井字梁安裝完成后,滑道的位置就完全固定了[1].船舶由斜船架載著沿滑道駛于水中,為了保證斜船架的順利下水,對(duì)滑道的安裝精度提出了較高的要求,而滑道的安裝精度取決于井字梁的安裝精度[2],因此在施工過程中需要對(duì)井字梁進(jìn)行精確調(diào)位,以保證滑道的安裝精度.

隨著船舶建造向大型化發(fā)展,深水滑道的建設(shè)項(xiàng)目越來越多,受水深、流速、水下能見度等自然條件的影響,安裝進(jìn)度和精度難以提升,傳統(tǒng)的施工方法無(wú)法滿足建設(shè)要求,需研發(fā)無(wú)需人員下水作業(yè)的自動(dòng)化、數(shù)字化調(diào)位系統(tǒng)[3].

本論文針對(duì)武漢某船臺(tái)滑道工程,通過對(duì)井字梁調(diào)位過程的理論分析,引入一套三向調(diào)位設(shè)備,結(jié)合液壓同步提升技術(shù)及計(jì)算機(jī)通信技術(shù),可實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、自動(dòng)化、數(shù)字化調(diào)位過程,并能適用于其他類似大型梁架的調(diào)位工程.

1 吊裝與調(diào)位分析

在實(shí)際施工中,混凝土樁基沿河岸向河中心的方向排列深入河內(nèi),上面固定有軌道的井字梁通過吊架吊裝至預(yù)先澆筑的混凝土樁基上,調(diào)位裝置固定在吊架上,隨吊架一起入水,一端落在樁基上,另一端支承在已安裝的梁段頂部,通過對(duì)待安裝梁段的調(diào)位,實(shí)現(xiàn)待安裝井字梁和已安裝井字梁之間的首尾順接.圖1為調(diào)位方案結(jié)構(gòu)圖.

為了確定調(diào)位方法,首先要建立如圖2所示的空間自然坐標(biāo)系O-xyz.在調(diào)位過程中,滑道井字梁可能出現(xiàn)的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)模式有:①沿z軸升降;②沿x軸橫移;③沿y軸進(jìn)退;④繞y軸側(cè)滾;⑤繞x軸俯仰;⑥繞z軸回轉(zhuǎn).如圖2所示.其他運(yùn)動(dòng)模式為這6種簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)模式的疊加.

圖1 井字梁調(diào)位方案結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of cross beam positioning scheme

圖2 井字梁運(yùn)動(dòng)模式Fig.2 Movement of the cross beam

調(diào)位方法是通過安裝在吊架4個(gè)支點(diǎn)(A,B,C,D)處的三向千斤頂?shù)耐絼?dòng)作,使得吊架帶動(dòng)井字梁產(chǎn)生平移和旋轉(zhuǎn),直至井字梁的空間位置和姿態(tài)符合施工要求.通過測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量井字梁的當(dāng)前位置及姿態(tài)與目標(biāo)位置及姿態(tài)的偏差,再控制A,B,C,D4組三向千斤頂同步工作,實(shí)現(xiàn)井字梁準(zhǔn)確調(diào)位.

2 自動(dòng)調(diào)位系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本套井字梁調(diào)位設(shè)備主要包括三向千斤頂、液壓泵站、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和附件4個(gè)組成部分,其組成關(guān)系如圖3所示.

自動(dòng)調(diào)位系統(tǒng)通過布置在井字梁吊架4個(gè)支腿處的三向千斤頂完成調(diào)位動(dòng)作,獨(dú)立的三向千斤頂可以調(diào)整被調(diào)點(diǎn)200 mm×200 mm×200 mm三維空間內(nèi)的位置,通過四臺(tái)三向千斤頂協(xié)調(diào)作業(yè)能夠完成井字梁空間6自由度的調(diào)位.液壓泵站為三向千斤頂提供動(dòng)力,每臺(tái)液壓泵站可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)三向千斤頂.主控柜安裝在液壓泵站上,通過集成的閥塊控制泵站的輸出流量和溢流壓力,主控柜之間通過CAN總線相互通信,保證各組三向千斤頂工作的同步.油壓傳感器和磁致伸縮傳感器安裝在三向千斤頂上的油缸閥塊和油缸內(nèi),通過CAN總線將實(shí)時(shí)的油缸工作狀況反饋給主控柜,構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),保證調(diào)位過程的快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確.

圖3 井字梁調(diào)位設(shè)備組成關(guān)系圖Fig.3 Positioning system

3.2 關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)

三向千斤頂(如圖4)是由正交放置的三組油缸提供推力(或拉力),使相應(yīng)結(jié)構(gòu)在某個(gè)方向上產(chǎn)生單向位移,三組油缸同步運(yùn)動(dòng)便能得到行程范圍內(nèi)任意的三維位移,最終結(jié)果是:與三向千斤頂相連接的被調(diào)結(jié)構(gòu)在連接點(diǎn)處產(chǎn)生相同的三維位移.采用多臺(tái)三向千斤頂進(jìn)行同步調(diào)位,便能實(shí)現(xiàn)被調(diào)結(jié)構(gòu)在空間六自由度上的位移調(diào)整.

圖4 三向千斤頂結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of three direction jack

為保證能夠?qū)Ρ徽{(diào)對(duì)象進(jìn)行空間內(nèi)三個(gè)位移的自由度調(diào)位,三向千斤頂選用了三組正交布置的液壓油缸作為頂推動(dòng)力,其中兩組水平正交放置的油缸對(duì)應(yīng)兩對(duì)滑移副,使得被調(diào)對(duì)象能進(jìn)行水平面內(nèi)各個(gè)方向的位移,一組垂直放置的油缸完成被調(diào)對(duì)象豎直方向的位移.同時(shí)縱向放置的油缸與同被調(diào)設(shè)備連接的連接板之間用球鉸連接,使得三向千斤頂能適應(yīng)被調(diào)對(duì)象在一定范圍內(nèi)的偏轉(zhuǎn).

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

井字梁自動(dòng)化調(diào)位控制系統(tǒng)基于CAN總線組建實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò),控制系統(tǒng)由主控制柜、泵站控制系統(tǒng)和磁致伸縮傳感器組成,如圖5所示.

主控制柜是電控系統(tǒng)的核心,其通過CAN_A端口與泵站控制系統(tǒng)通信,用于發(fā)送控制數(shù)據(jù),同時(shí),CAN_A端口與監(jiān)控系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)通信,用于接收監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù);通過CAN_B端口與磁致伸縮傳感器及iCAN3800通信,用于接收油缸行程數(shù)據(jù)和油壓數(shù)據(jù).泵站控制系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)單元,根據(jù)控制數(shù)據(jù)控制電磁閥狀態(tài),從而控制油缸動(dòng)作.磁致伸縮傳感器用于測(cè)量油缸行程,并通過CAN端口將行程數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制柜.iCAN3800用于采集油缸油壓傳感器的數(shù)據(jù),并通過CAN端口將油壓數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制柜.控制系統(tǒng)框圖如圖6所示.圖6中，q為泵站流量；s為油缸行程；v油缸上升或下降速度；p為油缸壓力.

圖5 控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Structure of control system

圖6 控制系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of control system

4 井字梁自動(dòng)化調(diào)位應(yīng)用

在現(xiàn)場(chǎng)施工中,為了保證位置測(cè)量的準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)最終調(diào)位的精度,通常選擇依次完成定點(diǎn)回轉(zhuǎn)、側(cè)滾、俯仰3種角度偏轉(zhuǎn)的調(diào)位動(dòng)作;完成角度偏轉(zhuǎn)調(diào)位,測(cè)量?jī)x器能夠更精確地測(cè)量出井字梁當(dāng)前位置與目標(biāo)位置的偏差,最后進(jìn)行簡(jiǎn)單的升降、橫移、進(jìn)退這3種平移調(diào)整,完成整個(gè)調(diào)位過程.施工現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示.

在實(shí)際施工過程中,測(cè)量?jī)x器測(cè)出井字梁當(dāng)前位置和目標(biāo)位置的偏差并通過CAN總線將偏差信息告知中央控制器[4],中央控制器結(jié)合安裝在油缸內(nèi)部的CAN發(fā)送器的磁致伸縮傳感器,閉環(huán)控制油缸的位移.整個(gè)過程可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，當(dāng)然也可以分步控制,即一次調(diào)整結(jié)束后,通過測(cè)量裝置觀察調(diào)整的精度是否滿足過程,如不滿足,再次手動(dòng)啟動(dòng)調(diào)整過程,測(cè)量裝置與中央控制器之間的通過CAN總線保持實(shí)時(shí)信息交換.

圖7 滑道井字梁調(diào)位施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.7 Cross beam positioning construction

圖8所示的是吊裝完畢調(diào)位開始前安裝在相鄰井字梁連接部的單側(cè)標(biāo)尺拍攝圖像,標(biāo)尺刻度為10 mm.根據(jù)圖8中標(biāo)尺刻度的對(duì)齊情況可知,調(diào)位開始前相鄰井字梁的側(cè)錯(cuò)位差和頂面高差均在20 mm以上.

圖8 調(diào)位前標(biāo)尺Fig.8 Scaleplate before positioning

圖9為調(diào)位完成后標(biāo)尺對(duì)齊情況,從圖中可知,經(jīng)過調(diào)位系統(tǒng)的調(diào)位,相鄰井字梁的單側(cè)對(duì)應(yīng)標(biāo)尺刻度基本對(duì)齊.后經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像處理后得到的結(jié)果證明該側(cè)梁架間的側(cè)錯(cuò)位差和頂面高差均在1 mm以內(nèi).

圖9 調(diào)位后標(biāo)尺Fig.9 Scaleplate after positioning

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)施效果可知,采用三向千斤頂配合液壓同步提升技術(shù)及計(jì)算機(jī)通信技術(shù),能夠完成高精度的井字梁自動(dòng)化調(diào)位過程,最終精度在±1mm范圍內(nèi).同時(shí)由于本套設(shè)備與吊架、井字梁及其附屬結(jié)構(gòu)均相互獨(dú)立,裝卸簡(jiǎn)單方便,無(wú)需架設(shè)鋼格構(gòu)柱或?qū)U等臨時(shí)結(jié)構(gòu),因此是一種高效率的自動(dòng)化調(diào)位方案,只需要根據(jù)實(shí)際情況修改控制參數(shù)就能應(yīng)用于其他類似大型梁架調(diào)位的場(chǎng)合.

5 結(jié)論

滑道井字梁的安裝與調(diào)位過程一直難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,導(dǎo)致工程周期長(zhǎng)、施工難度大.本文分析了井字梁調(diào)位過程的具體步驟,針對(duì)其調(diào)位特點(diǎn)提出了一套易于實(shí)現(xiàn)的井字梁自動(dòng)化數(shù)字化調(diào)位系統(tǒng).通過引入一種三向千斤頂,結(jié)合液壓同步提升技術(shù),并通過CAN總線建立了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)井字梁調(diào)位過程的閉環(huán)控制、解決了井字梁安裝精度提升困難、自動(dòng)化程度低的缺點(diǎn),也為其他類似的大型梁架調(diào)位工程提供了一種切實(shí)可行、簡(jiǎn)便高效的解決方案.

[1] 吳利,李發(fā)章,肖維.提升安裝工藝在滑道井字梁安裝中的應(yīng)用[J].華南港工,2009(4):20-26.

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[2] 陳會(huì)榮,甄斌,張軍良.大跨度鋼結(jié)構(gòu)雙向井字梁滑移和整體提升施工技術(shù)[J].建筑技術(shù),2010,(7):633-635.

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Overall design on automatic and digitalized positioning system for deep-water slideway cross beam

ZHANG Hong,XIANG Ji-hua,TANG Ru-mi,CHEN Shao-lin

(China Communications Construction Company Second Harbor Engineering Co., Ltd., Wuhan 430040, China)

By proposing a CAN-bus-based automatic positioning system, the hydraulic synchronization and computer communication are realized by collaboration on multiple three-directional jacks. With application for automatic and accurate positioning on deep-water slideway cross beam, the impact of high-precision positioning on underwater engineering is resolved.

cross beam; hydraulic synchronization lifting; CAN-bus

張 鴻(1962-),男,教授級(jí)高工,工學(xué)博士.E-mail:zgb@sneb.com.cn

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1672-5581(2016)04-0323-04