一種水平式自動(dòng)調(diào)節(jié)吊具控制方法

（北京衛(wèi)星制造廠(chǎng)，北京 100190）

目前，大量吊具應(yīng)用到航天產(chǎn)品總裝、測(cè)試、空間機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬開(kāi)展等各項(xiàng)性能試驗(yàn)的過(guò)程中，用于實(shí)現(xiàn)航天器的起吊轉(zhuǎn)運(yùn)、姿態(tài)變化或者輔助對(duì)接操作[1]。受到航天器產(chǎn)品差異性限制，傳統(tǒng)吊具主要通過(guò)人工完成，且需要反復(fù)的調(diào)整及試吊才能保證產(chǎn)品姿態(tài)正確。操作過(guò)程復(fù)雜，存在安全隱患，易對(duì)操作人員及航天產(chǎn)品造成傷害[2]。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了一種通過(guò)主吊點(diǎn)三自由度移動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)吊具姿態(tài)到達(dá)水平的方法，并對(duì)該方法的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行論述和說(shuō)明。

1 水平式吊具控制原理

本文設(shè)計(jì)智能吊具為帶提升的井形梁形式，主吊點(diǎn)滑塊具有X、Y、Z3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向。XY方向通過(guò)兩組絲杠螺母副，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)水平雙向移動(dòng)平臺(tái)，利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主吊點(diǎn)滑塊在XY水平面內(nèi)移動(dòng)，并以此方式來(lái)控制被吊產(chǎn)品的姿態(tài)。當(dāng)主吊點(diǎn)的XY方向位置坐標(biāo)與產(chǎn)品吊具共同形成的質(zhì)心XY方向坐標(biāo)重合時(shí)，該吊具處于水平狀態(tài)，從而保證被吊產(chǎn)品姿態(tài)的正確性。Z方向?yàn)橹鞯觞c(diǎn)與吊具主體之間的升降運(yùn)動(dòng)，可抬升吊具主體，用以實(shí)現(xiàn)吊具在起吊調(diào)平時(shí)能同時(shí)協(xié)調(diào)完成緩慢升降和自動(dòng)調(diào)平操作，如圖1所示。

2 控制策略

針對(duì)吊具所要達(dá)到的調(diào)平要求，本方案提出角度調(diào)平法和質(zhì)心計(jì)算調(diào)平法兩種控制策略。

2.1 角度調(diào)平法

角度調(diào)平時(shí)吊具以緩慢的速度進(jìn)行起吊，通過(guò)傾角傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)被吊物傾角大小，當(dāng)傾角大于預(yù)設(shè)值時(shí)，停止起吊，通過(guò)移動(dòng)吊具主吊點(diǎn)位置進(jìn)行水平調(diào)平。

圖1 水平式吊具機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of self-leveling lifting sling

實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，吊具有一個(gè)主吊點(diǎn)與起吊繩索相連，主吊點(diǎn)可在二維方向運(yùn)動(dòng)，4條吊帶連接被吊物。起吊時(shí)，連同被吊物在內(nèi)的吊裝示意圖如圖2所示。圖2展示了當(dāng)被吊物質(zhì)心與吊具主吊點(diǎn)不在同一鉛垂（XY）直線(xiàn)上時(shí)，被吊物在Y方向以?xún)A角β起吊。

對(duì)于給定水平調(diào)節(jié)允許傾斜角度Φ，角度調(diào)平法實(shí)施步驟如下：在被吊物水平面上安放二維傾角傳感器，實(shí)時(shí)讀取傾角傳感器數(shù)值，X方向傾角為γ，Y方向傾角為β。在低速起吊的過(guò)程中，若|γ|＞Φ或者|β|＞Φ,則停止起吊,調(diào)節(jié)主吊點(diǎn)位置至|γ|＜Φ且|β|＜Φ時(shí)，繼續(xù)起吊，直至被吊物完全脫離地面，即拉力傳感器數(shù)值不再增加。此時(shí)，被吊物為水平起吊，且在被吊物離開(kāi)地面后無(wú)需再進(jìn)行水平調(diào)整。利用該方法可較快地完成調(diào)平操作，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)平，調(diào)平后水平精度較高，但吊具需要承受一定載荷。

2.2 質(zhì)心計(jì)算調(diào)平法

質(zhì)心計(jì)算調(diào)平法主要是采用靜力學(xué)知識(shí)對(duì)被吊物抽象模型進(jìn)行力系平衡分析，通過(guò)計(jì)算得到被吊物質(zhì)心的坐標(biāo)，然后使吊具主吊點(diǎn)與被吊物質(zhì)心在同一鉛垂線(xiàn)上起吊。

建立一個(gè)二維坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖3所示，矩形abcd為被吊物底面，記質(zhì)心坐標(biāo)為g（x，y），被吊物重為G。其中共有3個(gè)未知變量，因此需要試吊3次，每次試吊列出一個(gè)等式，然后求解方程組即可得到質(zhì)心坐標(biāo)。以下按每次試吊詳細(xì)說(shuō)明計(jì)算方法。

圖2 吊裝起吊示意圖Fig.2 Schematic diagram of lifting hoist

圖3 被吊物底面坐標(biāo)系Fig.3 Underside coordinate system of suspended cargo

試吊1：X方向第一次試吊。

將主吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到Y(jié)方向的中間，X方向的cd端，然后起吊使被吊物傾斜一個(gè)小角度。忽略被吊物高度及吊鉤位置影響，那么被吊物此時(shí)的理想受力分析如圖（4）所示。

圖4中，F(xiàn)a、Fb、Fc、Fd為 4 個(gè)吊點(diǎn)上繩索的拉力，G為被吊物的重力，P為地面給被吊物的均布力。Fa、Fb、Fc、Fd4個(gè)拉力可由拉力傳感器獲得。假設(shè)質(zhì)心坐標(biāo)為（gx，gy），被吊物X方向邊長(zhǎng)為L(zhǎng)ad，Y方向邊長(zhǎng)為L(zhǎng)ab，那么對(duì)ab邊取矩可得如下等式：

試吊2：X方向第二次試吊。

將主吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到Y(jié)方向的中間，X方向的ab端，然后起吊使被吊物傾斜一個(gè)小角度。此時(shí)cd邊受到地面的均布支撐力，忽略被吊物高度及吊鉤位置影響，對(duì)cd邊取矩可得如下等式：

（2）試吊3：Y方向試吊。

將主吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到X方向的中間，Y方向的bc端，然后起吊使被吊物傾斜一個(gè)小角度。此時(shí)ad邊受到地面的均布支撐力，忽略被吊物高度及吊鉤位置影響，對(duì)ad邊取矩可得如下等式：

對(duì)式（1）、（2）、（3）構(gòu)成的方程組求解，可計(jì)算出被吊物的質(zhì)心（gX，gY）。 將主吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到計(jì)算所得的坐標(biāo)位置，然后開(kāi)始起吊。此時(shí)，被吊物為水平起吊，且在起吊過(guò)程中無(wú)需再進(jìn)行水平調(diào)整。該方法可避免吊具帶載調(diào)平，保護(hù)吊具設(shè)備，但調(diào)平時(shí)間較長(zhǎng)，水平精度有限。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 被吊物起吊受力分析Fig.4 Force analysis of suspended cargo

針對(duì)以上兩種控制策略，對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)水平式智能吊具控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文采用基于ARM系列的控制器，采用三軸伺服電機(jī)同步協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)吊具或被吊物的X、Y軸自動(dòng)水平調(diào)整，同時(shí)對(duì)吊繩受力情況進(jìn)行分析和控制，防止吊具偏載。在Z軸上增加了運(yùn)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)吊具在Z軸小范圍的自動(dòng)起吊控制，提升了吊具的適應(yīng)性?？刂葡到y(tǒng)的組成如圖5所示，主要包括手持控制器、嵌入式控制器、電池組、傳感器和驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備。

嵌入式控制器通過(guò)實(shí)時(shí)采集被吊產(chǎn)品上安裝的雙軸傾角傳感器數(shù)據(jù)來(lái)判斷被吊產(chǎn)品當(dāng)前的水平度狀態(tài)，并作為調(diào)整依據(jù)。當(dāng)?shù)蹙咝枰秸{(diào)整時(shí)，嵌入式控制器依據(jù)控制算法確定吊點(diǎn)的移動(dòng)量并控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，分別驅(qū)動(dòng)吊點(diǎn)X、Y向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)主吊點(diǎn)的調(diào)整。通過(guò)采集位移傳感器的吊點(diǎn)在X、Y方向的位移數(shù)據(jù)，可以判斷當(dāng)前吊點(diǎn)在吊具水平平面上的坐標(biāo)位置，當(dāng)被吊產(chǎn)品調(diào)整至水平狀態(tài)時(shí)，主吊點(diǎn)在吊具水平面內(nèi)坐標(biāo)即為吊具及被吊產(chǎn)品在其水平面內(nèi)質(zhì)心的坐標(biāo)。當(dāng)?shù)觞c(diǎn)調(diào)整至極限位置時(shí)觸發(fā)行程限位開(kāi)關(guān)，電機(jī)將停止運(yùn)行。

智能吊具的操控采用手持控制器無(wú)線(xiàn)通信的方式實(shí)現(xiàn)，手持控制器配備液晶屏，可以顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)。操作按鈕可對(duì)吊具的各項(xiàng)功能進(jìn)行操作，包括實(shí)現(xiàn)吊具自動(dòng)和手動(dòng)切換。吊具可以根據(jù)傳感器的測(cè)量自動(dòng)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在XYZ3個(gè)方向的移動(dòng)距離及方向，也可以手動(dòng)輸入調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)兩個(gè)方向的移動(dòng)距離及方向完成動(dòng)作。

整個(gè)智能吊具系統(tǒng)采用電池組直流供電，減少了連接電纜，并且采用低壓供電減小了對(duì)被吊產(chǎn)品的安全隱患。電源配有電源監(jiān)測(cè)保護(hù)電路，嵌入式控制器能監(jiān)測(cè)電源溫度，當(dāng)溫度高于許用值時(shí)報(bào)警，避免電源溫度過(guò)高引起的自燃與爆炸，保證電源的安全使用，同時(shí)，監(jiān)測(cè)保護(hù)電路監(jiān)測(cè)電源電量，當(dāng)電量不足時(shí)報(bào)警，提示更換電池或充電。

圖5 吊具控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.5 Control system design for self-leve linglifting sling

4 結(jié)論

柔性裝配技術(shù)在我國(guó)航天中的應(yīng)用還處于剛剛起步的狀態(tài)，其的特點(diǎn)就是裝備的智能化，數(shù)字化程度需要得到顯著的提高。本文針對(duì)傳統(tǒng)吊具可操作性不強(qiáng)，安全性差的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)水平式吊具。該吊具可根據(jù)被吊產(chǎn)品當(dāng)前姿態(tài)，調(diào)整主吊點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，也可以計(jì)算被吊物質(zhì)心來(lái)調(diào)整主吊點(diǎn)的最終位置，打破了傳統(tǒng)吊具通過(guò)調(diào)整配重和改變吊帶長(zhǎng)度的調(diào)平方式，從而簡(jiǎn)化了航天器吊裝過(guò)程中的準(zhǔn)備工作，實(shí)現(xiàn)了吊具的智能化，提高了衛(wèi)星總裝調(diào)試過(guò)程中衛(wèi)星吊裝的效率，具有很好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉超，劉新妹，侯文.一種微處理器控制自動(dòng)平衡吊具[J].山西電子技術(shù)，2012(2): 22-25.LIU Chao, LIU Xinmei, HOU Wen. An automatic balance sling with microprocessor control[J]. Shanxi Electronic Technoloy, 2012(2): 22-25.

[2]武玉升.集裝箱橋吊吊具定位系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2007.WU Yusheng. Overall design for lifting instruments in container crane positioning system[D]. Harbin: Harbin Engineering University, 2007.